همه چیز درباره تلسکوپ فضایی جیمز وب

«تلسکوپ فضایی جیمز وب» (James Webb Space Telescope) یا به اختصار JWST، بزرگ‌ترین و قدرتمندترین تلسکوپ فضایی تا به امروز است که از زمان راه‌اندازی نگاه بشر را نسبت به جهان، فراتر از آنچه که فکر می‌کنید، تغییر داده است. در این مطلب نگاهی جامع به ویژگی‌های این رصدخانه‌ی ارزشمند فضایی خواهیم داشت.

رصدخانه‌ی فضایی فروسرخ 10 میلیارد دلاری ناسا، اکنون چند سال است که به کاوش کیهان می‌پردازد تا تاریخچه‌ی آن را از لحظات پس از مه‌بانگ (بیگ بنگ) گرفته تا شکل‌گیری سیارات فراخورشیدی و ناشناخته‌های فراتر از آن، کشف کند. این تلسکوپ یکی از مجموعه رصدخانه‌های بزرگ ناسا مانند تلسکوپ فضایی هابل است که به ژرفای کیهان نگاه می‌کنند.

ساعت 7:20 منطقه‌ی زمانی شرقی (15:50 به وقت تهران) روز 25 دسامبر 2021 (4 دی 1400) یعنی درست کریسمس 2021 بود که جیمز وب از سایت پرتاب کورو «آژانس فضایی اروپا» (ESA) در گویان فرانسه و سوار بر موشک آریان 5 راهی فضا شد. 30 روز طول کشید تا این تلسکوپ، حدود 1.5 میلیون کیلومتر (1 میلیون مایل) را بپیماید و به مدار دائمی خود یعنی نقطه‌ی لاگرانژی 2 زمین-خورشید که یک مکان پایدار از نظر گرانشی در فضاست، برسد. سرانجام در 24 ژانویه 2022 (4 بهمن 1400) این سفر کامل شد.

طرحی گرافیکی از تلسکوپ جیمز وب در مدار و سوژه‌های رصدی آن
Credit: ESA

نقطه‌ی لاگرانژی 2 (L2) نقطه‌ای در فضا و نزدیک به زمین است که در مقابل خورشید قرار دارد. چنین مداری به تلسکوپ امکان می‌دهد که هنگام گردش به دور خورشید با زمین در یک راستا بماند. این نقطه همچنین یک موقعیت محبوب برای چندین تلسکوپ فضایی دیگر، از جمله تلسکوپ فضایی هرشل و رصدخانه‌ی فضایی پلانک بوده است.

هدف ناسا از برنامه‌ی علمی تلسکوپ فضایی جیمز وب، تمرکز بر چهار حوزه‌ی اصلی است که شامل بررسی نخستین نور در کیهان، تجمع کهکشان‌ها در کیهان اولیه، تولد ستارگان و منظومه‌های پیش‌سیاره‌ای و همچنین سیارات فراخورشیدی از جمله منشاء حیات می‌شود و در حالی که این رصدخانه به فعالیت علمی مشغول است، تلسکوپ فضایی هابل هم فازهای تازه‌ی مأموریت خود را پیش می‌برد و عکس‌های شگفت‌انگیز از اجرام آسمانی ثبت می‌کند. خوشبختانه این تلسکوپ هم از سلامت خوبی برخوردار است و بدین ترتیب هر دو تلسکوپ تا چندین سال با هم کار خواهند کرد. جیمز وب همچنین سیارات فراخورشیدی را که قبلا توسط «تلسکوپ فضایی کپلر» (Kepler Space Telescope) شناسایی شده بود، بررسی خواهد کرد و رصدهای تلسکوپ‌های فضایی زمین را پی خواهد گرفت.

جیمز وب نتیجه‌ی تلاش و همکاری بین‌المللی چشمگیر ناسا با آژانس فضایی اروپا (ESA) و آژانس فضایی کانادا و شماری از کشورهای دیگر است و به گفته‌ی این سازمان، بیش از 300 دانشگاه، سازمان و شرکت از 29 ایالت آمریکا و 14 کشور در ساخت، راه‌اندازی و بهره‌برداری آن مشارکت داشته‌اند. اما این تلسکوپ واقعا چیست؟

جیمز وب چیست؟

همان‌طور که ناسا بیان می‌کند، «تلسکوپ فضایی جیمز وب» (James Webb Space Telescope) بزرگ‌ترین، قوی‌ترین و پیچیده‌ترین تلسکوپی است که تا کنون به فضا پرتاب شده است. این تلسکوپ هرچند مشابه بسیاری از تلسکوپ‌های اپتیکی، از نوع بازتابی است اما تفاوت‌هایی اساسی با آن‌ها دارد. یک آینه‌ی اصلی بزرگ به قطر 6.5 متر که از 18 قطعه‌ی جداگانه تشکیل شده است، اپتیک اصلی وب را که یک سیستم آینه‌ای کوژ (مقعر) است، تشکیل می‌دهد.

برخلاف تلسکوپ‌های شکستی که از عدسی برای جمع‌آوری نور استفاده می‌کنند، تلسکوپ‌های بازتابی مانند جیمز وب دارای آینه‌ی اولیه و ثانویه هستند که نور را به سمت آشکارسازهای علمی هدایت می‌کنند. این بار اما جیمز وب از این چیدمان برای رصد طیف فروسرخ استفاده می‌کند و این طراحی به جیمز وب اجازه می‌دهد تا پرتوهای فروسرخ را با دقت بالا جمع‌آوری کند.

تکمیل آینه‌ی تلسکوپ فضایی جیمز وب
Credit: NASA/Desiree Stover

تاریخچه‌ی طراحی و توسعه‌ی این تلسکوپ حتی به پیش از پرتاب هابل بازمی‌گردد. ساخت جیمز وب 30 سال طول کشیده است اما تنها در مدت کوتاه آغاز به کار، دیدگاه ما را نسبت به کیهان متحول کرده است. این ابزار علمی، منظومه‌ی شمسی خودمان را کاوش کرده، جو سیارات دوردست را در جستجوی نشانه‌هایی از حیات مطالعه کرده و دورترین اعماق جهان ما را برای یافتن اولین ستاره‌ها و کهکشان‌ها بررسی کرده است. جیمز وب می‌تواند به اعماق کیهان بنگرد و کهکشان‌های نخستین را که میلیاردها سال پیش شکل گرفته‌اند، رصد کند. همچنین امکان مطالعه‌ی جو سیارات فراخورشیدی را فراهم و به کشف نشانه‌هایی از حیات در سایر نقاط کیهان کمک می‌کند.

می‌توان گفت که تلسکوپ فضایی جیمز وب به دلیل قدرت و دقت بی‌نظیرش، انقلابی در نجوم و شناخت ما از کیهان ایجاد کرده است.

ساخت تلسکوپ جیمز وب

بحث‌ها درباره‌ی ساخت یک تلسکوپ دنباله‌رو برای تلسکوپ فضایی هابل، در دهه‌ی 1980 میلادی آغاز شد اما شروع برنامه‌ریزی جدی برای ساخت آن در اوایل دهه‌ی 1990 میلادی بود. پس از پرتاب هابل در سال 1990 و با وجود موفقیت‌های چشمگیرش، دانشمندان متوجه محدودیت‌های آن در مشاهده‌ی اجرام دوردست شدند. عملیات تصحیح اپتیک معیوب تلسکوپ فضایی هابل نیز در سال‌های ابتدایی فعالیت آن، نقش مهمی در تولد وب داشت. با توجه به اینکه که نور کهکشان‌های اولیه به دلیل انتقال به سرخ، بیشتر در محدوده‌ی طیف فروسرخ قرار دارد، نیاز به یک تلسکوپ جدید بود که بتواند این امواج را رصد کند.

بدین ترتیب در اوایل دهه‌ی 1990 ناسا ایده‌ی ساخت یک تلسکوپ فروسرخ بزرگ‌تر و قدرتمندتر را مطرح کرد. طرح مفهومی تلسکوپ Hi-Z بین سال‌های 1989 و 1994 میلادی توسعه پیدا کرد که شامل یک تلسکوپ فروسرخ با دیافراگم کامل 4 متری و با هدف قرارگیری در مداری با فاصله‌ی 3 واحد نجومی بود. این پروژه اما بعدها دستخوش تغییرات بیشتری شد.

