معرفی تلسکوپ جیمز وب

با این حال، از آنجایی که "جیمز وب" پروژه‌ای با پیچیدگی بی‌سابقه است، این ماموریت در مرحله راه اندازی و پرتاب با مشکل مواجه شد. آنچه در ابتدا به عنوان یک رصدخانه فضایی یک میلیارد دلاری در سال ۲۰۰۷ پیشنهاد شده بود، اکنون به پروژه‌ای ۱۰ میلیارد دلاری تبدیل شد که سرانجام روز شنبه ۲۵ دسامبر سال ۲۰۲۱ مصادف با ۴ دی ۱۴۰۰ به فضا رفت.

اکنون سه دهه است که تلسکوپ فضایی نمادین "هابل" در حکم چشمان اخترشناسان به سوی دوردستِ کیهان بوده است و برای اخترشناسان نماهایی از کهکشان‌های دوردست و ماده تاریک و جهان باستانی را فراهم کرده است. "هابل" همچنان به خوبی به اخترشناسان خدمت می‌کند، اما از زمان پرتاب آن در سال ۱۹۹۰ و آخرین به‌روزرسانی آن در سال ۲۰۰۹، حوزه‌های نجوم و فناوری هر دو تکامل یافته‌اند و با تغییرات چشمگیری مواجه شده‌اند.

مطمئناً اکنون یک تلسکوپ فضایی بزرگ‌تر و قدرتمندتر از "هابل" مورد نیاز است و این همان چیزی است که "جیمز وب" برای آن طراحی شده است. آینه این تلسکوپ جدید بیش از دو برابر آینه "هابل" است. برای بسیاری از اخترشناسان، امیدواری زیادی وجود دارد که "جیمز وب" دانش ما را در مورد کیهان برای سال‌های طولانی در آینده گسترش دهد.

جیمز وب

تلسکوپ فضایی "جیمز وب" به نام شخصیتی به همین نام که دومین مدیر ناسا بود و از سال ۱۹۶۱ تا ۱۹۶۸ در این پست خدمت کرد، نام‌گذاری شده است. به گفته ناسا، اگرچه او معمولاً با برنامه "آپولو" که انسان را برای اولین بار پس از پایان دوره مسئولیتش به ماه فرستاد، شناخته می‌شود، اما او همچنین از برنامه‌های علمی دیگر در ناسا حمایت می‌کرد.

برنامه "پروژه رصدخانه" که در ابتدا "تلسکوپ فضایی نسل جدید" نام داشت، در سال ۲۰۰۲ به نام "جیمز وب" نام‌گذاری شد. با این حال، نام تلسکوپ جدید جنجال برانگیز شده است، چرا که سنت ناسا در نام‌گذاری ماموریت‌های علمی معمولا استفاده از نام دانشمندان است، نه شخصیت‌های مسئول و سیاسی. بنابراین ناسا در نامگذاری تلسکوپ "جیمز وب" سنت شکنی کرده است.

کسانی که به این نامگذاری اعتراض دارند، استدلال می‌کنند که "جیمز وب" قبل از پیوستن به ناسا، در دولت دست به اخراج برخی زده است و در زمان فعالیت به عنوان مدیر ناسا نیز یک تحلیلگر بودجه را به بهانه‌های واهی رفتار غیر اخلاقی اخراج کرده است.

با این حال، "بیل نلسون" مدیر فعلی ناسا در ماه سپتامبر تایید کرد که این نام روی تلسکوپ فضایی جدید ناسا باقی خواهد ماند. اگرچه ناسا اساساً از این تلسکوپ با نام "وب" یاد می‌کند یا بسیاری از ستاره شناسان آن را با نام اختصاری "JWST" صدا می‌زنند.

اگرچه تلسکوپ "جیمز وب" توسط ناسا مدیریت می‌شود، اما این تلسکوپ حاصل یک پروژه علمی چند ملیتی است. آژانس فضایی اروپا یک شریک کلیدی در این پروژه است و پرتاب آن را به عنوان یک کمک بزرگ به ناسا انجام داد. همچنین اجزای سازنده این تلسکوپ از تعدادی سازمان‌ها و شرکت‌های مختلف می‌آیند، اما این تلسکوپ در نهایت توسط شرکت "نورثروپ گرومن" در جنوب کالیفرنیا مونتاژ شد.

