تلسکوپ فضایی نسل بعدی ناسا چگونه علائم حیات را در سیاره‌های بیگانه پیدا می‌کند؟

برنامه‌ریزی برای رصدخانه‌ی جهان‌های سکونت‌پذیر ناسا (HWO) در حال انجام است. هدف این تلسکوپ فضایی بررسی دقیق جو سیاره‌های فراخورشیدی برای جست‌وجوی علائم حیات است. به گزارش اسپیس‌دات‌کام، در هفته‌های اخیر کارگاهی در مؤسسه‌ی فناوری کالیفرنیا (Caltech) برگزار شد که طی آن، دانشمندان و مهندسان بر سر وضعیت فناوری لازم برای HWO بحث کردند. این رصدخانه‌ی فضایی یکی از بزرگ‌ترین پروژه‌های ناسا پس از تلسکوپ فضایی جیمز وب به شمار می‌رود.

شکار علائم حیات در جو سیاره‌های فراخورشیدی اطراف ستاره‌های دوردست مانند جست‌وجوی سوزن در انبار کاه کیهانی است. با وجود این بر اساس تخمین‌های ناسا، نزدیک به چندین میلیارد سیاره‌ی هم‌اندازه با زمین در کمربند حیات ستاره‌های خود قرار دارند. کمربند حیات به منطقه‌ای از مدار یک ستاره گفته می‌شود که از دمای لازم برای جاری شدن آب مایع سطحی برخوردار است. آمار به‌دست‌آمده تنها مربوط به راه‌ شیری است. در نتیجه دانشمندان می‌دانند هدف جست‌وجویشان کجاست و همچنین دانشی از علائم حیات دارند. به گفته‌ی نیک سیگلر، متخصص فناوری برنامه‌ی اکتشافات فراخورشیدی ناسا:

هدف ما بررسی جو سیاره‌های فراخورشیدی برای جست‌وجوی اکسیژن، متان، بخار آب و دیگر مواد شیمیایی است که می‌توانند نشان‌دهنده‌ی وجود حیات باشند. هدف ما یافتن مردان سبز کوچک نیست، بلکه در عوض به دنبال آثاری از این مواد شیمیایی هستیم که آن‌ها را آثار زیستی می‌نامیم.

پروژه‌ی HWO در ابتدا به‌عنوان یکی از برنامه‌های مهم بررسی ده‌ساله‌ی نجوم و اخترفیزیک ۲۰۲۰ (به اختصار Astro2020) انتخاب شد. دلیل انتخاب HWO این بود که این رصدخانه، علاوه بر جستجوی علائم فرازمینی خارج از منظومه‌ شمسی و کمک به درک منظومه‌های سیاره‌ای، نقش عمده‌ای در بررسی‌های اخترفیزیکی ایفا می‌کند.

گرچه قرار است رصدخانه‌ی HWO در اواخر دهه‌ی ۲۰۳۰ یا اوایل ۲۰۴۰ پرتاب شود، با پیشرفت فناوری می‌توان از افزایش بودجه‌ جلوگیری کرد.

HWO برای بررسی دقیق جو سیاره‌های فراخورشیدی و شکار علائم حیات، از قابلیت مسدود کردن درخشش ستاره‌های میزبان برخوردار است. مسدود کردن نور شدیدی که از این ستاره‌ها می‌آید، به دیده شدن بخشی از نور ستاره‌ها که از جو سیاره‌های فراخورشیدی منعکس می‌شوند، کمک می‌کند. عنصرها و ترکیب‌های شیمیایی معمولاً نور را در طول‌موج‌های مشخص جذب و نشر می‌دهند و بنابراین نوری که با جو سیاره برخورد می‌کند، آثاری از عنصرهای تشکیل‌دهنده‌ی آن را آشکار خواهد کرد.

دانشمندان در فرآیندی موسوم به طیف‌سنجی به جست‌وجوی آثار زیستی در جو سیاره می‌پردازند. چنین آثار شیمیایی می‌توانند دربردارنده آثاری زیستی به‌ویژه ترکیب‌های شیمیایی دم و بازدم‌شده از موجودات زنده باشند.

