چگونه می‌توان زمین را به تلسکوپی غول‌پیکر تبدیل کرد؟

ماه گذشته، ناسا از پیشرفت در ساخت رانشگر پلاسمایی تکانشی یا به اختصار Pulsed Plasma Rocket خبر داد. PPR نوع جدیدی از رانشگر موشکی است که شاید به اجرایی‌شدن یکی از جالب‌ترین و رویایی‌ترین پروژه‌های نجومی، یعنی تبدیل خورشید به تلسکوپ کمک کند.

به گزارش زومیت، ایده‌ی استفاده از خورشید به عنوان تلسکوپی غول‌پیکر، رویای به‌نظر دست‌نیافتنی ستاره‌شناسان است. برای اجرایی‌شدن آن، ما نیاز داریم ابزارهایی را در فاصله‌ی ۵۵۰ واحد نجومی از ستاره‌‌مان قرار دهیم تا آن را تبدیل به یک عدسی بزرگ کنیم. واحد نجومی (AU) فاصله‌ی بین زمین تا خورشید است که تقریبا ۱۵۰ میلیون کیلومتر محاسبه می‌شود.

هدف رانشگر پلاسمایی تکانشی ایجاد انقلابی در سفرهای فضایی با دستیابی به راندمان بالا و کاهش زمان سفر به مریخ است. PPR از یک سیستم انرژی هسته‌ای مبتنی بر شکافت استفاده می‌کند و توسط ناسا تامین مالی می‌شود. راندمان بالای PPR و قابلیت‌های نیروی محرکه‌ی آن می‌تواند به انتقال تجهیزات مورد نیاز برای ساختن تلسکوپ خورشیدی به فاصله‌ی بسیار زیاد ۵۵۰ واحد نجومی، کمک کند.

اما خورشید چگونه می‌تواند به تلسکوپ تبدیل شود؟ این ایده‌ی نسبتاً ساده برای اولین‌بار توسط اینشتین ارائه شد و بر اساس مفهومی است که این روزها مکررا در نجوم از آن به عنوان «همگرایی گرانشی» استفاده می‌شود.

با توجه به نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین، اجرام غول‌پیکر در جهان، فضا-زمان را خم می‌کنند و مسیر نور را تغییر می‌دهند. عمل خم‌شدن پرتوهایی که از جسمی به چشم بیننده می‌رسند، همگرایی گرانشی و جسم میانی که پرتو را خم می‌کند و بین جرم غول‌پیکر و بیننده است، عدسی گرانشی نام دارد.

ستاره‌شناسان از همگرایی گرانشی، این ویژگی مفید کیهان، برای دیدن نور از منابعی که پشت ستارگان و سیاه‌چاله‌ها پنهان شده‌اند استفاده می‌کنند؛ اما دیدن چنین نوری وابسته به مکان قرارگیری آن اجرام عظیم است.

اشلمن  ادامه می‌دهد: «یک فضاپیما در هر نقطه‌ای از آن خط، اصولاً می‌تواند رصد، شنود و برقراری ارتباط در فواصل میان‌ستاره‌ای را با استفاده از تجهیزاتی انجام دهد که از نظر اندازه و قدرت مشابه با آنچه اکنون برای چنین مسافت‌هایی به‌کار می‌رود، هستند. اگر از اثرات تاج خورشیدی صرف‌نظر شود، حداکثر ضریب بزرگنمایی برای تابش همدوس با طول موج ۱۰۰ میلیون در ۱ میلی‌متر نسبت معکوس دارد.»

گفته‌‌ی اشلمن در زبان ساده‌تر این است که میدان گرانشی خورشید به عنوان یک عدسی کروی عمل می‌کند. درست مانند ذره‌بین که نور را خم می‌کند، خورشید نیز مسیر تابش (مانند نور یا امواج رادیویی) را که از منابع دور می‌رسد، خم می‌کند.

این اثر خمشی، شدت تابش را در امتداد یک خط کانونی نیمه نامتناهی افزایش می‌دهد. خطی نامرئی را تصور کنید که به طور نامحدودی از خورشید امتداد دارد. هر فضاپیمایی که در امتداد این خط کانونی قرار بگیرد می‌تواند از اثر عدسی گرانشی خورشید استفاده کند.

پس به گفته‌ی اشلمن، فضاپیمایی روی خط کانونی می‌تواند اجرام کیهانی دوردست را با وضوح بیشتری مطالعه کند. همچنین ممکن است سیگنال‌ها یا تشعشعات منابع دور را رهگیری کند و به‌احتمال زیاد می‌تواند پیام‌ها را در فواصل میان‌ستاره‌ای وسیع منتقل کند.

