اسپرسو: طیف‌سنجی برای سیارات فراخورشیدی

اسپرسو: طیف‌سنجی برای سیارات فراخورشیدی

بررسی ها و اکتشافات سیارات فراخورشیدی به دوران هیجان‌انگیزتری از پیش نزدیک می‌شود. پس از مدت‌ها انتظار، طیف‌سنجی با وضوح بسیار بالا و پایدار برای کشف سیارات فراخورشیدی سنگی با نام اختصاصی اسپرسو۱ در رصدخانه‌ی پارانال برای تلسکوپ‌های VLT نصب و راه‌اندازی شد. اعضای تیم سازنده و هدایت علمی اسپرسو کارگروهی از کشورهای سوییس٬ ایتالیا٬ پرتغال و اسپانیا هستند که همراه با رصدخانه‌ی جنوبی اروپا۲ که به عنوان میزبان طیف‌سنج و عضو همکار در این طرح شناخته می‌شود٬ پس از ۱۰ سال موفق به راه‌اندازی این شگفتی دنیای ابزارهای نجومی شدند. این طیف‌سنج ستاره‌ای با وضوح ۲۲۰هزار در طول‌موج مرئی (بیشترین وضوح) و به صورت اختصاصی جهت اندازه‌گیری سرعت شعاعی سیارات فراخورشیدی طراحی و ساخته شده است. اما چه چیز در مورد این طیف‌سنج خاص است که آن را می‌توان همانند تلسکوپ هابل در زمان حاضر برای دنیای سیارات فراخورشیدی در نظر گرفت؟

شکل ۱: نمودار تغییرات سرعت شعاعی یک ستاره‌ی میزبان سیاره در طول یک دوره‌ی کامل چرخش سیاره به دور ستاره. پارامتر نیم دامنه‌ی تغییرات سرعت شعاعی با فلش سبز نشان داده شده که در اینجا حدود ۴ متربرثانیه است. این ستاره‌، میزبان یک سیاره با جرم تقریبی ۱۸ برابر جرم زمین و فاصله‌ی تقریبی ۰.۲۵ واحد نجومی و دوره‌ی چرخش تقریبی ۵۰ روز است. (Mordasini et al 2011)

شکل ۱: نمودار تغییرات سرعت شعاعی یک ستاره‌ی میزبان سیاره در طول یک دوره‌ی کامل چرخش سیاره به دور ستاره. پارامتر نیم دامنه‌ی تغییرات سرعت شعاعی با فلش سبز نشان داده شده که در اینجا حدود ۴ متربرثانیه است. این ستاره‌، میزبان یک سیاره با جرم تقریبی ۱۸ برابر جرم زمین و فاصله‌ی تقریبی ۰.۲۵ واحد نجومی و دوره‌ی چرخش تقریبی ۵۰ روز است. (Mordasini et al 2011)

روش‌های مختلفی در آشکارسازی مستقیم و غیرمستقیم سیارات فراخورشیدی استفاده می‌شود. روش سرعت‌شعاعی از جمله‌ مهمترین روش‌های غیرمستقیم در کشف و بررسی سیارات فراخورشیدی است. با استفاده از این روش، اولین سیاره‌ی فراخورشیدی به دور ستاره‌ای خورشیدمانند کشف و تایید شد. تعداد زیادی از ستارگانی که از روش گذر نیز نامزد وجود سیاره می‌شوند٬ از طریق این روش تایید و مشخصه‌یابی جرمی شده‌اند. اصول حاکم بر این روش آشکارسازی٬ برهم‌کنش گرانشی سیاره با ستاره است. با استفاده از آشکارسازی حرکت ستاره‌ی میزبان به دلیل وجود یک یا چند سیاره٬ برخی از ویژگی‌های فیزیکی همدم مشخص می‌شود. با توجه با اینکه در روش سرعت شعاعی، حرکت ستاره در راستای خط دید ناظر اندازه‌گیری می‌شود، وجود مقدار حداقلی از مؤلفه‌ی تغییر سرعت در راستای خط دید ناظر‐ستاره ضروری است. لذا اگر صفحه‌ی منظومه دقیقا عمود بر خط دید ناظر‐ستاره باشد، سیاره در این روش قابل آشکارسازی نخواهد بود. در اندازه‌گیری سرعت شعاعی به صورت مستقیم از اثر دوپلر استفاده می‌شود. جابجایی نوسانی خطوط طیفی، تغییر در سرعت شعاعی ستاره را مشخص می‌کند که حاصل از چرخش ستاره در مداری به دور مرکز جرم سیستم سیاره‐ستاره است. برای همین لازم است با روشی مکان خطوط طیفی را با دقت بسیار بالا در زمان‌های مختلف اندازه گرفت.

