معرفی تلسکوپ جیمز وب در 12 عکس - گل پدیده

به گزارش گل پدیده، در این گزارش به معرفی تلسکوپ فضایی جیمز وب که جانشین تلسکوپ فوق العاده هابل خواهد بود و شاید مهم ترین ساخته دست بشر در تاریخ است که ساعاتی پیش به فضا پرتاب شد، می پردازیم و آنالیز می کنیم که این تلسکوپ چه چیزی از ماده تاریک را برای ما فاش خواهد نمود.

به گزارش گل پدیده، تلسکوپ فضایی جیمز وب که با نام های وب یا JWST نیز شناخته می شود، یک رصدخانه فضایی با قابلیت بالا است که برای ایجاد یک تحول انقلابی در زمینه های ستاره شناسی، از شکل گیری ستاره ها و تکامل کهکشان ها و رصد اولین کهکشان های دنیا گرفته تا ویژگی های منظومه های سیاره ای طراحی شده است.

با این حال، از آنجایی که جیمز وب پروژه ای با پیچیدگی بی سابقه است، این ماموریت در مرحله راه اندازی و پرتاب با مشکل روبرو شد. آنچه در ابتدا به عنوان یک رصدخانه فضایی یک میلیارد دلاری در سال 2007 پیشنهاد شده بود، اکنون به پروژه ای 10 میلیارد دلاری تبدیل شد که سرانجام روز شنبه 25 دسامبر سال 2021 مصادف با 4 دی 1400 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 کهکشان های دوردست و ماده تاریک و دنیا باستانی را فراهم نموده است. هابل همچنان به خوبی به اخترشناسان خدمت می نماید، اما از زمان پرتاب آن در سال 1990 و آخرین به روزرسانی آن در سال 2009، حوزه های نجوم و فناوری هر دو تکامل یافته اند و با تغییرات چشمگیری روبرو شده اند.

مطمئناً اکنون یک تلسکوپ فضایی بزرگ تر و قدرتمندتر از هابل مورد احتیاج است و این همان چیزی است که جیمز وب برای آن طراحی شده است. آینه این تلسکوپ تازه بیش از دو برابر آینه هابل است. برای بسیاری از اخترشناسان، امیدواری زیادی وجود دارد که جیمز وب دانش ما را در خصوص کیهان برای سال های طولانی در آینده توسعه دهد.

جیمز وب

تلسکوپ فضایی جیمز وب به نام شخصیتی به همین نام که دومین مدیر ناسا بود و از سال 1961 تا 1968 در این پست خدمت کرد، نام گذاری شده است. به گفته ناسا، اگرچه او معمولاً با برنامه آپولو که انسان را برای اولین بار پس از سرانجام دوره مسئولیتش به ماه فرستاد، شناخته می شود، اما او بعلاوه از برنامه های علمی دیگر در ناسا حمایت می کرد.

برنامه پروژه رصدخانه که در ابتدا تلسکوپ فضایی نسل تازه نام داشت، در سال 2002 به نام جیمز وب نام گذاری شد. با این حال، نام تلسکوپ تازه جنجال برانگیز شده است، چرا که سنت ناسا در نام گذاری ماموریت های علمی معمولا استفاده از نام دانشمندان است، نه شخصیت های مسئول و سیاسی. بنابراین ناسا در نامگذاری تلسکوپ جیمز وب سنت شکنی نموده است.

کسانی که به این نامگذاری اعتراض دارند، استدلال می نمایند که جیمز وب قبل از پیوستن به ناسا، در دولت دست به اخراج بعضی زده است و در زمان فعالیت به عنوان مدیر ناسا نیز یک تحلیلگر بودجه را به بهانه های واهی رفتار غیر اخلاقی اخراج نموده است.

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

اگرچه تلسکوپ جیمز وب به وسیله ناسا مدیریت می شود، 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 یاری بزرگ به ناسا انجام داد. بعلاوه اجزای سازنده این تلسکوپ از تعدادی سازمان ها و شرکت های مختلف می آیند، اما این تلسکوپ در نهایت به وسیله 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 5 به فضا رفت.

