جشن ۱۰ ساله هابل: کشف رازهای سیارات دوردست ناسا

اکتشاف نپتون در سال 1989

در سال 1989، مأموریت وویجر ناسا به نپتون رسید و نخستین اکتشاف نزدیک بشر از چهار سیاره غول‌پیکر بیرونی منظومه شمسی را به انجام رساند. از زمان پرتاب این دو فضاپیما در سال 1977، یعنی وویجر 1 و وویجر 2، مشخص شد که مشتری، زحل، اورانوس و نپتون بسیار پیچیده‌تر از آنچه دانشمندان تصور می‌کردند، هستند. هنوز اطلاعات زیادی برای یادگیری وجود دارد.

برنامه مشاهده‌ای هابل

برنامه مشاهده‌ای تلسکوپ فضایی هابل به نام OPAL (میراث جو سیارات بیرونی) مشاهدات پایه‌ای بلندمدت از مشتری، زحل، اورانوس و نپتون را به‌دست می‌آورد تا دینامیک و تکامل جوی آن‌ها را درک کند. آمی سایمون از مرکز پرواز فضایی گودارد ناسا در گرین‌بلت مریلند، که مشاهدات سیارات غول‌پیکر را با OPAL انجام داده است، گفت: “وویجرها تمام داستان را به شما نمی‌گویند.” تصویرهای تلسکوپ هابل به وضوح با تصویرهای وویجرها در نزدیکی سیارات بیرونی قابل مقایسه است و هابل قادر است از طول موج‌های فرابنفش تا نزدیک به مادون قرمز را پوشش دهد.

ویژگی‌های منحصر به فرد هابل

هابل تنها تلسکوپی است که می‌تواند وضوح فضایی بالا و ثبات تصویر را برای مطالعات جهانی رنگ‌آمیزی ابرها، فعالیت و حرکت جوی به‌طور مستمر فراهم کند تا مکانیزم‌های زیرین سیستم‌های آب و هوایی و اقلیمی را محدود کند. تمامی چهار سیاره بیرونی دارای جوهای عمیق و بدون سطح جامد هستند. جوهای متلاطم آن‌ها دارای سیستم‌های جوی منحصر به فردی هستند، برخی با نوارهای رنگارنگ ابرهای چند رنگ و طوفان‌های بزرگ و مرموز که به‌طور ناگهانی ظاهر می‌شوند یا سال‌ها باقی می‌مانند. همچنین هر سیاره بیرونی دارای فصل‌هایی است که سال‌ها به طول می‌انجامد. (قابلیت‌های مادون قرمز تلسکوپ فضایی جیمز وب برای بررسی عمیق جوهای سیارات بیرونی به‌منظور تکمیل مشاهدات OPAL استفاده خواهد شد.)

پیگیری رفتارهای جوی

پیگیری رفتارهای پیچیده جوی مشابه با درک آب و هوای دینامیک زمین است که در طول سال‌ها دنبال می‌شود و همچنین تأثیر خورشید بر آب و هوای منظومه شمسی را شامل می‌شود. این چهار جهان دوردست همچنین به‌عنوان نمایندگانی برای درک آب و هوا و اقلیم سیارات مشابهی که در حال گردش به دور ستاره‌های دیگر هستند، عمل می‌کنند. دانشمندان سیاره‌شناسی متوجه شدند که هر سال داده‌های هابل، در حالی که به خودی خود جالب هستند، تمام داستان سیارات بیرونی را نمی‌گویند. برنامه OPAL هابل به‌طور منظم سیارات را یک بار در سال زمانی که به زمین نزدیک‌تر هستند، مشاهده کرده است.

داده‌های OPAL و ارزش علمی آن

سایمون گفت: “زیرا OPAL اکنون 10 سال و بیشتر را پوشش می‌دهد، پایگاه داده مشاهدات سیاره‌ای ما به‌طور مداوم در حال رشد است. این طول عمر امکان کشفیات تصادفی را فراهم می‌کند، اما همچنین برای پیگیری تغییرات جوی بلندمدت در حین گردش سیارات به دور خورشید نیز مفید است. ارزش علمی این داده‌ها با بیش از 60 انتشار تا به امروز که شامل داده‌های OPAL است، تأکید می‌شود.” این دستاورد همچنان یک آرشیو بزرگ از داده‌ها را به ارمغان آورده است که منجر به کشفیات شگفت‌انگیزی برای به اشتراک‌گذاری با دانشمندان سیاره‌ای در سرتاسر جهان شده است.

همکاری با برنامه‌های دیگر

سایمون افزود: “OPAL همچنین با دیگر برنامه‌های سیاره‌ای مبتنی بر زمین و فضا ارتباط برقرار می‌کند. بسیاری از مقالات از رصدخانه‌ها و مأموریت‌های فضایی دیگر داده‌های هابل را از OPAL برای زمینه‌سازی استفاده می‌کنند.” دهه کشف تیم تحت برنامه OPAL هابل در نشست دسامبر اتحادیه ژئوفیزیکی آمریکا در واشنگتن دی‌سی ارائه خواهد شد.