این تلسکوپ در ماه سپتامبر، جنوب کالیفرنیا را ترک کرد و از کانال پاناما عبور کرد و به آخرین بندر زمینی مورد نظر خود که محل پرتاب در گویان فرانسه است، رسید. "جیمز وب" از آنجا سوار بر موشک "آریان ۵" به فضا رفت.

تاریخچه ساخت و توسعه "جیمز وب" یک داستان طولانی و پر پیچ و خم بوده است. برنامه‌ها برای جانشینی "هابل" به دهه ۱۹۹۰ برمی‌گردد، با این امید که راه اندازی چنین ماموریتی در دهه ۲۰۰۰ انجام شود. اما پیچیدگی و سپس هزینه‌ها افزایش یافت و تاریخ پرتاب به آینده موکول شد.

تاخیرهای اضافی نیز زمانی رخ داد که برخی از اجزای آن در آزمایشات دچار نقص شدند. این تلسکوپ سرانجام در سال ۲۰۱۹ و فقط چند ماه قبل از اینکه بیماری کووید-۱۹ در سراسر جهان گسترش یابد و مراحل نهایی پروژه را برای پرتاب با تاخیر مواجه کند، به طور کامل مونتاژ شد.

تلسکوپ‌های زمینی با یک چالش کلیدی روبرو هستند. حتی آنهایی که از آلودگی نوری شهرها دور هستند، باید از طریق اتمسفر که حاوی رطوبت است و سیگنال‌های دریافتی را ضعیف و منحرف می‌کند، رصد کنند. به همین دلیل است که ستاره‌شناسان دوست دارند رصدخانه‌های خود را در مکان‌های مرتفع و خشک بسازند.

اما مهم نیست که مکان احداث یک رصدخانه چقدر بالا یا خشک باشد، چرا که اتمسفر زمین همچنان مشکلاتی را برای رصد ایجاد خواهد کرد. اما راه دیگری برای دور زدن این محدودیت‌ها وجود دارد و آن اینکه تلسکوپ را به فضا بفرستید، جایی که هیچ جوی برای اختلال در تصویر شما وجود نداشته باشد. به همین دلیل است که "هابل" و همتایانش بسیار موفق بوده‌اند.

نگین انگشتری در "جیمز وب"، آینه‌ی آن است. این آینه با عرض ۶.۵ متر، بزرگترین آینه‌ای است که تا به حال به فضا رفته است که با آینه ۲.۴ متری "هابل" فاصله قابل توجهی دارد. آینه "جیمز وب" که "عنصر نوری تلسکوپ"(OTE) نیز نامیده می‌شود، از بریلیم با روکش طلا ساخته شده است. این آینه از ۱۸ بخش شش ضلعی، هر یک به اندازه یک میز بزرگ ساخته شده است. بیش از ۱۰۰ موتور زیر این آینه قرار دارند تا تنظیمات ظریف لازم را انجام دهند.

ساخت این آینه چالشی باورنکردنی برای سازندگان "جیمز وب" بود، زیرا حتی کوچکترین نقص در آن می‌تواند به شدت توانایی‌های رصدی "جیمز وب" را مختل کند. این آینه توسط شرکت "بال ایرواسپیس اند تکنولوجیز"( Ball Aerospace & Technologies) ساخته شد و در مرکز پرواز فضایی "گادرد" ناسا در مریلند مونتاژ شد.

"هابل" بیشتر در نور مرئی رصد می‌کند. از سوی دیگر اما "جیمز وب" در طول موج‌های طولانی‌تر و قرمزتر، عمدتاً در طیف فروسرخ یا مادون قرمز رصد می‌کند. دانشمندان امیدوارند که این قابلیت به تلسکوپ اجازه دهد تا به اجرام دورتر نگاه کند، چرا که نور این اجرام به طول موج‌های بلندتر منتقل می‌شوند. "جیمز وب" دارای چهار ابزار طراحی شده برای تشخیص بسیار حساس سیگنال‌های فروسرخ است.