تاریخچه ساخت و توسعه جیمز وب یک داستان طولانی و پر پیچ و خم بوده است. برنامه ها برای جانشینی هابل به دهه 1990 برمی شود، با این امید که راه اندازی چنین ماموریتی در دهه 2000 انجام شود. اما پیچیدگی و سپس هزینه ها افزایش یافت و تاریخ پرتاب به آینده موکول شد.

تاخیرهای اضافی نیز زمانی رخ داد که بعضی از اجزای آن در آزمایشات دچار نقص شدند. این تلسکوپ سرانجام در سال 2019 و فقط چند ماه قبل از اینکه بیماری کووید-19 در سراسر دنیا توسعه یابد و مراحل نهایی پروژه را برای پرتاب با تاخیر روبرو کند، به طور کامل مونتاژ شد.

تلسکوپ های زمینی با یک چالش کلیدی روبرو هستند. حتی آنهایی که از آلودگی نوری شهرها دور هستند، باید به وسیله اتمسفر که حاوی رطوبت است و سیگنال های دریافتی را ضعیف و منحرف می نماید، رصد نمایند. به همین علت است که ستاره شناسان دوست دارند رصدخانه های خود را در مکان های 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 نمود. اما راه دیگری برای دور زدن این محدودیت ها وجود دارد و آن اینکه تلسکوپ را به فضا بفرستید، جایی که هیچ جوی برای اختلال در تصویر شما وجود نداشته باشد. به همین علت است که هابل و همتایانش بسیار پیروز بوده اند.

نگین انگشتری در جیمز وب، آینه آن است. این آینه با عرض 6.5 متر، بزرگترین آینه ای است که تا به حال به فضا رفته است که با آینه 2.4 متری هابل فاصله قابل توجهی دارد. آینه جیمز وب که عنصر نوری تلسکوپ(OTE) نیز نامیده می شود، از بریلیم با روکش طلا ساخته شده است. این آینه از 18 بخش شش ضلعی، هر یک به اندازه یک میز بزرگ ساخته شده است. بیش از 100 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 می تواند به شدت توانایی های رصدی جیمز وب را مختل کند. این آینه به وسیله 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 می نماید. از سوی دیگر اما جیمز وب در طول موج های طولانی تر و قرمزتر، عمدتاً در طیف فروسرخ یا مادون قرمز رصد می نماید. دانشمندان امیدوارند که این قابلیت به تلسکوپ اجازه دهد تا به اجرام دورتر نگاه کند، چرا که نور این اجرام به طول موج های بلندتر منتقل می شوند. جیمز وب دارای چهار ابزار طراحی شده برای تشخیص بسیار حساس سیگنال های فروسرخ است.

این ابزارها اصطلاحا در اتوبوس فضاپیما قرار خواهند گرفت که جعبه ای است که عمدتاً از کامپوزیت گرافیت ساخته شده است و شامل پیشرانه ها، رایانه و تجهیزات ارتباطی جیمز وب نیز می شود. در اصل، این محفظه حکم قلب و مغز جیمز وب را دارد.

این محفظه به وسیله یک آفتابگیر یا سپر خورشیدی بزرگ محافظت می شود و مجهز به خنک نماینده ای است که از هلیوم برای حفظ اجزای آن در دمای 37 درجه کلوین(منهای 393 درجه فارنهایت یا منفی 236 درجه سانتی گراد) استفاده می نماید.

