چگونه می‌توان تلسکوپی برای جستجوی ماده تاریک ساخت؟
نیرویی اسرارآمیز موسوم به انرژی تاریک جهان را فراگرفته است. این نیرو عامل افزایش سرعت انبساط جهان و افزایش فاصله‌ی کهکشان‌ها با سرعتی بالا است؛ اما مشکل اینجا است که هنوز هیچ اطلاعات مشخصی درباره‌ی این نیروی تاریک وجود ندارد. چرا نمی‌توان به ماهیت این نیروی مهم پی برد؟
در دهه‌های اخیر، جستجوی انرژی تاریکی به یکی از پرسش‌های کلیدی ستاره‌شناسان تبدیل شده است؛ اما به‌زودی قرار است تلسکوپی جدید به بررسی این معما بپردازد. تلسکوپ فضای یوکلید از آژانس فضایی اروپا (ESA) در نیمه‌ی دوم سال ۲۰۲۲ پرتاب خواهد شد. این تلسکوپ نیز مانند تلسکوپ‌های دیگر ابزاری ماشینی است که با هدف حل برخی رازهای انرژی تاریک به فضا فرستاده خواهد شد.
یوکلید همچنین به بررسی ماده‌ی تاریک خواهد پرداخت؛ ماده‌ای نامرئی و عجیب که بیشترین بخش جرم جهان را تشکیل می‌دهد. پی‌بردن به ماهیت انرژی و ماده‌ی تاریک می‌تواند درک ما از کیهان را متحول کند. کاترین هیمنز، استاد اخترفیزیک دانشگاه ادینبورگ می‌گوید: «درحال‌حاضر، هیچ نظریه‌ی واحدی درباره‌ی ماهیت انرژی تاریک وجود ندارد.»
هیمنز یکی از اعضای کنسرسیوم یوکلید هم است؛ گروهی شامل هزاران دانشمند که داده‌های جمع‌آوری‌شده‌ی یوکلید را بررسی خواهند کرد. وی می‌افزاید: «بزرگ‌ترین پرسشی که با آن روبه‌رو هستیم، این است: عامل پدیده‌ی انرژی تاریک چیست؟» یوکلید بر‌اساس طرح تلسکوپ‌های قبلی ازجمله تلسکوپ پلانک آژانس فضایی اروپا ساخته شده است که از سال ۲۰۰۹ تا ۲۰۱۳ به بررسی پرتوهای پس‌زمینه‌ی ماکروویوی کیهانی پرداخت. این پرتوها حرارت باقی‌مانده از بیگ‌بنگ هستند.
مقاله‌های مرتبط:تلسکوپ فضایی جیمز وب ۲۷ آذر پرتاب خواهد شدمهندسی بی‌نهایت: تلسکوپ فضایی هابل؛ دریچه‌ای به اعماق پررمزوراز کیهان
به‌گفته‌ی رن لاوریس، دانشمند پروژه‌ی یوکلید در ESA، انتظار می‌رود یوکلید شتاب حاصل از انرژی تاریک را با دقتی پنج تا ده برابر بهتر از تلسکوپ‌های کنونی اندازه‌گیری کند. همچنین، یوکلید با اندازه‌گیری و ارزیابی ماده‌ی تاریک درک ما از ساختار جهان را متحول می‌کند و امکان بررسی نظریه‌های بنیادی جهان را خواهد داد. هیمنز بیان می‌کند:
با بررسی تغییرات جاذبه در این ساختارها می‌توانیم نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین را در کل جهان آزمایش کنیم.
ده سال از آغاز ساخت تلسکوپ یوکلید می‌گذرد. آژانس فضایی اروپا این مأموریت را در سال ۲۰۱۱ انتخاب کرد. از آن زمان پیمان‌کارها مشغول طراحی و ساخت تلسکوپ بودند. در سال ۲۰۲۰، یوکلید در اتاق تمیز کارخانه‌ی ایرباس در تولوز فرانسه، مونتاژ و تست شد. طول سازه‌ی کامل یوکلید ۴/۵ متر است و عرض آن به ۳/۱ متر می‌رسد. وزن این تلسکوپ ۲۱۶۰ کیلوگرم است و از دو بخش تشکیل شده: ماژول سرویس که وظیفه‌ی تأمین توان تلسکوپ را عهده‌دار است و ماژول پیلود (payload) که آینه‌ها و ابزار تلسکوپ را دربر دارد.
