الفلك

هل تستطيع التلسكوبات الأرضية استخدام ظل النجوم في الفضاء؟

هل تستطيع التلسكوبات الأرضية استخدام ظل النجوم في الفضاء؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

1) هل يمكن استخدام ظل النجوم في المدار بواسطة التلسكوبات الأرضية؟ إذا كان الأمر كذلك ، فما نوع المدار الذي يجب أن يكون عليه؟

2) هل يمكن استخدام نفس الظل النجمي بواسطة مقرابين فضائيين مختلفين ، أم أن تحديد الموقع يجعله غير عملي؟


إذا كان ظل النجوم سيبقى في مكانه فوق التلسكوب الأرضي ، فيجب أن يكون في مدار متزامن مع الأرض ، مما يضعه على بعد 36000 كيلومتر تقريبًا من سطح الأرض. لتغطية مسافة زاوية تبلغ 1 ثانية قوسية (1/3600 درجة) ، سيكون حجمها حوالي 10 كيلومترات. بالتأكيد ليس مستحيلًا ، لكنه غير عملي من الناحية التكنولوجية في الوقت الحالي. وأيضًا ، فإن ظل النجوم سيظلل منطقة صغيرة فقط من السماء ، لذلك لن يكون مفيدًا من مواقع المراقبة الأخرى.

أما بالنسبة للمقاريب الفضائية التي تستخدم ظل النجوم في مدار متزامن مع الأرض ؛ سيكون ذلك مستحيلًا ، على الأقل بالنسبة للنطاقات التي تدور حول الأرض ، مثل هابل. ظل النجوم يدور حول الأرض على مسافة مختلفة ، وبالتالي السرعة ، عن التلسكوبات. بقدر ما أستطيع أن أرى ، سيكون من شبه المستحيل إبقائهم مترابطين لأكثر من بضع دقائق. ومع ذلك ، لم أقم بأي معالجة للأرقام في هذا الشأن.


التلسكوبات الأرضية

غروب القمر خلف التلسكوب الكبير جدًا في تشيلي
الائتمان: G.Gillet / ESO

تُعرف معظم التلسكوبات التي يستخدمها علماء الفلك بالتلسكوبات الأرضية ، وهذا يعني أنها موجودة هنا على الأرض في بعض من أفضل مواقع المراقبة في العالم.

من الواضح أنه من الأسهل أن يكون لديك تلسكوب هنا على الأرض حيث يمكن زيارته بشكل متكرر أكثر وأسهل بكثير لإصلاحه إذا ساءت الأمور ، كما أنه أرخص بكثير في البناء. ومع ذلك ، هناك جوانب سفلية أيضًا. عندما يتم وضع التلسكوب على الأرض ، يجب أن ينظر من خلال الغلاف الجوي للأرض ليرى الفضاء ، ويمكن للغلاف الجوي أن يطمس صورنا.

يحجب الغلاف الجوي أيضًا الضوء من أجزاء معينة من الطيف الكهرومغناطيسي ، وهذا يعني أنه لا يمكننا رؤية هذا الضوء من الأرض وبدلاً من ذلك نحتاج إلى وضع تلسكوب في الفضاء للحصول على هذه المعلومات.

تسمى الفجوات الموجودة في غلافنا الجوي حيث يستطيع الضوء الوصول إلى الأرض نوافذ الغلاف الجوي ويمكن رؤيتها أدناه حيث العتامة، أو مقدار الضوء الذي يُسمح بمروره هو 0٪ (شفاف للضوء) ، أو رقم منخفض (شبه شفاف للضوء). عندما تكون العتامة 100٪ لا يمكن أن يمر الضوء من هذا الطول الموجي ، أو يكون معتمًا لهذا الضوء.

عتامة الغلاف الجوي للأرض على ضوء أطوال موجية مختلفة.
الائتمان: ناسا

قوة الزهرة: النموذج الأولي لبتلة الظل النجمي لوكالة ناسا

كان علماء الفلك يكتشفون الكواكب الخارجية بشكل غير مباشر منذ أكثر من 15 عامًا ، ولكن في الواقع ، ثبت أن التقاط صورة لأحدها كان مهمة صعبة للغاية. إن انتقاء الضوء الخافت لكوكب ما من نجم أكثر سطوعًا بمليارات المرات يشبه العثور على إبرة في كومة قش كونية ، خاصةً عندما يكون الكوكب المعني عالمًا صخريًا صغيرًا مشابهًا للأرض. من أجل تحقيق هذا العمل الفذ ، يقوم الباحثون بتطوير تقنيات لحجب ضوء النجوم مع الحفاظ على الضوء المنبعث من الكوكب. وهذا ما يسمى بقمع ضوء النجوم.

إنها مهمة صممتها ناسا ورسكووس على شكل زهرة لجعلها أسهل. من خلال العمل جنبًا إلى جنب مع التلسكوب الفضائي ، فإن ظل النجوم قادر على وضع نفسه بدقة بين التلسكوب والنجم الذي يتم رصده ، ويمكنه حجب ضوء النجوم قبل أن يصل حتى إلى مرايا التلسكوب و rsquos ..

مع كبت ضوء النجوم ، سيكون الضوء القادم من الكواكب الخارجية التي تدور حول النجم مرئيًا. باستخدام هذه التقنية ، سيتمكن علماء الفلك من التقاط صور حقيقية للكواكب الخارجية وصور ndash التي يمكن أن توفر أدلة حول ما إذا كانت هذه العوالم يمكن أن تدعم الحياة كما نعرفها.

