بررسی توانایی تلسکوپ "جیمز وب" در مطالعه 7 سیاره‌ تازه کشف شده

به گزارش جی پلاس، با اطمینان می‌توان گفت کشف هفت سیاره‌ی قابل سکونتی که فقط ۴۰ سال نوری با ما فاصله دارند، بسیار تأثیرگذار و شگفت‌انگیز است؛ اما واقعیت این است که آن‌ها هنوز ۴۰ سال نوری با ما فاصله دارند و این مقدار کمی نیست. ما به این زودی‌ها قرار نیست بتوانیم به سیستم ستاره‌ای تراپیست ۱ دسترسی پیدا کنیم؛ مگر اینکه بخواهیم زمینه‌های یک سفر فضایی طولانی چند هزار ساله را فراهم کنیم و رهسپار چنین سفری شویم. گفته‌ی اخیر به این معنی است که در طول دهه‌های آینده، ابزارهای علمی پیشرفته‌ای که به خانه‌مان نزدیک‌تر هستند، نقش بسیار مهمی در بررسی این جهان‌های تازه کشف شده در دوردست‌ها ایفا خواهند کرد و به نظر می‌رسد که در میان این ابزارها هیچ کدام بیشتر از تلسکوپ فضایی جیمز وب به کار نخواهد آمد. 

حال شاید این سؤال پیش آید که ما دقیقا چه انتظاری از عملکرد این تلسکوپ می‌توانیم داشته باشیم؟ گفتنی است که تلسکوپ فضایی جیمز وب سال آینده در مدار زمین قرار خواهد گرفت. در راستای پاسخ به این پرسش، ما مروری داشته‌ایم بر اظهار نظرهای برخی از دانشمندان درباره‌ی کشف هیجان‌انگیز اخیر ناسا تا به این ترتیب بتوانیم پی ببریم که ستاره‌شناسان به چه شکلی از تلسکوپ‌های نسل بعدی ناسا برای کاوش اسرار سیستم ستاره‌ای تراپیست ۱ استفاده خواهند کرد.

تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) تقریبا برای دو دهه در مرحله‌ی ساخت بوده و بزرگی آن به اندازه‌ی یک زمین تنیس است و با قرارگیری در مدار زمین در سال آینده، به عنوان بزرگ‌ترین تلسکوپ فضایی به شمار خواهد آمد که تاکنون ساخته شده است. این تلسکوپ در حال آماده‌‌سازی به منظور جایگزین شدن با تلسکوپ فضایی هابل در سال ۲۰۱۸ است و با صورت گرفتن این جایگزینی، ظرفیت جمع‌آوری نوری تلسکوپ جدید ناسا نسبت به مدل پیش از خود تا هفت برابر بیشتر خواهد شد و همچنین حساسیت لازم را برای شناسایی یک کرم شب‌تاب در فاصله‌ی یک میلیون کیلومتر دورتر از خود به دست خواهد آورد.

ستاره‌شناسان برنامه‌ریزی می‌کنند تا از توانایی‌های این تلسکوپ به چند روش هیجان‌انگیز استفاده کنند. گزینه‌هایی مانند نگاه کردن به ۱۳.۵ میلیارد سال گذشته برای رمزگشایی از کیهان در مراحل اولیه‌ی تشکیل آن، کاوش درباره‌ی چگونگی شکل گرفتن ستاره‌ها و کهکشان‌ها و همچنین مطالعه روی اتمسفر سیاره‌هایی که بیرون از منظومه‌ی شمسی ما قرار دارند. اما بر پایه‌ی نظر آدام بورگسر، متخصص فیزیک نجومی در دانشگاه سن دیگو و یکی از نویسنده‌های مقاله‌ی علمی تحول‌برانگیز هفته‌ی گذشته در رابطه با کشف سیاره‌های فراخورشیدی جدید، اولویت اول علمی او برای انجام پژوهش‌ با استفاده از این تلسکوپ، سیستم ستاره‌ای تراپیست ۱ خواهد بود. وی در این باره می‌گوید:

من تردید دارم که هدف نخست این تأسیسات مربوط به بررسی تراپیست ۱ باشد. من چندین نفر از دانشمندان دست‌اندرکار در زمینه‌ی ابزارهای این تأسیسات را می‌شناسم؛ افرادی که در ساخت و آزمایش دوربین‌های به کاررفته در تلسکوپ کمک کرده‌اند و مشتاق هستند تا خودشان نیز از این سیستم هیجان‌انگیز استفاده‌ای داشته باشند و البته ما هم درخواست خواهیم داد تا در سریع‌ترین زمان ممکن بتوانیم منابع مورد نظرمان را مشاهده کنیم.