در ادامه و اواسط دهه‌ی 1990 بود که مفهوم «تلسکوپ فضایی نسل بعدی» (Next Generation Space Telescope) یا NGST مطرح شد. این تلسکوپ با دیافراگم 8 متری برای پرواز به نقطه‌ی لاگرانژی 2 برنامه‌ریزی و هزینه‌ی آن تقریبا 500 میلیون دلار برآورد شد. در سال 1997، ناسا با مرکز پرواز فضایی گادرد، بال ایرواسپیس تکنولوژی و TRW برای انجام مطالعات فنی و هزینه‌های سه طرح مفهومی مختلف همکاری کرد و در سال 1999، لاکهید مارتین و TRW را برای مطالعات مفهومی اولیه انتخاب کرد. پرتاب این تلسکوپ در آن زمان برای سال 2007 برنامه‌ریزی شده بود اما تاریخ پرتاب بارها به تعویق افتاد.

طراح‌های پیشنهادی اوله برای تلسکوپ نسل بعدی
Credit: NASA

سال 2002 میلادی، نام پروژه به نام دومین مدیر ناسا «جیمز ای. وب» (James E. Webb) تغییر کرد. وب این آژانس فضایی را در طول «برنامه آپولو» (Apollo Program) هدایت و تحقیقات علمی را به عنوان فعالیت اصلی ناسا پایه‌گذاری کرده بود. در سال 2003 ناسا قراردادی 824.8 میلیون دلاری با TRW (که همان سال توسط نورثروپ گرامن خریداری شد) امضا کرد که بر مبنای آن تلسکوپ باید با قطر آینه‌ی 6.1 متری برای پرتاب در سال 2010 آماده می‌شد.

مدیریت طرح توسعه‌ی این تلسکوپ جدید، بر عهده‌ی «مرکز پرواز فضایی گادرد» (Goddard Space Flight Center) ناسا در گرین‌بلت مریلند قرار گرفت و «نورثروپ گرامن» (Northrop Grumman) مسؤولیت توسعه و ساخت فضاپیما را بر عهده داشت. نیاز به افزایش بودجه اما در سال 2005 مشخص به برنامه‌ریزی دوباره برای این پروژه انجامید و باعث تعویق پرتاب تا سال 2011 شد. علاوه بر این، نتایج فنی اولیه برای این برنامه‌ریزی مجدد هم باعث تغییرات قابل توجهی در طرح‌های ادغام و آزمایش تلسکوپ شد که پرتاب تلسکوپ را 22 ماه دیگر به تأخیر انداخت و از 2011 تا 2013 موکول کرد، اما سایر ویژگی‌های اصلی تلسکوپ بدون تغییر ماند.

آژانس فضایی اروپا در سال 2004 با کمک مالی به پروژه و اجرای تمهیدات پرتاب آن موافقت کرد. آژانس فضایی کانادا هم کمک مالی به پروژه را متعهد شد و تجهیزاتی هم برای بخشی از وظایف تلسکوپ ارائه کرد. در مارس 2008، پروژه با موفقیت بررسی طراحی اولیه‌ی خود را به پایان رساند. سایر بررسی‌های به تصویب رسیده هم شامل بررسی ماژول ابزار علمی یکپارچه، بررسی عنصر تلسکوپ نوری و بررسی سایه‌بان خورشیدی بود که تا سال 2010 تکمیل شدند.

در این سال همچنین تلسکوپ جیمز وب، بخش فنی بررسی طراحی بحرانی مأموریت (MCDR) را پشت سر گذاشت که نشان می‌داد این رصدخانه‌ی فضایی می‌تواند تمام الزامات علمی و مهندسی مأموریت را برآورده کند. در ماه‌های بعدی و طی فرآیند بررسی جامع مستقل، برنامه‌ی جیمز وب دوباره بازبینی شد و برنامه‌ریزی مجدد مأموریت با هدف پرتاب در سال 2015 یا نهایتا تا سال 2018 انجام گرفت.

تا سال 2011، پروژه‌ی وب در مرحله طراحی و ساخت نهایی (فاز C) قرار گرفت. مونتاژ بخش‌های شش‌ضلعی آینه‌ی اصلی، که توسط بازوی رباتیک انجام شد، در نوامبر 2015 آغاز شد و در فوریه 2016 به پایان رسید. آینه‌ی ثانویه در 3 مارس 2016 نصب شد و در ادامه ساخت نهایی تلسکوپ در نوامبر 2016 تکمیل شد تا مراحل آزمایش گسترده‌ی آن آغاز شود.

مهندسان لاکهید مارتین مشغول کار روی ابزار فروسرخ نزدیک جیمز وب
Credit: NASA, Chris Gunn

در مارس 2018، به دنبال پاره شدن سایه‌بان خورشیدی هنگام آزمایش و محکم نشدن کابل‌های آن، ناسا پرتاب وب را دو سال دیگر تا ماه می 2020 به تعویق انداخت اما در ادامه و پس از ارزیابی هیئت بازبینی مستقل، مجددا برنامه 10 ماه دیگر و با هدف‌گذاری پرتاب در مارس 2021 به تعویق افتاد. این بازبینی مشخص کرد که پرتاب و استقرار جیمز وب دارای 344 شکست بالقوه‌ی تک نقطه‌ای است که در صورت ناموفق بودن هیچ جایگزین دیگری برای بازیابی نیست و بنابراین ناگزیر به موفقیت هستند.

در نهایت در آگوست 2019، ادغام مکانیکی تلسکوپ به پایان رسید و پس از آن، آزمایش‌های نهایی در پارک فضایی تاریخی نورتروپ گرامن پیش رفت. کشتی حامل تلسکوپ با عبور از کانال پاناما در 12 اکتبر 2021 به گویان فرانسه، یعنی محل پرتاب رسید تا سرانجام 23 دسامبر 2021 (2 دی 1400) استقرار آن روی سکوی پرتاب کامل شود. بدین ترتیب در نهایت در کریسمس 2021 و در روز 25 دسامبر 2021 (4 دی 1400) تلسکوپ فضایی جیمز وب سفر فضایی تاریخ‌سازش را آغاز کرد تا طی یک ماه به نقطه‌ی لاگرانژی 2 برسد و در نهایت عملیات علمی خود را آغاز کند.

تاریخچه زمانی تلسکوپ جیمز وب

1989

مؤسسه‌ی علمی تلسکوپ فضایی (STScI) و ناسا به طور مشترک میزبان کارگاه تلسکوپ فضایی نسل بعدی در STScI بودند. تمرکز این کارگاه، بر توانایی‌های علمی و فنی رصدخانه‌ای بود که پس از راه‌اندازی تخمینی در سال 2005 می‌توانست یافته‌های تلسکوپ فضایی هابل را دنبال کند.

1995-1996

یک کمیته از مؤسسه‌ی علمی تلسکوپ فضایی، یک تلسکوپ بسیار بزرگ‌تر را پیشنهاد کرد که قادر به مشاهده‌ی نور فروسرخ باشد. ناسا، این مؤسسه و مرکز پرواز فضایی گادرد را برای مطالعه‌ی امکان‌سنجی تلسکوپ فضایی نسل بعدی انتخاب کرد و در  نهایت سه تیم مستقل دولتی و خصوصی در هوافضا تشخیص می‌دهند که ساخت چنین رصدخانه‌ای امکان‌پذیر است.

1997

ناسا تیم‌هایی را از مرکز پرواز فضایی گادرد، TRW و بال ایرواسپیس انتخاب کرد تا نیازهای فنی و مالی تلسکوپ را برآورد کنند.

1999

لاکهید مارتین، بال ایرواسپیس و TRW (همچنین با همکاری کداک و ATK) مطالعات فاز A مأموریت را انجام دادند که شامل تجزیه و تحلیل اولیه‌ی طراحی و هزینه می‌شود.

2002

بر اساس دو مطالعه‌ی فاز A، ناسا طراحی TRW و بال ایرواسپیس را برای ادامه در مطالعات طراحی دقیق یعنی فاز B، برای بررسی عملکرد و هزینه‌ی طرح انتخابی، انتخاب کرد. این تلسکوپ از «تلسکوپ فضایی نسل بعدی» به «تلسکوپ فضایی جیمز وب» تغییر نام داد. در فاز B، قرارداد رصدخانه به TRW و بال ایرواسپیس تعلق گرفت، اما با خریداری TRW توسط نورتروپ گرامن، همکاری با بال ایرواسپیس برای توسعه‌ی رصدخانه در فازهای B و C و D ادامه یافت. ناسا همچنین گروه کاری علوم پرواز و تیم مسؤول توسعه‌ی دوربین فروسرخ نزدیک (NIRCam) را انتخاب کزد.

2004

ساخت و ساز روی قطعات خاصی از تلسکوپ به ویژه ابزارهای علمی وب و 18 بخش از آینه‌ی اصلی، آغاز شد که به کار طولانی و گسترده نیاز داشتند.