تعتبر البتلات على شكل زهرة جزءًا مما يجعل ظل النجوم فعالاً للغاية. & ldquo إن شكل البتلات ، عند رؤيته من بعيد ، يخلق حافة أكثر نعومة تسبب انحناءًا أقل لموجات الضوء ، وقال الدكتور ستيوارت شاكلان ، مهندس مختبر الدفع النفاث ورسكووس في مشروع ستار ستار. & ldquo يعني الانحناء الخفيف للضوء أن ظل الظل النجمي داكن جدًا ، لذلك يمكن للتلسكوب التقاط صور للكواكب دون أن يطغى عليه ضوء النجوم. & rdquo

الظل النجمي فريد أيضًا من حيث أنه ، على عكس معظم الأدوات الفضائية ، هو جزء من نظام مراقبة مكون من مركبتين فضائيتين. & ldquo يمكننا استخدام تلسكوب فضائي موجود مسبقًا لالتقاط الصور ، & rdquo يوضح شاكلان. & ldquo الظل النجمي لديه دافعات تسمح له بالتحرك من أجل حجب الضوء من النجوم المختلفة. & rdquo

تقدم هذه العملية عددًا من التحديات الهندسية التي يعمل شاكلان وفريقه بجد لحلها ، بدءًا من وضع الظل النجمي في الفضاء بدقة ، إلى ضمان إمكانية نشره بدقة. & ldquo تتمثل مهمتنا الحالية في اكتشاف كيفية فتح ظل النجوم في الفضاء بحيث تنتهي كل البتلات في المكان الصحيح ، بدقة ملليمتر ، & rdquo قال البروفيسور جيريمي كاسدين ، باحث في جامعة برينستون وهو الباحث الرئيسي في مشروع ستار ستار. ستنشئ مجموعة Kasdin & rsquos مظلة نجمية أصغر حجمًا في برينستون للتحقق من أن التصميم يحجب الضوء كما تنبأت به عمليات المحاكاة الحاسوبية. في الوقت نفسه ، سيختبر فريق مختبر الدفع النفاث نشر نظام ظل نجم شبه كامل في المختبر لقياس دقته.

على الرغم من هذه التحديات ، يمكن أن يوفر نهج ظل النجوم لصائدي الكواكب العديد من المزايا. & ldquo واحدة من نقاط القوة في ظل النجوم هي البساطة ، وقال قاصدين. & ldquo الضوء القادم من النجم لا يصل إلى التلسكوب أبدًا لأنه يمنعه من الظل النجمي ، مما يسمح لنظام التلسكوب أن يكون أبسط. & rdquo ومن المزايا الأخرى لنهج ظل النجوم أنه يمكن استخدامه مع تلسكوب فضائي متعدد الأغراض مصمم لعمل ملاحظات يمكنها تكون مفيدة لعلماء الفلك العاملين في مجالات أخرى غير الكواكب الخارجية.

يتفاؤل مهندسو ناسا و rsquos starhade بأن تحسين تقنيتهم ​​يمكن أن يكون مفتاح اكتشافات الكواكب الخارجية الرئيسية في المستقبل. & ldquoA ستسمح لنا مهمة starshade بتصوير الكواكب الخارجية الصخرية بحجم الأرض ، وهو شيء يمكننا القيام به من الأرض ، كما يقول Kasdin. & ldquo و rsquoll يمكننا أن نظهر للناس صورة نقطة ونوضح أن ذلك & rsquos أرض أخرى. & rdquo


Starshade سيأخذ التشكيل يطير إلى أقصى الحدود

للبحث عن الكواكب الخارجية ، يجب أن يظل الظل الشبيه بالزهور متماشيا مع تلسكوب فضائي على مسافات شاسعة. يوضح العمل الأخير كيف يمكن ذلك.

يمكن لأي شخص & # x27s من أي وقت مضى أن يرى طائرة تشارك في الطيران التشكيلي يمكن أن يقدر الإنجاز المتمثل في البقاء متزامنًا للغاية أثناء الطيران. في العمل الذي ترعاه وكالة ناسا وبرنامج استكشاف الكواكب الخارجية (ExEP) ، يقوم المهندسون في مختبر الدفع النفاث في باسادينا ، كاليفورنيا ، بنقل التشكيلات إلى مستوى جديد.

يمثل عملهم معلمًا مهمًا ضمن برنامج أكبر لاختبار جدوى تقنية تسمى ستار شادي. على الرغم من أن ظلال النجوم لم تطير في الفضاء مطلقًا ، إلا أنها تمتلك القدرة على تمكين عمليات الرصد الرائدة للكواكب خارج نظامنا الشمسي ، بما في ذلك صور الكواكب الصغيرة مثل الأرض.

يوضح مفهوم الفنان هذا & # x27s للظل النجمي كيف يمكن للتكنولوجيا أن تمنع ضوء النجوم وتكشف عن وجود الكواكب. يُظهر الفيديو أيضًا فتح نموذج ظل نجمي بناه مختبر الدفع النفاث التابع لناسا و # x27s ، في منشأة Astro Aerospace / Northroup Grumman في سانتا باربرا في عام 2013. Credit: NASA / JPL-Caltech

ستشمل مهمة ظل النجوم المستقبلية مركبتين فضائيتين. قد يكون أحدها تلسكوبًا فضائيًا للبحث عن كواكب تدور حول نجوم خارج نظامنا الشمسي. ستطير المركبة الفضائية الأخرى على بعد 25000 ميل (40000 كيلومتر) أمامها ، وتحمل غطاءًا كبيرًا مسطحًا. سوف ينفتح الظل مثل الزهرة المتفتحة - كاملة مع & quotpetals & quot - ويمنع الضوء من النجم ، مما يسمح للتلسكوب بالحصول على لمحة أوضح عن أي كواكب تدور في المدار. لكنها لن تنجح إلا إذا بقيت المركبتان ، على الرغم من المسافة الكبيرة بينهما ، على مسافة 3 أقدام (1 متر) من بعضهما البعض. بعد ذلك ، سيتسرب ضوء النجوم حول ظل النجوم إلى عرض التلسكوب & # x27s ويطغى على الكواكب الخارجية الباهتة.

