LAGEOS-۱ بهراحتی ممکن است با یک قطعه از یک فضاپیما اشتباه گرفته شود، نه یک ماهواره کامل. این ماهواره هیچ پنل خورشیدی، باتری، رادیو، رایانه، پیشران یا بخش متحرکی ندارد. این جرم که در ۴ مه ۱۹۷۶ به فضا پرتاب شد، یک کره ۶۰ سانتیمتری است که از یک هسته متراکم برنجی و یک پوسته آلومینیومی ساخته شده و ۴۲۶ بازتابنده نوری در سطح آن قرار گرفتهاند.
همین سادگی، ابزار اصلی آن است. ایستگاههای زمینی پالسهای کوتاه لیزری را به سمت ماهواره ارسال میکنند و مدتزمانی را که طول میکشد بخشی از نور بازگردد اندازه میگیرند. از آنجا که هدفی فشرده، سنگین و از نظر هندسی منظم است، میتوان مدار آن را با دقتی بسیار بالا محاسبه کرد.
درون این ماهواره دو پلاک کوچک از جنس فولاد ضدزنگ قرار دارد که کارل ساگان آنها را طراحی کرده است. این پلاکها اعداد دودویی، مدار زمین به دور خورشید و سه نقشه از قارهها را نشان میدهند: یکی مربوط به گذشتهای دور، یکی مربوط به زمان پرتاب ماهواره و دیگری مربوط به زمان پیشبینیشده بازگشت آن، میلیونها سال در آینده.
ماهوارهای که تقریباً هیچ کاری انجام نمیدهد
یک گزارش فنی دقیق ناسا درباره LAGEOS، جرم اولیه این ماهواره را ۴۰۷ کیلوگرم و قطر آن را ۶۰ سانتیمتر اعلام میکند. جرم زیاد آن در مقایسه با سطح خارجی، تأثیر عواملی مانند مقاومت جو و نور خورشید را کاهش میدهد. این کره در مداری تقریباً دایرهای و در ارتفاع نزدیک به ۶۰۰۰ کیلومتری از زمین قرار گرفت.
جرم ماهواره در یک هسته استوانهای از جنس برنج متمرکز شده که توسط دو نیمکره آلومینیومی احاطه شده است. یک جسم سبکتر با همین اندازه، بیشتر تحت تأثیر نیروهای غیرگرانشی جابهجا میشد. از طرف دیگر، جسمی بزرگتر با همین جرم، سطح بیشتری در معرض نیروهای خارجی قرار میداد. LAGEOS طوری طراحی شد که تا حد امکان مانند یک ذره آزمایشی ایدهآل که صرفاً از گرانش پیروی میکند، رفتار کند.
هیچ قطعهای درون ماهواره وجود ندارد که نور بازگشتی را اندازهگیری یا ارسال کند. هیچ گیرندهای برای دریافت فرمان و هیچ فرستندهای برای پاسخ دادن به آن وجود ندارد. ناسا در تاریخچه این مأموریت، LAGEOS را ماهوارهای غیرفعال توصیف میکند که هیچ حسگر یا تجهیزات الکترونیکی داخلی و هیچ بخش متحرکی ندارد.
۴۲۶ بازتابنده کار اصلی را انجام میدهند
هر یک از منشورهای روی سطح ماهواره، یک بازتابنده گوشهمکعبی است. سه سطح بازتابدهنده در زاویههای قائم نسبت به یکدیگر قرار گرفتهاند و به این ترتیب، نور ورودی را در محدوده مناسبی از زوایای ورود، دوباره به سمت منبع آن هدایت میکنند. ایستگاه زمینی لیزر، آشکارساز، ساعت دقیق و تجهیزات محاسباتی را در اختیار دارد و LAGEOS یک هدف نوری پایدار فراهم میکند.
از میان ۴۲۶ بازتابنده، ۴۲۲ مورد از سیلیکا ذوبشده ساخته شدهاند. چهار بازتابنده دیگر از ژرمانیوم هستند و برای انجام اندازهگیری در طول موجهای فروسرخ در نظر گرفته شدهاند. تعداد و نحوه توزیع این بازتابندهها اهمیت دارد، زیرا ناظران زمینی روی یک منشور مشخص هدفگیری نمیکنند. پراکندگی بازتابندهها باعث میشود با تغییر جهتگیری کره، همچنان امکان دریافت بازتاب نور وجود داشته باشد.