این ابزارها اصطلاحا در "اتوبوس فضاپیما" قرار خواهند گرفت که جعبه‌ای است که عمدتاً از کامپوزیت گرافیت ساخته شده است و شامل پیشرانه‌ها، رایانه و تجهیزات ارتباطی "جیمز وب" نیز می‌شود. در اصل، این محفظه حکم قلب و مغز "جیمز وب" را دارد.

این محفظه توسط یک آفتابگیر یا سپر خورشیدی عظیم محافظت می‌شود و مجهز به خنک‌کننده‌ای است که از هلیوم برای حفظ اجزای آن در دمای ۳۷ درجه کلوین(منهای ۳۹۳ درجه فارنهایت یا منفی ۲۳۶ درجه سانتی‌گراد) استفاده می‌کند.

به منظور حفظ "جیمز وب" در شرایط مناسب برای مشاهده سیگنال‌های فروسرخ ضعیف، این تلسکوپ باید سرد نگه داشته شود. در واقع باید در دمای بسیار سرد یعنی زیر ۵۰ درجه کلوین(منهای ۳۷۰ درجه فارنهایت یا منفی ۲۲۳ درجه سانتیگراد نگه داشته شود. هر دمای گرمتری به این معنی است که تلسکوپ حساسیت حیاتی مورد نیاز خود را از دست می‌دهد و حتی ظریف‌ترین تغییرات دما نیز می‌تواند کارایی آینه را از بین ببرد. خوشبختانه "جیمز وب" در بالای خنک کننده‌های خود برای همین منظور مجهز به یک آفتابگیر بزرگ است.

حالا که "جیمز وب" پرتاب شده است، سپر خورشیدی آن در طول مسیر تا می‌شود و در طول دو هفته آغازین پرواز، به مرور باز می‌شود تا مساحتی به اندازه‌ طول یک زمین تنیس را پوشش دهد. این محافظ از پنج لایه پلیمری به نام "کاپلون E" تشکیل شده است که میان آلومینیوم و سیلیکون قرار گرفته است تا نور خورشید و گرما را منعکس کند و در حالی که "جیمز وب" در مدار خود می‌چرخد، سپر خورشیدی همیشه بین آینه و جهت تابش نور خورشید قرار می‌گیرد.

باز شدن لایه‌های محافظ "جیمز وب" تنها یکی از جنبه‌های استقرار پیچیده آن است. در مجموع، این فرآیند یک ماه طول خواهد کشید که ناسا آن را "۲۹ روز روی لبه" نامیده است. در طول این مدت، "جیمز وب" به سمت جایگاه مقرر خود حرکت خواهد کرد.

"جیمز وب" به دور زمین نمی‌چرخد، بلکه در نقطه‌ای به نام "نقطه لاگرانژ" می‌چرخد که کشش‌های گرانشی زمین و خورشید با هم برابر می‌شوند و یکدیگر را خنثی می‌کنند. به طور مشخص، این تلسکوپ در میان زمین و خورشید در مدار L۲‌ در سمت دور زمین از خورشید مستقر خواهد شد. در این نقطه، "جیمز وب" همیشه در سایه‌ی زمین خواهد بود و ابزارها مشاهده و خوانش واضح‌تری از کیهان خواهند داشت.

یکی از معایب این مدار این است که از آنجایی که ۱.۵ میلیون کیلومتر از زمین فاصله دارد(سه برابر فاصله زمین تا ماه)، برای تعمیراتی مانند آنچه "هابل" تجربه کرد بسیار دور خواهد بود. این مدار نیز ذاتاً ناپایدار است، به این معنی که "جیمز وب" باید ایستگاه عملیات حفظ جایگاه انجام دهد و به طور مداوم سرعت خود را هر سال چند متر در ثانیه اصلاح و تنظیم کند.

