Main Page.jpg

مرصد القمر

إذا كنت تريد التقاط صور الكون الأكثر نقاءً وغير ملوثة ، فإن أفضل رهان لك هو ترك الأرض خلفك. هنا على كوكبنا ، توجد جميع أنواع التأثيرات التي تتداخل مع قدرات التصوير لدينا. يحد التلوث الضوئي من مدى عمق رؤيتنا ؛ يضر الغلاف الجوي بقدرتنا على التحليل وقدرتنا على المراقبة بوضوح ؛ تتداخل السحب والطقس مع أهدافنا في جمع الضوء ؛ تحجب الشمس والأرض نفسها رؤيتنا لأجزاء كبيرة من السماء من جميع المواقع الأرضية.

01.jpg

ومع ذلك ، فقد أظهرت مراصد مثل هابل وتشاندرا وفيرمي وسبيتزر وغيرها مدى فاعلية تلسكوب الفضاء بشكل ملحوظ. لقد علمتنا الآراء والبيانات التي عادوا إليها إلى الأرض أكثر مما يمكن أن يكشفه أي مرصد مماثل من الأرض. فلماذا لا نضع تلسكوبًا على القمر إذن؟ صدق أو لا تصدق ، إنها فكرة رهيبة من جميع النواحي باستثناء واحدة. إليكم السبب.

pasted image 0.png

نفاذية أو عتامة الطيف الكهرومغناطيسي عبر الغلاف الجوي. لاحظ كل ميزات الامتصاص في أشعة جاما والأشعة السينية والأشعة تحت الحمراء ، وهذا هو سبب رؤيتها بشكل أفضل من الفضاء. على مدى العديد من الأطوال الموجية ، كما هو الحال في الراديو ، تكون الأرض جيدة تمامًا ، في حين أن البعض الآخر مستحيل.

يبدو القمر للوهلة الأولى وكأنه الموقع المثالي للتلسكوب. عمليا لا يوجد غلاف جوي على الإطلاق ، مما يزيل كل مخاوف التلوث الضوئي. إنه بعيد عن الأرض ، مما يقلل بشكل كبير من التداخل الناتج عن أي إشارات يصدرها البشر. تعني الليالي الطويلة جدًا أنه يمكنك مراقبة نفس الهدف ، بشكل مستمر ، لمدة تصل إلى 14 يومًا في كل مرة دون انقطاع. ولأن لديك أرضية صلبة تستعد لمواجهتها ، فلن تحتاج إلى الاعتماد على الجيروسكوبات أو عجلات التفاعل للإشارة. إنها تبدو صفقة جيدة حقًا.

ولكن إذا بدأت في التفكير في الطريقة التي يدور بها القمر حول الأرض ، مع نظام القمر والأرض بأكمله الذي يدور حول الشمس ، فقد تبدأ في إدراك بعض المشكلات التي قد يواجهها نظام مثل هذا حتمًا.

02_edited.jpg

يستغرق القمر ما يزيد قليلاً عن 27 يومًا للدوران حول الأرض بزاوية 360 درجة ، ما يزيد قليلاً عن 29 يومًا للانتقال من القمر الجديد إلى القمر الجديد مرة أخرى ، ولكن إجمالي 14 دورة قمرية ، أو 411 يومًا ، للانتقال من نقطة الحضيض الكاملة إلى القمر الجديد. اكتمال القمر مرة أخرى بسبب حركة مداره الإهليلجي حول الشمس. يعد تكوين الأرض والقمر والشمس ضروريًا لفهم الآثار المترتبة على بناء مرصد قمري.

إذا وضعت التلسكوب الخاص بك على الجانب القريب (المواجه للأرض) من القمر ، فسيكون لديك دائمًا عرض للأرض. هذا يعني أنه يمكنك إرسال الإشارات واستقبالها ، والتحكم في التلسكوب الخاص بك ، وتنزيل البيانات وتحميلها في الوقت الفعلي تقريبًا ، مع تحديد وقت السفر الخفيف للإشارات عبر الفضاء. ولكنه يعني أيضًا أن التداخل الناتج عن الأرض ، مثل إشارات البث اللاسلكي ، سيكون دائمًا مشكلة تحتاج إلى حماية نفسك منها.

