Uhandisi wa macho unaohitajika kupiga picha binamu wa Dunia: Changamoto na Suluhisho kwa Ugunduzi wa Baadaye wa Exoplanets

Marekani - Shirika la Habari la Ekhbary

Uhandisi wa macho unaohitajika kupiga picha binamu wa Dunia: Changamoto na Suluhisho kwa Ugunduzi wa Baadaye wa Exoplanets

Kadiri Kituo cha Ulimwengu Zinazoweza Kuishi (Habitable Worlds Observatory - HWO) kinavyohamia kutoka muundo wa kinadharia hadi utekelezaji wa kimwili, juhudi za utafiti zinaongeza kasi ili kufafanua mahitaji halisi ya kiufundi kwa darubini hii ya baadaye ya anga. Kituo hiki kinawakilisha hatua kubwa kuelekea lengo la muda mrefu la kugundua exoplanets ambazo zinaweza kuwa na uhai. Katika muktadha huu, watafiti kutoka Kituo cha Ndege za Angani cha Goddard cha NASA wamechapisha utafiti mpya unaoangazia kipengele muhimu cha uhandisi: kuamua urefu wa wimbi bora wa infrared ambao darubini inapaswa kulenga ili kutofautisha gesi zinazoashiria uhai (biosignatures). Msako huu wa kisayansi ni wa msingi kwa kutambua ulimwengu unaowezekana kuishi nje ya mfumo wetu wa jua.

Umuhimu wa urefu wa wimbi wa infrared unatokana na uwezo wao wa kukamata sahihi za wimbi tofauti za molekuli nyingi zinazozingatiwa kuwa biosignatures zinazowezekana. Hizi sahihi, hasa zile zinazohusiana na gesi kama kaboni dioksidi (CO2) na metani (CH4), ni za umuhimu mkuu kwa wataalamu wa bioastronomy katika jitihada zao za kuelewa ikiwa sayari nyingine zinaweza kuishi. Hata hivyo, kutumia urefu huu wa wimbi kunakuja na changamoto kubwa ya uhandisi: hitaji la kupoeza kwa kiwango kikubwa mfumo wa uchunguzi ili kuondoa kelele za joto zinazozalishwa na vifaa vyenyewe, ambavyo vinginevyo vinaweza kuficha ishara dhaifu kutoka kwa anga za mbali. Hii mahitaji kihistoria imeongeza utata na gharama za vituo vya anga za juu vya infrared.

Teleskopu ya Anga ya James Webb (JWST), darubini nyingine ya juu ya infrared, ilishughulikia tatizo hili kupitia mfumo tata na wa gharama kubwa wa kupoeza kwa kriojeni. Mfumo huu ulikuwa moja ya sababu kuu za ucheleweshaji mkubwa na bajeti iliyozidi iliyopatikana na mradi wa JWST. Wasanifu wa HWO wanatamani kuepuka hatima sawa, na kwa hivyo wanajitahidi kubuni mfumo ambao uniepuka hitaji la mifumo tata ya kriojeni ya kupoeza. Falsafa hii ya muundo inalenga kufanya HWO ipatikane zaidi na kwa gharama nafuu, ikiruhusu kupelekwa na uendeshaji wake kwa mafanikio.

Hata hivyo, kukataa kupoeza kwa kriojeni huleta changamoto zingine muhimu, hasa tatizo la kuingiliana kwa wimbi (spectral overlap). Wote kaboni dioksidi na metani ni biosignatures za kuvutia, na uwepo wao pamoja unaweza kuwa wa kufichua sana. Ukosefu wa jamaa wa kaboni dioksidi kwenye sayari ya miamba inaweza kupendekeza kwa nguvu uwepo wa bahari na mfumo wa ikolojia hai, sawa na Dunia, ambapo kiasi kikubwa hufyonzwa. Kinyume chake, wingi wa metani unaweza kuonyesha chanzo kinachoendelea, kinachowezekana kuwa cha kibiolojia, kutokana na tabia yake ya kuharibika katika anga. Mwingiliano kati ya gesi hizi hutoa picha iliyojaa maelezo ya uwezo wa kuishi wa sayari.

