Μεγάλα τηλεσκόπια, συνεχώς μεγαλύτερα
Οι γνώσεις μας για το Σύμπαν συνεχώς διευρύνονται. Όλο και περισσότερες γωνιές του ηλιακού μας συστήματος εξερευνώνται, ενώ χιλιάδες εξωπλανήτες έχουν ανακαλυφθεί γύρω από μακρινά αστέρια, πολλοί από αυτούς βραχώδεις σαν τη Γη. Ένας από τους σημαντικότερους σκοπούς σε αυτή την αναζήτηση είναι να διαπιστώσουμε αν οι συνθήκες του πλανήτη μας, οι οποίες επέτρεψαν την εμφάνισή μας και τη δημιουργία των πολιτισμών μας, είναι μοναδικές, ένα ατύχημα, ή αν πρόκειται για μια συνηθισμένη εξέλιξη που συναντάται και σε άλλους πλανήτες. Σε αυτή την αναζήτηση συνεχώς μεγαλύτερα και ακριβέστερα όργανα αστρονομικής παρατήρησης κατασκευάζονται προκειμένου να εδραιώσουμε τις γνώσεις μας και να απαντήσουμε στα νέα ερωτήματα που προκύπτουν.
Σήμερα, στην κορυφή της λίστας με τα μεγαλύτερα τηλεσκόπια βρίσκεται το Gran Telescopio Canarias, με διάμετρο 11,5 μέτρα, στο νησί Λα Πάλμα των Κανάριων Νήσων, ενώ ακολουθούν τα Keck 1 και 2 με διάμετρο 10 μέτρων το καθένα. Ακολουθούν τηλεσκόπια στη Νότια Αφρική, τη Χιλή, τη Χαβάη κ.α., ενώ ετοιμάζονται τηλεσκόπια με διαμέτρους 20 και 30 μέτρων για την επόμενη δεκαετία. Παρ’ όλο που αυξάνεται η διάμετρος των τηλεσκοπίων, όλα αυτά τα όργανα έχουν να αντιμετωπίσουν το ανυπέρβλητο εμπόδιο της γήινης ατμόσφαιρας.
Η ατμοσφαιρική διαταραχή
Καθώς το φως ταξιδεύει διαμέσου της ατμόσφαιρας, το μέτωπο του φωτεινού κύματος παραμορφώνεται σημαντικά από τις τυρβώδες κινήσεις του ατμοσφαιρικού αέρα, με αποτέλεσμα η ατμόσφαιρα να είναι ο κύριος παράγοντας που καθορίζει την ποιότητα των εικόνων των τηλεσκοπίων.
Η ατμοσφαιρική διαταραχή, όπως ονομάζεται το φαινόμενο, είναι ο λόγος που τις νύχτες βλέπουμε τα αστέρια να λαμπυρίζουν. Όσο όμορφο κι αν είναι αυτό το λαμπύρισμα, προφανώς δεν είναι ευνοϊκό για τους αστρονόμους που θέλουν όσο γίνεται λιγότερο τυρβώδη ατμόσφαιρα για να λάβουν υψηλής ποιότητας παρατηρήσεις.
Ειδικότερα στην περίπτωση των εξωπλανητών, οι συνθήκες πρέπει να είναι σχεδόν ιδεατές, καθώς απαιτούνται μετρήσεις εξαιρετικά αμυδρών μεταβολών στη λαμπρότητα, οι οποίες συχνά χάνονται μέσα στον θόρυβο των παρατηρήσεων.
Επομένως, όσο καλή κι αν είναι μια τοποθεσία για την ανέγερση ενός τηλεσκοπίου, οι επιπτώσεις των ατμοσφαιρικών διαταραχών δεν εξαλείφονται πλήρως. Μεγάλο μέρος της έρευνας στην Αστρονομία αφορά την αντιμετώπιση των οπτικών παραμορφώσεων που εισάγονται από την ατμόσφαιρα. Με τη βοήθεια της προσαρμοστικής οπτικής αποτυπώνεται η μορφή του μετώπου κύματος όταν αυτό φτάνει στο τηλεσκόπιο και εν συνεχεία, με τη βοήθεια ειδικών αλγόριθμων, υπολογίζεται η μορφή που θα πρέπει να πάρει το κάτοπτρο ώστε να εξομαλύνει το σχήμα του μετώπου κύματος. Η διόρθωση αυτή γίνεται σε πραγματικό χρόνο κατά τη διάρκεια της παρατήρησης με τη βοήθεια ειδικών μηχανισμών, όπως έμβολα και κινητήρες που παραμορφώνουν και μετακινούν τα κάτοπτρα με αντίστοιχο τρόπο ώστε να προσαρμόζονται στις παραμορφώσεις που οφείλονται στην ατμόσφαιρα.