یک ایستگاه اندازهگیری، زمان ارسال پالس و زمان رسیدن بازتاب آن را ثبت میکند. مدتزمان رفتوبرگشت پالس، همراه با سرعت مشخص نور، فاصله تا ماهواره را مشخص میکند. تکرار این اندازهگیریها از ایستگاههای مختلف در سراسر جهان، امکان تعیین موقعیت این ایستگاهها نسبت به مرکز جرم زمین را فراهم میکند.
یک جسم غیرفعال میتواند همچنان یک ابزار فعال باشد
تفاوت میان «غیرفعال» و «بیکاربرد» در اینجا اهمیت زیادی دارد. LAGEOS-۱ لازم نیست روشن شود، فرمانی دریافت کند یا دادهای را کدگذاری و ارسال کند. هر زمان که یک ایستگاه زمینی مجهز بتواند آن را با لیزر روشن کند و بازتاب را تشخیص دهد، ماهواره وظیفه خود را انجام میدهد. بنابراین عمر عملیاتی آن به باتری، ذخیره سوخت یا فرسوده شدن یک فرستنده وابسته نیست.
در طول زمان، این اندازهگیریهای فاصله، حرکاتی را آشکار میکنند که در مقیاس زمانی انسان بسیار آهسته هستند؛ از جمله حرکت صفحات تکتونیکی، بالا آمدن پوسته زمین پس از ذوب شدن یخچالهای باستانی و تغییرات در چرخش زمین و مرکز جرم آن. ناسا میگوید LAGEOS در مراحل اولیه توسعه این فناوری، دقت اندازهگیری فاصله با لیزر را از حدود یک متر به کمتر از یک سانتیمتر افزایش داد.
همین روش همچنان بخشی از ژئودزی مدرن است. ماهوارههای مرجعی مانند LAGEOS به تعیین مرکز جرم زمین و بهبود موقعیتیابی مشاهداتی که توسط سایر فضاپیماها انجام میشود کمک میکنند. این کره بدون اینکه خودش هیچ سیگنالی تولید کند، به یک پالس لیزری پاسخ میدهد و همین فقدان عمدی تجهیزات الکترونیکی، بهجای اینکه یک محدودیت باشد، به یک مزیت تبدیل شده است.
دو نسخه از یک پیام درون ماهواره قرار دارد
کیت مطبوعاتی اولیه ناسا در سال ۱۹۷۶، وجود دو نسخه از پیام طراحیشده توسط ساگان را توضیح میدهد. هر نسخه روی یک صفحه فولادی ضدزنگ به ابعاد ۱۰ در ۱۸ سانتیمتر حک شده است. هر پلاک در یکی از دو انتهای پیچ اتصالدهنده دو نیمکره نصب شده و به این ترتیب، پلاکها درون ساختار ماهواره قرار گرفتهاند و در معرض سطح بیرونی نیستند.
بخش بالایی پلاک، نحوه شمارش پیام را مشخص میکند. در این قسمت اعداد یک تا ۱۰ به صورت دودویی نمایش داده شدهاند و پس از آن، نموداری از مدار زمین به دور خورشید قرار دارد. یک دور کامل زمین به دور خورشید، واحد زمان را مشخص میکند که همان یک سال است. فلشهایی که به سمت چپ و راست اشاره میکنند نیز بدون استفاده از زبان انگلیسی یا هر زبان گفتاری دیگری، مفهوم گذشته و آینده را مشخص میکنند.
در قسمت پایین، سه نقشه جهان با یک نوع تصویرسازی جغرافیایی یکسان قرار گرفتهاند. نقشه اول، قارهها را در کنار یکدیگر در گذشتهای بسیار دور نشان میدهد. نقشه میانی، وضعیت قارهها در سال ۱۹۷۶ را نمایش میدهد و پرتاب LAGEOS از کالیفرنیا را نیز نشان میدهد. نقشه نهایی، وضعیت پیشبینیشده قارهها را در آینده، یعنی زمانی که انتظار میرفت ماهواره بازگردد، نمایش میدهد.
