انقلاب در نقشه‌برداری کیهانی؛ تلسکوپ اسفرکس ناسا نخستین نقشه کامل آسمان را در ۱۰۲ رنگ منتشر کرد

spherex-observatory-first-cosmic-map_11zon — انقلاب در نقشه‌برداری کیهانی؛ تلسکوپ اسفرکس ناسا نخستین نقشه کامل آسمان را در ۱۰۲ رنگ منتشر کرد

انقلاب اسفرکس؛ نقشه ۱۰۲ رنگی آسمان: گامی فراتر در نقشه‌برداری کیهانی

آغاز عصر طیف‌سنجی گسترده در فروسرخ

تلسکوپ فضایی SPHEREx (Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization, and Constrained Exoplanets) ناسا، که به زودی به مدار زمین خواهد پیوست، قرار است انقلابی در درک ما از کیهان آغاز کند. این مأموریت، که اغلب به عنوان «تلسکوپ نقشه‌برداری ارزان‌قیمت» یا «ابزار مرور آسمان» توصیف می‌شود، هدف نهایی جاه‌طلبانه‌ای دارد: ترسیم دقیق یک نقشه ۱۰۲ رنگی از کل آسمان در باند فروسرخ. این نقشه، نه تنها یک تصویر پانورامای بصری، بلکه یک سند طیفی جامع است که فراتر از توانایی‌های مأموریت‌های پیشین مانند WISE یا حتی داده‌های محدود جیمز وب عمل می‌کند.

SPHEREx با تمرکز بر طیف‌سنجی چندکاناله در طول موج‌های فروسرخ، به دنبال پاسخ به برخی از اساسی‌ترین پرسش‌های کیهان‌شناسی است؛ از ماهیت انرژی تاریک و ماده تاریک گرفته تا شرایط اولیه شکل‌گیری اولین ستارگان و کهکشان‌ها پس از بیگ‌بنگ. برخلاف ابزارهای با رزولوشن بسیار بالا و میدان دید محدود، این تلسکوپ با پوشش کامل آسمان، به دنبال شناسایی میلیاردها جرم آسمانی و استخراج اطلاعات طیفی آنهاست. این رویکرد جامع، کلید درک فرایندهای تکاملی کیهان در طول ۱۴ میلیارد سال گذشته محسوب می‌شود و می‌تواند بینش‌هایی حیاتی درباره منشأ ساختارهای بزرگ‌مقیاس و حتی عناصر سازنده حیات ارائه دهد.

این مقاله تحلیلی، به بررسی عمیق مأموریت تلسکوپ اسفرکس، فناوری‌های نوآورانه آن، اهمیت داده‌های نقشه کامل آسمان و جایگاه آن در اخترشناسی مدرن دهه ۲۰۳۰ می‌پردازد. ما تفاوت‌های کلیدی این مأموریت با پیشگامانش را شکافته و نقش آن در حل معمای کیهان‌شناسی، از تورم کیهانی تا کشف جهان‌های فراخورشیدی، مورد واکاوی قرار خواهیم داد. SPHEREx ناسا با ارائه داده‌هایی بی‌سابقه در حوزه طیف فروسرخ، افق‌های جدیدی را پیش روی اخترشناسان قرار می‌دهد.

۱. معرفی مأموریت اسفرکس و اهداف کلان آن

تلسکوپ فضایی SPHEREx نماینده یک تغییر پارادایم در رصدخانه‌های فضایی است. این مأموریت که در دسته مأموریت‌های کوچک (MIDEX) ناسا قرار می‌گیرد، هزینه‌ای نسبتاً پایین (حدود ۴۰۰ میلیون دلار) دارد اما پتانسیل علمی فوق‌العاده بالایی را عرضه می‌کند. هدف اصلی آن، تکمیل یک بررسی طیف‌سنجی کامل از کل کره آسمانی در طول موج‌های فروسرخ نزدیک (Near-Infrared) است.

۱.۱. هدف‌گذاری بر معمای کیهان

اهداف کلان تلسکوپ اسفرکس سه رکن اصلی دارند که هر یک می‌توانند پیشرفت‌های بزرگی در علوم فضایی ایجاد کنند:

الف) درک انرژی تاریک و ساختار بزرگ‌مقیاس: یکی از بزرگترین رازهای فیزیک مدرن، ماهیت انرژی تاریک است که مسئول شتاب‌گیری انبساط کیهان است. SPHEREx با نقشه‌برداری از توزیع کهکشان‌ها در فواصل بسیار دور (شامل حدود ۱ میلیارد کهکشان)، می‌تواند نوسانات و توزیع این ماده اسرارآمیز را به شکلی دقیق‌تر از هر زمان دیگری اندازه‌گیری کند. این اندازه‌گیری‌ها مستقیماً به محدود کردن پارامترهای معادله حالت انرژی تاریک کمک می‌کنند.

ب) رمزگشایی از دوران بازآرایی (Epoch of Reionization): در چند صد میلیون سال پس از بیگ‌بنگ، جهان از حالت مات و کدر یونیزاسیون مجدد به حالت شفاف فعلی درآمد. این فرایند، که توسط اولین ستارگان و کهکشان‌های اولیه هدایت شد، هنوز به خوبی درک نشده است. طیف‌سنجی فروسرخ SPHEREx قادر است نور بسیار سرخ‌شده (Redshifted) این اولین ساختارها را که اکنون به سمت فروسرخ کشیده شده‌اند، شناسایی کرده و فرآیند «روشن شدن» جهان اولیه را ترسیم کند.

ج) نقشه‌برداری از عناصر حیاتی در راه شیری: این مأموریت در درجه اول یک ابزار کیهان‌شناسی است، اما توانایی آن در مشاهده محیط‌های ستاره‌زایی و سیارات فراخورشیدی در کهکشان راه شیری، برای جستجوی آب، متان و سایر مولکول‌های پیش‌ساز حیات بسیار حیاتی است.

