دکتر حسین مصحفی

درباره تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST)

تا اوایل قرن بیستم اخترشناسان تصور می‌کردند که کل عالم ما در همین کهکشان راه شیری خلاصه می‌شود و فراتر از آن دیگر عالم وجود ندارد. اما با پیشرفت تلسکوپ‌ها و کارهای افرادی چون ادوین هابل دانشمندان متقاعد شدند که فراتر از کهکشان راه شیری نیز کهکشان‌های بی‌شمار دیگری وجود دارند. 

اما مشاهدات با تلسکوپ‌های زمینی به دلیل این‌که بخش زیادی از طیف الکترومغناطیسی توسط جو زمین جذب می‌شود و آلودگی‌های نوری و جوی مختلفی در زمین  وجود دارد دچار محدودیت‌هایی است. به دلیل همین محدودیت‌ها از بیش از یک قرن پیش ایده قرار دادن تلسکوپ‌ها در خارج از جو زمین مطرح شده بود. 

در سال ۱۹۴۶ (۱۳۲۵) یعنی ۱۰ سال پیش از تأسیس سازمان فضایی امریکا (NASA)  ستاره‌شناس امریکایی لایمن اسپیتزر در طرحی اولیه نشان داد که یک تلسکوپ فضایی می‌تواند تصاویر دقیق‌تری از کیهان به ما ارائه دهد. قرار داشتن تلسکوپ در فضا آن را از اعوجاج‌ها و ناهمگنی‌های جو زمین و نویزهای حرارتی و نوری سطح زمین مصون می‌دارد و وضوح تصویری بالاتری را ارائه می‌دهد. به علاوه گستره وسیع‌تری از طیف الکترومغناطیسی را پوشش می‌دهد. چنین تلسکوپی می‌تواند تابش فرو-سرخ و فرا-بنفش را نیز مشاهده نماید.

پس از تأسیس سازمان فضایی ناسا، در سال ۱۹۶۲، آکادمی ملی علوم امریکا طرح پیشنهادی برای یک تلسکوپ مداری را تأیید کرد و لایمن اسپیتزر را مسئول گروه شناسایی اهداف علمی این طرح کرد. پس از چند تلاش ناموفق، در سال‌های ۱۹۶۸ و ۱۹۷۲ دو تلسکوپ فضایی بطور آزمایشی در مدار قرار گرفتند. 

موفقیت این تلسکوپ‌ها راه‌را برای ساخت تلسکوپ فضایی بزرگتر هموار کرد و در سال ۱۹۷۲ مرکز پروازهای فضایی مارشالِ ناسا در آلاباما بطور رسمی مسئولیت ساخت تلسکوپ فضایی هابل را بر عهده گرفت. 

ساخت و پرتاب تلسکوپ فضایی هابل فراز و نشیب‌هایی داشت و تغییرات متعددی را تجربه کرد. اما در نهایت در ۲۴ آوریل ۱۹۹۰ (۴ اردیبهشت ۱۳۶۹) پس از چند دهه تلاش، و صرف هزینه ۱.۵ میلیارد دلار تلسکوپ فضایی هابل، توسط شاتل فضایی دیسکاوری در مدار زمین قرار گرفت. 

ابعاد آینه این تلسکوپ ۲.۴ متر است و بیشتر در طیف مرئی و نزدیک به فرو-سرخ و همچنین فرا-بنفش به مشاهده اعماق آسمان می‌پردازد.

یکی از دستاوردهای مهم تلسکوپ هابل، «تصویر میدان ژرف» است که در سال ۱۹۹۵ رقم خورد. در این سال، تلسکوپ هابل به مدت ۱۰ روز متوالی به نقطه‌ای از کیهان در صورت فلکی دب اکبر (خرس بزرگ) خیره شد که با استفاده از تلسکوپ‌های زمینی به نظر کاملا خالی بود و هیچ کهکشانی در آن نقطه دیده نمی‌شود. هابل پس از ۱۰۰ ساعت نورگیری، توانست حدود ۳۰۰۰ کهکشان را در نقطه‌ای که به ظاهر کاملا تاریک به نظر می‌رسید را شناسایی کرده و به تصویر بکشد. هر کهکشان بطور متوسط حدود ۱۰۰ میلیارد ستاره در خود دارد. 

دورترین کهکشانی که تلسکوپ هابل تاکنون دیده است ۳۲ میلیارد سال نوری از زمین فاصله دارد. این کهکشان که GN-z11 نام گرفته در زمانی پدید آمده که فقط حدود ۴۰۰ میلیون سال از بیگ‌بنگ گذشته بود. یعنی نوری که از این کهکشان مشاهده می‌کنیم مثل آن است که تصویر کیهان را در ۱۳.۴ میلیارد سال قبل مشاهده کنیم.