2005

ناسا استفاده از موشک آریان 5 آژانس فضایی اروپا را برای پرتاب وب به فضا تأیید کرد.

2006

تیم‌های ابزار علمی دوربین فروسرخ نزدیک (NIRCam) و ابزار فروسرخ میانی (MIRI) بررسی‌های کلیدی طراحی را انجام داده و ساخت ابزارهای پرواز را آغاز کردند. در این سال همچنین تمام فناوری‌های ضروری وب در شرایط پرواز با موفقیت آزمایش شدند.

2007-2008

ناسا مأموریت جیمز وب را توسط گروه‌های داخلی و خارجی بررسی کرد. بررسی اولیه‌ی طراحی داخلی و بررسی مستقل خارجی به این نتیجه رسیدند که طرح‌ها به بلوغ لازم برای آغاز فازهای C و D که مستلزم طراحی دقیق، تهیه، آزمایش و مونتاژ اجزای تلسکوپ و رصدخانه است، رسیده‌اند. بدین ترتیب ساخت تلسکوپ به طور جدی آغاز شد.

2009

ساختار ماژول ابزار علمی یکپارچه (ISIM) که برای تعبیه‌ی چهار ابزار علمی وب ساخته شده است، برای آزمایش به مرکز پرواز فضایی گادرد رسید.

2010

جیمز وب بررسی طراحی کلیدی مأموریت را پشت سر گذاشت که نشان می‌داد رصدخانه‌ی یکپارچه، تمام الزامات علمی و مهندسی را برای مأموریت برآورده می‌کند.

2011

آینه‌های وب تکمیل شد. این آینه‌ها از جنس بریلیوم که در لایه‌ی نازکی از طلا پوشیده شده‌اند، آزمایش‌های برودتی را برای بررسی مقاومت در برابر دماهای بسیار پایین اعماق فضا، پشت سر گذاشتند.

2012

مرکز پرواز فضایی گادرد همچنین دو ابزار از چهار ابزار علمی وب، یعنی ابزار فروسرخ میانی (MIRI) و تصویرگر فروسرخ نزدیک و طیف‌نگار بدون شکاف (NIRISS) و همچنین حسگر هدایت دقیق جیمز وب را از آژانس‌های فضایی اروپا و کانادا دریافت کرد. آینه‌ی ثانویه‌ی تلسکوپ و سه بخش آینه‌ی اصلی نیز از شرکت بال ایرواسپیس به مرکز پرواز فضایی گادرد رسیدند.

نورثروپ گرامن و شریک آن ATK ساخت بخش مرکزی سازه‌ی صفحه‌ی پشتی وب را که برای نگه داشتن بخش های آینه‌ی اصلی تلسکوپ طراحی شده‌اند، به پایان رساندند.

2013

دو بال کناری سازه‌ی صفحه پشتی وب توسط نورثروپ گرامن و ATK تکمیل شدند. دو ابزار علمی نهایی وب، دوربین فروسرخ نزدیک (NIRCam) و طیف‌نگار فروسرخ نزدیک (NIRSpec) و همچنین بخش‌های باقی‌مانده‌ی آینه‌ی اصلی، به مرکز پرواز فضایی گادرد تحویل داده شدند.

2014

ساخت قطعات فضاپیما مانند مخازن سوخت، ژیروسکوپ و پنل‌های خورشیدی آغاز شد. آزمایش برودتی ماژول ابزار علمی یکپارچه (ISIM)، شامل هر چهار ابزار، برای نشان دادن عملکرد مطلوب ابزارها و همچنین الکترونیک مورد استفاده برای برقراری ارتباط با ابزار، آغاز شد.

2015-2016

آزمایش برودتی ماژول ابزار علمی یکپارچه (ISIM) تکمیل شد. 18 بخش آینه‌ی اصلی همراه با آینه‌ی ثانویه و پایه‌های پشتیبانی در صفحه‌ی پشتی نصب شدند. آینه‌های اصلی و ثانویه با آینه‌های عقب و ISIM ادغام شدند تا واحدی را ایجاد کنند که تحت عنوان عنصر تلسکوپ نوری (OTE) شناخته می‌شود.

2017

عنصر تلسکوپ نوری در مرکز فضایی جانسون با موفقیت تحت آزمایش برودتی در یک محفظه خلاء حرارتی غول‌پیکر به نام اتاق A قرار گرفت.

2018

پس از پایان موفقیت‌آمیز آزمایش نهایی خلاء حرارتی، عنصر تلسکوپ نوری به نورثروپ گرامن در ساحل ردوندو، کالیفرنیا تحویل داده شد و بدین ترتیب تمام اجزای پرواز جیمز وب زیر یک سقف قرار گرفت.

نخستین آزمایش‌های ارتباطی موفق از مرکز عملیات مأموریت در STScI با فضاپیمای تلسکوپ، روی زمین در کالیفرنیا، انجام شد.

2019

برای نخستین بار، عنصر فضاپیمای وب شامل آفتابگیر و حامل، با موفقیت آزمایش‌های آکوستیک، ارتعاش و خلاء حرارتی را پشت سر گذاشتند که شرایط سخت محیط پرتاب و همچنین خلاء شدید فضا را شبیه‌سازی می‌کند. مهندسان همچنین با موفقیت دو نیمه‌ی تلسکوپ وب شامل عنصر تلسکوپ نوری و فضاپیما را در نورتروپ گرامن به هم متصل کردند.

2020

وب برای نخستین بار به طور کامل تا شد و آزمایش‌های محیطی نهایی را تکمیل کرد تا ثابت کند که می‌تواند در برابر لرزش و تکان‌های شرایط پرتاب مقاومت کند. آفتاب‌گیر وب هم برای آخرین بار روی زمین روند استقرار را طی کرد.

2021

جیمز وب تا شده و برای آخرین بار به منظور آماده‌سازی پرتاب، انبار شد. مؤسسه‌ی علمی تلسکوپ فضایی انتخاب برنامه‌های رصد عمومی چرخه‌ی 1 را که جیمز وب باید در نخستین سال حضورش در فضا انجام می‌داد، اعلام کرد. در نهایت وب برای پرتاب به مرکز فضایی گویان فرستاده شد.

25 دسامبر 2021

جیمز وب در ساعت 7:20 صبح منطقه‌ی زمانی شرقی با موشک آریان 5 از مرکز فضایی گویان فرانسه در آمریکای جنوبی پرتاب شد. تیم‌های زمینی حدود 5 دقیقه پس از پرتاب، شروع به دریافت داده‌های تله‌متری از این فضاپیما کردند. موشک مطابق انتظار عمل کرد و 27 دقیقه پس از پرواز، رصدخانه را در مسیر خود تزریق کرد.

حدود 30 دقیقه پس از پرتاب، آرایه‌ی خورشیدی منحصربه‌فرد تلسکوپ وب باز شد و مدیران مأموریت تأیید کردند که انرژی را به خوبی به مجموعه‌ی رصدخانه رساند

12 جولای 2022

در شامگاه 11 جولای 2022، جو بایدن، رئیس جمهور آن دوران آمریکا از نخستین تصویر تمام رنگی تلسکوپ فضایی جیمز وب پرده‌برداری کرد. نمای فروسرخ نزدیک از خوشه‌ی کهکشانی SMACS 0723 ژرف‌ترین و واضح‌ترین تصویری بود که از جهان‌های دوردست گرفته می‌شد. چند ساعت بعد، تصاویر تمام‌رنگی و داده‌های طیف‌سنجی برای چهار هدف دیگر هم منتشر شد و هر کدام ویژگی‌های کیهانی را نشان می‌داد که پیش از این هرگز با چنین جزئیاتی ثبت نشده بود.

این اولین مشاهدات، توانایی تلسکوپ را در نمایش جزئیات دقیق تاریخ کیهانی به نمایش گذاشت و طیف وسیعی از قابلیت‌های همه‌ی دوربین‌ها و طیف‌نگارهای پیشرفته‌ی وب را نشان داد. انتشار نخستین تصاویر و طیف‌سنجی‌های وب همچنین عملیات علمی وب را آغاز کرد و ستاره‌شناسان سراسر جهان شروع به مطالعه‌ی بسیاری از اجرام مختلف، از سیارات نزدیک گرفته تا کهکشان‌های دوردست در اوایل کیهان کردند.

