تلسکوپ فِرمی : بررسی کیهان پرانرژی

تلسکوپ فرمی، یک رصدخانه‌ی فضایی است که برای بررسی فرکانس‌های پرانرژی کیهان یعنی پرتوهای گاما طراحی شده است. این تلسکوپ با مشارکت ناسا، وزارت انرژی ایالات‌متحده و چند شریک در ایالات‌متحده و در سطح بین‌المللی راه‌اندازی شده است. مأموریت این تلسکوپ در سال ۲۰۰۸ شروع شد و تا میانه‌ی ۲۰۱۸ به فعالیت خود ادامه داده است.

‌توسعه‌ و طول عمر

در سال ۲۰۰۰، بررسی و پژوهش‌های آکادمی‌های ملی ده‌ساله‌ی علوم (که به شناسایی اولویت‌های بالای جامعه‌ی علمی برای پژوهش‌های سال‌های آینده می‌پردازد) باعنوان مأموریت بررسی پرتوهای گاما به نقل از ناسا به اولین اولویت یکی از پروژه‌های متوسط تبدیل شد.

دانشمندان فِرمی را دنباله‌روی رصدخانه‌ی اشعه‌ی گامای کومپتون می‌دانستند که بین سال‌های ۱۹۹۱ تا ۱۹۹۹ فعال بود. به نقل از ناسا، میدان دید و قابلیت‌های بررسی آسمانی فرمی دو برابر بیشتر از واسطه‌های کومپتون و ۳۰ برابر حساس‌تر از آن است. فِرمی به‌عنوان مکملی برای رصدخانه‌ی Neil Gehrels Swift طراحی شد؛ Swift برای بررسی موقعیت‌های انفجاری پرتوی گاما و همین‌طور پس فروزش آن بهینه‌سازی شده است.

_{این نقشه‌ی آسمانی از کیهان توسط ستاره‌شناسان و بر اساس داده‌های جمع‌آوری‌شده از تلسکوپ فضایی پرتوی گامای فرمی رسم شده است. این نقشه پرتوهای گامای آشکارشده توسط این تلسکوپ را از سال ۲۰۰۸ تا ۲۰۱۷ نمایش می‌دهد.}

فِرمی که حاصل همکاری ناسا و بخش انرژی ایالات‌متحده است به پژوهش‌های مشترک درزمینه‌ی اخترفیزیک و فیزیک ذرات می‌پردازد. شرکای بین‌المللی شامل کشورهای فرانسه، آلمان، ایتالیا، ژاپن و سوئد و مؤسسه‌های دیگر هم در این پروژه با ایالات‌متحده به همکاری پرداخته‌اند. هزینه‌ی این مأموریت ۶۹۰ میلیون دلار بود (مشارکت ۶۰۰ میلیون دلاری ایالات‌متحده و ۹۰ میلیون دلاری بین‌المللی).

فرمی (با نام قبلی تلسکوپ فضایی بزرگ پرتوی گاما (GLAST)) برای قرار گرفتن در مدار عملیاتی خود، در تاریخ ۱۱ ژوئن ۲۰۰۸ با موشک Delta II Heavy از ایستگاه نیروی هوایی Cape Canaveral پرتاب شد. این تلسکوپ با ارتفاع تقریبی ۳۵۰ مایلی (۵۶۰ کیلومتری) از سطح در مدار زمین قرار گرفت و هر نود دقیقه به دور سیاره می‌چرخد. به نقل از ناسا:

دلیل انتخاب این مدار حداقل‌سازی آثار ذرات بارداری است که زمین را احاطه کرده‌اند، این ذرات منجر به تولید سیگنال‌های ناخواسته‌ی پس‌زمینه در آشکارسازها می‌شوند و درعین‌حال طول عمر کامل مأموریت‌ها را تضمین می‌کنند.

فِرمی برای پنج تا ده سال فعالیت طراحی شده بود. این مأموریت در ژوئن ۲۰۱۸ دهمین سالگرد فعالیت خود را گذراند و هنوز در میانه‌ی ۲۰۱۸ فعال است و انتظار می‌رود تا پاییز ۲۰۱۸ به فعالیت خود ادامه دهد.

اهداف علمی

هدف اصلی تلسکوپ فِرمی بررسی پرتوهای گاما به‌عنوان پر‌انرژی‌ترین شکل نور موجود است. درست مانند نور مرئی قابل رویت با چشم انسان، پرتوهای گاما در طیف پرتوها الکترومغناطیسی قرار دارند. بااین‌حال انرژی پرتوهای گاما میلیاردها برابر بیشتر از نور مرئی است.

انواع مختلفی از اجرام مرموز در معرض پرتوهای گاما درخشش زیادی دارند. پژوهشگرها انفجارهای پرتوهای گاما را در دسته‌ی پرانرژی‌ترین انفجارهای کیهانی قرار داده‌اند که می‌توانند منجر به انقراض بزرگی در سطح زمین شوند. زبانه‌های خورشیدی (فوران‌های روی خورشید) در هر دو طیف پرتوهای گاما و نور مرئی درخشش بالایی دارند. ستاره‌های به‌شدت متراکم و دارای چرخش سریع، معروف به پالسارها (تب اخترها) هم منبع پرتوهای گاما هستند.