من ناحية أخرى ، إذا كنت على الجانب الآخر من القمر ، فأنت تحمي نفسك من كل شيء يأتي من الأرض بشكل فعال للغاية ، ولكن ليس لديك أيضًا مسار مباشر لنقل البيانات أو نقل الإشارة. يجب أن تكون هناك آلية إضافية يتم إعدادها ، مثل مركبة مدارية قمرية أو ارتباط بجهاز إرسال / مستقبل على الجانب القريب ، فقط لتشغيلها.

pasted image 0 (1).png

ثلاث قضايا

المشكلة 1: الغبار القمري

لن يكون التوطين الأمثل لمرصد الأشعة تحت الحمراء القمري بعيدًا عن أحد قطبي القمر. أقطاب مسير الشمس هي مواقع محسّنة للأشعة تحت الحمراء العميقة لأن خلفية السماء بالأشعة تحت الحمراء من غبار البروج يتم تصغيرها.

من المعروف جيدًا أن الغبار منخفض المستوى يمكنه تغطية البصريات وتقليل الإنتاجية وإتلاف المكونات. على الجانب الآخر ، سيرفع الغبار عالي المستوى خلفية السماء بالأشعة تحت الحمراء ويقلل من الحساسية المسقطة لأي أداة محسّنة للرصد الديناميكي العالي. استندت العديد من الدراسات إلى الملاحظات التي أجرتها بعثات أبولو 15 و 17 و لونوخود -2 ، والتي لاحظت وجود فائض من الضوء يراقب الهالة الشمسية بعد غروب الشمس المداري (5 ثوانٍ) مباشرةً ، كما هو موضح في الشكل 5.

pasted image 0 (2).png

الشكل 5: صورة قطب مسير الشمس في الأشعة فوق البنفسجية ، تُظهر الدائرة حقل القطر ذي الست درجات الذي يمكن الوصول إليه من تلسكوب الإشارة الذروة في القطب الجنوبي للقمر. الصورة المسجلة على القمر بواسطة رواد فضاء أبولو جون يونغ وتشارلز ديوك (بيج ، تي ، وكاروثرز ، جي آر ، 1981)

pasted image 0 (3).png

الشكل 6: رسم تخطيطي لشروق الشمس على القمر الذي شوهد من المدار بواسطة رائد فضاء أبولو 17 يوجين سيرنان. على اليمين ، يتم تمييز الرسم التخطيطي لإظهار مصادر الضوء المتناثر: يشير اللون الأحمر إلى توهج الإكليل والبروج ، والأزرق يشير إلى توهج الأفق القمري ، والذي ربما يكون ناتجًا عن الغبار الخارجي ، ويشير اللون الأخضر إلى "شعاع" الضوء المحتمل (الأشعة الشفقية) تتكون من الظل وتناثر الضوء. الائتمان: ناسا [مرجع ناسا].

تم إجراء قياس الكشف في الموقع لسطوع السماء بواسطة Lunokhod-2 ، مركبة هبوط سوفيتية على سطح القمر. قاس Lunokhod-2 خلفية السماء المرتفعة بشكل غير عادي والتي تعتمد على زاوية ذروة الشمس ، وهي علامة مميزة لجو مشتت. سيفيرني وآخرون. 1975. أي شكل من أشكال الغلاف الجوي للغبار القمري منخفض المستوى قد يغطي البصريات بالإضافة إلى الغبار المرتفع الذي قد ينتج خلفية حرارية قوية بالأشعة تحت الحمراء من شأنها أن تقوض جودة أهداف الرصد الديناميكي العالية المخصصة. بهذه الطريقة ، يعد الغلاف الجوي للغبار القمري قضية حاسمة يجب أن تدفع التكوين الأساسي للمرصد القمري لتسهيل التخفيف المحتمل للغبار. على الرغم من أن تصميم كل قطعة من المعدات (الآليات والبصريات والكاشف) المرسلة إلى القمر يجب أن تأخذ في الاعتبار تأثيرات الغبار القمري ، إلا أن هناك مشكلات معينة تنشأ في سياق تلسكوب الأشعة تحت الحمراء.

المشكلة 2: الإجهاد الحراري وتقليل الكتلة

إحدى المشكلات التي يواجهها السائق فيما يتعلق بالبناء على القمر هي نطاق درجة الحرارة. يمثل خط الاستواء أكبر تغير في درجات الحرارة ، يصل إلى 280 ألف اختلاف على القمر. تحدث أبرد وثبات درجات الحرارة في الأجزاء المظللة بشكل دائم عند القطبين عند حوالي 40 كلفن (Aulesa et al ، 2000). وفي الوقت نفسه ، تعتبر "قمم الضوء الأبدي" مواقع مفيدة حيث تكون درجة الحرارة ثابتة نسبيًا عند حوالي -50 درجة مئوية ، +/- 10 درجة مئوية (Bussey et al. ، 2005). أيضًا ، تقع هذه القمم بالقرب من الحفر المظللة بشكل دائم مما يوفر الطاقة الشمسية لمعظم الوقت ، بالإضافة إلى أنها قد تحتوي على ماء مثلج.

