มนุษยชาติกำลังต่อสู้กับปริศนาทางวิทยาศาสตร์ขั้นพื้นฐานที่ว่า "เราอยู่คนเดียวในจักรวาลหรือไม่" มานานหลายศตวรรษ ด้วยเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องในการเข้าถึงในช่วงเวลานี้ เราสามารถเริ่มตอบคำถามนี้ได้อย่างเป็นรูปธรรมมากขึ้น ในที่สุดเราอาจค้นพบว่าชีวิตมีความพิเศษเฉพาะในโลกของเราหรือไม่
หลังจากที่ Nicolaus Copernicus ก่อตั้งระบบ heliocentric (ดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลาง) ขึ้นอย่างมั่นคงในศตวรรษที่ 16 โดยเสนอว่าศูนย์กลางของระบบสุริยะคือดวงอาทิตย์ ไม่ใช่โลกที่เป็นเพียงดาวเคราะห์อีกดวง และดวงจันทร์โคจรรอบโลกไม่ใช่ดวงอาทิตย์ ทั้งยังค้นพบว่าทางช้างเผือกของเราเป็นหนึ่งในดาราจักรนับไม่ถ้วนในจักรวาลที่ขยายตัว ที่มีมิติเท่ากันและเป็นเอกพันธ์ อย่างไรก็ตาม หลังจากการค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบหลายพันดวงที่โคจรรอบดาวฤกษ์ใกล้เคียง สิ่งมีชีวิตยังคงเป็นลักษณะเด่นที่สุดที่ทำให้โลกของเราในระบบสุริยะโดดเด่นในจักรวาลอันกว้างใหญ่นี้ ซึ่งเป็นแรงจูงใจเพียงพอที่จะค้นหาว่าท้ายที่สุดแล้ว ชีวมณฑลของโลกแสดงถึงสิ่งที่ "พิเศษ" อย่างแท้จริงหรือไม่
วันนี้ ต้องขอบคุณภารกิจ Kepler ของนาซ่าที่สามารถตรวจพบดาวเคราะห์นอกระบบมากกว่า 4,000 ดวง ที่แสดงความหลากหลายเหนือความคาดหมายในมวล รัศมี และคาบการโคจร โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ทำให้ทราบว่าดาวเคราะห์นอกระบบที่โคจรอยู่รอบๆ ส่วนใหญ่เป็นดาวฤกษ์ ที่สำคัญ บางส่วนของ
ดาวเคราะห์นอกระบบเหล่านี้ยังเป็นสิ่งที่เรียกว่า "เขตเอื้ออาศัยได้" ที่โดยหลักการแล้วมีน้ำหรือของเหลวอยู่บนพื้นผิวของมัน ซึ่งเป็นข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับ "ชีวิต" จำนวนดาวเคราะห์นอกระบบที่เพิ่มขึ้นเหล่านี้ถูกค้นพบภายใน 20 พาร์เซกจากดวงอาทิตย์ของเรานี่เอง มันจึงง่ายในการตรวจสอบรายละเอียดต่างๆ โดยพบว่าบางส่วนของพวกมันยังเป็น candidate ที่สำคัญสำหรับการอยู่อาศัยด้วย
The Copernican Model: A Sun-Centered Solar System
ในขณะที่โปรแกรมตรวจสอบภาคพื้นดินและอวกาศกำลังเปิดเผยการค้นพบใหม่ ๆ อย่างต่อเนื่องแทบทุกสัปดาห์ ความมั่งคั่งของข้อมูลและจำนวนของระบบดาวเคราะห์นอกระบบได้กระตุ้นให้ชุมชนดาวเคราะห์นอกระบบเริ่มเปลี่ยนจากการค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบไปเป็นการจำแนกลักษณะดาวเคราะห์นอกระบบแทน โดยจุดสนใจหลักของโครงการได้กำหนดลักษณะเฉพาะคือ การตรวจสอบคุณสมบัติของบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบรวมถึงองค์ประกอบของมัน ซึ่งเทคโนโลยีในปัจจุบันช่วยให้เราสามารถตรวจจับและตรวจสอบชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ก๊าซขนาดยักษ์ทั้งในระยะสั้นและระยะยาวได้อย่างน่าเชื่อถือ
