چرا ستاره‌شناسان با لیزرهای عظیم، ستاره‌های مصنوعی می‌سازند؟

خلاصه مقاله:

• ستاره‌شناسان با تاباندن لیزرهای قدرتمند به لایه‌ای از سدیم در ارتفاع حدود ۹۰ کیلومتری جو، نقاط نورانی مصنوعی شبیه ستاره ایجاد می‌کنند.
• این لیزرها از اجرام آسمانی عکس نمی‌گیرند؛ فقط به تلسکوپ کمک می‌کنند اثر جو را بهتر تشخیص دهد. جو زمین باعث می‌شود نور ستاره‌ها کمی بلرزد و تصویر آن‌ها تار شود.
• ستاره‌ی مصنوعی مثل نقطه‌ی مرجع است تا تلسکوپ بفهمد جو چقدر تصویر را به‌هم زده است. هرچه پرتو لیزر پایدارتر باشد، اصلاح تصویر هم دقیق‌تر انجام می‌شود.
• این فناوری کمک می‌کند تلسکوپ‌های زمینی تصاویر بسیار واضح‌تری از آسمان ثبت کنند.

اگر نیمه‌شب در بیابان آتاکامای شیلی قدم بزنید، ممکن است با منظره‌ای کم‌نظیر روبه‌رو شوید: پرتوهای قدرتمند لیزر که آسمان تاریک را می‌شکافند. از فاصله‌ی دور، این پرتوها از سازه‌ای روی قله‌ی کوه بیرون می‌آیند که ظاهرش بیشتر به صحنه‌ای از فیلم‌های علمی‌تخیلی شباهت دارد.

اما با نزدیک‌شدن به محل، مشخص می‌شود که منبع این لیزرها تلسکوپ است؛ البته نه یک تلسکوپ معمولی، بلکه مجموعه‌ای بسیار بزرگ که چندین ساختمان و سامانه‌ی رصدی را دربر می‌گیرد. درون این مجموعه، گروه‌هایی از ستاره‌شناسان در شیفت شب مشغول تنظیم و هدایت لیزرهایی هستند که هدفشان ساختن نوعی «ستاره‌ی مصنوعی» در لایه‌های بالایی جو زمین است. در این مجموعه، چهار لیزر از چهار سازه‌ی جداگانه روی قله‌ی کوه می‌توانند به‌طور هم‌زمان به آسمان شلیک شوند.

مجموعه معروف به تلسکوپ بسیار بزرگ (VLT) در رصدخانه‌ی پارانال قرار دارد که رصدخانه‌ی جنوبی اروپا (ESO) آن را اداره می‌کند. در اواخر سال ۲۰۲۵، مهندسان نصب آخرین نمونه از مجموعه‌ای از لیزرهای قدرتمند جدید را در این رصدخانه به پایان رساندند. این تجهیزات قرار است به ستاره‌شناسان کمک کنند اجرام کیهانی را با وضوح و دقت بیشتری مشاهده کنند و با تکمیل این پروژه، تعداد کل لیزرهای فعال مجموعه به هفت عدد رسید.

اما چرا تلسکوپ اصلاً به لیزر نیاز دارد؟ ریشه‌ی این ایده به دوران جنگ سرد بازمی‌گردد؛ زمانی که ارتش آمریکا فناوری‌هایی را برای ردیابی ماهواره‌های شوروی توسعه می‌داد. ستاره‌شناسان بعدها متوجه شدند که تکنیک‌هایی مشابه می‌توانند در رصدهای زمینی هم کاربرد داشته باشند و بخشی از مشکلات ناشی از جو زمین را برطرف کنند.

تلسکوپ‌هایی که روی سطح زمین فعالیت می‌کنند، با مشکلی مواجه‌اند که تلسکوپ‌های فضایی اساساً با آن درگیر نیستند: اتمسفر زمین. گازهای موجود در جو پیش از آنکه نور ستاره‌ها به آینه‌ی تلسکوپ برسد، مسیر این نور را تغییر می‌دهند و تصویر نهایی را دچار اعوجاج می‌کنند. از طرفی، شرایط جو نیز دائماً تغییر می‌کند و این اعوجاج ثابت نمی‌ماند.