Mchanganyiko wa gesi hizi – ulimwengu wenye metani nyingi na uhaba mkubwa wa kaboni dioksidi, au zote mbili zilizopo kwa kukosekana kwa oksijeni – unaweza kuwakilisha "risasi inayovuta sigara" kwa uhai. Hata hivyo, uchunguzi wa wakati mmoja wa gesi hizi ni changamoto kwa darubini nyingi kwa sababu ya kuingiliana kwa sahihi zao za wimbi. Utafiti mpya unaonyesha kuwa viwango vya juu vya metani vinaweza kuficha kwa kiasi kikubwa ugunduzi wa kaboni dioksidi, kwani sahihi za metani za "kujaza" maeneo ambayo kaboni dioksidi vinginevyo ingeonekana wazi. Uingiliaji huu wa wimbi ni kikwazo muhimu ambacho uhandisi wa macho wa HWO lazima ushinde.

Ili kushughulikia tatizo hili, watafiti walitumia mfumo wa takwimu unaojulikana kama "Uchambuzi wa Bayesian wa Utambulisho wa Biosignature za Mbali za ExoEarths" (Bayesian Analysis for Remote Biosignature Identification of exoEarths - BARBIE). Walifanya simulizi za sahihi za wimbi za matukio mbalimbali ya sayari, ikiwa ni pamoja na hatua mbalimbali za mageuzi ya Dunia na Venus, ili kutathmini uwezo wa HWO wa kutofautisha gesi hizi. Utafiti huu, unaoitwa kiufundi "BARBIE IV", ni sehemu ya mfululizo wa karatasi za awali ambazo zilichambua tofauti mbalimbali katika uelekezi wa wimbi wa HWO. mfumo wa BARBIE unatoa njia thabiti ya kutathmini uwezekano wa kugundua biosignatures chini ya vizuizi mbalimbali vya uchunguzi.

Matokeo muhimu zaidi ya uchambuzi huu ilikuwa kuanzishwa kwa kikomo cha juu cha ugunduzi kwa sensorer ya infrared ya HWO. Kikomo hiki kimeundwa kufanya kazi bila mfumo mkuu wa kupoeza wakati huo huo kuruhusu utofautishaji wa busara kati ya kaboni dioksidi na metani, hata bila muda mrefu sana wa uchunguzi. "Sehemu nzuri" ya upana wa wimbi ilitambuliwa kuwa 1.52 mikromita (µm). Kwa dirisha la upana wa wimbi la 20%, hii inamaanisha kuwa kikomo cha juu cha uwezo wa kugundua wa darubini kitapunguzwa hadi 1.68 µm. Ufafanuzi huu sahihi ni muhimu kwa kuongoza muundo wa macho na uteuzi wa vyombo.

Miradi yote mikuu ya anga inahitaji mahitaji yanayoweza kutambulika kabla ya kuanza kweli, na kikomo hiki cha juu cha wimbi kinawakilisha hatua kubwa kuelekea lengo hilo kwa HWO. Kuondoa hitaji la mfumo wa kufungia kriojeni pia kutarahisisha kwa kiasi kikubwa uhandisi wa mfumo, kuruhusu lengo la kiufundi kusonga mbele kwa teknolojia ya juu ya macho na coronograph ambayo ni muhimu ili kuhakikisha kwamba ajabu hii ya uvumbuzi inaweza kuona kwa usahihi malengo yake. Ikiwa HWO itazinduliwa kwa mafanikio, kwa matumaini wakati fulani katika miaka ya 2030, na kugundua ushahidi wa exoplanet inayowezekana kuishi, itakuwa, angalau kwa sehemu, shukrani kwa karatasi hizi za msingi ambazo hufafanua kwa usahihi uwezo na mapungufu ya mfumo.

Shirika la Habari la Ekhbary