และแม้ว่าอนาคตของกล้องโทรทรรศน์ James Webb Space Telescope (JWST) ที่เปิดตัวไปแล้วในปลายปี 2021 ที่ใหญ่ที่สุดและซับซ้อนที่สุดเท่าที่เคยมีมา ได้มองลึกเข้าไปในจักรวาลอันมืดมิดและแก้ไขข้อมูลวัตถุที่อยู่ห่างไกลได้ดียิ่งขึ้น ของดาวเคราะห์นอกระบบอีกจำนวนหนึ่งที่โคจรอยู่ในเขตเอื้ออาศัยของดาวแคระ M ที่อยู่ใกล้เคียง และยืนยันการมีอยู่ของบรรยากาศได้ส่วนหนึ่ง แต่การระบุลักษณะเฉพาะในเชิงลึกขององค์ประกอบบรรยากาศดูเหมือนจะอยู่นอกขอบเขตของกล้อง อย่างไรก็ตาม กล้องโทรทรรศน์รุ่นต่อไปที่มองเห็นได้ในอนาคตอาจไม่จำเป็นต้องเอาชนะความสามารถของ JWST เพื่อให้มีวิสัยทัศน์สูงสุดอีกแล้ว
ด้วยภารกิจ "LIFE" (Large Interferometer For Exoplanets) แนวคิดเกี่ยวกับภารกิจอวกาศที่มีความทะเยอทะยานพร้อมความสามารถทางวิทยาศาสตร์ที่ไม่มีใครเทียบได้ ซึ่งจะได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการตรวจจับโดยตรง และการกำหนดลักษณะบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบหลายร้อยดวงได้ โดย LIFE ได้นำเสนอเทคโนโลยีใหม่สำหรับการตรวจจับดาวเคราะห์นอกระบบด้วย mid-IR interferometers แบบ Nulling Interferometer หลักการคือการสร้าง "จุดบอด" เสมือนจริงในตำแหน่งที่แน่นอนของแหล่งกำเนิดแสงที่เป็นดาวฤกษ์ เพื่อที่จะเปิดเผยแหล่งกำเนิดแสงที่สลัวกว่า ซึ่งเป็นดาวเคราะห์ที่โคจรรอบมัน
Large Interferometer For Exoplanets ( LIFE )ขนาดใหญ่สำหรับดาวเคราะห์นอกระบบ
mid-IR interferometers จะประกอบด้วยยานอวกาศ collector สี่ลำที่มีรูรับแสงขนาด 2 - 3.5 ม. บินเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า โดยมียานอวกาศ combiner
ลำที่ 5 จะอยู่ตรงกลางแบบในรูป ยานอวกาศ collector สี่ลำของ LIFE จะมีความไวเพียงพอสำหรับสัญญาณจาง ๆ จากดาวเคราะห์นอกระบบ ในขณะที่การแยกพื้นที่ระหว่างยานอวกาศจะให้ความละเอียดเชิงพื้นที่ที่จำเป็น ในการคลี่คลายสัญญาณดาวเคราะห์ออกจากสัญญาณของดาวฤกษ์แม่ จากนั้นแสงจากยาน collector จะถูกส่งไปยังยาน combiner โดยที่ลำแสงที่เข้ามาจะเข้ารบกวนเพื่อให้แสงจากดาวใจกลางถูกระงับอย่างมีประสิทธิภาพ แต่โฟตอนจากแหล่งกำเนิดนอกแกนใกล้เคียง (เช่น ดาวเคราะห์นอกระบบ) สามารถทะลุผ่านและสามารถกระจายตัวทางสเปกตรัมได้
กระจกของยาน collector และเลนส์ของเครื่องมือรวมจะทำงานที่อุณหภูมิไม่สูงกว่า 40K เพื่อลดเสียงรบกวนจากความร้อน ส่วนเป้าหมายสำหรับช่วงความยาวคลื่นที่สังเกตได้คือ 3 - 20 ไมโครเมตร และความละเอียดสเปกตรัมที่ต้องการคือ ~50 เพื่อให้ครอบคลุมท้องฟ้าทั้งหมดและจัดเตรียมสภาพแวดล้อมที่มั่นคงสำหรับการก่อตัวของยานอวกาศ LIFE จะอยู่ในวงโคจรที่จุด L2 การชี้ของกล้องโทรทรรศน์ collector จะอยู่ในทิศทางต่อต้านดวงอาทิตย์เป็นหลัก
อายุการใช้งานของภารกิจที่ระบุคือ 6 ปี โดยอย่างมากสุด 2 ปีครึ่งสำหรับ "ระยะการค้นหา" เพื่อตรวจจับดาวเคราะห์นอกระบบรอบดาวฤกษ์ใกล้เคียงหลายร้อยดวงภายใน 20 พาร์เซกจากดวงอาทิตย์ และระบุเป้าหมายที่ดีที่สุดสำหรับการสังเกตการณ์ติดตามผลโดยละเอียด ส่วนที่เหลืออีกประมาณ 3 ปีครึ่งอุทิศให้กับ "ระยะการกำหนดลักษณะเฉพาะ" เพื่อศึกษาตัวอย่างย่อยของดาวเคราะห์นอกระบบที่คัดเลือกมาอย่างดีในรายละเอียดที่มากขึ้น ซึ่งการปล่อยยานอวกาศทั้งหมดจะทำได้โดยใช้จรวด heavy-duty เพียงลำเดียว
