عكس‌برداري از سطح سياره‌اي فراخورشيدي؛ رؤيايي كه ناسا درصدد تحقق آن است

تا همين چند سال پيش، زمين، تنها سياره‌ي سكونت‌پذير شناخته‌شده در كل كهكشان راه شيري بود؛ اما در دهه‌ي اخير، ستاره‌شناسان موفق شده‌اند هزاران سياره‌ي فراخورشيدي كشف كنند؛ به‌طوري‌كه ممكن است تعداد اين سياره‌ها حتي از تعداد ستاره‌هاي موجود در كهكشان راه شيري هم بيشتر باشد. بسياري از دنياهاي فرازميني ويژگي‌هاي جذابي مثل اقيانوس‌هاي سراسري گدازه يا باران آهن دارند. برخي سياره‌ها هم ممكن است وضعيتي مشابه زمين داشته باشند. انسان هرگز نمي‌تواند به اين دنياهاي دوردست سفر كند و از نزديك اوضاع‌واحوال آن را مطالعه كند؛ اما مي‌تواند ازطريق مأموريت‌هاي جسورانه در فضاي ميان‌ستاره‌اي به حقيقت ماجرا پي ببرد.

نزديك به يك سال است دانشمندان مأموريت مفهومي پيشرفته‌ي ناسا (NIAC) در حال توسعه‌ي طرح‌هاي مفهومي فضايي هستند كه تا حدودي به داستان‌هاي علمي تخيلي شبيه‌‌اند. از اين طرح‌ها مي‌توان به تبديل يكي از دهانه‌هاي برخوردي ماه به بشقاب راديويي غو‌ل‌آسا و ساخت سيستم شتاب پادماده و نقشه‌برداري از داخل سيارك اشاره كرد. اسلاوا توريشف، فيزيك‌دان آزمايشگاه پيشرانش جت ناسا، طراح بسياري از برنامه‌هاي پيشنهادي يادشده است. او حالا مي‌خواهد با تبديل خورشيد به لنز دوربيني غول‌آسا از سطح سياره‌اي فراخورشيدي عكس‌برداري كند. ايده‌ي اين طرح برگرفته از انديشه متخصصينيه‌ي آلبرت اينشتين است. طبق محاسبات اينشتين، جاذبه‌ي ستاره باعث مي‌شود نور ستاره‌اي ديگر در اطراف آن خم شود و درنتيجه، لنزي غول‌آسا به‌وجود مي‌آيد.

تصويرسازي هنرمند از Kepler-186f، اولين سياره‌ي فراخورشيدي مشابه زمين كه در محدوده‌اي سكونت‌پذير قرار دارد. ممكن است آب مايع روي سطح اين سياره جريان داشته باشد و ظرفيت درخورتوجهي براي حيات داشته باشد.

اگر شخصي در نقطه‌ي كانوني لنز بايستد؛ يعني نقطه‌اي كه نور همگرا مي‌شود، لنز گرانشي خورشيدي به‌شكل چشمگيري اجرام پشت ستاره را بزرگ‌نمايي مي‌كند. انديشه متخصصينيه‌ي اينشتين درباره‌ي ساخت لنز گرانشي امروزه به حقيقت نزديك شده است. كيهان‌شناسان براي مطالعه اجرام دوردست از لنز گرانشي كهكشان‌هاي ديگر و خوشه‌هاي كهكشاني استفاده مي‌كنند.

انگيزه‌ي اصلي تمام اشخاص دخيل در اين پروژه، تبديل ايده‌هاي علمي تخيلي به واقعيت است؛ به‌طوري‌كه نسل فعلي انسان‌هاي روي زمين بتوانند از تصاوير دنيايي فراخورشيدي لذت ببرند. آيا ما تنها هستيم؟ اين پرسش بسياري از افراد است و مي‌توانيم در طول عمر خود به آن پاسخ دهيم

عكس‌برداري از همسايه‌هاي فراخورشيدي ايده‌اي اغواكننده است؛ اما موانع زيادي بر سر راه اين پروژه وجود دارد. اشكال اول، مسافتي است كه تلسكوپ بايد طي كند: ۹۶ ميليارد كيلومتر و تقريبا ۱۶ برابر بيشتر از فاصله‌ي خورشيد تا پلوتو. اگر با سرعت نور هم سفر كنيد، طي اين مسافت بيش از سه روز طول مي‌كشد. وويجر ۱ كه وارد فضاي بين‌ستاره‌اي شده است، در مدت چهل سال تقريبا ۲۱ ميليارد كيلومتر را طي كرده است.

