«پربارترین سیاره‌یاب ناسا تا کنون» — داستان تلسکوپ فضایی کپلر

پنهان در آسمان‌ها: چگونه جستجوی ماموریت کپلر برای سیارات جدید دیدگاه ما را نسبت به سیاره خودمان تغییر داد جیسون استفن انتشارات دانشگاه پرینستون (۲۰۲۴)

در اواسط دهه ۱۹۸۰، مهندس ناسا، ویلیام بوراکی، با هیئتی از متخصصان داخلی روبرو شد. آنها به او گفتند که یا ایده ای را که بسیاری آن را دیوانه وار می خواندند توجیه کند یا استعفا دهد. مفهوم او ساخت تلسکوپ فضایی برای تشخیص سیارات فراخورشیدی یا سیاراتی که به دور ستارگانی غیر از خورشید می چرخند، بود. این ایده جسورانه ای بود، یک دهه قبل از اینکه چنین سیاراتی پیدا شوند.

بوراکی از دهه ۱۹۷۰ در حال توسعه این مفهوم بود و تحت فشار بود تا اتلاف منابع ناسا را متوقف کند. با این حال، او موفق شد این هیئت را متقاعد کند که به او اجازه ادامه کار را بدهند و حتی چندین عضو را متقاعد کرد که به او بپیوندند. با این وجود، تا سال ۲۰۰۱ طول کشید تا این ماموریت تایید شود و هشت سال دیگر طول کشید تا ایده دیوانه‌وار بوراکی روی سکوی پرتاب قرار گیرد.

چرا اولین پیام رادیویی زمین به تمدن‌های بیگانه نیمی از بشریت را حذف کرد؟

آن فضاپیما، تلسکوپ فضایی کپلر، همچنان پرکارترین شکارچی سیاره بشریت تا کنون است و هزاران سیاره دوردست و بسیاری دیگر از سیارات کاندید را شناسایی کرده است. در پنهان در آسمان‌ها، اخترفیزیکدان جیسون استفن - که یک سال قبل از پرتاب آن در سال ۲۰۰۹ به این ماموریت پیوست - داستان کپلر و کشف های شگفت انگیزش را بازگو می کند.

کپلر سیارات را با شناسایی کم نور شدن نور ستاره در هنگام عبور سیاره از مقابل آن شناسایی کرد. انجام این کار بسیار دشوار است - استفن این فرآیند را به نگاه کردن به لاس وگاس از فضا و جستجوی مگسی که در اطراف چراغ خیابان وزوز می کند، تشبیه می کند. تیم کپلر مجبور شدند قبل از اینکه پروژه چراغ سبز بگیرد، ثابت کنند که ابزارهای تلسکوپ از عهده این کار بر می آیند. بنابراین، دیوید کخ، معاون محقق اصلی، یک آزمایش ساده اما هوشمندانه را برای انجام این کار طراحی کرد.

کخ سوراخ هایی را در یک ورق فلزی ایجاد کرد و آن را از پشت روشن کرد تا یک میدان مصنوعی از ستارگان ایجاد کند. سیم از روی سوراخ ها کشیده شد و جریان الکتریکی از آن عبور کرد. جریان سیم را گرم کرد و باعث شد کمی منبسط شود - درست به اندازه ای که عبور سیاره ای به اندازه زمین از یک ستاره دور شبیه به خورشید شبیه سازی شود. این آزمایش ثابت کرد که حداقل از نظر فنی این مفهوم می تواند کار کند.

در جستجو

در مرحله بعد، ستاره های هدف واقعی باید انتخاب می شدند. در عمل، برای اثبات چرخش سیاره به دور ستاره و اندازه گیری دوره آن، باید بیش از یک افت نور شناسایی شود. برای یافتن سیاره ای در مداری مشابه سیاره خودمان، کپلر باید چندین سال ستاره را زیر نظر می گرفت تا تایید کند که افت ها تکرار شده اند.

در مقیاس بزرگ‌تر، این بدان معنا بود که کپلر باید یک قسمت از آسمان را تماشا کند که در حالت ایده‌آل حاوی بیشترین تعداد ستاره ممکن بود. این امر مشکلات مهندسی را ایجاد کرد - باید نور ستاره های منفرد را در یک جمعیت متراکم متمایز می کرد، از ستارگان درخشانی که آشکارسازها را اشباع می کنند اجتناب می کرد و محدودیت های پهنای باندی مورد نیاز برای ارسال داده ها به زمین را مدیریت می کرد. انتخاب نهایی منطقه ای بود که ستاره های زیادی برای کاوش کپلر داشت، اما نه آنقدر زیاد که تلسکوپ غرق شود.

پس از شروع شکار کپلر، تصمیماتی نیز باید در مورد نحوه کار مشترک تیم علمی گرفته می شد. و استفن توضیح می دهد که چگونه شیوه هایی که از مراحل طولانی توسعه به جا مانده است - مانند محافظت بیش از حد در مورد اینکه چه کسی به داده ها دسترسی دارد - منجر به حجم کاری نابرابر شد. برخی از اعضا «غرق شده بودند و فقط سعی می کردند سرشان را از آب بیرون نگه دارند»؛ برخی دیگر «احساس می کردند بیهوده وقت می گذرانند و کاری برای انجام دادن ندارند». استفن به دنبال راه حلی بود که در نهایت به سادگی اطمینان از دسترسی کل تیم علمی به کنفرانس های تلفنی منظم بود. استفن به نقل از همکارش می گوید: «دانشمندان شرکت کننده سرکش شدند و همه چیز را تغییر دادند».

