"رصدخانه های بزرگ" - نسل بعدی تلسکوپ های فضایی ناسا و تاثیر آنها بر قرن آینده نجوم رصدی

روز کریسمس 2021 برای اکثر ستاره شناسان در سراسر جهان یک مناسبت خوشحال کننده بود، همانطور که زمانی که بسیار به تاخیر افتاد تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) بالاخره راه اندازی شد. با این حال، هیاهویی که در ماه آینده در فضا منتشر شد، و همچنین شادی متعاقب آن در مورد اولین تصاویر آن، یک مشکل نگران‌کننده را در نجوم رصدی پنهان کرده است - که بیشتر ناوگان ناسا از رصدخانه‌های فضایی در مدار است. در حال پیر شدن است این تلسکوپ فضایی هابل از سال 1990 کار می کند، در حالی که رصدخانه اشعه ایکس چاندرا نزدیک به یک دهه بعد راه اندازی شد. در همین حال، هموطن مادون قرمز آنها، تلسکوپ فضایی Spitzerکه در سال 2003 راه اندازی شد، دیگر فعال نیست و در سال 2020 تعطیل شد.

به همین دلیل است که اخترشناسان نگران هستند که اگر اتفاقی برای یک یا چند مورد از این تلسکوپ‌ها بیفتد، ممکن است از کل طیف الکترومغناطیسی قطع شود. با خاموش شدن اسپیتزر، مادون قرمز دور (160 میکرومتر) در حال حاضر دور از دسترس است زیرا JWST فقط در 26 مادون قرمز متوسط ​​وارد می شود. میکرومتر به همین ترتیب، JWST برای مشاهده طول موج های مرئی یا فرابنفش مانند هابل بهینه نشده است. مطمئنا، آینده تلسکوپ فضایی رومی نانسی گریس – سابقاً Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) – یک تلسکوپ نوری و مادون قرمز نزدیک است، اما میدان دید آن بسیار گسترده تر از هابل است، به این معنی که برای کارهای نزدیک و با جزئیات طراحی نشده است. همچنین پوشش فرابنفش هابل را ندارد.

رصدخانه های بزرگ

برای اطمینان از روشن ماندن دید ما از کیهان در سراسر طیف، اخترشناسان آمریکایی در حال حاضر در حال انتخاب و انتخاب گروه بعدی تلسکوپ های فضایی هستند. توصیه اصلی آخرین بررسی دهه نجومی از آکادمی ملی علوم، مهندسی و پزشکی ایالات متحده - گزارش 614 صفحه ای مسیرهای کشف در نجوم و اخترفیزیک برای دهه 2020 (Astro2020) – برنامه‌هایی برای اجرای نسل جدیدی از «رصدخانه‌های بزرگ» است که در دهه 2040 راه اندازی می‌شوند. این موضوع زمانی تکرار می شود که چاندرا، هابل، اسپیتزر و رصدخانه پرتو گاما کامپتون (که بین سال‌های 1991 و 2000 کار می‌کرد و در سال 2008 توسط تلسکوپ فضایی فرمی جانشین شد) در حال توسعه بودند و به عنوان "رصدخانه‌های بزرگ" معرفی شدند.

این تلسکوپ‌ها که در کنار یکدیگر برای مطالعه جهان کار می‌کنند، برای دهه‌ها پیشتاز تحقیقات اخترفیزیک ناسا بوده‌اند. رئیس مشترک این نظرسنجی می گوید استفاده مجدد از این عبارت "رصدخانه های بزرگ" در بررسی ده ساله جدید عمدی است. فیونا هریسون از موسسه فناوری کالیفرنیا. او می‌گوید: «برای درک این نکته است که مشاهدات پانکروماتیک، از اشعه ایکس گرفته تا فروسرخ، واقعاً برای اخترفیزیک مدرن ضروری هستند. بسیاری از موفقیت‌های رصدخانه‌های بزرگ [اصلی] این است که آنها یکی پس از دیگری با مشاهدات همپوشانی توسعه یافته و پرتاب شدند.»