اشكال بعدي، قرارگرفتن فضاپيما در نقطه‌اي مناسب است. برخلاف لنزهاي دوربيني، خورشيد نقطه‌ي كانوني مشخصي ندارد؛ اما محوري كانوني دارد كه در فاصله‌ي تقريبي ۸۰ ميليارد كيلومتري از آن شروع مي‌شود و به داخل فضا توسعه پيدا مي‌كند. تصوير سياره‌ي فراخورشيدي را مي‌توان به‌شكل لوله‌اي با قطر كمتر از ۱/۵ كيلومتر تصور كرد كه وارد محور كانوني شده است و در فاصله‌ي ۹۶ ميليارد كيلومتر در خلأ فضاي ميان‌ستاره‌اي قرار گرفته است. تلسكوپ بايد خود را به‌درستي در اين لوله تراز كند؛ به‌طوري‌كه بتوان خطي فرضي را از مركز تلسكوپ و مركز خورشيد به منطقه‌اي از سياره‌ي فراخورشيدي وصل كرد.

تلسكوپ براي عكس‌برداري از سياره‌ي فراخورشيدي در اطراف لوله حركت مي‌كند و از هر موقعيتي عكاسي مي‌كند كه نشان‌دهنده‌ي چشم‌اندازي جديد از سطح سياره‌ي فراخورشيدي است. ازآنجاكه هر موقعيت متناظر با يك پيكسل در تصوير نهايي است، تلسكوپ بايد با دقت زيادي عمل كند و در زمان نوردهي كه معمولا از چند دقيقه تا چند ساعت متغير است، اين دقت را حفظ كند.

تصوير احتمالي تلسكوپ لنز گرانشي خورشيدي (SGL)

اشكالات به اينجا ختم نمي‌شوند. وقتي گرانش خورشيد جرمي را بزرگ‌نمايي مي‌كند، خروجي نهايي مانند لنز دوربين تصويري يكپارچه نيست؛ بلكه تصوير در اطراف لبه‌ي خورشيد در هاله‌اي به‌نام حلقه‌ي اينشتين پخش مي‌شود. اين هاله داخل تاج خورشيد (جوّ خارجي خورشيد) ظاهر و باعث اعوجاج تصوير و تغيير درخشندگي آن مي‌شود. هركدام از حلقه‌هاي اينشتين متناظر با يك پيكسل در تصوير نهايي و حاوي تركيبي از نور انعكاسي منطقه‌ي كوچكي از سطح سياره‌ي فراخورشيدي و ديگر بخش‌هاي آن هستند. تلسكوپ براي ثبت تصوير كاملي از سياره‌ي فراخورشيدي، بايد سيگنال ضعيفي از حلقه‌ي اينشتين را درمقابل نويز پس‌زمينه‌ي تاج خورشيدي انتخاب كند و سپس اين سيگنال را استخراج و از الگوريتم‌هاي حذف بلور و محوي براي بازيابي داده‌هاي مرتبط استفاده كند. براي توليد تصوير مگاپيكسلي، اين فرايند بايد يك‌ميليون بار تكرار شود.

توريشف و همكارانش براي رفع اين اشكالات به طراحي سازه‌اي منحصر‌به فرد نياز دارند. طي مسافت ۹۶ ميليارد كيلومتر در بازه‌ي عمر انسان، با استفاده از فناوري‌هاي پيشرانش معمولي مثل موتورهاي راكت امكان‌پذير نيست. هدف توريشف استفاده از ناوگان فضايي كوچكي است كه با بادبان خورشيدي حركت مي‌كند و ابعاد آن بزرگ‌تر از مايكروويو هم نيست. فضاپيما سفر خود را با عبور از فاصله‌ي ۲۵ ميليون كيلومتري خورشيد آغاز مي‌كند. گرانش خورشيدي به‌علاوه‌ي نورخورشيد به حركت بادبان‌هاي خورشيدي كمك مي‌كنند و سرعت فضاپيما را به ۴۸۰ هزار كيلومتر‌بر‌ساعت مي‌رسانند. اين فرايند مشابه افزايش سرعت كاوشگر پاركر سولار است؛ يعني سريع‌ترين فضاپيمايي كه تاكنون ساخته شده.

