متن گفتگو با دکتر سارا سیگر درباره سیاره های فراخورشیدی که در شماره پیشین مجله نجوم منتشر شد

سارا سیگر، در سال 1971 در تورنتو کانادا به دنیا آمد. او در دوران کودکی به همراه پدرش در برنامه‌های عمومی نجومی شرکت می‌کرد و همین آغاز علاقه او به دنیای ستاره‌شناسی و آسمان بود. علاقه‌ای که او را به دانشگاه تورنتو کشاند تا کارشناسی خود را درزمینه ریاضیات و فیزیک دریافت کند. بعدازاین دوره بود که راهی ایالات‌متحده شد تا دکتری خود را در رشته ستاره‌شناسی از دانشگاه هاروارد کسب کند. زمانی که مشغول تحصیل در هاروارد بود – نیمه دهه 1990 میلادی – نخستین سیاره فراخورشیدی کشف شد. او به پیشنهاد مشاورش دکتر دیمتری سسلیوف، به بررسی جو سیاره‌های معروف به مشتری‌های داغ پرداخت. بررسی‌های او که بیان تز دکترایش را تشکیل می‌داد در زمان خود با انتقادهای زیادی روبرو شد اما گذشت زمان نشان داد که بسیاری از ایده‌ها و مدل‌سازی‌های او دقیق و درست بوده است. پس از کسب دکترای خود برای دوره تحقیقات پسادکتری خود به پرینستون رفت و در آنجا با حمایت جان باسال از ایده‌های خود مواجه شد. این حمایت‌ها به سیگر کمک کرد تا طبقه‌بندی‌های تازه‌ای را درزمینه سیاره‌های فراخورشیدی معرفی کند.

در حال حاضر، عمده تحقیقات او بر مدل‌های نظری جو و ساختار درونی انواع مختلف سیاره‌های فراخورشیدی تمرکز دارد و یکی از چهره‌های اصلی در طراحی و ایده پردازی برای مأموریت‌های تازه فضایی برای شکار فراخورشیدی ها است. کارها و تحقیقات او بود که درنهایت دانشمندان را برای نخستین بار موفق به تفکیک جو یک سیاره فراخورشیدی کرد.

او اکنون استاد اخترفیزیک و علوم سیاره‌ای در موسسه فناوری ماساچوست (MIT) است. سارا سیگر معاون بخش علوم مأموریت تلسکوپ فضایی TESS است.

TESS یا ماهواره نقشه‌بردار سیاره‌های فراخورشیدی گذری، تازه‌ترین تلاش دانشمندان برای نقشه‌برداری از سیاره‌های فراخورشیدی نزدیک زمین است. این تلسکوپ فضایی ماه آوریل سال جاری میلادی با موفقیت به فضا پرتاب شد و انتظار می‌رود حداقل دو سال به نقشه‌برداری از ستاره‌های نزدیک به زمین و باهدف کشف دنیاهایی تازه در اطراف آن ادامه دهد.

• اجازه بدهید صحبت را با تِس آغاز کنیم. این مأموریت متفاوتی نسبت به شکارچیان فراخورشیدی است که پیش‌تر شاهد آن بوده‌ایم و بر مبنای روش گذر کار می‌کرده‌اند. برخلاف کپلر که میدان دید محدودی داشت و ژرفای عمیقی از میدان دیدش را کاوش می‌کرد، تس، تقریباً کل آسمان را اما در همسایگی نزدیک‌تری به ما جستجو می‌کند؛ اما فراتر از این دو عامل میدان دید و ژرفا، چه تفاوت‌های دیگری بین تس و مأموریت‌های مشابه وجود دارد؟

این دو عاملی که اشاره کردی مهم‌ترین تفاوت‌ها هستند. ستاره‌های درخشان‌تر و نزدیک‌تر، فوق‌العاده برای پیگیری‌های رصدی بعدی مهم به شمار می‌روند. رصدهایی که ازجمله باهدف اندازه‌گیری جرم و جو سیاره‌ها صورت خواهد گرفت.

