جزییات ماموریت ناسا برای پیشگویی آخر دنیا

به گزارش 9 صبح، این تلسکوپ که به افتخار "نانسی گریس رومن"(Nancy Grace Roman)، اولین ستاره‌شناس ارشد ناسا نامگذاری شده است در ابتدا "تلسکوپ نقشه‌برداری میدان باز فروسرخ"(WFIRST) نامیده می‌شد اما چندی پیش "جیم برایدنستاین"(Jim Bridenstine) مدیر سابق ناسا در بیانیه‌ای گفت: به خاطر رهبری و دید "نانسی رومن" بود که ناسا توانست در حوزه اخترفیزیک پیشگام شود و تلسکوپ هابل را به عنوان قدرتمندترین و پربارترین تلسکوپ فضایی جهان به فضا ارسال کند. برای نامگذاری تلسکوپ "WFIRST" هیچ نامی بهتر از نام رومن، به ذهنم نمی‌رسد.

هدف اصلی این تلسکوپ، نقشه‌برداری بخش‌های گسترده‌ای از جهان به منظور مطالعه انرژی تاریک است. در کیهان‌شناسی، انرژی تاریک شکل ناشناخته‌ای از انرژی است که همه فضای گیتی را به صورت فرضی در بر می‌گیرد و سرعت انبساط جهان را می‌افزاید. این تلسکوپ که انتظار می‌رود در سال ۲۰۲۷ پرتاب شود، میلیون‌ها کهکشان را بررسی خواهد کرد و نقشه‌ای از بخش‌هایی از کیهان ما خواهد ساخت. ستاره شناسان امیدوارند که بتوانند با بررسی توزیع کهکشان‌ها چگونگی تکامل انرژی تاریک را کشف کنند. این تلسکوپ همچنین از ریزهمگرایی گرانشی برای کشف میلیون‌ها سیاره فراخورشیدی استفاده خواهد کرد. ریزهمگرایی گرانشی(Gravitational microlensing) پدیده‌ای نجومی بر اساس همگرایی گرانشی است که با آن می‌توان اجرام نجومی را، مستقل از نوری که از آنها تابیده می‌شود، شناسایی کرد.

این تلسکوپ نه‌ تنها سیاره‌های فراخورشیدی دور و کوچک را کشف می‌کند، بلکه انواع گسترده‌ای از اجرام کیهانی مانند کوتوله‌های قهوه‌ای و سیاه‌چاله‌ها را نیز در بر می‌گیرد. نانسی گریس رومن، نخستین زنی بود که موفق شد به سمت مدیریت ناسا برسد. او در سال ۱۹۴۹، مدرک دکتری ستاره‌شناسی خود را از دانشگاه شیکاگو دریافت کرد و در سال ۱۹۶۰ میلادی به سمت ریاست ستاره‌شناسی در اداره علوم فضایی ناسا رسید و این سمت را به مدت ۲۰ سال حفظ کرد. رومن در سال ۱۹۷۹ سال‌ها پیش از زمانی‌ که حتی پروژه ساخت "WFIRST" پیشنهاد شود، بازنشسته شد. او در برنامه‌های قابل‌ توجهی از جمله ماموریت تلسکوپ فضایی "کاوشگر زمینه کیهان" یا "کوبی"(COBE) و "تلسکوپ فضایی هابل"(Hubble Space Telescope) شرکت داشت. این زن دانشمند در نهایت در سال ۲۰۱۸ میلادی در سن ۹۵ سالگی درگذشت.

تلسکوپ فضایی نانسی گریس رومن ناسا تا پیش از سال ۲۰۲۷ پرتاب نخواهد شد و تا مدتی پس از آن پرتاب نیز شروع به کار نخواهد کرد. اما این مانع از رویاپردازی دانشمندان هیجان‌زده در مورد این ماموریت جدیدشان نمی‌شود. محققان در یک مطالعه جدید قدرت تلسکوپ فضایی رومن را با جزئیات بررسی کردند تا دریابند آیا این تلسکوپ می‌تواند به ما در پاسخ به یکی از مهم‌ترین سوال‌هایمان در مورد کیهان کمک کند یا خیر. شاید برایتان جالب باشد که بدانید سوال آنها چیست. آیا جهان به انبساط خود ادامه خواهد داد و خود را در یک مه‌گسست از هم خواهد پاشید؟ این سوالی است که محققان قصد پیدا کردن پاسخ آن را دارند.