قال مهندس مختبر الدفع النفاث مايكل بوتوم إن المسافات التي نتحدث عنها لتكنولوجيا ظل النجوم يصعب تخيلها نوعًا ما. & quot إذا تم تقليص الظل النجمي إلى حجم كوستر مشروب ، فسيكون التلسكوب بحجم ممحاة قلم الرصاص وسيتم فصلهما بحوالي 60 ميلاً [100 كيلومتر]. تخيل الآن أن هذين الجسمين يتحركان بحرية في الفضاء. كلاهما يختبران هذه القاطرات والدفعات الصغيرة من الجاذبية والقوى الأخرى ، وعلى هذه المسافة نحاول أن نبقيهما محاذيين بدقة في حدود 2 مم. & quot

وجد الباحثون الآلاف من الكواكب الخارجية دون استخدام ظل النجوم ، ولكن في معظم الحالات اكتشف العلماء هذه العوالم بشكل غير مباشر. طريقة العبور ، على سبيل المثال ، تكتشف وجود كوكب أثناء مروره أمام نجمه الأم وتسبب انخفاضًا مؤقتًا في سطوع النجم. فقط في حالات قليلة نسبيًا ، التقط العلماء صورًا مباشرة للكواكب الخارجية.

يُعد حجب ضوء النجوم أمرًا أساسيًا لإجراء المزيد من التصوير المباشر ، وفي النهاية ، لإجراء دراسات متعمقة للأغلفة الجوية للكواكب أو العثور على تلميحات حول السمات السطحية للعوالم الصخرية. مثل هذه الدراسات لديها القدرة على الكشف عن علامات الحياة خارج الأرض لأول مرة.

تم اقتراح فكرة استخدام ظل النجوم الفضائي لدراسة الكواكب الخارجية في الستينيات ، قبل أربعة عقود من اكتشاف الكواكب الخارجية الأولى. وعلى الرغم من أن القدرة على توجيه مركبة فضائية واحدة بثبات إلى جسم بعيد ليست جديدة أيضًا ، فإن الحفاظ على مركبتين فضائيتين متوازيتين مع بعضهما البعض نحو كائن في الخلفية يمثل نوعًا مختلفًا من التحدي.

تم تكليف الباحثين الذين يعملون على ExEP & # x27s Starshade Technology Development ، والمعروفة باسم S5 ، من قبل ناسا بتطوير تقنية ظل النجوم لمهام التلسكوب الفضائي المحتملة في المستقبل. يعالج فريق S5 ثلاث فجوات تكنولوجية يجب سدها قبل أن تكون مهمة ستار شادي جاهزة للذهاب إلى الفضاء.

يسد العمل الذي قام به بوتوم وزميله مهندس مختبر الدفع النفاث ثيبولت فلينويز إحدى تلك الثغرات من خلال التأكيد على أن المهندسين يمكنهم بشكل واقعي إنتاج مهمة ستار ستار التي تفي بهذه المتطلبات الصارمة والاستشعار والتحكم والاقتباس. تم وصف نتائجهم في تقرير S5 Milestone 4 المتاح على موقع ExEP الإلكتروني.

ستعتمد تفاصيل مهمة نجمية معينة - بما في ذلك المسافة الدقيقة بين المركبتين الفضائيتين وحجم الظل - على حجم التلسكوب. نظر تقرير S5 Milestone 4 بشكل أساسي في نطاق فصل يتراوح بين 12500 و 25000 ميل (20000 إلى 40.000 كيلومتر) ، بقطر 85 قدمًا (26 مترًا). ستعمل هذه المعلمات في مهمة بحجم تلسكوب مسح الأشعة تحت الحمراء واسع النطاق (WFIRST) التابع لناسا و # x27s ، وهو تلسكوب به مرآة أساسية قطرها 2.4 متر من المقرر إطلاقها في منتصف عام 2020.

ستحمل WFIRST تقنية مختلفة لحجب ضوء النجوم ، تسمى كوروناجراف ، والتي تقع داخل التلسكوب وتوفر نقاط قوتها الفريدة في دراسة الكواكب الخارجية. سيكون هذا العرض التقديمي أول فقرة نجمية عالية التباين تنتقل إلى الفضاء ، مما يتيح لـ WFIRST تصوير الكواكب الخارجية العملاقة المشابهة لنبتون والمشتري مباشرة.

تعمل تقنيات ستار شادي وكوناجراف بشكل منفصل ، لكن بوتوم اختبر تقنية يمكن بواسطتها WFIRST اكتشاف متى انحرف ظل نجم افتراضي بعيدًا عن المحاذاة. سوف تنحني كمية صغيرة من ضوء النجوم حتمًا حول الظل النجمي وتشكل نمطًا خفيفًا ومظلمًا على مقدمة التلسكوب. سوف يرى التلسكوب النمط باستخدام كاميرا تلميذ ، والتي يمكنها تصوير مقدمة التلسكوب من الداخل - على غرار تصوير الزجاج الأمامي من داخل السيارة.

نظرت تحقيقات ظل النجوم السابقة في هذا النهج ، لكن الجزء السفلي جعله حقيقة واقعة من خلال بناء برنامج كمبيوتر يمكنه التعرف على وقت تركيز نمط الضوء والظلام على التلسكوب ومتى انحرف عن المركز. وجد Bottom أن هذه التقنية تعمل بشكل جيد للغاية كطريقة لاكتشاف حركة ظل النجوم & # x27s.

& quot ؛ يمكننا أن نشعر بتغير في موضع الظل النجمي حتى بوصة واحدة ، حتى على هذه المسافات الشاسعة ، & quot؛ قال بوتوم.

لكن اكتشاف عندما يكون الظل النجمي خارج المحاذاة هو اقتراح مختلف تمامًا عن إبقائه مترابطًا في الواقع. تحقيقا لهذه الغاية ، طور Flinois وزملاؤه مجموعة من الخوارزميات التي تستخدم المعلومات التي يوفرها برنامج Bottom & # x27s لتحديد متى يجب أن تطلق دفاعات الظل النجمية لدفعها إلى موضعها مرة أخرى. تم إنشاء الخوارزميات للحفاظ على ظل النجوم بشكل مستقل متماشياً مع التلسكوب لعدة أيام في كل مرة.

