فراتر از بازگشت به ماه؛ برنامه آرتمیس ناسا چگونه آینده نجوم را متحول می‌کند؟

ماموریت آرتمیس ۲ تنها نخستین گام در مسیر بلندپروازانه‌ی ناسا برای بازگشت به ماه بود. این آژانس فضایی برنامه‌های گسترده‌ای برای انجام ماموریت‌های سرنشین‌دار و رباتیک متعدد به ماه در دستور کار دارد و تمام این سفرها می‌توانند تجهیزات لازم برای پژوهش‌های پیشگامانه را نیز با خود حمل کنند.

برنامه‌های کاوش ماه فرصت‌های بی‌شماری را برای دانشمندان فراهم می‌کند تا به درک عمیق‌تری از این همسایه‌ی نزدیک ما برسند؛ از رازهای منشأ آن گرفته تا تاریخ غنی و منابع بالقوه‌ای که می‌تواند در آینده مورد استفاده قرار گیرد. با‌این‌حال، ماه تنها هدفی اکتشافی نیست، بلکه به نظر می‌رسد سکویی پایدار و ایده‌آل برای انجام برخی از جاه‌طلبانه‌ترین مطالعات کیهانی نیز باشد؛ به‌ویژه برای ستاره‌شناسانی که با محدودیت‌های بودجه دولتی مواجه هستند.

آنژه اسلوسار، فیزیک‌دان برجسته‌ی آزمایشگاه ملی بروکهیون آمریکا، سال‌ها پیش رویای ساخت تلسکوپ رادیویی را در سمت پنهان ماه داشت. اما به دلیل هزینه‌های بالا و فقدان استقبال کافی، این ایده برای مدتی طولانی متوقف شد. اسلوسار با یادآوری دوران گذشته می‌گوید: «پس از فرودهای تاریخی آپولو، تصور عمومی بر این بود که ما تمام کارهای مهم مربوط به کاوش ماه را انجام داده‌ایم و نیازی به تلاش بیشتر نیست.»

این نگاه در دوره‌ی نخست ریاست‌جمهوری ترامپ تغییر کرد. یک روز اسلوسار ایمیلی غیرمنتظره از مدیر یکی از برنامه‌های وزارت انرژی دریافت کرد که از او می‌پرسید آیا هنوز امکان ساخت تلسکوپ رادیویی در سمت دور ماه وجود دارد و آیا او علاقه‌مند به رهبری تلاش‌های وزارت انرژی برای تحقق این پروژه است یا خیر.

اسلوسار با تعجب از سرعت و سهولت دریافت بودجه‌ی پروژه می‌گوید: «روشی کاملاً غیرمعمول برای حمایت از تحقیقات علمی است.» او توضیح می‌دهد که معمولاً محققان باید فرایندهای پیچیده و زمان‌بری را طی کنند تا بتوانند تأمین مالی لازم را برای پروژه‌های خود به دست آورند، اما در این مورد، بودجه‌ی پروژه بدون هیچ توضیحی و به سادگی در اختیار او قرار گرفت.

اسلوسار می‌افزاید: «این آسان‌ترین تصمیم در تمام دوران حرفه‌ای من بود.» او بلافاصله پاسخ مثبت داد و گفت: «البته که حاضرم!» این فرصت، مسیری جدید را برای زندگی علمی او گشود و سرنوشتش را به طور کامل تغییر داد.

دلیل اشتیاق اسلوسار این است که تلسکوپ رادیویی روی ماه می‌تواند کارهایی انجام دهد که هیچ تلسکوپی روی زمین قادر به انجامشان نیست. تلسکوپ‌های رادیویی زمینی فقط می‌توانند سیگنال‌ها را در بازه محدودی از طول‌موج‌ها دریافت کنند. دلیلش این است که مولکول‌های هوا در لایه‌های بالایی جو، هنگام جذب پرتوهای فرابنفش خورشید آن‌قدر برانگیخته می‌شوند که الکترون‌های خود را از دست می‌دهند و در این فرآیند «یونیزه» می‌شوند. برای بیشتر امواج رادیویی، این لایه‌ی مملو از یون، یعنی یونوسفر به آینه‌ای عظیم تبدیل می‌شود و اغلب پیام‌های کیهانی را مسدود می‌کند.

