تلسکوپ فضایی جیمز وب: اسرار علمی که هیچ رصدخانه دیگری قادر به کشف آن نیست!!

تلسکوپ فضایی جیمز وب دیدگاه ما را نسبت به کیهان تغییر خواهد داد.

مقایسه تصویر تلسکوپ فضایی هابل و تصویر شبیه سازی شده تلسکوپ فضایی جیمز وب. تلسکوپ جدید  به باستانی‌ترین تصاویر کیهان عمیق‌تر نگاه خواهد کرد. (اعتبار تصویر: ESA/NASA/STSCI)

 

زمانی که دانشمندان تلسکوپ فضایی هابل، پیشگامانه‌ترین رصدخانه نجومی دوران خود را طراحی و ساختند، چیزهای زیادی در مورد جهان وجود داشت که آنها نمی‌دانستند. مارک مک‌کاگرین، مشاور ارشد علم و اکتشاف در آژانس فضایی اروپا (ESA) گفت: یکی از این ناشناخته‌ها این بود که ستاره‌ها و کهکشان‌ها چند صد میلیون سال پس از انفجار بزرگ وجود داشته‌اند.

اما حتی اگر از این ستاره‌ها و کهکشان‌های اولیه اطلاعی داشتند، فناوری لازم را نداشتند که هابل آن‌ها را ببیند.

مک‌کاگرین، که همچنین یک دانشمند در گروه کاری علمی تلسکوپ فضایی جیمز وب ناسا (JWST) است، می‌گوید: «هابل یک دسته کامل اهداف اصلی داشت که بسیاری از آنها حدود 20 سال سن داشتند و یکی از چیزهایی که ستاره‌شناسان در دهه 1980 [کمی قبل از پرتاب هابل در سال 1990] کشف کردند این بود که کهکشان‌ها خیلی زودتر از حد انتظار شکل گرفتند.

آشکار شد که برای رسیدن به آن ستارگان و کهکشان‌های اولیه به رصدخانه فضایی دیگری حتی بزرگتر نیاز خواهد بود – آنهایی که جهان را با اتم‌های هیدروژن پس از صدها میلیون سال تاریکی که پس از انفجار بزرگ و زمانی که فضای در حال انبساط تنها پر شد، روشن کرده بودند.

فناوری در آن زمان هنوز توسعه نیافته بود. در نهایت این رصدخانه که اکنون به نام تلسکوپ فضایی جیمز وب نامیده می‌شود (در ابتدا تلسکوپ فضایی نسل بعدی) بشر را قادر می‌سازد تا اولین نور افسانه‌ای در جهان را ببیند.

 

قدرت چشم‌های مادون قرمز

این تکه فناوری گمشده، آشکارسازهای فروسرخ بود که می‌توانست نور ضعیفی را جمع‌آوری کند که از آن ستاره‌ها و کهکشان‌های اولیه در فاصله بیش از 13 بیلیون سال نوری دورتر می‌آمد.

هابل برای تشخیص نور مرئی و فرابنفش ساخته شده است. این کهکشان‌های اولیه واقعاً نور مرئی ساطع می‌کنند، اما به دلیل فاصله‌شان، طول موج این نور به‌وسیله انتقال به سرخ به قسمت فروسرخ طیف الکترومغناطیسی کشیده می‌شود.

مک‌کاگرین که در آن زمان دانشجوی دکترا در دانشگاه ادینبورگ در اسکاتلند بود، یکی از آن دانشمندانی بود که آشکارسازهای فروسرخ اولیه را توسعه داد، فناوری که اکنون در چهار ابزار علمی پیشرفته تلسکوپ فضایی جیمز وب به اوج خود رسیده است.

مک‌کاگرین می‌گوید: «در دهه 1980، عکس‌های مادون قرمز با یک آشکارساز گرفته شد که آسمان را هر بار یک پیکسل اسکن می‌کرد. ‘ پایان نامه دکتری من تماماً در مورد اولین دوربینی بود که می‌توانست تصاویر مادون قرمز 2 بعدی بگیرد. ما 58 برابر 62 پیکسل داشتیم و این 4000 برابر بیشتر از بقیه بود، زیرا آنها فقط یک پیکسل داشتند.’

مک‌کاگرین بعداً به ایالات متحده نقل مکان کرد تا بر روی دوربین مادون قرمز نزدیک و طیف‌سنج چند شیء (NICMOS)، اولین آشکارساز فروسرخ نصب شده بر روی تلسکوپ فضایی هابل در طول دومین مأموریت خدماتی آن در سال 1997 کار کند. NICMOS، متشکل از سه آشکارساز فروسرخ، که هر کدام از آنها دارای 256 در 256 پیکسل بود، اولین در را برای هابل به جهان فروسرخ باز کرد.

تلسکوپ فضایی جیمز وب ناسا (JWST) در فاصله 1 میلیون مایلی (1.5 میلیون کیلومتری) از زمین به دور خورشید خواهد چرخید. (اعتبار تصویر: ESA)

 

این فناوری از سالهای اولیه هابل پیشرفت زیادی داشته است، و پروژه تلسکوپ فضایی جیمز وب آن را بیشتر در این مسیر پیش برده است.

 

مک‌کاگرین گفت: آشکارسازهای JWST دارای ابعاد 2000 در 2000 پیکسل هستند و ما تعداد زیادی از آنها را داریم. ما تعداد پیکسل‌های مادون قرمز بسیار بیشتری [در JWST] نسبت به پیکسل‌های نوری هابل در زمان راه‌اندازی آن داریم.

بنابراین، دقیقاً تمام آن پیکسل‌ها (در ترکیب با تمام جنبه‌های دیگر مأموریت که آن را بسیار شگفت‌انگیز می‌کنند) تلسکوپ فضایی جیمز وب را قادر می‌سازد تا ماموریت خود انجام دهد؟

آینه غول پیکر تلسکوپ فضایی جیمز وب، نور ستارگان و کهکشان‌ها را به چهار ابزار پیشرفته می‌دهد که نه تنها برای گرفتن عکس، بلکه برای تجزیه و تحلیل ترکیب شیمیایی جهان دور و نزدیک طراحی شده‌اند. این کار با تکنیکی به نام طیف‌سنجی انجام می‌شود که به چگونگی جذب نور ماده در جهان می‌پردازد. از آنجایی که عناصر شیمیایی مختلف نور را در طول موج‌های مختلف جذب می‌کنند، ستاره‌شناسان قادر خواهند بود ستارگان، سحابی‌ها، کهکشان‌ها و سیارات موجود در دید تلسکوپ فضایی جیمز وب را بازسازی کنند.

رندی کیمبل، دانشمند پروژه JWST برای یکپارچه‌سازی، آزمایش و راه‌اندازی در مرکز پرواز فضایی گودارد ناسا در گرین‌بلت، مریلندگفت: «ابزار تلسکوپ فضایی جیمز وب 10 تا 100 برابر بهتر از هر چیزی است که قبلاً در دسترس بوده است. در برخی از آن طول‌موج‌های فروسرخ متوسط، احتمالاً مزیت 1000 برای برخی از انواع مشاهدات وجود دارد.

این بهبودها در وضوح تصویربرداری مادون قرمز برای تصویربرداری از دورترین نقاط جهان حیاتی است. کیمبل که قبلاً روی ابزارهای تلسکوپ فضایی هابل کار کرده است، اضافه کرد: جایی که تلسکوپ فضایی هابل یا تلسکوپ فروسرخ اسپیتزر که اخیراً بازنشسته شده است، می‌تواند تنها یک تخمین تقریبی از سن و ترکیب شیمیایی یک کهکشان باستانی ارائه دهد، وب با دقت آن را ارائه خواهد کرد.

 

تلسکوپ فروسرخ قبلی ناسا، اسپیتزر، بسیار کوچکتر بود و بنابراین حساسیت کمتری داشت. (اعتبار تصویر: NASA/JPL Caltech)

 

گره‌گشایی تشکیل ستاره و کهکشان اولیه

دوربین میدان گسترده 3، پیشرفته‌ترین ابزار هابل در آخرین ماموریت سرویس در سال 2009 نصب شد. این دوربین میدان عریض 3 بود که برخی از بهترین نماها را به جهان اولیه باز کرد. کیمبل گفت که وب اکنون در موقعیتی قرار گرفته است که از این میراث پیشی بگیرد.

 

کیمبل می‌گوید: «وقتی صحبت از این کهکشان‌های دور به میان می‌آید، دوربین میدان باز 3 کارش تمام می‌شود. ‘برخی از این ردیابی‌ها به نوعی مبهم می‌شوند. وب قادر خواهد بود چنین کاری را انجام دهد، تا دقیقاً بگوییم که ما این کهکشان خاص را 250 میلیون سال پس از انفجار بزرگ می‌بینیم.’

مک‌کاگرین می‌گوید هابل می‌تواند تا 13 بیلیون سال گذشته را ببیند و در حال حاضر کهکشان‌هایی را می‌بیند که در آن لحظه از تکامل خود ممکن است چندین نسل از ستاره‌ها را تشکیل داده باشند.

 

مک‌کاگرین می‌گوید: «اگر ما آن ماده را حدود 500 میلیون سال پس از انفجار بزرگ می‌بینیم، باید حتی زودتر توسط ستارگانی ساخته شده باشد که ما هنوز ندیده‌ایم.» ستاره‌های بزرگ به سرعت شکل می‌گیرند و می‌میرند، تنها در چند میلیون سال، بنابراین پس از 500 میلیون سال، ممکن است شما نسل‌های زیادی از ستارگان پرجرم داشته باشید.

جهان در صدها میلیون سال اول پس از انفجار بزرگ بسیار متفاوت به نظر می‌رسید. (اعتبار تصویر: تیم علمی ناسا/WMAP/هنر توسط دانا بری)

 

تکامل شیمیایی جهان

اولیویا جونز، دانشمند JWST در رصدخانه سلطنتی ادینبورگ، بیشتر به این موضوع علاقه مند است که وقتی این ستارگان اولیه می‌میرند، مواد خود را در محیط اطراف خود رها می‌کنند تا ستارگان جدیدی به دنیا بیایند. ستاره‌شناسان می‌دانند که کیهان اولیه ترکیب شیمیایی بسیار متفاوتی با آنچه داشت که امروز می‌بینیم. جونز گفت که فقط از هیدروژن، هلیوم و کمی لیتیوم تشکیل شده بود. تمام عناصر شیمیایی دیگری که اکنون می‌بینیم، از جمله آن‌هایی که حیات را ممکن می‌سازند، در طول اعصار در درون آن ستاره‌ها ایجاد شده‌اند.

جونز می‌گوید: «سنتز شیمیایی در کیهان حول ستاره‌های پرجرم هنگام انفجار یا ستارگان کم جرم در آخرین مراحل تکاملشان بوده است. فرایندهای شیمیایی آهسته زیادی وجود دارد که می‌تواند در جو آنها به دلیل دما و فشار اتفاق بیفتد و برای من جالب است که چگونه می‌توانیم از داشتن تنها سه عنصر شیمیایی به طیف گسترده‌ای از تنوعی برسیم که امروزه در اطراف خود می بینیم.’

 

طیف‌سنجی‌های روی تلسکوپ فضایی جیمز وب می‌توانند آشپزخانه‌های شیمیایی آن کهکشان‌های اولیه را بررسی کنند و ببینند چه چیزی در درون ستارگان منفرد تشکیل می‌شد و وقتی که در ابرنواخترهای قدرتمند منفجر شدند، کیهان وسیع‌تر را با چه چیزی بارور کردند.

جونز گفت: «طیف‌سنجی قدرت واقعی وب است. ما معمولاً این فرآیند را در مقیاس کهکشانی می‌بینیم، اما با وب، وضوح بالایی خواهیم داشت که قادر به مشاهده اجرام جداگانه خواهیم بود.

سحابی شکارچی منطقه ستاره‌زایی معروفی است. تلسکوپ فضایی جیمز وب قادر خواهد بود غبار را مستقیماً در قلب آن ببیند. (اعتبار تصویر:  NASA,ESA, M. Robberto (Space Telescope Science Institute/ESA) and the Hubble Space Telescope Orion Treasury Project Team))

 

نگاه کردن از میان گرد و غبار به قلب مناطق ستاره‌ساز

در حالی که تلسکوپ فضایی جیمز وب و تلسکوپ فضایی هابل به طور مکرر با هم مقایسه می‌شوند، تصاویر آنها کاملاً متفاوت خواهد بود و جنبه‌های مختلفی از جهان را نشان می‌دهد. در حالی که قدرت هابل در حال تصویربرداری از جهان مرئی است، ابرقدرت های فروسرخ وب به تلسکوپ این امکان را می‌دهد تا از طریق غبار مستقیماً به قلب سحابی‌ها، کهکشان‌ها و مناطق ستاره‌ساز چشم بگشاید که از دید هابل پنهان هستند.

مک کاگرین می‌گوید: «ما می‌دانیم که ستارگان در مکان‌هایی مانند سحابی شکارچی و دیگر سحابی‌های آسمان متولد می‌شوند. اما ما نتوانستیم آنها را در طیف نوری ببینیم زیرا نور توسط گرد و غبار جذب می‌شود.

رصدخانه های مادون قرمز قبلی، مانند تلسکوپ فضایی اسپیتزر ناسا، بسیار کوچکتر از وب بودند. بنابراین، آن‌ها نمی‌توانستند تا آنجایی که وب میبیند را ببینند و وقتی هم می‌دیدند، فقط به آن مناطق ستاره‌ساز با وضوح محدود نگاه کردند.

 

جونز می‌گوید: «پیش از این، زمانی که می‌توانستیم محل شکل‌گیری ستاره‌ها را ببینیم، چندین اجرام را می‌دیدیم که همگی در کنار هم قرار گرفته‌اند. وب قادر خواهد بود همه آنها را به صورت جداگانه از هم جدا کند.

در حالی که ستاره‌شناسان توانسته‌اند شکل‌گیری ستاره‌ها را در کهکشان خودمان، کهکشان راه شیری، نقشه برداری کنند، تلسکوپ فضایی جیمز وب مراکز تولد ستاره‌ها را در نقاط دورتر از کیهان رویت خواهد کرد.

جونز گفت: ‘ما کهکشان‌های دورتر و خشن‌تر را خواهیم دید، جایی که شرایط محیطی با آنچه در کهکشان راه شیری می‌بینیم بسیار متفاوت است.’ پیش از این، ما فقط می‌توانستیم ستارگانی با جرم حدود 8 برابر خورشید ببینیم، اما اکنون باید بتوانیم شکل‌گیری ستارگانی به بزرگی خورشید را ببینیم و این روند قبلاً هرگز مشاهده نشده بود.

تلسکوپ فضایی جیمز وب همچنین به برخی از اهداف نزدیکتر نگاه خواهد کرد: مانند دنباله‌دارها و سیارک‌هایی که کمربند کویپر را تشکیل می دهند. (اعتبار تصویر: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva)

 

بیرون منظومه شمسی !

اما همه چیز مربوط به مکان‌های دور نخواهد بود. دانشمندان علاقه‌مند به محله‌های محلی‌تر زمین نیز هستند که  با وب سرگرم خواهند شد.

 

مک کاگرین گفت: ‘با JWST، ما نمی‌توانیم به سمت داخل به سمت خورشید نگاه کنیم، اما می‌توانیم به بیرونش نگاه کنیم.’ ما می‌توانیم به سیاراتی مانند مریخ، مشتری، زحل، اورانوس و نپتون و همچنین به کمربند کویپر نگاه کنیم.

کمربند کویپر مخزنی از دنباله‌دارها، سیارک‌ها و دیگر چیز‌ها است که فضای بیرونی منظومه شمسی را تا فراتر از مدار نپتون احاطه کرده است. این یک منطقه تاریک و سرد است که کشف آن بسیار دشوار است، زیرا این اجسام نور بسیار کمی را منعکس می‌کنند.

مک کاگرین گفت: ‘JWST می‌تواند طیف سنجی خارق العاده‌ای را روی اجرام کمربند کویپر انجام دهد.’ این اجرام واقعا سرد هستند، نور زیادی را منعکس نمی‌کنند، بنابراین شما به یک تلسکوپ مادون قرمز بزرگ نیاز دارید.

 

سیاره‌های فراخورشیدی

درست مانند هابل، علم از زمان ایده‌پردازی تلسکوپ فضایی جیمز وب به جلو حرکت کرده است و نواحی جدیدی پدیدار شده‌اند که ممکن است در زمان اولین بار تصور دستگاه نوری پیش بینی نشده باشند. در سال 1995، دو سیاره اول کشف شد که به دور ستاره دیگری غیر از خورشید ما می‌چرخند. از آن زمان هزاران سیاره فراخورشیدی در اندازه‌ها و انواع مختلف شناسایی شده‌اند و  تسکوپ فضایی جیمز وب، به نظر می‌رسد که نه تنها به گونه‌ای قرار دارد که بسیاری موارد دیگر را کشف کند، بلکه جزئیات بسیار دقیق‌تری را در مورد ماهیت آنها نسبت به هر مأموریت قبلی به ما بگوید.

مک کاگرین می‌گوید: «این سیارات دارای جوهایی هستند که مولکول های مختلفی در آنها وجود دارد. چیزهایی مانند دی‌اکسید‌کربن، اکسیژن ونیتروژن. و برای نگاه کردن به این مولکول ها، این کار واقعا با طیف سنجی مادون قرمز بهترین کار است.

یکی از ابزارهای JWST، دوربین مادون قرمز نزدیک (NIRCAM) مجهز به ابزارهای اضافی به نام تاج‌نگار است که نور یک ستاره را مسدود می‌کند تا واضح‌تر ببیند که چه اتفاقی در اطراف آن می‌افتد. در واقع ممکن است شامل سیستم‌های بیگانه سیاراتی باشد که برخی از آنها ممکن است قابل سکونت باشند، با آب و جوی که می‌‌واند مانند زمین از حیات پشتیبانی کند.

کیمبل می‌گوید: سی سال پیش، هیچ کس تصور نمی کرد که بتوانیم ترکیب اتمسفر سیارات اطراف ستارگان دیگر را مطالعه کنیم. اکنون ما این کار را به طور معمول انجام می‌دهیم و وب این کار را بسیار بهتر انجام می‌دهد.

 

ناشناخته‌های بزرگ

تلسکوپ فضایی جیمز وب برای ایجاد انقلابی در نجوم ساخته شد. ده سال بعد، بسیاری از جدیدترین اکتشافات آن ممکن است از قلمروهایی باشد که امروزه هنوز کاملاً ناشناخته هستند.

کیمبل می‌گوید: «آنچه در مورد هابل و وب بسیار هیجان‌انگیز است این است که آنها رصدخانه‌های عمومی هستند. آنها اهداف علمی کلیدی خاصی داشتند، اما طیف وسیعی از قابلیت‌ها را دارند که به آنها امکان می‌دهد اکتشافاتی انجام دهند. اگر 10 رویداد برتر و عطف هابل را انجام دهید، نیمی از آنها چیزهایی بودند(که گفته شد). آن‌ها می‌دانستند که تلسکوپ را برای این کارها می‌سازند و نیمی از آنها چیزهایی هستند که مردم هیچ ایده‌ای درباره آن‌ها نداشتند، مانند انرژی تاریک و مطالعات سیارات فراخورشیدی. امیدوارم همین امر در مورد وب نیز صادق باشد.

 

ابزارهای تلسکوپ فضایی جیمز وب

دوربین مادون قرمز نزدیک (NIRCAM):

NIRCam برای دستیابی به هدف اصلی وب: تشخیص نور اولین ستاره‌ها و کهکشان‌ها بسیار مهم خواهد بود. این فقط یک دوربین مادون قرمز ساده نیست، بلکه به تعدادی ابزار اضافی به نام تاج‌نگاری مجهز شده است. تاج‌نگارها به اخترشناسان این امکان را می‌دهند تا نور یک ستاره را مسدود کنند و به آنچه نگاه کنند که در اطراف ستاره اتفاق می‌افتد که آن را برای کشف سیارات فراخورشیدی عالی می‌کند.

 

طیف نگار مادون قرمز نزدیک (NIRSpec):

NIRSpec ابزار اصلی برای شکستن شیمی کیهان است. نوری را که از جهان دور می‌آید به طیف‌هایی تقسیم می‌کند و ویژگی‌های اجرام مشاهده‌شده، از جمله دما، جرم و ترکیب شیمیایی آنها را آشکار می‌کند.

از آنجایی که برخی از این اجرام بسیار دور هستند و نوری که از آنها می‌آید بسیار ضعیف خواهد بود، تلسکوپ فضایی جیمز وب، با وجود آینه غول‌پیکرش، باید صدها ساعت به آنها خیره شود. برای کارآمدتر کردن این مشاهدات، NIRSPec  قادر خواهد بود 100 کهکشان دوردست را به طور همزمان رصد کند.

مک‌کاگرین می‌گوید: «این امر اساساً به شما امکان می‌دهد درهای کوچکی را باز کنید و نور یک کهکشان را از تلسکوپ خود عبور دهید، همزمان سپس می‌توانید تمام نور را از هر کهکشانی که خواستید مسدود کنید.» “اما شما می‌توانید 100 در را به طور همزمان باز کنید. بنابراین بسیار پیچیده است  که چنین چیزی هرگز در فضا به پرواز در نیامده و امتحان نشده است.”

 

ابزار مادون قرمز متوسط ​​(MIRI):

MIRI ترکیبی از یک دوربین و یک طیف‌نگار است، اما بر خلاف دو مورد قبلی، در طول‌موج‌های بلندتر قسمت فروسرخ میانی طیف الکترومغناطیسی مشاهده می‌کند که آن را به ابزاری برای همه افرادی تبدیل می‌کند که به دنبال مطالعه همه چیز از دنباله‌دارها و سیارکها هستند (سیارکها در حومه منظومه شمسی تا ستاره‌های تازه متولد شده و کهکشان‌های دور). تصاویر MIRI شبیه‌ترین تصاویری هستند که تلسکوپ فضایی هابل را به یک افسانه تبدیل کردند.

 

حسگر هدایت دقیق/تصویرگر مادون قرمز نزدیک و طیف‌نگار بدون شکاف (FGS/NIRISS):

FGS/NIRISS همچنین به شناسایی اولین نور، شناسایی سیارات فراخورشیدی و تجزیه و تحلیل شیمی آنها کمک خواهد کرد.

 

مترجم: مرتضی نادری فرد

منبع:

James Webb Space Telescope: The scientific mysteries no other observatory could unravel

By Tereza Pultarova 

https://www.space.com/james-webb-space-telescope-science-overview