۱.۲. مفهوم ۱۰۲ رنگ: فراتر از تصویربرداری ساده

عبارت «نقشه ۱۰۲ رنگی» به قدرت طیف‌سنجی SPHEREx ناسا اشاره دارد. برخلاف دوربین‌های معمولی که تنها چند باند رنگی (مثلاً سه باند RGB) را ثبت می‌کنند، SPHEREx از ۱۰۲ باند طیفی مجزا در محدوده فروسرخ (حدود ۰.۷ تا ۵.۰ میکرومتر) استفاده می‌کند. این یعنی هر نقطه از آسمان، نه با یک رنگ، بلکه با ۱۰۲ شدت متفاوت در طول موج‌های مختلف مشاهده می‌شود. این داده‌های طیفی، اثر انگشت شیمیایی و فیزیکی اجرام آسمانی را نمایان می‌سازد.

۲. تفاوت SPHEREx با مأموریت‌هایی مثل WISE و جیمز وب

برای درک اهمیت تلسکوپ اسفرکس، باید آن را در بستر مأموریت‌های فروسرخ گذشته و حال مقایسه کنیم. SPHEREx جایگاه منحصر به فردی در میانه ابزارهای با رزولوشن بسیار بالا و تلسکوپ‌های مسح کل‌آسمان قرار می‌گیرد.

۲.۱. مقایسه با نقشه‌بردار جهانی WISE

تلسکوپ نقشه‌بردار فروسرخ عریض میدان (WISE) ناسا، پیشگام نقشه‌برداری تمام‌آسمانی در فروسرخ بود. WISE آسمان را در چهار باند فروسرخ (از ۳.۴ تا ۱۲ میکرومتر) مسح کرد و تحولات عظیمی در کشف دنباله‌دارها، سیارک‌ها و اجرام نزدیک زمین ایجاد کرد.

تفاوت اصلی در کیفیت داده است:

تعداد باندها: WISE تنها ۴ باند طیفی داشت؛ SPHEREx ناسا از ۱۰۲ باند استفاده می‌کند. این افزایش بیش از ۲۵ برابری در تفکیک طیفی، به SPHEREx اجازه می‌دهد تا نه تنها محل اجرام، بلکه توزیع طیفی دقیق آنها را ثبت کند، که برای تعیین فواصل و سن اجرام ضروری است.
هدف علمی: WISE بیشتر بر اجرام داخلی منظومه شمسی و ساختارهای درخشان‌تر کهکشان راه شیری تمرکز داشت. SPHEREx عمدتاً به کیهان‌شناسی دوردست و تعیین فواصل کیهانی با استفاده از طیف‌سنجی با وضوح متوسط می‌پردازد.

۲.۲. رابطه با تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST)

تلسکوپ جیمز وب (JWST) قطعاً قدرتمندترین ابزار فروسرخ موجود است، اما هدف علمی و روش رصد آن کاملاً متفاوت است:

وسعت پوشش: JWST یک تلسکوپ بسیار حساس با آینه بزرگ است که برای مشاهده عمیق‌ترین و کم‌نورترین اجرام (مثلاً یک کهکشان خاص در زمان شکل‌گیری) طراحی شده است. میدان دید آن بسیار محدود است. در مقابل، SPHEREx یک مأموریت نقشه‌برداری کیهانی است که کل آسمان را بارها اسکن می‌کند تا یک پایگاه داده آماری گسترده ایجاد کند.
طیف‌سنجی: ابزارهای JWST (مانند NIRSpec) طیف‌های بسیار با وضوح بالا (High-Resolution) را از یک جرم کوچک در یک زمان ارائه می‌دهند. SPHEREx با استفاده از فیلترهای متعدد، طیف‌های با وضوح پایین‌تر اما در سطح وسیع (Low-Resolution Full-Sky Survey) را برای میلیاردها جرم ثبت می‌کند. این دو مأموریت مکمل یکدیگرند: JWST به جزئیات عمیق می‌پردازد و SPHEREx چارچوب آماری گسترده را فراهم می‌سازد.

تلسکوپ اسفرکس با ترکیب قابلیت‌های مرور وسیع WISE و حساسیت طیفی فراتر از آن، خلأ موجود بین این دو نوع مأموریت را پر می‌کند.

۳. توضیح علمی اما ساده درباره فروسرخ، طیف‌سنجی و ۱۰۲ طول موج

فهم ارزش نقشه ۱۰۲ رنگی نیازمند درک مفاهیم اساسی فیزیک نور و کیهان‌شناسی است.

۳.۱. چرا فروسرخ (Infrared)؟ پنجره‌ای به گذشته و مولکول‌ها

نور مرئی، تنها بخش کوچکی از طیف الکترومغناطیسی است که ما می‌توانیم ببینیم. نور فروسرخ (IR)، که در طول موج‌های بلندتر از نور قرمز مرئی قرار دارد، برای اخترشناسی دو کاربرد حیاتی دارد:

نفوذ به گرد و غبار: در کهکشان‌های فعال، از جمله راه شیری، ابرهای عظیم گرد و غبار مانع دید ما به مناطق ستاره‌زایی و مرکز کهکشانی می‌شوند. نور فروسرخ می‌تواند تقریباً بدون مانع از این گرد و غبار عبور کند و به ما اجازه دهد تا ستارگان در حال تولد و ساختار درونی کهکشان‌ها را مشاهده کنیم.
مشاهده اجرام سرخ‌شده (Redshifted): مهم‌ترین کاربرد طیف فروسرخ در کیهان‌شناسی است. به دلیل انبساط مداوم کیهان، نوری که از دورترین کهکشان‌ها به سمت ما سفر می‌کند، کشیده می‌شود (اثر داپلر). این کشیدگی باعث می‌شود نور مرئی یا فرابنفش که در ابتدا ساطع شده، اکنون به طول موج‌های فروسرخ تبدیل شود. برای دیدن اولین ستارگان و کهکشان‌ها، باید به شدت به ناحیه فروسرخ دوردست نگاه کنیم.