بخش اصلی تلسکوپ آینه‌ی اصلی آن است که در ماژول پیلود درکنار دو ابزار دیگر قرار دارد: ابزاری برای عکس‌برداری از جهان در طیف نور مرئی و ابزاری برای عکس‌برداری در طیف مادون قرمز. آینه به عرض ۱/۲ متر یکی از سه آینه‌ای است که همراه با یکدیگر تلسکوپ نوع کورش را می‌سازند. این آینه از سیلیکون کاربید ساخته شده و پوششی از نقره و سطحی هموار دارد که امکان رصد نور دریافتی از کهکشان‌های جهان را می‌دهد. برای تست دقت آینه، از یک آینه‌ی متمرکز‌کننده‌ی تخت برای کالیبره‌‌کردن نور استفاده می‌شود. پائولو موسی، مدیر پروژه‌ی سازه‌های تلسکوپ از شرکت فضایی تالس آلنیا می‌گوید: «از این آینه برای ترازکردن آینه‌های تلسکوپ استفاده می‌شود.»
لاوریس می‌افزاید:
هدف ما در طول مأموریت شش‌ساله‌ی تلسکوپ، رصد دومیلیون کهکشان با نرخ سی کهکشان در هر عکس است.
دانشمندان میتوانند شکل و حرکت کهکشان‌ها را بررسی کنند. شکل کهکشان‌ها سرنخ‌هایی از ماده‌ی تاریک مخفی و حرکت آن‌ها و تأثیر انرژی تاریک را نشان می‌دهند. این تلسکوپ با دقت و مقیاسی بی‌سابقه به رصد آسمان خواهد پرداخت. در گذشته، هیچ تلسکوپی موفق نشده از تعداد زیادی از کهکشان‌ها عکس‌برداری کند. ماتریسی شش در شش از دستگاه‌های بار جفت‌شده (CCD) روی تلسکوپ نور کهکشان‌ها را ثبت می‌کند (تصویر فوق).
دو ابزار تلسکوپ که در ماژول پیلود قرار دارند، عبارت‌اند از: کانال تصویربرداری بصری (VIS) و نورسنج و طیف‌سنج فروسرخ نزدیک (NISP). با اینکه کیفیت یوکلید از نظر فنی پائین‌تر از تلسکوپ فضایی هابل است که در سال ۱۹۹۰ پرتاب شد، حجم تصویربرداری آن می‌تواند مجموعه‌ای از کهکشان‌های جهان آغازین را آشکار کند که در نوع خود بی‌سابقه است. لاوریس ادامه می‌دهد:
می‌توانیم نقشه‌ای سه‌بعدی از ماده‌ی تاریک را تا فاصله‌ی ده‌میلیارد سال قبل تهیه کنیم و بر‌اساس توزیع کهکشان‌ها، انبساط جهان و تأثیر انرژی تاریک بر آن را دقیق ارزیابی کنیم.
دانشمندان برای اطمینان از عملکرد صحیح و سالم ماندن تلسکوپ در طول سفر فضایی با موشک روسی سایوز، آن را لرزاندند تا واکنش قطعات را ببینند. کابل‌هایی که در تصویر فوق می‌بینید، به شتاب‌سنج‌هایی وصل هستند که این لرزش‌ها را به‌وجود می‌آورند. موسی می‌گوید:
این کابل‌ها به ابزارها وصل می‌شوند و به بخش‌های مختلف تلسکوپ چسبانده می‌شوند و شتاب در هر بخش از تلسکوپ هم بررسی و تحلیل می‌شود.
پس از تست‌های یادشده در تولوز، تلسکوپ به مرکز فضایی Liege در بلژیک فرستاده می‌شود. در این مرکز، در خلأ حرارتی تست می‌شود تا از سالم‌ماندن آن در پهنای یخبندان فضا اطمینان حاصل شود.
تلسکوپ یوکلید در فاصله‌ی تقریبی ۱/۵ کیلومتری از زمین قرار می‌گیرد. در این منطقه، گرانش زمین و خورشید ترکیب می‌شوند و درنتیجه تلسکوپ با حداقل مصرف سوخت در وضعیتی ثابت قرار می‌گیرد. یک مستطیل مسطح به نام سپر خورشیدی که از پلاستیک تقویت‌شده‌ی فیبر کربنی ساخته شده است، از سمت رو به خورشید تلسکوپ محافظت می‌کند. دمای تلسکوپ برای عملکرد صحیح باید تقریبا منفی ۱۹۰ درجه‌ی سانتی‌گراد باشد؛ درنتیجه سمتی از تلسکوپ که به طرف خورشید نیست، با پوشش حرارتی به رنگ طلایی پوشانده می‌شود که برای پایین نگه‌داشتن دما از میلار (لایه پولیستری) و کپتون (پوشش عایق حرارتی) ساخته شده است.