بالاقتران مع عمل Bottom & # x27s ، يوضح هذا أن الحفاظ على محاذاة المركبتين الفضائيتين أمر ممكن باستخدام المستشعرات الآلية وأدوات التحكم في الدفع. في الواقع ، يوضح العمل الذي قام به بوتوم وفلينوي أن المهندسين يمكنهم بشكل معقول تلبية متطلبات المحاذاة لظلال نجمية أكبر (بالاقتران مع تلسكوب أكبر) ، على بعد 46000 ميل (74000 كيلومتر) من التلسكوب.

"مع وجود مثل هذه المجموعة الكبيرة بشكل غير عادي من المقاييس قيد التشغيل هنا ، قد يكون من غير المنطقي جدًا أن يكون هذا ممكنًا للوهلة الأولى ،" قال فلينوي.

لم تتم الموافقة على مشروع ستار ستار للطيران بعد ، ولكن من المحتمل أن ينضم المرء إلى WFIRST في الفضاء في أواخر عام 2020. إن تلبية متطلبات الطيران التشكيلي هي مجرد خطوة واحدة نحو إثبات أن المشروع ممكن.

"هذا بالنسبة لي هو مثال رائع على كيف تصبح تكنولوجيا الفضاء أكثر استثنائية من أي وقت مضى من خلال البناء على نجاحاتها السابقة ،" قال فيل ويليمز ، مدير ناسا & # x27s Starshade Technology Development Activity. & quot نحن نستخدم تشكيلات الطيران في الفضاء في كل مرة ترسو كبسولة في محطة الفضاء الدولية. لكن مايكل و Thibault قد تجاوزا ذلك بكثير ، وأظهروا طريقة للحفاظ على التكوين على مقاييس أكبر من الأرض نفسها. & quot


محتويات

تنقسم المراصد الفلكية بشكل أساسي إلى أربع فئات: المراصد الفضائية ، والمحمولة جواً ، والمراصد الأرضية ، والمراصد الأرضية.

المراصد الأرضية Edit

تستخدم المراصد الأرضية ، الموجودة على سطح الأرض ، لإجراء عمليات رصد في أجزاء الراديو والضوء المرئي من الطيف الكهرومغناطيسي. توجد معظم التلسكوبات الضوئية داخل قبة أو هيكل مشابه لحماية الأدوات الدقيقة من العناصر. تحتوي قباب التلسكوب على شق أو فتحة أخرى في السقف يمكن فتحها أثناء المراقبة وإغلاقها عندما لا يكون التلسكوب قيد الاستخدام. في معظم الحالات ، يمكن تدوير الجزء العلوي بأكمله من قبة التلسكوب للسماح للجهاز بمراقبة أقسام مختلفة من سماء الليل. عادة لا تحتوي التلسكوبات الراديوية على قباب.

بالنسبة للتلسكوبات البصرية ، تقع معظم المراصد الأرضية بعيدًا عن المراكز السكانية الرئيسية ، لتجنب آثار التلوث الضوئي. المواقع المثالية للمراصد الحديثة هي المواقع ذات السماء المظلمة ، ونسبة كبيرة من الليالي الصافية كل عام ، والهواء الجاف ، والمرتفعات العالية. في الارتفاعات العالية ، يكون الغلاف الجوي للأرض أرق ، مما يقلل من تأثيرات الاضطرابات الجوية ويؤدي إلى "رؤية" فلكية أفضل. [2] المواقع التي تفي بالمعايير المذكورة أعلاه للمراصد الحديثة تشمل جنوب غرب الولايات المتحدة وهاواي وجزر الكناري وجبال الأنديز والجبال العالية في المكسيك مثل سييرا نيجرا. [3] تشمل المراصد البصرية الرئيسية مرصد ماونا كيا ومرصد قمة كيت الوطني في الولايات المتحدة ، ومرصد روك دي لوس موتشاشوس في إسبانيا ، ومرصد بارانال ومرصد سيرو تولولو للبلدان الأمريكية في تشيلي.

أظهرت دراسة بحثية محددة أجريت في عام 2009 أن أفضل موقع ممكن للمرصد الأرضي على الأرض هو ريدج أ - مكان في الجزء المركزي من شرق أنتاركتيكا. [4] يوفر هذا الموقع أقل الاضطرابات الجوية وأفضل رؤية.

المراصد الراديوية تحرير

ابتداءً من ثلاثينيات القرن الماضي ، تم بناء التلسكوبات الراديوية لاستخدامها في مجال علم الفلك الراديوي لمراقبة الكون في الجزء الراديوي من الطيف الكهرومغناطيسي. تسمى هذه الأداة ، أو مجموعة الأدوات ، مع المرافق الداعمة مثل مراكز التحكم ، وإسكان الزوار ، ومراكز تقليل البيانات ، و / أو مرافق الصيانة المراصد الراديوية. تقع المراصد الراديوية بشكل مشابه بعيدًا عن المراكز السكانية الرئيسية لتجنب التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) من الراديو والتلفزيون والرادار والأجهزة الأخرى التي تنبعث منها EMI ، ولكن على عكس المراصد الضوئية ، يمكن وضع المراصد الراديوية في الوديان لمزيد من الحماية من EMI. تشمل بعض المراصد الراديوية الرئيسية في العالم مصفوفة كبيرة جدًا في نيو مكسيكو ، الولايات المتحدة ، بنك جودريل في المملكة المتحدة ، أريسيبو في بورتوريكو ، باركس في نيو ساوث ويلز ، أستراليا ، وشاجنانتور في تشيلي.