HWO دو روش اصلی برای مسدود کردن نور اضافی ستاره‌ها دارد. از یک سو می‌تواند از سد نوری خارجی موسوم به سایه‌بان ستاره‌ای استفاده کند که پس از پرتاب به شکل چتری باز خواهد شد. روش دوم استفاده از سایه‌بان ستاره‌ای موسوم به کروناگراف است. این سایه‌بان به ابزاری شباهت دارد که دانشمندان برای مسدود ساختن فوتوسفر درخشان خورشید و بررسی جو خارجی آن یا تاج خورشیدی به کار می‌برند. ناسا تصمیم دارد از فناوری کروناگرافی برای HWO استفاده کند که در تلسکوپ‌های دیگر مثل جیمز وب و تلسکوپ نانسی گریس رومن به کار رفته است.

رصدخانه‌ی دبلیو. ام. کک که روی کوه ماونا کیا در هاوایی قرار دارد، از کروناگراف همراه با تصویربردار سیاره‌ای کک (KPIC) برای بررسی سیاره‌های فراخورشیدی استفاده می‌کند. کروناگراف به KPIC اجازه می‌دهد از پرتوهای گرمایی سیاره‌های فراخورشیدی غول گازی داغ و جوان عکس‌برداری کند. به این ترتیب دانشمندان می‌توانند به چگونگی تکامل سیاره‌ها و منظومه‌های آن‌ها پی ببرند.

سیاره‌های زمین‌مانند هدف HWO هم می‌توانند به اندازه‌ی ۱۰ میلیارد برابر کمتر از ستاره‌هایشان، نور منتشر کنند. در نتیجه کروناگراف این تلسکوپ باید تا حد ممکن نور ستاره را مسدود کند. با نزدیک شدن به سطح لازم برای فشرده‌سازی نور ستاره، چالش‌های دشوارتری به وجود خواهند آمد.

یکی از ایده‌های کلتک برای بهبود مسدودسازی نور ستاره‌ی دوردست، قرار دادن آینه‌ای درون کروناگراف است که بتواند شکل پرتوهای نوری را تغییر دهد. استفاده از هزاران محرک برای کنترل شکل آینه و همچنین کشش و رانش سطوح انعکاسی می‌تواند از ورود نور مزاحم به تصویر نهایی و ایجاد لکه‌های ناخواسته‌ جلوگیری کند. این نوع آینه‌ی تغییرشکل‌دهنده در تلسکوپ نانسی گریس رومن هم به کار رفته است. این رصدخانه‌ی فضایی احتمالا تا قبل از سال ۲۰۲۷ پرتاب نخواهد شد. تلسکوپ رومن به ستاره‌شناس‌ها اجازه می‌دهد غول‌های گازی صدها میلیون بار کم‌نورتر از ستاره‌ها و همچنین سنگ‌ریزه‌های باقی‌مانده از تولد سیاره‌ها را ببینند.

تلاش‌های فوق، سنگ‌بنایی مهم در جهت فناوری قدرتمند‌تر تعبیه‌شده در HWO هستند. به گفته‌ی ماوت، باید آینه‌ها را در سطح دقت پیکومتری تغییر داد. دانشمندان در طی نشستی که در کلتک برگزار شد، بهترین نوع آینه‌ی لازم برای HWO و پوشش آن و همچنین دیگر ابزارهای احتمالی این تلسکوپ را تعیین کردند.

با ادامه‌ی برنامه‌ریزی برای HWO، ستاره‌شناس‌ها همچنین برای انتخاب اهداف فراخورشیدی زمین‌مانند تلاش می‌کنند. این تلاش شامل استفاده از جستجوگر سیاره‌ای کک (KPF) در رصدخانه‌ی کک است که متناسب با سیاره‌های زمین‌مانند در کمربند حیات ستاره‌های کوتوله سرخ طراحی شده است.