میراثی که تلسکوپ فضایی اسپیتزر از خود به جا گذاشت

تلسکوپ فضایی اسپیتزر ۳۰ ژانویه برای همیشه خاموش شد و ماموریت ۱۶ ساله این تلسکوپ فضایی به پایان رسید. تلسکوپی که در پیشرفت علم اخترشناسی در سال‌های اخیر تاثیر مهمی داشت.

تلسکوپ فضایی اسپیتزر آسمان را در طیف فروسرخ رصد می‌کرد و یکی از بهترین ابزارهای بشر برای رصد در این طیف بود. ایده اولیه برای ساخت این تلسکوپ در سال ۱۹۷۱ ارائه شد. در طرح اولیه قرار بود یک تلسکوپ فروسرخ با کمک شاتل‌های فضایی به فضا سفر و آسمان را رصد کند. با این حال در سال ۱۹۸۴ ایده اولیه کنار گذاشته شد و قرار شد که این تلسکوپ فضایی فروسرخ به صورت مستقل در فضا قرار بگیرد. در نهایت و با انجام تغییرات دیگری تلسکوپ فضایی اسپیتزر در سال ۲۰۰۳ در مداری خاص قرار گرفت.

ارزش و اهمیت تلسکوپ فضایی اسپیتزر را می‌توان با تلسکوپ بسیار معروف‌تر هابل مقایسه کرد. رصد برخی از اجرام آسمانی در طیف مرئی ممکن نیست و برای گذر از غبار و یا رصد اجرام بسیار دوردست بهترین انتخاب رصد در طیف فروسرخ است. کاری که اسپیتزر به مدت ۱۶ سال آن را انجام داد.

زمانی که طرح اولیه ساخت تلسکوپ اسپیتزر ارائه شد هنوز هیچ سیاره فراخورشیدی در عالم پیدا نشده بود. از سوی دیگر درودست‌ترین اجرامی که موفق به آشکارسازی آن‌ها شده بودیم در فاصله ۱۰ تا ۱۱ میلیارد سال نوری از ما قرار داشتند. با کمک اسپیتزر، و البته ماموریت‌های دیگر، ماجرا تغییر کرد. اسپیتزر نه تنها گذر سیارات فراخورشیدی زیادی را از مقابل ستاره مادرشان رصد کرد، بلکه توانست نور فروسرخ این سیارات و ترکیبات شیمیایی آن‌ها را نیز ثبت کند. علاوه بر این اسپیتزر موفق به آشکارسازی کهکشان‌هایی شد که بیش از ۱۳ میلیارد سال نوری با ما فاصله دارند. کهکشان‌هایی که تنها چند صد میلیون سال پس از مهبانگ (انفجار بزرگ)‌ شکل گرفته‌اند.

چالش‌های رصد در طیف فروسرخ

تلسکوپ فضایی اسپیتزر برای رصد طول طوج‌های فروسرخ میانه تا فروسرخ دور طراحی شده بود. برای انجام رصدهای دقیق در طیف فروسرخ خنک نگه داشتن تلسکوپ فضایی و آشکارسازهایش امری ضروری است. تیم تلسکوپ اسپیتزر برای رسیدن به این هدف روشی متفاوت و چند مرحله‌ای را برگزید. تلسکوپ اسپیتزر در مداری خاص و بسیار دور از زمین قرار گرفت. از سوی دیگر پنل‌های خورشیدی این تلسکوپ نقش سپر حرارتی را نیز ایفا می‌کردند و اجازه رسیدن نور خورشید به تلسکوپ را نمی‌دادند. ابزارهای تلسکوپ نیز گرمای خود را به فضای سرد تابش می‌کردند. با این روش دمای تلسکوپ و ابزارها به منفی ۲۳۳ درجه سانتی‌گراد کاهش پیدا کرد. پس از خنک‌سازی اولیه از هلیوم مایع نیز به عنوان خنک‌کننده استفاده شد و دمای تلسکوپ به کمتر از دو درجه کلوین رسید.

مدار تلسکوپ اسپیتزر به دور زمین و فازهای مختلف ماموریت. مدار اسپیتزر به گونه‌ای است که به مرور فاصله بیشتری از زمین می‌گیرد.
Credit: Gregg Dinderman / S&T; source: NASA / JPL-Caltech

ذخیره هلیوم مایع اسپیتزر در سال ۲۰۰۹ به پایان رسید. اما اسپیتزر با کمک روش اولیه خنک‌سازی توانست رصدهای خود را در برخی از طول موج‌ها، بدون ایجاد هیچ مشکلی، ادامه دهد. فاز دوم ماموریت اسپیتزر با عنوان «ماموریت گرم» شناخته می‌شود.