۳.۲. طیف‌سنجی: استخراج اثر انگشت کیهانی

طیف‌سنجی فرآیند تجزیه نور دریافتی از یک جرم آسمانی به مؤلفه‌های طول موجی آن است. این کار شبیه به استفاده از منشور برای تجزیه نور سفید به رنگ‌های رنگین‌کمان است، اما این کار برای هزاران طول موج مختلف انجام می‌شود.

در تلسکوپ اسفرکس، طیف‌سنجی به ما اجازه می‌دهد:

تعیین فاصله (سرخ‌گرایی): با اندازه‌گیری میزان کشیدگی طیفی یک کهکشان، فاصله آن از ما و در نتیجه، زمان ساطع شدن نور آن را مشخص می‌کنیم.
تعیین ترکیب شیمیایی: هر عنصر شیمیایی (هیدروژن، اکسیژن، متان، آب) در طیف یک “خط” یا “فرورفتگی” مشخصی ایجاد می‌کند. با ثبت دقیق این خطوط، می‌توانیم ترکیب شیمیایی اتمسفر سیارات فراخورشیدی یا غلظت عناصر سنگین در کهکشان‌های باستانی را محاسبه کنیم.

۳.۳. ۱۰۲ باند طیفی: رزولوشن متوسط برای مرور وسیع

SPHEREx از یک آرایه فیلترهای تداخلی بسیار دقیق استفاده می‌کند که نور ورودی را به ۱۰۲ بخش (باند) تقسیم می‌کند. این رویکرد یک توازن هوشمندانه بین وضوح طیفی (Resolution) و پوشش میدان دید (Field of View) ایجاد می‌کند.

فرمول اساسی در طیف‌سنجی: میزان اطلاعاتی که می‌توانیم کسب کنیم، مستقیماً به نسبت طول موج مرجع به پهنای باند (R) بستگی دارد:

[ R = \frac{\lambda}{\Delta \lambda} ]

که در آن ( \lambda ) طول موج مرکزی و ( \Delta \lambda ) پهنای باند آن کانال است. برای SPHEREx ناسا، این R برای هر باند به گونه‌ای تنظیم شده است که طیف کلی به شکلی جامع پوشش داده شود. این ۱۰۲ نقطه طیفی به دانشمندان اجازه می‌دهد تا منحنی‌های طیفی دقیق‌تری ترسیم کنند، حتی در حضور تداخل‌های شدید (مانند انتشار خطوط نوری در راه شیری). این نقشه‌برداری دقیق در مقیاس بزرگ، چیزی است که نقشه‌برداری کیهانی را به سطح جدیدی می‌برد.

۴. اهمیت نقشه تمام‌آسمانی در ۱۰۲ رنگ برای اخترشناسی مدرن

یک نقشه کامل آسمان از جهان در فروسرخ، یک ابزار اساسی برای ایجاد پایه‌های آماری کیهان‌شناسی مدرن است. این نقشه نه تنها محل اشیاء را نشان می‌دهد، بلکه “تاریخچه” هر شیء را در قالب اثر انگشت طیفی‌اش ثبت می‌کند.

۴.۱. ساخت یک کاتالوگ فروسرخ جهان

هدف SPHEREx این است که بیش از ۱ میلیارد جرم آسمانی را در طیف فروسرخ آنها نقشه‌برداری کند. این حجم از داده‌ها، یک کاتالوگ بنیادی برای همه شاخه‌های اخترشناسی ایجاد می‌کند:

نقشه توزیع ماده تاریک: با استفاده از کهکشان‌ها به عنوان پروب‌هایی برای توزیع ماده باریونی، تلسکوپ اسفرکس توزیع فضایی ماده را به شکلی دقیق ترسیم می‌کند. این توزیع، مستقیماً با مدل‌های شکل‌گیری ساختارهای بزرگ‌مقیاس کیهان (مانند شبکه‌های کیهانی) مقایسه می‌شود.
بررسی کهکشان‌های دوردست: تعداد زیادی از اجرام بسیار دور که توسط ابزارهای اپتیکی کنونی به سختی قابل تشخیص هستند، به دلیل سرخ‌گرایی زیاد به محدوده فروسرخ کشیده شده‌اند. SPHEREx این کهکشان‌های اولیه را شناسایی و طیف آنها را ثبت می‌کند و امکان ردیابی تکامل آنها را فراهم می‌آورد.

۴.۲. مزیت آماری نقشه‌برداری تکراری

برخلاف بررسی‌های اولیه که ممکن است تنها یک بار آسمان را رصد کنند، SPHEREx با تکرار اسکن‌های خود (هر ۶ ماه یک بار)، قادر است تغییرات نوری را نیز ثبت کند. این قابلیت برای شناسایی اجرام متغیر، مانند ابرنواخترها، کوازارها یا ستاره‌های متغیر در کهکشان‌های دیگر، اهمیت دارد. ترکیب داده‌های چندباره و ۱۰۲ کانال طیفی، قدرت تحلیلی را به صورت تصاعدی افزایش می‌دهد.

۴.۳. کالیبراسیون و فراتر رفتن از محدودیت‌های دیگر

داده‌های نقشه کامل آسمان SPHEREx به عنوان یک منبع کالیبراسیون حیاتی برای تلسکوپ‌های دیگر عمل خواهند کرد. به عنوان مثال، هرگاه تلسکوپ دیگری (مثل JWST) یک ناحیه کوچک را با جزئیات بسیار بالا مشاهده کند، داده‌های SPHEREx به آنها امکان می‌دهد تا نتایج خود را در زمینه گسترده‌تری از جمعیت کهکشانی قرار دهند. این هماهنگی و هم‌افزایی علمی، ارزش کل پروژه را دو چندان می‌کند.

۵. نقش اسفرکس در درک بیگ‌بنگ، تورم کیهانی و ساختار بزرگ‌مقیاس جهان

یکی از بنیادی‌ترین سؤالات فیزیک، مربوط به لحظات اولیه پس از بیگ‌بنگ و نیروهایی است که ساختار کنونی کیهان را تعیین کردند. SPHEREx به طور مستقیم به این مسائل می‌پردازد.