متأسفانه راه‌حل به این سادگی نیست که فقط جو زمین را حذف کنیم یا به شکل واقع‌بینانه‌تر، یک تلسکوپ رادیویی را به فضا بفرستیم. برای اینکه چنین رصدخانه‌ای برای اخترشناسان رادیویی واقعاً مفید باشد، باید به‌شدت حساس باشد؛ آن‌قدر حساس که مشاهداتش تحت تأثیر ارتباطات مخابراتی زمین قرار نگیرد. برای دریافت سیگنال‌های کهکشان‌های دوردست، ستاره‌شناسان نیازمند آنتن در مکانی هستند که نه تنها جو نداشته باشد، بلکه از تمام نویزهای رادیویی تولیدشده روی زمین نیز در امان باشد.

اسلوسار با اشاره به شرایط منحصربه‌فرد سمت پنهان ماه می‌گوید: «در پشت ماه و در زمان مناسب، می‌توان از تداخل امواج رادیویی خورشید و زمین جلوگیری کرد.» این ویژگی، سمت پنهان ماه را به یکی از ساکت‌ترین مکان‌ها در منظومه شمسی برای رصد فرکانس‌های رادیویی تبدیل می‌کند. این بازه‌ی خاص از طول موج‌ها، اتفاقاً دریچه‌ای به مرموزترین عصر در تاریخ جهان می‌گشاید؛ دوره‌ای که هنوز بسیاری از رازهای آن سرپوشیده باقی مانده است.

قدیمی‌ترین تصویری که از جهان در اختیار داریم، مربوط به حدود ۳۸۰هزار سال پس از بیگ‌بنگ (مه‌بانگ) است. این تصویر که به «تابش زمینه کیهانی» (CMB) معروف است، از نوری تشکیل شده که هنگام سردشدن پلاسمای داغ و متراکم اولیه جهان و تبدیل آن به اتم‌های هیدروژن، منتشر شد.

همانند الکترون‌های آزاد و مزاحم در یونوسفر زمین که امواج رادیویی را مسدود می‌کنند، الکترون‌های آزاد در آن پلاسمای باستانی نیز مانع حرکت نور می‌شدند؛ اما وقتی آن الکترون‌ها با پروتون‌ها ترکیب شدند و هیدروژن خنثی شکل گرفت، نوری که میلیون‌ها سال در مه اولیه گیر افتاده بود، آزاد شد و توانست در سراسر جهان جریان پیدا کند. امروز ما این «سطح پراکندگی نهایی» را به صورت یک تابش رادیویی یکنواخت در کل آسمان می‌بینیم.

سارا ارجمند

تاریخچه جهان؛ از بیگ بنگ تا پیدایش سیاره زمین

مطالعه '20

اما برای صدها میلیون سال پس از آن لحظه، عملاً هیچ داده‌ای از جهان در دست نیست؛ زیرا جهان مملو از هیدروژن نسبتاً سرد و تاریکی بود که تقریباً هیچ نوری از خود ساطع نمی‌کرد. تنها زمانی که ستاره‌ها و کهکشان‌ها شروع به شکل‌گیری کردند، نور و گرمای کافی برای یونیزه‌کردن دوباره‌ی بخشی از هیدروژن به وجود آمد و همین امر باعث شد ساختارهای کیهانی برای تلسکوپ‌های ما مشاهده‌پذیر شوند. آن دوره، به‌عنوان «عصر تاریک کیهان» شناخته می‌شود و یکی از بزرگ‌ترین شکاف‌ها در دانش فعلی ما به حساب می‌‌آید.

اینجاست که اسلوسار وارد ماجرا می‌شود. او اکنون هدایت مشارکت وزارت انرژی آمریکا در پروژه مشترک با ناسا به نام «آزمایش الکترومغناطیس سطح ماه در شب» (LuSEE-Night) را بر عهده دارد؛ پروژه‌ای که قرار است در دسامبر ۲۰۲۶ به سمت پنهان ماه پرتاب شود. این مأموریت سوار بر ماه‌نشین بلو گوست از شرکت فایرفای ارواسپیس انجام خواهد شد و بخشی از برنامه خدمات تجاری حمل محموله‌های قمری ناسا (CLPS) است؛ برنامه‌ای که از ماه‌نشین‌های خصوصی برای رساندن فضاپیماها، آزمایش‌ها و محموله‌های علمی به سطح ماه استفاده می‌کند.