گفته‌ی اشلمن در مورد حداکثر ضریب بزرگنمایی این است که با درنظر‌نگرفتن اثرات تاج خورشیدی (اتمسفر بیرونی خورشید)، حداکثر ضریب بزرگنمایی به طول موج تابش بستگی دارد. برای تابش همدوس (مانند امواج رادیویی)، ضریب بزرگ‌نمایی با طول موج نسبت عکس دارد. در طول موج یک میلی‌متر، حداکثر ضریب بزرگ‌نمایی می‌تواند ۱۰۰ میلیون باشد.

به طور خلاصه، ایده‌ی اشلمن نشان می‌دهد که قرار‌دادن یک فضاپیما به صورت استراتژیک در امتداد خط کانونی خورشید می‌تواند قابلیت‌های رصدی و ارتباطی قابل‌توجهی را با استفاده از همگرایی گرانشی ایجاد کند. این ایده مفهومی بسیار جالب است و چیزی نیست که کاملاً خارج از قلمرو‌ی پروژه‌های فضایی دست‌یافتنی در آینده نه چندان دور باشد.

اما یک مفهوم مشابه به نام «تراسکوپ» ممکن ‌است بیشتر از تلسکوپ‌شدن خورشید دست‌یافتنی باشد و برای عملی‌کردن آن به جای پیمودن مسافت ۵۵۰ واحد نجومی نیاز باشد حدود ۸۵ درصد از فاصله‌ی زمین تا ماه را طی کنیم.

ایده‌ی تراسکوپ توسط دیوید کیپینگ، استادیار نجوم در دانشگاه کلمبیا، پیشنهاد شده است. کیپینگ که به‌خاطر کانال یوتیوب خود به نام Cool Worlds شناخته می‌شود، در مقاله‌ای در سال ۲۰۱۹ پیشنهاد کرد که می‌توانیم از شکست نور توسط جو زمین برای رسیدن به اثر مشابه و خم‌کردن نور استفاده کنیم.

ممکن است از اثر شکست نور توسط زمین آگاه نباشیم، اما شواهدی از آن را در روز روشن مشاهده می‌کنیم. وقتی خورشید بلافاصله به زیر افق فرو می‌رود، یا درست قبل از اینکه در صبح طلوع کند، می‌توانیم ببینیم که خورشید ظاهراً به دلیل شکست نور در بالای افق ظاهر می‌شود.

کیپینگ در ویدیویی در کانال Cool Worlds توضیح می‌دهد: «ستاره‌ای دوردست را تصور کنید که در افق غروب می‌کند. نور آن ستاره وارد جو زمین می‌شود و نیم درجه منحرف می‌شود و از سطح زمین می‌گذرد و راه خود را به بیرون از جو باز می‌کند و نیم درجه دیگر خمیدگی ایجاد می‌کند که در مجموع یک درجه می‌شود.»

«نور همان ستاره به نیم‌کره‌ی مخالف نیز می‌تابد و دو پرتو در فاصله‌ای که شعاع زمین تقسیم بر یک درجه به دست می‌آید، با هم همگرا می‌شوند، این فاصله‌ درون مدار ماه قرار دارد و نقطه کانونی خواهد بود.»

اگر یک تلسکوپ در امتداد خط کانونیِ ایجاد‌شده توسط همگرایی گرانشی زمین قرار گیرد، مزیت قابل‌توجهی به دست خواهد آورد. در اصل، با این قرار‌دادن یک تلسکوپ در این خط، تلسکوپی طبیعی به اندازه‌ی کل سیار‌ه‌ی زمین ساخته می‌شود. با این کار می‌توان فواصل بسیار دورتر از تلسکوپ‌های معمولی را رصد کرد.

برای در‌نظر‌گرفتن اثرات ابرها، می‌توان از پرتوهای نوری استفاده کرد که از اتمسفر بالاتر می‌رود، این امر مستلزم قرار‌دادن تلسکوپی در فاصله‌ی دورتر از ماه است. کیپینگ پیشنهاد می‌کند با استفاده از چنین سیستمی می‌توان به حدود ۱۰ تا ۴۰هزار برابر افزایش بالقوه قابلیت جمع‌آوری نور، معادل داشتن یک تلسکوپ فضایی ۱۵۰ متری، بسیار بزرگتر از آینه‌ی ۶٫۵ متری تلسکوپ جیمز وب دست یافت.

با اینکه ایده‌ی استفاده از خورشید برای ساخت تلسکوپ جالب است و پتانسیل بالایی دارد، مشکلات زیادی مانند درخشش هوا، تابش و پراکندگی گرمایی از زمین و تداخل نور خورشید وجود دارد که باید بر آن غلبه کرد. ممکن است بتوانیم بر این مشکلات غلبه کنیم، اما در‌حال‌حاضر، تراسکوپ بیش از آنکه پروژه‌ای دست‌یافتنی باشد، ایده‌ای سرگرم‌کننده است.