چطور ناسا فشار نور خورشید را برای احیاء تلسکوپ کپلر به خدمت گرفت

«آیا ما در این دنیا تنها هستیم؟»

این سوال بزرگیست که تلاش های زیادی برای پاسخ به آن صورت گرفته. از گسیل امواج رادیویی به بعضی سامانه های ستاره ای تا فرستادن اصواتی به خارج از منظومه شمسی که با چندین زبان زنده مختلف با بیگانه های احتمالی خوش و بش می کنند. اما در چند سال گذشته، ناسا با تلسکوپ فضایی کپلر مستقیما به شکار سیاره ها رفته تا گام قاطع تری برای پاسخ دادن به این سوال برداشته باشد.

تا سال ۲۰۰۹ که کپلر شروع به کار کرد، ما دقیقا نمی دانستیم که چند سیاره در همسایگی خود داریم. از آن زمان تا کنون کپلر با کاوش در فاصله ی ۳۰۰۰ سال نوری در اطراف ما، بیش از ۴۰۰۰ جرم فضایی را کاندیدای سیاره بودن کرده که از این تعداد، ۱۰۰۰ عدد از آن ها به شهادت تلسکوپ های دیگر هم رسیده اند.

کپلر تلسکوپی است که با دست آورد های خود چشم های بسیاری از علاقه مندان به نجوم را به خود دوخته. در سال ۲۰۱۲، جایروسکوپ این تلسکوپ با مشکل مواجه شد؛ در نتیجه دیگر نمی توانست با دقت مناسب به رصد بپردازد.

در این زمان کپلر در فاصله ۴۵ میلیون مایل از زمین قرار داشت. جایی که اجازه تعمیرات سخت افزاری را به دانشمندان نمی داد. در این مطلب می بینیم که چگونه دانشمندان با راهی ظریف و خلاقانه، تلسکوپ گران قیمتشان را از سرگردانی در فضا نجات دادند.

در ادامه با دیجیاتو همراه باشید.

با کمک کپلر، ناسا توانست به این کشف برسد که تعداد منظومه های خورشیدی اطراف ما، بیش از آن چیزی است که دانشمندان تصور می کرده اند. بسیاری از «سیاره های احتمالی» که به رصد کپلر رسیده اند، اطراف ستاره هایی دوران می کنند که ویژگی هایی شبیه به خورشید دارند. حتی تعدادی از آن ها در محدوده «گلدیاک» قرار دارند. به عبارتی، فاصله شان از ستاره و در نتیجه دمای شان، به گونه ای است که امکان تشکیل آب در آنها وجود دارد و بعلاوه می توانند آب را به صورت مایع نگهداری کنند.

کپلر داشت نگرش ما را درباره موقعیتمان در کهکشان تغییر میداد.

در طول سه سال، کپلر در محدوده ای به وسعت صد هزار ستاره به کاوش می پرداخت. بعضی از این ستاره ها در فاصله ای به نزدیکی ۶۰۰ سال نوری و بعضی دیگر در فاصله سه هزار سال نوری از ما قرار داشتند. کشف ۴۰۰۰ سیاره احتمالی، آن هم در این محدوده به نسبت نزدیک، داشت نگرش ما را درباره موقعیتمان در کهکشان تغییر میداد.

همه چیز طبق روال پیش می رفت تا این که در جولای سال ۲۰۱۲، یکی از چهار حلقه واکنشی جایروسکوپ تلسکوپ از کار افتاد. جایروسکوپ برای تلسکوپ نقش حیاتی دارد و مشکلات مربوط به آن باعث اختلال در تنظیم زاویه بهینه برای هدف گیری اجرام فضایی می شود. اما کپلر می توانست با سه حلقه باقی مانده هم به هدف گیری دقیق ادامه دهد و حتی به گفته مغز متفکر پروژه، دکتر استیو هاوول، با از کار افتادن حلقه چهارم، هدف گیری کپلر به میزان بسیار بسیار کمی بهتر هم شده بود.