۵.۱. آزمودن مدل‌های تورم کیهانی (Cosmic Inflation)

نظریه تورم، یک دوره کوتاه بسط نمایی بسیار سریع کیهان را در کسری از ثانیه پس از بیگ‌بنگ توصیف می‌کند. این تئوری، ناهماهنگی‌های مشاهداتی در مدل استاندارد بیگ‌بنگ را حل می‌کند، اما شواهد مستقیم آن هنوز نیازمند اندازه‌گیری دقیق نوسانات اولیه است.

تلسکوپ اسفرکس نوسانات دمایی و چگالی ماده را در کهکشان‌ها در فواصل کیهانی دور ثبت می‌کند. این توزیع‌ها، سایه‌هایی از نوسانات کوانتومی اولیه هستند که در طول تورم تقویت شده‌اند. با نقشه‌برداری دقیق این توزیع‌ها در فواصل بسیار دور (زمانی که کیهان هنوز جوان بوده)، SPHEREx می‌تواند:

پارامترهای مدل تورم: محدودیت‌های سخت‌گیرانه‌تری بر ثابت‌های بنیادین دخیل در مدل‌های تورمی اعمال کند.
بررسی همسانگردی: آیا کیهان در همه جهات به همان شکل تکامل یافته است؟ اندازه‌گیری‌های طیف فروسرخ از ناهنجاری‌های احتمالی در ساختار بزرگ‌مقیاس، می‌تواند به رد یا تأیید برخی مدل‌های تورمی منجر شود.

۵.۲. انرژی تاریک و انبساط کیهان

همانطور که اشاره شد، بزرگترین چالش ما درک ماهیت انرژی تاریک ((w)) است. این پارامتر نشان می‌دهد که چگونه فشار انرژی تاریک با چگالی آن تغییر می‌کند. اگر (w = -1)، انرژی تاریک یک ثابت کیهانی است؛ اگر با زمان تغییر کند، ماهیت آن پیچیده‌تر خواهد بود.

SPHEREx با اندازه‌گیری دقیق فواصل (با استفاده از ویژگی‌های طیفی کهکشان‌های دور) و سرخ‌گرایی آنها، می‌تواند تاریخ انبساط کیهان را با دقت بیشتری بازسازی کند. برای این منظور، از کوازارها و کهکشان‌های درخشان به عنوان شمع‌های استاندارد (Standard Candles) استفاده می‌شود. داده‌های ۱۰۲ کاناله امکان تفکیک بهتر این شمع‌ها از نویز زمینه را فراهم می‌سازد و دقت اندازه‌گیری (w) را افزایش می‌دهد.

۵.۳. توزیع ماده تاریک و خوشه‌بندی

ماده تاریک، سازه اصلی گرانشی جهان است که خوشه‌ها و رشته‌های کهکشانی بر اساس آن شکل گرفته‌اند. با نقشه‌برداری از توزیع کهکشان‌ها، SPHEREx ناسا نقشه‌ای غیرمستقیم از توزیع ماده تاریک فراهم می‌کند. این داده‌ها برای مدل‌سازی شبیه‌سازی‌های کیهان‌شناسی (مانند شبیه‌سازی Millennium یا Illustris) بسیار مهم هستند، زیرا صحت مدل‌ها را در مقیاس‌های بزرگ مورد آزمون قرار می‌دهند.

۶. بررسی نقش داده‌های اسفرکس در مطالعه تکامل کهکشان‌ها طی ۱۴ میلیارد سال

کهکشان‌ها، بازیگران اصلی در صحنه کیهان هستند و تکامل آنها از توده‌های گازی اولیه تا ساختارهای مارپیچی و بیضوی کنونی، نشان‌دهنده تاریخچه کیهانی است. تلسکوپ اسفرکس با رصد کهکشان‌ها در طول زمان‌های مختلف کیهانی، این تاریخچه را بازسازی می‌کند.

۶.۱. رصد کهکشان‌های باستانی (High-Redshift Galaxies)

نور کهکشان‌هایی که در فاصله ۱۰ تا ۱۳ میلیارد سال نوری قرار دارند، اکنون با سرخ‌گرایی شدید (z > 6) به فروسرخ کشیده شده‌اند. این اجرام، کهکشان‌های نوزاد کیهان هستند که اولین ستارگان سنگین خود را تشکیل داده‌اند.

SPHEREx از طریق ۱۰۲ باند طیفی خود می‌تواند:

تعیین سن ستارگان: با تحلیل توزیع کلی نور در طیف فروسرخ، می‌توان نسبت ستارگان جوان و پیر در آن کهکشان باستانی را تخمین زد.
نرخ تشکیل ستاره: نور فروسرخ به طور مستقیم با نرخ تشکیل ستاره‌های پرجرم مرتبط است، زیرا این ستارگان به سرعت می‌میرند و انرژی خود را در قالب تابش‌های فروسرخ آزاد می‌کنند. SPHEREx با پوشش گسترده، به ما امکان می‌دهد تا نرخ تشکیل ستاره در کیهان اولیه را با دقت بیشتری نسبت به هر بررسی قبلی نقشه‌برداری کنیم.

۶.۲. نقش ادغام و زایش کهکشان‌ها

تکامل کهکشان‌ها غالباً از طریق برخوردها و ادغام‌ها صورت می‌گیرد. این رویدادها باعث افزایش فعالیت هسته‌ای (فعال شدن AGN) و انفجار تشکیل ستاره می‌شوند.

داده‌های نقشه کامل آسمان SPHEREx امکان شناسایی خوشه‌های کهکشانی متراکم را در اعماق فضا فراهم می‌آورد. با بررسی توزیع طیفی این خوشه‌ها در فواصل مختلف، می‌توان مشاهده کرد که چگونه کهکشان‌های بیضوی (که معمولاً در ادغام‌های بزرگ شکل می‌گیرند) در طول زمان غالب شده‌اند، در حالی که کهکشان‌های مارپیچی جوان‌تر بیشتر در نواحی کم‌تراکم مشاهده می‌شوند.

