هرچه این تلسکوپ از مرحله نظری به طراحی عملی و ساخت فیزیکی نزدیکتر میشود، گروههای کاری مختلف در حال بررسی، تعریف و طراحی جزئیات آن هستند تا نسل بعدی رصدخانه بزرگ سیارات فراخورشیدی شکل بگیرد. در مقالهای تازه از پژوهشگران مرکز پروازهای فضایی گادرد ناسا، لایه جدیدی از تحلیل به این روند افزوده شده است؛ حتی دو هفته پیش درباره نسخه قبلی همین پژوهش گزارش داده بودیم. در این مطالعه، محققان توانایی تلسکوپ در تمایز میان دیاکسید کربن و متان/بخار آب را مقایسه کردهاند تا به طول موج مشخصی برسند که مهندسان باید سامانه را بر اساس آن طراحی کنند.
تصویربرداری فروسرخ را میتوان «جام مقدس» رصد سیارات فراخورشیدی دانست. بسیاری از جذابترین نشانههای زیستی بالقوه، امضاهای طیفی بسیار مشخصی در این طول موجها دارند و همین موضوع آنها را از دیدگاه اخترزیستشناسی بسیار مهم میکند. اما این مزیت یک هزینه هم دارد: برای ثبت گستره وسیعی از طول موجهای فروسرخ، سامانه آشکارسازی باید تا دماهای بسیار پایین سرد شود تا نویزی که از گرمای خود ابزار ایجاد میشود حذف گردد.
تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) که یک رصدخانه فروسرخ مشهور است، این مشکل را با یک سامانه خنککننده برودتی پیچیده و گرانقیمت حل کرده است. با این حال، همین سامانه یکی از دلایل تأخیرهای طولانی و افزایش هزینههای آن بود. طراحان HWO امیدوارند از تکرار آن تجربه پرهیز کنند و بنابراین میخواهند بهکلی از سامانه خنککننده برودتی پیچیده صرفنظر کنند.
اما این انتخاب، چالشهای دیگری به همراه دارد؛ از جمله همپوشانی طیفی. دو مورد از مهمترین نشانههای زیستی، متان و دیاکسید کربن هستند—و شاید مهمتر از هرکدام، ترکیب همزمان این دو. دیاکسید کربن در واقع در «نبودش» جالبتر است؛ این گاز روی سیارات مردهای مانند مریخ و زهره فراوان است، اما روی زمین بهدلیل جذب شدن توسط اقیانوسها و زیستکره، غلظت بسیار کمتری دارد. اگر اخترزیستشناسان در یک سامانه ستارهای دیگر سه سیاره سنگی پیدا کنند و یکی از آنها بهطور قابلتوجهی فاقد دیاکسید کربن باشد، این میتواند نشانهای مهم تلقی شود.
در مقابل، متان زمانی اهمیت دارد که فراوان باشد. متان در جو سیارات بهراحتی بر اثر فرایندهای فتوشیمیایی از بین میرود و بنابراین در سیاراتی که منبع تازه و مداومی برای تولید آن ندارند، دوام چندانی نخواهد داشت. یکی از منابع اصلی متان روی زمین حیات است، هرچند منابع غیرزیستی نیز وجود دارند. نکته مهم این است که تولید متان باید پایدار باشد؛ بسیاری از منابع غیرزیستی در مقیاس میلیونها یا میلیاردها سال از کار میافتند. بنابراین وجود متان بهتنهایی میتواند نشانهای نسبتاً قوی از فعالیت زیستی احتمالی باشد.
اما وقتی این دو گاز با هم دیده شوند، وضعیت بسیار جالبتر میشود؛ سیارهای با دیاکسید کربن و مقدار زیادی متان، اما بدون اکسیژن فراوان، میتواند «نشانهای قاطع» از وجود فرآیندهای زیستی باشد. با این حال، رصد همزمان متان و دیاکسید کربن در یک سیاره برای بسیاری از تلسکوپها چالشبرانگیز است.
امضاهای طیفی این دو گاز با هم همپوشانی دارند. طبق این مقاله، غلظت بالای متان تشخیص دیاکسید کربن را بسیار بیشتر از حتی غلظت بالای بخار آب مختل میکند. سیگنالهای مربوط به متان بخشهایی از طیف را «اشباع» میکنند که در حالت عادی دیاکسید کربن در آنها بهوضوح دیده میشود. برای نشان دادن این مسئله، پژوهشگران امضاهای طیفی مراحل مختلف تکامل زمین و همچنین زهره را با استفاده از یک مدل آماری به نام «تحلیل بیزی برای شناسایی نشانههای زیستی از راه دور در زمینهای فراخورشیدی» یا BARBIE شبیهسازی کردند. این مقاله در واقع چهارمین مقاله از این مجموعه است (BARBIE IV)، زیرا سه مقاله پیشین نیز به بررسی مصالحههای مختلف در حساسیت طیفی HWO پرداخته بودند.
شاید مهمترین نتیجه این تحلیل، تعیین حد بالای قابلقبول برای طول موج آشکارساز فروسرخ HWO بود؛ حدی که بدون نیاز به سامانه خنککننده عظیم، همچنان امکان تفکیک مناسب میان دیاکسید کربن و متان را فراهم کند، آن هم بدون نیاز به زمانهای رصدی بسیار طولانی. این «نقطه بهینه» برای پهنای باند حدود ۱٫۵۲ میکرومتر است، و با در نظر گرفتن پنجره پهنای باند ۲۰ درصدی، حد بالای طراحی تلسکوپ حدود ۱٫۶۸ میکرومتر خواهد بود.
هر پروژه بزرگ فضایی پیش از آغاز رسمی باید الزامات فنی خود را دقیق مشخص کند، و این تعیین حد بالای طول موج گامی مهم در آن مسیر برای HWO است. حذف نیاز به سامانه خنککننده برودتی نیز پیچیدگی مهندسی را بهطور قابلتوجهی کاهش میدهد و تمرکز فنی را به سمت اپتیک و کرونوگراف موردنیاز برای مشاهده مستقیم سیارات سوق میدهد. اگر این رصدخانه در دهه ۲۰۳۰ پرتاب شود و بتواند سیارهای بالقوه قابلسکونت را ثبت کند، بخشی از آن موفقیت مدیون همین پژوهشهای پایهای خواهد بود که قابلیتهای نهایی سامانه را تعریف میکنند.