برخی نکات برجسته

مشتری

نوارهای ابر مشتری یک کالی‌دوسکوپ همیشه در حال تغییر از اشکال و رنگ‌ها را به نمایش می‌گذارند. همیشه آب و هوای طوفانی در مشتری وجود دارد: طوفان‌های گردابی، آنتی‌سیل‌ها، برش باد و بزرگ‌ترین طوفان در منظومه شمسی، لکه بزرگ سرخ (GRS). مشتری با ابرهای بلور یخ آمونیاکی عمدتاً پوشیده شده است که بر روی جوی به عمق ده‌ها هزار مایل قرار دارد. تصاویر تیز هابل ابرها را ردیابی کرده و بادها، طوفان‌ها و گردابه‌ها را اندازه‌گیری می‌کند و همچنین اندازه، شکل و رفتار GRS را زیر نظر دارد. هابل پیگیری می‌کند که GRS همچنان در حال کوچک شدن است و بادهای آن سرعت می‌گیرد. داده‌های OPAL به‌تازگی اندازه‌گیری کردند که چقدر اواول‌های تاریک مرموز – که تنها در طول موج‌های فرابنفش قابل مشاهده هستند – در “کلاهک‌های قطبی” مه استراتسفری ظاهر می‌شوند. برخلاف زمین، محور مشتری تنها سه درجه مایل است (محور زمین 23.5 درجه است). تغییرات فصلی ممکن است انتظار نرود، به جز اینکه فاصله مشتری از خورشید در طول مدار 12 ساله‌اش حدود 5% متغیر است و بنابراین OPAL به‌دقت جو را برای تأثیرات فصلی زیر نظر دارد. یکی دیگر از مزایای هابل این است که رصدخانه‌های زمینی نمی‌توانند به‌طور مداوم مشتری را برای دو چرخش مشتری مشاهده کنند، زیرا این زمان به 20 ساعت می‌رسد. در این مدت، یک رصدخانه در زمین به روز می‌رسد و مشتری دیگر قابل مشاهده نخواهد بود تا شب بعد.

زحل

زحل بیش از ۲۹ سال طول می‌کشد تا به دور خورشید بچرخد و بنابراین OPAL تقریباً یک چهارم سال زحلی را دنبال کرده است (از سال ۲۰۱۸، پس از پایان مأموریت کاسینی). به دلیل کج بودن زحل به میزان ۲۶.۷ درجه، این سیاره تغییرات فصلی عمیق‌تری نسبت به مشتری تجربه می‌کند. فصول زحلی تقریباً هفت سال به طول می‌انجامند. این همچنین به این معنی است که تلسکوپ هابل می‌تواند سیستم حلقه‌ای شگفت‌انگیز زحل را از زاویه‌ای مایل تقریباً ۳۰ درجه مشاهده کند، به جای اینکه حلقه‌ها را از کنار ببینید. وقتی حلقه‌ها از کنار دیده می‌شوند، تقریباً ناپدید می‌شوند زیرا نسبتاً نازک هستند. این پدیده دوباره در سال ۲۰۲۵ رخ خواهد داد.

OPAL تغییرات رنگ جو زحل را دنبال کرده است. رنگ‌های مختلف ابتدا توسط مدارگرد کاسینی شناسایی شدند، اما هابل یک پایگاه داده طولانی‌تری ارائه می‌دهد. هابل تغییرات جزئی را از سال به سال در رنگ نشان داد که ممکن است ناشی از ارتفاع ابرها و بادها باشد. این تغییرات مشاهده شده ظریف هستند زیرا OPAL تنها بخشی از یک سال زحلی را پوشش داده است. تغییرات عمده زمانی رخ می‌دهند که زحل به فصل بعدی خود پیش می‌رود.

حلقه‌های تاریک و مرموز زحل که در سطح حلقه‌ها برش می‌زنند، ویژگی‌های گذرایی هستند که به همراه حلقه‌ها می‌چرخند. ظاهر شبح‌وار آنها تنها برای دو یا سه چرخش به دور زحل باقی می‌ماند. در دوره‌های فعال، اسپوک‌های تازه تشکیل شده به طور مداوم به الگو اضافه می‌شوند. این پدیده‌ها اولین بار در سال ۱۹۸۱ توسط Voyager 2 مشاهده شدند. کاسینی نیز این اسپوک‌ها را در طول مأموریت ۱۳ ساله‌اش که در سال ۲۰۱۷ به پایان رسید، مشاهده کرد. هابل نشان می‌دهد که فراوانی ظهور اسپوک‌ها تحت تأثیر فصول است و این اسپوک‌ها اولین بار در داده‌های OPAL در سال ۲۰۲۱ ظاهر شدند. پایش طولانی‌مدت نشان می‌دهد که هم تعداد و هم کنتراست اسپوک‌ها با فصول زحل تغییر می‌کند.

