الهندسة البصرية المطلوبة لتصوير توأم الأرض

الولايات المتحدة - وكالة أنباء إخباري

الهندسة البصرية المطلوبة لتصوير توأم الأرض

تتزايد الأبحاث حول مرصد العوالم الصالحة للسكن (HWO) المستقبلي، وهو مشروع طموح يهدف إلى اكتشاف كواكب شبيهة بالأرض خارج نظامنا الشمسي. مع انتقال التلسكوب من مرحلة التصميم النظري إلى التطبيق العملي، تعمل فرق العمل المختلفة على تحديد وتصميم المكونات اللازمة لهذا المرصد الفلكي الكبير. ويضيف بحث جديد من مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا طبقة أخرى من التحليل، مع التركيز على التحديات الهندسية التي تواجه بناء هذا الجهاز المتطور.

يركز هذا البحث على قدرة التلسكوب على التمييز بين غازي ثاني أكسيد الكربون والميثان/الماء، وهما مؤشران حيويان محتملان لوجود حياة. ومن خلال هذه المقارنة، يسعى الباحثون إلى تحديد الطول الموجي الأمثل الذي يجب على المهندسين تصميمه لضمان أقصى قدر من الكفاءة. إن التقاط صور مفصلة لكواكب شبيهة بالأرض، والتي قد تكون "توأم الأرض"، يتطلب دقة بصرية وتقنية غير مسبوقة.

الأشعة تحت الحمراء: مفتاح البحث عن الحياة

تعتبر التصوير بالأشعة تحت الحمراء "الكأس المقدسة" لمراقبة الكواكب الخارجية. تحتوي العديد من أهم البصمات الحيوية المحتملة على توقيعات طيفية مميزة في هذه الأطوال الموجية، مما يجعلها الأكثر إثارة للاهتمام من منظور علم الأحياء الفلكي. ومع ذلك، فإن التقاط نطاق واسع من أطوال موجات الأشعة تحت الحمراء يأتي مع مقايضة كبيرة: يجب تبريد النظام الذي يلتقط هذه الإشارات إلى درجات حرارة شديدة البرودة لتقليل أي ضوضاء ناتجة عن الحرارة التي تنتجها الأداة نفسها.

يحل تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST)، وهو مرصد شهير آخر يعمل بالأشعة تحت الحمراء، هذه المشكلة باستخدام نظام تبريد بالتبريد العميق معقد ومكلف. ومع ذلك، كان هذا النظام أحد الأسباب الرئيسية لتأخير JWST وزيادة ميزانيته بشكل كبير. يأمل مصممو HWO في تجنب هذا المصير، وبالتالي تجنب نظام التبريد بالتبريد العميق المعقد تمامًا.

التحديات الهندسية وتجاوز الطيف

هذا الاختيار لتجنب التبريد العميق يجلب معه مشاكل أخرى، مثل تداخل الأطياف. يعتبر كل من الميثان وثاني أكسيد الكربون من أهم البصمات الحيوية، خاصة عند وجودهما معًا. يعتبر ثاني أكسيد الكربون مثيرًا للاهتمام بشكل خاص في غيابه؛ فهو وفير على العوالم الميتة مثل المريخ والزهرة، ولكنه موجود بتركيزات أقل بكثير على الأرض لأن جزءًا كبيرًا منه يتم امتصاصه بواسطة محيطاتنا السائلة وغلافنا الحيوي. إذا تمكن علماء الأحياء الفلكيون من العثور على ثلاثة كواكب صخرية في نظام شمسي آخر، وكان أحدها يفتقر بشكل كبير إلى ثاني أكسيد الكربون، فسيكون ذلك إشارة رئيسية.

