ماموریت اقلیدس: ​​تلاش آژانس فضایی اروپا برای کشف دنیای تاریک

تقریباً 30 روز طول می‌کشد تا اقلیدس به مقصد خود، یعنی نقطه «لاگرانژ 2» برسد.

آژانس فضایی اروپا قصد دارد در مأموریت «اقلیدس» هندسه توزیع ماده در کهکشان‌ها را مطالعه کند تا درباره مؤلفه‌هایی از عالم که قادر به دیدن آن‌‌ها نیستیم - ماده تاریک و انرژی تاریک - اطلاعات بیشتری کسب کنیم. اقلیدس به فضا می‌رود تا عالم تاریک را برای ما روشن کند!

جزئیات مأموریت اقلیدس

اقلیدس که در سال 1392 توسط کمیته برنامه‌ریزی علمی آژانس فضایی اروپا برای اجرا انتخاب شد، دومین مأموریت کلاس M این آژانس است که قرار است در تاریخ ده تیرماه 1402 از «کیپ کاناورال» فلوریدا با موشک «فالکون 9» شرکت فضایی «اسپیس‌ایکس» به فضا پرتاب شود.

تقریباً 30 روز طول می‌کشد تا اقلیدس به مقصد خود، یعنی نقطه «لاگرانژ 2» برسد. این همان نقطه‌ای است که چندین تلسکوپ دیگر، همانند تلسکوپ «جیمز وب» در آن قرار دارند. نقطه لاگرانژ 2 که با L2 نیز نمایش داده می‌شود، در فاصله حدودی 1.5 میلیون کیلومتری از زمین قرار دارد. جرم اقلیدس هنگامی که به‌طور کامل در مدار مستقر شد، حدوداً دو تن خواهد بود.

نقطه لاگرانژ از آن جهت حائز اهمیت است که در این نقطه نیروی گرانش زمین و خورشید با نیروی گریز از مرکزی که به فضاپیما وارد می‌شود، خنثی می‌شود. پس مقدار خالص نیروی وارد به فضاپیما صفر (ناچیز) بوده و این مکان مناسبی برای استقرار فضاپیما است.

از آنجا که نقطه L2 در فاصله 1.5 کیلومتری از زمین در خلاف جهت مسیر رسیدن به خورشید قرار دارد، دید واضح‌تری از اعماق فضا برای ما فراهم می‌کند - زمین، ماه و خورشید در پشت فضاپیما قرار دارند. این نکته به اقلیدس کمک می‌کند تا تصویر واضح‌تری از کهکشان‌های عالم که در طول 10 میلیارد سال گذشته تشکیل شده‌اند، ترسیم کند.

اقلیدس به‌عنوان یک مأموریت فضایی برجسته، حداقل 6 سال به کار خود ادامه خواهد داد. در این مدت این فضاپیما 15000 مترمربع از آسمان را در طول موج‌های مرئی و مادون قرمز نزدیک رصد خواهد کرد. ساختار ابزار آن به‌طوری است که در هر پیمایش می‌تواند 0.5 درجه مربع از آسمان را تحت نظر بگیرد.

سفینه فضایی مأموریت اقلیدس

اقلیدس به‌عنوان یک فضاپیما با وزن 2100 کیلوگرم، ارتفاع 4.5 متر و قطر 3.1 متر، در مقایسه با ابعاد تلسکوپ فضایی جیمز وب، یک فضاپیمای متوسط است. تلسکوپی که روی این فضاپیما سوار می‌شود، 1.2 متری است و همان‌طور که گفتیم، در طول‌موج‌های فروسرخ به رصد آسمان می‌پردازد.

اقلیدس چه خواهد کرد؟

به‌طور خلاصه می‌توان گفت اقلیدس اطلاعات بیشتری در مورد عالم تاریک در اختیار دانشمندان قرار خواهد داد. یکی از اهداف اصلی این مأموریت، ترسیم دقیق میزان انتقال به سرخ کهکشان‌های مختلف است. هنگامی که یک جسم در اثر انبساط عالم از ما دور می‌شود، نور آن به طول‌موج‌های قرمزتر کشیده می‌شود که به این پدیده انتقال به سرخ می‌گویند. درحقیقت اقلیدس سرعت دور‌شدن کهکشان‌ها را بررسی می‌کند تا بتواند میزان انتقال به سرخ هریک از آن‌ها را استنباط کند.

قانون هابل می‌گوید فاصله تا یک کهکشان به این بستگی دارد که انبساط عالم با چه سرعتی یک کهکشان را از ما دور می‌کند. هرچه سرعت دور‌شدن کهکشان بیشتر باشد، انتقال به سرخ آن نیز بیشتر است. بنابراین با اندازه‌گیری سرعت دورشدن کهکشان‌ها و میزان انتقال به سرخ، می‌توان سرعت انبساط عالم را دریافت. اخترشناسان می‌توانند با دانستن رقم دقیق این سرعت انبساط، قدرت انرژی تاریک را حدس بزنند؛ زیرا باور دارند مسبب انبساط عالم، انرژی تاریک است.

