ناسا 69 ساله شد: مروری بر دستاوردهای ناسا در علم اخترفیزیک و کیهانشناسی

تولد ناسا مبارک! ادارهٔ کل ملی هوانوردی و فضا ایالات متحده (ناسا) امروز 69 ساله شد. به همین مناسب در این مقاله نگاهی به اکتشافات آن در زمینه اخترفیزیک و کیهانشناسی می‌اندازیم.

ناسا تاکنون فعالیت‌های گسترده و چشمگیری در زمینه علوم هوافضا انجام داده که سبب تغییر دید ما نسبت به عالم شده است. برخلاف باور عموم، ناسا تنها به بررسی مسائل فضایی نمی‌پردازد، بلکه فعالیت‌هایی در راستای زمین‌شناسی و جو آن نیز دارد. با این‌حال، در میان بازه گسترده‌ای از فعالیت‌های ناسا، در این مقاله نگاهی به اکتشافات آن در زمینه علم اخترفیزیک و کیهانشناسی می‌کنیم.

ناسا، یک پیشگام!

تماشای آسمان پرستاره شب همواره برای ما جذاب بوده است. از دیرباز تاکنون افراد زیادی در تلاش بودند تا با کاوش در آسمان به سوالات متعدد ذهن بشر پاسخ دهند. علم نجوم دقیقا از همینجا سرچشمه گرفت. منجمان در قرون گذشته با اکتشافات خود پرده از اسرار بسیاری برداشته‌اند. اما آسمان بدون حد و مرز همواره جایی برای تلاش بیشتر در درک آن برای ما باقی می‌گذارد. با پیشرفت تکنولوژی شاهد ظهور تلسکوپ‌های زمینی و سپس تلسکوپ‌های فضایی در سال‌های اخیر بودیم.

ناسا که امروز تولد آن را جشن می‌گیریم، یکی از پیشگامان ساخت ماهواره‌ها و تلسکوپ‌های فضایی است تا به ما در درک کیهان کمک کند.

اطراف ما مملو از تابش کیهانی است!

حدود 58 سال پیش (فروردین ماه 1343) دو ستاره‌شناس آمریکایی با نام‌های «رابرت ویلسون» و «آرنو پنزیاس» صدای وزوز عجیبی در آنتن آزمایشگاه خود در نیوجرسی ایالات متحده شنیدند که به هیچ‌وجه قادر به برطرف کردن آن نبودند. آن‌ها تمام منابع احتمالی این وزوز را از کار انداختند و حتی لانه کبوترهای در مسیر آنتن را نیز جابجا کردند. با این‌حال، صدای وزوز از هر نقطه و در هر راستایی از آسمان باز هم به گوش می‌رسید.

ویلسون و پنزیاس پس از مدتی تلاش برای درک منبع صدا دریافتند آنچه کشف کرده‌اند، فراتر از یک صدای معمولی است زیرا منبعی کیهانی دارد. آن‌ها موفق به کشف تابش پس‌زمینه ریزموج کیهانی یا «Cosmic Microwave Background» - به اختصار CMB - شدند.

تابش پس‌زمینه ریزموج کیهانی نوری است که سیصد و هشتاد هزار سال پس از بیگ‌بنگ در عالم پراکنده شد - زمانی که فوتون از قید الکترون رها شد و فوتون توانست آزادانه در کیهان حرکت کند.

این نور را در حقیقت می‌توان پژواک حرارتی تولید شده در زمان بیگ‌بنگ دانست. CMB به‌طور قابل توجهی یکنواخت و یکدست است و اطلاعات ارزشمندی از دوران اولیه کیهان در اختیار ما قرار می‌دهد. اما چطور می‌توان از CMB داده جمع‌آوری کرد؟

ناسا وارد می‌شود: کاوشگر پس‌زمینه کیهانی (COBE)

کشف CMB جایزه نوبل فیزیک سال 1356 را برای کاشفان آن به همراه داشت. اهمیت CMB در زمینه حمل داده‌های مرتبط با عالم اولیه سبب شد تا ناسا در کشف بیشتر آن به کمک کاوشگرها یا ماهواره‌های مختلف بکوشد. کاوشگر پس‌زمینه کیهانی یا «Cosmic Background Explorer» که به اختصار «COBE» نامیده می‌شود را می‌توان اولین تلاش ناسا در این زمینه دانست.