تعتبر الكتلة أيضًا أحد الأصول الرئيسية لتكوين (تلسكوبات) التلسكوب (التلسكوبات) مع الأخذ في الاعتبار أنه يجب شحنها إلى القمر وتجميعها على سطح القمر. تعتبر الكتلة محركًا رئيسيًا لتكلفة الرحلات الاستكشافية الفضائية ، كما أن التجميع الآلي بالكامل لنظام هيكل التلسكوب يتجاوز حالة فن الروبوتات الحالية.

Lunarlimb.png

الأرض ، كما تُرى ترتفع فوق الطرف القمري في مكان بالكاد تتساقط فيه الشمس على سطح القمر. يمكنك معرفة أن هذه صورة للقرب من القمر ، وإلا فلن تكون الأرض مرئية على الإطلاق.

في حين أن التلسكوب الفضائي يمكنه التحكم في درجة حرارته من خلال التبريد النشط أو السلبي (أو كليهما) ، يجب أن يبرد التلسكوب تحت درجة حرارة الأطوال الموجية التي يحاول مراقبتها ، وإلا ستغرق الضوضاء في الإشارة المقصودة. سيكون هذا عيبًا هائلاً لعلم الفلك فوق البنفسجي أو البصري أو الأشعة تحت الحمراء ، وكلها ستواجه مشاكل خطيرة على القمر لأي شيء آخر غير هدف رصد الأرض (أو الشمس).

إن هندسة تلسكوب يمكنه تحمل درجات الحرارة القصوى هذه ولا يزال يعمل على النحو الأمثل يمثل تحديًا غير عادي. لا عجب أن التلسكوب الوحيد القائم على القمر لدينا حاليًا هو تلسكوب الأشعة فوق البنفسجية على الجانب القريب من القمر ، بأطوال موجية حيث يمتص الغلاف الجوي للأرض كل الضوء تقريبًا.

من شأن تصميم مفهوم تلسكوب LUVOIR الفضائي أن يضعه في نقطة L2 Lagrange ، حيث تنفتح مرآة أساسية يبلغ ارتفاعها 15.1 مترًا وتبدأ في مراقبة الكون ، مما يجلب لنا ثروات علمية وفلكية لا توصف. لاحظ خطة حماية نفسها من الشمس ، لعزلها بشكل أفضل عن طيف واسع من الإشارات الكهرومغناطيسية. هذا أفضل بكثير من استخدام القمر كقاعدة.

NASA / LUVOIR CONCEPT TEAM ؛ سيرج برونر (الخلفية)

https___blogs-images.forbes.com_startswi

بالنسبة لمعظم التطبيقات ، سيكون الذهاب إلى الفضاء خيارًا أفضل للذهاب إلى القمر. يوفر سطح القمر ، من حيث درجات الحرارة القصوى وصعوبات التواصل مع الأرض ، عيوبًا أكثر من وجود سطح للضغط عليه / البناء عليه.

ولكن هناك تطبيق واحد محدد للغاية وهو أن القمر يقدم ميزة غير مسبوقة على أي بيئة أخرى: التلسكوبات الراديوية. الأرض هي مصدر "عالي الصوت" بشكل لا يصدق ، وذلك لأسباب طبيعية وتلك التي من صنع الإنسان. حتى في الفضاء ، تنتشر الإشارات التي تنبعث من الأرض في جميع أنحاء النظام الشمسي. لكن القمر يوفر بيئة مذهلة للحصانة من إشارات الراديو للأرض: يستخدم الجانب البعيد حرفيًا القمر نفسه كدرع.

https___blogs-images.forbes.com_startswi

قسم صغير من Karl Jansky Very Large Array ، أحد أكبر وأقوى مصفوفات التلسكوبات الراديوية في العالم. سيكون الجانب البعيد للقمر أكثر عزلة ، لكنه أغلى بكثير. جون فاولر

كما كتب خبير التجميل جو سيلك في وقت سابق هذا العام:

الجانب البعيد من القمر هو أفضل مكان في النظام الشمسي الداخلي لمراقبة موجات الراديو منخفضة التردد - الطريقة الوحيدة لاكتشاف "بصمات أصابع" باهتة تركها الانفجار العظيم على الكون. تواجه التلسكوبات الراديوية المرتبطة بالأرض الكثير من التداخل من التلوث الكهرومغناطيسي الناجم عن النشاط البشري ، مثل الاتصالات البحرية والبث قصير الموجة ، للحصول على إشارة واضحة ، ويمنع الغلاف الأيوني للأرض الأطول الموجية من الوصول إلى هذه النطاقات في المقام الأول.

