عکس‌برداری از سطح سیاره‌ای فراخورشیدی؛ رؤیایی که ناسا درصدد تحقق آن است

تا همین چند سال پیش، زمین، تنها سیاره‌ی سکونت‌پذیر شناخته‌شده در کل کهکشان راه شیری بود؛ اما در دهه‌ی اخیر، ستاره‌شناسان موفق شده‌اند هزاران سیاره‌ی فراخورشیدی کشف کنند؛ به‌طوری‌که ممکن است تعداد این سیاره‌ها حتی از تعداد ستاره‌های موجود در کهکشان راه شیری هم بیشتر باشد. بسیاری از دنیاهای فرازمینی ویژگی‌های جذابی مثل اقیانوس‌های سراسری گدازه یا باران آهن دارند. برخی سیاره‌ها هم ممکن است وضعیتی مشابه زمین داشته باشند. انسان هرگز نمی‌تواند به این دنیاهای دوردست سفر کند و از نزدیک اوضاع‌واحوال آن را بررسی کند؛ اما می‌تواند ازطریق مأموریت‌های جسورانه در فضای میان‌ستاره‌ای به حقیقت ماجرا پی ببرد.

نزدیک به یک سال است دانشمندان مأموریت مفهومی پیشرفته‌ی ناسا (NIAC) در حال توسعه‌ی طرح‌های مفهومی فضایی هستند که تا حدودی به داستان‌های علمی تخیلی شبیه‌‌اند. از این طرح‌ها می‌توان به تبدیل یکی از دهانه‌های برخوردی ماه به بشقاب رادیویی غو‌ل‌آسا و ساخت سیستم شتاب پادماده و نقشه‌برداری از داخل سیارک اشاره کرد. اسلاوا توریشف، فیزیک‌دان آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا، طراح بسیاری از برنامه‌های پیشنهادی یادشده است. او حالا می‌خواهد با تبدیل خورشید به لنز دوربینی غول‌آسا از سطح سیاره‌ای فراخورشیدی عکس‌برداری کند. ایده‌ی این طرح برگرفته از نظریه‌ی آلبرت اینشتین است. طبق محاسبات اینشتین، جاذبه‌ی ستاره باعث می‌شود نور ستاره‌ای دیگر در اطراف آن خم شود و درنتیجه، لنزی غول‌آسا به‌وجود می‌آید.

^{تصویرسازی هنرمند از Kepler-186f، اولین سیاره‌ی فراخورشیدی مشابه زمین که در محدوده‌ای سکونت‌پذیر قرار دارد. ممکن است آب مایع روی سطح این سیاره جریان داشته باشد و ظرفیت درخورتوجهی برای حیات داشته باشد.}

اگر شخصی در نقطه‌ی کانونی لنز بایستد؛ یعنی نقطه‌ای که نور همگرا می‌شود، لنز گرانشی خورشیدی به‌شکل چشمگیری اجرام پشت ستاره را بزرگ‌نمایی می‌کند. نظریه‌ی اینشتین درباره‌ی ساخت لنز گرانشی امروزه به حقیقت نزدیک شده است. کیهان‌شناسان برای بررسی اجرام دوردست از لنز گرانشی کهکشان‌های دیگر و خوشه‌های کهکشانی استفاده می‌کنند.

در طرح توریشف، با فرستادن تلسکوپی به سفری ۹۶ میلیون کیلومتری به مقصد منطقه‌ی کانونی خورشید، می‌‌توان از سیاره‌‌ی فراخورشیدی سکونت‌پذیری عکس‌برداری کرد که ۱۰۰ سال نوری با زمین فاصله دارد. طبق محاسبات توریشف، با ارسال تلسکوپی به‌اندازه‌ی یک‌سوم تلسکوپ فضایی هابل به منطقه‌ی کانونی خورشید می‌توان تصویری با کیفیت مگاپیکسلی از سیاره‌‌ی فراخورشیدی تولید کرد. اگر سیاره‌ی هدف هم‌اندازه با زمین باشد، هر پیکسل می‌تواند ۳۵ کیلومترمربع را پوشش دهد. به‌گفته‌ی توریشف، کیفیت چنین عکسی از تصویر معروف طلوع زمین که فضانوردان آپولو ۸ ثبت کرده‌اند، بهتر خواهد شد و با وضوح بیشتر می‌توان به ویژگی‌های سطحی و علائم حیات روی سطح سیاره‌های فراخورشیدی پی برد. او می‌افزاید:

انگیزه‌ی اصلی تمام اشخاص دخیل در این پروژه، تبدیل ایده‌های علمی تخیلی به واقعیت است؛ به‌طوری‌که نسل فعلی انسان‌های روی زمین بتوانند از تصاویر دنیایی فراخورشیدی لذت ببرند. آیا ما تنها هستیم؟ این پرسش بسیاری از افراد است و می‌توانیم در طول عمر خود به آن پاسخ دهیم

عکس‌برداری از همسایه‌های فراخورشیدی ایده‌ای اغواکننده است؛ اما موانع زیادی بر سر راه این پروژه وجود دارد. مشکل اول، مسافتی است که تلسکوپ باید طی کند: ۹۶ میلیارد کیلومتر و تقریبا ۱۶ برابر بیشتر از فاصله‌ی خورشید تا پلوتو. اگر با سرعت نور هم سفر کنید، طی این مسافت بیش از سه روز طول می‌کشد. وویجر ۱ که وارد فضای بین‌ستاره‌ای شده است، در مدت چهل سال تقریبا ۲۱ میلیارد کیلومتر را طی کرده است.

مشکل بعدی، قرارگرفتن فضاپیما در نقطه‌ای مناسب است. برخلاف لنزهای دوربینی، خورشید نقطه‌ی کانونی مشخصی ندارد؛ اما محوری کانونی دارد که در فاصله‌ی تقریبی ۸۰ میلیارد کیلومتری از آن شروع می‌شود و به داخل فضا توسعه پیدا می‌کند. تصویر سیاره‌ی فراخورشیدی را می‌توان به‌شکل لوله‌ای با قطر کمتر از ۱/۵ کیلومتر تصور کرد که وارد محور کانونی شده است و در فاصله‌ی ۹۶ میلیارد کیلومتر در خلأ فضای میان‌ستاره‌ای قرار گرفته است. تلسکوپ باید خود را به‌درستی در این لوله تراز کند؛ به‌طوری‌که بتوان خطی فرضی را از مرکز تلسکوپ و مرکز خورشید به منطقه‌ای از سیاره‌ی فراخورشیدی وصل کرد.

تلسکوپ برای عکس‌برداری از سیاره‌ی فراخورشیدی در اطراف لوله حرکت می‌کند و از هر موقعیتی عکاسی می‌کند که نشان‌دهنده‌ی چشم‌اندازی جدید از سطح سیاره‌ی فراخورشیدی است. ازآنجاکه هر موقعیت متناظر با یک پیکسل در تصویر نهایی است، تلسکوپ باید با دقت زیادی عمل کند و در زمان نوردهی که معمولا از چند دقیقه تا چند ساعت متغیر است، این دقت را حفظ کند.

^{تصویر احتمالی تلسکوپ لنز گرانشی خورشیدی (SGL)}

مشکلات به اینجا ختم نمی‌شوند. وقتی گرانش خورشید جرمی را بزرگ‌نمایی می‌کند، خروجی نهایی مانند لنز دوربین تصویری یکپارچه نیست؛ بلکه تصویر در اطراف لبه‌ی خورشید در هاله‌ای به‌نام حلقه‌ی اینشتین پخش می‌شود. این هاله داخل تاج خورشید (جوّ خارجی خورشید) ظاهر و باعث اعوجاج تصویر و تغییر درخشندگی آن می‌شود. هرکدام از حلقه‌های اینشتین متناظر با یک پیکسل در تصویر نهایی و حاوی ترکیبی از نور انعکاسی منطقه‌ی کوچکی از سطح سیاره‌ی فراخورشیدی و دیگر بخش‌های آن هستند. تلسکوپ برای ثبت تصویر کاملی از سیاره‌ی فراخورشیدی، باید سیگنال ضعیفی از حلقه‌ی اینشتین را درمقابل نویز پس‌زمینه‌ی تاج خورشیدی انتخاب کند و سپس این سیگنال را استخراج و از الگوریتم‌های حذف بلور و محوی برای بازیابی داده‌های مرتبط استفاده کند. برای تولید تصویر مگاپیکسلی، این فرایند باید یک‌میلیون بار تکرار شود.