ابزار رصدی تس از 4 تلسکوپ هماهنگ شده 10 سانتی‌متری تشکیل‌شده است. هر یک از این ابزارها میدان دیدی در حدود 24 در 24 درجه قوس دارند و در کنار هم میدان دیدی در حدود 24 در 96 درجه قوس را پوشش می‌دهند.

این رصدخانه در هریک از این قاچ‌های آسمان را برای مدتی نزدیک به یک ماه (27 روز) تحت نظر می‌گیرد و به همین دلیل هم تس به شکار سیاره‌هایی خواهد پرداخت که دوره تناوبی کمتر از یک ماه دارند. تس همچنین به بخش قرمز طیف حساس است و CCD (ثبت‌کننده‌های نوری) آن برای نور قرمز بهینه‌شده‌اند به همین دلیل هم تس برای مشاهده و رصد کوتوله‌های سرخ، ابزار بهینه و مناسبی به شمار می‌رود.

•  و در نقشه فعالیت‌ها و تلاش‌های ما برای درک فراخورشیدی‌ها فکر می‌کنید جایگاه مأموریت تس کجا باشد.

مأموریت تس را باید بیش از هر چیز در تولید یک فهرست راهنما از سیاره‌های خورشیدی ارزیابی کرد. تس فهرستی از سیاره‌های فراخورشیدی گذران را تهیه خواهد کرد که به میراثی برای رصدها و کاوش‌های آینده در حوزه سیاره‌های فراخورشیدی بدل خواهد شد و رصدهای تکمیلی بیشتری برمبنای یافته‌های این تلسکوپ صورت خواهد گرفت. همان‌طور که در مقاله‌ای که در شماره مارس مجله اسکای اند تلسکوپ، نوشتم، اشاره‌کرده بودم، هدف اصلی علمی این مأموریت این است که بتواند در طول مدت فعالیت خود، 50 سیاره فراخورشیدی با شعاع زیر 4 برابر شعاع سیاره زمین پیدا کند. در کنار این هدف این ابزار می‌تواند هزاران نامزد فراخورشیدی پیدا کند که با رصدهای بعدی برخی از آن‌ها تائید خواهند شد.

• هم تس و هم کپلر از روش گذر برای شکار فراخورشیدی ها استفاده می‌کنند؛ اما این روش تنها زمانی کارآمد است که مدار سیاره به دور ستاره مادر خود در راستای خط دید ما باشد و بدین ترتیب ما احتمالاً تعداد بسیار زیادی از سیاره‌ها را از نادیده می‌گیریم. چالش‌های استفاده از روش‌های دیگر چیست که تاکنون گذر به اصلی‌ترین روش کشف بدل شده است؟

گذر یا ترانزیت به چند دلیل ساده‌ترین روش تفکیک و کشف سیاره‌های فراخورشیدی کوچک است. یکی اینکه نسبت میان شعاع سیاره به ستاره، به‌طور قابل‌توجهی بزرگ‌تر از نسبت شعاع جرم سیاره به ستاره یا نسبت شار نوری (flux ratio) سیاره به ستاره است. این درباره همه ترکیب‌های ممکن میان ستاره و سیاره صادق است. برای مثال در مورد زمین-خورشید. نسبت سطح سیاره به ستاره حدود 1 به 10 هزار، نسبت جرم آن‌ها حدود 1 به 300 هزار و نسبت شار نوری آن‌ها 1 به 10 میلیارد است

به یاد داشته باشید که امکان کشف و یافتن سیاره‌های فراخورشیدی همیشه با حضور ستاره میزبان بزرگ‌تر، پرجرم تر و درخشان‌تر تغییر می‌کند.