به منظور حفظ جیمز وب در شرایط مناسب برای مشاهده سیگنال های فروسرخ ضعیف، این تلسکوپ باید سرد نگه داشته شود. در واقع باید در دمای بسیار سرد یعنی زیر 50 درجه کلوین(منهای 370 درجه فارنهایت یا منفی 223 درجه سانتیگراد نگه داشته شود. هر دمای گرمتری به این معنی است که تلسکوپ حساسیت حیاتی مورد احتیاج خود را از دست می دهد و حتی ظریف ترین تغییرات دما نیز می تواند کارایی آینه را از بین ببرد. خوشبختانه جیمز وب در بالای خنک نماینده های خود برای همین منظور مجهز به یک آفتابگیر بزرگ است.

حالا که جیمز وب پرتاب شده است، سپر خورشیدی آن در طول راستا تا می شود و در طول دو هفته شروعین پرواز، به مرور باز می شود 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 می چرخد، سپر خورشیدی همواره بین آینه و جهت تابش نور خورشید قرار می گیرد.

باز شدن لایه های محافظ جیمز وب تنها یکی از جنبه های استقرار پیچیده آن است. در مجموع، این فرآیند یک ماه طول خواهد کشید که ناسا آن را 29 روز روی لبه نامیده است. در طول این مدت، جیمز وب به سمت جایگاه مقرر خود حرکت خواهد نمود.

جیمز وب به دور زمین نمی چرخد، بلکه در نقطه ای به نام نقطه لاگرانژ می چرخد که کشش های گرانشی زمین و خورشید با هم برابر می شوند و یکدیگر را خنثی می نمایند. به طور مشخص، این تلسکوپ در میان زمین و خورشید در مدار L2 در سمت دور زمین از خورشید مستقر خواهد شد. در این نقطه، جیمز وب همواره در سایه زمین خواهد بود و ابزارها مشاهده و خوانش واضح تری از کیهان خواهند داشت.

یکی از معایب این مدار این است که از آنجایی که 1.5 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 بعضی از سوالات بزرگ آنها پاسخ دهد. به عنوان مثال، قابلیت فروسرخ جیمز وب به این معنی است که می تواند به اعماق کیهان نگاه کند تا کیهان را در روزهای اولیه آن بهتر از تلسکوپ های نور مرئی مانند هابل ببیند. ستاره شناسان بر این باورند که این ویژگی می تواند به این تلسکوپ یاری کند تا نور اولین ستارگانی را که پس از مه بانگ(انفجار بزرگ) شکل گرفته اند، رصد کند و بفهمد که چگونه آن ستاره ها در کهکشان ها ادغام شده اند.

اهداف جیمز وب بعلاوه شامل پیشبرد مطالعه سیارات فراخورشیدی است. اخترشناسان مایلند از جیمز وب برای مشاهده چگونگی شکل گیری و توسعه منظومه های سیاره ای استفاده نمایند. سپس آن ها ممکن است بتوانند روی آن منظومه های سیاره ای بزرگنمایی نمایند و جو سیارات فراخورشیدی را رصد نمایند و حتی آثاری از حیات به نام نشانه های زیستی را در آنها جستجو نمایند.

ماموریت اولیه جیمز وب قرار است 10 سال طول بکشد. محدودیت کلیدی آن این است که این تلسکوپ برای نگه داشتن خود در مدار مقرر، به رانشگرهای خود احتیاج دارد و این رانشگرها تنها پیشرانه کافی برای دوام 10 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 خصوص ماده تاریک که با وجود اینکه بخش قابل توجهی از دنیا هستی را اشغال نموده اما تا به امروز مشاهده نشده است، یاری خواهد نمود.

ماده تاریک یک شکل مرموز و نامرئی از ماده است که تصور می شود حدود 27 درصد از دنیا شناخته شده را تشکیل می دهد و وزن آن نسبت به ماده مرئی حدود شش برابر بیشتر است. با این حال، با وجود اینکه بخش قابل توجهی از دنیا را تشکیل می دهد، از زمانی که وجود آن برای اولین بار به وسیله فریتز زوئیکی ستاره شناس سوئیسی-آمریکایی در سال 1933 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) گونه ای از ماده است که فرضیه وجود آن در اخترشناسی و کیهان شناسی ارائه شده است تا پدیده هایی را شرح دهد که به نظر می رسد ناشی از وجود اندازه خاصی از جرم باشند که از جرم موجود مشاهده شده در دنیا 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 اندازه قابل توجهی جذب یا منتشر نمی نماید.