mid-IR interferometers เครื่องวัดอินฟราเรดระยะกลางที่ออกแบบให้สามารถตรวจจับดาวเคราะห์คล้ายโลกในเขตที่อยู่อาศัยรอบดาวฤกษ์ใกล้เคียงได้
ที่จริง หลักการวัดพื้นฐานของ LIFE นั้นเกิดขึ้นในปี 1978 บนความคิดที่จะตรวจจับดาวเคราะห์นอกระบบอยู่แล้ว จนในช่วงต้นทศวรรษ 2000 มีการศึกษาแนวคิดครั้งแรก (ESA/Darwin และ NASA/TPF-I) ซึ่งเป็นรากฐานสำหรับ LIFE อย่างไรก็ตาม นับตั้งแต่นั้นมาก็มีความก้าวหน้าอย่างมากทั้งในด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ซึ่งจะรวมไปถึงรายละเอียดที่พิเศษเหล่านี้
- ภารกิจ Proba-3 ของ ESA ซึ่งวางแผนไว้สำหรับการเปิดตัวในปี 2023 จะแสดงให้เห็นถึงการบินระยะประชิดของเครื่องบินขับเคลื่อนอัตโนมัติที่บินได้
ในระดับที่เกินข้อกำหนดของ LIFE
- ภารกิจ Herschel ของ ESA จะแสดงให้เห็นถึงเทคโนโลยี cryogenic และกระจกหลักขนาดใหญ่น้ำหนักเบาสำหรับการใช้งานอินฟราเรด
- เครื่องมือ MIRI ของยุโรปสำหรับกล้องโทรทรรศน์อวกาศ James Webb จะสาธิตเทคโนโลยีอวกาศอินฟราเรดระยะกลางรวมถึงเครื่องตรวจจับ
- ความก้าวหน้าที่มีนัยสำคัญในระดับส่วนประกอบ เช่น กระจกที่เปลี่ยนรูปได้จาก cryogenic เส้นใยแก้วนำแสงอินฟราเรดระยะกลางและเลนส์แบบบูรณาการออปติก
- ความคืบหน้าอย่างมีนัยสำคัญ ในหลักการวัด (nulling interferometry) ในห้องปฏิบัติการและจากภาคพื้นดิน (เช่น ด้วย VLTI ของ ESO และ Large Binocular Telescope Interferometer LBTI)
นอกจากนี้ การทดลองใหม่ที่มีเป้าหมายเพื่อแสดงหลักการวัด LIFE ที่ความยาวคลื่นอินฟราเรดระยะกลางเป็นครั้งแรก เพิ่งเริ่มต้นขึ้นที่สถาบันเทคโนโลยี ETH Zurich ภายใต้สภาวะอุณหภูมิต่ำและระดับ flux ตามที่คาดไว้จากแหล่งกำเนิดทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์ การพัฒนาเหล่านี้ร่วมกันส่งผลโดยตรงต่อคำจำกัดความของแนวคิด LIFE ที่กำลังดำเนินอยู่ในปัจจุบัน ซึ่งสนับสนุนแนวคิดที่ว่าเป้าหมายทางวิทยาศาสตร์ขั้นสูงสุดของ LIFE ในการค้นหาสิ่งมีชีวิตนอกระบบสุริยะอาจทำได้จริง
แนวคิดของ NASA สำหรับ Terrestrial Planet Finder ในช่วงต้นทศวรรษ 2000 / Cr.NASA via Wikimedia Commons
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การเพิ่มขึ้นของดาวเทียมขนาดเล็ก (smallsats) และเทคโนโลยีฝูงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการก่อตัวที่เป็นรูปร่างของขบวนยานบินทำให้ LIFE หรือ nulling interferometry มีชีวิตชีวาขึ้นอีก โดยเฉพาะ Smallsats และ Cubesats ในวงโคจรต่ำของโลกเป็นแพลตฟอร์มต้นแบบที่เหมาะสมในการเปิดตัวรูปแบบการบิน ซึ่งพวกมันจำนวนหนึ่งถูกนำไปใช้ใกล้กับโลกแล้ว และในอีกหลายแห่งที่กำหนดไว้สำหรับอนาคตอันใกล้ เพื่อทดสอบการพัฒนาในแง่มุมต่างๆ ของเทคโนโลยี โดยขั้นตอนที่เพิ่มขึ้นเหล่านี้จะพิสูจน์ความเป็นไปได้ของการก่อตัวของการบินในทศวรรษต่อ ๆ ไป