Ειδικότερα στα νέα μεγάλα τηλεσκόπια, των οποίων τα κάτοπτρα αποτελούνται από επιμέρους μικρότερα τμήματα, οι μηχανικές απαιτήσεις είναι πολύ υψηλές, καθώς θα πρέπει τα κάτοπτρα αυτά να ευθυγραμμίζονται με τρομερή ακρίβεια ώστε να στοχεύουν στο ίδιο σημείο.
Τεχνητοί αστέρες και μικροσκοπικοί δορυφόροι
Η σωστή στόχευση των τηλεσκοπίων και οι απαραίτητες διορθώσεις απαιτούν μια φωτεινή πηγή αναφοράς στο αστρικό πεδίο. Οι αστρονόμοι χρησιμοποιούσαν πρότυπους αστέρες, δηλαδή λαμπρούς αστέρες των οποίων η φωτεινότητα και οι ιδιότητες είναι ήδη γνωστές. Κάτι τέτοιο όμως, όπως είναι προφανές, δεν είναι εφικτό για όλες τις παρατηρήσεις, καθώς δεν υπάρχουν πρότυποι αστέρες μέσα σε όλα τα αστρικά πεδία.
Μια πιο πρόσφατη μέθοδος, η οποία επιτρέπει την παρατήρηση αστρικών πεδίων χωρίς τέτοιους πρότυπους αστέρες, είναι η χρήση ενός τεχνητού αστέρα. Αυτός δημιουργείται σε ύψος μερικών δεκάδων χιλιομέτρων μέσα στην ατμόσφαιρα από μια δέσμη λέιζερ που εκτοξεύεται από τη Γη και διεγείρει τα άτομα νατρίου σε αυτό το ύψος, τα οποία με τη σειρά τους φωτοβολούν.
Πρόσφατα, μια ομάδα επιστημόνων από το MIT (Massachusetts Institute of Technology) και το Πανεπιστήμιο της Αριζόνα χρηματοδοτήθηκε από τη NASA για να εξετάσει μια νέα προσέγγιση: τη δυνατότητα να δημιουργείται ο πρότυπος αστέρας όχι από λέιζερ στη Γη, αλλά από μικρούς δορυφόρους, σε μέγεθος κουτιού παπουτσιού, σε κατάλληλο ύψος στο διάστημα πάνω από τα μεγάλα τηλεσκόπια.
Όπως δείχνει η μελέτη που πρόσφατα δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό “Astronomical Journal”, η μέθοδος αυτή είναι εφικτή και παρουσιάζει πλεονεκτήματα σε σχέση με την ήδη χρησιμοποιούμενη μέθοδο. Μάλιστα, αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να βοηθήσει και διαστημικά τηλεσκόπια. Τα τελευταία, παρ’ όλο που δεν υπόκεινται στην ατμοσφαιρική διαταραχή, χρειάζονται σταθερές πηγές για να διορθώσουν τις μικρές κινήσεις των τμημάτων των κατόπτρων τους κατά τη στόχευση. Όπως τονίζουν οι συγγραφείς, χρησιμοποιώντας τους μικροσκοπικούς αυτούς δορυφόρους σε συνδυασμό με διαστημικές αποστολές, όπως το James Webb Space Telescope και το LUVOIR, είναι δυνατόν να επιτευχθεί μείωση του κόστους τους, χωρίς να πέσουν οι αναμενόμενες επιδόσεις αυτών των οργάνων. Αυτό μπορεί να συμβεί επειδή, έχοντας τεχνητούς αστέρες κοντά σε διαστημικά τηλεσκόπια, μπορεί να επιτρέψει στους κατασκευαστές να «χαλαρώσουν» τις προδιαγραφές που αφορούν την ευστάθεια, μειώνοντας έτσι το κόστος κατασκευής και τη μάζα των τηλεσκοπίων.
Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb
Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (James Webb Space Telescope, JWST) είναι η αποστολή που έχει προγραμματιστεί να διαδεχτεί το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble, το οποίο μας έχει δώσει αξεπέραστες νέες πληροφορίες για το Σύμπαν τα τελευταία τριάντα χρόνια περίπου. Παρ’ όλο που η σύλληψη και κατασκευή του τηλεσκοπίου έχουν ξεκινήσει από τη δεκαετία του 1990, στην πορεία η αποστολή έχει επανασχεδιαστεί και καθυστερήσει, με τελευταία καθυστέρηση την αναβολή της εκτόξευσής του τον Ιούνιο του 2018 και τον προγραμματισμό της για τον Μάρτιο του 2021.