أعلى المراصد الفلكية تحرير

منذ منتصف القرن العشرين ، تم إنشاء عدد من المراصد الفلكية على ارتفاعات عالية جدًا ، فوق 4000-5000 متر (13000-16000 قدم). أكبرها وأبرزها هو مرصد مونا كيا ، الذي يقع بالقرب من قمة بركان 4205 م (13،796 قدمًا) في هاواي. مرصد تشاكالتايا للفيزياء الفلكية في بوليفيا ، على ارتفاع 5230 مترًا (17.160 قدمًا) ، كان أعلى مرصد فلكي دائم في العالم [5] منذ إنشائه خلال الأربعينيات حتى عام 2009. وقد تجاوزه الآن مرصد أتاكاما التابع لجامعة طوكيو الجديد ، [6] تلسكوب ضوئي يعمل بالأشعة تحت الحمراء على قمة جبل بعيدة 5640 م (18500 قدم) في صحراء أتاكاما في تشيلي.


استنتاج

يسمح تطوير هذه الخوارزمية الفعالة بتقديرات أكثر دقة للاكتمال باستخدام ظل النجوم. إنه قادر على حساب تقدير الاكتمال لمجموعة محددة من المعلمات الفيزيائية الفلكية. تكمن أهميتها في أنه لأول مرة ، استخدمنا صورًا محاكاة بدلاً من القيم المتوسطة للمتغيرات. من خلال عكس عملية عالم الفلك ، تولد الخوارزمية الخاصة بنا تقديرًا أكثر واقعية للاكتمال. مع التحسينات ، قد تكون هذه الخوارزمية مفيدة جدًا لتخطيط مهمة ظل النجوم المستقبلية في JPL ، لحساب احتمالية مهمة ناجحة.


رؤية المستقبل بعلوم التصوير: ملخصات فريق البحث متعدد التخصصات (2011)

ملخص التحدي

العالم الذي نعيش فيه هو الكوكب الوحيد الذي نعرفه ويؤوي الحياة. هل كوكبنا فريد من نوعه؟ لم نعثر على حياة على المريخ بعد ، على الرغم من الأدلة الوافرة على وجود الماء ، ولم نعثر على دليل على وجود حياة في أي مكان آخر في نظامنا الشمسي. الاحتمال المحير هو أن الحياة قد تكون موجودة حتى الآن تحت جليد أقمار كوكب المشتري ولا يوجد دليل على ذلك. هل توجد حياة في مكان آخر من الكون؟ إذا تمكنا من تصوير أنظمة كوكبية حول النجوم المجاورة ، بالإضافة إلى تحديد سمات الأسطح والأغلفة الجوية للكواكب المكونة ، فسنكون على بعد خطوة واحدة من الإجابة على هذا السؤال.

حتى الآن ، تم اكتشاف أكثر من 400 كوكب حول نجوم أخرى من خلال مجموعة من تقنيات السرعة الشعاعية وتجارب العبور والعدسة الدقيقة. تم العثور أيضًا على أطياف منخفضة الدقة لعدد من الكواكب باستخدام تلسكوب هابل الفضائي ، وتلسكوب سبيتزر الفضائي ، وعدد قليل من المراصد الأرضية في هذه الحالات ، كانت الكواكب أجسامًا مختلفة عن أي شيء في نظامنا الشمسي ، كونها كوكب المشتري في الغالب. مثل الكواكب في مدارات شبيهة بعطارد. تم أيضًا جمع صور للعديد من أنظمة الكواكب من الأرض والفضاء ، وقد أظهرت هذه الكواكب في مدارات أوسع بكثير حتى من حدود نظامنا الشمسي ومع مرافق كوكبية ذات حجم كبير ، 3 و ndash20 ضعف كتلة المشتري ورسكووس.

أنظمة الكواكب مثل تلك الخاصة بنا حول النجوم الأخرى أصغر من أن يتم تصويرها بواسطة التلسكوبات التقليدية. إذا أردنا البحث حول أقرب 150 نجمًا ، فسنحتاج إلى تلسكوب بدقة زاوية أفضل

20 mas سيسمح لنا هذا بتمييز كائنات مثل الأرض والزهرة في نظائرها في النظام الشمسي على مسافة 15 قطعة من الأرض. يحد جونا المضطرب من التلسكوبات الأرضية بدقة لا تزيد عن 50 mas و mdasheven مع أفضل البصريات التكيفية المتاحة. علاوة على ذلك ، فإن تلسكوب هابل الفضائي ، بمرآته البالغة 2.4 متر ، لديه أيضًا قوة حل لا تزيد عن 50 ماس. هناك حاجة إلى تلسكوبات فضائية متقدمة جديدة لتصوير أنظمة كوكبية مماثلة لأنظمتنا.

بعيدًا عن قيود الدقة الزاوية ، يتمثل التحدي الأكثر صعوبة في أن الكواكب خافتة للغاية مقارنة بالنجوم التي تدور حولها. سيكون الكوكب الشبيه بالأرض أخف بحوالي 10 مليارات مرة من نجم شبيه بالشمس عند رؤيته بأطوال موجية بصرية ، وإن كان أكثر سطوعًا إلى حد ما عند الأطوال الموجية للأشعة تحت الحمراء و mdashthen فقط بعامل 10 مليون خافت. لهذا السبب ، يمكن لضوء النجوم المنتشر داخل التلسكوب ، الناجم عن ما يمكن أن يكون عيوبًا لا تذكر في أسطح المرآة ، أن يطغى تمامًا على الضوء من كوكب. يجب أن تكون التلسكوبات كبيرة الحجم بشكل كبير مقارنةً بدقة الانعراج المحدودة المطلوبة بحيث يمكن رؤية الكواكب وراء وهج ضوء النجوم المتناثر. هناك حاجة إلى تلسكوبات فضائية بقطر 8 أمتار أو أكثر للبحث عن الكواكب الأرضية حول أقرب دزينة أو نحو ذلك من النجوم.