ساخت یک تلسکوپ فضایی موفق یک فرآیند طولانی است که معمولاً از شروع توسعه تا پرتاب 25 سال طول می کشد. کار مفهومی برای هابل در دهه 1960 آغاز شد، در حالی که برنامه های JWST برای اولین بار در سال 1995، پس از تصاویر میدان عمیق هابل نشان داد که اولین کهکشان ها در دسترس یک تلسکوپ بزرگتر هستند. بنابراین، نسل بعدی چنین کاوشگرهای فضایی تا سال 2040 پرتاب نخواهد شد. اما آنها شامل توصیه شماره یک نظرسنجی خواهند شد: یک ماموریت شاخص برای جایگزینی هابل، با الهام گرفتن از دو مفهوم - رصدخانه سیاره فراخورشیدی قابل سکونت (HabEx) و ماوراء بنفش بزرگ، نوری و مادون قرمز (LUVOIR) تلسکوپ همچنین در تابلوی طراحی، یک ماموریت پرتو ایکس و یک تلسکوپ وجود دارد که می تواند در مادون قرمز دور رصد کند.

اما با توجه به وضعیت نامطمئن تلسکوپ‌های فضایی فعلی ما، و دانستن اینکه ماموریت‌های جدید تا 20 سال دیگر پرتاب نمی‌شوند، آیا اخترشناسان نباید از سال‌ها پیش برنامه‌ریزی برای رصدخانه‌های بزرگ جدید را آغاز می‌کردند؟ می گوید: «حتماً استیون کان از دانشگاه استنفورد، که ریاست یکی از پانل های بررسی دهه ای را بر عهده داشت که به تلسکوپ های فضایی آینده نگاه می کرد. او به رصدخانه Constellation-X اشاره می کند - یک کاوشگر فضایی اشعه ایکس که به عنوان دنباله چاندرا در بررسی دهه 2000 توصیه شد، اما هرگز به نتیجه نرسید زیرا توسعه طولانی JWST، که همه چیز را جذب کرد. بودجه اخترفیزیک کان توضیح می دهد: «JWST اساساً برای دو دهه و نیم بر برنامه رصدخانه بزرگ ناسا تسلط داشت. در نتیجه، جایی برای انجام یک مأموریت متعاقب اشعه ایکس یا آن نوع مأموریت پیشگام در مادون قرمز دور که ما در نظر داریم، وجود نداشت.»

برنده همه چیز را می گیرد 

در واقع، توسعه JWST با مشکلات زیادی مواجه شد، از جمله مازاد بر هزینه و زمان توسعه، که تقریباً منجر به لغو پروژه شد. خاطره این اشتباهات در بررسی جدید دهه‌ای بزرگ به نظر می‌رسد و بر برخی از توصیه‌های ارائه شده برای بازگرداندن تعادل به اخترفیزیک در ایالات متحده تأثیر می‌گذارد. اما همیشه اینطور نبود. کان ابراز تاسف می کند که چگونه، قبل از نظرسنجی سال 2000، تنها قرار گرفتن در لیست توصیه ها در یک بررسی ده ساله برای تضمین تحقق پروژه یا ماموریت شما کافی بود. اما در عصر مدرن تلسکوپ‌های 10 میلیارد دلاری، کان می‌گوید: «شما باید شماره یک باشید وگرنه نمی‌توانید آن را انجام دهید». "مشکل این است که در این محیط برنده همه چیز را می گیرد، همه می خواهند تمام زنگ ها و سوت هایی را که می توانند در یک پروژه پرتاب کنند، زیرا اگر فکر می کنید در 50 سال آینده فقط یک شلیک در یک ماموریت بزرگ خواهید داشت. ، می خواهید آن را به حساب بیاورید."