با این که از دست رفتن حلقه واکنشی چهارم جایروسکوپ، به خودی خود مشکل محسوب نمی شد؛ اما تیم کپلر، با تحقیقات بیشتر به این نتیجه رسید که این نقص باعث افزایش اصطکاک و استحلاک سایر حلقه های جایروسکوپ شده است. خبر بدتر آن که حلقه دوم هم داشت نشانه هایی از خرابی حلقه چهارم را نشان می داد. پس کپلر در آستانه مواجهه با یک خرابی دیگر هم قرار داشت.

تیم پروژه می دانست که مشکل می تواند کل ماموریت تلسکوپ را با تهدید مواجه کند. هاوول می گوید: از وقتی که اولین حلقه از کار افتاد، نگرانی از دست دادن یکی دیگر از حلقه ها در ذهن ما لنگر انداخته بود. دوست نداشتیم یک تلسکوپ خوب و گران قیمت که می تواند علم ناب تولید کند را از دست بدهیم.

به نظر می رسید که در مورد خرابی حلقه دوم، سوخت و سوزی در کار نیست. پس تیم پروژه، به دانشمندان و مهندسان برای همکاری در پیدا کردن راه حلی برای مشکل، فراخوان داد. اما قبل از این که راه حلی پیدا شود، حلقه دوم در ماه می ۲۰۱۳ از کار افتاد. آن هم در حالی که کپلر ۴۵ میلیون مایل از زمین دور بود. جایی که امکان هیچ نوع تعمیری را به دانشمندان نمی داد.

تیم چهل نفری کپلر توانسته بود در همین مدت هم اهداف اصلی ماموریت را برآورده کند. پس سه ماه بعد از این جریان، اعلام شد که تلاش های تیم برای بازیابی تلسکوپ به زودی خاتمه خواهد یافت. اما در پشت صحنه، تک تک افراد داشتند روی پیدا کردن ایده ای برای زنده نگهداشتن ماموریت کار می کردند. سر انجام، نیاز مادر اختراع نابغه واری شد: «بیایید به جای حلقه ی از کار افتاده، از فشار نور خورشید استفاده کنیم!»

در فضا، حتی یک نیروی بسیار ضعیف هم می تواند جسمی به بزرگی تلسکوپ را جا به جا کند. نکته این است که زمانی که نور به جسمی برخورد می کند به آن فشار وارد می کند. فشاری که در زمین می شود آن را به سادگی نادیده گرفت.

اما وقتی مسیٔله، برنامه ریزی برای حرکت در جاذبه صفر باشد، این فشار باید محاسبه شده و در معادلات در نظر گرفته شود.جایروسکوپ در تلسکوپ قرار داده شده بود تا بتواند با ایجاد عکس العمل مناسب در برابر تمام نیرو های ضعیف و قوی، تلسکوپ را به طور دقیقی پایدار نگه دارد. حال که از سه حلقه مورد نیاز، فقط دو حلقه باقی مانده بودند؛ این کار برای جایروسکوپ غیر ممکن شده بود. ایده تیم این بود که از فشاری که نور خورشید به پنل های خورشیدی تلسکوپ وارد می کند، برای پایدار کردن کپلر استفاده کنند.

برای استفاده از این روش، لازم است که در هر محدوده از مدار، زاویه نسبت به نور خورشید به گونه ای تعیین شود که تلسکوپ در وضعیت پایدار باقی بماند (به تصویر زیر توجه کنید). پس تلسکوپ دیگر قادر نخواهد بود که آزادانه به دنبال سوژه ها بچرخد. اتکا به فشار نور خورشید آن آزادی سابق را از کپلر میگیرد؛ اما حداقل نیروی کافی برای ادامه حیات را به این تلسکوپ می دهد.

اگر باز هم یک حلقه دیگر ازجایروسکوپ از کار بیافتد؟ در آن صورت احتمالا کپلر، در فضا سرگردان رها خواهد شد. هاوول می گوید: «نمی توانم بگویم در این صورت هرگز به راه حلی خواهیم رسید. اما می دانید که ممکن است برسیم! ما آدم های خلاقی هستیم.»