هدف پژوهشگرها از بررسی پرتوهای گاما درک بهتر ماده‌ی تاریک است. (در ابتدا، دانشمندان تصور می‌کردند پرتوهای گاما نشانه‌ای برای وجود ماده‌‌ی تاریک باشند اما پژوهش‌های بیشتر این فرضیه را در معرض شک قرار داد). ماده‌ی تاریک بیشترین بخش کیهان را تشکیل می‌دهد اما با تلسکوپ‌ها‌ی معمولی قابل رویت نیست. تنها راه پی بردن به وجود آن بررسی تأثیر آن بر اشیای دیگر ازجمله آثار گرانشی است. درک بهتر ماده‌ی تاریک به پژوهشگرها در پیش‌بینی بهتر رویدادهای دیگر مثل جابه‌جایی‌های ستاره‌ای و سرنوشت کیهان کمک می‌کند. به نقل از ناسا، اهداف اصلی مأموریت فِرمی عبارت‌اند از:

• بررسی دورترین نقاط کیهان، در این نقاط کنترل طبیعت بر انرژی فراتر از هر چیز دیگری رو زمین است.
• جست‌وجو برای علائمی که قوانین جدید فیزیک و عناصر تشکیل‌دهنده‌ی ماده‌ی تاریک اسرارآمیز را اثبات می‌کنند.
• نشان می‌دهند که سیاهچاله‌ها چگونه می‌توانند سرعت جریان‌های بزرگ ماده را به‌سرعت نور نزدیک کنند.
• کمک به پرده‌برداری از رازهای انفجارهای قدرتمند ازجمله انفجار پرتوهای گاما.
• پاسخ به سؤالات دیرینه ازجمله زبانه‌های خورشیدی، پالسارها (تب‌اخترها) و منشأ پرتوهای کیهانی.

فِرمی برای اجرای بررسی‌ها و پژوهش‌های خود دو واسطه را حمل می‌کند: واسطه‌ی اصلی آن به نام تلسکوپ LATو یک واسطه‌ی مکمل به نام ناظر انفجار پرتوی گاما (GBM).

برای درک بهتری فرکانس‌های انرژی، در ادامه توضیح مختصری از الکترون‌ولت (ev) ارائه شده است. یک الکترون‌ولت برابر با میزان انرژی است که یک الکترون مستقل با افزایش پتانسیل الکتریکی برابر با یک ولت، دریافت می‌کند. (بر اساس دائره‌المعارف بریتانیکا). (پتانسیل الکتریکی برابر با مقدار کار لازم برای جابه‌جایی یک واحد بار از یک نقطه ‌به ‌نقطه‌ی دیگر برخلاف جهت میدان الکتریکی است).

انرژی فوتونی نور مرئی بین ۱.۶ eV و ۳.۴ eV است. مقیاس الکترون‌ولت به این صورت ادامه پیدا می‌کند: کیلو الکترون‌ولت (keV، یک هزار eV)، مگا الکترون‌ولت (MeV، یک‌میلیون eV)، گیگا الکترون‌ولت (GeV، هزار میلیون eV) و … . برای درک بهتر میزان انرژی این واحد، یک رویداد شکافت یا تجزیه‌ی هسته‌ای تقریبا ۲۰۰ MeV برآورد می‌شود (بر اساس آزمایشگاه ملی برکلی لاورنس). فرمی می‌تواند اجرام را در طیف وسیعی از مقیاس‌ها (بین ۸ keV تا ۳۰۰ GeV) نمایش دهد.

LAT می‌تواند ۲۰ درصد از آسمان را به‌صورت یکجا نمایش دهد و درصورتی‌که در حالت پیش‌فرض sky surveyقرار داده شود هر سه ساعت هر سه ساعت یک‌بار با جابه‌جایی تصاویر از کل آسمان را نشان می‌دهد. پژوهشگرها می‌توانند LAT را برای نمایش اجرام جالب بچرخانند. درصورتی‌که LAT یا GRB در نقطه‌ای انفجار پرتوی گاما را رصد کنند، این تلسکوپ قادر است خود را جابه‌جا کند. LAT قادر است فوتون‌ها با انرژی بین ۳۰ MeV تا حداقل ۳۰۰ GeV را رصد کند.

رویدادهای منتخب

فرمی در سال ۲۰۱۰ دو حباب بزرگ ماده‌ را در مرکز کهکشان راه شیری شناسایی کرد. رصدهای بعدی در طول‌موج‌های رادیو و اشعه‌ی ایکس انجام شدند در این رصدها از بررسی‌های تلسکوپ هابل در سال ۲۰۱۵ هم استفاده شد، بر اساس این بررسی‌ها سرعت حرکت حباب‌ها ۲ میلیون مایل بر ساعت (۳.۲ میلیون کیلومتر بر ساعت) ثبت شده است.