توریشف و همکارانش برای رفع این مشکلات به طراحی سازه‌ای منحصر‌به فرد نیاز دارند. طی مسافت ۹۶ میلیارد کیلومتر در بازه‌ی عمر انسان، با استفاده از فناوری‌های پیشرانش معمولی مثل موتورهای راکت امکان‌پذیر نیست. هدف توریشف استفاده از ناوگان فضایی کوچکی است که با بادبان خورشیدی حرکت می‌کند و ابعاد آن بزرگ‌تر از مایکروویو هم نیست. فضاپیما سفر خود را با عبور از فاصله‌ی ۲۵ میلیون کیلومتری خورشید آغاز می‌کند. گرانش خورشیدی به‌علاوه‌ی نورخورشید به حرکت بادبان‌های خورشیدی کمک می‌کنند و سرعت فضاپیما را به ۴۸۰ هزار کیلومتر‌بر‌ساعت می‌رسانند. این فرایند مشابه افزایش سرعت کاوشگر پارکر سولار است؛ یعنی سریع‌ترین فضاپیمایی که تاکنون ساخته شده.

حتی با سرعت ۴۸۰ هزار کیلومتربرساعت، ۲۵ سال طول می‌کشد تا فضاپیما به ابتدای منطقه‌ی کانونی خورشید در فضای میان‌ستاره‌ای برسد. هر فضاپیما هم حامل بخشی از تلسکوپ است و تلسکوپ در فضا مونتاژ می‌شود. وقتی تلسکوپ به مقصد خود رسید، با تکیه بر سیستم‌های هوش مصنوعی به‌کار خود ادامه می‌دهد؛ زیرا دریافت دستور از زمین نزدیک به چهار روز طول می‌کشد. همچنین، برای اجرای تحلیل سیگنال موردنیاز و درک داده‌ها به پردازش در فضاپیما نیاز دارد.

هنوز پرسش‌های زیادی درباره‌ی مأموریت عکس‌برداری از سیاره‌های فراخورشیدی وجود دارد؛ اما تریشف معتقد است فناوری‌های پیش‌نیاز این پروژه دردسترس هستند. راکت‌های قابل‌استفاده‌ی مجدد هزینه‌ی رسیدن به فضا را به شکل چشمگیری کاهش داده‌اند. همچنین، از ماهواره‌های کوچک برای مأموریت‌های پیچیده‌ی اعماق فضا استفاده می‌شود. فضاپیمای وویجر در فضای میان‌ستاره‌ای هنوز در سلامت کامل است. بادبان‌های خورشیدی در مأموریت‌های متعدد پیاده‌سازی شده‌اند و انسان در مسیر مونتاژ تلسکو‌پ‌ها در فضا قرار دارد. توریشف می‌گوید:

می‌توانیم با همین فناوری‌های فعلی به هدف خود برسیم.

مجوز‌های NIAC در چند مرحله‌ داده شدند. در مرحله‌ی اول، مفاهیم به چند ایده محدود بودند و در مرحله‌ی سوم، به مأموریت واقعی تبدیل می‌شوند. طرح توریشف برای عکس‌برداری واضح از سیاره‌ی فراخورشیدی، سومین پروژه‌ای است که در طول تاریخ، NIAC موفق می‌شود مجوز مرحله‌ی سوم را دریافت کند.

باوجوداین، همه به‌اندازه‌ی توریشف به چشم‌انداز پروژه خوش‌بین نیستند. پونتوس برندت، فیزیک‌دان آزمایشگاه فیزیک کاربردی دانشگاه جان هاپکینز و سرپرست طرح مأموریت میان‌ستاره‌ای ناسا است. اگرچه او طرح پیشنهادی توریشف را بسیار جذاب توصیف می‌کند، معتقد است این طرح نواقص زیادی دارد و در عمل محقق نخواهد شد. او به‌ویژه نگران دقت تلسکوپ است که در اعماق فضای میان‌ستاره‌ای و در میان ذرات پرتشعشع باید دقتی ۳۰۰ برابر تلسکوپ فضایی هابل داشته باشد. برندت همچنین به مقاومت بادبان خورشیدی در برابر شتاب و دمای بالای فضاپیما مشکوک است. او می‌افزاید:

ممکن است بادبان مانند یک چتر به عقب خم شود. برای مقاومت سازه‌های مکانیکی دربرابر چنین نیرویی راه‌حلی ندارم.