حتي با سرعت ۴۸۰ هزار كيلومتربرساعت، ۲۵ سال طول مي‌كشد تا فضاپيما به ابتداي منطقه‌ي كانوني خورشيد در فضاي ميان‌ستاره‌اي برسد. هر فضاپيما هم حامل بخشي از تلسكوپ است و تلسكوپ در فضا مونتاژ مي‌شود. وقتي تلسكوپ به مقصد خود رسيد، با تكيه بر سيستم‌هاي هوش مصنوعي به‌كار خود ادامه مي‌دهد؛ زيرا دريافت دستور از زمين نزديك به چهار روز طول مي‌كشد. همچنين، براي اجراي تحليل سيگنال موردنياز و درك داده‌ها به پردازش در فضاپيما نياز دارد.

هنوز پرسش‌هاي زيادي درباره‌ي مأموريت عكس‌برداري از سياره‌هاي فراخورشيدي وجود دارد؛ اما تريشف معتقد است فناوري‌هاي پيش‌نياز اين پروژه دردسترس هستند. راكت‌هاي قابل‌استفاده‌ي مجدد هزينه‌ي رسيدن به فضا را به شكل چشمگيري كاهش داده‌اند. همچنين، از ماهواره‌هاي كوچك براي مأموريت‌هاي پيچيده‌ي اعماق فضا استفاده مي‌شود. فضاپيماي وويجر در فضاي ميان‌ستاره‌اي هنوز در سلامت كامل است. بادبان‌هاي خورشيدي در مأموريت‌هاي متعدد پياده‌سازي شده‌اند و انسان در مسير مونتاژ تلسكو‌پ‌ها در فضا قرار دارد. توريشف مي‌گويد:

مي‌توانيم با همين فناوري‌هاي فعلي به هدف خود برسيم.

مجوز‌هاي NIAC در چند مرحله‌ داده شدند. در مرحله‌ي اول، مفاهيم به چند ايده محدود بودند و در مرحله‌ي سوم، به مأموريت واقعي تبديل مي‌شوند. طرح توريشف براي عكس‌برداري واضح از سياره‌ي فراخورشيدي، سومين پروژه‌اي است كه در طول تاريخ، NIAC موفق مي‌شود مجوز مرحله‌ي سوم را دريافت كند.

باوجوداين، همه به‌اندازه‌ي توريشف به چشم‌انداز پروژه خوش‌بين نيستند. پونتوس برندت، فيزيك‌دان آزمايشگاه فيزيك متخصصدي دانشگاه جان هاپكينز و سرپرست طرح مأموريت ميان‌ستاره‌اي ناسا است. اگرچه او طرح پيشنهادي توريشف را بسيار جذاب توصيف مي‌كند، معتقد است اين طرح نواقص زيادي دارد و در عمل محقق نخواهد شد. او به‌ويژه نگران دقت تلسكوپ است كه در اعماق فضاي ميان‌ستاره‌اي و در ميان ذرات پرتشعشع بايد دقتي ۳۰۰ برابر تلسكوپ فضايي هابل داشته باشد. برندت همچنين به مقاومت بادبان خورشيدي در برابر شتاب و دماي بالاي فضاپيما مشكوك است. او مي‌افزايد:

ممكن است بادبان مانند يك چتر به عقب خم شود. براي مقاومت سازه‌هاي مكانيكي دربرابر چنين نيرويي راه‌حلي ندارم.