NASA به‌صورت دوره‌ای نقشه‌های کامل آسمان را از تلسکوپ فرمی دریافت می‌کند این نقشه‌های در طی چند سال رصد ثبت شده‌اند. برای مثال در نسخه‌ی ۲۰۱۱ داده‌ها در طی دو سال ثبت شده‌اند. بیش از یک‌سوم منابع نمایش یافته در این نقشه‌ی مشخص، قبلا هرگز شناسایی نشده‌اند. در سال ۲۰۱۱ هم فِرمی یک مجموعه‌ی علمی بزرگ از نتایج را منتشر کرد (شامل نه پالسار جدید) و یک انفجار را هم در نزدیکی سحابی خرچنگ ثبت کرد.

در آوریل ۲۰۱۳، ناسا اعلام کرد که فرمی در مارس ۲۰۱۲ از یک گلوله‌ی ۱.۵ تنی جان سالم به دربردهاست. گزارش خودکار این تلسکوپ نشان می‌دهد فرمی تنها به مدت یک هفته از برخورد ویرانگر Cosmos 1805 فاصله داشته است، Cosmos 1805 ماهواره‌ی جاسوسی منسوخ اتحاد جماهیر شوروی است که در طول جنگ سرد در دهه‌ی ۱۹۶۰ به فعالیت می‌پرداخت. دو ماهواره تنها با چند صد فوت فاصله از کنار یکدیگر رد شده‌اند، این فاصله در محاسبه‌ی مسیر فضاپیماها حاشیه‌ی خطای بسیار کوچکی است. مهندسین به فرمی دستور دادند که تنها یک ثانیه جت پیشران خود را روشن کند تا به این صورت از احتمال وقوع فاجعه جلوگیری کنند. در ماه آگوست ناسا اعلام کرد، مأموریت فرمی را تا سال ۲۰۱۸ توسعه خواهد داد تا پژوهشگرها زمان بیشتری را برای بررسی ارتباط بین پرتوی گاما و ماده‌ی تاریک داشته باشند.

سایت Space.com در سال ۲۰۱۴ به بررسی پدیده‌ی تابش‌های زمینی پرتوی گاما پرداخت، این تابش‌ها پرتوهای گامایی هستند که در طوفان‌های شدید در زمین به وجود می‌آیند. فِرمی می‌تواند منابع زمینی پرتوهای گاما و همین‌طور منابع کیهانی آن‌ها را رصد کند. در همان سال فِرمی نوری از پرتوی گاما را رصد کرد که توسط لنزهای گرانشی متمرکز شده بود، این اتفاق زمانی رخ می‌دهد که جاذبه‌ی یک شیء بزرگ نور حاصل از یک شیء دورتر را منحرف کند.

پژوهش‌های فرمی در سال ۲۰۱۵ نشان دادند که پرتوهای گاما قادر به آشکارسازی میدان مغناطیسی هستند تنها چند نانوثانیه پس از بیگ‌بنگ و شکل‌گیری جهان به وجود آمده است. در حال حاضر هم پژوهشگرها اعلام کردند که سیگنال ضعیفی را کشف کردند و برای اطمینان از آن نیاز به رصدها و بررسی‌های بیشتر دارند.

پژوهشگرها در یک بررسی دیگر بر اساس رصدهای فرمی اعلام کردند ممکن است تشعشعات اسرارآمیز گاما که در سراسر جهان توزیع‌ شده‌اند از منابع مشخصی تشکیل شده باشند؛ و در سال ۲۰۱۶، یکی از دیگر بررسی‌های فرمی نشان می‌دهد ماده‌ی تاریک تنها یک عامل تأثیرگذار کوچک در تشعشعات پس‌زمینه‌ی پرتوی گاما است. یکی از نقشه‌های فِرمی که در سال ۲۰۱۶ منتشر شد منابع پرتوی گامای کیهانی را با بیشترین درجه‌ی وضوح نشان می‌دهد. بر اساس بررسی‌های سال ۲۰۱۷، انرژی خورشیدی بر پرتوهای گاما تأثیر می‌گذارد. فوران‌های خورشیدی مخفی با انفجارهای پرتوی گاما که توسط فِرمی رصد شدند، مرتبط هستند.

در مارس ۲۰۱۸، درایوهای آرایش خورشیدی فرمی با مشکل روبه‌رو شدند و تلسکوپ در وضعیت خودکار safe holdقرار گرفت. مهندسان با استفاده از آرایش خورشیدی موجود، فِرمی را در یک زاویه‌ی ثابت نسبت به مدار آن قرار دادند. قرار گرفتن تلسکوپ در این زاویه باعث می‌شود پنل خورشیدی بیشترین میزان نور خورشید را جذب کرده و به حرکت خود ادامه دهد. در می ۲۰۱۸ فرمی عملیات علمی خود را از سر گرفت. ناسا در آن زمان به بررسی دلیل خطای این تلسکوپ مشغول بود.