مِه‌گسست(Big Rip) یک پنداره کیهان‌شناسی درباره سرنوشت فرجامینِ گیتی است که در آن مواد تشکیل‌دهنده جهان از ستارگان و کهکشان‌ها گرفته تا اتم‌ها و ذره‌های زیراتمی، به‌ یک‌ باره از هم می‌گسلند.

ناسا هنوز طرح ماموریت تلسکوپ رومن را نهایی نکرده است و هنوز هم زمان برای تغییر دادن برخی موارد وجود دارد و این مطالعه تلاشی است برای کشف اینکه چگونه آنها می‌توانند با تغییر برخی موارد آن را برای رسیدن به یک نتیجه بهتر تغییر دهند.

این مطالعه با عنوان "بررسی طیف‌سنجی عرض جغرافیایی بالا در تلسکوپ فضایی رومن نانسی گریس"(The High Latitude Spectroscopic Survey on the Nancy Grace Roman Space Telescope) در مجله "استروفیزیکال"(Astrophysical) منتشر شده است.

"یون وانگ"(Yun Wang) نویسنده اصلی این مطالعه و دانشمند تحقیقاتی ارشد موسسه "IPAC" در پاسادنای کالیفرنیا است. تلسکوپ رومن ابزارهای متعددی در جعبه ابزار خود خواهد داشت و این مطالعه بر روی طیف‌سنجی و چگونگی نقشه‌برداری انبساط تاریخی کیهان تمرکز دارد.

وانگ نویسنده اصلی این مطالعه گفت: مطالعه ما پیش‌بینی می‌کند که این بررسی طیف‌سنجی علمی رومن را فعال خواهد کرد یا خیر و اینکه چگونه تنظیمات مختلف می‌توانند طراحی آن را بهینه کنند.

رومن یک "بررسی منطقه وسیع با عرض جغرافیایی بالا"(HLWAS) انجام خواهد داد. بررسی طیف‌سنجی عرض جغرافیایی بالا(HLSS) بخش طیف‌سنجی بررسی منطقه وسیع با عرض جغرافیایی بالا است که در این مطالعه به آن اشاره شده است. بررسی منطقه وسیع با عرض جغرافیایی بالا، یکی از اهداف علمی برجسته این تلسکوپ، همراه با رویکردهای جدید به علم سیارات فراخورشیدی است. بررسی طیف‌سنجی عرض جغرافیایی بالا، یک بررسی دقیق با حجم بالا از میلیون‌ها کهکشان با قدمت میلیاردها سال است. هدف اصلی این بررسی، مطالعه انبساط جهان در طول تاریخ کیهان است. کار "بررسی طیف‌سنجی عرض جغرافیایی بالا"، به قدری عمیق و گسترده است که درهای جدیدی از علم را به روی دانشمندان خواهد گشود.

وانگ گفت: در حالی که این بررسی برای کشف شتاب کیهانی طراحی شده است، سرنخ‌هایی در مورد بسیاری از اسرار وسوسه انگیز دیگر نیز ارائه می‌دهد. این به ما کمک خواهد کرد تا نسل اول کهکشان‌ها را درک کنیم، ماده تاریک را نقشه‌برداری کنیم و حتی اطلاعاتی در مورد ساختارهایی که به زمین بسیار نزدیک‌تر هستند را نیز شناسایی کنیم.

"بررسی طیف‌سنجی عرض جغرافیایی بالا" تلسکوپ رومن به انبساط جهان، انرژی تاریک و نظریه نسبیت عام اینشتین(TGR) مربوط می‌شود. در سال ۱۹۱۵، زمانی که اینشتین برای اولین بار نظریه نسبیت عام خود را ارائه کرد، هیچ کس فکر نمی‌کرد جهان در حال انبساط است. نظریه نسبیت عام اینشتین در توضیح مواردی که قانون "گرانش نیوتن" قادر به انجام آن نبود موفق شد. اما یک نقصی وجود داشت. خود اینشتین متوجه شد که نظریه او پیش‌بینی می‌کرد که یک جهان ایستا، ناپایدار است و برای اینکه پایدار باشد یا باید منبسط شود یا منقبض شود. اما خودش آن را رد کرد و با معرفی "ثابت کیهان شناسی" سعی کرد این موضوع را جبران کند. او از آن برای خنثی کردن اثر گرانش و رسیدن به یک جهان ایستا استفاده کرد. اینشتین بعدها این را بزرگترین اشتباه خود خواند.

