ماموریت جدید ناسا، تلسکوپ فضایی WFIRST

ماموریت جدید ناسا، تلسکوپ فضایی WFIRST

تلسکوپ نقشه‌برداری میدان باز فروسرخ یا به اختصار WFIRST، از پیچش فضا-زمان استفاده می‌کند تا به کشف سیارات فراخورشیدی کمک کند. همچنین مأموریت جدید ناسا، سیاراتی با مدارهای بزرگ، مشابه غول‌های دورافتاده منظومه شمسی، اورانوس و نپتون را شناسایی می‌کند.

تلسکوپ نقشه برداری میدان باز فروسرخ (WFIRST) سیارات خارج از منظومه شمسی ما را به سمت مرکز کهکشان راه شیری، جایی که بیشتر ستارگان در آن قرار دارند، جستجو می‌کند. بررسی خواص‌های دنیای سیارات فراخورشیدی به ما کمک می‌کند تا سیستمهای سیاره‌ای در سراسر کهکشان را مطالعه کنیم و بفهمیم که چگونه سیارات شکل می‌گیرند و تکامل می‌یابند.

ترکیب یافته‌های تلسکوپ WFIRST با نتایج مأموریت‌های Kepler و ماهواره بررسی گذر سیارات فراخورشیدی ناسا (TESS)، اولین سرشماری سیارات را که به طیف گسترده‌ای از جرم‌ها و مدارهای مختلف بستگی دارد، کامل می‌کند و ما را به کشف جهان‌های قابل سکونت شبیه زمین نزدیک می‌کند.

تا به امروز، اخترشناسان اکثر سیارات را در هنگام عبور از مقابل ستاره میزبان خود در رویدادی به نام “گذر” پیدا کرده‌اند که به طور موقت نور ستاره را کم می‌کند. داده‌های تلسکوپ WFIRST می‌توانند گذر را نیز مشاهده کنند، اما این مأموریت در درجه نخست اثر خلاف آن را تماشا می‌کند. یعنی تعداد کمی از تابش درخشندگی حاصل از پدیدهای که در اثر خمش نور به وجود می‌آید و به نام میکرولنز گرانشی شناخته می‌شود. این رویداد بسیار کمتر از گذرهای رایج است، زیرا آنها به هم ترازی احتمالی دو ستاره کاملاً جدا و غیر مرتبط و وابسته به فضا متکی هستند.

دیوید بنت، رهبر گروه میکرولنزینگ گرانشی در مرکز پرواز فضایی ناسا گفت: “سیگنال‌های میکرولنزینگ از سیارات کوچک‌تر نادر و مختصر هستند، اما از سیگنال‌های سایر روش‌ها قوی‌تر هستند. از آنجایی که این یک رویداد، یک در یک میلیون است، کلید یافتن سیارات با جرم کم با استفاده از تلسکوپ WFIRST جستجوی صدها میلیون ستاره است.”

علاوه بر این، میکرولنزینگ در یافتن سیارات در داخل و خارج از منطقه قابل سکونت – مسافت مداری که سیارات ممکن است دارای آب مایع در سطوح خود باشند- بهتر است.

پدیده میکرولنز گرانشی

این تأثیر هنگامی رخ می دهد که نور از نزدیکی یک جسم با جرم عظیم عبور کند. یعنی هر جرمی که سطح (پارچه) فضا زمان را پیچانده باشد، مانند گود شدن یک ترامپولین وقتی یک توپ بولینگ روی آن قرار می‌گیرد. نور در یک خط مستقیم حرکت می‌کند، اما اگر زمان و مکان خم شود -که در نزدیکی جرمی عظیم، مانند ستاره اتفاق می‌افتد – نور از منحنی پیروی می‌کند.