دلیل دوم این است که در روش گذر ما می‌توانیم از همه طول طیف مریی نور استفاده کنیم بدون آنکه لازم باشد هیچ بخشی از فوتون‌هایی که به ما می‌رسد را فیلتر کنیم. در روش سرعت شعاعی که در آن به ‌اندازه‌گیری انتقال‌به‌سرخ و آبی دوپلری هستیم باید نور ستاره را به بازه‌های طول‌موجی مشخص تقسیم کنیم؛ و به همین دلیل فرآیند دشوارتری است. دلیل سوم اینکه حسگرهایی CCD که امروزه مورداستفاده قرار می‌دهیم به‌طور قابل‌توجهی حساس هستند.

کشف سیاره فراخورشیدی غول‌پیکر سنگی شگفت‌زده‌ام خواهد کرد

سارا سیگر

• تاکنون انواع مختلفی از سیاره‌های فراخورشیدی را کشف کرده‌ایم و بارها و بارها ستاره شناسان خبر از نزدیک‌تر شدن به کشف سیاره زمین 2.0 داده‌اند. به نظر می‌رسد اختلاف‌نظری درباره ماهیت زمین 2.0 وجود دارد. تعریف شما از این مفهوم و زمین 2.0 چیست؟

هر ستاره‌شناسی تعریف خودش را از مفهوم زمین 2.0 دارد برای من این تعریف عبارت است از سیاره‌ای کوچک و سنگی که به دور ستاره‌ای خورشید مانند بگردد. دارای اقیانوس‌های آبی و قاره‌هایی باشد و دمای سطحی برای شکل‌گیری حیات مناسب باشد.

• بیایید فرض کنیم چنین سیاره‌ای را پیدا کردیم آیا فناوری امروز ما به ما اجازه می‌دهد که متوجه کشف آن شویم؟ آیا ابزارهای ما این توان را دارند که بتواند با دقتی آن را بررسی کنند که متوجه زیست پذیری آن شویم؟

تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWT) توان ما را در این زمینه به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد به این دلیل که این تلسکوپ قادر خواهد بود بخارآب را در طیف دریافتی از سیاره‌های سنگی کوچک آشکار کند. بخارآب در سیاره سنگی کوچک می‌تواند شاخصی برای وجود اقیانوس‌های سطحی باشد که برای شکل‌گیری و حمایت از حیات به شکلی که ما می‌شناسیم ضروری است. بااین‌وجود چنین رصدهایی بازهم چالش‌برانگیز و دشوار باقی خواهند بود. جیمز وب حداقل ازنظر تئوری این توانایی را دارد که بتواند اکسیژن را در جو این سیاره‌ها نیز تفکیک کند.

• با همه پیشرفت‌هایی که در چند دهه اخیر در زمینه فراخورشیدی ها داشته‌ایم با اطمینان خوبی می‌توانیم بگوییم تقریباً در اطراف هر ستاره تعدادی از سیاره‌ها وجود دارند؛ و احتمالاً در اطراف آن‌ها تعداد بیشتری از اقمار فراخورشیدی در حال چرخش هستند برخی از این اقمار فراخورشیدی شاید حتی جذاب‌تر از خود سیاره‌های فراخورشیدی باشند آیا چنین ارزیابی را درست می‌دانید و اینکه آیا فناوری امروز ما توان بررسی این اقمار را دارد و اصولاً برنامه‌ای برای این‌چنین تحقیقاتی در آینده وجود دارد؟

تاکنون ما نتوانسته‌ایم اقمار فراخورشیدی را کشف کنیم و البته من هم موافقم که این اقمار باید وجود داشته باشند؛ اما اگر آن‌ها در اطراف سیاره‌های فراخورشیدی حضور داشته باشند ابعاد آن‌ها بسیار کوچک‌تر از ابعاد زمین ما خواهد بود. بررسی جو سیاره فراخورشیدی کوچک فوق‌العاده چالش‌برانگیز است. من شک دارم که بتوانیم در زمینه بررسی این اقمار در حضور سیاره و ستاره مادر خود پیشرفت چندانی داشته باشیم. من به‌طور مشخص درباره چنین پروژه‌ای که باهدف بررسی ماه‌های فراخورشیدی باشد حضور ذهن ندارم اما احتمالاً چند پروژه‌ای در این زمینه در حال بررسی باشند.