يعد بناء تلسكوب فضائي ضوئي بطول 8 أمتار تحديًا تقنيًا وهندسيًا هائلاً. أكبر التلسكوبات على الأرض أكبر بقليل من التلسكوبات التوأم 10 أمتار من مرصد دبليو إم كيك. أكبر تلسكوب يمكن وضعه بسهولة داخل مركبة الإطلاق أصغر بكثير: يبلغ قطره حوالي 3.5 متر فقط. لذلك هناك حاجة إلى مناهج مبتكرة لتصميم التلسكوبات والتغليف. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن يحتوي التلسكوب على بصريات قادرة على قمع ضوء النجوم بمعامل يتراوح من 10 إلى 10 مليار و mdash وهو ما يزال خارج أحدث التقنيات. على الرغم من أن هذا النهج ممكن بالتأكيد مع الاستثمار الكافي ، إلا أنه سيوفر صورًا لعدد قليل من أنظمة الكواكب القريبة. كما تم دراسة مناهج مبتكرة أخرى.

قد يكون الأسلوب الأكثر بساطة هو استخدام ظل النجوم لحجب ضوء النجوم حتى قبل أن يدخل التلسكوب ، والحصول على حجم ومسافة مناسبين بحيث يمكن رؤية ضوء الكوكب حتى الآن. يجب أن يبلغ قطر الظل النجمي عدة أمتار 10 & rsquos ويقع على بعد 10000 كيلومتر من التلسكوب. قد يخفف هذا النهج بشكل كبير من المتطلبات الهندسية للتلسكوب نفسه ، ولكنه في نفس الوقت يقدم تحديات لوجستية أخرى. كما أنه لن يزيد بشكل كبير من عدد أنظمة الكواكب التي يمكن تصويرها.

يمكن التغلب على قيود الاستبانة الزاوية لتلسكوب واحد إذا تم استخدام تلسكوبات متعددة في وقت واحد كمقياس تداخل في مصفوفة توليفية. يوفر هذا زيادة في الدقة تتناسب مع فصل التلسكوب والتلسكوب ، وليس فقط قطر التلسكوب. منذ أواخر الخمسينيات من القرن الماضي ، استخدم علماء الفلك الراديوي صفائف من التلسكوبات الراديوية للتصوير التوليفي ، مدركين أنه لن يكون من الممكن أبدًا بناء تلسكوبات قابلة للتوجيه أكبر من حوالي 100 متر (مثل المرصد الوطني لعلم الفلك الراديوي و rsquos Green Bank Telescope في فرجينيا الغربية) ، ولا تلسكوبات ثابتة أكبر من

300 متر (المثال المتطرف هو تلسكوب كورنيل ورسكووس أريسيبو في بورتوريكو). يعد الجمع بين الإشارات من التلسكوبات المنفصلة أمرًا مباشرًا نسبيًا عند أطوال موجات الراديو والمليمتر ، لأن أجهزة الاستقبال الراديوية ذات الاستقرار المناسب للطور ومراجع الطور متاحة بسهولة. في الأطوال الموجية الضوئية والأشعة تحت الحمراء ، تكون المشكلة أكثر صعوبة بشكل ملحوظ ، بسبب متطلبات الاستقرار المتزايدة عند هذه الأطوال الموجية الأقصر. ومع ذلك ، يبدو أن هذا النهج هو طريق واعد طويل الأجل لتصوير أنظمة كوكبية أخرى وإيجاد الحياة في عوالم أخرى.

تعد مصفوفة التلسكوبات الضوئية أو بالأشعة تحت الحمراء في الفضاء مشكلة تقنية وهندسية هائلة. ومع ذلك ، فإن كبت ضوء النجوم المطلوب لعامل 10 ملايين (في الأشعة تحت الحمراء) قد تم إثباته في المختبر. هناك حاجة إلى فواصل تلسكوبية تصل إلى 400 متر لمسح أقرب 150 نجمًا أو نحو ذلك. أكبر المصفوفات الأرضية ، مثل جامعة ولاية جورجيا ومركز رسكووس للدقة الزاويّة العالية (CHARA) في ماونت ويلسون ، كاليفورنيا ، لها فواصل تلسكوب تصل إلى 300 متر. ومع ذلك ، فإن الاضطرابات الجوية تحد من حساسيتها للأشياء الأكثر سطوعًا من 10 و ndash14th. مصفوفة التلسكوب الفضائي ، فوق الغلاف الجوي ، سيكون لها حساسية محدودة بشكل أساسي بمنطقة التجميع لكل تلسكوب ، ولكن لن تكون هناك منصة واحدة كبيرة بما يكفي لتثبيتها عليها. ستحتاج التلسكوبات إلى العمل بشكل تعاوني كمصفوفة طيران: كان هذا لسنوات عديدة التصميم الأساسي لمهمة NASA & rsquos Terrestrial Planet Finder (TPF). على الرغم من أن التجارب في الفضاء أظهرت الالتقاء والالتحام لمركبة فضائية منفصلة ، إلا أنه لم يتم نقل أي مجموعة توليفية بعد. لا توجد سابقة لمهمة مثل TPF.

الأسئلة الرئيسية

ما هي الطرق والأساليب المبتكرة الجديدة التي قد تكون موجودة من التخصصات الأخرى التي يمكن أن تقلل التكلفة وتزيد من علم مهمة تصوير الكواكب؟


لوفير

إحدى المهمات المرشحة ، تسمى مساح الأشعة فوق البنفسجية البصري بالأشعة تحت الحمراء (LUVOIR) ، هي في الأساس نسخة معززة من تلسكوب هابل الفضائي. مثل هابل ، ستراقب هذه الأداة الكون في الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء والأطوال الموجية المرئية من الضوء.

ومع ذلك ، بقطر يبلغ حوالي 50 قدمًا (15 مترًا) ، ستكون مرآة LUVOIR أكبر بست مرات من تلك الموجودة في هابل. هذا يعني أن LUVOIR سترى الكون بستة أضعاف دقة هابل. ومع قدرة التلسكوب الأقدم على جمع الضوء 40 مرة ، ستشاهد LUVOIR أجسامًا أكثر خفوتًا وأصغرًا وأبعد.