يمكننا الكشف عن إشارات التضخم ، والمراحل الأولى للانفجار العظيم ، وتشكيل النجوم الأولى للكون باستخدام تلسكوب راديو قمري. في حين أن هناك آمالًا في القيام بذلك سواء على الأرض أو في الفضاء ، فإن الجانب البعيد من القمر يوفر حساسية أكبر ، نظرًا لكونه محميًا من الأرض ، أكثر من أي خيار آخر.

في الوقت الحالي ، كلما سافرت أي مركبة فضائية خلف القمر كما تُرى من منظور الأرض ، فإنها تسبب ما نسميه تعتيم الراديو . حقيقة أن موجات الراديو لا يمكن أن تمر عبر القمر تعني أنه لا يمكن إرسال أو استقبال أي إشارات خلال تلك الفترة الزمنية.

الأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض ، أو أي محطات بعيدة أو مركبات فضائية ، وحتى رواد فضاء أبولو ليس لديهم وسيلة للتواصل مع الأرض مع القمر في الطريق.

ولكن هذا يعني أيضًا أنها كانت محمية من جميع أنواع إشارات الراديو الملوثة التي تحدث على الأرض. تعد اتصالات GPS وأفران الميكروويف والرادار والهاتف الخلوي وإشارات WiFi وحتى الكاميرات الرقمية من بين العديد من المصادر الأرضية التي تلوث المراصد الراديوية. ولكن على الجانب الآخر من القمر ، يتم حظر جميع مصادر التداخل البشرية بنسبة 100٪. إنها أكثر بيئة بدائية لعلم الفلك الراديوي يمكن أن نطلبها.

https___blogs-images.forbes.com_startswi

مع عدم وجود غلاف جوي ، وعدم وجود مناظر مرئية للأرض ، وحتى عدم وجود كوكب الزهرة ، تكون الليلة على الجانب البعيد من القمر أغمق من أي ليلة على الأرض. جاي تانر

كما لاحظت الدكتورة جيليان سكودر ذات مرة ، هناك عيوب أيضًا. يتطلب نقل البيانات شيئًا مثل مركبة مدارية يمكنها الارتباط بكل من الأرض والتلسكوب. يجب إنشاء تلسكوب أو مجموعة من التلسكوبات الراديوية ونشرها على القمر وربطها معًا إذا سلكنا مسار المصفوفة. (وهو مفضل بشكل كبير.) بدلاً من ذلك ، يمكن تشغيل الكابلات إلى الجانب القريب لنقلها مرة أخرى إلى الأرض.

ولكن ربما تكون التكلفة هي أكبر عنصر مانع. إن نقل المواد إلى القمر ، والهبوط على سطح القمر ، ونشرها ، وأكثر من ذلك ، يعد مهمة هائلة. حتى الاقتراح الأكثر تواضعًا ، المصفوفة القمرية لعلم الكون الراديوي (LARC) ، يتكون من أكثر من مائة من الهوائيات ذات التصميم البسيط المنتشرة على مدى كيلومترين. سيكون له ثمن ، فقط لذلك ، يزيد عن 1 مليار دولار ، مقارنة بأغلى مصفوفات راديو تم إنشاؤها على الأرض.

هذا يدل على تصميم هوائي معين يقوم LUNAR بالتحقيق فيه. علامات X السوداء على أذرع الهوائيات هي ثنائيات أقطاب تجميع الفوتون. الذراع الصفراء مصنوعة من صفيحة رقيقة للغاية من فيلم Kapton. ترتبط ثنائيات الأقطاب عن طريق خط نقل كهربائي بالمحور المركزي ، كما هو موضح باللون الأرجواني. يرسل هذا المحور البيانات مرة أخرى إلى الأرض. ناسا / شبكة الجامعة القمرية لبحوث أستروفيزياء / جامعة كاليفورنيا بولدر

https___blogs-images.forbes.com_startswi

بالنسبة لكل تطبيق يمكن تصوره تقريبًا لعلم الفلك ، يعد الذهاب إلى القمر موقعًا أدنى بكثير من مجرد وجوده فوق الغلاف الجوي للأرض. تمثل درجات الحرارة القصوى التي يتم التعرض لها في كل مكان على القمر تحديًا غير عادي بالإضافة إلى أي فائدة تحصل عليها من التواجد على سطح القمر. فقط في الترددات الراديوية ، تتيح فوائد التواجد في الجانب البعيد من القمر فرصة للرصد الذي لا يمكننا الحصول عليه من المراقبة الأرضية أو الفضائية.

wallhaven-y8j7zd.jpg