هدف از ماموریت COBE اندازه‌گیری دقیق تابش کیهانی بود. این کاوشگر در سال 1368 به فضا پرتاب شد و دارای سه ابزار بود: طیف‌سنج فروسرخ دور (FIRAS) برای مقایسه تابش پس‌زمینه ریزموج کیهانی با یک جسم سیاه، یک رادیومتر ریزموج (DMR) برای ترسیم دقیق نقشه CMB و یک آزمایشگر پس‌زمینه مادون قرمز (DIRBE) برای جستجوی تابش پس‌زمینه مادون قرمز کیهانی.

COBE به کمک این ابزار موفق شد تا درک ما از عالم اولیه را متحول کند. این کاوشگر به‌طور دقیق تابش پس‌زمینه ریزموج کیهانی را اندازه‌گیری و سپس ازآن نقشه‌برداری کرد. خطای این کاوشگر بسیار کم بود و همین دقت بالا سبب شد تا نظریه بیگ‌بنگ به محتمل‌ترین نظریه در توصیف تولد عالم تبدیل شود.

تلسکوپ فضایی هابل

تلسکوپ فضایی هابل که حدود سی سال پیش (1370) به فضا پرتاب شد، به افتخار «ادوین هابل» کاشف انبساط شتابدار عالم به این نام خوانده شد. هابل - با آینه 2.4 متری - را می‌توان به نوعی نخستین ابزار فضایی دانست که برای رصد عالم طراحی شده بود.

این تلسکوپ فضایی در طول موج‌های مرئی، فرابنفش و مادون قرمز نزدیک به رصد کیهان می‌پردازد و با آنکه بسیار پیر شده است، اما هنوز داده‌های ارزشمندی را جمع‌آوری می‌کند.

تلسکوپ هابل توانست عمر کیهان را با دقت بالایی حدس بزند - 13.8 میلیارد سال. همچنین این تلسکوپ موفق به اثبات انبساط شتابدار کیهان و وجود سیاهچاله‌های ابرجرم در مرکز هر کهکشان شد.

WMAP ادامه‌دهنده راه COBE!

کاوشگر بعدی که ناسا به فضا فرستاد، «کاوشگر ناهمسانگردی ریزموج ویلکینسون» یا «Wilkinson Microwave Anisotropy Probe» - به اختصار «WMAP» نام داشت. در حقیقت WMAP ادامه‌دهنده راه COBE بود.

این کاوشگر که در سال 1379 کار خود را در فضا آغاز کرد، به‌طرز فوق‌العاده‌ای موفق بود و به تولد مدل استاندارد کیهانشناسی کمک شایانی کرد. این کاوشگر با وضوح 33 برابری نسبت به COBE، در حقیقت برای تعیین هندسه، محتوا و تکامل جهان از طریق نقشه‌برداری با وضوح بالا از CMB طراحی شده بود.

WMAP موفق شد الگوی نوسانات ناچیز - اما بسیار مهم - موجود در CMB را ترسیم کند. دقت آن در ترسیم نقشه کلی CMB نیز نسبت به COBE افزایش یافته بود. WMAP همچنین با داده‌هایی که جمع‌آوری کرده بود، عمر کیهان را 13.77 میلیارد سال تخمین زد و با اندازه‌گیری انحنای بخش فضایی عالم، تخت بودن آن با تقریب بسیار خوبی را به اثبات رساند.

این کاوشگر درنهایت اثبات کرد اتم‌های معمولی (ماده باریونی) تنها 4.6% و انرژی تاریک به شکل یک ثابت کیهانی 71.4% از عالم را تشکیل داده‌اند.

حالا با افزایش دانسته‌های بشر از کیهان، بر تعداد سوالات بی‌پاسخ نیز افزوده می‌شود. پس نیاز به پیشرفت کاوشگرها و تلسکوپ‌هایی است که کیهان را با دقت بیشتری بررسی می‌کنند. اما نباید از سیارات اطراف زمین و آنچه در کهکشان‌های نزدیک می‌گذرد، بی‌خبر بمانیم.

تلسکوپ فضایی اسپیتزر ناسا

تلسکوپ فضایی اسپیتزر یا «Spitzer Space Telescope» که سابقا با نام «Space Infrared Telescope Facility» - به اختصار (SIRTF) - نیز شناخته می‌شد، تلسکوپ فضایی مادون قرمز بود که در سال 1381 به فضا پرتاب شد.

برخلاف موارد قبلی که می‌توان آن‌ها را تلسکوپ‌های علم کیهانشناسی دانست، اسپیتزر تلسکوپی بود که کیهان را در مقیاس‌های کوچکتر مورد بررسی قرار می‌داد. این تلسکوپ در 16 سال فعالیت خود، دستاوردهای بسیاری با خود به همراه داشت.

