قناع المستوى البؤري لأداة كوروناغراف الموجودة على تلسكوب نانسي غريس الروماني الفضائي التابع لناسا. يحتوي كل قسم دائري على "أقنعة" متعددة - عوائق غير شفافة مصممة بعناية لحجب ضوء النجوم. حقوق الصورة: ناسا/مختبر الدفع النفاث-معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا
في أوائل أغسطس، اجتمع العلماء والمهندسون في قاعة صغيرة في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا لمناقشة كيفية بناء أول تلسكوب فضائي قادر على اكتشاف الحياة الغريبة على كواكب مثل الأرض.
سيكون مفهوم المهمة المقترحة، مرصد العوالم الصالحة للسكن (HWO)، هو مرصد الفيزياء الفلكية القوي التالي بعد تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) التابع لناسا. سيكون قادرًا على دراسة النجوم والمجرات ومجموعة من الأجسام الكونية الأخرى، بما في ذلك الكواكب خارج نظامنا الشمسي، والمعروفة باسم الكواكب الخارجية، وربما حتى الحياة الغريبة.
على الرغم من أن العثور على حياة غريبة على الكواكب الخارجية قد يكون أمرًا بعيد المنال، إلا أن ورشة عمل معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا تهدف إلى تقييم حالة التكنولوجيا التي يحتاجها HWO البحث عن الحياة في مكان آخر.
يقول: "قبل أن نتمكن من تصميم المهمة، نحتاج إلى تطوير التقنيات الأساسية قدر الإمكان". ديمتري ماويت، وهو عضو في مجموعة التقييم الفني (TAG) لـ HWO، وأستاذ ديفيد موريسرو لعلم الفلك، وعالم أبحاث كبير في مختبر الدفع النفاث (JPL)، الذي يديره معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا لصالح وكالة ناسا.
"نحن في مرحلة النضج التكنولوجي. وتتمثل الفكرة في مواصلة تطوير التقنيات التي ستمكن مرصد العوالم الصالحة للسكن من تقديم علومه الثورية مع تقليل مخاطر تجاوز التكاليف في المستقبل.
تم اقتراحه لأول مرة كجزء من الأكاديمية الوطنية للعلوم المسح العقدي لعلم الفلك والفيزياء الفلكية 2020 (Astro2020)، وهي خارطة طريق مدتها 10 سنوات تحدد أهداف مجتمع علم الفلك، سيتم إطلاق HWO في أواخر الثلاثينيات أو أوائل الأربعينيات من القرن الحالي. سيتم تقسيم وقت مراقبة المهمة بين الفيزياء الفلكية العامة ودراسات الكواكب الخارجية.
ألقت سارة سيجر من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا محاضرة في ورشة عمل معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا بعنوان "نحو قمع ضوء النجوم لمرصد العوالم الصالحة للسكن". حقوق الصورة: معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا
"أوصى المسح العقدي بهذه المهمة باعتبارها أولويته القصوى بسبب القدرات التحويلية التي ستوفرها للفيزياء الفلكية، إلى جانب قدرتها على فهم الأنظمة الشمسية بأكملها خارج نظامنا الشمسي"، كما يقول. فيونا هاريسون، أحد رئيسين للتقرير العقدي لـ Astro2020 وأستاذ الفيزياء هارولد أ. روزن في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، بالإضافة إلى الرئيس القيادي لكينت وجويس كريسا لقسم الفيزياء والرياضيات وعلم الفلك.
تعتمد قدرة التلسكوب الفضائي على توصيف أجواء الكواكب الخارجية، وبالتالي البحث عن التوقيعات التي يمكن أن تشير إلى حياة غريبة، على تقنيات تحجب الوهج الصادر عن نجم بعيد.
هناك طريقتان رئيسيتان لحجب ضوء النجم: قناع صغير داخل التلسكوب، يُعرف باسم أ الإكليلوقناع كبير خارج التلسكوب يُعرف باسم ظل النجم. في الفضاء، ستنتشر مظلات النجوم لتشكل هيكلًا عملاقًا على شكل عباد الشمس، كما يظهر في هذه الصورة الرسوم المتحركة.
مفهوم الفنان لكوكب يشبه الأرض في المنطقة الصالحة للسكن لنجمه. مرصد جديد سيبحث عن حياة غريبة. حقوق الصورة: ناسا أميس/مختبر الدفع النفاث-كالتك/تي. بايل
وفي كلتا الحالتين، يتم حجب ضوء النجوم بحيث يتم الكشف عن ضوء النجوم الخافت المنعكس عن كوكب قريب. تشبه هذه العملية رفع يدك لحجب أشعة الشمس أثناء التقاط صورة لأصدقائك المبتسمين.