۶.۳. مشاهده ابرهای درخشان در فروسرخ (Dust Obscured Galaxies)

بسیاری از کهکشان‌هایی که نرخ تشکیل ستاره بسیار بالایی دارند، در نور مرئی کاملاً توسط گرد و غبار پوشیده شده‌اند. این کهکشان‌ها، که قبلاً تنها از طریق رصد امواج رادیویی یا فروسرخ عمیق (مانند هابل) شناسایی می‌شدند، توسط SPHEREx به طور سیستماتیک شناسایی می‌شوند. طیف‌های ۱۰۲ کاناله آنها اجازه می‌دهد تا منشأ گرمای فروسرخ (آیا ناشی از ستاره‌زایی فعال است یا فعالیت AGN) با وضوح بیشتری مشخص شود، که این امر درک ما از چرخه عمر ستارگان و کهکشان‌ها را بهبود می‌بخشد.

۷. کمک اسفرکس به شناسایی عناصر مرتبط با منشأ حیات در راه شیری

هرچند مأموریت اصلی SPHEREx کیهان‌شناسی است، اما توانایی‌های طیف‌سنجی فروسرخ آن در رصد کهکشان راه شیری، فرصت‌های بی‌نظیری را برای زیست‌اخترشناسی (Astrobiology) فراهم می‌آورد.

۷.۱. نقش آب، متان و مولکول‌های آلی در غبار بین‌ستاره‌ای

آب ((H_2O)) و مولکول‌های آلی پیچیده مانند متان ((CH_4))، که بلوک‌های سازنده حیات زمینی هستند، دارای خطوط جذبی مشخصی در محدوده فروسرخ نزدیک هستند که SPHEREx قادر به ردیابی آنهاست.

تلسکوپ SPHEREx ناسا با اسکن کامل مسیر کهکشانی ما، به ویژه در مناطقی که ابرهای مولکولی بزرگ یا مناطق تشکیل ستاره وجود دارند، می‌تواند:

نقشه‌برداری از توزیع آب: مشاهده میزان آب موجود در این ابرهای سرد کیهانی که خوراک نهایی تشکیل سیارات جدید هستند.
شناسایی مواد آلی: ثبت طیف مولکول‌های آلی پیچیده (Prebiotic Molecules) در مهدکودک‌های ستاره‌ای. این داده‌ها نشان می‌دهند که این مواد حیاتی چقدر در کیهان فراگیر هستند و آیا شرایط اولیه برای شکل‌گیری حیات، جهانی است یا صرفاً یک پدیده محلی.

۷.۲. مطالعه محیط‌های سیاره‌سازی (Protoplanetary Disks)

دیسک‌های گرد و غبار و گاز اطراف ستارگان جوان، جایی که سیارات متولد می‌شوند، تابشگرهای فروسرخ قدرتمندی هستند. با استفاده از طیف فروسرخ، SPHEREx می‌تواند:

تحلیل ترکیب دیسک: تعیین نسبت عناصر سنگین و سبک در دیسک‌های سیاره‌سازی در کهکشان راه شیری.
جستجوی سیارات فراخورشیدی: اگرچه SPHEREx مستقیماً سیارات را تصویربرداری نمی‌کند، اما تغییرات بسیار جزئی در درخشندگی یک ستاره (که ناشی از گذر یک سیاره یا مواد باقی‌مانده از سیاره‌زایی است) در ۱۰۲ باند طیفی، می‌تواند سرنخ‌هایی از وجود سیارات فراخورشیدی، به ویژه غول‌های گازی یا ابرزمین‌ها، ارائه دهد.

این اطلاعات مکمل، نقش تلسکوپ اسفرکس را از یک ابزار صرفاً کیهان‌شناسی به یک ابزار چندمنظوره گسترش می‌دهد.

۸. شرح فنی مدار، نحوه اسکن آسمان، تعداد تصاویر و چرخه ۶ماهه

موفقیت یک مأموریت نقشه‌برداری فضایی به طراحی دقیق مداری و استراتژی رصد آن بستگی دارد. SPHEREx برای به حداکثر رساندن پوشش آسمانی، از یک مدار خورشیدی-زمین خاص استفاده خواهد کرد.

۸.۱. مدار عملیاتی: نقطه لاگرانژ دوم (L2)

SPHEREx قرار است در مداری در اطراف نقطه لاگرانژ دوم خورشید-زمین (Sun-Earth L2) مستقر شود. این نقطه در فاصله حدود ۱.۵ میلیون کیلومتری زمین در جهت مخالف خورشید قرار دارد.

مزایای مدار L2 برای SPHEREx:

سایه مداوم: قرارگیری در L2 امکان می‌دهد تا تلسکوپ همواره از تابش مستقیم خورشید و گرمای زمین و ماه محافظت شود. این امر برای رصد فروسرخ (که به شدت به خنک‌سازی نیاز دارد) حیاتی است.
دسترسی آسان به ارتباطات: امکان ارسال داده‌ها به زمین با سرعت بالا فراهم می‌شود، زیرا موانع سیاره‌ای به حداقل می‌رسد.

۸.۲. استراتژی رصد: اسکن مداوم و چرخشی

SPHEREx یک تلسکوپ چرخشی (Spinning Telescope) است. این تلسکوپ با چرخیدن حول محور خود (تقریباً با سرعت چند دور در دقیقه) و همزمان حرکت در مدار خود به دور L2، کل آسمان را مسح می‌کند.

میدان دید: تلسکوپ دارای میدان دید وسیعی است که به آن اجازه می‌دهد در هر دور اسکن، بخش بزرگی از آسمان را ثبت کند.
پوشش کامل: هدف اصلی SPHEREx این است که کل آسمان را حداقل ۶ بار در طول عمر عملیاتی خود رصد کند. این پوشش‌های مکرر برای افزایش نسبت سیگنال به نویز (SNR) و همچنین شناسایی اجرام متغیر ضروری است.