ستاره شناسان امیدوارند که "جیمز وب" بتواند به برخی از سوالات بزرگ آنها پاسخ دهد. به عنوان مثال، قابلیت فروسرخ "جیمز وب" به این معنی است که می‌تواند به اعماق کیهان نگاه کند تا کیهان را در روزهای اولیه آن بهتر از تلسکوپ‌های نور مرئی مانند "هابل" ببیند. ستاره شناسان بر این باورند که این ویژگی می‌تواند به این تلسکوپ کمک کند تا نور اولین ستارگانی را که پس از مه‌بانگ(انفجار بزرگ) شکل گرفته‌اند، رصد کند و بفهمد که چگونه آن ستاره‌ها در کهکشان‌ها ادغام شده‌اند.

اهداف "جیمز وب" همچنین شامل پیشبرد مطالعه سیارات فراخورشیدی است. اخترشناسان مایلند از "جیمز وب" برای مشاهده چگونگی شکل‌گیری و توسعه منظومه‌های سیاره‌ای استفاده کنند. سپس آن‌ها ممکن است بتوانند روی آن منظومه‌های سیاره‌ای بزرگنمایی کنند و جو سیارات فراخورشیدی را رصد کنند و حتی آثاری از حیات به نام نشانه‌های زیستی را در آنها جستجو کنند.

ماموریت اولیه "جیمز وب" قرار است ۱۰ سال طول بکشد. محدودیت کلیدی آن این است که این تلسکوپ برای نگه داشتن خود در مدار مقرر، به رانشگرهای خود نیاز دارد و این رانشگرها تنها پیشرانه کافی برای دوام ۱۰ ساله را دارند. علاوه بر این، طراحی تلسکوپ و فاصله آن از زمین به این معنی است که "جیمز وب" مانند "هابل" قابل تعمیر یا ارتقا نیست.

تلسکوپ فضایی "جیمز وب" و رمزگشایی از "ماده تاریک"

تلسکوپ فضایی "جیمز وب" به حل معماهای مهم در مورد ماده تاریک که با وجود اینکه بخش قابل توجهی از جهان هستی را اشغال کرده اما تاکنون مشاهده نشده است، کمک خواهد کرد.

"ماده تاریک" یک شکل مرموز و نامرئی از ماده است که تصور می‌شود حدود ۲۷ درصد از جهان شناخته شده را تشکیل می‌دهد و وزن آن نسبت به ماده مرئی حدود شش برابر بیشتر است. با این حال، با وجود اینکه بخش قابل توجهی از جهان را تشکیل می‌دهد، از زمانی که وجود آن برای اولین بار توسط "فریتز زوئیکی" ستاره‌شناس سوئیسی-آمریکایی در سال ۱۹۳۳ مطرح شد، از درک ما دور مانده است و تا به امروز، ماده تاریک هرگز به طور مستقیم شناسایی نشده است.

ماده تاریک(Dark Matter) گونه‌ای از ماده است که فرضیه وجود آن در اخترشناسی و کیهان‌شناسی ارائه شده ‌است تا پدیده‌هایی را توضیح دهد که به نظر می‌رسد ناشی از وجود میزان خاصی از جرم باشند که از جرم موجود مشاهده ‌شده در جهان بیشتر است. ماده تاریک به ‌طور مستقیم با استفاده از تلسکوپ قابل مشاهده نیست، چرا که ماده تاریک مشخصاً نور یا سایر امواج الکترومغناطیسی را به میزان قابل توجهی جذب یا منتشر نمی‌کند.

به بیان دیگر، ماده تاریک به سادگی ماده‌ای است که واکنشی نسبت به نور نشان نمی‌دهد. در عوض، وجود و ویژگی‌های ماده تاریک را می‌توان به ‌طور غیرمستقیم و از طریق تأثیرات گرانش بر روی ماده مرئی، تابش و ساختار بزرگ مقیاس جهان نتیجه گرفت. طبق داده‌های موجود و بر اساس مدل استاندارد کیهان‌شناسی، کل جرم-انرژی موجود در جهان شناخته‌شده شامل ۴٫۹ درصد ماده معمولی، ۲۶٫۸ درصد ماده تاریک و ۶۸٫۳ درصد انرژی تاریک تشکیل شده‌ است. یعنی ماده تاریک حدود ۲۷ درصد از کل ماده موجود در جهان را تشکیل می‌دهد و انرژی تاریک و ماده تاریک روی هم رفته ۹۵٫۱ درصد از کل محتویات جهان را تشکیل می‌دهند.