با وجود برنامه ریزی های سخت گیرانه، هیچ چیز مربوط به فضا به طور روان پیش نمی رود. و تیم با تصمیمات بیشتری روبرو شد. یک سوال این بود که آیا تمرکز تلسکوپ را پس از اینکه اولین تصاویر کمی تار به نظر می رسید، تیزتر کنیم یا خیر. این تلسکوپ طوری طراحی شده بود که قابل تنظیم باشد، اما جابجایی هر یک از قطعات با خطر همراه بود. اگر تیم هیچ کاری انجام نمی داد، کپلر همچنان سیارات نسبتاً بزرگ را شناسایی می کرد اما کوچکترین سیارات را از دست می داد. اگر دانشمندان با تنظیم آن ادامه می دادند، نتایج ممکن بود بهبود یابد - یا ممکن است آسیب های جبران ناپذیری وجود داشته باشد و کل ماموریت به خطر بیفتد.

تصمیم گیری در مورد مداخله در یک فضاپیما در فاصله دور از زمین، معضلی است که اکثر رهبران ماموریت با آن روبرو هستند. به عنوان مثال، در آوریل ۲۰۲۳، آنتن رادار در ماموریت جویس، به رهبری آژانس فضایی اروپا، پس از گیر کردن یک پین، به طور کامل باز نشد. کنترل ماموریت یک شوک مکانیکی ایجاد کرد که به باز شدن آنتن کمک کرد. در ژانویه ۲۰۲۴، محققان آژانس کاوش‌های هوافضای ژاپن و ناسا تصمیم متفاوتی برای تلسکوپ اشعه ایکس XRISM گرفتند، زمانی که یک درپوش محافظ باز نشد. تلسکوپ در غیر این صورت به خوبی عمل می کند، بنابراین تیم تصمیم گرفته است که در حال حاضر تلاشی برای باز کردن در انجام ندهد.

استفن به یاد می آورد که همه چیز به یک سوال ساده ختم شد: "آیا ما همه چیز را برای آن بیست درصد به خطر می اندازیم؟" در مورد کپلر، تیم این کار را انجام داد. آینه به میزان ۴۰ میکرومتر جابجا شد و تصاویر واضح تر شدند.

اندازه گیری سیارات فراخورشیدی

و به این ترتیب، ماموریت شروع به کار کرد. در حالی که برای شناسایی یک سیاره فراخورشیدی با مدار یک ساله مدت زیادی طول کشید، یافتن سیاراتی با مدارهای کوتاهتر سریعتر بود.

در اطراف خورشید، فقط زهره و عطارد مداری کمتر از یک سال دارند. اما ستارگانی که کپلر رصد کرد مملو از سیاراتی بودند که به قدری به ستاره خود نزدیک بودند که مدارهای آنها فقط چند روز یا چند هفته طول می کشید. این جهان ها همگی مانند سیارات درونی ما کوچک نبودند. رایج ترین سیاراتی که توسط کپلر دیده می شود، شعاعی بین زمین و نپتون دارند - بر خلاف هر سیاره ای در منظومه شمسی.

آیا در قمر اروپا مشتری حیات وجود دارد؟ ناسا ماموریتی را برای یافتن سرنخ ها آغاز می کند

چگونگی شکل گیری چنین طیف وسیعی از اندازه های سیاره ای در نزدیکی ستاره خود، همچنان موضوع بحث داغ است. استفن چندین نظریه را بر اساس سرنخ های رصدی شرح می دهد. به عنوان مثال، حدود یک سوم از پرجرم ترین سیارات با نزدیکترین مدارها - به اصطلاح "مشتری های داغ" - مدارهایی نامنظم با ستاره میزبان خود دارند. این نشان می دهد که این سیاره به آرامی در جایی که اکنون دیده می شود تشکیل نشده است، بلکه مدار آن بی ثبات شده است. نیروهای گرانشی از یک جسم همسایه احتمالاً مقصر هستند و مدار را به قدری کش می دهند که در نهایت سیاره به ستاره میزبان خود نزدیکتر می شود.

کپلر به مدت پنج سال به خوبی کار کرد تا اینکه مشکلات فنی پیدا کرد. تا سال ۲۰۱۳، دو مورد از چهار چرخ تلسکوپ که موقعیت آن را کنترل می کردند از کار افتاده بود. محققان ایده مبتکرانه دیگری ارائه کردند - آنها کپلر را با اعمال فشار ضعیف تابش خورشید بر روی پنل های خورشیدی خود تثبیت کردند تا آن را کاملاً متعادل نگه دارند. اما در نهایت سوخت تمام شد. در ۱۵ نوامبر ۲۰۱۸، تلسکوپ رسماً غیرفعال شد، دقیقاً ۳۸۸ سال پس از مرگ همنام آن، ستاره شناس قرن شانزدهم یوهانس کپلر.

پنهان در آسمان‌ها بینش فوق‌العاده‌ای است در مورد اجزای بی‌شماری که در اولین ماموریت اختصاصی ناسا برای یافتن سیارات استفاده شد، از مهندسی که تلسکوپ را به پرواز درآورد تا جهان‌های عجیبی که کشف کرد. ماموریت کپلر، مانند همنام تاریخی خود، آنچه را که ما در مورد سیارات و جایگاه خود در جهان می‌دانیم تغییر داده است.

Nature 638, 34-36 (2025)

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-025-00295-w