تلسکوپ ‎جیمز وب(James Webb Space Telescope)

برای توضیح جیمز وب بیاید یکم از تلسکوپ هابل حرف بزنیم به زمانی می‌گفتن هابل مهم‌ترین ابزار ساخته‌شده در تاریخ علم  است. تلسکوپ هابل سال 1990 تو مدار زمین قرار گرفت و به کاوش کیهان پرداخت و طی این 30 سال باعث نگارش حدود 1000 مقاله علمی شد!

اما چرا هابل آن‌قدر مهم بود؟ سال 90 که هابل پرتاب شد ما هنوز نمی‌دانستیم که عمر کیهان 10 میلیارد ساله یا 0 میلیارد سال هابل ظرف چند سال با عکس‌هایی که از عمق کیهان گرفت، این عدد رو به عدد دقیق 13.8 میلیارد سال تبدیل کرد (تصویر همگرایی گرانشی ثبت‌شده توسط هابل)

بعضی کارهای فوق‌العاده هابل شامل:

• محاسبه سرعت رشد کیهان (بله دنیا هم رشد می‌کند)
• رسم نقشه‌ی ماده سیاه
• تشخیص ابر سیاه‌چاله‌ها
• اولین مطالعات روی اتمسفر سیارات خارج از منظومه شمسی

هابل طی این 31 سال بیش از 10 ترابایت فایل تصویری به زمین ارسال کرد و ژوئن 2021 از کار افتاد‏. تا اینجا دیدیم چقدر فوق‌العاده ست که یک تلسکوپ ماهواره‌ای داشته باشیم که دور زمین بچرخه و عکس بگیره. حالا تصور کنید چقدر خفن می‌شود وقتی یه تلسکوپ داشته باشیم که در مداری به دور خورشید بچرخه این دقیقاً ایده‌ی ساخت جیمزوبه با یه تفاوت بزرگ. تفاوت بزرگ اینه که تلسکوپ ماهواره‌ای هابل تو مدار 570 کیلومتری زمینه و تا حالا 5 بار تعمیر شده و مواد مصرفیش عوض شدن ولی وب تو فاصله‌ی 1.5 میلیون کیلومتریِ و تعمیر و سوخت رسانیش فعلاً غیر ممکنه، به همین دلیل این تلسکوپ رو برای 10 سال کار مفید ساختن که مطمئنم بیش از این کار می‌کند تفاوت بزرگ دیگر این دوتا تلسکوپ قطر آینه ست که توی تصویر نشان داده‌شده

همچنین دوربین jwst توانایی تشخیص بازه‌ی بزرگ‌تری از امواج (خصوصاً IR ها) روداره که باعث میشه تصاویر بسیار منحصربه‌فردی رو داشته باشیم، همین بازه‌ی بزرگ باعث می شه که تصاویر شارپ تر و باکیفیت‌تری در فاصله‌ی دورتر بگیره، مهندسان ناسا از اریگامی برای جا دادن قطعات تلسکوپ توی استفاده کردند لایه‌ی زیرین هم که می بینین یه سپر حرارتی 6 لایه ست که تلسکوپ رو در برابر گرمای خورشید حفظ می کنه گذشته از سپر، تو رگ‌های این تلسکوپ هلیم مایع جاریه که قطعاتش رو خنک نگه می داره

هدف وب مشاهده و شناسایی سیارات و ستاره‌های در حال تشکیل است ک میلیون‌ها سال دورتر از ما قرار دارند، ازاین‌رو به این تلسکوپ ‎ماشین زمان میگن همچنین وب توانایی مشاهده بیش از ۱۳.۵ میلیارد سال نوری دورتر رو داره که این یعنی میتونه کرانه‌های جهان ما رو ببینه و اطلاعات یگانه‌ای به دست بیاره

از امروز (روز پرتاب) ۳۰ روز طول می کشه تا تلسکوپ به مدار L2 برسه و تو ناسا به این ۳۰ روز اصطلاحاً days of terror می گن چون بیشترین احتمال آسیب دیدن این تلسکوپ ۱۰ میلیارد دلاری توی این ۳۰ روزه. همچنین تنها ضعفی ک وب داره اینه که نمیتون ۳ سیاره‌ی اول منظومه شمسی رو ببینه