بزرگ‌ترین چالش پیش‌روی LuSEE-Night پس از فرود بر سطح ماه، گذراندن شب سرد قمری است که حدود ۱۴ روز زمینی طول می‌کشد. برخلاف تصور رایج که گروه موسیقی پینک‌فلوید با آلبوم معروف «سمت تاریک ماه» در ذهن‌ها ایجاد کرده، سمت پنهان ماه همیشه تاریک نیست. اما زمانی که تاریک می‌شود، محیطی بسیار نامساعد برای فعالیت‌های علمی به‌وجود می‌آورد و تاکنون آزمایش‌های اندکی توانسته‌اند از این شب سخت جان سالم به در ببرند.

در نهایت، هدف اصلی ماموریت، اثبات امکان‌پذیری ساخت و بهره‌برداری از تلسکوپ‌های رادیویی بزرگ‌تر و پیشرفته‌تر روی سمت پنهان ماه و گامی حیاتی در جهت احداث رصدخانه‌های دائمی برای مطالعه‌ی اعماق کیهان است.

سفر رایگان به ماه برای تازه‌واردترین شاخه‌ی اخترشناسی، یعنی امواج گرانشی رویایی بزرگ خواهد بود. تنها ۱۱ سال پیش بود که علم توانست با کمک رصدخانه‌ی تداخل سنج لیزری امواج گرانشی (LIGO)، آسمان‌ها را برای شناسایی این امواج فریبنده اسکن کند. پروژه‌ی لایگو با استفاده از لیزرها، کشش ظریف فضا و زمان ناشی از ادغام دو سیاه‌چاله عظیم را حس می‌کند و دریچه‌ای نو به رصد کیهان می‌گشاید.

آژانس فضایی اروپا قصد دارد در آینده ماموریتی به نام آنتن تداخل سنج لیزری فضایی (LISA) را به فضا بفرستد. لیسا در واقع همان لایگو در فضاست و با گسترش دستاوردهای انقلابی این رصدخانه، امکان رصد امواج گرانشی جدید را فراهم می‌کند.

پروژه‌ی لیسا که قرار است تا سال ۲۰۳۵ پرتاب شود، می‌تواند امواج گرانشی ناشی از ادغام سیاه‌چاله‌های بسیار پرجرم‌تر را تشخیص دهد؛ در حالی که لایگو بیشتر روی سیاه‌چاله‌های کوچک‌تر (حدود ۵۰ جرم خورشیدی) حساس است. لیسا همچنین می‌تواند موج‌های آهسته‌تری را که از سامانه‌های دوتایی در حال چرخش آرام منتشر می‌شوند، حتی پیش از شروع فروپاشی نهایی آن‌ها شناسایی کند. هر دو نوع از این منابع، امواجی با فاصله قله‌هایی در حد میلیون‌ها کیلومتر تولید می‌کنند؛ طول موجی آن‌قدر بزرگ که هیچ ابزار زمینی قادر به ثبت آن نیست.

اما برای تکمیل پوشش طیف امواج گرانشی، اخترشناسان چشم به ماه دوخته‌اند. «آنتن گرانشی ماه» (LILA) قرار است شکاف بین لایگو و لیسا را پر کند و به امواجی با طول‌موج‌های میانی گوش دهد. این امواج شامل نمونه‌های حاصل از ادغام کوتوله‌های سفید نیز می‌شود؛ اجسامی که بسیاری از ابرنواخترها از آن‌ها سرچشمه می‌گیرند و ما آن‌ها را از طریق تابش الکترومغناطیسی‌شان مطالعه می‌کنیم. لیلا همچنین امواج گرانشی ناشی از سامانه‌های دوتایی ستاره نوترونی و سیاه‌چاله را در لحظات پایانی پیش از ادغام ثبت خواهد کرد و حتی می‌تواند دو هفته پیش از برخورد، هشدار اولیه برای رصدخانه‌هایی مانند لایگو ارسال کند.

کاران جانی، اخترفیزیک‌دان دانشگاه وندربیلت و محقق اصلی پروژه لیلا، می‌گوید: «هیچ جای دیگری در منظومه شمسی وجود ندارد که بتوان امواج گرانشی را در این باند میانی تشخیص داد.» او تاکید می‌کند: «فقط ماه است.» دلیلش این است که ماه از نظر زمین‌شناسی بسیار آرام‌تر از سیاره شلوغ ماست. او توضیح می‌دهد که ماه «هسته فعالی ندارد» و همین باعث می‌شود سطح آن بتواند به‌عنوان سکویی آرام برای سامانه‌های لیزری تشخیص امواج گرانشی عمل کند.

