سیارات فراخورشیدی و سیاهچاله‌ها اولویت پژوهشی ستاره‌شناسان در دهه‌ی آینده‌اند
آکادمی‌های ملی علوم، مهندسی و پزشکی آمریکا طرح یک «پیمایش دهه‌ای» (Decadal Survey) را منتشر کرده‌اند که در آن اولویت‌های علمی و پیشنهادهای مالی برای ۱۰ سال آینده‌ی تحقیقات نجوم و اخترفیزیک ارائه شده است و بدین ترتیب اکنون از آنچه تلاش‌های دهه‌ی آینده می‌تواند در نجوم و اخترفیزیک به ارمغان بیاورد،طرحی تقریبی داریم.
این سند که «مسیرهای کشف در اخترشناسی و اخترفیزیک برای دهه‌ی ۲۰۲۰» (Pathways to Discovery in Astronomy and Astrophysics for the 2020s) نام دارد، سه موضوع اصلی را که رشته‌های علمی باید روی آن تمرکز کنند معرفی می‌کند؛ کشف و مطالعه‌ی سیارات فراخورشیدی قابل سکونت، کشف سیاهچاله‌ها و ستارگان نوترونی به‌عنوان پنجره‌هایی به کیهان اولیه و درک بهتر منشأ و چگونگی تکامل کهکشان‌ها. این سند همچنین بر اهمیت تبدیل نجوم به حوزه‌ای فراگیرتر و متنوع‌تر تأکید می‌کند.
«فیونا هریسون» (Fiona Harrison) رییس کمیته‌ی راهبردی آکادمی‌های ملی برای این برنامه‌ی پیمایش دهه‌ای گفت: «این گزارش یک چشم‌انداز بلندپروازانه، الهام‌بخش و امیدوارانه برای دهه‌ی آینده در حوزه‌ی نجوم و اخترفیزیک ارائه می‌دهد.»
او که ریاست بخش فیزیک، ریاضیات و نجوم را در مؤسسه‌ی فناوری کالیفرنیا بر عهده دارد، افزود: «با تغییر برنامه‌ریزی ما در زمینه‌ی جاه‌طلبانه‌ترین پروژه‌های فضایی استراتژیک، می‌توانیم مجموعه‌ی گسترده‌ای از مأموریت‌ها را برای دنبال کردن اهداف رویایی مانند جست‌وجوی حیات در سیاراتی که به دور ستارگان در همسایگی کهکشانی ما می‌چرخند، توسعه دهیم و در عین حال غنای اخترفیزیک قرن ۲۱ را از طریق ناوگان رصدی در همه‌ی طول موج‌ها افزایش دهیم.»
سندی تأثیرگذار
آکادمی‌های ملی در حقیقت برنامه‌های پویش دهه‌ای را برای رشته‌های گوناگون ازجمله علوم سیاره‌ای و علوم زمین آماده می‌کنند. همان‌طور که از نام آن پیداست، این برنامه‌ریزی‌ها هر ۱۰ سال یا بیشتر ارائه می‌شوند. آخرین برنامه‌ریزی دهه‌ای نجوم و اخترفیزیک که «جهان‌های تازه، افق‌های تازه در نجوم و اخترفیزیک» (New Worlds, New Horizons in Astronomy and Astrophysics) نام داشت، در سال ۲۰۱۰ منتشر شد و گزارش فعلی هم که انتظار می‌رفت در ژانویه‌ی ۲۰۲۱ منتشر شود، به دلیل همه‌گیری کرونا و تعطیلی بخش‌های زیادی از دولت به تأخیر افتاده بود.
بر روی این سندهای راهبردی فعالیت‌های زیادی توسط پژوهشگران برجسته در زمینه‌هایی که آن‌ها را پوشش می‌دهند، انجام می‌شود. برای نمونه برنامه‌ی کاوش جدید ۶۱۴ صفحه دارد و برنامه‌های پیشنهادی را به تفصیل بیان کرده است.
نمایندگان آکادمی ملی خاطرنشان کردند: «مسیرهای اکتشاف در حوزه‌ی نجوم و اخترفیزیک در دهه‌ی ۲۰۲۰ از طریق صدها مقاله‌ی راهنما، نشست‌ها و توصیه‌های ۱۳ کمیته‌ی فرعی در طی چندین سال برای ارائه‌ی توصیه‌های جامعه‌ی نجومی استخراج شده است.»
کاوش‌های دهه‌ای بسیار تأثیرگذارند و سازمان‌های دولتی مانند ناسا و بنیاد ملی علوم (NSF) برای تصمیم‌گیری در مورد نحوه‌ی تخصیص بودجه و سایر منابع به آن‌ها متکی هستند. برای نمونه برنامه‌ریزی دهه‌ای نجوم و اخترفیزیک در سال ۲۰۰۱ تلسکوپ فضایی نسل بعدی را به‌عنوان مأموریتی با بالاترین اولویت برای توسعه طی ۱۰ سال تشخیص داد. این رصدخانه‌ی پیشگام اکنون با نام تلسکوپ فضایی «جیمز وب» (James Webb) شناخته می‌شود و پرتاب آن از گویان فرانسه برای ۱۸ دسامبر (۲۷ آذر) برنامه‌ریزی شده است.