اقلیدس مجهز به دو کاوشگر است که در رسیدن به این هدف به آن کمک می‌کنند. کاوشگر اول یکی از پدیده‌های لنز گرانشی را مطالعه می‌کند – خمش نور در اثر گرانش اجرام موجود در مسیر نور تا رسیدن به ما. این پدیده به نقشه‌برداری از توزیع ماده تاریک در اطراف کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی به اخترفیزیکدانان کمک می‌کند.

کاوشگر دیگر نوسانات آکوستیک باریونی (BAO) را مطالعه می‌کند – نوسانات موجود در تابش زمینه ریزموج کیهانی (CMB) که خود را در توزیع فضایی کهکشان‌ها نشان می‌دهد. در مقیاس‌های بسیار بزرگ، کهکشان‌ها تمایل دارند به‌صورت جفتی و با فاصله معینی از هم قرار گیرند و خوشه‌ها را شکل دهند. فاصله میان کهکشان‌ها در این حالت با امواج آکوستیک پلاسما (گاز یونیزه) عالم اولیه مرتبط است.

اندازه فاصله میان کهکشان‌هایی که خوشه‌ها را تشکیل می‌دهند، در طول زمان با انبساط عالم افزایش می‌یابد. بنابراین BAOها نقش یک خط‌‌کش استاندارد را برای اندازه‌گیری میزان انبساط عالم بازی می‌کنند.

ارتقا درک ما از هستی

انرژی تاریک اساساً نام مستعار چیزی است که سبب می‌شود عالم به‌صورت شتابدار منبسط شود - از آنجا که واقعاً نمی‌دانیم چیست، آن را نوعی انرژی می‌پنداریم. کلمه تاریک نیز از آنجا می‌آید که نمی‌توانیم آن را به کمک تابش الکترومغناطیس مشاهده کنیم. انرژی تاریک سهم عمده‌ای در عالم دارد – 68.3 درصد از کل جرم و انرژی موجود در عالم به انرژی تاریک اختصاص دارد.

به‌نظر می‌رسد انبساط شتابدار عالم حدود 5 میلیارد سال پیش آغاز شده است. تاکنون اخترشناسان تلاش کرده‌اند با کمک تلسکوپ‌های زمینی و رصد کهکشان‌ها، نرخ انبساط عالم را تخمین بزنند؛ اما اقلیدس درک ما در این زمینه را ارتقا خواهد داد. درحقیقت اقلیدس با اندازه‌گیری اینکه آیا چگالی انرژی تاریک در ده میلیارد سال گذشته دچار تغییر شده است یا خیر، درک ما را بهبود می‌بخشد.

از سوی دیگر، ماده تاریک مؤلفه غالب در عالم است. ماده تاریک حدوداً 26.8 درصد از کل ماده و انرژی عالم را تشکیل می‌دهد. بدون آن احتمالاً ستارگان در اوایل عالم شکل نمی‌گرفتند. ماده تاریک نیز همانند انرژی تاریک قابل مشاهده نیست و تابشی از خود ندارد، اما می‌توان آن را به کمک اثرات گرانشی که در فضا می‌گذارد، شناسایی کرد.

با مشاهده کهکشان‌های دوردست که نور آن‌ها در رسیدن به ما از میان ماده تاریک گذر کرده است، می‌توان میزان توزیع ماده تاریک را در آن مسیر اندازه گرفت. با انجام این کار برای چند میلیارد کهکشان، اقلیدس می‌تواند نقشه کاملی از توزیع ماده تاریک در عالم را تهیه کند.

اقلیدس به چه سؤالاتی پاسخ می‌دهد؟

پس از بررسی مفصل آنچه اقلیدس انجام خواهد داد، حالا می‌توانیم به‌صورت خلاصه به بیان سؤالاتی بپردازیم که اقلیدس در تلاش است تا به آن‌ها پاسخ دهد. این سؤالات عبارتند از:

• ساختار و تاریخچه وب کیهانی چیست؟
• ماهیت ماده تاریک چیست؟
• انبساط کیهان در طول زمان چگونه تغییر کرده است؟
• ماهیت انرژی تاریک چیست؟
• آیا درک ما از گرانش کامل است؟
• انرژی تاریک چطور سبب انبساط شتابدار عالم می‌شود؟

تفاوت این مأموریت با دیگر مطالعات ماده تاریک

تاکنون مطالعات زیادی با هدف کشف و درک بیشتر ماده تاریک در دنیا انجام شده است. بیشتر این مطالعات توسط تلسکوپ‌های زمینی انجام گرفته. تنها یک برنامه فضایی پیش از این به مطالعه ماده تاریک اختصاص داده شده بود (تلسکوپ «Roman» ناسا). جالب است بدانید کیفیت تصاویری که توسط اقلیدس ثبت خواهد شد، چهار‌برابر بیشتر از تصاویری است که از زمین و توسط تلسکوپ‌های زمینی ثبت شده.