دو آینه‌ی دیگر تلسکوپ از سیلیکون کاربید ساخته شده‌اند و نور جمع‌آوری‌شده به‌وسیله‌ی آینه‌ی اصلی را به دو ابزار تلسکوپ هدایت می‌کنند. شیء آبی در اینجا (تصویر بالا) فیلتر دورنگ‌نما (دیکروئیک) نامیده می‌شود که نور را به طول موج‌های مرئی و نزدیک به مادون قرمز تقسیم می‌کند و درعین‌حال یک آینه‌ی تاشوی زرد هم وظیفه‌ی هدایت نور را برعهده دارد. تمام این سازوکار باعث می‌شود تلسکوپ تصاویر دقیقی از کهکشان‌ها و شکل آن‌ها را ثبت کند. گوسپ راکا، مدیر پروژه‌ی یوکلید در ESA می‌گوید:
اگر بخواهید از چیزی که شکل دارد، عکاسی کنید، باید مطمئن شوید کیفیت تصویر دچار بدشکلی نشود. به‌همین‌دلیل، یوکلید به عملکرد بی‌نقص چشمگیری نیاز دارد.
یوکلید در طول دوران بررسی خود از جهان، روزانه ۸۰۰ گیگابایت داده را از ابزارهای خود مثل VIS تولید خواهد کرد. بر‌اساس تصویر فوق این ابزار در پوششی آلومینیومی قرار دارد که قبل از پرواز حذف می‌شود. سپس، داده‌ها به آنتن‌های مستقر در زمین ارسال و از آنجا برای گروه‌های مختلف دانشمندان برای تحلیل و تست ارسال می‌شوند.
توسعه‌ی قطعات تلسکوپ در سال ۲۰۱۳ و پس از تکمیل مرحله‌ی طراحی آغاز شد. مونتاژ قطعات هم تقریبا دو سال پیش و از فوریه‌ی ۲۰۱۹ شروع شد. سپس، تلسکوپ روی یک سیستم گردان قرار داده شد. موسی می‌افزاید:
برای کار با تلسکوپ، به پوشیدن لباس‌های سفید نیاز بود تا از هرگونه آلودگی نوری جلوگیری شود.
تلسکوپ یوکلید در سال ۲۰۲۲ از مرکز اروپای کوئورو در گویان فرانسه پرتاب خواهد شد.
در فاز تست تلسکوپ، از ابزارها و قطعات مختلفی استفاده شد که برخی از آن‌ها بعدا حذف شدند. لاورن بروارد، مدیر برنامه‌ی یوکلید در ایرباس می‌گوید:
در طول تست‌های مکانیکی، به ابزار متعددی نیاز داریم. برای مثال، برخی قطعات بخش‌های مختلف تلسکوپ را حین انجام کار نگه می‌دارند؛ اما پس از پایان پروژه دیگر نیازی به آن‌ها نیست.
کابل‌های روی بورد تلسکوپ میتوانند به‌قدری داغ شوند که تصاویر را مختل کنند؛ درنتیجه باید دور از آینه‌های تلسکوپ قرار داده شوند. همچنین، ممکن است کابل‌ها با یکدیگر تداخل داشته باشند و باعث ایجاد نویز در تصاویر شوند. در تصویر فوق، تست تطبیق‌پذیری الکترومغناطیسی را می‌بینید که برای اطمینان از عملکرد صحیح کابل‌ها انجام می‌شود. بروارد ادامه می‌دهد:
تعداد قطعات الکترونیکی داخل تلسکوپ باید به حداقل برسند. به این صورت یوکلید به دقت بسیار زیاد موردنیاز برای انتقال داده‌های جهان خواهد رسید.
برای کاهش دمای تلسکوپ، از رادیاتور استفاده می‌شود که گرمای ابزارها را جذب و به داخل خلأ پمپ می‌کند، این روش در دیگر مأموریت‌های فضایی هم رایج است. برای مثال، در ایستگاه فضایی بین‌المللی از این روش برای پیشگیری از گرمای ناشی از نور خورشید استفاده می‌شود. موسی می‌گوید:
در خلأ هیچ هوایی وجود ندارد که گرما را جذب کند. به‌همین‌دلیل، نیاز به رادیاتور وجود دارد. رادیاتور به ابزارها وصل می‌شود و تضمین می‌کند گرما مانع از بررسی دقیق کهکشان‌ها نخواهد شد.
ماژول پیلود یوکلید شامل آینه‌ها و ابزارها روی ماژول سرویس حاوی قطعات الکترونیکی با شش براکت نصب می‌شود. یکی از این براکت‌ها را در شکل بالا می‌بینید. پوشش حرارتی هم در بالا برای محافظت از ماژول پیلود قرار می‌گیرد که دقیقا در جهت مخالف سپر خورشیدی است. ساخت چنین تلسکوپ دقیقی با قابلیت رصد دومیلیارد کهکشان، دستاورد کمی نیست. رصد بسیاری از این کهکشان‌ها در شرایط فعلی دشوار است؛ اما با آینه‌ی دقیق یوکلید دقت رصدها افزایش خواهد یافت.
تلسکوپ یوکلید به‌زودی بررسی دومیلیارد کهکشان را آغاز خواهد کرد. فعالیت این تلسکوپ نقطه‌ی تحولی در فناوری فضایی است؛ اما چنین تلسکوپ‌هایی چگونه و با کدام فناوری ساخته می‌شوند؟