اما نسل جدید تلسکوپ‌های فضایی که چندیست آغاز به کار کرده است، تلسکوپ فضایی جیمز وب نام دارد. این تلسکوپ که طراحی آن از سال ۱۹۹۶ آغاز شد، بسیار قدرتمندتر از تلسکوپ‌های پیشین است. آینه این تلسکوپ ۶.۵ متر است که در مقایسه با آینه ۲.۴ متری تلسکوپ هابل توانایی بسیار بیشتری در جمع‌آوری نور اجرام دوردست و در نتیجه تصاویر با کیفیت‌تر دارد. 

آینه‌های جیمز وب از ۱۸ قطعه ۶ ضلعی تشکیل یافته که به صورت اوریگامی تا خورده و در فضاپیما جاسازی شدند تا حمل آن آسان‌تر باشد. این قطعات در فضا باز شده و یک آینه بزرگ ۶.۵ متری را تشکیل می‌دهند. جنس این آینه‌ها از فلز سبک بریلیوم است و یک لایه فوق نازک از طلا بر روی آینه‌ها پوشانده شده تا نور فرو-سرخ را تقریبا بطور کامل منعکس کند. ساخت و آماده‌سازی این تلسکوپ بیش از دو دهه طول کشید و هزینه‌ای حدود ۱۰ میلیارد دلار به سازمان فضایی اروپا (ESA)، سازمان فضایی امریکا (NASA) و سازمان فضایی کانادا (CSA)  تحمیل کرده است.

تلسکوپ جیمز وب بطور عمده در باند فرو-سرخ کار می‌کند. شاید برای شما سؤال باشد که چرا به جای نور مرئی در باند فرو-سرخ کار می‌کند؟ جواب در این واقعیت نهفته است که هدف این تلسکوپ مشاهده عمیق‌ترین و دورترین کهکشان‌ها و اجرام کیهان است. همان‌طور که از زمان ادوین هابل (۱۹۲۹) می‌دانیم که کیهان در حال انبساط است. و یکی از پیامدهای این انبساط کیهانی این است که طول موج نور همراه با انبساط بلندتر می‌شود. بطور مثال کهکشانی که اکنون نزدیک ماست و در طول موج مرئی تابش می‌کند، با گذشت زمان و انبساط کیهانی و فاصله گرفتن از ما در طی چند میلیارد سال آینده طول موج مرئی آن به سمت طول موج‌های بلندتر جابجا می‌شود و به سمت نور سرخ (قرمز) تغییر می‌کند. همچنین به دلیل غبار غلیظ در میان کهکشان‌ها نور مرئی در هنگام عبور از میان ذرات غبار (که بقایای ستارگان و یا گازهای تشکیل ستاره‌ای هستند) به شدت جذب و پراکنده شده و عملا در نور مرئی کیهان دوردست برای ما کدر است. اما نور فرو-سرخ به دلیل بلندتر بودن طول موج می‌تواند از میان غبار عبور کرده و توسط تلسکوپ‌ها آشکار شود.

با این‌که چند هفته بیشتر از انتشار نتایج و تصاویر تلسکوپ جیمز وب نمی‌گذرد اما دستاوردهای آن حیرت‌انگیز است. در جدیدترین تلاش، جیمز وب توانسته از کهکشان GLASS-z13 در ۱۳.۵ میلیارد سال قبل تصویربرداری کند. این کهکشان در زمانی وجود داشته که از عمر کیهان فقط ۳۰۰ میلیون سال گذشته بود. در مقام مقایسه، اولیه‌ترین کهکشانی که تلسکوپ هابل توانسته ببیند، در زمانی است که عمر کیهان ۴۰۰ میلیون سال بوده است. این یعنی تا بدین لحظه تلسکوپ جیمز وب ما را ۱۰۰ میلیون سال دیگر به لحظات نخستین پیدایش کیهان نزدیک‌تر کرده است. 

اما مشاهده دورترین اجرام کیهان تنها مأموریت جیمز وب نیست. یکی دیگر از وظایف مهم جیمز وب، مطالعه سیارات فرا-خورشیدی و یافتن نشانه‌هایی از حیات و محیط زیست‌پذیر در سیارات دیگر خارج از منظومه شمسی است. مطالعه جو سیارات فرا-خورشیدی و بررسی شرایط وجود حیات (چه ابتدایی و چه هوشمند) از مأموریت‌هایی است که جیمز طی عمر خود قرار است انجام دهد.

این یکی از نخستین تصاویری است که تلکسوپ جیمز وب منتشر کرده است و یک خوشه کهکشانی را در حدود ۴.۶ میلیارد سال قبل به تصویر کشیده است. اگر دقت کنید در تصویر کمان‌هایی از نور دیده می‌شوند. انگار که با یک عدسی نور را خمیده کرده باشید. این پدیده در حقیقت همگرایی گرانشی (عدسی گرانشی) نام دارد که یکی از پیش‌‌بینی‌های نظریه نسبیت عام اینشتین است. در واقع طبق نظریه نسبیت عام، نور کهکشان‌های دیگر در هنگام عبور از نزدیکی یک خوشه کهکشانی یا کهکشان پرجرم دچار انحراف شده و مسیری خمیده (از دید ناظر دوردست) را طی می‌کند که موجب می‌شود از دید ما شبیه به یک عدسی گرانشی عمل کند.

نکته‌ای که مایلم اشاره کنم آن است که تلسکوپ‌های الکترومغناطیسی (مرئی، فرو-سرخ، فرا-بنفش و …) هیچ‌گاه نمی‌توانند از زمانی نزدیک‌تر به بیگ‌بنگ را به تصویر بکشند. چرا که در دوره‌های بسیار نخستین تحول کیهان، محیط کیهان برای عبور فوتون‌ها بسیار کدر بود و عملا نوری نمی‌توانست از میان غبار غلیظ ذرات پراکنده عبور کند. در واقع اولین نور در کیهان تقریبا در حدود ۳۸۰ هزار سال پس از مه‌بانگ (بیگ‌بنگ) اجازه انتشار یافت. در حقیقت در این زمان بود که محیط کیهان به اندازه کافی سرد شد تا ذرات پراکنده توانستند در قید هسته‌های اتمی درآیند و اتم‌های ساده بطور گسترده‌ای در کیهان تشکیل یافتند و از غلظت مه کیهانی کاسته شد و فوتون‌ها توانستند از میان این مه عبور کنند و در کیهان منتشر شوند. پس از این دوره که به آن دوره باز-ترکیب یا دوره تابش پس زمینه کیهانی می‌‌گویند، دوران تاریک کیهان آغاز می‌شود. در این دوره کیهان سرد است و هنوز ستاره‌ها و کهکشان‌ها شروع به تشکیل و درخشش نکرده‌اند. این دوره بیشتر ابرهای هیدروژنی سرد هستند که تابشی کوانتومی به نام تابش ۲۱ سانتی‌متر از خود منتشر می‌کردند. اما پس از گذشت حدود ۱۰۰ میلیون سال یا بیشتر، اولین ستاره‌ها و کهکشان‌ها شروع به درخشیدن کردند و ابرهای هیدروژنی متراکم شده و اولین ستارگان را تشکیل دادند. در حقیقت تلسکوپ جیمز وب و دیگر تلسکوپ‌های الکترومغناطیسی حداکثر تا این دوره را می‌توانند مشاهده کنند و از قبل از زمان باز-ترکیب نمی‌توانند بطور مستقیم اطلاعاتی بدست آورند.

اما با کشف امواج گرانشی در سال ۲۰۱۵ و آغاز دوره کیهان‌شناسی امواج گرانشی امیدها برای مشاهده کیهان پیش از زمان باز-ترکیب بیشتر شده است. در حقیقت بسیاری از نظریه‌های آغاز کیهان، الگوهایی از امواج گرانشی که در لحظات بسیار نخستین کیهان پدید آمده‌اند را پیش‌بینی می‌کنند. امواج گرانشی در حقیقت نوساناتی در فضا و زمان هستند. همان‌طور که یک موج روی آب می‌تواند قایق‌ها و کشتی‌ها را سر راه خود جابجا کند، امواج گرانشی نیز وقتی در کیهان منتشر می‌شوند هنگام عبور خود فواصل مکانی و زمان را تحت تأثیر قرار می‌دهند. ما تاکنون امواج گرانشی متعددی از سیاه‌چاله‌ها و ستاره‌های نوترونی کشف کرده‌ایم. اما امواج گرانشی اوایل کیهان را تاکنون نتوانسته‌ایم کشف کنیم. اگر امواج گرانشی نخستین وجود داشته باشند احتمالا طی دهه‌های آینده شاهد کشف آن‌ها خواهیم بود و می‌توانیم لحظات بسیار نخستین پیدایش کیهان را با استفاده از امواج گرانشی مورد مطالعه قرار دهیم.

برای مشاهده تصاویر تهیه شده توسط تلسکوپ جیمز وب که بطور منظم منتشر می‌شوند می‌توانید به لینک زیر مراجعه نمائید:

https://webbtelescope.org/resource-gallery/images

دیدگاه‌ خود را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.