با در دست داشتن این راه حل دل انگیز، تیم کپلر روی مشخص کردن جزیٔیات انجام این ماموریت جدید که «دوبله K2» نام گرفت؛ تمرکز کرد. تا ماه نوامبر ۲۰۱۳، سه ماه بعد از اعلام خاتمه کار روی کپلر، تیم نقشه خود را برای انجام ماموریت جدید آماده کرده بود. از همان اول ۲۰۱۴، تیم شروع به اعمال آزمایشی مهندسی جدید روی ماموریت K2 کرد تا ناسا را قانع کند که راه حل پیدا شده عملی است. این برنامه در دوره ای نه روزه انجام شد. در همین دوره K2 توانست اولین سیاره فرا خورشیدی خود را کشف کند. بنابراین تنها سد باقی مانده برای احیا کپلر، موافقت با پروژه جدید در بررسی های سطح با لای (Senior Review) بخش فیزیک نجومی ناسا بود.

هر دو سال یک بار، دانشمندانی که روی پروژه هایی مانند کپلر کار می کنند؛ پیشنهادات خود را درباره گسترش یا ادامه ماموریت های شان به کمیته بررسی مربوطه در بخش فیزیک نجومی ناسا ارسال می کنند. در بررسی هایی که کمیته انجام می دهد، درباره آینده این ماموریت ها، افزایش یا کاهش بودجه و یا حتی لغو کامل آن ها تصمیم گرفته می شود.

در اوایل ۲۰۱۴، کمیته بررسی با گسترش ماموریت کپلر به K2 موافقت کرد. در ماه می، یک سال بعد از آن خرابی دردسر ساز حلقه دوم، ناسا با در نظر گرفتن توصیه های کمیته بررسی درباره خوشبینی نسبت به آینده این ماموریت، رسما با توسعه آن موافقت کرد.

با احیاء کپلر و با توجه به تغییراتی که روی آن انجام شده، تیم دیگر نمی تواند از متد قبلی برای گشت زدن در فضا و پیدا کردن سیاره های شبیه به زمین استفاده کند. اما از آن جا که مقیاس ماموریت کپلر تنها به این کار محدود نمی شود، تیم با آغوش باز از تغییرات استقبال می کند.

این بار، تیم کپلر تصمیم گرفته که روی هدف های مشخص تری تمرکز کند. ماموریت جدید به بررسی ستاره هایی می پردازد که بسیار جوانتر از خورشید هستند. از بررسی ستاره هایی که از خورشید ۴.۵ میلیارد ساله ی ما پیر تر هستند خود داری می شود تا نوبت به آن هایی برسد که فقط ۱۰۰ میلیون سال عمر دارند. تیم می خواهد بداند چه نوع سیاره هایی در اطراف این ستاره ها دوران می کنند. به امید آن که مشاهدات بتوانند ما را بیشتر درباره زمان و چگونگی تشکیل سیارات آگاه کنند. آن ها همچنین تفاوت های بین کهکشان ها را بررسی خواهند کرد و سعی می کنند بیشتر درباره ستاره هایی که منفجر شده و ابرنواختر ها را تشکیل می دهند؛ بدانند.

K2 چشم به بخش هایی از منظومه خودمان هم خواهد دوخت. مخصوصا اجرامی مثل کمربند کویپر (کمربندی از اجرام دنباله دار در ورای مدار نپتون) که می توانند سوژه هایی برای مطالعه ستاره های دنباله دار و سایر اجرامی که در مدار های دور از خورشید می چرخند؛ در اختیار بگذارند. این مطالعات می توانند شواهدی درباره شکل گیری اولیه منظومه ما در اختیار بگذارند. این یکی دیگر از مشاهداتی است که با کپلر اولیه انجام نمی شد. این مشاهدات می توانند درباره منشاء پیدایش آب در زمین اطلاعاتی به ما بدهند.

