چقدر محتمل است کره زمین توسط رصدگران فرازمینی با روش ریزهمگرایی گرانشی کشف شود؟!
تاکنون حدود ۵۰۰۰ سیاره‌ی فراخورشیدی توسط رصدخانه‌های فضایی و زمینی هم‌چون Kepler ، TESS، WASP، HATNet، KELT، NGTS، MASCARA، MOA، OGLE و KMTNet کشف شده‌اند و هزاران سیاره‌ی دیگر توسط ماموریت‌های آینده هم‌چون PLATO و تلسکوپ فضایی Roman و Euclid کشف خواهند شد. بیش‌تر این سیارات در مساحتی حدود ۰/۲۵ درصد از آسمان قرار گرفته‌اند زیرا تلسکوپ فضایی کپلر این بخش از آسمان را به صورت مرتب رصد کرده‌است. برای شناخت بهتر مشخصات آماری سیارات فراخورشیدی لازم است تصویر جامعی از آنها داشته باشیم و در سرتاسر آسمان به دنبال آنها بگردیم (همان‌طور که تلسکوپ‌هایی مانند تلسکوپ فضایی TESS چنین ماموریتی داشته‌اند).
با شناخت بیش‌تر سیارات فراخورشیدی، دانشمندان بیش‌تری تلاش می‌کنند با نگاهی دقیق‌تر، جست‌و‌جو برای هوش فرازمینی[۱] (SETI) را بررسی کنند. ستارگان شبیه خورشید که دارای سیاره ای در کمربند حیات خود هستند، جزو کاندیداهای اصلی SETI هستند. از طرف دیگر وجود سیاره‌ی زمین، کره‌ای خاکی در کمربند حیات، می‌تواند برای موجودات فرازمینی نیز انگیزه ایجاد کند که زمین را رصد کنند یا به زمین علامتی بفرستند. بیش‌تر سیارات فراخورشیدی کنونی به روش گذر کشف شده‌اند، روشی که می‌تواند برای رصد جو سیارات فراخورشیدی نیز استفاده شود. در واقع روش گذر می‌تواند نشانه‌های حیات یا آلودگی صنعتی در جو را نیز کشف کند. البته این روش محدود به زاویه‌ی انحراف مداری سیارات است و تنها رصدگران فراخورشیدی قرار گرفته در نوار باریکی از آسمان به دور صفحه‌ی دایره البروج می‌توانند زمین را به روش گذر رصد کنند. این نوار باریک ناحیه‌ی گذر زمین[۲] (ETZ) نامیده می‌شود. بنابراین ناحیه‌ی گذر زمین به عنوان منطقه‌ای قابل توجه برای جست‌و‌جوی علائم فناوری و توسعه در سیارات فراخورشیدی شناخته شده‌است.
ریزهمگرایی گرانشی روشی دیگر برای کشف سیارات فراخورشیدی است. در این روش نور ستاره‌ای دوردست، به نام ستاره‌ی منبع، توسط ستاره‌ی دیگری که بین منبع و رصدگر قرار دارد و ستاره‌ی عدسی نامیده می‌شود، خم می‌شود. در اثر این پدیده، ستاره‌ی منبع پرنورتر دیده می‌شود. اگر ستاره‌ی عدسی، سیاره‌ای به دور خود داشته باشد، سیاره نیز نور منبع را تحت تاثیر قرار می‌دهد و می‌تواند در منحنی نوری ستاره‌ی منبع اشکال مختلفی ایجاد کند (به مقاله‌ی آموزشی این روش مراجعه کنید). در حال حاضر بیش از ۱۳۰ سیاره به این روش کشف شده‌اند. در این مقاله به این موضوع پرداخته می‌شود که یک رصدگر فراخورشیدی با چه شرایطی می‌تواند به روش ریزهمگرایی گرانشی زمین را کشف و رصد کند. مدلی برپایه‌ی نظریه‌ی بازی[۳] توصیه می‌کند که SETI بر روی سیاراتی تمرکز کند که دید خوبی از زمین دارند، بنابراین بررسی احتمال کشف زمین از دید رصدگران دیگر حائز اهمیت می‌شود. مزیت روش ریزهمگرایی گرانشی این است که فواصل دورتری را پوشش می دهد. سیارات کشف شده به این روش درحدود فاصله‌ی ۳ تا ۷ کیلوپارسکی از ما در جهت مرکز کهکشان راه شیری هستند، در حالی‌که سیارات کشف شده به روش‌های دیگر در فاصله‌ی حدود ۱ کیلوپارسکی از خورشید قرار دارند. این مقاله استدلال می‌کند که با بررسی این‌که زمین تا چه حد برای تمدن‌های پیشرفته با روش ریزهمگرایی گرانشی قابل کشف است، می‌توان کاندیدهای باارزشی را برای SETI یافت.