تلسکوپ‌های کلاس سه متر به شرطی که در مکان‌های رصدی ایده آل باشند و با ابزارهای تازه و مدرنی مانند طیف‌سنج‌های دقت بالا مجهز شوند می‌توانند برای بررسی طولانی‌مدت سرعت‌های شعاعی ستاره‌ای خورشید مانند مورداستفاده قرار گیرند

سارا سیگر

• جامعه شکارچیان فراخورشیدی ها بعد از تس چشم‌انتظار چندین پروژه کاوشگر دیگر ازجمله پروژه جیمز وب، WFIRST، افلاتون و ARIEL است. شما نسبت به کدام از این مأموریت‌ها بیشتر هیجان‌زده‌اید؟

من بیش از همه مشتاق و چشم‌انتظار مأموریت WFIRST هستم به شرطی که مأموریت ملاقات سایه‌بان ستاره‌ای (Starshade Rendezvous Mission) نیز بودجه خود را برای اعزام هم‌زمان با آن دریافت کند. ما تا الآن تعداد بسیار زیادی از سیاره‌های فراخورشیدی را پیداکرده‌ایم و جیمز وب نیز به بررسی جو بسیاری از این سیاره‌ها در هنگام گذر خواهد پرداخت. افلاتون و ARIEL تعداد این یافته‌ها و سیاره‌ها را افزایش می‌دهند اما WFIRST با فراهم آوردن امکان تصویربرداری مستقیم و با حساسیتی بی‌نظیر، مرزهای تازه‌ای را درمی‌نوردد و مطالعات ما را وارد عرصه تازه‌ای می‌کند. مأموریت StarShade در حال حاضر در حال بررسی و مطالعه در ناسا و JPL است.

• در طی یک دهه گذشته من بارها در نوشته‌های خودم و در سخنرانی‌های ترویجی به این موضوع اشاره‌کرده‌ام که بررسی فراخورشیدی ها یکی از مهم‌ترین، هیجان‌انگیزترین و مهم‌ترین حوزه‌های ستاره‌شناسی در آینده نزدیک به شمار می‌رود. فکر می‌کنید این گزاره هنوز هم معتبر است؟ و در ادامه مطمئنم شما هم با بسیاری از افراد روبرو شده‌اید که در مواجه با حوزه تحقیقاتی شما مطرح می‌کنند چرا باید هزینه و وقت زیادی را صرف مطالعه دنیاهایی کنیم که هیچ‌گاه به آن‌ها نخواهیم رفتن و نقشی در زندگی روزمره ما ندارند. پاسخ شما به این حرف و سؤال چیست؟

بله من فکر می‌کنم که این گزاره درباره اهمیت و نقش سیاره‌های فراخورشیدی در آینده ستاره‌شناسی هنوز هم معتبر و قابل دفاع است.

درباره بخش دوم و چرایی این تحقیقت به نظرم چند نوع پاسخ وجود دارد. نخستین پاسخ این است که علم محض پاسخی به کنجکاوی ما است – اینکه چطور زمین ما به این وضعیت رسیده است و آیا در جای دیگری از عالم حیات وجود دارد. این دو مورد از مهم‌ترین سؤال‌های اساسی ذهن ما هستند و پاسخ به آن‌ها به‌خودی‌خود مهم است. دوم اینکه برخی اوقات علوم محض ما را به‌سوی فناوری‌های پیشرفته سوق می‌دهند. تصویربرداری پزشکی بر پایه پیشرفت‌های تصویربرداری نجومی شکل گرفت و توسعه پیدا کرد. ماهواره مکعب‌واره من به نام ASTERIA در اصل برای کشف سیاره‌های فراخورشیدی طراحی‌شده بود اما طراحی هدف‌گیری دقیقی که ما برای ساخت آن توسعه دادیم و به وجود آوردیم در صنایع ارتباطات نوری مورداستفاده قرار خواهد گرفت. سوم اینکه این کار برای الهام بخشی و تشویق و حمایت از نسل آینده‌ای است که باید وارد حوزه‌های علوم، فناوری، مهندسی و ریاضیات شوند. ما به افرادی نیاز داریم که در علوم فیزیکی و آموزش‌دیده باشند تا بتوانند از دانش خود در دنیای صنایع و فناوری و بسیاری از حوزه‌های دیگر استفاده کنند؛ و بررسی و مطالعه فراخورشیدی ها یکی از حوزه‌هایی است که به این نیازها پاسخ می‌دهد.