۸.۳. تعداد تصاویر و چرخه ۶ماهه

این مأموریت یک مأموریت با نرخ داده بالا (High-Cadence) است. انتظار می‌رود SPHEREx در طول عمر ۳ ساله خود، میلیاردها نقطه داده را جمع‌آوری کند. هر “گذر” یا اسکن کامل آسمان حدود ۶ ماه طول می‌کشد. در پایان این دوره ۶ ماهه، تلسکوپ به دلیل حرکت مداری زمین، آسمان را از یک زاویه متفاوت مشاهده می‌کند، که این امر امکان تشخیص بهتر عمق و ویژگی‌های طیفی را فراهم می‌آورد. در طول عملیات، بیش از ۱۰ مورد پوشش کامل مورد انتظار است.

۹. ساختار فنی آشکارسازها، فیلترها و نحوه تولید ۱۰۲ نقشه هم‌زمان

قلب فنی تلسکوپ اسفرکس سیستم نوری و آشکارسازهای پیشرفته آن است که امکان تولید هم‌زمان ۱۰۲ نقشه طیفی را فراهم می‌کند.

۹.۱. آرایه آشکارسازها و هدایت نور

SPHEREx از یک تلسکوپ رفلکتور کوچک (حدود ۵۰ سانتی‌متر قطر آینه اولیه) استفاده می‌کند. نور جمع‌آوری شده توسط آینه به سمت یک سیستم پیچیده از منشورها و تداخل‌سنج‌ها هدایت می‌شود.

به جای استفاده از یک آشکارساز واحد، سیستم از چندین آشکارساز CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) استفاده می‌کند که برای کار در فروسرخ توسعه یافته‌اند. CMOS‌ها به دلیل سرعت بالای خوانش و قابلیت تولید آرایه‌های بزرگ، برای عملیات نقشه‌برداری سریع ایده‌آل هستند.

۹.۲. سیستم فیلتر تداخلی (Interference Filter Array)

راز ۱۰۲ کانال در آرایه فیلترهای تداخلی نهفته است. نور ورودی به سمت یک صفحه فیلتر چندلایه هدایت می‌شود. این فیلترها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که هر کدام نور را تنها در یک بازه طول موج بسیار باریک عبور دهند.

فرض کنید ما یک آرایه از ۱۰۲ فیلتر مجزا داریم که به صورت مجاور هم در مسیر نوری قرار گرفته‌اند. نوری که از یک نقطه خاص در آسمان می‌آید، همزمان توسط همه این فیلترها مورد برخورد قرار می‌گیرد، اما فقط نور در طول موج مشخص هر فیلتر از آن عبور کرده و به آشکارساز مربوطه می‌رسد.

این پیکربندی منحصر به فرد اجازه می‌دهد که داده‌های ۱۰۲ کانال به طور هم‌زمان و برای یک میدان دید واحد ثبت شوند. این امر از خطاهای ناشی از تغییرات موقت در روشنایی اجرام در طول زمان جلوگیری می‌کند. این رویکرد، روشی متفاوت با طیف‌سنج‌های اسکن‌کننده (مثل NIRSpec در JWST) است و SPHEREx را به یک ابزار “Pushbroom” در حوزه طیف‌سنجی تبدیل می‌کند.

۹.۳. چالش‌های حرارتی و خنک‌سازی

کار در فروسرخ نیازمند دمای بسیار پایین است، زیرا گرمای خود تلسکوپ و اجزای الکترونیکی می‌تواند سیگنال‌های فروسرخ ضعیف کیهانی را بپوشاند (نویز حرارتی).

SPHEREx از یک سیستم خنک‌سازی دو مرحله‌ای استفاده می‌کند:

خنک‌کننده پسیو: طراحی ساختاری برای تابش حداکثری گرما به فضای سرد کیهانی.
خنک‌کننده فعال (Cryocooler): برای حفظ آشکارسازها در دمایی در حدود ۵۰ کلوین ((K \approx -223^\circ C)) برای کاهش نویز حرارتی به حداقل ممکن. دقت در حفظ این دما برای ثبت دقیق داده‌های طیف فروسرخ حیاتی است.

۱۰. ارزش داده‌های اسفرکس برای جامعه علمی جهانی و همکاری با مأموریت‌های دیگر

تلسکوپ اسفرکس قرار است یک منبع داده باز و عمومی (Open Access) باشد. این تعهد به اشتراک‌گذاری اطلاعات، ارزش علمی مأموریت را برای کل جامعه اخترشناسی جهانی به طرز چشمگیری افزایش می‌دهد.

۱۰.۱. تولید یک پایگاه داده جهانی

زمانی که داده‌ها منتشر شوند، اخترشناسان در سراسر جهان، صرف نظر از اینکه در توسعه SPHEREx نقش داشته‌اند یا خیر، می‌توانند از آنها استفاده کنند. نقشه کامل آسمان با ۱۰۲ لایه اطلاعاتی، امکان پروژه‌های تحقیقاتی گسترده‌ای را فراهم می‌آورد که فراتر از اهداف اصلی مأموریت است.

تحقیقات سیارات فراخورشیدی: تیم‌های تحقیقاتی که در حال مطالعه اتمسفر سیارات فراخورشیدی با JWST یا تلسکوپ‌های زمینی هستند، می‌توانند از داده‌های SPHEREx برای ترسیم بهتر زمینه کهکشانی و درک فراوانی مواد اولیه در بازوی راه شیری استفاده کنند.
مطالعات کهکشان‌های نادیده گرفته شده: بسیاری از کهکشان‌های کم‌نور یا با توزیع غیرمعمول در بررسی‌های مرئی نادیده گرفته شده‌اند. SPHEREx این اجرام را در طیف فروسرخ شناسایی کرده و به آنها اهمیت مضاعفی می‌بخشد.