شرایط خاص اسپیتزر از نظر دمایی (در ابتدای ماموریت) و نبود تابش مزاحم، چه از سوی جو زمین و چه خود تلسکوپ، باعث شد حساسیت تلسکوپ ۳۳ اینچی اسپیتزر چندین برابر حساسیت یک تلسکوپ ده متری مستقر در زمین باشد.

بررسی چگونگی شکل‌گیری ستاره‌ها و سامانه‌های سیاره‌ای با تلسکوپ فضایی اسپیتزر

کهکشان ما، راه شیری، حدود ۱۳ میلیارد سال پیش شکل گرفته است و در طول این مدت روند تشکیل ستاره‌ها، و در پی آن سامانه‌های سیاره‌ای، در آن ادامه داشته است.

تصویر تلسکوپ اسپیتزر از سحابی IC 410.
Credit: NASA / JPL-Caltech

تلسکوپ فضایی اسپیتزر ابزاری عالی برای بررسی چگونگی شکل‌گیری و تحول ستاره‌ها و سامانه‌های سیاره‌ای بود. با رصد در طیف فروسرخ می‌توان از ابرهای غبار میان‌ستاره‌ای گذر کرد و از سوی دیگر با کمک یک تلسکوپ فروسرخ می‌توان نور تابش شده از اجرام سرد (که دمایی کمتر از چند هزار درجه کلوین دارند) را نیز آشکار کرد. کارهایی که با تلسکوپ‌های مرئی امکان انجام آن‌ها وجود ندارد اما اسپیتزر به خوبی از پس آن‌ها برآمد.

اسپیتزر در طول ماموریتش صدها ستاره جوان را در مراحل مختلف شکل‌گیری‌شان بررسی کرد.

کاوش سیارات فراخورشیدی با تلسکوپ فضایی اسپیتزر

مبحث سیارات فراخورشیدی یکی از جذاب‌ترین حوزه‌های علم اخترشناسی در روزگار کنونی است. تلسکوپ اسپیتزر سهم مهمی در شناخت بهتر سیارات فراخورشیدی داشت. یکی از مهم‌ترین مثال‌ها در این رابطه سامانه سیاره‌ای تراپیست ۱ (Terappist-1) است.

اخترشناسان برای اولین بار شواهدی از وجود این سامانه سیاره‌ای را در داده‌های یک تلسکوپ مستقر در زمین پیدا کردند. پس از آن تلسکوپ اسپیتزر برای انجام رصدهای تکمیلی انتخاب شد. اسپیتزر به مدت بیست روز به بررسی این سامانه مشغول بود و در نهایت توانست هفت سیاره با اندازه مشابه اندازه زمین را به دور ستاره کم‌نور و قرمز تراپیست ۱ کشف کند. از این میان سه سیاره احتمالا در کمربند حیات ستاره مادر قرار دارند. جایی که امکان وجود آب مایع در سطح سیاره وجود دارد.

طرحی گرافیکی از منظومه تراپیست ۱ که بر اساس داده‌های واقعی موجود طراحی شده است.
Credits: NASA/JPL-Caltech

داده‌های دقیق اسپیتزر به اخترشناسان کمک کرد تا تاثیرات گرانشی این سیارات روی یک‌دیگر را بررسی کنند. این اطلاعات در نهایت منجر به تعیین جرم این سیارات شد. شعاع این سیارات نیز در رصدهای قبلی و با بررسی میزان کاهش نور ستاره پس از گذر سیاره از مقابل آن مشخص شده بود. به این ترتیب اخترشناسان توانستند چگالی این سیارات را نیز محاسبه کنند تا منظومه تراپیست ۱ به یکی از شناخته‌شده‌ترین سامانه‌های سیاره‌ای خارج از منظومه شمسی تبدیل شود.