شکل ۱: توزیع سه کمیت احتمال ریزهمگرایی گرانشی، میانگین زمان گذر اینشتین، و نرخ وقوع ریزهمگرایی گرانشی ایجاد شده توسط زمین در پهنه‌ی آسمان نشان داده شده‌است. در نمودار بالایی، احتمال ریزهمگرایی گرانشی رابطه‌ای قوی با تعداد ستارگان منبع و رصد گر دارد و در نتیجه این احتمال زمانی بیش‌تر است که یک پیکسل و پیکسل متقاطر آن در نواحی پرتراکم آسمان قرار داشته باشند. نمودار میانی نشان می‌دهد که در اطراف صفحه‌ی کهکشان راه شیری، میانگین زمان گذر وقایع ریزهمگرایی گرانشی ایجاد شده توسط سیستم زمین-خورشید طولانی‌تر است؛ زیرا در این نواحی هم رصدگر و هم ستاره‌ی منبع در دیسک کهکشان قرار دارند و در یک جهت حرکت می کنند و در نتیجه زمان طولانی‌تری را در موقعیت همگرایی قرار می گیرند. نمودار پایینی نرخ رصد در سال در واحد درجه‌ی مربع از آسمان را نمایش می‌دهد که با احتمال وقوع ریزهمگرایی ارتباط دارد و طرح مشابهی را نشان می‌دهد.
نویسندگان مقاله، منطقه‌ی ریزهمگرایی زمین[۴] (EMZ) را نواحی‌ای از آسمان تعریف می‌کنند که رصدگران از آن‌جا می‌توانند زمین را با روش ریزهمگرایی کشف کنند. هرچه تعداد ستارگان موجود در ناحیه‌ی ریزهمگرایی زمین بیش‌تر باشد، یا تعداد ستارگان پس‌زمینه در جهت دید رصدگران فرازمینی بیش‌تر باشد، احتمال رصد زمین از ناحیه‌ی ریزهمگرایی زمین بیش‌تر است. احتمال کشف زمین توسط رصدگر فرازمینی در ناحیه‌ی ریزهمگرایی زمین نسبت به ناحیه‌ی گذر زمین، بیش‌تر است، ولی ناحیه‌ی ریزهمگرایی زمین مانند ناحیه‌ی گذر زمین قابل رصد بودن زمین را تضمین نمی‌کند و تنها احتمال کشف زمین به این روش قابل بررسی است. همچنین، پدیده‌ی گذر، یک رویداد تناوبی است در حالی‌که ریزهمگرایی گرانشی تنها یک بار اتفاق می‌افتد.