اسپیتزر موفق شد وجود یک حلقه غول پیکر در اطراف زحل را کشف کند. همچنین این تلسکوپ وجود منظومه‌ای مملو از هفت سیاره به اندازه زمین را در اطراف ستاره‌ای در فاصله 40 سال نوری از ما را به اثبات رساند. از دیگر فعالیت‌های اسپیتزر می‌توان به مطالعه دورترین کهکشان‌های شناخته شده اشاره کرد.

این تلسکوپ مجهز به یک دوربین آرایه مادون قرمز (IRAC)، یک طیف‌نگار مادون قرمز (IRS) و یک فوتومتر تصویربرداری چند باندی (MIPS) بود.

فضاپیمای کپلر

حالا که در مقیاس‌های اخترفیزیکی به کاوش عالم می‌پردازیم، اشاره‌ای به فضاپیمای کپلر (Kepler) داشته باشیم که یک تلسکوپ فضایی ساخت ناسا است که با هدف کشف سیارات فراخورشیدی به فضا پرتاب شد. این فضاپیما که در سال 1387 به فضا پرتاب شد، درخشندگی بیش از صد هزار ستاره با اندازه مشابه زمین را در حدود 3.5 سال اندازه گرفت.

اخترشناسان امیدوار هستند به کمک داده‌هایی که این فضاپیمای هزار کیلوگرمی ثبت می‌کند، بتوانند سیاره قابل سکونت پیدا کنند.

ابَرتلسکوپ فضایی جیمز وب ناسا

تلسکوپ فضایی جیمز وب که در دی ماه 1400 به فضا پرتاب شد، اخیرا سروصدای زیادی به پا کرده است. این تلسکوپ در بازه فروسرخ میانی به رصد کیهانی می‌پردازد و ناسا بیش از دو دهه زمان صرف کرد تا آن را بسازد.

این تلسکوپ با آینه 6.5 متری و ابزار پیشرفته خود قادر خواهد بود دورترین و کم‌نورترین اجرام در کیهان را رصد کند و به نوعی نقش یک ماشین زمان را برای ما داشته باشد.

جیمز وب در همین مدت کوتاه فعالیت خود بشر را حیرت‌زده کرده است. به عنوان مثال، این تلسکوپ موفق به رصد دورترین کهکشانی‌ شده است که تاکنون دیده‌ایم.

تصاویر تمام رنگی منتشر شده از داده‌های این تلسکوپ نیز حیرت‌آور هستند. جیمز وب علاوه بر مطالعه اجرام دور به مطالعه سیارات فراخورشیدی نیز خواهد پرداخت.

دیگر تلسکوپ‌ها

لازم به ذکر است هم‌اکنون ماهواره‌ها یا تلسکوپ‌های دیگری نیز در دست ساخت هستند تا به تکامل درک انسان از کیهان کمک کنند. به عنوان مثال، تلسکوپ «اقلیدس» یا «Euclid» که همکاری میان ناسا و سازمان فضایی اروپا یا «ESA» است، در سال 2023 به فضا پرتاب خواهد شد تا ماده تاریک و انرژی تاریک - دو نادانسته اساسی بشر- را مطالعه کند.

همچنین ماهواره‌ها و تلسکوپ‌های فضایی دیگری نیز به فضا پرتاب شده‌اند که در این میان می‌توان به ماهواره «پلانک» یا «Planck» و ماهواره «WFIRST» اشاره کرد. پلانک متعلق به سازمان فضایی اروپا است. این تلسکوپ هم‌اکنون داده‌های ارزشمندی را به زمین مخابره می‌کند. از سوی دیگر، WFIRST یا «تلسکوپ فضایی رومی نانسی گریس» یک تلسکوپ فضایی متعلق به ناسا است که درحال توسعه است و تا می 2027 به فضا پرتاب می‌شود.

این تلسکوپ یک آینه 2.4 متری دارد و در طول موج مرئی و فروسرخ نزدیک به رصد کیهان می‌پردازد. می‌توان گفت WFIRST در مقایسه با هابل دیدی 100 برابر بزرگتر دارد. جستجوی سیارات فراخورشیدی با استفاده از اثر لنز گرانشی از مهمترین اهداف این تلسکوپ فضایی است.

هرچند در این مقاله تنها به مرور مهمترین تلسکوپ‌ها و کاوشگرها پرداختیم، اما بر کسی پوشیده نیست که تلاش‌های ناسا در 69 سال گذشته چطور سبب افزایش علم ما از عالم شده است.