من خلال التقاط ضوء الكوكب مباشرة، يمكن للباحثين بعد ذلك استخدام أدوات أخرى تسمى مقاييس الطيف لفحص هذا الضوء بحثًا عن التوقيعات الكيميائية. إذا كانت هناك أي حياة على كوكب يدور حول نجم بعيد، فإن الشهيق والزفير الجماعي لتلك الحياة قد يكون قابلاً للاكتشاف في شكل بصمات حيوية.
يقول: "نحن نقدر أن هناك ما يصل إلى عدة مليارات من الكواكب بحجم الأرض في المنطقة الصالحة للسكن في مجرتنا وحدها". نيك سيجلر، كبير تقنيي برنامج استكشاف الكواكب الخارجية التابع لناسا في مختبر الدفع النفاث. المنطقة الصالحة للسكن هي المنطقة المحيطة بالنجم حيث تكون درجات الحرارة مناسبة للمياه السائلة.
"نريد استكشاف الغلاف الجوي لهذه الكواكب الخارجية للبحث عن الأكسجين والميثان وبخار الماء والمواد الكيميائية الأخرى التي يمكن أن تشير إلى وجود الحياة. لن نرى رجالًا خضرًا صغارًا (كائنات فضائية)، بل بصمات طيفية لهذه المواد الكيميائية الرئيسية، أو ما نسميه البصمات الحيوية.
وفقًا لسيغلر، قررت وكالة ناسا التركيز على مسار الكوروناغراف لمفهوم HWO، بناءً على الاستثمارات الأخيرة في هذا المجال تلسكوب نانسي جريس الروماني الفضائي التابع لناسا، والتي سوف تستخدم كوروناغراف متقدم لتصوير الكواكب الخارجية العملاقة للغاز. (IPAC التابع لـ Caltech هو موطن لـ مركز دعم العلوم الروماني).
اليوم، تُستخدم أجهزة الكوروناغراف في العديد من التلسكوبات الأخرى، بما في ذلك تلسكوب جيمس ويب الفضائي المداري، وهابل، والمراصد الأرضية.
قام ماويت بتطوير خرائط الإكليل لاستخدامها في الأدوات الموجودة في مرصد WM Keck على قمة جبل موناكيا، وهو جبل يقع في جزيرة هاواي الكبرى.
الإصدار الأحدث، المعروف باسم دوامة كوروناغراف، اخترعه ماويت ويوجد داخل Keck Planet Imager and Characterizer (KPIC)، وهي أداة تسمح للباحثين تصوير ودراسة الانبعاثات الحرارية للكواكب الخارجية العملاقة الغازية الشابة والدافئة مباشرة.
يلغي الكوروناغراف ضوء النجم إلى النقطة التي يمكن للأداة من خلالها التقاط صور لكواكب أكثر خفوتا بحوالي مليون مرة من نجومها. يسمح ذلك للباحثين بتوصيف الغلاف الجوي والمدارات والدوران للكواكب الخارجية العملاقة الغازية الشابة بالتفصيل، مما يساعد في الإجابة على الأسئلة حول تكوين وتطور الأنظمة الشمسية الأخرى.
لكن التصوير المباشر لكوكب الأرض التوأم - حيث من المرجح أن تزدهر الحياة كما نعرفها - سيتطلب تحسينًا هائلاً للتقنيات الحالية. الكواكب مثل الأرض التي تدور حول نجوم شبيهة بالشمس في المنطقة الصالحة للسكن، تضيع بسهولة في وهج نجومها.
فشمسنا، على سبيل المثال، تتفوق على ضوء الأرض بمقدار 10 مليارات مرة. لكي يتمكن الكوروناغراف من تحقيق هذا المستوى من قمع ضوء النجوم، سيتعين على الباحثين دفع تقنياتهم إلى أقصى الحدود.
يقول ماويت: "بينما نقترب أكثر فأكثر من هذا المستوى المطلوب من قمع ضوء النجوم، تصبح التحديات أصعب بشكل كبير".
ناقش المشاركون في ورشة عمل معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا تقنية الكوروناغراف التي تتضمن السيطرة على موجات الضوء مع مرآة فائقة الدقة قابلة للتشوه داخل الجهاز.
في حين أن الإكليل يمكن أن يحجب الكثير من ضوء النجم، إلا أن الضوء الشارد لا يزال بإمكانه أن يشق طريقه إلى الصورة النهائية، ويظهر على شكل بقع. وباستخدام آلاف المحركات التي تدفع وتسحب السطح العاكس للمرآة القابلة للتشوه، يستطيع الباحثون إلغاء النقط من ضوء النجوم المتبقي.
وسيكون تلسكوب نانسي غريس الروماني الفضائي القادم أول من يستخدم هذا النوع من الكوروناغراف، والذي يشار إليه باسم "النشط" لأن مرآته سوف تتشوه بشكل نشط. بعد المزيد من الاختبارات في مختبر الدفع النفاث، سيتم دمج الكوروناغراف الروماني في نهاية المطاف في التلسكوب النهائي في مركز غودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا وسيتم إطلاقه إلى الفضاء في موعد أقصاه عام 2027.