این مقاله قابل رصد بودن سیگنال ریزهمگرایی تولید شده توسط زمین را بررسی می‌کند. از نقطه نظر زمین، رصدگر فرازمینی و ستاره‌ی پس‌زمینه در دو نقطه‌ی متقاطر (دو نقطه بر روی قطر کره‌ی سماوی) از هم قرار دارند. نویسندگان در این مقاله با استفاده از داده‌های تلسکوپ فضایی Gaia که موقعیت مکانی، روشنایی، فاصله و حرکت خاص میلیون‌ها ستاره را اندازه گرفته‌است، مجموعه‌ای از ستارگان را به عنوان رصدگر و منبع در نظر گرفته و سه کمیت را در نقاط مختلف آسمان اندازه می‌گیرند: ۱) احتمال ریزهمگرایی گرانشی که عبارت است از احتمال رصد سیگنال ریزهمگرایی گرانشی تولید شده توسط زمین به عنوان همگراکننده توسط رصدگری در هر نقطه از آسمان، ۲) میانگین زمان گذر اینشتین برای پدیده‌ی ریزهمگرایی ایجاد شده توسط زمین در هر پیکسل از آسمان، ۳) نرخ وقوع ریزهمگرایی گرانشی ایجاد شده توسط زمین در سال در واحد درجه‌ی مربع از آسمان. آنها همچنین فرض می‌کنند که به ازای هر ستاره در آسمان یک رصدگر فرازمینی وجود دارد، و همه‌ی ستارگان جدای از نوع، سن و مکانشان، با احتمال برابری دارای رصدگر فرازمینی هستند.
در بخشی از مقاله، نویسندگان تاثیر حضور سایر سیارات منظومه‌ی شمسی را بر روی سیگنال ریزهمگرایی گرانشی دریافتی از زمین بررسی می‌کنند. به صورت کلی، برای بررسی یک پدیده‌ی ریزهمگرایی گرانشی با داشتن روشنایی رصد شده‌ی منبع در واحد زمان و با حل معادله‌ی لنز، موقعیت لنزها به دست می‌آید. همچنین برای شبیه‌سازی، با فرض یک سیستم لنز، می‌توان روشنایی حاصل از منبع را به دست آورد. هرچه تعداد لنزها بیش‌تر باشد، معادله‌ی لنز پیچیده‌تر می‌شود. برای مثال، برای یک سیستم دارای هشت لنز (منظومه‌ی شمسی به جز عطارد) باید یک معادله‌ی چندجمله‌ای درجه‌ی ۶۵ حل شود. یکی از راه‌های ساده‌تر حل مساله، تکنیک تاباندن نور[۵] است. در این تکنیک به صورت شبیه‌سازی شده و نظری، نورهای متعدد از منبع به صفحه‌ی لنز تابانده می‌شود. هر یک از نورها بسته به این‌که به کدام قسمت صفحه‌ی لنز وارد می‌شوند، با زاویه‌ی متفاوتی منحرف می‌شوند. بدین صورت صفحه‌ی لنز تبدیل به یک نقشه می‌شود که نشان می‌دهد هر نقطه از آن صفحه چه میزان افزایش روشنایی برای منبع ایجاد می‌کند. به این صفحه، نقشه‌ی بزرگ‌نمایی[۶] گفته می‌شود. این نقشه‌ها دارای خطوط بسته‌ای هستند که مرزهای بزرگ‌نمایی بی‌نهایت را نشان می‌دهند و به آنها کاستیک[۷] می‌گویند. به صورت نظری، اگر منبعی در راستای دید ما از این خطوط عبور کند، روشنایی آن بی‌نهایت بیش‌تر می‌شود. نویسندگان این مقاله با روش تاباندن نور، نقشه‌ی بزرگ‌نمایی منظومه‌ی شمسی به عنوان سیستم لنزی را محاسبه کرده و آن را با نقشه‌ی بزرگ‌نمایی سیستم فرضی دوتایی زمین و خورشید مقایسه کرده‌اند. آنها نشان داده‌اند که کاستیک‌های سیاره‌ای فرضی این دو سیستم لنزی در اندازه و شکل تفاوتی ندارند و صرفا اندکی جا‌به‌جا شده‌اند، و استدلال می‌کنند که می‌توان زمین و خورشید را به عنوان یک سیستم لنزی دوتایی در نظر گرفت و از تاثیر سیارات دیگر صرف نظر کرد.