ثابت کیهان شناسی یا ثابت کیهانی(که اغلب با حرف یونانی لامبدا بزرگ Λ مشخص می‌شود) در علم فیزیک کیهانی جهت اصلاح نظریه اولیه نسبیت عام توسط آلبرت اینشتین برای دستیابی به جهان ایستا ارائه شد.

سپس در دهه ۱۹۲۰، ستاره شناسان دریافتند که جهان در حال انبساط است و به نوعی با ثابت کیهان‌شناسی خداحافظی کردند. "ادوین هابل" ستاره شناس آمریکایی نقش برجسته‌ای در این کشف ایفا کرد و قاعده‌ای که این انبساط را توصیف می‌کرد، قانون هابل(Hubble’s Law) نامیدند. آنها دریافتند که کهکشان‌ها(به استثنا چند مورد بسیار کم) در حال دور شدن از یکدیگر هستند و کیهان در حال انبساط است.

انبساط کیهان از گذشته‌های دور تاکنون همانند یک راز بوده است. دانشمندان برای نیرویی که باید عامل انبساط باشد، یک مورد را در نظر دارند و آن "انرژی تاریک" است. برای مدت طولانی، کیهان شناسان فکر می‌کردند که انبساط در حال کاهش است اما معلوم شد که این تصور صحیح نیست.

در سال ۱۹۹۸ دانشمندان دریافتند که سرعت انبساط کیهان در حال افزایش است. این نباید به این دلیل باشد که گرانش تمام مواد باید انبساط را کاهش دهد. با آن کشف، ثابت کیهانی دوباره وارد بازی شد. اکنون این ساده‌ترین توضیح برای انبساط شتاب دار جهان است.

آیا دانستن اینکه جهان چگونه به پایان می‌رسد جالب نیست؟ دانستن این موضوع درست به همان اندازه که دوست داریم بدانیم چه چیزی باعث آغاز جهان شده، جالب است.

این سوال است که دانشمندان را به سمت طراحی تلسکوپ رومن و بررسی طیف‌سنجی عرض جغرافیایی بالا سوق داده است. بررسی طیف‌سنجی عرض جغرافیایی بالا ممکن است بتواند اطلاعاتی در مورد آینده انبساط کیهان در اختیار ما قرار دهد و به دانشمندان در درک اینکه آیا جهان سریع‌تر به انبساط ادامه خواهد داد و به یک مه‌گسست ختم خواهد شد یا خیر، کمک کند.

نویسندگان در این مطالعه، هدف کلی این بررسی را روشن کردند. اکنون دو سوال جدی وجود دارد:

۱. آیا شتاب کیهانی ناشی از یک جز انرژی جدید است یا در اثر شکست نسبیت عام(GR) در مقیاس کیهانی ایجاد شده است؟

۲. اگر علت این امر یک جز انرژی جدید باشد، آیا چگالی انرژی آن در مکان و زمان ثابت است یا در طول تاریخ جهان تکامل یافته است؟

هیچ جادویی در این میان وجود ندارد. به نوعی، گویی پای یک نیروی بی‌رحمانه در میان است. هرچه بتوانید بخش گسترده‌ای از کیهان را اندازه گیری کنید و هرچه بتوانید دقیق‌تر آن را بررسی کنید، احتمالا نتیجه‌گیری شما دقیق‌تر خواهد بود. این رسالت تلسکوپ‌های بزرگ‌تر و دقیق‌تر مانند تلسکوپ فضایی رومن است.

در این مقاله، نویسندگان یک طرح مرجع برای بررسی طیف‌سنجی عرض جغرافیایی بالا ارائه کردند. "راسل رایان"(Russell Ryan) ستاره شناس موسسه علوم تلسکوپ فضایی(Stsci) مرکز علمی تلسکوپ فضایی هابل گفت: بررسی طیف‌سنجی عرض جغرافیایی بالا رومن در حدود هفت ماه تقریبا ۲۰۰۰ درجه مربع یا حدود پنج درصد از آسمان را پوشش خواهد داد. این یک پیشرفت قابل توجه نسبت به تلسکوپ‌های دیگر مانند هابل است. در حال حاضر با تلسکوپ‌هایی مانند هابل، می‌توانیم از ده‌ها کهکشان با سرخ‌گَرایی بالا نمونه‌برداری کنیم. انتقال به سرخ یا سرخ‌گَرایی، پدیده‌ای است که در آن نور گسیل‌شده از یک جرم(امواج مرئی، فرابنفش، پرتو ایکس، پرتو گاما و ...) به سمت طول موج قرمز در انتهای طیف می‌رود. یعنی نوری که توسط طیف‌سنج ثبت می‌شود طول موجی بلندتر و بسامدی کمتر از نور گسیل‌شده از منبع دارد.