میکرو لنز گرانشی

هر زمان که دو ستاره به نقاط برتری ما در یک تراز نزدیک بشوند، نور منحنی‌های ستاره دورتر، از پیچش فضا-زمان ستاره نزدیکتر عبور می‌کند. این پدیده، یکی از پیش بینی‌های نظریه عمومی نسبیت انیشتین است که توسط فیزیکدان انگلیسی سر آرتور ادینگتون در زمان خورشید گرفتگی در سال 1919 تأیید شد. اگر تراز نزدیک مخصوصی قرار داشته باشد‌، ستاره نزدیکتر مانند یک لنز طبیعی کیهانی عمل می‌کند و از ستاره پس زمینه  تشدید نور می‌یابد. سیاراتی که دور ستاره پیش زمینه می‌گردند، ممکن است باعث تغییر نور لنز شده و به عنوان لنزهای کوچک خود عمل کنند. انحراف‌هایی که آنها ایجاد می‌کنند به ستاره‌شناسان این امکان را می‌دهد تا جرم سیاره و فاصله آن از ستاره میزبان خود را بسنجند. اینگونه است که تلسکوپ WFIRST از پدیده میکرولنزینگ برای کشف دنیاهای جدید استفاده خواهد کرد.

دنیاهای آشنا و عجیب و غریب

متیو پنی، استادیار فیزیک و نجوم در دانشگاه ایالتی لوئیزیانا، که یک تحقیق را برای پیش بینی قابلیت‌های بررسی میکرولنزینگ WFIRST انجام داد، گفت: “تلاش برای تفسیر جمعیت‌های سیاره، امروزه مانند این است که سعی کنید تصویری را با نیمی از آن پوشش دهید.” برای درک کامل چگونگی شکل‌گیری سیستم‌های سیاره‌ای، ما باید سیاراتی از همه جرم‌ها را در هر مسافت پیدا کنیم. هیچ کس نمی‌تواند این کار را انجام دهد، اما بررسی میکرولنزینگ WFIRST ، همراه با نتایج حاصل از ماموریت کپلر و ماهواره TESS ، چیزهای دورتر بیشتری را آشکار می‌کند.

تاکنون بیش از 4000 سیاره فراخورشیدی تأیید شده کشف شده است، اما تنها 86 مورد از طریق میکرولنزینگ یافت شده است. برای مثال، روش گذر بهترین حالت برای یافتن سیارات شبیه به نپتون است که مدارشان بسیار کوچکتر از عطارد است. برای منظومه‌ای مانند منظومه شمسی ما ، مطالعات گذر می تواند برای هر سیاره‌ای درست نباشد و خطا داشته باشد.

بررسی میکرولنزینگWFIRST  به ما کمک می‌کند تا شباهت‌های هر سیاره در منظومه شمسی خودمان بجز عطارد-آنهایی که مدار کوچیک دارند و کم جرم هستند- را بیابیم و ترکیب کنیم. WFIRST سیاره‌هایی را پیدا خواهد کرد که هم جرم زمین و حتی کوچکتر باشند. شاید حتی قمرهای بزرگ، مانند گانیمد قمر مشتری.

WFIRST سیارات را در سایر دسته‌های ضعیف نیز پیدا خواهد کرد. میکرو لنزینگ برای یافتن دنیاهایی از منطقه قابل سکونت ستاره آنها و دورتر از آنها مناسب است. اینها شامل غول‌های یخی مانند اورانوس و نپتون در منظومه شمسی ما و حتی سیارات سرکش است جهان‌هایی که آزادانه در کهکشان می چرخند- و محدود به هیچ ستاره‌ای نیستند.

در حالی که غول‌های یخی در منظومه شمسی ما اقلیت هستند، یک تحقیق در سال 2016 نشان داد که آنها ممکن است رایج‌ترین نوع سیاره در سراسر کهکشان باشند. تلسکوپ WFIRST این تئوری را آزمایش می‌کند و به ما کمک می‌کند تا درک بهتری از رایج‌ترین ویژگی‌های سیاره‌ای داشته باشیم.

سنگهای پنهان در هسته کهکشانی

WFIRST مناطقی از کهکشان را کشف می‌کند که هنوز به دلیل اهداف متفاوت ماموریت‌های قبلی، به طور منظم برای سیارات ردیابی نشده‌اند. به عنوان مثال، کپلر منطقه‌ای با ابعاد متوسط درحدود 100 درجه مربع با 100000 ستاره را در فاصله‌های معمولی در حدود هزار سال نوری جستجو کرد. ماهواره TESS کل آسمان را اسکن می‌کند و 200،000 ستاره را ردیابی می‌کند. با این حال مسافت معمولی آنها در حدود 100 سال نوری است. تلسکوپ WFIRST تقریباً 3 درجه مربع را جستجو می‌کند، اما 200 میلیون ستاره در مسافت 10،000 سال نوری را دنبال خواهد کرد.