اما اقلیدس جدا از آنکه یک مأموریت فضایی برجسته است، به‌دلیل دقت بالای کاوشگرهای خود می‌تواند حتی خطاهای سیستماتیک مربوط به لنز گرانشی ضعیف را به حداقل برسد و بدین‌ترتیب کیفیت و دقت نتایج ثبت‌شده را ارتقا دهد.

علاوه‌براین، طراحی خاص تلسکوپ اقلیدس به آن اجازه می‌دهد تا مساحت وسیعی از آسمان (حدوداً 36 درصد) را در مدت‌زمان نسبتاً کوتاهی - شش سال - پوشش دهد. اقلیدس در طول‌موج‌های نزدیک به فروسرخ طیف‌سنجی‌هایی انجام خواهد داد که بی‌شک بسیار ارزشمند هستند؛ زیرا این طول‌موج توسط جو زمین جذب می‌شود و ما قادر نیستیم آن را از روی زمین مشاهده کنیم. این اطلاعات برای اندازه‌گیری دقیق سرعت صدها میلیون کهکشان مورد استفاده قرار می‌گیرد. طیف‌سنجی کهکشان‌ها و اجرام مختلف همچنین به دانشمندان اجازه می‌دهد ساختار شیمیایی اجرام مختلف را مورد مطالعه قرار دهند.

به‌نظر می‌رسد اقلیدس بایگانی عظیم و ارزشمندی از داده‌های منحصربه‌فرد تولید خواهد کرد که از نظر حجمی نسبت به یک مأموریت فضایی بی‌سابقه خواهند بود. این دهه‌ها مطالعه و تحقیق در تمام شاخه‌های علم نجوم را فراهم خواهند کرد.

نام‌گذاری مأموریت

از آنجا که هدف این مأموریت بررسی هندسه عالم به کمک توزیع ماده‌ تاریک و انرژی تاریک است، دانشمندان و مهندسان پروژه نام «اقلیدس» را برای آن انتخاب کردند. اقلیدس ریاضی‌دان یونانی شهر اقلیدس اسکندریه در زمان اسکندر مقدونی بود که به‌عنوان «پدر هندسه» در دنیا شناخته می‌شود. اگرچه جزئیات زندگی او با دقت بالایی مشخص نیست، اما می‌دانیم او مخترع علم هندسه بود و هندسه را به‌عنوان شاخه‌ای از علم ریاضیات مطالعه می‌کرد.

اقلیدس مفاهیمی را در زمان خود مطرح کرد که امروزه از آن‌ها تحت عنوان «هندسه اقلیدسی» یاد می‌کنیم. این مفاهیم اساس و پایه زمینه‌های ریاضیاتی متفاوت مانند مثلثات هستند.

امروزه می‌دانیم عالم از هندسه اقلیدسی پیروی می‌کند؛ به عبارت دیگر، می‌توان عالم را با مفاهیم مطرح‌شده در هندسه اقلیدسی شرح داد. اندازه‌گیری‌های کاوشگر «ناهمسانگردی مایکروویو ویلکینسون» (WMAP) ناسا نشان می‌دهد که عالم با تقریب بسیار خوبی تخت و مسطح است و انحنای کره‌‌مانند یا زین‌مانندی ندارد. این‌طور می‌توان گفت که خطوط موازی در عالم همیشه موازی می‌مانند و مجموع زوایای داخلی هر مثلث همیشه 180 درجه است - این موارد از آنجا ناشی می‌شود که عالم ما تخت است.

همکاری ناسا با آژانس فضایی اروپا

اقلیدس یک مأموریت کاملاً اروپایی است که توسط آژانس فضایی اروپا برنامه‌ریزی شده و انجام می‌شود. در این مأموریت که ناسا نیز به‌صورت جزئی همکاری داشته است، بیش از 2000 دانشمند از 300 مؤسسه در 13 کشور اروپایی و همچنین ایالات‌متحده، کانادا و ژاپن همکاری کرده‌اند.

آژانس فضایی اروپا که به‌اختصار «ESA» نامیده می‌شود، شرکت «Thales Alenia Space» را به‌عنوان پیمانکار اصلی ساخت ماهواره و ماژول این مأموریت انتخاب کرده است. همکاری ناسا در این مأموریت در حد ساخت یکی از آشکارسازهای مادون قرمز اقلیدس بوده است. ناسا در تابستان سال 1393 به این برنامه ملحق شد.

از سوی دیگر، ناسا مرکز علمی «IPAC (ENSCI)» را به منظور حمایت از تحقیقات در‌زمینه داده‌های جمع‌آوری‌شده توسط اقلیدس در خاک ایالات‌متحده تاسیس کرده است. این شرکت در بخش ارائه الگوریتم و توسعه نرم‌افزارهای مرتبط با این تلسکوپ، ارتقای کیفیت داده‌ها و پردازش آن‌ها با آژانس فضایی اروپا همکاری می‌کند.