برای انجام این شبیه‌سازی، موقعیت ستارگان، روشنایی و حرکت خاص آنان از کاتالوگ DR2 تلسکوپ فضایی Gaia استخراج شده‌است. ابتدا آسمان به پیکسل‌های کوچک تقسیم شده و در هر پیکسل سه کمیت احتمال ریزهمگرایی گرانشی، میانگین زمان گذر اینشتین، و نرخ وقوع ریزهمگرایی گرانشی ایجاد شده توسط زمین محاسبه شده‌است. توزیع این سه کمیت در پهنای آسمان در تصویر ۱ نشان داده شده‌است. در شکل بالای تصویر ۱، احتمال ریزهمگرایی گرانشی رابطه‌ای قوی با تعداد ستارگان منبع و رصدگر دارد؛ در نتیجه این احتمال، زمانی که یک پیکسل و پیکسل متقاطر آن در نواحی پرتراکم آسمان قرار داشته باشند، بیش‌تر است. بنابراین صفحه‌ی کهکشان راه شیری احتمال ریزهمگرایی بیش‌تری دارد. در این شکل چهار ناحیه با احتمال ریزهمگرایی بالا خارج از کهکشان راه شیری وجود دارد. این نواحی ابرهای ماژلانی و نقاط متقاطرشان هستند. نواحی نزدیک به صفحه‌ی دایره البروج احتمال ریزهمگرایی کم‌تری دارند؛ زیرا از نقطه نظر رصدگر قرار گرفته در این نواحی، فاصله‌ی بین زمین و خورشید در راستای دیدشان کم است و در نتیجه کاستیک های فرضی کوچکی ایجاد خواهند شد و احتمال گذر از آن کاستیک‌ها و ایجاد سیگنال ریزهمگرایی گرانشی کم‌تر است. شکل میانی نشان می‌دهد که در اطراف صفحه‌ی کهکشان راه شیری، میانگین زمان گذر طولانی‌تر است. دلیل طولانی بودن زمان گذر وقایع ریزهمگرایی در این نواحی این است که هم رصدگر و هم ستاره‌ی منبع در دیسک کهکشان قرار دارند و در یک جهت نسبت به هم و نسبت به خورشید حرکت می‌کنند و در نتیجه زمان طولانی‌تری در موقعیت همگرایی قرار می‌گیرند. نرخ رصد در سال در درجه‌ی مربع نیز که در شکل پایین نمایش داده شده‌است با احتمال ریزهمگرایی ارتباط دارد و طرح مشابهی را نشان می‌دهد.
شکل ۲: این نمودار توزیع نرخ رصد وقایع ریزهمگرایی گرانشی ایجاد شده توسط سیستم لنزی دوتایی زمین-خورشید در سال و در واحد درجه‌ی مربع از آسمان را نشان می دهد. مهم‌ترین کاندیداهای SETI نواحی‌ای هستند که نرخ رصد آنها جزو ۱ درصد بالای این نمودار قرار دارد. این نواحی به ناحیه‌ی ریزهمگرایی زمین شناخته می‌شوند.
تصویر ۲ توزیع نرخ رصد همگرایی گرانشی همه‌ی پیکسل‌های آسمان را نشان می‌دهد. در این قسمت، منطقه‌ی ریزهمگرایی زمین به طور دقیق‌تری تعریف می‌شود و شامل ۱ درصد از آسمان با بیش‌ترین نرخ رصد ریزهمگرایی گرانشی است.
شکل ۳: نقاط نارنجی‌رنگ ناحیه‌ی ریزهمگرایی زمین را نشان می‌دهند. خط سبزرنگ ناحیه‌ی گذر زمین را نشان می‌دهد. نواحی پرستاره‌ی آسمان بیش‌ترین احتمال رصد ریزهمگرایی گرانشی توسط سیستم زمین-خورشید را دارند. این نواحی شامل دیسک کهشکان و ابرهای ماژلانی و نقاط متقاطرشان هستند.
تصویر ۳ منطقه‌ی ریزهمگرایی زمین را نشان می‌دهد. نقاط نارنجی‌رنگ مناطقی هستند که بیش‌ترین نرخ وقوع ریزهمگرایی گرانشی از دید رصدگران فرازمینی را دارند. خط سبزرنگ ناحیه‌ی گذر زمین است. این نقشه نشان می‌دهد که ناحیه‌ی گذر زمین و ناحیه‌ی ریزهمگرایی زمین در نزدیکی مرکز کهکشان راه شیری هم‌پوشانی دارند؛ در نتیجه رصدگران در این ناحیه می‌توانند از طریق دو روش گذر و ریزهمگرایی گرانشی، زمین را رصد کنند.