این طرز تفکر است که می تواند منجر به مشکلاتی شود که JWST هم با آن مواجه بوده و هم باعث ایجاد آن شده است. هرچه طراحی ماموریت پیچیده‌تر شود، ابزارها و قابلیت‌های بیشتری را می‌خواهید داشته باشید تا آن را ارزشمند کند - به این معنی که گران‌تر می‌شود و توسعه آن بیشتر طول می‌کشد. کان ادامه می دهد: «همه اینها ما را به چرخه معیوب برنده باز می گرداند.

هریسون موافق است و تأکید می کند که این بررسی ده ساله جدید تلاشی برای تغییر رویکرد نجوم ایالات متحده است. او می‌گوید: «برای اینکه یک نظرسنجی دهه‌ای بگوید، این کار شماره یک است، ما باید آن را انجام دهیم بدون توجه به اینکه به هر قیمتی که به پایان می‌رسد، رویکرد مسئولانه‌ای نیست.» در تلاش برای مقابله با این، نظرسنجی اخیر تعدادی پیشنهاد جدید ارائه می کند. از جمله این ایده این است که مأموریت‌ها باید مطابق با اولویت‌های علمی خاص طراحی شوند، نه اینکه به قول کان اجازه دهند مفهوم مأموریت با خود فرار کند، با تمام «زنگ‌ها و سوت‌ها».

به عنوان مثال، یکی از سوالات کلیدی علمی که پانل کان به آن نگاه کرد، روشی بود که در آن سیاه‌چاله‌های پرجرم فعال در کهکشان‌های دوردست و غبارآلود بر شکل‌گیری ستاره‌ها تأثیر می‌گذارند. تجمع ماده بر روی چنین سیاهچاله‌هایی با تلسکوپ پرتو ایکس با وضوح بالا قابل تشخیص است، در حالی که یک مأموریت طیف‌سنجی فروسرخ دور می‌تواند از میان غبار نگاه کند و خطوط طیفی خاص مربوط به تشکیل ستاره و بازخورد از آن را بررسی کند. بادهای سیاه چاله امید این است که این دو ماموریت بتوانند ظرف چند سال از یکدیگر پرتاب شوند و به صورت هماهنگ عمل کنند. با این حال، این که این ماموریت ها چه شکلی خواهند داشت، هنوز در هوا باقی مانده است.

قبل از بررسی دهه‌ای دو مفهوم مأموریت وجود داشت رصدخانه اشعه ایکس سیاهگوش و تلسکوپ فضایی Origins - که در طول موج های مادون قرمز متوسط ​​تا دور عمل می کند و آینه تلسکوپ بین 6 تا 9 متر قطر دارد. تخمین زده می‌شود که هر کدام حدود 5 میلیارد دلار هزینه داشته باشد، اما بررسی دهه‌ای به این نتیجه رسید که این هزینه‌ها دست کم گرفته می‌شوند و قابلیت‌های علمی آن‌ها کاملاً با الزاماتی که هیئت به دنبال آن بودند، مطابقت ندارد.

ماموریت های شاخص

و در اینجا یکی از نوآوری‌های دیگر این بررسی دهه‌ای وارد می‌شود - یعنی کلاس جدیدی از تلسکوپ‌های فضایی به نام «کلاس کاوشگر» با بودجه چند میلیارد دلاری. می‌گوید: «ما باید بپذیریم که اگر قرار بود همه چیز به اندازه JWST گران باشد، کار کردن همزمان همه رصدخانه‌های بزرگ دشوار خواهد بود. مارسیا ریکه از دانشگاه آریزونا، که پانل دوم را در تلسکوپ های فضایی با تمرکز بر رژیم نوری و مادون قرمز نزدیک رهبری کرد. در عوض بهترین راه ممکن است داشتن یک مأموریت پرچمدار و سپس پوشاندن سایر بخش های طیف الکترومغناطیسی توسط مأموریت های کاوشگر باشد.