در سال ۲۰۱۰ «جهان‌های تازه، افق‌های تازه» تلسکوپ نقشه‌برداری میدان باز فروسرخ (WFIRST) و تلسکوپ نقشه‌برداری سینوپتیک بزرگ (LSST) را به‌عنوان پروژه‌های مهم معرفی کرد و هر دو، هرچند با چالش، اکنون مراحل توسعه‌ی خود را می‌گذرانند.
WFIRST که اکنون با نام تلسکوپ فضایی «نانسی گریس رومن» (Nancy Grace Roman) شناخته می‌شود، قرار است حداکثر تا می ۲۰۲۷ پرتاب شود و رصدخانه‌ی LSST زمینی که اکنون رصدخانه‌ی «ورا روبین» (Vera C. Rubin) نام گرفته است، طبق برنامه‌ریزی چشمان خود را در سال ۲۰۲۲ یا ۲۰۲۳ باز خواهد کرد.
طرحی گرافیکی از تلسکوپ نانسی گریس رومن
Credit: NASA
سه حوزه‌ی تمرکز جدید و برنامه‌ی رصدخانه‌های بزرگ
برنامه‌ریزی جدید پیمایش دهه‌ای نجوم و اخترفیزیک، سه حوزه‌ی اولویت‌دار را که باید در دهه‌ی آینده مورد توجه و سرمایه‌گذاری ویژه قرار بگیرند، شناسایی می‌کند.
یکی از این حوزه‌ها با نام «مسیرهایی به جهان‌های قابل سکونت» (Pathways to Habitable Worlds) برنامه‌ای است که برای کمک به کشف و شناسایی سیارات فراخورشیدی مشابه زمین طراحی شده است و هدف نهایی آن ثبت عکس‌هایی از چنین جهان‌هایی و تشخیص ساختار جوی آن‌ها را دنبال می‌کند.
دومین موضوع «پنجره‌های جدید در جهان پویا» (New Windows on the Dynamic Universe) تلاش گسترده‌ای را برای مطالعه‌ی سیاهچاله‌ها و ستاره‌های نوترونی با ابزارهای متنوع روی زمین و فضا، ازجمله ابزارهایی که امواج گرانشی را تشخیص می‌دهند، توصیف می‌کند. به گفته‌ی نویسندگان این برنامه‌ریزی، دستیابی به درک بهتر از این اجرام عجیب‌وغریب و ابرچگال می‌تواند اطلاعات زیادی از کیهان اولیه روشن کند.
سومین حوزه‌ی تمرکز «پرده‌برداری از محرک‌های رشد کهکشان» (Unveiling the Drivers of Galaxy Growth) نام گرفته و هدف ایجاد انقلابی در درک دانشمندان از شکل‌گیری و تکامل کهکشان‌ها است تا اطلاعاتی از ماهیت شبکه‌های گاز کیهانی ضعیفی که آن‌ها را تغذیه می‌کند گرفته تا ماهیت چگونگی متراکم شدن این گاز و شکل‌گیری ستارگان به‌دست بیاید.
برای کمک به دستیابی به این اهداف و دیگر اهداف بلندپروازانه، این پیمایش دهه‌ای، دنبال کردن مأموریت رصدخانه‌های بزرگ و برنامه‌ی بلوغ فناوری را پیشنهاد می‌کند. این برنامه در جهت فراخوان برنامه‌ی رصدخانه‌های بزرگ ناسا است که چهار تلسکوپ فضایی قدرتمند از جمله تلسکوپ نمادین هابل را از سال ۱۹۹۰ تا ۲۰۰۳ به فضا پرتاب کرد.
بر اساس پیمایش دهه‌ای جدید نجوم و اخترفیزیک، تلاش رصدخانه‌های بزرگ جدید، با نگاه به این برنامه و با بررسی‌ها و اصلاحات دوره‌ای در طول مسیر، سرمایه‌گذاری‌های اولیه‌ی قابل توجهی را برای پیشرفت و بلوغ هم‌زمان مفاهیم و فناوری‌های مأموریتی فراهم می‌کند.
این برنامه‌ریزی همچنین توصیه می‌کند که نخستین مأموریت این برنامه باید یک تلسکوپ فضایی فروسرخ/نوری/فرابنفش (IR/O/UV) با آینه‌ی اصلی حدود ۶ متر باشد. این اندازه تقریبا ۲٫۵ برابر عریض‌تر از آینه‌های هابل و تقریبا به اندازه‌ی آینه‌ی تلسکوپ وب است که برای مشاهده‌ی کیهان در نور فروسرخ بهینه شده است.
این تلسکوپ فضایی پیش‌بینی شده می‌تواند به دنبال امضاهای زیستی در جو حدود ۲۵ سیاره‌ی فراخورشیدی بالقوه قابل سکونت بگردد و برای پرتاب در اوایل دهه‌ی ۲۰۴۰ میلادی آماده شود. اگر همه چیز خوب پیش برود، مأموریت آن می‌تواند حدود ۱۱ میلیارد دلار، تقریبا به اندازه‌ی تلسکوپ ۱۰ میلیارد دلاری جیمز وب هزینه داشته باشد.