طرحی گرافیکی از تزریق جیمز وب در مسیر نقطه‌ی L2 توسط موشک آریان 5
Credit: ESA

مشخصات فنی و طراحی تلسکوپ جیمز وب

تلسکوپ فضایی جیمز وب جرمی تقریبا نصف هابل دارد. این تلسکوپ مدرن از یک آینه‌ی اصلی از جنس بریلیوم با روکش طلا با قطر 6.5 متر (21 فوت) بهره می‌برد که شامل 18 آینه‌ی شش ضلعی مجزا می‌شود و مساحت آن به 26.3 متر مربع (283 فوت مربع) می‌رسد. هرچند به دلیل وجود پایه‌های آینه‌ی ثانویه، مساحت مفید جمع‌آوری نور 25.4 متر مربع (273 فوت مربع) است که باز هم بیش از 6 برابر گسترده‌تر از سطح جمع‌آوری نور آینه‌ی هابل با سطح 4 متر مربع است. پوشش طلایی آینه‌ی اصلی وب برای ارائه‌ی بازتاب فروسرخ است و برای دوام با یک لایه‌ی نازک شیشه‌ای پوشیده شده است.

همان‌طور که اشاره شد، جیمز وب اساسا برای نجوم فروسرخ طراحی شده است اما در عین حال می‌تواند نور مرئی نارنجی و قرمز و همچنین ناحیه‌ی فروسرخ میانی را، بسته به ابزاری که استفاده می‌کند، ببیند. بدین ترتیب قابلیت تشخیص اجرامی تا 100 برابر کم‌نورتر از تلسکوپ هابل را دارد و همچنین قابلیت شناسایی اجرام خیلی اولیه را تا سرخ‌گرایی z≈20 دارد. طراحی جیمز وب به چند دلیل بر طیف فروسرخ تأکید نزدیک به متوسط ​​تأکید دارد.

• اجرام با جابه‌جایی به سرخ بالا، یعنی اجرام بسیار اولیه و دور، دارای انتشارات مرئی به فروسرخ هستند و بنابراین نور آن‌ها را می‌توان تنها از طریق نجوم فروسرخ مشاهده کرد.
• نور فروسرخ راحت‌تر از نور مرئی از میان ابرهای غبار می‌گذرد.
• اجرام سردتر مانند دیسک‌های باقی‌مانده و سیاره‌ها، به شدت در طیف فروسرخ گسیل می‌کنند.
• مطالعه‌ی این باندهای فروسرخ از روی زمین یا با تلسکوپ‌های فضایی پیشین مانند هابل، دشوار است.

جیمز وب همچنین می‌تواند اجرام منظومه‌ی شمسی را که زاویه‌ی بیش از 85 درجه از خورشید دارند و سرعت حرکت زاویه‌ای ظاهری آن‌ها کمتر از 0.03 ثانیه‌ی قوسی بر ثانیه است، مشاهده کند. ضمن اینکه حساسیت کافی در فروسرخ نزدیک و فروسرخ میانی را دارد تا بتواند تقریبا تمام اجرام شناخته شده‌ی کمربند کوییپر را مشاهده کند. علاوه بر این، می‌تواند اهداف برنامه‌ریزی نشده مانند انفجارهای ابرنواختری و پرتو گاما را ظرف 48 ساعت پس از تصمیم برای این کار، رصد کند.

بخش‌های اصلی جیمز وب

رصدخانه، بخش فضایی مجموعه‌ی تلسکوپ جیمز وب است. این تلسکوپ از عنصر تلسکوپ نوری (OTE)، ماژول ابزار علمی یکپارچه (ISIM)، سپر خورشیدی (سایه‌بان) و حامل فضایی تشکیل شده است.

قسمت‌های تلسکوپ جیمز وب
Credit: NASA

عنصر تلسکوپ نوری (OTE)

OTE چشم رصدخانه محسوب می‌شود که از آینه‌ها و صفحه‌پشتی تشکیل شده است. OTE نور رسیده از فضا را جمع‌آوری می‌کند و آن را در اختیار ابزارهای علمی واقع در ISIM قرار می‌دهد. صفحه‌ی پشتی در حقیقت مانند «ستون فقرات» جیمز وب است و باعث پایدار ماندن آینه‌ها در محل تنظیم شده می‌شود.

ماژول ابزار علمی یکپارچه

«ماژول ابزار علمی یکپارچه» (Integrated Science Instrument Module) یا به اختصار ISIM شامل دوربین‌ها و ابزار جیمز وب است که چهار ابزار علمی اصلی و زیرسیستم‌های متعدد را در یک مجموعه ادغام می‌کند.

سایه‌بان

سایه‌بان یا آفتاب‌گیر، رصدخانه را به صورت یک سمت گرم رو به خورشید (حامل فضاپیما) و یک سمت سرد ضد آفتاب (OTE و ISIM) جدا می‌کند. این آفتاب‌گیر گرمای خورشید، زمین و وسایل الکترونیکی فضاپیما را از OTE و ISIM دور نگه می‌دارد تا این قطعات رصدخانه بتوانند بسیار سرد بمانند چون دمای عملیاتی باید زیر 50 کلوین (370- درجه‌ی فارنهایت) باشد.

حامل فضاپیما

حامل فضاپیما عملکردهای پشتیبانی را برای عملیات رصدخانه فراهم می‌کند. این حامل شش زیرسیستم اصلی مورد نیاز برای راه‌اندازی فضاپیما را در خود جای داده است که شامل زیرسیستم قدرت الکتریکی، زیرسیستم کنترل نگرش، زیرسیستم ارتباطات، زیرسیستم فرمان و مدیریت داده، زیرسیستم پیشرانه و زیرسیستم کنترل حرارتی می‌شوند.

علاوه بر این بخش‌های اصلی، زیرسیستم‌ها و اجزای اصلی وب. رصدخانه‌ی جیمز وب شامل این موارد است.

• عنصر تلسکوپ نوری (OTE)
  • آینه‌ها
  • صفحه‌ی پشتی
• ماژول ابزار علمی یکپارچه (ISIM)
  • ابزار مادون قرمز میانی (MIRI)
  • طیف نگار مادون قرمز نزدیک (NIRSpec)
  • دوربین مادون قرمز نزدیک (NIRCam)
  • حسگر هدایت دقیق/ تصویرگر مادون قرمز نزدیک و طیف‌نگار بدون شکاف (FGS-NIRISS)
• آفتابگیر
• حامل فضاپیما
• عناصر دیگر عبارتند از
  • فلپ مومنتوم فشار خورشید را بر روی محافظ خورشید متعادل می‌کند، مانند یک فلپ تریم در قایقرانی. در مدار قابل تنظیم نیست، اما زمانی که روی زمین است، قابل تنظیم است.
  • آنتن اشاره گر به زمین داده های علمی را به زمین ارسال می کند و دستورات را از شبکه فضایی عمیق ناسا دریافت می کند.
  • آرایه خورشیدی همیشه رو به خورشید است تا نور خورشید را به برق تبدیل کند تا رصدخانه را تامین کند.
  • ردیاب های ستاره تلسکوپ های کوچکی هستند که از الگوهای ستاره ای برای هدف قرار دادن رصدخانه استفاده می کنند.

هزینه ساخت تلسکوپ جیمز وب

هزینه‌ای که برای ساخت و توسعه‌ی تلسکوپ فضایی جیمز وب انجام شده است، آن را در شمار یکی از گران‌ترین بسترهای علمی تاریخ قرار می‌دهد که تنها با پروژه‌ی تلسکوپ فضایی هابل و برخورددهنده‌ی بزرگ هادرونی در سرن قابل مقایسه است.

با این وجود هزینه‌های ناسا برای تلسکوپ نه یک‌باره، بلکه در طول دو دهه انجام شده است. هزینه‌های سالانه بسته به نیازهای خاص پروژه و تعداد تکنسین‌ها، مهندسان و دانشمندان خبره، در هر زمان متناسب با برنامه، متفاوت است. این نوع فازبندی هزینه، کار ناسا را ​​برای مدیریت هزینه‌های یک پروژه‌ی بزرگ آسان‌تر می‌کند. باید گفت که با وجود تأخیرها و هزینه‌های بیش از حد، این پروژه در طول ساخت هرگز به بیش از 3 درصد از بودجه سالانه ناسا نیاز نداشت.

آفتاب‌گیر 5 لایه‌ی جیمز وب برای آخرین بار روی زمین آزمایش می‌شود.
Credit: Chris Gunn, NASA

تلسکوپ جیمز وب در ابتدا به‌عنوان یک پروژه‌ی عظیم برنامه‌ریزی نشده بود و تنها 500 میلیون دلار برآورد و سپس در ادامه با بررسی‌های مجدد قرار بود نهایتا با هزینه‌ی 4.96 میلیارد دلاری در سال 2014 پرتاب شود. اما ضعف مدیریتی و کمبود منابع در مراحل اولیه، باعث شد که پروژه از برنامه‌ی زمانی عقب بیفتد. پس از بازنگری و تغییر ساختار در سال 2018 بود که هزینه‌ی آن به 8.8 میلیارد دلار رسید. مشکلات فنی متعدد و تأخیرهای بیشتر، پرتاب را حتی تا سال 2021 به تعویق انداخت که در نهایت هزینه‌ی کلی را به 9.7 میلیارد دلار افزایش داد.

این افزایش هزینه تأثیر قابل توجهی بر برنامه‌های اخترفیزیکی ناسا گذاشت، چون از سال 2003 حدود یک سوم از کل بودجه‌ی بخش اخترفیزیکی ناسا صرف پروژه‌ی جیمز وب شده است. این موضوع باعث کاهش یا تأخیر در اجرای دیگر پروژه‌های علمی شد. برای نمونه تلسکوپ فضایی «نانسی گریس رومن» (Nancy Grace Roman) که یکی از اولویت‌های علمی دهه‌ی 2010 بود، زودتر از سال 2027 پرتاب نخواهد شد. با این وجود بسیاری از دانشمندان معتقدند که این سرمایه‌گذاری برای جیمز وب ارزشمند است، چون تجربه‌ی تلسکوپ هابل نشان می‌دهد که آن پروژه هم هرچند با تأخیرها و افزایش هزینه‌های مشابهی روبه‌رو بود، اما در نهایت به یکی از موفق‌ترین مأموریت‌های علمی تبدیل شد.

در مقایسه با سایر هزینه‌های کلان اما بودجه‌ی جیمز وب ناچیز است. این تلسکوپ در بازه‌ی سال 2003 تا 2026 حدود 0.0095 درصد از کل هزینه‌های دولت آمریکا را شامل می‌شود که معادل کنار گذاشتن یک سِنت از هر 100 دلار است. در حالی که مأموریت جیمز وب هزینه‌ی بالایی برای یک پروژه‌ی علمی دارد، اما این موضوع بیش از اینکه گران بودن پروژه را نشان بدهد، بیان‌گر سرمایه‌گذاری محدود جوامع بشری در علم را است. با این حال اگر این مأموریت موفق شود، ارزش اطلاعاتی که ارائه خواهد کرد، فراتر از هر هزینه‌ای خواهد بود.

جیمز وب بخش بسیار کمی از بودجه‌ی آمریکا را به خودش اختصاص داده است.
Credit: Northrop Grumman

فاصله تلسکوپ جیمز وب از زمین

تلسکوپ جیمز وب در یک مدار هاله‌ای به کاوش می‌پردازد و پیرامون نقطه‌ای در فضا به نام نقطه‌ی لاگرانژی 2 خورشید-زمین (L2) و تقریبا 1 میلیون و 500 هزار کیلومتر (930 هزار مایل) فراتر از مدار زمین به دور خورشید می‌چرخد. موقعیت واقعی این تلسکوپ بین 250 هزار تا 832 هزار کیلومتر (155 هزار  تا 517 هزار مایل) از L2 در هنگام چرخش متفاوت است تا آن را از سایه‌ی زمین و ماه دور نگه دارد.

برای مقایسه، هابل در فاصله‌ی 550 کیلومتری (340 مایلی) بالای سطح زمین می‌چرخد ​​و ماه تقریبا 400 هزار کیلومتر (250 هزار مایل) از زمین فاصله دارد. اجرام نزدیک به نقطه‌ی L2 خورشید-زمین می‌توانند هم‌زمان با زمین به دور خورشید بچرخند و این چیدمان به تلسکوپ امکان می‌دهند تا در یک فاصله‌ی تقریبا ثابت با جهت‌گیری پیوسته‌ی سایه‌بان و حامل تجهیزات خود به سمت خورشید، زمین و ماه باقی بماند.

این تلسکوپ همراه با مدار گسترده سایه‌گریز خود، می‌تواند به طور هم‌زمان گرما و نور ورودی هر سه این اجسام را مسدود و حتی از کوچک‌ترین تغییرات دمایی ناشی از سایه‌های زمین و ماه که بر ساختار رصدهای علمی آن تأثیر می‌گذارد، جلوگیری کند. با این حال همچنان در سطح رو به خورشید، انرژی خورشیدی و ارتباطات زمینی را بدون وقفه حفظ می‌کند. این چیدمان دمای فضاپیما را ثابت و کمتر از 50 کلوین (223- درجه‌ی سانتی‌گراد) که برای مشاهدات فروسرخ لازم است، نگه می‌دارد.

فاصله جیمز وب از زمین
Credit: NASA

تلسکوپ جیمز وب الان کجاست؟

پس از ساخت و آزمایش‌های نهایی تلسکوپ جیمز وب، مسیر رسیدن آن به سکوی پرتاب و سپس حرکت به سوی مدار نهایی خود بسیار نفس‌گیر بود. ناسا در طول پرتاب، استقرار و آماده‌سازی تلسکوپ جیمز وب، با ایجاد یک صفجه‌ی وب اختصاصی شرایطی را فراهم کرده بود تا کاربران بتوانند وضعیت لحظه‌ای تلسکوپ را در مسیر حرکت از زمین به سوی مدار هاله‌ای L2 ردیابی کنند که شامل تمام مراحل استقرار، کاهش دما تا رسیدن به شرایط عملیاتی، کالیبراسیون ابزارهای علمی و در نهایت انتشار نخستین تصاویر علمی بود.

در طول سفر جیمز وب به نقطه‌ی L2، این صفحه اطلاعات عددی مربوط به فاصله، سرعت و درصد تکمیل مسیر را نمایش می‌داد. همچنین، یک جدول زمانی قابل تنظیم بر اساس روز یا فاصله از زمان پرتاب ارائه می‌شد. علاوه بر این، آخرین مرحله‌ی تکمیل‌شده از فرآیند استقرار جیمز وب با یک تصویر کوچک مشخص شده و مرحله‌ی فعلی با جزئیات بیشتر نمایش داده می‌شد. پس از رسیدن وب به مدار نهایی، تمرکز صفحه به مراحل نهایی آماده‌سازی که شامل خنک‌سازی، تنظیم آینه‌ها و کالیبراسیون ابزارهای علمی بود، تغییر یافت. در نهایت صفحه‌ی در نظر گرفته شده، آخرین وضعیت جیمز وب در مراحل استقرار و آغاز تصویربرداری علمی را نشان می‌دهد.

در این صفحه هم‌چنین دسترسی به سامانه‌ی «چشم به منظومه‌ی شمسی» (Eye on Solar System) ناسا فراهم شده است که می‌توان با کمک آن وضعیت و جهت‌گیری فعلی جیمز، فاصله‌ی را محاسبه کرد. علاوه بر این اگر قصد رصد تلسکوپ فضایی جیمز وب با تلسکوپ را از روی زمین داشته باشید، باید موقعیت آن را در آسمان بدانید. خوشبختانه پروژه‌ی TheSkyLive در صفحه‌ی مخصوصی برای جیمز وب چنین داده‌هایی را فراهم کرده است و نشان می‌دهد که جیمز وب در چه موقعیتی در آسمان قرار دارد.

مدار تلسکوپ جیمز وب
Credit: NASA, ESA, CSA, STScI

سرعت تلسکوپ جیمز وب

همان‌طور که اشاره شد، تلسکوپ فضایی جیمز وب در نقطه‌ی لاگرانژی دوم در مداری به دور خورشید می‌چرخد. در چنین مداری، جیمز وب با سرعتی حدود 30 کیلومتر بر ثانیه (108 هزار کیلومتر بر ساعت) به دور خورشید می‌چرخد که با سرعت مداری زمین برابر است تا موقعیت نسبی خود را نسبت به سیاره‌ی ما حفظ کند.

پس از پرتاب و در طول سفر به سمت L2 اما سرعت جیمز وب با دور شدن از زمین تغییر می‌کرد. این فضاپیما عمدا با سرعتی کمتر از مقدار لازم برای رسیدن به مدار نهایی خود پرتاب شد. با این روش اطمینان حاصل شد که پس از رسیدن به L2، سرعت دقیق مورد نیاز برای ورود به مدار مورد نظر را خواهد داشت. این سفر شامل سه اصلاح مسیر برنامه‌ریزی‌شده برای تنظیم سرعت و جهت تلسکوپ تا در نهایت در 24 ژانویه 2022 به L2 برسد.

حرکت جیمز وب در فضا
Credit: Alamy

علاوه بر این، جیمز وب توانایی ردیابی اهداف متحرک مانند سیارات و سیارک‌ها در منظومه‌ی شمسی دارد. در ابتدا، تلسکوپ برای ردیابی اجرامی با سرعت حداکثر 30 میلی‌ثانیه‌ی قوسی در ثانیه (mas/s) طراحی شده بود اما پس از آزمایش‌های بیشتر، این محدودیت به 75 میلی‌ثانیه‌ی قوسی در ثانیه افزایش یافت و با امکان دریافت مجوز ویژه، این نرخ تا 100 میلی‌ثانیه‌ی قوسی در ثانیه هم قابل افزایش است که به جیمز وب امکان می‌دهد طیف گسترده‌تری از اجرام آسمانی با سرعت‌های مختلف را در آسمان رصد کند.

قدرت زوم تلسکوپ جیمز وب

با توجه به ثابت بودن فاصله‌ی آینه‌های اصلی و ثانویه، تلسکوپ جیمز وب قابلیت بزرگ‌نمایی متغیر مانند تلسکوپ‌های معمولی ندارد. به جای آن اما با توجه به قطر 6.5 متری آینه‌ی اصلی، و مساحت جمع‌آوری نور آن که حدود 25 متر مربع است، می‌تواند تصاویر بسیار دقیقی از اجرام دوردست کیهانی ثبت کند که ابعاد بسیار زیادی دارند.

دوربین فروسرخ نزدیک (نیرکم) جیمز وب دارای مقیاس پیکسلی 0.031 ثانیه‌ی قوسی در هر پیکسل است که میدان دید کلی تلسکوپ را به حدود ۲ دقیقه‌ی قوسی می‌رساند. این پیکربندی به تلسکوپ امکان می‌دهد تا طیف وسیعی از پدیده‌های نجومی را با وضوح خیره‌کننده رصد کند. به طور کلی می‌توان گفت که هرچند زود متغیر برای جیمز وب درنظر گرفته نشده است اما ابزارهای پیشرفته و آینه‌ی بزرگ آن، امکان مطالعه‌ی کیهان را با جزئیات بی‌سابقه فراهم می‌کند و درک ما را از ساختارها و فرآیندهای آن به شکلی قابل توجه بهبود می‌بخشد.

کشفیات تلسکوپ جیمز وب

کشفیات جیمز وب
Credit: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

در جولای 2022، ناسا نخستین تصاویر رسمی جیمز وب را منتشر کرد که شامل نمایی از کهکشان‌های بسیار دوردست، سحابی کارینا و سیارات فراخورشیدی بود. این تصاویر، جزئیاتی بی‌سابقه‌ای را از کیهان را نشان دادند و توانایی فوق‌العاده‌ی این تلسکوپ را اثبات کردند. حالا از زمانی که وب نخستین تصاویر تمام‌رنگی و نخستین داده‌های علمی خود را به زمین مخابره کرد، به رصدهای فوق‌العاده‌ی خود ادامه داده که دید ما را نسبت به جهان اطرافمان دستخوش تغییر کرده است. در این‌جا به برخی از مهم‌ترین کشفیات تلسکوپ جیمز وب اشاره می‌کنیم.

کشف کهکشان‌های اولیه

کهکشان اولیه JADES-GS-z14-0 از نگاه جیمز وب
Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, Brant Robertson (UC Santa Cruz), Ben Johnson (CfA), Sandro Tacchella (Cambridge), Phill Cargile (CfA))

یکی از مهم‌ترین وظایف مأموریت جیمز وب، رصد کهکشان‌ها در نخستین دوران کیهان است. تا کنون این تلسکوپ موفق به شناسایی کهکشان‌هایی شده است که تنها 200 میلیون سال پس از مه‌بانگ (بیگ‌بنگ) شکل گرفته‌اند و این کشفیات به درک ما از ساختار و روند تکامل کیهان اولیه کمک می‌کند. 5 کهکشان احتمالی شناسایی شده توسط لنز گرانشی در فاصله‌ی 13.6 میلیارد سال نوری قرار دارند و می‌توانند نظریه‌های موجود درباره‌ی شکل‌گیری کهکشان‌ها را به چالش بکشند. دانشمندان برای توضیح رشد سریع این کهکشان‌ها، به نقش سیاهچاله‌های اولیه، انفجارهای ابرنواختری و انرژی تاریک اشاره می‌کنند، اما هنوز پاسخ قطعی این معما مشخص نیست.

مشاهده‌ی کهکشان‌های بزرگ در اوایل کیهان

تصویر جیمز وب از کهکشان‌هایی در اوایل کیهان که جرم آن‌ها بسیار زیاد تخمین زده می‌شود.
Credit: Science: NASA, ESA, CSA, Tommaso Treu (UCLA); Image Processing: Zolt G. Levay (STScI)

این تلسکوپ کهکشان‌هایی با جرم زیاد را در دوران ابتدایی کیهان کشف کرده است که مدل‌های فعلی کیهان‌شناسی را به چالش می‌کشد. پیش از این ستاره‌شناسان تصور می‌کردند که کهکشان‌ها به صورت ابرهای کوچکی از گاز، غبار و ستاره‌ها شکل گرفته و به تدریج رشد کرده‌اند. اما مشاهدات فروسرخ تلسکوپ با نگاه به گذشته‌ی بسیار دور، کهکشان‌هایی را یافته که تنها 500 میلیون سال پس از مه‌بانگ شکل گرفته‌اند و بسیار درخشان‌تر از حد انتظارند. این موضوع می‌تواند به دلیل بازده بالاتر آن‌ها در تولید ستارگان یا حتی جرم بیشتر آن‌ها نسبت به آنچه قبلا تصور می‌شد، باشد.

شناسایی اجرام سیاره‌ای سرگردان

منطقه‌ی ابر مولکولی برساوش که سیاره‌های سرگردان در آن کشف شدند.
Credit: ESA/Webb/NASA & CSA,/A. Scholz/K. Muzic/A. Langeveld/R. Jayawardhana

جیمز وب شش جرم را با جرم‌های بین 5 تا 15 برابر جرم مشتری در سحابی NGC 1333 شناسایی کرده است که به‌صورت آزادانه در فضا حرکت می‌کنند و نشان‌دهنده‌ی فرآیندهای متفاوتی در تشکیل سیارات هستند. این کشف نشان می‌دهد که فرآیندهای شکل‌گیری ستارگان می‌توانند به جای ستاره، اجرامی کمی بزرگ‌تر از مشتری را هم ایجاد کنند. حتی برخی از این سیارات سرگردان ممکن است مانند یک منظومه‌ی مینیاتوری، دارای سیاراتی هم به دور خود  باشند.

تشخیص مولکول‌های آلی در کهکشان‌های دوردست

کشف مولکول‌های آلی توسط جیمز وب
Credit: ESA/Webb, NASA, CSA, M. Zamani (ESA/Webb), and the PDRs4All ERS Team

وب همچنین مولکول‌های آلی پیچیده‌ای را در کهکشانی در فاصله‌ی 12 میلیارد سال نوری شناسایی کرد که اطلاعاتی درباره‌ی شرایط شیمیایی در کیهان اولیه ارائه می‌دهد. این مولکول‌ها شامل متان، اتانول و استیک اسید هستند و در یخ‌های میان‌ستاره‌ای یافت شده‌اند؛ موضوعی که نشان می‌دهد واکنش‌های شیمیایی در سطح ذرات غبار سرد می‌توانند عامل ساخت ترکیبات پیچیده‌ای باشند. همچنین، برای نخستین بار، مولکول متیل کاتیون (+CH3) در فضا کشف شده که در تشکیل مولکول‌های کربنی پیچیده‌تر نقش دارد. این کشف نشان می‌دهد که پرتو فرابنفش ممکن است برخلاف انتظار، به جای تخریب ترکیبات آلی، عامل ایجاد آنها باشد. این یافته‌ها می‌توانند درک ما از شیمی میان‌ستاره‌ای و منشأ حیات را گسترش دهند.

مشاهده‌ی کوتوله‌های قهوه‌ای

کوتوله‌ی قهوه‌ای کشف شده توسط جیمز وب در ناحیه‌ی ستاره‌زایی برساوش
Credit: NASA, ESA, CSA, STScI

جیمز وب تصاویر دقیقی از ستاره‌های کوتوله‌ی قهوه‌ای، که به عنوان ستارگان ناکام شناخته می‌شوند، ارائه داد و درک ما را از این اجرام بهبود بخشید. کشف اولین جمعیت احتمالی کوتوله‌های قهوه‌ای فراتر از کهکشان راه شیری، دستاورد مهمی را رقم زده است. این اجرام در خوشه‌ی ستاره‌ای NGC 602، واقع در نزدیکی ابر ماژلانی کوچک و در فاصله‌ی حدود 200 هزار سال نوری از زمین، شناسایی شده‌اند. پیش‌تر، حدود 3 هزار کوتوله‌ی قهوه‌ای در کهکشان ما شناسایی شده بود، اما جیمز وب برای نخستین بار چنین اجرامی را فراتر از کهکشان راه شیری رصد کرد. مطالعه‌ی این کوتوله‌های قهوه‌ای به درک بهتر فرآیندهای تشکیل ستارگان و سیارات در کیهان اولیه کمک می‌کند.

تحلیل جو سیارات فراخورشیدی

داده‌های اتمسفر سیاره‌ی فراخورشیدی WASP-96 b توسط جیمز وب
Credit: NASA, ESA, CSA, and STScI

این تلسکوپ مولکول‌هایی مانند متان را در جو چند سیاره‌ی فراخورشیدی نزدیک شناسایی کرد. یافته‌ای که به جست‌وجوی جهان‌های قابل سکونت کمک می‌کند. برای نمونه متان و کربن دی‌اکسید را در جو سیاره‌ی فراخورشیدی K2-18 b با فاصله‌ی 120 سال نوری از زمین کشف کرد که به دور یک ستاره‌ی سرد می‌چرخد. این سیاره بزرگ‌تر از زمین اما کوچک‌تر از غول‌های گازی منظومه‌ی شمسی است. داده‌های جدید جیمز وب، احتمال «دنیای هایسیان» بودن آن را تقویت می‌کند، یعنی سیاره‌ای با جو غنی از هیدروژن و اقیانوس‌های مایع زیر آن. به گفته‌ی پژوهشگران، این کشف تنها آغاز مطالعات گسترده‌تر روی سیارات قابل سکونت با جیمز وب است.

مطالعه‌ی سیاهچاله‌های ابرپرجرم اولیه

سیاهچاله‌های کلان‌جرم کشف شده توسط جیمز وب در اوایل کیهان
Credit: Eiger/Freso Surveys

جیمز وب به بررسی چگونگی تشکیل و رشد نخستین سیاهچاله‌های کلان‌جرم در کیهان پرداخت که باعث شناخت بهتر روند تکامل کیهانی می‌شود. با توجه به اینکه سیاهچاله‌ها با بلعیدن ستارگان، گاز و غبار رشد می‌کنند دیدن سیاهچاله‌های کلان‌جرم در کیهان اولیه که هنوز فرصت زیادی برای جذب مواد اطراف نداشته‌اند، عجیب است. جیمز وب اما چندین سیاهچاله‌ی کلان‌جرم را با جرمی حدود یک میلیارد برابر خورشید کشف کرده است که تنها 800 میلیون سال پس از مه‌بانگ شکل گرفته‌اند. اما مهم‌تر از آن، این تلسکوپ نمونه‌های کوچک‌تری را هم یافته که جرمی بین 1 میلیون تا چند ده میلیون برابر خورشید دارند و در زمان‌های حتی کهن‌تر شکل گرفته‌اند. این داده‌ها برای درک بهتر روند تکامل این غول‌های کیهانی اهمیت دارند.

بررسی و نمایش ساختارهای کیهانی

سحابی حلقه از نگاه جیمز وب
Credit: ESA/Webb, NASA, CSA, M. Barlow, N. Cox, R. Wesson)

این تلسکوپ تصاویر دقیقی از پدیده‌های کیهانی مانند حلقه‌های سیاره‌ای و سحابی‌ها ثبت کرده است که جزئیات پیچیده‌ای از این ساختارها را به نمایش می‌گذارد. سیاره‌ها در دیسک‌های گازی و غبارآلودی که ستارگان جوان را دربر گرفته‌اند، شکل می‌گیرند و رصدهای جیمز وب جزئیات بی‌سابقه‌ای را از این قرص‌های پیش‌سیاره‌ای نشان دادهو سرنخ‌هایی جذاب درباره‌ی منشأ حیات را آشکار کرده است. برای نمونه اطراف ستاره‌ی نزدیک «فم‌الحوت» (Fomalhaut) سه حلقه‌ی غباری داغ را شناسایی کرد که نشان می‌دهد سیاره‌ها این دیسک را شکل داده‌اند. همچنین، کشف بخار آب در دیسک داخلی ستاره‌ی PDS 70 نشان می‌دهد که سیارات زمین‌مانند در حال شکل‌گیری در آنجا، به آب دسترسی خواهند داشت. علاوه بر این، در سحابی شکارچی (M42) و در دیسک پیش‌سیاره‌ای ستاره‌ی d203-506، مولکول «متیل کاتیون» (Methyl Cation) شناسایی شد که احتمالا نقش مهمی در شیمی آلی میان‌ستاره‌ای و پیدایش حیات دارد.

کشف اجرام دوتایی با جرم مشتری یا جامبو (JuMBO)

سیاره‌های سرگردان رصد شده توسط جیمز وب
Credit: ESA

جیمز وب جفت‌هایی از اجرام را با جرم مشتری شناسایی کرده است که به دور هیچ ستاره‌ای نمی‌چرخند و این موضوع نظریه‌های موجود درباره‌ی تشکیل سیارات را به چالش می‌کشد. دانشمندان با مشاهدات این تلسکوپ دریافته‌اند که در اعماق سحابی شکارچی (M42) حداقل 40 جرم هم‌اندازه‌ی سیاره وجود دارد که همگی یک همدم دوتایی دارند. این اجرام معروف به «اجرام دوتایی با جرم مشتری» (Jupiter-Mass Binary Objects) یا «جامبو» (JuMBO) برخلاف انتظارات هستند. در حالی که بسیاری از ستارگان همدم دارند، تصور نمی‌شد که اجرام با جرم سیاره‌ای هم بتوانند همدم داشته باشند. هیچ نظریه‌ی مرتبط با تشکیل ستارگان، نمی‌تواند شکل‌گیری اجرامی به این کوچکی را توضیح دهد و اگر مانند سیاره‌ها در قرص‌های گازی اطراف ستارگان شکل گرفته باشند، نباید بتوانند پس از یک پرتاب شدید سالم بمانند. این کشف نشان می‌دهد که نظریه‌های فعلی درباره‌ی شکل‌گیری ستارگان و سیاره‌ها نیاز به بازنگری دارند یا باید نظریه‌ای جدید برای ایجاد این جامبوها ارائه شود.

شناسایی دورترین ادغام سیاهچاله‌ها

رصد ادغام سیاهچاله‌ها توسط جیمز وب
Credit: ESA/Webb, NASA, CSA, J. Dunlop, D. Magee, P. G. Pérez-González, H. Übler, R. Maiolino, et. al

این تلسکوپ دورترین ادغام سیاهچاله‌ها را که 740 میلیون سال پس از مه‌بانگ رخ داده است، مشاهده کرد که نشان می‌دهد سیاهچاله‌های اولیه رشد سریعی داشته‌اند.

نرخ انبساط کیهان

مقایسه نگاه هابل و جیمز وب به یک متغیر قیفاووسی
Credit: NASA / ESA / CSA / STScI / Adam G. Riess (JHU, STScI)

در حالی که می‌دانیم که کیهان با سرعتی فزاینده در حال گسترش است، اما مقدار دقیق آن همچنان مورد اختلاف است. این اختلاف به تعیین مقدار صحیح ثابت هابل به عنوان عدد کلیدی سنجش سرعت انبساط کیهان بازمی‌گردد و مدل‌های نظری و داده‌های رصدی در این زمینه با هم همخوانی ندارند. جیمز وب هم ستارگان متغیر قیفاووسی را به عنوان دقیق‌ترین ابزار برای اندازه‌گیری فاصله‌های کیهانی، بررسی کرد اما به جای حل این اختلاف، فقط بر پیچیدگی این مسئله افزود. تا جایی که اکنون چالش اصلی، درک علت ناهماهنگی میان دقیق‌ترین ابزارهای موجود است.

تصاویر تلسکوپ جیمز وب

جیمز وب تا کنون تصاویر چشمگیری از کیهان ثبت کرده است و هر بار نگاه آن به آسمان، دارای داده‌های ارزشمندی است که علم را یک گام به جلو می‌برد. در این میان برخی تصاویر از بقیه شاخص‌ترند و توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند.

آرپ 142 (Arp 142)

Arp 142 از نگاه جیمز وب
Credit: NASA, ESA, CSA, STScI

تصویری که تیم تلسکوپ فضایی جیمز وب به مناسبت دومین سالگرد تولد وب در فضا انتخاب کرده بود، احتمالا نقطه‌ی شروع خوبی برای بهترین عکس‌های این ابزار علمی است. این تصویر یک کهکشان مارپیچی اعوجاج یافته به نام «پنگوئن» (Penguin) و یک کهکشان بیضوی فشرده به نام «تخم» (Egg) را نشان می‌دهد. برهم‌کنش این کهکشان‌ها در حالتی است که ناسا آن را «یک آغوش فعال» توصیف می‌کند و در مجموع با نام علمی Arp 142 شناخته می‌شوند.

ستون‌های آفرینش (Pillars of Creation)

ستون‌های آفرنش از نگاه جیمز وب
Credit: NASA, ESA, CSA, STScI; Joseph DePasquale (STScI), Anton M. Koekemoer (STScI), Alyssa Pagan (STScI)

یکی از نخستین تصاویر جیمز وب، ستون‌های آفرینش را نشان می‌دهد که هدف محبوب تلسکوپ‌ها در طول سال‌های مختلف بوده است. به جز منظره‌‌ی خیره‌کننده، تصویر وب نشان می‌دهد که توانایی آن در بررسی غبار کیهانی می‌تواند درک انسان از اعماق فضا، حتی بخش‌هایی که قبلا دیده‌ایم، تغییر دهد.

خوشه کهکشانی ال گوردو (El Gordo Galaxy Cluster)

تصویر جیمز وب از خوشه کهکشانی ال گوردو
Credit: NASA, ESA, CSA

خوشه‌ی کهکشانی ال گوردو، شامل صدها کهکشان است که برخی از آن‌ها پیش از این هرگز با جزئیات دیده نشده بودند. ال گوردو یک لنز گرانشی است، به این معنی که نیروهای گرانشی شدید آن، کهکشان‌های دوردست پشت آن را بزرگ‌نمایی می‌کند و این روند به دانشمندان امکان می‌دهد تا گذشته‌های دورتری در زمان را ببینند. در این مورد، کهکشان‌هایی که نور آن‌ها از عدسی گرانشی گذشته است، در فاصله‌ی بیش از 10 میلیارد سال نوری از ما قرار دارند.

سحابی رتیل (Tarantula Nebula)

سحابی رتیل از نگاه جیمز وب
Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, Webb ERO Production Team

سحابی رتیل یک شبکه‌ی کیهانی است که در فاصله‌ی 161 هزار سال نوری از زمین قرار گرفته است و بزرگ‌ترین و درخشان‌ترین منطقه‌ی ستاره‌ساز در گروه محلی محسوب می‌شود. این مجموعه‌ی گسترده میزبان برخی از داغ‌ترین و پرجرم‌ترین ستاره‌های کیهان و منطقه‌ای بسیار مهم برای کمک به درک چگونگی شکل‌گیری ستارگان است.

کهکشان فانتوم (Phantom Galaxy)

تصویر کهکشان فانتوم توسط تلسکوپ جیمز وب
Credit: ESA/Webb, NASA & CSA, J. Lee and the PHANGS-JWST Team

این تصویر باورنکردنی که با ابزار فروسرخ میانی وب (MIRI) گرفته شده است، قلب مسیه 74 را نشان می‌دهد که با نام کهکشان فانتوم هم شناخته می‌شود. وضوح بی‌سابقه‌ی تلسکوپ وب، توانسته گاز و غبار را با جزئیات قابل توجه به تصویر بکشد، در حالی که خوشه‌ی ستاره‌ای هسته‌ای در مرکز کهکشان را نیز نشان می‌دهد. این منطقه که در فاصله‌ی 32 میلیون سال نوری از ما قرار دارد، گنجینه ای از داده‌ها را درباره‌ی تکامل ساختارهای کیهانی در خود دارد.

مشتری (Jupiter)

مشتری در طیف فروسرخ از نگاه جیمز وب
Credit: NASA/SwRI/MSSS/Matt Brealey

در حالی که جیمز وب برای نگاه به ژرفای کیهان ساخته شده است، اما همچنین می‌تواند به اجرام بسیار نزدیک به زمین، مانند نپتون و زحل در منظومه شمسی نگاه کند. این تصویر از مشتری که توسط شهروند-دانشمندان پردازش شده است، غول گازی مشتری را با جزئیات قابل توجهی نشان می‌دهد.

کهکشان چرخ گاری (Cartwheel Galaxy)

کهکشان چرخ گاری از نگاه جیمز وب
Credit: NASA, ESA, CSA, STScI

این ترکیب از کهکشان چرخ گاری که با استفاده از ابزارهای NIRCam و MIRI جیمز وب ایجاد شده است، یکی از خیره‌کننده‌ترین تصاویری است که وب تا کنون ثبت کرده است. این کهکشان شلوغ، اطلاعات تازه‌ای درباره‌ی شکل‌گیری ستاره‌ها و سیاهچاله‌ها به دانشمندان آموخته است و به نشان دادن چگونگی تغییر این کهکشان زیبا طی میلیاردها سال کمک می‌کند.

کمان سی (Sagittarius C)

انبوه ستارگان در منطقه‌ی قوس C
Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, Samuel Crowe (UVA)

این تصویر که توسط نیرکم گرفته شده است، بخشی به وسعت 50 سال نوری از مرکز متراکم کهکشان راه شیری را نشان می‌دهد. حدود نیم میلیون ستاره در این تصویر از منطقه‌ی کمان C وجود دارد و پژوهشگران هنوز در حال کار بر داده‌ها هستند. این تصویر بدون شک زیباست، اما همچنین یکی از بهترین منابعی است که تا کنون برای مطالعه‌ی پیش‌ستاره‌ها وجود دارد.

هربیگ هارو 211 (Herbig-Haro 211)

نگاه جیمز وب به HH 211 و آشکارسازی جریان جت خروجی یک ستاره‌ی جوان
Credit: ESA/Webb, NASA, CSA, Tom Ray (Dublin)

این تصویر با وضوح بالا و فروسرخ نزدیک، هربیگ-هارو 211 (HH 211) را نشان می‌دهد. به گفته‌ی تیم تلسکوپ فضایی وب، اجرام هربیگ-هارو زمانی تشکیل می‌شوند که بادهای ستاره‌ای یا فواره‌های گازی که از ستاره‌های تازه متولد شده پرتاب می‌شوند، امواج شوکی را تشکیل می‌دهند که با گاز و غبار مجاور با سرعت بالا برخورد می‌کنند. دانشمندان هنوز در روزهای نسبتا آغازین مطالعه و درک اجرام هربیگ-هارو هستند و بدین ترتیب جیمز وب این فرآیند کشف را بسیار آسان‌تر می‌کند.

سحابی کارینا (Carina Nebula)

سحابی کارینا از نگاه جیمز وب
Credit: NASA

سحابی کارینا که از آن به عنوان «صخره‌های کیهانی» یاد می‌شود، یک مهد کودک درخشان و زیبا و یکی از پنج هدف اول وب است. این منظره‌ی خیره‌کننده که محل تولد شمار زیادی ستاره است، بسیار طولانی است به طوری که بلندترین قله‌ها حدود هفت سال نوری ارتفاع دارند. پیش از وب، ما نمی‌توانستیم داخل منظره‌ی کیهانی غبارآلود را ببینیم.

جمع‌بندی

تلسکوپ جیمز وب با تصاویر چشم‌نواز و داده‌های بی‌سابقه‌ای که از کیهان جمع‌آوری می‌کند، دید بشر را به کیهان دستخوش تغییر کرده است. حالا از ابتدای کیهان چیزهایی می‌دانیم که پیش از این دسترسی به آن‌ها دشوار بود. با توجه به طراحی، فعالیت این ابزار علمی بی‌نظیر که در فاصله‌ی 1.5 میلیون کیلومتری از زمین قرار دارد، دست کم تا 5 سال ادامه خواهد داشت و حتی برای فعالیت 10 سال هدف‌گذاری شده است؛ هرچند انتظار می‌رود مانند هابل مأموریت آن تا چندین سال بعد هم تمدید شود. وب در این مدت همچنان به جمع‌آوری داده از دورترین نقاط کیهان می‌پردازد تا پرده از رازهای شکل‌گیری کیهان و جایگاه ما در آن بردارد و بشر را به گذشته‌های دور کیهان ببرد. ما اکنون یک ابزار علمی قدرتمند در اختیار داریم که راه را برای کاوش‌های علمی بیشتر باز می‌کند.

عکس کاور: طرحی گرافیکی از تلسکوپ جیمز وب در فضا
Credit: NASA/Intergalactic

منبع: Britanica, Webb Fact Sheet, NASA (1, 2), Astrobiology (1, 2), Webb Space Telescope

620,000

569,000

تومان