از آنجا که WFIRST یک تلسکوپ فروسرخ است، از طریق ابرهای غبار مشاهده خواهد شد که سایر تلسکوپ‌ها را از مطالعه سیارات در منطقه مرکزی شلوغ کهکشان منع می‌کند. اکثر مشاهدات میکرولنزینگ زمینی تا به امروز در نور مرئی بوده است، که مرکز کهکشان و قلمرو سیارات فراخورشیدی را تا حد زیادی غیرقابل رویت قرار داده است. یک نظرسنجی میکرولنزینگ از سال 2015 با استفاده از تلسکوپ فروسرخ انگلستان (UKIRT) در هاوایی انجام شده است و راه را برای سرشماری سیارات فراخورشیدی تلسکوپ WFIRST با نقشه برداری از منطقه هموار می‌کند.

نظرسنجی UKIRT اولین اندازه‌گیری‌های میزان رویداد میکرولنزینگ را به سمت هسته کهکشان که در آن ستارگان متراکم تری وجود دارند ارائه می دهد. نتایج به اخترشناسان کمک می‌کند تا استراتژی مشاهده نهایی را برای تلاش در زمینه میکرولنزینگ WFIRST انتخاب کنند.

ساوانا جکلین، اخترشناس در دانشگاه وندربیلت، که چندین مطالعه UKIRT را رهبری می‌کند، گفت: “بررسی کنونی ما با UKIRT ، زمینه را فراهم می ‌کند تا WFIRST بتواند اولین بررسی میکرولنزینگ اختصاصی مبتنی بر فضا را عملی کند. ماموریت‌های سیارات فراخورشیدی قبلی دانش ما را نسبت به سیستم‌های سیاره‌ای گسترش داده و WFIRST ما را با قدم بزرگی به درک واقعی چگونگی شکل گیری سیارات – به ویژه آنهایی که در مناطق قابل سکونت از ستارگان میزبان خود قرار دارند- نزدیک می‌کند.”

از کوتوله‌های قهوه‌ای تا سیاهچاله‌ها

همان بررسی میکرولنزینگ که هزاران سیاره را فاش می‌کند ، صدها جرم کیهانی عجیب و جالب دیگر را نیز کشف می‌کند. دانشمندان می‌توانند اجسام شناور آزاد به اندازه جرم مریخ تا 100 برابر خورشید را مطالعه کنند.

انتهای پایین برد محدوده جرم، شامل سیارات است که از ستارگان میزبان خود بیرون کشیده شده و اکنون به عنوان سیارات سرکش در کهکشان پرسه می‌زنند. کوتوله‌های قهوه‌ای، بسیار پر جرم هستند که با عنوان سیارات توصیف می‌شوند اما به اندازه کافی هم حجیم نیستند تا به عنوان ستاره روشن شوند. کوتوله‌های قهوه‌ای به اندازه ستاره‌ها، درخشش ندارند. اما WFIRST قادر به مطالعه آنها در نور فروسرخ از طریق گرمای باقی مانده از شکل‌گیری آنها است.

اشیاء در پایانه بالاتر شامل اجساد ستاره‌ای هستند. (ستاره‌های نوترونی و سیاهچاله‌ها) یعنی باقی مانده ستارگان عظیم، هنگامی که سوخت خود را تمام می‌کنند. مطالعه آنها و اندازه‌گیری جرم‌های آنها به دانشمندان کمک می‌کند تا ضمن تهیه سرشماری سیاهچاله‌هایی با جرم ستاره‌ای ، اطلاعات بیشتری در مورد میزان مرگ ستاره‌ها نیز کسب کنند.

پنی همچنین گفت: “بررسی میکرولنزینگ WFIRST نه تنها درک ما را از سیستم‌های سیاره‌ای بیشتر می‌کند، بلکه مجموعه‌ای از مطالعات دیگر را نیز در مورد تغییرات 200 میلیون ستاره، ساختار و شکل گیری کهکشان راه شیری و جمعیت سیاهچاله‌ها و دیگر اشیاء تیره و فشرده که مطالعه روی آنها به هر روش دیگر سخت یا غیرممکن است، امکان پذیر خواهد کرد.

مترجم: آرمیتا همت‌پور

منبع: NASA