اشكال ديگر، يافتن هدف مناسب است كه به‌گفته‌ي توريشف، سياره‌اي با ويژگي‌هاي مشابه زمين است. باتوجه‌به زمان و هزينه‌هاي پروژه، قطعا هدف نهايي تصوير سياره‌اي مُرده و سرد نخواهد بود؛ اما تاكنون هزاران سياره‌ي فراخورشيدي كشف شده‌اند كه تنها تعداد اندكي احتمال سكونت‌پذيري دارند. اين سياره‌هاي سنگي تقريبا هم‌اندازه‌ي زمين هستند و در فاصله‌اي مشخص به دور ستاره‌ي ميزبان مي‌چرخند كه امكان جريان‌يافتن آب مايع روي سطح آن‌ها وجود داشته باشد؛ درنتيجه باتوجه‌به محدوديت‌هاي فناوري اين پروژه، سياره‌ي مدانديشه متخصصين بايد در فاصله‌ي ۱۰۰ سال نوري از منظومه‌ي شمسي قرار داشته باشد. در بهترين سناريو، اولين تصوير دريافتي از سياره‌ي فراخورشيدي مي‌تواند علائم حيات ازجمله حيات گياهي را روي سطح آن آشكار كند. درصورت وجود زندگي هوشمند، احتمال كشف زيرساخت‌هاي عظيم وجود خواهد داشت.

ناگفته نماند طبق يافته‌هاي ستاره‌شناسان تا اين مرحله، احتمال سكونت‌پذيري در سياره‌هاي مشابه زمين زياد است. به‌گفته‌ي نيكول لويس، ستاره‌شناس دانشگاه كرنل، حتي بر سر تعريف دقيق سياره‌ي سكونت‌پذير هم اختلاف‌هايي وجود دارد. او معتقد است نسل جديد تلسكوپ‌هاي شكارچي سياره‌هاي فراخورشيدي مثل TESS (ماهواره‌ي اكتشافي سياره‌هاي فراخورشيدي در حال گذار) و تلسكوپ فضايي جيمز وب، به ستاره‌شناسان در كشف تعداد بيشتري از سياره‌هاي سكونت‌پذير كمك مي‌كنند؛ حتي اگر ستاره‌هاي ميزبان از خورشيد كوچك‌تر باشند. لويس مي‌افزايد:

سياره‌ي هم‌اندازه با زمين در محدوده‌ي سكونت‌پذير ستاره‌اي خورشيدمانند را مي‌توان سكونت‌پذير ناميد؛ اما براي كشف چنين سياره‌اي بايد منتظر فناوري‌هاي جديد آينده باشيم.

توريشف و همكارانش در بخشي از مرحله‌ي سوم NIAC، به‌دنبال حل بسياري از اشكالات پروژه هستند. توريشف يكي از اهدافش را توسعه‌ي مأموريت مانور فناوري و پرتاب آن در چند سال آينده مي‌داند. اين مأموريت شامل تجهيز فضاپيمايي با بادبان خورشيدي و پرتاب آن با سرعت زياد و عكاسي از برخي اجرام منظومه‌ي شمسي است. يكي از پيشنهاد‌هاي او براي اين پروژه، رديابي جرمي ميان‌ستاره‌اي است كه وارد منظومه‌ي شمسي شده. توريشف مي‌افزايد:

تا پايان مرحله‌ي سوم، به‌دنبال تعهدات ناسا و شركاي صنعتي براي مأموريت مانور فناوري هستيم. مي‌خواهيم تاحدممكن به هدف نزديك شويم.

گفتني است هيچ ضمانتي وجود ندارد كه مأموريت عكس‌برداري از سياره‌ي فراخورشيدي به‌ثمر بنشيند؛ اما طبق گفته‌ي توريشف، در‌صورتي‌كه ناسا اين مأموريت را انتخاب كند، احتمال عملي‌شدن آن در اوايل دهه‌ي ۲۰۳۰ وجود خواهد داشت. باتوجه‌به اينكه بازه‌ي سفر ۲۵ سال خواهد بود و چند سال هم براي جمع‌آوري داده‌ها زمان لازم است، احتمالا تصوير دقيق سياره‌ي فراخورشيدي در اوايل دهه‌ي ۲۰۶۰ دريافت خواهد شد. اين پروژه يكي از مأموريت‌هاي پيشنهادي بلندپروازانه‌ محسوب مي‌شود و با اينكه احتمال موفقيت آن بعيد است، مي‌تواند درك بشر به جهان را متحول كند. برندت معتقد است:

رؤياپردازاني مانند اسلاوا تريشف تصور مي‌كنند چنين مأموريت‌هايي در عمل ممكن خواهند بود. اين هدف بسيار ديوانه‌كننده است؛ اما واقعيت دارد. او رؤيابافي است كه هرگز تسليم نمي‌شود.