اخترفیزیکدانان فرضیه ماده تاریک را مطرح نمودند تا اختلاف میان جرم محاسبه‌ شده برای اجرام غول‌پیکر آسمانی توسط دو روش استفاده از تأثیرات گرانشی آنها یا استفاده از مواد درخشان درون آن‌ها(ستارگان، گاز، غبار) را توضیح دهند. این فرضیه نخستین بار توسط "یان اورت" در سال ۱۹۳۲ برای توضیح سرعت‌های مداری ستارگان در کهکشان راه شیری و توسط "فریتز زوئیکی" در سال ۱۹۳۳ برای توضیح شواهد مربوط به «جرم گمشده» در سرعت‌های مداری کهکشان‌ها در خوشه‌های کهکشانی مطرح گردید. در پی آن بسیاری از مشاهدات دیگر نیز مطرح گشت که دلالت بر وجود ماده تاریک در جهان داشتند. از جمله این مشاهدات می‌توان به مشاهده سرعت‌های چرخشی کهکشان‌ها توسط "ورا روبین" در دهه‌های ۱۹۶۰–۱۹۷۰، همگرایی گرانشی اجسام پس‌زمینه توسط خوشه‌های کهکشانی همچون "خوشه گلوله" و الگوهای ناهمسانگردی دما در تابش زمینه کیهانی اشاره نمود.

کیهان‌شناسان توافق نظر دارند که ماده تاریک عمدتاً از نوعی ذره زیراتمی ناشناخته تشکیل شده ‌است. جستجو برای یافتن این ذره با استفاده از وسایل گوناگون یکی از تلاش‌های اصلی فیزیک ذرات بنیادی است.

در حالی که تلسکوپ فضایی "جیمز وب" نمی‌تواند مستقیماً ماده تاریک را ببیند، دانشمندان فکر می‌کنند که با اندازه‌گیری تأثیراتی که بر محیط اطراف خود می‌گذارد، می‌تواند به برخی از سؤالات اصلی در مورد ماده تاریک پاسخ دهد. این کار به نوبه خود، دانش ما را از جهان به طور کلی ارتقا می‌دهد.

دانشمندان دقیقاً نمی‌دانند ماده تاریک از چه چیزی ساخته شده است و هنوز در حال یافتن راهی برای تشخیص مستقیم آن هستند. در حال حاضر، دانشمندان در حال توسعه چنین روش‌هایی با آزمایش‌هایی در "برخورد دهنده بزرگ هادرونی"(LHC) واقع در "سرن" سازمان اروپایی تحقیقات هسته‌ای هستند. برخلاف این آزمایش‌ها، "جیمز وب" نمی‌تواند مستقیماً ماده تاریک را تشخیص دهد، اما می‌تواند اثرات آن را بر روی ماده معمولی و قابل مشاهده مطالعه کند.

"کلاوس پونتوپیدان" دانشمند موسسه علمی تلسکوپ فضایی در یک کنفرانس خبری در ماه مه گفت: وقتی ماده تاریک را رصد می‌کنید، باید همیشه به شکل استدلالی به آن نگاه کنید، زیرا نمی‌توانید آن را مستقیما ببینید. اما در عین حال، "وب" این توانایی را دارد که سعی کند به روش‌های جدید و با نگاه کردن به دینامیک کهکشان‌ها به معرفتی از ماده تاریک دست یابد.

به عنوان مثال، ستاره‌شناسان می‌توانند به عنوان یک روش غیرمستقیم برای تشخیص ماده تاریک، از فناوری‌های موجود برای اندازه‌گیری جرم ستاره‌ها و کهکشان‌ها استفاده کنند. برخی از شواهد اصلی در مورد وجود ماده تاریک این است که بسیاری از کهکشان‌ها نمی‌توانند بدون مقدار زیادی جرم نامرئی وجود داشته باشند و حرکت کنند.