به بیان دیگر، ماده تاریک به سادگی ماده ای است که واکنشی نسبت به نور نشان نمی دهد. در عوض، وجود و ویژگی های ماده تاریک را می توان به طور غیرمستقیم و به وسیله تأثیرات گرانش بر روی ماده مرئی، تابش و ساختار بزرگ مقیاس دنیا نتیجه گرفت. طبق داده های موجود و بر اساس مدل استاندارد کیهان شناسی، کل جرم-انرژی موجود در دنیا شناخته شده شامل 4.9 درصد ماده معمولی، 26.8 درصد ماده تاریک و 68.3 درصد انرژی تاریک تشکیل شده است. یعنی ماده تاریک حدود 27 درصد از کل ماده موجود در دنیا را تشکیل می دهد و انرژی تاریک و ماده تاریک روی هم رفته 95.1 درصد از کل محتویات دنیا را تشکیل می دهند.

اخترفیزیکدانان فرضیه ماده تاریک را مطرح نمودند تا اختلاف میان جرم محاسبه شده برای اجرام غول پیکر آسمانی به وسیله دو روش استفاده از تأثیرات گرانشی آنها یا استفاده از مواد درخشان درون آن ها(ستارگان، گاز، غبار) را شرح دهند. این فرضیه نخستین بار به وسیله یان اورت در سال 1932 برای شرح سرعت های مداری ستارگان در کهکشان راه شیری و به وسیله فریتز زوئیکی در سال 1933 برای شرح شواهد مربوط به جرم گمشده در سرعت های مداری کهکشان ها در خوشه های کهکشانی مطرح گشت. در پی آن بسیاری از مشاهدات دیگر نیز مطرح گشت که دلالت بر وجود ماده تاریک در دنیا داشتند. از جمله این مشاهدات می توان به مشاهده سرعت های چرخشی کهکشان ها به وسیله ورا روبین در دهه های 1960-1970، همگرایی گرانشی اجسام پس زمینه به وسیله خوشه های کهکشانی همانند خوشه گلوله و الگوهای ناهمسانگردی دما در تابش زمینه کیهانی اشاره کرد.

کیهان شناسان 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 کوشش های اصلی فیزیک ذرات بنیادی است.

در حالی که تلسکوپ فضایی جیمز وب نمی تواند مستقیماً ماده تاریک را ببیند، دانشمندان فکر می نمایند که با اندازه گیری تأثیراتی که بر محیط اطراف خود می گذارد، می تواند به بعضی از سؤالات اصلی در خصوص ماده تاریک پاسخ دهد. این کار به نوبه خود، دانش ما را از دنیا به طور کلی ارتقا می دهد.

دانشمندان دقیقاً نمی دانند 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 روش هایی با آزمایش هایی در برخورد دهنده بزرگ هادرونی(LHC) واقع در سرن سازمان اروپایی تحقیقات هسته ای هستند. برخلاف این آزمایش ها، جیمز وب نمی تواند مستقیماً ماده تاریک را تشخیص دهد، اما می تواند 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 می کنید، باید همواره به شکل استدلالی به آن نگاه کنید، زیرا نمی توانید آن را مستقیما ببینید. اما در عین حال، وب این توانایی را دارد که سعی کند به روش های تازه و با نگاه کردن به دینامیک کهکشان ها به معرفتی از ماده تاریک دست یابد.

به عنوان مثال، ستاره شناسان می توانند به عنوان یک روش غیرمستقیم برای تشخیص ماده تاریک، از فناوری های موجود برای اندازه گیری جرم ستاره ها و کهکشان ها استفاده نمایند. بعضی از شواهد اصلی در خصوص وجود ماده تاریک این است که بسیاری از کهکشان ها نمی توانند بدون اندازه زیادی جرم نامرئی وجود داشته باشند و حرکت نمایند.