به گفته‌ی بایو، اتمسفر وضوح نور ورودی از ستاره‌ها و کهکشان‌ها را به‌هم می‌زند. اگر اثر آن اصلاح نشود، تصویر ستاره روی آشکارساز تلسکوپ دائماً از نقطه‌ای به نقطه‌ی دیگر حرکت می‌کند و نتیجه، تصویری تار و کم‌جزئیات خواهد بود. برای مقابله با این مشکل، ستاره‌شناسان از نوعی فناوری‌ به نام اپتیک تطبیقی یا اپتیک سازگار استفاده می‌کنند.

بایو توضیح می‌دهد که پیاده‌سازی فناوری اپتیک تطبیقی پیچیده است، اما ایده‌ی اصلی آن چندان دشوار نیست. نور ستاره پس از عبور از جو و تغییر شکل، ابتدا به آینه‌ی اصلی تلسکوپ برخورد می‌کند. سپس این نور به آینه‌ای کوچک‌تر بازتاب داده می‌شود که می‌تواند شکل خود را تغییر دهد و اثر اعوجاج جو را تا حد امکان جبران کند.

در وی‌ال‌تی، یکی از آینه‌های تطبیقی از مواد پیزوالکتریک ساخته شده است که با دریافت سیگنال الکتریکی می‌توانند شکل خود را تغییر دهند. این ویژگی به آینه امکان می‌دهد با سرعت بسیار بالا تغییر شکل دهد و نوسان‌های لحظه‌ای جو را جبران کند. به گفته‌ی بایو، این آینه درون یک میدان مغناطیسی معلق نگه داشته می‌شود و بدون تماس مستقیم با سازه، در جای خود قرار می‌گیرد؛ به‌طوری‌که از بیرون انگار آینه در هوا شناور است.

بااین‌حال، اپتیک تطبیقی برای اینکه بتواند تشخیص دهد جو دقیقاً چه تغییری در نور ایجاد کرده، به نقطه‌ی مرجعی در آسمان نیاز دارد. معمولاً این نقطه‌ی مرجع یک ستاره است و نکته‌ی مهم این است که آن ستاره باید به‌اندازه‌ی کافی پرنور باشد. هرچه ستاره‌ی مرجع روشن‌تر باشد، اطلاعات بیشتری از نور آن در اختیار سیستم قرار می‌گیرد و تلسکوپ بهتر می‌تواند میزان آشفتگی ایجادشده در جو را محاسبه و اصلاح کند.

در برخی موارد، ستاره‌شناسان می‌توانند از ستاره‌ای طبیعی به‌عنوان نقطه‌ی مرجع استفاده کنند. مشکل زمانی ایجاد می‌شود که در بخشی از آسمان که قرار است رصد شود، ستاره‌ای با روشنایی کافی وجود نداشته باشد. در چنین شرایطی، لیزرها جای ستاره‌ی طبیعی را می‌گیرند.

با شلیک لیزر در جهت موردنظر، پرتو به لایه‌ای از جو در ارتفاع حدود ۹۰ کیلومتری سطح زمین می‌رسد که غلظت نسبتاً بالایی از اتم‌های سدیم دارد. انرژی لیزر این اتم‌ها را برانگیخته می‌کند و اتم‌های سدیم در پاسخ، فوتون‌هایی از خود منتشر می‌کنند.

بخشی از این نور دوباره به سمت زمین بازمی‌گردد و آینه‌های تلسکوپ آن را دریافت می‌کنند. در عمل، نقطه‌ی درخشانی در آسمان ایجاد می‌شود که برای سیستم تلسکوپ مانند ستاره‌ی واقعی عمل می‌کند؛ همان چیزی که ستاره‌شناسان آن را «ستاره‌ی مصنوعی» یا «ستاره‌ی راهنمای لیزری» می‌نامند.

لیزرهایی که اکنون روی وی‌ال‌تی نصب شده‌اند، نسبت به نسل‌های قبلی پیشرفت زیادی کرده‌اند. بایو نسل قدیمی‌تر این تجهیزات را به یاد می‌آورد که کالیبره‌کردن آن‌ها دشوار بود، به رنگ‌های مایع سمی نیاز داشتند و مهندسان گاهی چند روز وقت صرف می‌کردند تا عملکردشان به اندازه‌ی کافی پایدار شود.

