چگونه با تلسکوپ‌های اشعه ایکس به اسرار کیهان پی می‌بریم؟

لازمه اکتشاف واقعی، نه فقط جست وجوی چشم انداز های جدید، بلکه کسب بینش تازه است.

مارسل پروست

اختر شناسان از سال ۱۹۳۱ که کارل جانسکی (K.Jansky) به طور اتفاقی رادیو تلسکوپ را کشف کرد، بارها و بارها به این نکته پی بردند جهان بسیار فراتر از آن چیزی است که چشم انسان قادر به دیدن آن است. با استفاده از رادیو تلسکوپ ها، آشکارسازهای زیر قرمز و ماورای بنفش، ماهواره های اشعه X و اشعه گاما جزئیات بسیار دقیقی از کیهان آشکار شده است و معلوم شد که کیهان مملو از اجرام عجیبی همچون سیاهچاله ها و تپ اختر ها است که نمی توان آنها را از ورای عدسی چشمی یک تلسکوپ نوری مشاهده کرد. در حقیقت هر قسمت از طیف الکترومغناطیس چیز های عجیب و منحصر به فردی را به اخترشناسان ارائه داده است. اخترشناسان می گویند، امروزه یک بار دیگر خود را برای مواجهه با یک پدیده شگفت انگیز دیگر مهیا ساخته اند.

دانشمندان مرکز پروازهای فضایی مارشال ناسا (MSFC) در ماه مه سال ۲۰۰۱ نوار طول موجی جدیدی برای اختر شناسی با حساسیت بالا را مورد توجه قرار دادند که اشعه X سخت نام دارد.

برایان رمزی (B.Ramsey) سرپرست گروه MFSC در این مورد می گوید: «کاری که ما انجام دادیم درحقیقت گام بسیار کوچکی محسوب می شود.» اما باید پذیرفت که این گام کوچک از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است.

رمزی و همکارانش مثل جف اپل (J.Apple) و کورتیس دویتس (K.Dietz) و سایر مهندسان با استفاده از تلسکوپ های نصب شده بر بالون هایی که در ارتفاع ۴۰ کیلومتری سطح زمین مستقرند و احتمالاً تحولی در اختر شناسی پدید خواهند آورد، تصاویری از سیگنوس ۱-X (صفحه ملحقات یک سیاهچاله) و سحابی خرچنگ (باقیمانده انفجار یک ابرنواختر) و تپ اختر (Pulsar) آن با استفاده از پرتو های اشعه X سخت تهیه کرده اند. این عکس اولین نمونه از تصاویر تهیه شده از چنین اجرام سنگینی است.

مارتین وایسکوف (M.Weisskopf) یکی از دانشمندان پروژه رصدخانه اشعه X چاندرای ناسا می گوید: «این دستاورد یک پیشرفت تاریخی محسوب می شود. تهیه اولین تصاویر از پرتوهای X سخت از این اجسام یک نقطه عطف هیجان انگیز است.»اشعه X سخت فوتونی است که انرژی آن برابر انرژی اشعه X به کار رفته  در پزشکی است (حدود ۱۰Kev انرژی دارد) به عبارت دیگر انرژی این پرتوها ۲۰ هزار مرتبه بیشتر از انرژی نورمریی است. پرتوهای X با این مشخصات می تواند بسیاری از پدیده های بسیار جالب جهان همانند برخورد کهکشان ها، انفجار شدید ستارگان و صفحات داغی که حول سیاهچاله ها می گردند را بر ما آشکار سازد. اخترشناسان پیش از این نیز از آشکار سازهای اشعه X سخت استفاده کردند، اما تاکنون موفق نشده اند با استفاده از تابش های اشعه X تصاویر واضحی با حساسیت بالا تهیه کنند.رمزی در توضیح این پدیده می گوید: «متمرکز کردن اشعه X سخت بسیار دشوار است زیرا این پرتوها به وسیله عدسی ها و آینه ها جذب  می شود.