نکته‌ی دیگری که در این مقاله به آن اشاره می‌شود این است که کمربند حیات یک کهشکان در فاصله‌ی حدود ۷ تا ۹ کیلوپارسک از مرکز آن قرار دارد. منظومه‌ی شمسی نیز در این محدوده‌ی فاصله از مرکز کهکشان راه شیری قرار گرفته‌است. نویسندگان مقاله نشان می‌دهند که احتمال رصد زمین با روش ریزهمگرایی گرانشی در فاصله‌ی ۱۰۰ پارسکی زمین بیش‌ترین است و چون زمین در ناحیه‌ی زیست‌پذیر کهکشان راه شیری قرار دارد، بنابراین احتمال وجود حیات فرازمینی رصدگر در سیارات نزدیک‌تر به زمین بیش‌تر است. این نویسندگان همچنین اضافه می‌کنند که سیگنال رادیویی این سیارات که نزدیک به زمین هستند، می‌تواند توسط SETI کشف شود.
شکل ۴: در این تصویر تمامی سیارات کشف شده تا امروز بر روی نقشه‌ی نرخ رصد ریزهمگرایی زمین نشان داده شده‌اند (نقاط سیاه‌رنگ). نقاط سبزرنگ در ناحیه‌ی ریزهمگرایی زمین قرار دارند که شامل ۸۵ سیاره هستند. این سیارات می‌توانند با احتمال بالاتری نسبت به سایر سیارات زمین را با روش ریزهمگرایی گرانشی رصد کنند و در نتیجه کاندیداهای مهمی برای SETI به حساب می‌آیند.
در آخر، تصویر ۴ سیارات کشف شده تا امروز را بر روی نقشه‌ی نرخ رصد ریزهمگرایی نشان می‌دهد. نقاط سبزرنگ سیارات قرار گرفته در منطقه‌ی ریزهمگرایی زمین هستند که تعداد آن ها ۸۵ تا است. بررسی منطقه‌ی ریزهمگرایی زمین، نواحی بهینه‌ی رصد SETI را نقاط با عرض جغرافیایی کهکشانی پایین، نزدیک مرکز کهکشان، و ابرهای ماژلانی معرفی می‌کند. مجموع نرخ کشف وقایع ریزهمگرایی گرانشی در این نواحی ۱۰−^۱۰ × ۳/۱۶ رصدگر در سال است که عدد بزرگی نیست. از طرفی رصد بیش‌تر این نواحی که در حال حاضر در طول موج‌های مختلف توسط تلسکوپ‌های مختلف انجام می‌شود، و در آینده‌ی نزدیک توسط تلسکوپ Roman انجام خواهد شد، می‌تواند تعداد سیارات مانند زمین در این منطقه را بیش‌تر کند. و در آخر، اخترسنجی با استفاده از تداخل‌سنجی تلسکوپ‌ها به تازگی عرصه‌ی جدیدی را در حوزه‌ی ریزهمگرایی گرانشی به‌وجود آورده‌است که قدرت رصد این سیگنال را بیش‌تر می‌کند و می‌تواند کاندیداهای جدیدتری را برای SETI بیابد.
تصویر بالای صفحه: An artist’s impression of the orbiting planets and their stars in the Milky Way. Source: M. Kornmesser / ESO
[۱] The search for extraterrestial intelligence (SETI)
[۲] Earth Transit Zone (ETZ)
[۳] Game Theory
[۴] Earth Microlensing Zone (EMZ)
[۵] Ray shooting
[۶] Magnification map
[۷] Caustic
عنوان اصلی مقاله: Earth through the looking glass: how frequently are we detected by other civilisations through photometric microlensing?
نویسندگان: S. Suphapolthaworn, S. Awiphan, T. Chatchadanoraset, E. Kerins, D. Specht, N. Nakharutai, S. Komonjinda, and A.C. Robin
لینک مقاله‌ی اصلی: https://arxiv.org/abs/2206.09820
گردآوری: سمیه خاکپاش