بر پایه‌ی گفته‌ی کاترین دک، یکی دیگر از نویسندگان مقاله‌ی اخیر و دانشیار مرکز کلتک (این موسسه‌ی تحقیقاتی پشتیبان آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا هم هست.)، استفاده‌ی بی‌درنگ از تلسکوپ جیمز وب در جهت بررسی تراپیست ۱ بسیار منطقی و معقول به نظر می‌رسد. او در گفتگو با New Atlas در این باره گفت:

یکی از اولویت‌های تحقیقاتی بزرگ برای JWST این است که اتمسفر سیارات هم‌اندازه با زمین را مشخصه‌بندی کند و از سویی، ستاره‌ی تراپیست ۱ با هفت سیاره به اندازه‌ی زمین که سه مورد از آن‌ها در دامنه‌ی قابل سکونت اسمی این ستاره قرار دارند، می‌تواند یک هدف بسیار عالی برای پژوهش باشد.

پدیده انتقال 

یکی از مشکلات ذاتی در زمینه‌ی تحقیقات سیاره‌های فراخورشیدی، نور خیره‌کننده‌ای است که از ستاره‌ی مادر می‌آید. این اتفاق باعث می‌شود تا ثبت تصویر به طور مستقیم از سیارات فراخورشیدی گردش‌کننده پیرامون آن‌ها غیرممکن شود. در عوض، آن‌ها از طریق آنچه در محافل ستاره‌شناسی از آن به عنوان ترانزیتینگ یا انتقال (transiting) یاد می‌شود، آشکار می‌شوند. در پدیده‌ی انتقال، سیاره‌های گردش‌کننده پیرامون یک ستاره، با عبور از مقابل آن ستاره، فرورفتگی‌هایی در طیف نوری آن ستاره ایجاد می‌کنند و به این ترتیب ما با بررسی طیف نوری به دست آمده می‌توانیم حضور سیاره‌های فراخورشیدی را در اطراف یک ستاره تشخیص دهیم. ستاره‌ی تراپیست ۱، کم‌نور و کوچک است (در واقع اندازه‌ی آن تقریبا برابر با سیاره‌ی مشتری است.)، با این حال نور آن به قدری کم نیست که بتوان از سیستم سیاره‌ای آن به طور مستقیم تصویربرداری کرد. بورگستر در این باره می‌گوید:

سیاره‌ها بیش از حد به ستاره‌ی خود نزدیک هستند و نمی‌توان این مشکل را حتی با یک تلسکوپ بزرگ مانند JWST رفع کرد، بنابراین ما هنوز هم باید به روش انتقال اتکا کنیم. با این حال، تلسکوپ جیمز وب به ما اجازه خواهد داد تا نه تنها به دنبال نور ستاره‌ی مسدودشده توسط سیارات به جستجو بپردازیم، بلکه علاوه بر آن به دنبال نور ستاره‌ای که از میان اتمسفر سیاره به ما رسیده است نیز جستجو کنیم. این امر ما را قادر می‌کند تا دما و ترکیب‌های شیمیایی اتمسفر سیاره‌ها را با جزییات بیشتری که برای جستجو به دنبال نشانه‌های حیات لازم هستند نیز مورد اندازه‌گیری و سنجش قرار دهیم.

این تکنیک به نام طیف‌سنجی انتقال شناخته می‌شود و رویکرد اصلی برای مطالعه‌ی اتمسفرهای سیارات سیستم تراپیست ۱ خواهد بود. دک درباره‌ی چگونگی کارکرد آن نیز توضیح می‌دهد:

هنگامی که یک سیاره از مقابل یک ستاره عبور می‌کند، مسیر نور ستاره را در آن محل مسدود می‌کند. هر قدر که یک سیاره بزرگ‌تر باشد، نور بیشتری را مسدود خواهد کرد. اگر سیاره‌ای دارای اتمسفر باشد، آنگاه اتمسفر باعث خواهد شد تا اندازه‌ی آن از اندازه‌ی جرم خاکی بیشتر شود و در نتیجه، سیاره‌های دارای اتمسفر در مقایسه با سیاره‌های خاکی بدون اتمسفر با همان اندازه، نور بیشتری را مسدود خواهند کرد.

نکته‌ی کلیدی این است که اتمسفر تنها نورهایی از رنگ‌های خاص یا طول موج‌های خاص را مسدود می‌کند؛ نورهایی که به طول موج خاصی از نور مربوط هستند و مولکول‌های خاصی را در اتمسفر تحریک می‌کنند. تلسکوپ جیمز وب به طور مؤثری یک ستاره‌ی میزبان با فیلترهای مختلف نوری را رصد و رنگ‌های خاصی از نور ستاره را ایزوله خواهد کرد. در هنگامی که پدیده‌ی انتقال اتفاق می‌افتد، مقدار نور مسدودشده توسط این سیاره در هر یک از فیلترهای موجود متفاوت خواهد بود و چنین امری به ماهیت مولکولهای موجود در اتمسفر آن سیاره و از سویی  به دیگر ویژگی‌های جو آن سیاره وابسته خواهد بود.