تنها راه برابر ی منعکس کردن فوتون های اشعه X سخت آن است که آن را به صفحه یک آینه برخورد مماسی (Grazing incident) برخورد دهیم یعنی زاویه برخورد بسیار کم باشد. این نحوه حرکت فوتون ها تا حدودی شبیه حرکت سنگ در بستر یک رودخانه است. سنگ (یا فوتون های اشعه X در این مورد) فقط وقتی می جهد که با زاویه بسیار کمی با بستر رودخانه تماس پیدا کند. رمزی در این مورد می گوید: «زاویه های انعکاس اشعه X در این آینه ها فقط چند دقیقه قوسی است. به همین دلیل است که آینه های اشعه X را به صورت استوانه های طولانی می سازند.» وی در ادامه می گوید: «نکته بسیار مهم برای متمرکز کردن اشعه X علاوه بر امکان ایجاد تصاویر با جزئیات دقیق به حساسیت نیز مربوط می شود. فرض کنید آشکار سازی که سطح آن حدود هزار سانتی متر مربع است را به وسیله بالون هایی به ارتفاعات بالای جو زمین منتقل کرده و به سمت سحابی خرچنگ جهت گیری کردیم. در این حالت شاید بتوان در هر ثانیه از سحابی خرچنگ ۵۰ فوتون اشعه X دریافت کرد. اما در همین وضعیت ممکن است در هر ثانیه هزاران فوتون ناخواسته پس زمینه با سطح آشکار برخورد کند. این اشعه X ناخواسته ممکن است هنگام برخورد پرتوهای کیهانی با جو زمین یا از اصول کار تجهیزات آزمایشگاهی تولید شود. در این حالت نسبت سیگنال به نوفه Signal to noise)) کاهش می یابد. (هر چه نسبت سیگنال به نویز در یک اندازه گیری کاهش یابد، تعیین کمیت مورد نظر دشوارتر می شود. م)

قدرت آینه های اشعه X در این است که می توانند تمام فوتون های نشر شده از منبعی همانند سحابی خرچنگ را جمع آوری کرده و در یک نقطه کوچک متمرکز کند. در این حالت نسبت سیگنال به نوفه افزایش می یابد. در حقیقت هر چه تفکیک زاویه ای آینه بهتر باشد، نسبت سیگنال به نوفه افزایش می یابد. اکنون می توان دریافت که چرا عملکرد مناسب آینه ها تا این حد اهمیت دارد.

آینه های برخورد مماسی اشعه X ذاتاً چیز جدیدی نیست. نمونه هایی از این آینه ها که روی رصدخانه چاندرای ناسا نصب شده است اشعه X نرم را متمرکز می کند و تصاویری به وجود می آورد که قدرت تفکیک آنها از حد دقیقه قوسی هم کمتر است. یعنی قدرت تفکیک آنها حتی از قدرت تفکیک تلسکوپ های نوری مستقر در زمین هم بهتر است. رمزی می گوید: «چاندرا با استفاده از اشعه X نرم تحقیقات بسیار جالبی انجام داده است. اما محدوده اشعه X سخت هنوز هم عمدتاً ناشناخته مانده است زیرا تاکنون آینه های متمرکزکننده ای که بتواند در بالاتر از Kev ۱۰ خوب کار کند در اختیار نداشتیم.»

اما چرا برای اشعه X سخت آینه های متمرکز کننده مناسب در اختیار نیست؟

رمزی در پاسخ این پرسش می گوید: «برای انرژی های در محدوده اشعه X سخت، اگر بخواهیم بازتابش خوبی به دست آوریم، زاویه برخورد باید بسیار کوچک باشد که در این صورت سطح جمع آوری پرتوها در یک آینه منفرد بسیار کوچک خواهد بود. تنها راه باقیمانده برای جمع آوری فوتون های کانی و تشکیل یک تصویر مناسب استفاده از آینه های متعدد است.» در سال های قبل استفاده از آینه های متعدد برای جمع آوری این پرتوها بسیار مشکل و پرهزینه بود.اما امروز دیگر این گونه نیست. رمزی و اعضای گروهش توانستند با ابداع تکنیک تکثیر آینه های اشعه X که از دقت بالایی برخوردارند آنها را به تولید انبوه برسانند. این آینه ها طوری ساخته می شوند که می توانند به طور کشویی در داخل یکدیگر رفته و بدین ترتیب سطح جمع آوری پرتوها را افزایش دهند. رمزی می گوید برای اختصار ما این را طرح پرتوهای تکثیر شده با انرژی بالا (High Energy Replicated Optics) یا HERO می نامیم.

)HEROبا بخشی از طیف الکترومغناطیس که «اشعه X سخت» نامیده می شود سروکار دارد. متاسفانه به رغم آنکه اشعه X سخت و نرم اساساً متفاوت از یکدیگر هستند، اما هر دو را به نام اشعه X می شناسند. اشعه X سخت معمولاً ده برابر پر انرژی تر از اشعه X نرم است. برای مقایسه طیف نور مریی از قرمز تا بنفش را در نظر بگیرید. گستره انرژی این طول موج ها با ضریب کوچک تر از سه تغییر می کند.)برای توصیف این تکنیک می توان گفت که در ابتدا آلیاژ نیکل را به طریق آبکاری روی قالب آلومینیوم که به شکل آینه اشعه X است و سطح آن را به دقت صیقلی کرده اند، می پوشانند. سپس قالبی پوشیده از نیکل را سرد می کنند. انقباض آلومینیوم بیشتر از نیکل است، در نتیجه لایه نیکل که به شکل آینه هرو است جدا می شود. سپس در آخرین مرحله سطح آینه را در خلأ از فلز ایریدیم می پوشانند. فلز ایریدیم فلز چگالی است که اشعه X را بهتر از هر ماده دیگری باز می تاباند.در ابتدای امسال گروه توانست نمونه ای از تلسکوپ های اشعه X بسازد که دارای دو لوله تودرتو بود و دو آینه ساخت که هر کدام از این آینه ها از سه لایه ساخته شده بود. این تلسکوپ توانست از تمام آزمایش تجربی سربلند بیرون آید، اما هنوز کار به اتمام نرسیده است