‏داستان ساخت تلسکوپ جیمز وب

توسعه تلسکوپ جمیزوب توی سال ۱۹۹۶ با بودجه ۵۰۰ میلیون دلار شروع شد و قرار بود توی سال ۲۰۰۷ پرتاب بشه ولی به دلایل مختلفی این پروژه طولانی شد و هزینه نهایی ساخت آن به عدد باورنکردنی ۱۰ میلیارد دلار رسید. جوری که کنگره آمریکا توی سال ۲۰۱۱ پیشنهاد متوقف کردن این پروژه رو برای کاهش‏ بودجه ناسا داد. بالاخره این تلسکوپ ساخته شد و تبدیل شد به گران‌قیمت‌ترین ماشین ساخته‌شده به دست انسان! البته این تأخیر خیلی به نفع این پروژه شد ازاین‌جهت که ابزارها و تجهیزاتی که الآن روی این تلسکوپ نصب‌شده ازنظر دقت و کیفیت اصلاً قابل‌مقایسه با تجهیزات اولیه نیست.‏حالا چرا جمیزوب این‌قدر مهمه و قراره چیکار کنه؟

بسیاری از اسرار جهان ما توی نور مادون‌قرمز قابل‌مشاهده ست. کهکشان‌هایی که توی ابتدای پیدایش جهان به وجود اومدن آن‌قدر از ما دور هستند که با توجه به قانون هابل، با سرعت نزدیک به‌سرعت نور در حال دور شدن از ما هستند. دور شدن با این سرعت‏ زیاد باعث میشه طول‌موج نوری که از این کهکشان‌ها به ما میرسه به خاطر اثر دوپلر زیاد بشه و به سمت قرمز و مادون‌قرمز متمایل بشه. یکی از این کهکشان‌ها به اسم GN-z11 دورترین و درنتیجه سریع‌ترین کهکشان در حال دور شدن از ماست طول‌موج نوری به ما ‌‏میرسه ۱۱ برابر طول‌موج نور عادی به سمت قرمز تغییر پیداکرده و با سرعتی نزدیک به‌سرعت نور در حال دور شدن از ماست. چیزی که ما از این کهکشان می‌بینیم واسه زمانی که جهان فقط ۴۰۰ میلیون سال از عمرش گذشته. نگاه کردن به تصویر این کهکشان مثل اینه که یک نوجوان ۱۴ ساله به‌عکس ۶ ماهگیِ خودش ‌‏نگاه کنه! با توجه به چیزی که گفته شد مطالعه کهکشان‌هایی به این شکل نیازمند یک تلسکوپ بزرگ توی طول‌موج مادون‌قرمز هست.

مورد بعدی سیارات فراخورشیدی هست. تابه‌حال اکثر این سیارات با استفاده از تغییرات نور ستاره مادرشان وقتی‌که این سیارات از جلوی آن‌ها رد میشدن شناسایی شدن و ما اطلاعات دقیقی از ترکیبات جو این سیارات نداریم. اندازه بزرگ تلسکوپ جمیزوب و استفاده از نور مادون‌قرمز به ما کمک می‌کند حتی جو این سیارات رو موردمطالعه قرار بدیم و از همین‌جا بفهمیم که آیا آب و اکسیژن توی جو این سیارات وجود داره یا نه.

نور مادون‌قرمز به خاطر طول‌موج بلندی که داره‏ نسبت به نور مرئی برهم‌کنش کمی با گردوغبار بین ستاره‌ای داره. درنتیجه میتونه از قلب سحابی‌ها و مرکز کهکشان‌ها عبور کنه و به ما برسه. مطالعه توی این طول‌موج باعث میشه دقیقاً بفهمیم پشت این لایه ضخیم ابر و غبار چه خبره.‏ حالا چرا همین تلسکوپ رو روی زمین نصب نکردن؟ چرا میخوان ببرنش توی فضا؟

مشکل اول جو زمین هست. جو زمین به خاطر وجود بخارآب نور مادون‌قرمز رو به‌شدت جذب می‌کند و شما نمی‌توانید جهان رو توی این طول‌موج رصد کنید. مشکل دوم گرمای خود زمین هست. زمین حتی در سردترین شب‌ها در حال تابش مادون‌قرمز هست و این نویز بسیار زیادی برای رصد توی این طول‌موج ایجاد می‌کند. پس راهی جز ارسال تلسکوپ به فضا نداریم.