توصلت وكالة ناسا إلى خيارين مختلفين لتصميم LUVOIR. سيتم بناء الإصدار الأكبر ، LUVOIR-A (الموصوف أعلاه) ، ليتم إطلاقه على نظام الإطلاق الفضائي القادم (SLS) التابع لناسا. قال جيسون توملينسون ، الباحث في معهد علوم تلسكوب الفضاء (STSci) خلال عرض تقديمي في AAS يوم الثلاثاء (8 يناير) ، إن LUVOIR-A هي "أكبر ما يمكن أن نلائمه على SLS".

يجب إطلاق SLS ، الذي يتجاوز الميزانية ويتأخر عن الجدول الزمني ، في رحلته الأولى في وقت ما في عام 2020. قال توملينسون: "إذا لم تقم ناسا ببناء هذا الصاروخ ، فسنستخدم الإصدار الأصغر" من LUVOIR - LUVOIR-B . سيكون لهذا النموذج مرآة بقطر 26 قدمًا (8 م) ، وسيستلزم الحجم الأصغر دقة أقل قليلاً من LUVOIR-A.

تم تصميم LUVOIR لمعالجة مجموعة متنوعة من المشاريع البحثية الفلكية ، مثل البحث عن الكواكب الخارجية الصالحة للسكن ودراسة تكوين وتطور النجوم والمجرات لرسم خرائط للمادة المظلمة في جميع أنحاء الكون وتصوير الأجسام في النظام الشمسي ، مثل الكواكب والمذنبات والكويكبات. قال توملينسون: "بغض النظر عما أنت مهتم به ، فإن LUVOIR لديها أداة لك".


4 إجابات 4

اعتبارًا من عام 2017 ، تم تصوير 22 كوكبًا خارجيًا بشكل مباشر. أبعدها 1200 لي.

هذا يوضح أن 4 منهم تدور حول HR 8799 ، أي على بعد 128 ليًا:

هذه الملاحظات جيدة بما يكفي لتحديد مدارات الكواكب ، ولإجراء التحليل الطيفي.

لذلك يمكننا بالفعل ملاحظة الكواكب الخارجية الكبيرة على مسافات أطول بكثير ، إذا كانت تدور بعيدًا بما يكفي عن نجمها. يصعب رؤية الكواكب الأصغر الأقرب إلى نجمها.

في الصورة أعلاه يوجد قرص أسود في المنتصف. يستخدم هذا لحجب ضوء النجم. إنه يغطي النجم ، بالإضافة إلى نصف قطر يبلغ حوالي 5 وحدات فلكية ، لذلك يتم إخفاء أي كواكب شبيهة بالأرض في المنطقة الصالحة للسكن في هذه الصورة.

هذا ضروري لأن بصريات التلسكوب ونظام التصوير ليسا مثاليين: ضوء النجم لا يقتصر على قطر النجم ، بل ينتشر قليلاً. هذا الضوء النجمي المنتشر أكثر إشراقًا من الكواكب في المدارات القريبة ، لذلك تضيع تلك الكواكب في الضوضاء.

طريقة واحدة لمكافحة هذا هو الختم ، أي جسم مادي أمام التلسكوب الذي يحجب ضوء النجم. معظم هذه الأقراص عبارة عن أقراص صغيرة في الواجهة الأمامية للتلسكوب.

ناسا تعمل على ستار ستار: قرص أكبر بكثير يوضع 50000 كيلومتر أمام تلسكوب فضائي. سيكون هذا قادرًا على حجب ضوء النجم بشكل أكثر دقة ، مما يسمح للتلسكوب برؤية الكواكب الخارجية في المنطقة الصالحة للسكن (لذلك على مسافات

1 AU للنجوم الصغيرة). كانت الخطة هي استخدام ظل النجوم مع WFIRST (تلسكوب 2.4 متر) ، لكن المخاوف الأخيرة بشأن التكاليف قد تؤدي إلى إزالة ظل النجوم من هذه المهمة.

لذلك قد لا يكون حل التصوير المباشر للكواكب الخارجية هو مرآة أكبر.

يتم إعطاء دقة التلسكوب بالراديان (لتقريب جيد جدًا من الدرجة الأولى) بواسطة $ theta_= 1.22 فارك < لامدا>$ حيث $ lambda $ هو الطول الموجي و $ D $ هو قطر فتحة التلسكوب. باستخدام الأرقام التي تعطيها ، فإن التلسكوب الذي يبلغ طوله 21 مترًا عند 200 نانومتر سيكون له دقة 0.002 ثانية قوسية. الآن ، هناك العديد من العوامل الأخرى التي ستحد من دقة الوضوح لدينا ، ولكن يمكنك اعتبار هذا ، الدقة المحدودة للحيود ، أعلى دقة ممكنة يمكنك تحقيقها. أي شيء بحجم زاوي أصغر من هذا سيكون غير قابل للتمييز.

لذا فإن خطوتنا التالية هي معرفة الحجم الزاوي الذي سيقابله كوكب خارجي في السماء. دعنا نذهب مع كوكب بحجم المشتري لزيادة فرصنا. هذا يعني أن قطر الكواكب يبلغ $

1.4 * 10 ^ 8 دولارات. سيتم إعطاء الحجم الزاوي لهذا الكائن (بالتقدير الدائري) بواسطة $ theta_= فارك$. يمكننا في الواقع جعل هذا المقدار مساويًا لمعادلة الدقة وإيجاد المسافة. سيعطينا هذا تقديرًا تقريبيًا لمدى البعد الذي يمكن أن يكون عليه الكوكب قبل أن لا نتمكن من حله. حل لعائد المسافة $ $:

مرة أخرى ، باستخدام أرقامنا ، هذا يعطينا مسافة 1.2 دولار * 10 ^ <16> دولار متر ، أو 1.3 سنة ضوئية.