مشکل دیگر، یافتن هدف مناسب است که به‌گفته‌ی توریشف، سیاره‌ای با ویژگی‌های مشابه زمین است. باتوجه‌به زمان و هزینه‌های پروژه، قطعا هدف نهایی تصویر سیاره‌ای مُرده و سرد نخواهد بود؛ اما تاکنون هزاران سیاره‌ی فراخورشیدی کشف شده‌اند که تنها تعداد اندکی احتمال سکونت‌پذیری دارند. این سیاره‌های سنگی تقریبا هم‌اندازه‌ی زمین هستند و در فاصله‌ای مشخص به دور ستاره‌ی میزبان می‌چرخند که امکان جریان‌یافتن آب مایع روی سطح آن‌ها وجود داشته باشد؛ درنتیجه باتوجه‌به محدودیت‌های فناوری این پروژه، سیاره‌ی مدنظر باید در فاصله‌ی ۱۰۰ سال نوری از منظومه‌ی شمسی قرار داشته باشد. در بهترین سناریو، اولین تصویر دریافتی از سیاره‌ی فراخورشیدی می‌تواند علائم حیات ازجمله حیات گیاهی را روی سطح آن آشکار کند. درصورت وجود زندگی هوشمند، احتمال کشف زیرساخت‌های عظیم وجود خواهد داشت.

ناگفته نماند طبق یافته‌های ستاره‌شناسان تا این مرحله، احتمال سکونت‌پذیری در سیاره‌های مشابه زمین زیاد است. به‌گفته‌ی نیکول لویس، ستاره‌شناس دانشگاه کرنل، حتی بر سر تعریف دقیق سیاره‌ی سکونت‌پذیر هم اختلاف‌هایی وجود دارد. او معتقد است نسل جدید تلسکوپ‌های شکارچی سیاره‌های فراخورشیدی مثل TESS (ماهواره‌ی اکتشافی سیاره‌های فراخورشیدی در حال گذار) و تلسکوپ فضایی جیمز وب، به ستاره‌شناسان در کشف تعداد بیشتری از سیاره‌های سکونت‌پذیر کمک می‌کنند؛ حتی اگر ستاره‌های میزبان از خورشید کوچک‌تر باشند. لویس می‌افزاید:

سیاره‌ی هم‌اندازه با زمین در محدوده‌ی سکونت‌پذیر ستاره‌ای خورشیدمانند را می‌توان سکونت‌پذیر نامید؛ اما برای کشف چنین سیاره‌ای باید منتظر فناوری‌های جدید آینده باشیم.

توریشف و همکارانش در بخشی از مرحله‌ی سوم NIAC، به‌دنبال حل بسیاری از مشکلات پروژه هستند. توریشف یکی از اهدافش را توسعه‌ی مأموریت مانور فناوری و پرتاب آن در چند سال آینده می‌داند. این مأموریت شامل تجهیز فضاپیمایی با بادبان خورشیدی و پرتاب آن با سرعت زیاد و عکاسی از برخی اجرام منظومه‌ی شمسی است. یکی از پیشنهاد‌های او برای این پروژه، ردیابی جرمی میان‌ستاره‌ای است که وارد منظومه‌ی شمسی شده. توریشف می‌افزاید:

تا پایان مرحله‌ی سوم، به‌دنبال تعهدات ناسا و شرکای صنعتی برای مأموریت مانور فناوری هستیم. می‌خواهیم تاحدممکن به هدف نزدیک شویم.

گفتنی است هیچ ضمانتی وجود ندارد که مأموریت عکس‌برداری از سیاره‌ی فراخورشیدی به‌ثمر بنشیند؛ اما طبق گفته‌ی توریشف، در‌صورتی‌که ناسا این مأموریت را انتخاب کند، احتمال عملی‌شدن آن در اوایل دهه‌ی ۲۰۳۰ وجود خواهد داشت. باتوجه‌به اینکه بازه‌ی سفر ۲۵ سال خواهد بود و چند سال هم برای جمع‌آوری داده‌ها زمان لازم است، احتمالا تصویر دقیق سیاره‌ی فراخورشیدی در اوایل دهه‌ی ۲۰۶۰ دریافت خواهد شد. این پروژه یکی از مأموریت‌های پیشنهادی بلندپروازانه‌ محسوب می‌شود و با اینکه احتمال موفقیت آن بعید است، می‌تواند درک بشر به جهان را متحول کند. برندت معتقد است:

رؤیاپردازانی مانند اسلاوا تریشف تصور می‌کنند چنین مأموریت‌هایی در عمل ممکن خواهند بود. این هدف بسیار دیوانه‌کننده است؛ اما واقعیت دارد. او رؤیابافی است که هرگز تسلیم نمی‌شود.