اسپیتزر همچنین توانست در طول ماموریتش دمای برخی از سیارات فراخورشیدی را اندازه‌گیری کند. اخترشناسان با کمک اسپیتزر و با مقایسه تابش فروسرخ سامانه ستاره-سیاره در زمانی که هر دو دیده می‌شوند، و زمانی که سیاره پشت ستاره قرار دارد، می‌‌توانستند تابش فروسرخ سیاره را محاسبه کنند. در مرحله بعد و با ترکیب این داده‌ها با اندازه سیاره امکان محاسبه دمای سیاره وجود داشت. اسپیتزر با این روش دمای چند سیاره را اندازه‌گیری کرد. از سیارات بسیار داغ با دمای سه هزار درجه کلوین تا سیاراتی که دمای‌شان در حدود ۷۰۰ درجه کلوین بود. البته که این مقدار بسیار بیشتر از دمای جو زمین (حدود ۳۰۰ درجه کلوین) است.

اسپیتزر همچنین می‌توانست با رصد سیاراتی که از مقابل ستاره مادرشان گذر می‌کنند اطلاعات مهمی از جو سیارات به دست آورد. ترکیب داده‌های اسپیتزر با رصدهایی که در طول موج‌های کوتاه‌تر انجام می‌شد این فرصت را به اخترشناسان می‌داد تا ترکیبات جو و حتی وجود ابر و یا غبار را در جو این سیارات بررسی کنند.

اجرام دوردست

تلسکوپ فضایی اسپیتزر علاوه بر رصد ستاره‌ها و سیارات فراخورشیدی درون کهکشان راه شیری به رصد دیگر کهکشان‌های عالم نیز پرداخت. درک چگونگی شکل‌گیری و تحول کهکشان‌ها در دهه‌های اخیر جزء سوالات اصلی اخترفیزیک‌دانان بوده است.

اسپیتزر در دوران ماموریتش کهکشان‌هایی که تابش شدیدی در طیف فروسرخ داشتند را زیر نظر گرفت. اخترشناسان با کمک داده‌های اسپیتزر توانستند نرخ ستاره‌زایی برخی از کهکشان‌ها را اندازه‌گیری کنند.

در مرحله بعد و با ترکیب داده‌های اسپیتزر با داده‌های تلسکوپ‌هایی که در طول موج‌های دیگر رصد می‌کردند دانشمندان به این نتیجه رسیدند که تشکیل ستاره‌های جدید در عالم بین ۲/۳ تا ۳/۸ میلیارد سال پس از مهبانگ به اوج خود رسیده و پس از آن روند نزولی داشته است.

اسپیتزر در شناخت و کشف کهکشان‌های دوردست نیز یکی از بهترین ابزارهای اخترشناسان بود. غبار و پدیده‌ای با نام انتقال به سرخ باعث می‌شود که بسیاری از کهکشان‌های دوردست در نور مرئی دیده نشوند. به این ترتیب برای رصد چنین کهکشان‌هایی باید به سراغ تلسکوپ‌های فروسرخ رفت.

هر دایره در این تصویر نمایان‌گر موقعیت کهکشانی با فاصله حدود ۱۳ میلیارد سال نوری از زمین است. تصویر کوچک سمت راست نمایی است که تلسکوپ اسپیتزر از یکی از این کهکشان‌ها ثبت کرده است.
Credit: NASA / JPL-Caltech / ESA / Spitzer / P. Oesch / S. De Barros/ I. Labbe

از سوی دیگر اخترشناسان با مقایسه رصدهای اسپیتزر با داده‌های تلسکوپ هابل و یا تلسکوپ‌های زمینی می‌توانند سن ستاره‌های کهکشان‌های دوردست را محاسبه کنند. اخترشناسان با این روش و رصد یک کهکشان دوردست به نتایج قابل توجهی دست پیدا کردند. عمر ستاره‌های این کهکشان ۳۰۰ میلیون سال بود. از سوی دیگر فاصله این کهکشان از ما چیزی در حدود ۱۳/۲ میلیارد سال نوری بود. به این ترتیب و با توجه به عمر ۱۳/۸ میلیارد ساله عالم نتایج این پژوهش نشان می‌داد که تشکیل ستاره‌ها در این کهکشان تنها ۳۰۰ میلیون سال پس از مهبانک آغاز شده است.

تلسکوپ اسپیتزر بدون شک میراثی ارزشمند برای بشر به جا گذاشت و در درک کنونی ما از عالم بسیار موثر بود. اکنون باید منتظر ماموریت‌ها و تلسکوپ‌هایی باشیم که در آینده باز هم ما را شگفت‌زده خواهند کرد.

عکس کاور: طرحی گرافیکی از تلسکوپ فضایی اسپیتزر.

Credit: NASA/JPL-Caltech