۱۰.۲. همکاری با مأموریت‌های آینده: هم‌افزایی اطلاعاتی

SPHEREx در دهه ۲۰۲۰ میلادی عملیاتی می‌شود و داده‌های آن همزمان با فازهای نهایی مأموریت‌هایی مانند تلسکوپ فضایی اقلیدس (Euclid) آژانس فضایی اروپا و در موازات فعالیت‌های JWST و تلسکوپ‌های بزرگ زمینی (مانند Vera C. Rubin Observatory) خواهد بود.

همکاری به این شکل است:

Euclid و SPHEREx: اقلیدس نقشه‌برداری بسیار دقیقی از توزیع کهکشان‌ها برای مطالعه انرژی تاریک انجام می‌دهد، اما رزولوشن طیفی آن کمتر است. SPHEREx با فراهم کردن داده‌های طیف فروسرخ دقیق‌تر برای زیرمجموعه‌ای از کهکشان‌های اقلیدس، به کالیبراسیون و اعتبارسنجی فواصل کیهانی در مأموریت اقلیدس کمک شایانی خواهد کرد.
آزمایش‌های مدل‌های فیزیکی: اگر SPHEREx شواهدی قوی از انحرافات در مدل استاندارد کیهان‌شناسی ارائه دهد، این داده‌ها به عنوان نقطه شروعی برای طراحی دقیق‌تر مشاهدات توسط تلسکوپ‌های نسل بعدی (مانند Nancy Grace Roman Space Telescope) خواهند بود.

به طور خلاصه، تلسکوپ اسفرکس یک سنگ بنای داده‌ای است که چندین نسل از اخترشناسی کیهانی را تغذیه خواهد کرد.

۱۱. محدودیت‌ها، چالش‌ها و آینده مأموریت

مانند هر مأموریت فضایی جاه‌طلبانه، SPHEREx نیز با محدودیت‌های فنی و چالش‌های عملیاتی روبرو است.

۱۱.۱. محدودیت‌های رزولوشن فضایی

بزرگترین محدودیت SPHEREx، مقایسه با ابزارهای مانند JWST، رزولوشن فضایی (قدرت تفکیک) آن است. آینه کوچک‌تر و طراحی طیف‌سنجی چندکاناله به این معنی است که SPHEREx نمی‌تواند جزئیات ساختاری دقیق یک کهکشان منفرد را مشاهده کند.

در واقع، اغلب داده‌های آن از یک ناحیه آسمانی به صورت میانگین‌گیری شده (Averaged) ثبت می‌شود. اگر یک نقطه نورانی در نقشه SPHEREx ناسا حاوی چندین کهکشان بسیار نزدیک به هم باشد، تفکیک آنها در یکدیگر ادغام شده و تحلیل طیفی آنها دشوارتر خواهد شد. این یک محدودیت ذاتی است که برای دستیابی به پوشش وسیع آسمان پذیرفته شده است.

۱۱.۲. چالش‌های فنی عملیاتی

اگرچه مدار L2 پایدار است، اما پیچیدگی سیستم فیلترها و نیاز به حفظ دمای بسیار پایین آشکارسازها، همواره چالش‌هایی در طول عمر عملیاتی ایجاد می‌کند. هر گونه تخریب یا آلودگی فیلترها به دلیل برخورد ریزشهاب‌سنگ‌ها می‌تواند بر دقت ۱۰۲ کانال طیفی تأثیر بگذارد.

۱۱.۳. محدودیت زمان عملیات

طول عمر عملیاتی طراحی شده برای SPHEREx حدود ۳ سال است. با توجه به حجم عظیم داده‌ها و نیاز به حداقل ۶ گذر کامل از آسمان، این زمان نسبتاً محدود است. تأخیر در پرتاب یا مشکلات اولیه می‌تواند مستقیماً بر کیفیت آماری نهایی نقشه کامل آسمان تأثیر بگذارد. با این حال، با توجه به اینکه این مأموریت برای مقایسه با مدل‌های کیهان‌شناسی طراحی شده است، حتی یک دوره عملیاتی ۳ ساله با کیفیت بالا، نتایج قابل توجهی خواهد داشت.

۱۲. تأثیر اسفرکس بر اخترشناسی دهه ۲۰۳۰

تلسکوپ اسفرکس به عنوان یک مأموریت “تولیدکننده داده‌های اصلی” (Pioneering Data Generator)، تأثیر عمیقی بر برنامه‌ریزی و جهت‌گیری اخترشناسی دهه ۲۰۳۰ خواهد داشت.

۱۲.۱. عصر تحلیل داده‌های عظیم کیهانی

SPHEREx بخشی از موج جدیدی از مأموریت‌های نقشه‌برداری با حجم داده عظیم است که شامل اقلیدس، روبین و همچنین نقشه‌برداری‌های طیفی بزرگ زمینی می‌شود. دهه ۲۰۳۰ عصر تحلیل و تفسیر این حجم بی‌سابقه از داده‌ها خواهد بود. SPHEREx ناسا با ارائه نقشه طیفی ۱۰۲ رنگی، مدل‌های نظری را به چالش خواهد کشید و مسیر تحقیقات جدیدی را تعریف خواهد کرد.

۱۲.۲. تقاضا برای طیف‌سنجی فروسرخ با رزولوشن بالاتر

داده‌های SPHEREx، اگرچه با رزولوشن طیفی متوسط هستند، اما بر روی میلیاردها جرم اعمال شده‌اند. این داده‌ها به دانشمندان نشان خواهند داد که کدام مناطق از کیهان (مثلاً کهکشان‌های با سرخ‌گرایی خاص یا محیط‌های خاص در راه شیری) بیشترین پتانسیل علمی را دارند. این امر باعث می‌شود مأموریت‌های آینده، مانند تلسکوپ‌های نسل بعدی، ابزارهای طیف‌سنجی با رزولوشن بسیار بالاتری را برای تمرکز دقیق بر این اهداف شناسایی‌شده توسط SPHEREx طراحی کنند.