• با توسعه فناوری‌ها و مأموریت‌های فضایی و همچنین توسعه تلسکوپ‌های بزرگ زمینی فکر می‌کنید آیا هنوز جایی برای رصدخانه‌های با ابعاد متوسط زمینی (مثلاً کلاس 3 متری) برای مشارکت در بررسی و مطالعه فراخورشیدی ها وجود دارد و اگر بله در کدام حوزه این طبقه از رصدخانه‌ها می‌توانند بیشترین مشارکت را داشته باشند؟

رصدخانه‌های زمینی می‌توانند به پروژه پیگیری‌های یافته‌های تس کمک کنند. گروه بزرگی از رصدگران تشکیل‌شده‌اند تا بتوانند با کمک تلسکوپ‌های زمینی به دنبال کردن و بررسی بعدی یافته‌های تس بپردازند و از این رصدخانه‌ها برای طیف‌نگاری ستاره‌های مادر سیاره‌های نامزد، نورسنجی تکمیلی برای افزایش دقت منحنی نوری و امثال آن استفاده کنند. تلسکوپ‌های کلاس سه متر به شرطی که در مکان‌های رصدی ایده آل باشند و با ابزارهای تازه و مدرنی مانند طیف‌سنج‌های دقت بالا مجهز شوند می‌توانند برای بررسی طولانی‌مدت سرعت‌های شعاعی ستاره‌ای خورشید مانند مورداستفاده قرار گیرند.

• شما و همکارانتان سال‌های طولانی انواع مختلفی از سیاره‌های فراخورشیدی را بررسی و کشف کرده‌اید که گاهی وجود آن‌ها پیش از آن غیرممکن به نظر می‌رسید. برای مثال سیاره‌هایی که به دور سیستم ستاره‌ای دوتایی یا چندتایی در حال گردش هستند. با این تنوع موجود فکر می‌کنید چه نوع سیاره‌ای غیرمنتظره‌ای وجود دارد که هنوز ناشناخته مانده و کشف آن می‌تواند برای شما هیجان‌انگیز تلقی شود؟

یکی از محبوب‌ترین فراخورشیدی هایی که من مشتاق کشف آن هستم سیاره‌های سنگی غول‌پیکر است. برای مثال سیاره‌ای که ازنظر مواد سازنده مشابه زمین باشد اما جرمش حدود 50 برابر زمین باشد. ستاره شناسان تاکنون موفق به شکف چنین سیاره‌ای نشده‌اند حتی با توجه به اینکه چنین سیاره‌ای در صورت وجود، هم در روش گذر و هم در روش سرعت شعاعی از امکان تفکیک بالایی برخوردار است. به نظر می‌رسد گویی سیاره‌ها به‌محض اینکه به حد مشخصی از جرم رسیدند یک‌باره شاهد افزایش فوق‌العاده زیاد در ابعاد خود می‌شوند و دلیل آن‌هم شاید به حجم قابل‌توجه جو آن‌ها و یا بسته گازی برگردد که درون آن در حال رشد هستند.
کشف چنین سیاره‌ای می‌تواند جذاب باشد.