در واقع، هر ماموریت احتمالی اشعه ایکس و مادون قرمز دور از کلاس کاوشگر نیز می تواند توسط یک تلسکوپ فرابنفش کلاس کاوشگر ملحق شود. بهبود پوشش‌های آینه‌ای و آشکارسازها در چند دهه اخیر به این معنی است که یک تلسکوپ 1.5 متری در واقع می‌تواند حساس‌تر از هابل در طول موج‌های فرابنفش باشد. ریکه می‌گوید: «این می‌تواند مقاومتی در برابر شکست‌های مداوم هابل ایجاد کند.

برای کمک به توسعه این تلسکوپ‌های فضایی آینده، خواه به عنوان غول‌های 10 میلیارد دلاری پیش بروند یا به عنوان مأموریت‌های کاوشگر ساده‌تر (اما جاه‌طلبانه‌تر) پیش بروند، این بررسی دهه‌ای توصیه می‌کند که ناسا یک تلسکوپ جدید ایجاد کند. ماموریت رصدخانه های بزرگ و برنامه بلوغ فناوری. هریسون می گوید: این نه تنها فناوری را توسعه می دهد، بلکه "مفاهیم ماموریت را بالغ می کند". ناسا به نوبه خود در حال برگزاری کارگاه های آموزشی به عنوان بخشی از این برنامه جدید است و پیش نویس فراخوانی برای ماموریت های کاوشگر تهیه کرده است.

اگر مأموریت های اشعه ایکس و مادون قرمز دور - که در حال حاضر با نام مستعار "آتش" و "دود" شناخته می شوند - در کلاس کاوشگر قرار گیرند، آنگاه رصدخانه بزرگ گل سرسبد جایگزین مستقیم مورد انتظار برای تلسکوپ فضایی هابل خواهد بود. مفهومی که در این راه پیشرو است، LUVOIR است و دو نسخه از این تلسکوپ پیشنهاد شده است: یا یک تلسکوپ 15 متری بسیار جاه طلبانه، یا یک تلسکوپ 8 متری، که دومی هنوز هم بزرگترین تلسکوپ فضایی است که تاکنون به فضا پرتاب شده است.

زمینهای دیگر

به دلایل هزینه و عملی بودن، نظرسنجی دهه‌ای توصیه کرد که نسخه 15 متری از بین برود و طراحی نهایی بهترین بخش‌های LUVOIR و HabEx را با هم ترکیب کند. ریکه توضیح می دهد که هدف علمی کلیدی این تلسکوپ این است که باید بتواند سیارات با جرم زمین را در منطقه قابل سکونت ستارگان شناسایی کند. برای این منظور، هیئت ریکه در بحث با جامعه سیارات فراخورشیدی در مورد اینکه چه تعداد سیاره بالقوه قابل سکونت را می توان به عنوان تابعی از اندازه تلسکوپ شناسایی کرد، شرکت کرد.

«به عنوان یک گروه، می‌پرسید: اهداف کلیدی علمی چیست؟ چه سطحی از حساسیت مورد نیاز است؟ کوچکترین تلسکوپی که این کار را انجام می دهد چیست؟ ریکه می گوید. پاسخی که او دریافت کرد این بود که اگر می‌خواهید سیاره‌های فراخورشیدی بالقوه قابل سکونت پیدا کنید، یک تلسکوپ با دیافراگم 6 تا 8 متر به اندازه‌ای کوچک است که جرات می‌کنید.