محققان در این مطالعه گفتند: اگرچه رومن می‌تواند یک بررسی کم‌عمق و وسیع در مقایسه با اقلیدس را در مدت زمان تقریبا یک ساله انجام دهد، بررسی عمیق‌تر ارائه‌شده در اینجا مکمل بهتری برای بررسی‌های دیگر است و به طور موثرتری از قابلیت‌های دیافراگم دوربین بزرگ‌تر رومن استفاده می‌کند.

ماموریت اقلیدس(Euclid) آژانس فضایی اروپا نیز که قرار است سال آینده پرتاب شود، می‌تواند به جستجوی سیارات فراخورشیدی بپردازد.

مطالعه جدید نشان می‌دهد که بررسی طیف‌سنجی عرض جغرافیایی بالا رومن باید ۱۰ میلیون کهکشان را از زمانی که کیهان بین سه تا شش میلیارد سال سن داشته است، اندازه گیری کند. ستاره شناسان از این داده‌ها برای ترسیم ساختار در مقیاس بزرگ کیهان استفاده خواهند کرد.

کیهان شناسان قبلا این ساختار در مقیاس بزرگ را نقشه‌برداری کرده‌اند، اما بررسی طیف‌سنجی عرض جغرافیایی بالا تلسکوپ رومن این نقشه‌برداری را یک قدم جلوتر خواهد برد. بررسی طیف‌سنجی عرض جغرافیایی بالا فاصله تا حدود دو میلیون کهکشان را از زمانی که کیهان تنها دو تا سه میلیارد سال داشت را به ما خواهد گفت. این بررسی قبلا هرگز انجام نشده است و بنابراین داده‌های به دست آمده جدید خواهند بود. اگر تلسکوپ رومن بتواند درک ما را از ساختار بزرگ کیهان در طول زمان ارتقا دهد، محققان می‌توانند تاریخ انبساط کیهان را درک کنیم.

نویسندگان در این مطالعه اظهار کردند: رومن تاریخ انبساط جهان را تعیین خواهد کرد تا توضیحات احتمالی انبساط شتاب دهنده ظاهری آن از جمله انرژی تاریک و اصلاح گرانش اینشتین را آزمایش کند. این امر به ما توضیح می‌دهد که ما در حال حاضر در کجا هستیم. جهان در حال انبساط است و انبساط در حال شتاب گرفتن است. این نباید اینطور باشد زیرا گرانش تمام مواد موجود در کیهان باید روی آن انبساط تاثیر بگذارد. شتاب یا به آن معنا است که نظریه گرانش اینشتین دقیقا درست نیست یا به این معنی است که ما باید یک جز انرژی جدید به جهان اضافه کنیم و آن انرژی تاریک است.

این مطالعه اطلاعاتی را که رومن می‌تواند در اختیار دانشمندان قرار دهد را شبیه‌سازی کرده است. تصاویر سه بعدی عظیم و عمیق تلسکوپ رومن از کیهان فرصت جدیدی برای تشخیص بین نظریه‌های پیشرو است که سعی در توضیح شتاب کیهانی(نظریه اصلاح شده گرانش یا انرژی تاریک) دارند.

نویسندگان این مطالعه در انتها بیان کردند: در روشن کردن ماهیت ناشناخته شتاب کیهانی، ما نیاز به اندازه‌گیری دو تابع آزاد زمان داریم: تاریخچه انبساط کیهانی و نرخ رشد ساختار در مقیاس بزرگ. اینها می‌توانند به ما بگویند که آیا انرژی تاریک با زمان تغییر می‌کند یا خیر و آیا یک جز انرژی ناشناخته مثلا یک ثابت کیهانی یا پیامد اصلاح نسبیت عام به عنوان نظریه گرانش وجود دارد یا خیر.