پارامتر معروفی که در روش سرعت شعاعی بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد٬ نیم‌دامنه‌ی تغییرات سرعت شعاعی است (شکل ۱). این پارامتر برای سیاره‌ی مشتری در چرخش به دور خورشید ۱۲/۵ متربرثانیه و برای زمین این مقدار در حدود ۱۰ سانتیمتربرثانیه است. در نتیجه در طی چرخش زمین٬ سرعت شعاعی خورشید٬ برای ناظران دوردست در طی یک سال در حدود ۲۰ سانتیمتر بر ثانیه تغییر می‌کند (بدون در نظر گرفتن سایر سیارات).

شکل ۲: نمایی از بدنه‌ی غول‌پیکر طیف‌سنج اسپرسو که نور خروجی را برای آشکارسازی دو قسمت طیف موسوم به آبی و قرمز‌نشان را نشان می‌دهد. تمام قسمت‌های طیف‌سنج در شرایط خلأ نسبی و دیوارهای مختلف محافظ تغییرات دمایی و مکانیکی نگهداری میشود. (Credit: Denis Mégevand, University of Geneva)

شکل ۲: نمایی از بدنه‌ی غول‌پیکر طیف‌سنج اسپرسو که نور خروجی را برای آشکارسازی دو قسمت طیف موسوم به آبی و قرمز‌نشان را نشان می‌دهد. تمام قسمت‌های طیف‌سنج در شرایط خلأ نسبی و دیوارهای مختلف محافظ تغییرات دمایی و مکانیکی نگهداری میشود. (Credit: Denis Mégevand, University of Geneva)

دقت اندازه‌گیری سرعت شعاعی در ستارگان به دو عامل کلی بستگی دارد: ۱- فعالیت‌های ستاره‌ای و خطاهای ذاتی: این گونه خطاها در اندازه‌گیری سرعت شعاعی مستقل از ابزار وجود دارند و به دلیل عوامل مختلف از جمله وجود لکه‌ها و دانه‌بندی سطح٬ لرزش‌های ستاره‌ای و یا سرعت چرخش بالای ستارگان به دور خود می‌باشند؛ ۲- ابزار٬ روش‌های تحلیل داده، و شرایط رصدی: اهمیت شرایط دید نجومی در تمامی رصدها مشخص است. توان و کیفیت تلسکوپ و طیف‌سنج به عنوان ابزار رصدی و دقت آنها همراه با روش‌های مختلف بررسی طیف ستارگان نقش بسیار مهمی در اندازه‌گیری سرعت‌شعاعی دارند. وضوح طیف خروجی و پایداری مکان خطوط طیفی در زمان‌های مختلف به صورت مستقیم در اندازه‌‌گیری‌های سرعت شعاعی مؤثر است. در دقت‌های بسیار بالا عواملی مانند تعادل و پایداری گرانشی و دمایی طیف‌سنج بسیار مهم است و حتی باید اثر حرکت زمین و نور زمینه‌ی آسمان را نیز با دقت بالا در نظر گرفت. در نتیجه طیف‌سنج‌های مخصوص اندازه‌گیری سرعت شعاعی ساخته شده‌اند که ضمن درنظرگرفتن همه‌ی عوامل تاثیرگذار و به‌حداقل‌رساندن خطاهای موجود٬ سرعت شعاعی را به سرعت پس از رصد٬ گزارش می کنند. نمونه‌های معروف این ماشین‌های قدرمند اندازه‌گیری سرعت شعاعی HARPS٬ HARPS-N٬ CORALIE٬ و SOPHIE هستند. تا به امروز دقت بهترین این طیف‌سنج‌ها یعنی HARPS در بهترین شرایط رصد و ستارگان پرنور و غیرفعال با استفاده از یک تلسکوپ ۳.۶ متری به صورت میانگین در حدود ۱ تا ۴ متربرثانیه بوده است. 