Το JWST εκμεταλλεύεται στο έπακρο τις νέες δυνατότητες που δίνει η τεχνολογία των υλικών και οι τεχνικές στην αστρονομική παρατήρηση. Κατά συνέπεια, παρ’ όλο που το βάρος του είναι περίπου δύο φορές μικρότερο από αυτό του Hubble, η επιφάνεια του κύριου κατόπτρου του είναι περίπου πέντε φορές μεγαλύτερη, αφού η διάμετρός του θα είναι περίπου 6,5 μέτρα. Το μέγεθος αυτό είναι απαγορευτικό για ένα συμβατικό μονοκόμματο κάτοπτρο και επομένως αυτό θα αποτελείται από ένα μωσαϊκό 18 επιμέρους εξαγωνικών ανακλαστικών επιφανειών, κατασκευασμένων από επιχρυσωμένο βηρύλλιο. Τέτοια κάτοπτρα υπάρχουν ήδη σε μεγάλα επίγεια τηλεσκόπια, όπως το Keck στο όρος Mauna Kea, στη Χαβάη.
Το JWST θα τοποθετηθεί περίπου 2.700 φορές πιο μακριά από ό,τι το Hubble. Στην τελική του θέση, οι καθρέφτες του θα ξεδιπλωθούν σχηματίζοντας το μεγάλο του κάτοπτρο. Επειδή θα παρατηρεί κυρίως στο ερυθρό και στο υπέρυθρο τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, θα πρέπει να προστατεύεται από την παρασιτική θερμότητα λόγω της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας που θα δέχεται. Για αυτό τον λόγο θα προστατεύεται από μια ηλιακή ασπίδα.
Παρ’ όλο που το φως που θα συλλέγει το James Webb δεν θα υφίσταται τις παραμορφώσεις που εισάγονται από τη γήινη ατμόσφαιρα, απαιτούνται μηχανισμοί σταθεροποίησης της εικόνας όσο το τηλεσκόπιο θα παρακολουθεί το αστρικό πεδίο κατά την περιστροφή του στην ουράνια σφαίρα.
Η αποστολή LUVOIR
Προκειμένου να εμβαθύνουμε στη μελέτη των συνθηκών σε μακρινούς εξωπλανήτες σαν τη Γη αλλά και αστροφυσικών διεργασιών όπως η δημιουργία εξωπλανητών και να κατανοήσουμε τη δημιουργία τού δικού μας ηλιακού συστήματος, η NASA σχεδιάζει την αποστολή LUVOIR (Large UV Optical and Infrared Surveyor, σε ελεύθερη μετάφραση: μεγάλος παρατηρητής υπεριώδους, οπτικού και υπερύθρου). Η αποστολή σχεδιάζεται να εκτοξευτεί μέσα στη δεκαετία του 2030 και για την ώρα έχουν τεθεί κάποιες πολύ βασικές προδιαγραφές.
Πρόκειται για ένα τηλεσκόπιο με διάμετρο μεταξύ 8 και 18 μέτρων, δηλαδή αρκετές φορές μεγαλύτερο από το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble και τον διάδοχό του JWST. Ένας από τους στόχους θα είναι η απευθείας παρατήρηση εξωπλανητών, κάτι για το οποίο χρειάζεται μια τεχνολογία απόκρυψης του άμεσου φωτός του μητρικού αστεριού, ώστε το τηλεσκόπιο να συλλέγει μόνο το φως που ανακλάται από την επιφάνεια του εξωπλανήτη. Για αυτό τον λόγο, τo LUVOIR θα διαθέτει είτε έναν αστρικό στεμματογράφο ή ένα αστροσκίαστρο. Ο στεμματογράφος είναι μια συσκευή που βρίσκεται μέσα στο τηλεσκόπιο και αποκόπτει το άμεσο φως του αστέρα δημιουργώντας συνθήκες τεχνητής έκλειψης. Μέχρι στιγμής, είναι ένα όργανο που χρησιμοποιείται κατά κόρον για την παρατήρηση του ηλιακού στέμματος, του εξωτερικού και εκτεταμένου στρώματος της ηλιακής ατμόσφαιρας. Το αστροσκίαστρο, από την άλλη, είναι ένα σκάφος συνοδός που βρίσκεται σε κάποια απόσταση μπροστά από το τηλεσκόπιο, το οποίο επίσης μπλοκάρει το άμεσο φως του παρατηρούμενου αστέρα.
(Μετάφραση από πάνω προς τα κάτω: Επίπεδο μέτωπο κύματος, Ανομοιογενές μέσο, Διαταραγμένο μέτωπο κύματος)