البته درباره نقشه مربوط به گذشته باید یک نکته را در نظر گرفت. عدد دودویی روی آن تقریباً به ۲۶۸ میلیون سال پیش اشاره میکند، در حالی که متن همراه ناسا، آرایش قارهها را مربوط به دوره پرمین و حدود ۲۲۵ میلیون سال پیش توصیف کرده بود. این طراحی عمداً از ارائه دقت کاذب خودداری میکرد. هدف آن نشان دادن مفهوم حرکت قارهها بود، نه ارائه یک بازسازی مدرن و دقیق از حرکت صفحات تکتونیکی.
قارهها به یک ساعت زمینشناختی تبدیل میشوند
این پیام تاریخ را بر اساس هیچ تقویم انسانی ثبت نمیکند. در عوض، از یابنده ماهواره خواسته میشود جغرافیای زمین در زمان خودش را با نقشههای روی پلاک مقایسه کند. از آنجا که قارهها حرکت میکنند، تغییر موقعیت آنها میتواند معیاری تقریبی برای اندازهگیری زمان سپریشده باشد. به این ترتیب، همان پدیدهای که LAGEOS اندازهگیری میکند، به ابزاری برای تعیین قدمت خود LAGEOS تبدیل میشود.
راهنمای ناسا درباره این پیام میگوید نقشه مربوط به آینده، حدود ۸.۴ میلیون سال پس از زمان پرتاب را نشان میدهد؛ زمانی که در آن دوره، طول عمر تقریبی مداری ماهواره در نظر گرفته شده بود. در این نقشه، کالیفرنیای جنوبی به سمت اقیانوس آرام حرکت کرده است که ادامه حرکت در امتداد سامانه گسل سنآندریاس را نشان میدهد.
ناسا همچنین میگوید بسیاری از تغییرات آینده صرفاً برآوردهایی بودهاند. حرکت صفحات تکتونیکی را میتوان در بازههای چندساله و چنددههای با دقت اندازهگیری کرد، اما پیشبینی دقیق موقعیت تمام مرزهای صفحات برای میلیونها سال آینده به معنای ارائه یک جدول زمانی قطعی نیست. طول عمر مداری ۸.۴ میلیون سال نیز به همین شکل، تنها یک تخمین بسیار تقریبی از زمان سقوط مداری ماهواره است و به معنای تعیین یک تاریخ مشخص برای فرود آن نیست.
ابزار علمی و پیام، یک ایده مشترک دارند
SpaceDaily پیشتر سه نقشه این پلاکها را بهعنوان پیامی برای آینده بررسی کرده است. مهندسی LAGEOS به این پیام اهمیت بیشتری میدهد. پلاکها درون جسمی قرار گرفتهاند که طوری طراحی شده است تا بدون تولید حتی یک وات انرژی یا ارسال یک سیگنال رادیویی، بتواند برای مدت بسیار طولانی از نظر علمی کاربرد داشته باشد.
LAGEOS-۱ با پیامرسانهایی که روی فضاپیماهای پایونیر و وویجر قرار دارند تفاوت دارد. این فضاپیماها در حال ترک منظومه شمسی هستند و بنابراین نمودارهای آنها تلاش میکنند خورشید و زمین را برای یابندهای در فاصلهای بسیار دور مشخص کنند. برای مثال، نقشه تپاختر روی وویجر از ساعتهای ستارهای متغیر برای رمزگذاری زمان استفاده میکند. اما LAGEOS در مدار زمین باقی میماند و در عوض از تغییرات جغرافیایی زمین استفاده میکند.
این ماهواره دو مقیاس زمانی را در یک ساختار به هم پیوند میدهد. پالسهای لیزری تغییرات زمین را در بازههای چندروزه، چندساله و چنددههای اندازهگیری میکنند. نقشههای حکشده نیز تصور میکنند که این حرکات در مقیاس زمان زمینشناختی ادامه خواهند داشت.
LAGEOS به صدای خودش نیازی ندارد؛ زیرا هم علم آن و هم پیامش به فرد یا سیستمی دیگر وابسته است که نور ارسال کند، تغییرات را اندازه بگیرد و آنچه را بازگشته است تشخیص دهد.