ستمكن أداة كوروناغراف الرومانية علماء الفلك من تصوير الكواكب الخارجية التي ربما تكون أكثر خفوتا بمليار مرة من نجومها. ويشمل ذلك كلا من عمالقة الغاز الناضجة والحديثة، بالإضافة إلى أقراص الحطام المتبقية من عملية تكوين الكوكب.
يقول: "إن أداة كوروناغراف الرومانية هي الخطوة التالية لناسا على طريق العثور على حياة خارج نظامنا الشمسي". فانيسا بيلي، تقني أدوات جهاز الإكليل الروماني في مختبر الدفع النفاث.
"فجوة الأداء بين التلسكوبات الحالية ومرصد العوالم الصالحة للسكن كبيرة جدًا بحيث لا يمكن سدها مرة واحدة. الغرض من أداة كوروناغراف الرومانية هو أن تكون بمثابة نقطة انطلاق وسيطة. وسيعرض العديد من التقنيات الضرورية، بما في ذلك أقنعة الإكليل والمرايا القابلة للتشوه، بمستويات أداء لم يتم تحقيقها من قبل خارج المختبر.
إن السعي إلى تصوير توأم الأرض مباشرة حول نجم يشبه الشمس سيعني دفع التكنولوجيا وراء الإكليل الروماني إلى أبعد من ذلك.
يشرح ماويت قائلاً: "نحن بحاجة إلى أن نكون قادرين على تشويه المرايا إلى مستوى من الدقة يبلغ البيكومتر".
"سنحتاج إلى قمع ضوء النجوم بعامل آخر يبلغ حوالي 100 مقارنةً بالكرونوغراف الخاص برومان. وساعدتنا ورشة العمل في اكتشاف الفجوات في التكنولوجيا لدينا، وأين نحتاج إلى بذل المزيد من التطوير في العقد المقبل.
وشملت موضوعات المحادثة الأخرى في ورشة العمل أفضل نوع من المرآة الأولية للاستخدام مع الكوروناغراف، وطلاءات المرآة، والتعامل مع الأضرار التي تلحق بالمرايا بسبب النيازك الدقيقة، وتقنيات المرآة القابلة للتشوه، بالإضافة إلى أجهزة الكشف والأدوات المتقدمة للنمذجة والتصميم المتكامل.
قدم المهندسون أيضًا تحديثًا لحالة ظلة النجم واستعدادها التكنولوجي.
وفي الوقت نفسه، مع تقدم التكنولوجيا، يضع علماء آخرون أعينهم على النجوم بحثًا عن كواكب شبيهة بالأرض وربما حياة غريبة يمكن أن يصورها HWO.
أكثر من الكواكب الخارجية 5,500 تم اكتشافها حتى الآن، ولكن لا شيء منها يشبه الأرض حقًا. أدوات البحث عن الكواكب، مثل الأداة الجديدة التي يقودها معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا مكتشف الكواكب كيك (KPF) في مرصد كيك، أصبحنا مجهزين بشكل أفضل للعثور على الكواكب من خلال البحث عن القاطرات التي تمارسها على نجومها أثناء دورانها حولها.
تمارس الكواكب الأثقل قوة جذب أكبر، كما تفعل الكواكب التي تدور بالقرب من نجومها. تم تصميم KPF للعثور على كواكب بحجم الأرض في المناطق الصالحة للسكن للنجوم الحمراء الصغيرة (المناطق الصالحة للسكن للنجوم الحمراء أقرب). ومع التحسينات الإضافية على مدى السنوات القليلة المقبلة، قد تتمكن KPF من اكتشاف التوائم الأرضية.
بحلول الوقت الذي سيتم فيه إطلاق HWO في أواخر ثلاثينيات أو أوائل أربعينيات القرن الحالي، يأمل العلماء في الحصول على كتالوج يضم ما لا يقل عن 2030 كوكبًا شبيهًا بالأرض لاستكشافها.
وعلى الرغم من الطريق الطويل الذي ينتظرنا، فقد ناقش العلماء في ورشة العمل هذه التحديات بشغف مع زملائهم الذين سافروا إلى باسادينا من جميع أنحاء البلاد. ألقى مدير مختبر الدفع النفاث لوري ليسين (MS'89، PhD'95) خطابًا حماسيًا في بداية الاجتماع.
وقالت: "إنه تحدٍ مثير ومثير للقلق". "لكن هذا ما نعيش من أجله جميعًا. نحن لا نفعل ذلك بمفردنا. نحن نفعل ذلك بالتعاون."
كتبها ويتني كلافين
المصدر معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا
