ایجاد ستاره‌های مصنوعی با استفاده از لیزر برای تلسکوپ‌های عظیم

خلاصه مقاله:

• دانشمندان نجوم با استفاده از لیزرهای قدرتمند به تاباندن نور به لایه‌ای از سدیم در ارتفاع تقریباً ۹۰ کیلومتری جو می‌پردازند تا نورهای مصنوعی شبیه ستاره ایجاد کنند.
• این لیزرها به‌منظور عکاسی از اجرام آسمانی نیستند، بلکه تنها به تلسکوپ یاری می‌رسانند تا اثرات جوی را بهتر تشخیص دهد. جو سیاره‌ی ما باعث می‌شود نور ستاره‌ها به‌طرز مختصری بلرزد و تصویر آن‌ها به‌نوعی محو شود.
• ستاره‌ی ایجاد شده به‌عنوان مرجع عمل می‌کند تا تلسکوپ بتواند تغییرات تصویر ناشی از جو را اندازه‌گیری کند. هرچه پرتو لیزر پایدارتر باشد، اصلاح تصویر با دقت بیشتری انجام خواهد شد.
• این فناوری به تلسکوپ‌های زمینی این امکان را می‌دهد که تصاویر بسیار روشنتری از آسمان ضبط کنند.

اگر شب‌هنگام در بیابان آتاکامای شیلی قدم بزنید، ممکن است شاهد مناظری شگفت‌انگیز باشید: پرتوهای نیرومند لیزر که آسمان تاریک را می‌شکافند. از فاصله‌ای دور، این پرتوها از سازه‌ای روی قله‌ی کوه به‌نظر می‌رسد که بیشتر شبیه صحنه‌هایی از سینمای علمی‌تخیلی است.

اما وقتی نزدیک‌تر می‌شوید، متوجه می‌شوید که منشأ این لیزرها یک تلسکوپ است؛ البته نه یک تلسکوپ معمولی، بلکه مجموعه‌ای بسیار بزرگ که شامل چندین ساختمان و سامانه‌ی رصدی می‌شود. در این مجموعه، گروه‌های نجوم‌دان در شیفت شب به تنظیم و هدایت لیزرهایی پرداخته‌اند که هدف آن‌ها ایجاد نوعی «ستاره‌ی مصنوعی» در لایه‌های بالای جو زمین است. این مجموعه، چهار لیزر از چهار سازه‌ی مجزا در قله‌ی کوه را به‌طور هم‌زمان به آسمان شلیک می‌کند.

این مجموعه به نام تلسکوپ بسیار بزرگ (VLT) در رصدخانه‌ی پارانال قرار دارد که تحت مدیریت رصدخانه‌ی جنوبی اروپا (ESO) فعالیت می‌کند. در اواخر سال ۲۰۲۵، مهندسان آخرین نمونه از مجموعه‌ای جدید از لیزرهای قدرتمند را در این رصدخانه نصب کردند. این تجهیزات به ستاره‌شناسان یاری خواهند رساند تا اجرام کیهانی را با وضوح و دقت بالاتری مشاهده کنند و با تکمیل این پروژه، تعداد کل لیزرهای فعال این مجموعه به هفت مورد رسیده است.

اما سوالی که مطرح می‌شود این است که چرا تلسکوپ به لیزر نیاز دارد؟ ریشه‌ی این ایده به دوران جنگ سرد تعلق دارد؛ زمانی که ارتش آمریکا در حال توسعه‌ی فناوری‌های مربوط به ردیابی ماهواره‌های شوروی بود. در ادامه، ستاره‌شناسان متوجه شدند که تکنیک‌های مشابه می‌تواند در رصدهای زمینی نیز مفید واقع شود و بخشی از چالش‌های ناشی از جو زمین را حل کند.

تلسکوپ‌هایی که در سطح زمین مستقر هستند، با چالشی مواجهند که تلسکوپ‌های فضایی به‌طور کلی با آن درگیر نیستند: اتمسفر زمین. گازهای موجود در جو پیش از آنکه نور ستاره‌ها به آینه‌ی تلسکوپ برسد، مسیر این نور را تغییر داده و تصویر نهایی را دچار اعوجاج می‌کنند. به‌علاوه، شرایط جو به‌طور مداوم در حال تغییر بوده و این تغییرات اعوجاج را پایدار نمی‌کند.

بایو بیان می‌کند که جو به‌طور قابل توجهی وضوح نور ورودی از ستاره‌ها و کهکشان‌ها را تحت تأثیر قرار می‌دهد. اگر این اثر اصلاح نشود، تصویر ستاره در آشکارساز تلسکوپ به‌صورت دائمی از یک نقطه به نقطه‌ای دیگر حرکت خواهد کرد و در نتیجه، تصویری تار و بی‌جزئیات به دست خواهد آمد. برای غلبه بر این مشکل، ستاره‌شناسان از نوعی فناوری به نام اپتیک تطبیقی یا اپتیک سازگار بهره‌برداری می‌کنند.

بایو توضیح می‌دهد که پیاده‌سازی فناوری اپتیک تطبیقی به خودی خود پیچیده است، اما اصل آن چندان دشوار نیست. نور ستاره پس از گذر از جو و تغییر شکل، به‌طور اولیه به آینه‌ی اصلی تلسکوپ می‌رسد. سپس این نور به آینه‌ای کوچکتر که قابلیت تغییر شکل دارد، بازتاب می‌شود تا اثر اعوجاج جو را تا حد امکان جبران کند.

در VLT، یکی از آینه‌های تطبیقی از مواد پیزوالکتریک ساخته شده است که با دریافت سیگنال الکتریکی قادر به تغییر شکل است. این ویژگی به آینه این امکان را می‌دهد که با سرعت فراوان تغییر کند و نوسانات لحظه‌ای جو را جبران نماید. بایو بیان می‌کند که این آینه در داخل یک میدان مغناطیسی معلق نگه داشته می‌شود و بدون تماس مستقیم با سازه، در موقعیت خود باقی می‌ماند؛ به‌نحوی که به نظر می‌رسد این آینه در هوا معلق است.

از سوی دیگر، اپتیک تطبیقی برای شناسایی دقیق تغییرات نور به یک نقطه مرجع در آسمان نیاز دارد. معمولاً این نقطه مرجع یک ستاره بوده و نکته کلیدی این است که آن ستاره باید به‌اندازه‌ی کافی روشن باشد. هرچه ستاره‌ی مرجع درخشان‌تر باشد، اطلاعات بیشتری از نور آن در دسترس سیستم قرار می‌گیرد و توانایی تلسکوپ برای محاسبه و اصلاح آشفتگی جوی بهبود می‌یابد.

در برخی از موارد، ستاره‌شناسان قادرند از یک ستاره طبیعی به‌عنوان نقطه‌ی مرجع بهره‌برداری کنند. مشکل زمانی به‌وجود می‌آید که در ناحیه‌ای از آسمان که باید رصد شود، ستاره‌ای با روشنایی کافی وجود نداشته باشد. در این شرایط، لیزرها جای ستاره طبیعی را پر می‌کنند.

با ارسال لیزر به سمت موردنظر، پرتو به لایه‌ای از جو در ارتفاع تقریباً ۹۰ کیلومتری سطح زمین می‌رسد که غلظت معتنابهی از اتم‌های سدیم را شامل می‌شود. انرژی ناشی از لیزر، این اتم‌ها را به حالت برانگیخته درآورده و آن‌ها در پاسخ، فوتون‌هایی را منتشر می‌کنند.

بخشی از این نور دوباره به سمت زمین بازمی‌گردد و توسط آینه‌های تلسکوپ دریافت می‌شود. در نتیجه، نقطه‌ی درخشانی در آسمان شکل می‌گیرد که برای سیستم تلسکوپ همانند یک ستاره واقعی عمل کرده و آنچه که ستاره‌شناسان آن را «ستاره‌ی مصنوعی» یا «ستاره‌ی راهنمای لیزری» می‌نامند، محسوب می‌شود.

لیزرهایی که در حال حاضر روی VLT مستقر هستند، نسبت به نسل‌های قبلی خود پیشرفت‌های قابل توجهی کرده‌اند. بایو به یاد می‌آورد که نسل‌های قدیمی‌تر این تجهیزات کالیبره کردنشان دشوار بود، وابسته به رنگ‌های مایع سمی بودند و مهندسان گاه چند روز زمان صرف می‌کردند تا عملکرد آن‌ها به اندازه‌ی کافی پایدار شود.

بایو نسل جدید را این‌گونه توصیف می‌کند: در گذشته، وضعیت تقریباً مشابه کنترل یک لیزر اشاره‌گر با دستی لرزان بود؛ اما اکنون ستاره‌شناسان به دستگاهی کاملاً پایدار دسترسی دارند که پرتو بسیار قوی‌تری تولید می‌کند. امروز فقط کافی است که ستاره‌شناسان یک دکمه را فشار دهند تا این سامانه فعال شود. به محض روشن شدن، پرتو لیزر می‌تواند در طول شب با پایداری قابل توجهی در یک موقعیت باقی بماند.

پس از به‌روزرسانی‌هایی که در سال ۲۰۱۶ انجام شد، یکی از چهار تلسکوپ اصلی ۸.۲ متری VLT که «یپون» نام دارد، قدرت شلیک هم‌زمان چهار لیزر را پیدا کرد. بهره‌مندی از چند لیزر به‌طور هم‌زمان به ستاره‌شناسان اجازه می‌دهد که نوسانات جوی را در بخش وسیع‌تری از میدان دید خود اندازه‌گیری و اصلاح کنند.

هر یک از این لیزرها دارای قدرتی معادل ۲۲ وات هستند؛ مقداری که تقریباً چهار هزار برابر بیشتر از حداکثر توان مجاز برای یک لیزرپوینتر کلاسیک به شمار می‌رود. قطر پرتو این لیزرها حدود ۳۰ سانتی‌متر است.

از سال ۲۰۲۶، چهار تلسکوپ اصلی VLT با نام‌های آنتو، کویین، ملیپال و یپون می‌توانند قدرت خود را با یکدیگر ترکیب کرده و هم‌زمان لیزر به آسمان شلیک کنند. این چهار تلسکوپ به‌عنوان یک تلسکوپ مجازی عمل کرده و سیستم حاصل میدان دید وسیع‌تری را برای ستاره‌شناسان فراهم می‌آورد و با ترکیب داده‌های دریافتی از آینه‌های بزرگ هر چهار تلسکوپ، امکان ثبت جزئیاتی را فراهم می‌کند که حتی یک تلسکوپ تنها نمی‌تواند آنها را تفکیک کند.

در همین حال، با دیدن این لیزرهای نیرومند، یک سوال دیگر نیز به ذهن می‌رسد: در صورت عبور یک هواپیما از بالای رصدخانه چه اتفاقی خواهد افتاد؟

حتی لیزرپوینترهای کوچک در مواقعی که به کابین هواپیما تابیده می‌شوند، می‌توانند دید خلبان را مختل کرده و خطرآفرین باشند. بنابراین، این موضوع طبیعی است که شلیک لیزرهای چند ده واتی از VLT نیازمند سازوکارهای ایمنی دقیقی باشد.

ایتزیار د گرگوریو مونسالوو، ستاره‌شناس و نماینده ESO در شیلی، توضیح می‌دهد که عبور یک هواپیما از بالای رصدخانه ممکن است؛ اما برای این گونه موارد یک سیستم ایمنی خاص طراحی شده است. اگر هواپیمایی به ناحیه‌ای از آسمان که تلسکوپ در حال رصد آن است نزدیک شود، سیستم به‌طور خودکار لیزرها را خاموش می‌کند. بنابراین، خطر تابش پرتو به سمت هواپیما به‌طور کامل حذف می‌گردد.

بنابراین، اگر کسی بخواهد تلسکوپ بسیار بزرگ را در حین شلیک لیزرهای پرقدرتش در بیابان آتاکاما مشاهده کند، بهترین روش نزدیک‌شدن از سطح زمین خواهد بود. در این صورت، با صحنه‌ای مواجه می‌شود که در زندگی روزمره به‌ندرت نظیر آن را می‌توان دید: مجموعه‌ای از تلسکوپ‌های بزرگ که پرتوهای لیزر را به آسمان ارسال می‌کنند تا در مرز جو زمین، ستاره‌ای مصنوعی تولید کنند؛ ستاره‌ای که به اخترشناسان کمک می‌کند تصاویر واضح‌تری از دنیای دوردست به دست آورند.

این مطلب بر اساس گزارشی از بی‌بی‌سی گردآوری شده است.