نور و حیات

با اسکن کردن این نور برای مولکول‌های جو سیاره، می‌توان به انواع ابهامات موجود در مورد سیارات در سیستم ستاره‌ای تراپیست ۱ پاسخ داد؛ از جمله به ابهاماتی که درباره‌ی احتمال وجود عناصر سازنده‌ی حیات در آن وجود دارند.

بورگسر همچنین توضیح می‌دهد:

با گسترش دادن نور به دست آمده همانند یک رنگین‌کمان، ما می‌توانیم به جستجوی نشانه‌ی مخصوص مولکول‌ها و اتم‌ها در جو آن سیاره بپردازیم؛ موادی از جمله اکسیژن، متان و بخار آب که همگی می‌توانند از نشانه‌های محتمل برای حیات باشند. تلسکوپ فضایی وب همچنین می‌تواند برای اندازه‌گیری بازتاب نور ستاره‌ها در هنگامی به کار رود که این سیاره‌ها از پشت ستاره‌ی مورد نظر عبور می‌کنند. پدیده‌ی یادشده را به نام گرفتگی ثانویه می‌شناسند. این امر به طور بالقوه به ما اجازه می‌دهد به مطالعه‌ی سطوح سیارات بپردازیم.

بنابراین تلسکوپ فضایی جیمز وب یکی از ابزارهای تعیین‌کننده در زمینه‌ی پژوهش سیاره‌های فراخورشیدی خواهد بود و به دانشمندان کمک خواهد کرد تا به طور بهتری به جستجوی نشانه‌های حیات در سایر سیارات بپردازند. اما باید توجه داشت که تلسکوپ فضایی وب تنها یکی از ابزارهای مورد استفاده برای این هدف خواهد بود. تلسکوپ بزرگ ماژلان، به عنوان مثال، دارای یک دیافراگم به اندازه‌ی ۱۵ برابر تلسکوپ جیمز وب خواهد بود و از میانه‌های دهه‌ی ۲۰۲۰ میلادی کار خود را در صحرای آتاکامای شیلی آغاز خواهد کرد. این ابزارها به علاوه‌ی سایر تلسکوپ‌های بزرگ‌تر و سایر فناوری‌های در حال توسعه‌ای که در سال‌های آینده خواهند آمد، همگی ما را با یک پرسش روبرو می‌کنند؛ اینکه ما در نهایت تا چه حد می‌توانیم بدون سفر به تراپیست ۱، درباره‌ی آن اطلاعات به دست آوریم.

بورگسر در این مورد چنین پاسخ می‌دهد:

بسیار زیاد. علاوه بر اندازه‌گیری مشخصات اتمسفر و سطح، ما برخی اندازه‌گیری‌های قبلی از جرم را نیز در دست داریم. اما با ابزار دقیق‌تر و تلسکوپ‌های بزرگتر، می‌توانیم آن اندازه‌گیری‌ها را بهبود دهیم و به یک اندازه‌ی میانگین مطمئن از چگالی سیارات برسیم که این امر در ادامه می‌تواند به ما بگویدآیا اغلب این سیاره‌ها همانند زمین سنگی هستند، یا اینکه مثل (گانیمد)  قمر مشتری مخلوطی از سنگ و یخ هستند. این احتمال هم وجود دارد که یک یا چند مورد از این سیاره‌ها دارای قمر باشند و ممکن است در بررسی‌های بعدی در زمینه‌ی پدیده‌ی انتقال وجود آن‌ها به تایید برسد.

بورگسر در بخش دیگری از اظهار نظرش می‌گوید:

ما همچنین به دنبال شواهدی هستیم مبنی بر اینکه شاید اتمسفر آن سیارات به دلیل بادهای مغناطیسی بر آمده از ستاره‌‌‌شان از بین رفته باشد. این یک احتمال و حالت مهم است برای تعیین اینکه آیا آب روی سطوح آن‌ها حفظ شده است یا خیر؛ و البته سؤال بزرگ در مورد خود حیات است. آیا حیات روی هیچ‌یک از این سیارات به وجود آمده است؟ آیا آن‌ها قابلیت میزبانی برای حیات دارند. تمام اندازه‌گیری‌های اشاره شده در گزارش برای پاسخ دادن به این دو پرسش واقعا بزرگ، بسیار مهم و اساسی هستند.