شکل ۳: اولین طیف خام بدون پردازش از اسپرسو که گسترهای از طول موج را با رنگهای کاذب برای بیان شدت نشان میدهد. (Credit: ESO/ESPRESSO team)

شکل ۳: اولین طیف خام بدون پردازش از اسپرسو که گسترهای از طول موج را با رنگهای کاذب برای بیان شدت نشان میدهد. (Credit: ESO/ESPRESSO team)

اسپرسو در واقع نسل جدید تمام طیف‌سنج‌های ستاره‌ای است که مخصوص اندازه‌گیری سرعت شعاعی ستارگان میزبان سیارات‌فراخورشیدی ساخته شده‌اند (شکل ۲). دقت اندازه‌گیری سرعت شعاعی به وسیله‌ی اسپرسو در شرایط ایده‌آل٬ ۱۰ سانتیمتربرثانیه است! ما قادر خواهیم بود تغییرات سرعت شعاعی ستارگان دارای شرایط را با دقت ۱۰ سانتیمتربرثانیه مشخص کنیم و این حیرت‌آور است زیرا با این دقت ما می‌توانیم سیاره‌ای در اندازه‌ی زمین که به دور ستاره‌ای با جرم خورشید و در فاصله‌ی یک واحد نجومی (متوسط فاصله‌ی زمین تا خورشید) قرار دارد٬ آشکارسازی و جرم آن را اندازه‌گیری کنیم. اسپرسو قادر است از یک تا چهار تلسکوپ ۸.۲ متری رصدخانه‌ی پارانال به صورت هم‌زمان استفاده کند و این انعطاف‌پذیری طیف‌سنج را در برنامه‌ریزی رصد و هم‌چنین افزایش توان دید ستارگان کم نور دوچندان می‌کند (شکل بالای صفحه).

لازم به ذکر است در حدود ۲۰درصد از وقت اسپرسو به مطالعات دیگر در مورد ترکیبات شیمیایی ستارگان و هم‌چنین مطالعه‌ی ثابت‌های فیزیکی در کیهان‌شناسی اختصاص خواهد یافت. نتایج اولیه از رصدهایی که در طی دو هفته‌ی گذشته در رصد آزمایشی و راه‌اندازی صورت‌پذیرفته است٬ بسیار راضی‌کننده و موفقیت‌آمیز بوده و در مواردی نتایج از حد انتظار بهتر است (شکل ۳). حال باید در انتظار اخبار هیجان‌انگیز از این طیف‌سنج خوش‌طعم باشیم. طعمی که بیشتر از همه به مذاق سیارات فراخورشیدی زمین‌مانند در کمربند حیات منظومه‌های مشابه منظومه‌ی شمسی خوش خواهد آمد!

 

(۱) (The Echelle SPectrograph for Rocky Exoplanet and Stable Spectroscopic Observations (ESPRESSO
(۲) ESO

عنوان اصلی مقاله: ESPRESSO on VLT: An Instrument for Exoplanet Research
نویسندگان: Jonay I. Gonzalez Hernandez, et al
لینک مقاله‌ی اصلی: https://arxiv.org/pdf/1711.05250.pdf
اطلاعات بیشتر:
http://www.eso.org/public/news/eso1739/?lang
گردآوری: سعید حجت‌پناه

دسته‌ها: مقالات روز

درباره نویسنده

سعید حجت‌پناه

دانشجوی دکترای نجوم در دانشگاه پورتو پرتغال است. او تحصیلات کارشناسی خود را در دانشگاه شیراز و دوره‌ی کارشناسی ارشد را در دانشگاه زنجان به انجام رسانده است. از سال ۲۰۱۶ در مؤسسه‌ی نجوم و اخترفیزیک پرتغال و دانشگاه پورتو مشغول به تحقیق در زمینه ی سیارات فراخورشیدی است. تحقیقات او بر روی آشکارسازی سیارات فراخورشیدی زمین-مانند با استفاده از روش‌های سرعت شعاعی و گذر متمرکز است. وی در حال حاضر عضو تیم علمی طیف‌سنج اسپرسو (ESPRESSO/VLT) در رصدخانه‌ی پارانال در شیلی است.

یک دیدگاه بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.
بخش‌های لازم مشخص شده‌اند*