اهداف این تلسکوپ پیشنهادی IR/O/UV به‌طور کلی شبیه به اهداف دو مأموریت مفهومی است که ناسا یعنی «نقشه‌بردار فرابنفش نوری فروسرخ بزرگ» (LUVOIR) و «رصدخانه‌ی سیاره‌ی فراخورشیدی سکونت‌پذیر» (HabEx) است که از سال ۲۰۱۶ در حال توسعه هستند.
دو نوع بالقوه از LUVOIR وجود دارد که به‌ترتیب آینه‌های اولیه‌ی ۱۵ متر و ۸ متر عرض دارند. آینه‌ی اصلی «هبکس» (HabEx) هم ۴ متر عرض خواهد داشت. طبق این سند، تلسکوپ فضایی IR/O/UV توصیه شده، حد میانی این گزینه‌هاست که نسبت به هبکس توانایی بیشتری دارد و می‌تواند سریع‌تر و مقرون‌به‌صرفه‌تر از هر نسخه‌ی LUVOIR توسعه یابد.
در صورتی که چشم‌انداز ارائه شده در دهه‌ی جدید محقق شود، رصدخانه‌های بزرگ دیگر در ادامه‌ی تلسکوپ فضایی IR/O/UV جدید و نسبتا سریع توسعه خواهند یافت. طبق پیشنهاد برنامه‌ی پیمایش دهه‌ای، باید پنج سال پس از آغاز کار بر روی نخستین برنامه، بلوغ مأموریت و فناوری دو برنامه‌ی استراتژیک فروسرخ-دور و پرتو ایکس به‌طور هم‌زمان آغاز شود که هر دو هزینه‌های اجرایی در حدود ۳ تا ۵ میلیارد دلار دارتد.
این پیمایش ده ساله همچنین سرمایه‌گذاری‌های کلیدی در تلسکوپ‌های عظیم زمینی را توصیه می‌کند. به ویژه برای «تلسکوپ غول‌پیکر ماژلان» (Giant Magellan Telescope) که هم‌اکنون در رشته کوه‌های آند شیلی در حالی ساخت است و تلسکوپ ۳۰ متری که قرار است در هاوایی ساخته شود اما با مخالفت‌هایی در دولت روبه‌رو شده است.
این برنامه بیان می‌کند که «چنین سرمایه‌گذاری‌هایی در حالت ایدئال به‌عنوان بخش‌هایی از برنامه‌ی هماهنگ تلسکوپ بسیار بزرگ آمریکا (ELT)انجام خواهد شد. این رصدخانه‌ها فرصت‌های گسترده‌ای برای پیشرفت علمی در دهه‌های آینده و پس از آن ایجاد خواهند کرد و تقریبا به هر پرسش مهم علمی در هر سه حوزه‌ی علمی اولویت‌دار پاسخ خواهند داد.»
فراگیرتر کردن نجوم و اخترفیزیک
پیمایش دهه‌ای ۲۰۲۰ همچنین تأکید می‌کند که برای حمایت از امکانات پژوهشی، محققان دانشگاهی و فعالیت‌های مهمی مانند آرشیو داده‌ها به سرمایه‌گذاری بیشتری نیاز است.
هم نجوم و هم اخترفیزیک هم‌اکنون رشته‌های مردانه هستند و گروه‌های کمتری از دیگر بخش‌های جامعه در آن حضور دارند. وضعیتی که گزارش جدید می‌خواهد به تغییر آن کمک کند. در این پیمایش دهه‌ای آمده است: «باید بودجه برای حمایت از اساتید مختلف در برنامه‌های نجوم و اخترفیزیک دانشگاه افزایش یابد.»
از جمله گام‌های دیگر در این گزارش آن است که به ناسا، بنیاد ملی علوم (NSF) و وزارت انرژی آمریکا (DOE) توصیه می‌کند که «سیاست‌های خود را به گونه‌ای تنظیم کنند که آزار و اذیت و تبعیض را به‌عنوان شکل‌هایی از سوء رفتار علمی درنظر بگیرند و بر روی تنوع نیروی کار در سطوح مختلف سرمایه‌گذاری کنند.»
این گزارش می‌افزاید: «تنوع تیم‌ها و مشارکت‌کنندگان پروژه‌ها باید به‌عنوان یک معیار در هنگام اعطای بودجه‌های پژوهشی درنظر گرفته شود و ناسا و بنیاد ملی علوم باید کمک‌هزینه‌ای را برای دوره‌های کارآموزی و فوق دکترا اختصاص دهند تا تنوع و گستردگی مشارکت‌کنندگان را در پروژه‌های علمی توسعه دهند.»
عکس کاور: طرحی گرافیکی از یک سیاره‌ی فراخورشیدی به دور یک سیاهچاله
Credit: Mark Garlick/Science Photo Library
منبع: Space