هر چند هاوول در مورد این که بررسی سیاره ها هنوز هم در برنامه کپلر قرار دارد؛ قاطع است. او می گوید: «K2 گستره علمی فوق العاده ای برای بررسی دارد. اما هنوز هم به کار روی کشف سیاره ها ادامه خواهد داد.» K2 به امید پیدا کردن سیاره های بیشتر، به کاوش در منظومه ها خواهد پرداخت. اما در مسافتی نزدیک تر. شاید فقط در فاصله ۱۰۰ سال نوری.

تیمِ کپلر، سیاره هایی که در این فاصله پیدا می شوند را «با ارزش» خطاب می کند. این کار جا را برای استفاده از تلسکوپ های دیگر هم باز می کند. آن ها می توانند در مورد سیاره های کاندید و ساختار آن ها مطالعات و اندازه گیری های دقیق تری انجام دهند. همچنین به جای این که فقط روی پیدا کردن سیاره های فرا منظورمه ای تمرکز شود، داده های K2 در نهایت به ما کمک خواهند کرد که ویژگی های آن ها را بدانیم و حتی روزی بتوانیم عکسی از آن ها تهیه کنیم. این چیزی است که دانشمندان امیدوارند از تلسکوپ فضایی جیمز وب - که در ۲۰۱۸ جانشین هابل خواهد شد - ببینند.

هنوز یک چالش بزرگ در راه است

ماموریت K2، یک چالش اجتناب ناپذیر دارد. چیزی که باعث متوقف کردن بسیاری از ماموریت های قبل از آن نیز شده است: سوخت. هاوول می گوید: «سوای هر سخت افزار دیگری که ممکن است خراب شود، سوخت عمر K2 را محدود خواهد کرد.» مهندسان برای دوران کپلر و قرار دادن آن در زاویه مناسب نسبت به خورشید و پایدار کردن آن، به نیروی سوخت نیاز دارند. همچنین تیم هر زمان که بخواهد داده ها را از کپلر بارگذاری کند یا برنامه جدیدی به آن بدهد؛ باید تلسکوپ را به گونه ای جهت دهی کند که آنتن آن رو به زمین قرار بگیرد. این کار هم نیاز به مصرف سوخت دارد.

سوخت کپلر با لاخره تمام خواهد شد؛ اما خبر خوب این است که مقدار سوخت باقی مانده آنقدر هست که بتواند کپلر را تا سه سال دیگر سر پا نگهدارد. علاوه بر این، دو حلقه واکنشی باقی مانده از جایروسکوپ کپلر، هیچ نشانه ای از مشکلاتی که باعث از دست رفتن دو حلقه دیگر شد را نشان نمی دهند. پس اگر مشکلی هم ایجاد شود؛ کپلر می تواند تا Senior Review آینده که در ۲۰۱۶ انجام خواهد شد؛ دوام آورد تا پیشنهادات لازم برای حل مشکلات احتمالی به تصویب کمیته بررسی برسند.

تا آن زمان، تیم کپلر در بازه های هشتاد روزه، با مطالعه یک سری از ستاره های هدف، به شکار سیاره های جدید خواهد پرداخت. هاوول امیدوار است که تا تمام شدن سوخت، کپلر بتواند مشاهدات ارزشمندی انجام دهد. او می گوید از اکتشافاتی که این ماموریت ممکن کرده در حیرت خواهید ماند: «کپلر قطعا یکی از وقایعی است که تاریخ را عوض می کند. در منطقه کاوش کپلر تعداد خارق العاده ای سیاره وجود دارد. اما این منطقه فقط یک نمونه کوچک از آن چیزی است که در کهکشان می گذرد و یک نمونه بسیار بسیار کوچک از جهان است.»

با احیاء کپلر و پس از وقفه ای حدودا یک ساله، این تلسکوپ باز هم به رسم تصویر خیره کننده جهان نجوم ادامه خواهد داد. تصاویری که وجود خود را مدیون خلاقیت مهندسانی هستند که برای نجات کپلر از ظریف ترین نکات، بهینه ترین استفاده را کردند.