تلسکوپ فضایی اسپیتزر آخرین تلسکوپ فضایی مادون‌قرمز بود که اوایل سال ۲۰۲۰ بازنشست شد.‏چی باعث شده ساخت و پرتاب این تلسکوپ این‌قدر پرهزینه و چالش‌برانگیز باشد؟

به‌صورت خلاصه بگم، اندازه این تلسکوپ! این تلسکوپ یه آینه ۶.۵ متری داره که در مقایسه با تلسکوپ فضایی هابل با آینه ۲.۴ متری، حدود ۷.۳ برابر قدرت جمع‌آوری نور بیشتری داره. برای اینکه این تلسکوپ توی محفظه بار موشک پرتاب‌کننده‌اش (آریان ۵) جا بشه، مجبور شدن این تلسکوپ رو به‌صورت یک سازه تاشو بسازند. ساختن یک وسیله اپتیکی با این حساسیت به‌صورت تاشو یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها توی مهندسی این سازه ست. کوچک‌ترین اشکالی توی مراحل باز شدن این تلسکوپ تاشو میتونه کل پروژه رو با شکست روبه‌رو کنه. ‌‏توی پیچیدگی این عملیات همین بس که حدود ۳۴۴ سناریو مختلف برای شکست خوردن این پروژه وجود داره.

تا اینجای کار از شر جو زمین راحت شدیم و رفتیم تو فضا. حالا با تابش خورشید و زمین توی نوی مادون‌قرمز چیکار می‌کنیم؟

برای حل این مشکل قراره این تلسکوپ توی نقطه لاگرانژ ۲ زمین – خورشید (L2)‏قرار بگیره. این نقطه ۱.۵ میلیون کیلومتر دور از زمینه (۵ برابر فاصله زمین و ماه). ویژگی این نقطه اینه که اگر جسمی توی اون منطقه قرار بگیره، همراه با زمین به دور خورشید می‌گردد و زمین همیشه بین اون جسم و خورشید قرار می‌گیرد.‌‏این فاصله دورترین فاصله نزدیک به زمینه!

توی این فاصله امکان ارسال هیچ فضانوردی وجود ندارد که مشکل احتمالی به وجود اومده رو حل کنه. واسه همین همه چی باید طبق برنامه پیش بره.

برای حفاظت تجهیزات حساس این تلسکوپ از گرمای خورشید، یه شیلد بزرگ چندلایه به سمت خورشید باز میشه. درحالی‌که توی یه سمت این شیلد آب جوش می‌آید، توی سمت دیگر اون دما فقط ۳۶ کلوین هست! البته دوربین MIRI توی دمای ۷ درجه کلوین کار می‌کند واسه همین یه خنک‌کننده هلیومی این دوربین رو خنک می‌کند.

به خاطر فشار تابشی ناشی از خورشید، این تلسکوپ همیشه در حال هل داده شدن به فاصله‌ای دورتر از نقطه L2 هست، واسه همین چند موتور تلسکوپ رو در جهت مخالف توی مدار نگه می‌دارند. این موتورها تا ده سال سوخت برای کار کردن دارد و بعد از اون از کار می‌افتد و عمر عملیاتی جمیزوب تمام میشه و به سمت فضای بیکران حرکت می‌کند. بله تلسکوپ فضایی جمیزوب برای ده سال کار کردن طراحی‌شده.

بااینکه تلسکوپ جمیزوب خیلی بزرگ‌تر از تلسکوپ هابل هست، ولی وزنش تقریباً نصف هابله. دلیلش هم اینه که این تلسکوپ از ۱۸ تا آینه ۶ ضلعی از جنس برلیوم که با یک‌لایه از طلا پوشیده شده ساخته‌شده. برلیوم وزن سبکی داره و طلا ضریب بازتاب بالایی برای امواج مادون‌قرمز داره. هر تیکه از آینه این تلسکوپ به‌وسیله ۷ تا موتور با دقت ۱/۱۰۰۰۰ ضخامت موی انسان تنظیم می‌شوند. ۶ تا از آن‌ها برای جهت دادن به آینه ویکی‌اش برای تنظیم انحنای آینه ست. این شکلی میشه مطمئن شد که تلسکوپ بهترین فوکوس رو ارائه می‌دهد.‏جزییات این پروژه خیلی زیاده و نکات جالب زیادی برای هر قسمت از اون وجود داره که می‌توانید از من بپرسید یا خودتان در موردش مطالعه کنید.

ولی در کل تلسکوپ فضایی جمیزوب یکی از شاهکارهای مهندسی و از میراث بشر است که دانش ما رو نسبت به جهان دچار تحول زیادی خواهد کرد.‌‏

یک نکته در مورد نقطه L2

نقطه L2 ازنظر گرانشی یه تعادل ناپایدار است (مثل کره‌ای که روی نوک مخروط قرارگرفته باشد). تلسکوپ حول این نقطه توی مداری به‌اندازه مدار ماه با دوره تناوب ۶ ماه در حال گردش است.