من ناحية أخرى، يعتبر الميثان مثيرًا للاهتمام عندما يكون وفيرًا. إنه يتحلل بسهولة في الغلاف الجوي عن طريق العمليات الكيميائية الضوئية، لذلك لا يدوم طويلاً في أجواء أي كواكب خارجية لا تمتلك مصدرًا ثابتًا جديدًا له. أحد أكثر مصادر الميثان شيوعًا على الأرض هو الحياة، على الرغم من وجود بعض المصادر غير الحيوية أيضًا. من المهم ملاحظة أن المصدر يجب أن يكون ثابتًا، وقد تنفد العديد من هذه المصادر غير الحيوية بعد ملايين أو مليارات السنين من دورة حياة الكوكب، لذا فإن وجود الميثان بحد ذاته يعد مؤشرًا جيدًا على وجود نشاط بيولوجي.

ولكن عندما يجتمع الغازان، فإنهما يوفران "دليلًا قاطعًا" - عالم يحتوي على ثاني أكسيد الكربون والكثير من الميثان، ولكن بدون الكثير من الأكسجين. في هذه الحالة، هناك احتمال كبير أن شيئًا حيًا ينتج هذه الغازات في الغلاف الجوي. ومع ذلك، فإن مراقبة الميثان وثاني أكسيد الكربون في نفس الكوكب تمثل مشكلة للعديد من التلسكوبات.

نموذج BARBIE وتحديد الطول الموجي الأمثل

تتداخل بصماتهما الطيفية. ووفقًا للورقة البحثية، فإن المستويات العالية من الميثان تؤثر سلبًا على قابلية اكتشاف ثاني أكسيد الكربون أكثر بكثير من تأثير حتى الماء. تتشبع بصمات الميثان المناطق التي يجب أن يظهر فيها ثاني أكسيد الكربون بوضوح. لإثبات هذه النقطة، قام الباحثون بمحاكاة البصمات الطيفية لعدة مراحل مختلفة من تطور الأرض نفسها، والزهرة، باستخدام نموذج إحصائي يسمى "تحليل بايز لتحديد البصمات الحيوية عن بعد للكواكب الشبيهة بالأرض" (BARBIE). هذه الورقة البحثية تحمل عنوان BARBIE IV تقنيًا، حيث تم نشر ثلاث أوراق سابقة حول الموضوع تحلل مقايضات مختلفة في الحساسية الطيفية لـ HWO.

ربما كانت النتيجة الأكثر أهمية لهذا التحليل هي تحديد حد أقصى للكشف للمستشعر بالأشعة تحت الحمراء في HWO لا يتطلب نظام التبريد الضخم، ولكنه يسمح بتمييز معقول بين ثاني أكسيد الكربون والميثان دون الحاجة إلى أوقات مراقبة طويلة للغاية. تبلغ "النقطة المثالية" لعرض النطاق الترددي 1.52 ميكرومتر، وعلى الرغم من وجود نافذة عرض نطاق ترددي بنسبة 20%، فإن هذا يعني أن الحد الأعلى للتلسكوب نفسه سيقتصر على 1.68 ميكرومتر.

خطوات نحو اكتشاف الحياة

يجب على جميع المشاريع الكبرى تحديد متطلباتها القابلة للتعريف قبل أن تبدأ فعليًا، ويمثل هذا الحد الأعلى خطوة كبيرة نحو تحقيق ذلك لـ HWO. إن التخلص من الحاجة إلى نظام التجميد بالتبريد العميق سيجعل هندسة النظام أقل تعقيدًا، مما يسمح بالتركيز التقني على البصريات وأجهزة التصوير التاجي اللازمة لضمان أن يتمكن هذا الإنجاز الهندسي من الرؤية بشكل صحيح. عند إطلاق HWO، الذي يؤمل أن يتم في ثلاثينيات القرن الحالي، إذا تمكن من التقاط كوكب خارجي يحتمل أن يكون صالحًا للحياة، فسيكون ذلك بفضل هذه الأوراق التأسيسية التي تحدد قدرات النظام.

Ekhbary News Agency