بایو تفاوت نسل جدید را این‌طور توصیف می‌کند: در گذشته وضعیت تقریباً شبیه نگه‌داشتن یک لیزر اشاره‌گر با دستی لرزان بود؛ اما حالا ستاره‌شناسان دستگاهی کاملاً پایدار در اختیار دارند که پرتویی بسیار قدرتمندتر تولید می‌کند. امروزه برای فعال‌کردن این سامانه کافی است ستاره‌شناسان یک دکمه را فشار دهند. پس از روشن‌شدن، پرتو لیزر می‌تواند در طول شب با پایداری بالا در همان موقعیت باقی بماند.

پس از ارتقاهایی که در سال ۲۰۱۶ انجام شد، یکی از چهار تلسکوپ اصلی ۸٫۲ متری وی‌ال‌تی که «یپون» نام دارد، توانایی شلیک هم‌زمان چهار لیزر را به دست آورد. استفاده از چند لیزر به‌طور هم‌زمان به ستاره‌شناسان امکان می‌دهد آشفتگی جو را در بخش بزرگ‌تری از میدان دید اندازه‌گیری و اصلاح کنند.

هرکدام از این لیزرها ۲۲ وات توان دارند؛ مقداری که حدود چهار هزار برابر بیشتر از حداکثر توان مجاز برای یک لیزرپوینتر معمولی است. قطر پرتو آن‌ها نیز حدود ۳۰ سانتی‌متر است.

از سال ۲۰۲۶، چهار تلسکوپ اصلی وی‌ال‌تی با نام‌های آنتو، کویین، ملیپال و یپون می‌توانند توان خود را با یکدیگر ترکیب کنند و هم‌زمان لیزر به آسمان بفرستند. این چهار تلسکوپ در کنار یکدیگر می‌توانند به‌صورت تلسکوپ مجازی واحدی عمل کنند. در این حالت، سامانه‌ی حاصل میدان دید گسترده‌تری در اختیار ستاره‌شناسان قرار می‌دهد و با ترکیب داده‌های دریافتی از آینه‌های بزرگ هر چهار تلسکوپ، امکان ثبت جزئیاتی فراهم می‌شود که یک تلسکوپ به‌تنهایی قادر به تفکیکشان نیست.

با دیدن چنین لیزرهای قدرتمندی، یک سؤال دیگر هم مطرح می‌شود: اگر هواپیمایی از بالای رصدخانه عبور کند چه اتفاقی می‌افتد؟

حتی لیزرپوینترهای کوچک هم در صورت تابیده‌شدن به کابین هواپیما می‌توانند دید خلبان را مختل کنند و خطرساز شوند. بنابراین طبیعی است که شلیک لیزرهای چند ده واتی وی‌ال‌تی نیازمند سازوکارهای ایمنی دقیق باشد.

ایتزیار د گرگوریو مونسالوو، ستاره‌شناس و نماینده‌ی ESO در شیلی، توضیح می‌دهد که عبور هواپیما از بالای رصدخانه می‌تواند رخ دهد؛ اما برای چنین شرایطی سامانه‌ی ایمنی ویژه‌ای در نظر گرفته شده است. اگر هواپیمایی به بخشی از آسمان که تلسکوپ در حال رصد آن است نزدیک شود، سامانه به‌صورت خودکار لیزرها را خاموش می‌کند. به‌این‌ترتیب، خطر تابیده‌شدن پرتو به سمت هواپیما از بین می‌رود.

پس اگر کسی بخواهد تلسکوپ بسیار بزرگ را هنگام شلیک لیزرهای قدرتمندش در بیابان آتاکاما ببیند، احتمالاً بهترین راه نزدیک‌شدن از روی زمین است. در آن صورت با صحنه‌ای روبه‌رو می‌شود که در زندگی روزمره به‌ندرت می‌توان نمونه‌ای شبیه آن دید: مجموعه‌ای از تلسکوپ‌های عظیم که پرتوهای لیزر را به آسمان می‌فرستند تا در لبه‌ی جو زمین، ستاره‌ای مصنوعی بسازند؛ ستاره‌ای که به اخترشناسان کمک می‌کند تصویر واقعی‌تر و واضح‌تری از جهان دوردست به دست آورند.

این مطلب با استناد به گزارشی از بی‌بی‌سی تهیه شده است.