تلسکوپ جیمز وب برای یاری به اخترشناسان در یافتن دقیق تر ماده تاریک، تصاویر بسیار واضحی می گیرد که در آن محققان می توانند اختلالات ناشی از همگرایی های گرانشی را مشاهده نمایند و آنها را به جایی که جرم نامرئی در کمین است، برساند. همگرایی گرانشی پدیده ای است که به وسیله نظریه نسبیت عام اینشتین توصیف شده است. با این پدیده، هنگامی که یک پرتو نور از یک جرم بزرگ عبور می نماید، کمی منحرف می شود، زیرا بافت فضا-زمان کمی به وسیله جرم منحنی می شود.

همگرایی گرانشی هنگامی روی می دهد که نورِ یک چشمه درخشان بسیار دور(مانند یک اختروش) در راستاش تا رصدگر، از کنار جسم پرجرم دیگری(مانند یک خوشه کهکشانی) بگذرد و راستاش خمیده شود. جسم میانی، عدسی گرانشی نامیده می شود. این پدیده یکی از پیش بینی های نظریه نسبیت عام اینشتین است.

براساس نسبیت عام، جرم می تواند فضا-زمان را خمیده کند و در نتیجه یک میدان گرانشی بسازد که می تواند نور را منحرف کند. این پدیده را نخستین بار آرتور ادینگتون در سال 1919 در جریان یک خورشیدگرفتگی آزمود که در آن نور ستاره ای که از نزدیک خورشید می گذشت، کمی خم شده و در نتیجه مکان ظاهری ستاره کمی جابه جا شد.

تلسکوپ فضایی جیمز وب در تصویربرداری از کهکشان های دور می تواند این توده ها را پیدا و مشخص 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 اندازه گیری مناسب خواهد بود، زیرا تصاویر بسیار واضح آن امکان اندازه گیری اختلالات بسیار کوچک را فراهم می نماید و به علت اینکه می تواند در اعماق فضا نظر کند، به کهکشان های پس زمینه بیشتری برای اندازه گیری اختلالات ایجاد شده دسترسی خواهد داشت.

به گفته ناسا بعلاوه وب آمارهای زیادی از تکامل کهکشان ها بدست خواهد آورد و دانشمندان می توانند این مشاهدات را با نظریه ها در خصوص نقش ماده تاریک در آن فرآیند مقایسه نمایند و به درک اندازه و ماهیت ماده تاریک در کهکشان ها برسند.

تلسکوپ فضایی جیمز وب به گونه ای طراحی شده است که دوردست هایی را در فضا که ما تا به امروز قادر به تماشا آنها نبوده ایم، ببیند. وب با انجام این مشاهدات در اعماق فضا قادر خواهد بود شروعهای اولیه دنیا و کهکشان های آن و نقشی که ماده تاریک ممکن است در تکامل آنها داشته باشد را مطالعه کند.

دانشمندان به کار برای درک زمان شکل گیری کهکشان های نخستین در کیهان ادامه می دهند. فرآیندهای درگیر در این شکل گیری به وسیله مدل های تکامل ماده تاریک پیگیری می شوند و پارامترهای مختلفی در زمان های مختلف بر روی اولین کهکشان ها سنجیده می شود.

دانشمندان می گویند وب می تواند برای اندازه گیری بعضی از پارامترهای اساسی اولین کهکشان ها در دنیا استفاده شود و به ما امکان می دهد درخشندگی، توزیع جرم و بسیاری موارد دیگر را در آنها درک کنیم.

تلسکوپ فضایی جیمز وب شنبه 25 دسامبر 2021 (4 دی) سوار بر موشک آریان 5 از بندر فضایی آژانس فضایی اروپا واقع در گویان فرانسه به فضا پرتاب شد و سفر رویایی خود را شروع کرد.