تلسکوپ "جیمز وب" برای کمک به اخترشناسان در یافتن دقیق‌تر ماده تاریک، تصاویر بسیار واضحی می‌گیرد که در آن محققان می‌توانند اختلالات ناشی از همگرایی‌های گرانشی را مشاهده کنند و آنها را به جایی که جرم نامرئی در کمین است، برساند. همگرایی گرانشی پدیده‌ای است که توسط نظریه نسبیت عام "اینشتین" توصیف شده است. با این پدیده، هنگامی که یک پرتو نور از یک جرم بزرگ عبور می‌کند، کمی منحرف می‌شود، زیرا بافت فضا-زمان کمی توسط جرم منحنی می‌شود.

همگرایی گرانشی هنگامی روی می‌دهد که نورِ یک چشمه درخشان بسیار دور(مانند یک اختروش) در مسیرش تا رصدگر، از کنار جسم پرجرم دیگری(مانند یک خوشه کهکشانی) بگذرد و مسیرش خمیده شود. جسم میانی، عدسی گرانشی نامیده می‌شود. این پدیده یکی از پیش‌بینی‌های نظریه نسبیت عام "اینشتین" است.

براساس نسبیت عام، جرم می‌تواند فضا-زمان را خمیده کند و در نتیجه یک میدان گرانشی بسازد که می‌تواند نور را منحرف کند. این پدیده را نخستین بار "آرتور ادینگتون" در سال ۱۹۱۹ در جریان یک خورشیدگرفتگی آزمود که در آن نور ستاره‌ای که از نزدیک خورشید می‌گذشت، کمی خم شده و در نتیجه مکان ظاهری ستاره کمی جابه‌جا شد.

تلسکوپ فضایی "جیمز وب" در تصویربرداری از کهکشان‌های دور می‌تواند این توده‌ها را پیدا و تعیین کند چه چیزی مفقود و نادیده مانده است یا قابل مشاهده نیست که احتمالاً همان ماده تاریک خواهد بود.

"وب" به ویژه برای این نوع اندازه‌گیری مناسب خواهد بود، زیرا تصاویر بسیار واضح آن امکان اندازه‌گیری اختلالات بسیار کوچک را فراهم می‌کند و به دلیل اینکه می‌تواند در اعماق فضا نظر کند، به کهکشان‌های پس‌زمینه بیشتری برای اندازه‌گیری اختلالات ایجاد شده دسترسی خواهد داشت.

به گفته ناسا همچنین "وب" آمارهای زیادی از تکامل کهکشان‌ها بدست خواهد آورد و دانشمندان می‌توانند این مشاهدات را با نظریه‌ها در مورد نقش ماده تاریک در آن فرآیند مقایسه کنند و به درک مقدار و ماهیت ماده تاریک در کهکشان‌ها برسند.

تلسکوپ فضایی "جیمز وب" به گونه‌ای طراحی شده است که دوردست‌هایی را در فضا که ما تاکنون قادر به دیدن آنها نبوده‌ایم، ببیند. "وب" با انجام این مشاهدات در اعماق فضا قادر خواهد بود آغازهای اولیه جهان و کهکشان‌های آن و نقشی که ماده تاریک ممکن است در تکامل آنها داشته باشد را مطالعه کند.

دانشمندان به کار برای درک زمان شکل‌گیری کهکشان‌های نخستین در کیهان ادامه می‌دهند. فرآیندهای درگیر در این شکل‌گیری توسط مدل‌های تکامل ماده تاریک پیگیری می‌شوند و پارامترهای مختلفی در زمان‌های مختلف بر روی اولین کهکشان‌ها سنجیده می‌شود.

دانشمندان می‌گویند "وب" می‌تواند برای اندازه‌گیری برخی از پارامترهای اساسی اولین کهکشان‌ها در جهان استفاده شود و به ما امکان می‌دهد درخشندگی، توزیع جرم و بسیاری موارد دیگر را در آنها درک کنیم.

تلسکوپ فضایی "جیمز وب" شنبه ۲۵ دسامبر ۲۰۲۱ (۴ دی) سوار بر موشک "آریان ۵" از بندر فضایی آژانس فضایی اروپا واقع در گویان فرانسه به فضا پرتاب شد و سفر رویایی خود را آغاز کرد.