.یک تلسکوپ اشعه X در سطح زمین همانند یک تلسکوپ نوری که درپوشی روی عدسی آن قرار گرفته است، کارآیی ندارد. رمزی در تشریح این مشکل می گوید: «اشعه X کیهانی به سطح زمین نمی رسد، زیرا جو زمین نسبت به این پرتوهای پرانرژی تیره است، یعنی جلوی عبور آنها را می گیرد.» پس اکنون زمان فرا رسیده است که به فضا برویم، یا حداقل به آستانه فضا، تا بتوان این پرتوها را دریافت کرد.در تاریخ ۲۳ مه تجهیزات بالون علمی ملی تلسکوپ ابداع شده توسط این گروه را با استفاده از یک بالون پر از هلیم به فضا ارسال کرد. تجهیزات نصب شده در این بالون توانست به ارتفاع ۴۰ کیلومتری از سطح زمین (۷/۹۹ درصد از کل ارتفاع جو) دست یابد. در این ارتفاع آسمان نسبت به پرتوهای اشعه X سخت شفاف است.رمزی می گوید تلسکوپ توانست به زیبایی کارش را به انجام برساند. هر کدام از آینه های هرو فوتون های اشعه X سخت رسیده از سحابی خرچنگ و سیگنوس ۱-X را در نقطه ای که حدود ۷/۰ میلی متر قطر داشت، متمرکز کرد. وی می گوید: «به رغم آنکه سطح کل جمع آوری پرتوها حدود ۴ سانتی متر مربع است، اما آینه ها توانستند مقدار بسیار زیادی از فوتون ها که از منابع ذکر شده، ساطع می شدند جمع آوری کنند. ما توانستیم با استفاده از این آینه ها به حساسیتی معادل آشکارسازهایی با مساحت هزار سانتی مربع مربع ولی بدون آینه های متمرکز کننده دست یابیم.»وی در ادامه می  گوید: «آینه های ما تنها دستاورد ما نیست. علاوه بر این دوربین های نوری ساختیم که می تواند حتی ستاره هایی با قدر ۹ را هم ردیابی کند.» با در اختیار داشتن چنین دوربین هایی که آینه های اشعه X نصب شده بر روی بالون های مستقر در ارتفاعات بالای جو را هدایت می کنند، می توان طی ساعت های متوالی ستاره ها را با این آینه ها مورد بررسی قرار داد.

رمزی می گوید: «هدف ما آن است که اثبات کنیم می توان از روی یک سکوی متحرک هم این ستاره ها را ردیابی کرده و تصاویر با کیفیت و قدرت تفکیک بالا از آنها تهیه کرد. این کار از اهمیت فوق العاده ای برخوردار است چرا که هزینه استفاده از بالون به مراتب کمتر از سفرهایی فضایی است.» به همین دلیل ناسا درصدد است بالون هایی برای ارسال به «آستانه فضا» تهیه کند که مدت مدیدی در آسمان مستقر باشند. یعنی مدت استقرار آنها حداقل ۲۰۰ تا ۳۰۰ روز باشد. در این صورت با توجه به آنکه هزینه ارسال بالون بسیار کمتر است، می تواند به آسانی با ماهواره های مدارگرد رقابت کند.گروه رمزی امیدوار است بتواند طی ۲ تا سه سال آینده بالون هایی به آستانه فضا ارسال کند که دارای ۲۴۰ لایه آینه اشعه X باشد. وی می گوید: « این تلسکوپ ها به فوتون های اشعهX سخت تا ۷۵kev حساس است. و تصاویری تولید می کند که قدرت تفکیک آنها حدود ۱۵ ثانیه قوسی است (در آزمایش مه سال ۲۰۰۱ از تلسکوپی با ۶ لایه آینه استفاده شده بود که حساسیت آنها به فوتون هایی با ۵۰kev قدرت تفکیک ۴۵ ثانیه قوسی بود.)این تلسکوپ ها چه دستاوردهایی خواهند داشت؟رمزی در پاسخ می گوید: «ما دقیقاً نمی دانیم. آسمان گسترده ای فرا رویمان قرار گرفته است که پر است از عجایب و ناشناخته ها، امید است که هرو به کشف این ناشناخته ها نایل آید.»

First Science.com