إذن ، الجواب في النهاية هو لا. لن تكون الفتحة الأولية التي يبلغ طولها 21 مترًا كافية لحل مشكلة كوكب خارج المجموعة الشمسية. لذلك دعونا نرى الحجم الذي يجب أن تكون عليه مرآتنا ، بإعادة ترتيب المعادلة:

$ D = frac <1.22 cdot lambda cdot مسافة> $ إذا أردنا حل كوكب خارجي بحجم كوكب المشتري على مسافة إبسيلون إيريداني ، فيجب أن يكون قطره 173 مترًا.

الآن ، كل هذا على افتراض أنه لا داعي للقلق بشأن أشياء أخرى ، مثل الوهج من النجم ، والذي يمثل مجموعة المشاكل الخاصة به. لكن يمكننا التغلب على هذا من خلال القيام بأشياء مثل قياس التداخل البصري ، والذي يسمح لنا بزيادة الحجم الفعال للتلسكوب الخاص بنا دون الحاجة إلى بناء مرايا أكبر.

نعم. استخدم ESO's VLT طريقة التذبذب للكشف عن Proxima Centauri b ، وهو كوكب بنصف قطر يقدر بـ 0.8-1.5 R⊕ ومحور شبه رئيسي يقدر بـ 0.0485 (+ 0.0041 ، −0.0051) AU ، على مسافة 4.224 لي.

يستطيع تلسكوب هابل رؤية شمس نظام بروكسيما سنتوري.

يتكون VLT القائم على الأرض من أربعة تلسكوبات فردية ، لكل منها مرآة أساسية بعرض 8.2 متر ، ويمكنها تحقيق دقة زاوية تبلغ حوالي 0.001 قوس ثانية. In single telescope mode of operation the angular resolution is about 0.05 arc-second.

Best case ground based conditions give a seeing disk diameter of

0.4 arcseconds and are found at high-altitude observatories on small islands such as Mauna Kea or La Palma.

At the best high-altitude mountaintop observatories, the wind brings in stable air which has not previously been in contact with the ground, sometimes providing seeing as good as 0.4".

Under bad conditions a ground based telescope over 10 meters with poor seeing can limit the resolution to be about the same as given by a space-based 10–20 cm telescope.

Ground based telescopes must look through the atmosphere, which is opaque in many infrared bands (see figure of atmospheric transmission). Even where the atmosphere is transparent, many of the target chemical compounds, such as water, carbon dioxide, and methane, also exist in the Earth's atmosphere, vastly complicating analysis.

Existing space telescopes such as Hubble cannot study these bands since their mirrors are not cool enough (the Hubble mirror is maintained at about 15 degrees C) and hence the telescope itself radiates strongly in the IR bands.

The JWST telescope has an expected mass about half of Hubble Space Telescope's, but its primary mirror (a 6.5 meter diameter gold-coated beryllium reflector) will have a collecting area about five times as large (25 m^2 or 270 sq ft vs. 4.5 m^2 or 48 sq ft).

The JWST is oriented toward near-infrared astronomy, but can also see orange and red visible light, as well as the mid-infrared region, depending on the instrument.

JWST's primary mirror is a 6.5-meter-diameter gold-coated beryllium reflector with a collecting area of 25 m^2.

At which wavelengths will Webb observe?

Webb will work from 0.6 to 28 micrometers, ranging from visible gold-colored light through the invisible mid-infrared. The short wavelength end is set by the gold coating on the primary mirror. The long wavelength cut-off is set by the sensitivity of the detectors in the Mid-Infrared Instrument.

Webb is designed to discover and study the first stars and galaxies that formed in the early Universe. To see these faint objects, it must be able to detect things that are ten billion times as faint as the faintest stars visible without a telescope. This is 10 to 100 times fainter than Hubble can see.

What are the main science goals of Webb?

Webb has four mission science goals:

  • Search for the first galaxies or luminous objects that formed after the Big Bang.
  • Determine how galaxies evolved from their formation until the present.
  • Observe the formation of stars from the first stages to the formation of planetary systems.
  • Measure the physical and chemical properties of planetary systems and investigate the potential for life in those systems.

One of the main goals of Webb is to detect some of the very first star formation in the Universe. This is thought to happen somewhere between redshift 15 and 30 (redshift explained in question 45). At those redshifts, the Universe was only one or two percent of its current age. The Universe is now 13.7 billion years old, and these redshifts correspond to 100 to 250 million years after the Big Bang. The light from the first galaxies has traveled for about 13.5 billion years, over a distance of 13.5 billion light-years.

Will Webb see planets around other stars?

The Webb will be able to detect the presence of planetary systems around nearby stars from their infrared light (heat). It will be able to see directly the reflected light of large planets - the size of Jupiter - orbiting around nearby stars. It will also be possible to see very young planets in formation, while they are still hot. Webb will have coronagraphic capability, which blocks out the light of the parent star of the planets.

This is needed, as the parent star will be millions of times brighter than the planets orbiting it. Webb will not have the resolution to see any details on the planets it will only be able to detect a faint light speckle next to the bright parent star.

Webb will also study planets that transit across their parent star. When the planet goes between the star and Webb, the total brightness will drop slightly. The amount that the brightness drops tells us the size of the planet. Webb can even see starlight that passes through the planet's atmosphere, measure its constituent gasses and determine whether the planet has liquid water on its surface. When the planet passes behind the star, the total brightness drops, and we can again determine more of the planet's characteristics.

Super short version: They're launching a slightly larger telescope than you have asked for that will reach ("detect", not provide close-up photos) virtually to the known edge of the universe.


2020 Symposium Chairs

2020 Symposium Chairs:

Satoru Iguchi
National Astronomical Observatory of Japan
(اليابان)

Alison Peck
Gemini Observatory (United States)

2020 Symposium Co-Chairs:

René Doyon
جامعة. de Montréal (Canada)

Shouleh Nikzad
Jet Propulsion Lab. (United States)


شاهد الفيديو: Das leistungsstärkste Teleskop der Welt (شهر فبراير 2023).