۱۲.۳. بازتعریف انرژی تاریک

اگر اندازه‌گیری‌های نقشه کامل آسمان SPHEREx نشان دهد که پارامتر انرژی تاریک ((w)) در فواصل مختلف کیهانی کمی متفاوت است، این امر می‌تواند نیاز به یک فیزیک فراتر از مدل استاندارد کیهان‌شناسی (Lambda-CDM) را تأیید کند. این کشف، بدون شک، بزرگترین دستاورد علمی دهه آینده خواهد بود و تأثیر آن بر فیزیک نظری عمیق خواهد بود.

تلسکوپ اسفرکس صرفاً یک دوربین دیگر نیست؛ بلکه یک میکروسکوپ کیهانی است که جهان را در ۱۰۲ رنگ مختلف برای اولین بار نقشه‌برداری می‌کند و به دانشمندان امکان می‌دهد تا داستان ۱۴ میلیارد ساله خود را دقیق‌تر بنویسند.

پرسش‌های متداول (FAQ) درباره مأموریت SPHEREx

۱. تلسکوپ SPHEREx دقیقاً چه زمانی پرتاب می‌شود و عملیات آن چقدر طول خواهد کشید؟

SPHEREx ناسا در حال حاضر برای پرتاب در سال ۲۰۲۵ برنامه‌ریزی شده است. پس از رسیدن به مدار عملیاتی خود در نقطه L2 خورشید-زمین، انتظار می‌رود حداقل ۳ سال عملیات علمی فعال داشته باشد. در این مدت، کل آسمان حداقل ۶ بار اسکن خواهد شد.

۲. منظور از «۱۰۲ رنگ» چیست و این تفاوت با دوربین‌های معمولی چیست؟

«۱۰۲ رنگ» به ۱۰۲ باند طیفی مجزا در محدوده فروسرخ نزدیک (۰.۷ تا ۵.۰ میکرومتر) اشاره دارد که SPHEREx به طور هم‌زمان اندازه‌گیری می‌کند. دوربین‌های معمولی تنها چند باند رنگی محدود (مثل R، G، B) را ثبت می‌کنند. ۱۰۲ باند به معنای کسب طیف کامل هر جرم است که اطلاعات بسیار غنی‌تری درباره فاصله، ترکیب شیمیایی و دمای آن فراهم می‌کند.

۳. آیا SPHEREx می‌تواند سیارات فراخورشیدی قابل سکونت پیدا کند؟

خیر، تلسکوپ اسفرکس یک مأموریت جستجوی مستقیم سیاره نیست. هدف اصلی آن کیهان‌شناسی است. با این حال، توانایی آن در مطالعه طیف فروسرخ غبار و مولکول‌های پیش‌ساز حیات در راه شیری، اطلاعات زمینه‌ای حیاتی برای جستجوگران سیارات فراخورشیدی فراهم می‌آورد و می‌تواند محیط‌های ستاره‌زایی را رصد کند.

۴. تفاوت اصلی بین داده‌های SPHEREx و داده‌های تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) در چیست؟

JWST برای عمق و رزولوشن طیفی بسیار بالا طراحی شده است، اما میدان دید محدودی دارد و تنها بخش‌های کوچکی از آسمان را با جزئیات بررسی می‌کند. SPHEREx، بر خلاف آن، کل آسمان را با رزولوشن طیفی متوسط مسح می‌کند. SPHEREx چارچوب آماری گسترده را فراهم می‌کند، در حالی که JWST به مطالعه جزئیات عمیق‌ترین اجرام می‌پردازد.

۵. نقش اصلی داده‌های SPHEREx در مطالعه انرژی تاریک چیست؟

انرژی تاریک بر انبساط کیهان حاکم است. SPHEREx با ترسیم دقیق توزیع میلیاردها کهکشان در اعماق فضا (با استفاده از سرخ‌گرایی طیفی به دست آمده از ۱۰۲ کانال)، می‌تواند نوسانات چگالی ماده و انرژی در تاریخ کیهان را با دقت بی‌سابقه‌ای اندازه‌گیری کند و پارامترهای مدل انرژی تاریک را محدود سازد.

۶. آیا گرد و غبار کیهانی بر توانایی SPHEREx تأثیر می‌گذارد؟

خیر، در واقع، کار در فروسرخ یک مزیت در برابر گرد و غبار است. گرد و غبار کیهانی نور مرئی را جذب کرده و آن را به صورت فروسرخ دوباره تابش می‌دهد. تلسکوپ اسفرکس ناسا با تمرکز بر این طیف، قادر است ساختارهای پنهان در پشت این پرده‌های غبار را، به ویژه در کهکشان راه شیری، مشاهده کند.

۷. منظور از «نقشه‌برداری کیهانی» با ۱۰۲ کانال چیست؟

نقشه‌برداری کیهانی به ایجاد یک کاتالوگ سه بعدی از اجرام آسمانی اشاره دارد. افزودن ۱۰۲ کانال طیفی به این معنی است که هر نقطه در این نقشه سه بعدی (طول، عرض و عمق/فاصله) دارای یک “اثر انگشت” کامل از ۱۰۲ طول موج است. این کار فراتر از یک عکسبرداری ساده است و یک پایگاه داده تحلیلی از کیهان را شکل می‌دهد.

۸. داده‌های SPHEREx چه زمانی برای عموم در دسترس قرار خواهد گرفت؟

ناسا متعهد است که داده‌های خام و پردازش‌شده SPHEREx ناسا را پس از یک دوره پردازش اولیه و اعتبارسنجی، به صورت آزاد و عمومی در اختیار جامعه علمی جهانی قرار دهد. انتظار می‌رود اولین مجموعه داده‌های بزرگ پس از اتمام اولین چرخه‌های اسکن کامل، در دسترس قرار گیرند.

برچسب ها: ناسا

ورود / ثبت نام