อย่างไรก็ตาม แม้หน่วยงานอวกาศยังไม่ได้วาดแผนที่เป็นรูปธรรมเพื่อดำเนินการดังกล่าว และ Nulling interferometry ไม่ใช่หนึ่งในภารกิจที่ได้รับการยืนยันของ ESA ซึ่ง ESA เองก็ยังไม่ได้จัดสรรเงินทุนเฉพาะสำหรับความมุ่งมั่นร่วมกันในการพัฒนาเทคโนโลยีนี้ แต่อีกด้านหนึ่ง NASA กำลังแสวงหาเทคโนโลยีปิดกั้นแสงดาวแบบอื่นในการค้นหาสิ่งมีชีวิตนอกโลกอย่างแข็งขัน ซึ่งแม้ในทางปฏิบัตินั้นเรียบง่ายกว่า แต่ก็เหมาะกับความยาวคลื่นที่สั้นกว่าเล็กน้อย โดยที่เทคนิคของเหล่านี้ของ NASA อาจไม่จำเป็นต้องใช้การแทนค่า nulling interferometry แต่สามารถใช้เติมเต็มได้ในภายหลัง
แนวคิดของ ESA / Darwin ในปี 1990 Cr.IAS
(ขอขอบคุณที่มาของข้อมูลทั้งหมดและขออนุญาตนำมา)
LIFE : ภารกิจอวกาศเพื่อค้นหาสิ่งมีชีวิตนอกระบบสุริยะที่จะปฏิวัติวิทยาศาสตร์ในอนาคต
อายุการใช้งานของภารกิจที่ระบุคือ 6 ปี โดยอย่างมากสุด 2 ปีครึ่งสำหรับ "ระยะการค้นหา" เพื่อตรวจจับดาวเคราะห์นอกระบบรอบดาวฤกษ์ใกล้เคียงหลายร้อยดวงภายใน 20 พาร์เซกจากดวงอาทิตย์ และระบุเป้าหมายที่ดีที่สุดสำหรับการสังเกตการณ์ติดตามผลโดยละเอียด ส่วนที่เหลืออีกประมาณ 3 ปีครึ่งอุทิศให้กับ "ระยะการกำหนดลักษณะเฉพาะ" เพื่อศึกษาตัวอย่างย่อยของดาวเคราะห์นอกระบบที่คัดเลือกมาอย่างดีในรายละเอียดที่มากขึ้น ซึ่งการปล่อยยานอวกาศทั้งหมดจะทำได้โดยใช้จรวด heavy-duty เพียงลำเดียว
- ภารกิจ Proba-3 ของ ESA ซึ่งวางแผนไว้สำหรับการเปิดตัวในปี 2023 จะแสดงให้เห็นถึงการบินระยะประชิดของเครื่องบินขับเคลื่อนอัตโนมัติที่บินได้
ในระดับที่เกินข้อกำหนดของ LIFE
- ภารกิจ Herschel ของ ESA จะแสดงให้เห็นถึงเทคโนโลยี cryogenic และกระจกหลักขนาดใหญ่น้ำหนักเบาสำหรับการใช้งานอินฟราเรด
- เครื่องมือ MIRI ของยุโรปสำหรับกล้องโทรทรรศน์อวกาศ James Webb จะสาธิตเทคโนโลยีอวกาศอินฟราเรดระยะกลางรวมถึงเครื่องตรวจจับ
- ความก้าวหน้าที่มีนัยสำคัญในระดับส่วนประกอบ เช่น กระจกที่เปลี่ยนรูปได้จาก cryogenic เส้นใยแก้วนำแสงอินฟราเรดระยะกลางและเลนส์แบบบูรณาการออปติก
- ความคืบหน้าอย่างมีนัยสำคัญ ในหลักการวัด (nulling interferometry) ในห้องปฏิบัติการและจากภาคพื้นดิน (เช่น ด้วย VLTI ของ ESO และ Large Binocular Telescope Interferometer LBTI)
นอกจากนี้ การทดลองใหม่ที่มีเป้าหมายเพื่อแสดงหลักการวัด LIFE ที่ความยาวคลื่นอินฟราเรดระยะกลางเป็นครั้งแรก เพิ่งเริ่มต้นขึ้นที่สถาบันเทคโนโลยี ETH Zurich ภายใต้สภาวะอุณหภูมิต่ำและระดับ flux ตามที่คาดไว้จากแหล่งกำเนิดทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์ การพัฒนาเหล่านี้ร่วมกันส่งผลโดยตรงต่อคำจำกัดความของแนวคิด LIFE ที่กำลังดำเนินอยู่ในปัจจุบัน ซึ่งสนับสนุนแนวคิดที่ว่าเป้าหมายทางวิทยาศาสตร์ขั้นสูงสุดของ LIFE ในการค้นหาสิ่งมีชีวิตนอกระบบสุริยะอาจทำได้จริง