موفقیت فقط به اندازه تلسکوپ نیست. ابزار آن نیز باید تا حد خراش باشد. تصویربرداری موفقیت‌آمیز از سیاره‌هایی به اندازه زمین نزدیک به ستاره‌هایشان به تاج‌نگاری به عنوان بخشی از طراحی آن نیاز دارد. سیارات فراخورشیدی به اندازه زمین معمولاً قابل تصویربرداری نیستند، زیرا تابش خیره کننده ستاره آنها بسیار قوی است. تاج‌نگار نور ستاره را مسدود می‌کند و دیدن سیارات حاضر را آسان‌تر می‌کند. آنها برای دهه ها جزء اصلی مطالعات خورشید بوده اند - نام آنها از مسدود کردن دیسک خورشید گرفته شده است تا ستاره شناسان بتوانند تاج خورشیدی را ببینند. اما ابداع تاج‌نگاری که می‌تواند دقیقاً نور درخشان یک ستاره را که اساساً به عنوان یک منبع نقطه‌ای ظاهر می‌شود، مسدود کند، در حالی که با کاهش کنتراست بین تابش خیره‌کننده ستاره و نور سیارات به 10، سیارات فقط میلی‌لارک ثانیه از ستاره قابل رویت هستند.^-10ریکه می‌گوید، "یک قدم فراتر از هر کاری است که قبلا انجام داده‌ایم".

بودجه کافی؟

پاسخ کلی به توصیه‌های نظرسنجی دهه‌ای عمدتاً مثبت بوده است آزمایشگاه ملی تحقیقات نجوم نوری مادون قرمز (NOIRLab) و رصدخانه ملی رادیو نجوم (NRAO) همه به آن مهر تایید می دهند. هریسون می‌گوید گام بعدی متقاعد کردن سیاستمداران است تا از بودجه‌ای که برای امکان‌پذیر ساختن رصدخانه‌های بزرگ مورد نیاز است، جدا شوند.

گام بعدی متقاعد کردن سیاستمداران است تا از بودجه ای که برای امکان ساختن رصدخانه های بزرگ مورد نیاز است، جدا شوند.

فیونا هریسون، موسسه فناوری کالیفرنیا

او می‌گوید: «مطمئناً اکنون تمرکز من و رابرت کنیکات [رئیس همکار هریسون از دانشگاه آریزونا و دانشگاه A&M تگزاس] این است که هیجان پروژه‌های قانع‌کننده‌ای که در نظرسنجی پیشنهاد شده است را به کنگره بیان کنم. این یک پاسخ مثبت از سوی ناسا بود و می‌خواهد توصیه‌ها را انجام دهد، اما بودجه باید وجود داشته باشد.»

اگر این پول در راه باشد، ریکه بودجه مورد نیاز برای بلوغ فناوری تلسکوپ نوری را حدود نیم میلیارد دلار تخمین می‌زند. او می‌گوید: «پس از آن، نزدیک به پایان این دهه، آماده خواهیم بود که همه اردک‌های فناوری پشت سر هم بنشینند و بتوانیم وارد فاز ساخت‌وساز شویم».

بازه های زمانی درگیر فوق العاده هستند. اگر هابل و چاندرا بخواهند، نسل بعدی تلسکوپ های پرتاب شده در دهه 2040 همچنان می توانند در دهه 2070 یا پس از آن عملیاتی شوند. بنابراین، توصیه‌های بررسی دهه‌ای نه تنها برای 10 سال آینده نجوم، بلکه برای تأثیر آن‌ها در بیشتر قرن حاضر مهم هستند. بنابراین فشار فوق‌العاده‌ای بر نظرسنجی برای انجام درست آن وجود داشت.

ریکه می گوید: «این جایی است که انتخاب اهداف بلندپروازانه مهم است. "شما باید چیزی را شناسایی کنید که آنقدر مهم است که همه موافق باشند و به اندازه کافی یک قدم رو به جلو باشد که در حین انجام آن چیز دیگری از شما پیشی نگیرد." تاریخ قضاوت خواهد کرد که آیا این بررسی دهه‌ای تصمیمات کلیدی خود را درست گرفته است یا خیر، اما از منظر امروز، آینده اخترفیزیک نوید یک آینده هیجان‌انگیز را می‌دهد.