اورانوس

اورانوس به طور جانبی کج شده است به طوری که محور چرخش آن تقریباً در سطح مدار سیاره قرار دارد. این وضعیت باعث می‌شود که سیاره تغییرات فصلی رادیکالی را در طول سفر ۸۴ ساله‌اش به دور خورشید تجربه کند. نتیجه کج بودن سیاره این است که بخشی از یک نیمکره به طور کامل بدون نور خورشید می‌ماند و این وضعیت ممکن است تا ۴۲ سال به طول بینجامد. OPAL اکنون قطب شمال را دنبال کرده که به سمت خورشید متمایل شده است. با OPAL، هابل اولین بار اورانوس را پس از اعتدال بهاری تصویر برداری کرد، زمانی که خورشید آخرین بار به طور مستقیم بر روی استوا سیاره می‌تابید. هابل طوفان‌های متعددی را با ابرهای بلور یخ متان در عرض‌های جغرافیایی میانه شمالی مشاهده کرد که به سمت قطب شمال نزدیک می‌شود.

قطب شمال اورانوس اکنون دارای مه شیمیایی ضخیمی است که چندین طوفان کوچک در نزدیکی مرز آن وجود دارد. هابل در حال پیگیری اندازه کلاهک قطب شمال است و این کلاهک هر سال روشن‌تر می‌شود. با نزدیک شدن به انقلاب تابستانی شمالی در سال ۲۰۲۸، ممکن است کلاهک حتی روشن‌تر شود و به طور مستقیم به سمت زمین قرار گیرد، که امکان مشاهده خوبی از حلقه‌ها و قطب شمال را فراهم می‌کند. سیستم حلقه‌ها سپس به صورت رو به رو ظاهر خواهد شد. درک چگونگی تغییرات اورانوس در طول زمان به برنامه‌ریزی مأموریت‌های پیشنهادی ناسا برای مدارگرد و پروب اورانوس کمک خواهد کرد.

نپتون

زمانی که Voyager 2 در سال ۱۹۸۹ از کنار نپتون عبور کرد، ستاره‌شناسان با یک لکه تاریک بزرگ به اندازه اقیانوس اطلس در جو آن شگفت‌زده شدند. آیا این لکه مانند لکه بزرگ قرمز مشتری پایدار است؟ این سؤال تا زمانی که هابل در سال ۱۹۹۴ نشان داد که چنین طوفان‌های تاریکی گذرا هستند و طی دو تا شش سال ظاهر و ناپدید می‌شوند، بی‌پاسخ ماند. در طول برنامه OPAL، هابل پایان یک لکه تاریک و چرخه کامل زندگی یک لکه دیگر را مشاهده کرد – هر دو به سمت استوا در حال حرکت بودند قبل از اینکه ناپدید شوند. برنامه OPAL اطمینان می‌دهد که ستاره‌شناسان لکه دیگری را از دست ندهند.

مشاهدات هابل ارتباطی بین تغییرات فراوانی ابرهای نپتون و چرخه ۱۱ ساله خورشیدی کشف کرد. ارتباط بین نپتون و فعالیت‌های خورشیدی برای دانشمندان سیاره‌ای شگفت‌انگیز است زیرا نپتون دورترین سیاره بزرگ در منظومه شمسی ماست. این سیاره تنها حدود ۱/۱۰۰۰ از مقدار نوری که زمین دریافت می‌کند را دریافت می‌کند. با این حال، به نظر می‌رسد که آب و هوای ابری جهانی نپتون تحت تأثیر فعالیت‌های خورشیدی قرار دارد. آیا فصول سیاره نیز نقشی ایفا می‌کنند؟ تلسکوپ فضایی هابل بیش از سه دهه است که در حال فعالیت است و همچنان کشفیات پیشگامانه‌ای را انجام می‌دهد که درک بنیادی ما از جهان را شکل می‌دهد. هابل پروژه‌ای از همکاری‌های بین‌المللی بین ناسا و آژانس فضایی اروپا (ESA) است. مرکز پرواز فضایی گودارد ناسا در گرین‌بلت، مریلند، مدیریت تلسکوپ و عملیات مأموریت را بر عهده دارد. لاکهید مارتین اسپیس، مستقر در دنور، همچنین از عملیات مأموریت در گودارد حمایت می‌کند. مؤسسه علوم تلسکوپ فضایی در بالتیمور، که توسط انجمن دانشگاه‌ها برای تحقیقات در نجوم اداره می‌شود، عملیات علمی هابل را برای ناسا انجام می‌دهد.