لیلا اساساً از آینه‌هایی تشکیل خواهد شد که روی ماه‌نوردها نصب شده‌اند. تیم پروژه امیدوار است این سامانه بتواند در یکی از مأموریت‌های آینده برنامه CLPS پرتاب شود. وقتی ماه‌نشین روی سطح ماه باز شود، دو ماه‌نورد با آینه‌ها در دو جهت مختلف حرکت می‌کنند و یک مثلث پنج کیلومتری تشکیل می‌دهند که ماه‌نشین سومین نقطه آن است. سپس ابزاری روی ماه‌نشین، پرتوهای لیزر را به سمت ماه‌نوردها می‌فرستد تا فاصله آن‌ها با دقتی در حد میکروسکوپی اندازه‌گیری و مقایسه شود.

رصدخانه‌هایی مانند تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) و تلسکوپ هابل و حتی یک تلسکوپ بازتابنده معمولی در سطح مصرف‌کننده، براساس یک اصل واحد بنا شده‌اند: آینه‌ای که به گونه‌ای خمیده شده است تا نور ورودی را از جهات مختلف به یک صفحه کانونی واحد هدایت کند. تلسکوپ‌های بزرگ‌تر برای جمع‌آوری نور بیشتر از اجرام دوردست و تولید تصویری واضح‌تر، از آینه‌های قطعه‌بندی‌شده استفاده می‌کنند؛ آینه اصلی JWST نیز از ۱۸ قطعه تشکیل شده است.

کنت کارپنتر، دانشمند ناسا، قصد دارد با بهره‌گیری از برنامه‌ی آرتمیس، یک مرکز تداخل‌سنجی نوری روی ماه بسازد. تصویربردار ستاره‌ای مبتنی بر آرتمیس (AeSI) شامل ۱۵ تا ۳۰ آینه‌ی نصب‌شده روی ماه‌نوردها است که امکان پیکربندی مجدد و تنظیم دقیق در حین عملیات را فراهم می‌کند تا تصویربردار بتواند بر هر هدفی در آسمان متمرکز شود.

تصویربردار ستاره‌ای مبتنی بر آرتمیس علاوه بر آنکه یک فناوری پیشگامانه‌ی مهم است، می‌تواند بخش بزرگی از ستارگان در محدوده‌ای وسیع از کهکشان راه شیری را نیز پایش کند. این پروژه با مطالعه این ستارگان در نور فرابنفش که تلسکوپ‌های زمینی به دلیل لایه اوزون زمین قادر به دریافتش نیستند، می‌تواند جزئیات ناشناخته از فعالیت ستاره‌ای در سراسر کهکشان را آشکارتر کند.

کارپنتر می‌گوید: «ما داده‌هایی با وضوح فوق‌العاده بالا در مورد خورشید داریم، اما هنوز مدلی برای پیش‌بینی دقیق فعالیت آینده‌ی آن ایجاد نکرده‌ایم.» در حال حاضر، بهترین مدل‌های خورشیدی دانشمندان برای پیش‌بینی دقیق فوران‌ها در ستاره آشنای خود مشکل دارند. با‌این‌حال، مجموعه‌ی داده‌های گسترده‌ی ستاره‌ای که AeSI می‌تواند ارائه دهد، ممکن است به تغییر این وضعیت کمک کند.

کارپنتر همچنین معتقد است این پروژه می‌تواند از مداخلات فضانوردی بهره‌مند شود؛ به این معنی که نگهداری از AeSI می‌تواند وظیفه‌ای برای فضانوردان آرتمیس باشد که ناسا قصد دارد تا سال ۲۰۲۸ و در طول دهه‌ی ۲۰۳۰، روی ماه فرود بیاورد. او با اشاره به دهه‌ها تجربه خود در کار روی تلسکوپ هابل می‌گوید: «عیب‌یابی آزمایش با حضور انسان در محل بسیار موثرتر است.»

در پایان، کارپنتر با اشاره به ماموریت شاتل فضایی STS-61 در سال ۱۹۹۳، که شامل پیاده‌روی فضایی برای رفع مشکل حیاتی در آینه‌ی هابل بود، می‌گوید: «شاتل فضایی و هابل به‌طور خاص برای پشتیبانی از یکدیگر طراحی شده بودند. این تلسکوپ تاریخی احتمالاً بدون همکاری با برنامه‌ی پرواز فضایی انسانی شکست می‌خورد.»