دلیل اینکه تلسکوپ دقیقاً توی نقطه L2‏قرار ندارد اینه که توی سایه زمین قرار نگیرد و بتونه همیشه انرژی موردنیازش رو از خورشید تأمین کنه. برای اینکه تلسکوپ بتونه چنین مداری رو حفظ کنه لازمه پیشرانه‌های SCAT کار کنند‌ و نیروی لازم رو برای این عملیات فراهم کنند‌. وقتی سوخت SCAT تمام بشه، تلسکوپ از این مدار خارج میشه و‏نمیتونه مدارش رو حفظ کنه. پیشرانه SCAT مربوط به این حرکت روی یکی از گوشه های های شیلد حرارتی (نقطه مقابل پنل خورشیدی) نصب‌شده. اگرچه این پیشرانه فشار تابشی ناشی از نور خورشید رو خنثی می‌کند ولی بیشتر انرژی صرف همین حرکت مداری میشه.‏

آیا شهاب‌سنگ‌ها به تلسکوپ آسیب نمی‌زند؟

فضا خیلی خالی‌تر از اون چیزی هست که تصور می‌کنید. شاید این مسئله توی سال‌های اولیه تشکیل منظومه شمسی واقعاً مشکل‌ساز می‌شد ولی الآن همه اجرام کوچک یا داخل سیارات سقوط کردن، یا به دور اونها می‌چرخد و یا به خاطر برهم‌کنش گرانشی از منظومه شمسی پرت شدن بیرون. می‌توانیم با اطمینان بگیم که اطراف سیارات از امن‌ترین نقاط در مورد وجود شهاب‌سنگ‌های سرگردان هست. در اصطلاح سیارات مدار خودشان رو پاک‌سازی کردند. البته نگرانی در مورد ریز شهاب‌سنگ‌ها (در حد اندازه دونه شن) وجود داره که شیلد حرارتی جمیزوب برای‏ مقابله با این تهدیدها آزمون شده.

 چرا دمای عملیاتی تلسکوپ این‌قدر پایین؟

هر جسمی که گرم باشد، از خودش امواج مادون‌قرمز ساطع می‌کند. این تلسکوپ هم یه تلسکوپ بسیار حساس‏ به مادون‌قرمز هست. آگه تجهیزاتش تا این دما خنک نشود، امواج مادون‌قرمز ساطع‌شده از خود تجهیزات تلسکوپ با امواج مادون قرمزی که قراره رصد بشه ایجاد تداخل و نویز می‌کند. کار کردن این تجهیزات خودش ایجاد گرما می‌کند و لازمه همین گرما هم به‌سرعت از تجهیزات دور بشه. واسه همین تا این دما باید خنک بشه.

با این تلسکوپ میشه گذشته زمین رو دید؟

من فکر می‌کنم این موضوع بد توضیح داده‌شده که چنین سؤالی مطرح میشه. ببینید شما هرچقدر توی فضا به فاصله دورتری نگاه کنید، بیشتر گذشته همان جسم رو می‌بینید! مثلاً فاصله ماه از ما یک ثانیه نوری هست؛ یعنی من اگر الآن در ماه یک اتفاقی رو‏می بینیم، این اتفاق درواقع یک ثانیه قبل از مشاهده من رخ‌داده. یا در مورد خورشید که این فاصله ۸ دقیقه هست. حالا شما هرچقدر به یک جسم دورتر نگاه کنید، وقایعی رو می‌بینید که درگذشته اتفاق افتادن، نه در لحظه مشاهده. حالا اگر ما به جسمی که توی مرزهای جهان قابل‌مشاهده ما باشد نگاه‏ کنیم، درواقع داریم به اون جسم توی زمانی نگاه می‌کنیم که کیهان تازه به وجود اومده بود. این به ما اطلاعاتی از ساختار کهکشان‌ها در اوایل پیدایش جهان میده. اینجا اصلاً کسی نمی‌خواهد زمین رو رصد کنه و اگر هم این کار رو بکنه اطلاعات خاصی گیرش نمیاد چون زمین همین کناره!‏ تلسکوپ کی عملیاتی میشه؟

این تلسکوپ توی یک ماه آینده توی مدار خودش مستقر میشه و تمام آزمون‌ها و کاراش انجام میشه. بعد از اون ۵ ماه زمان می‌برد تا تلسکوپ خنک بشه و به دمای تعادل بره. بعد کالیبراسیون تجهیزاتش انجام میشه و آماده استفاده میشه؛ یعنی مجموعاً ۶ ماه بعد.‏

آیا میشه بیگ بنگ رو دید؟

خیر! جهان تا حدود ۳۷۰ هزار سال بعد از بیگ بینگ اصلاً چیز قابل‌مشاهده‌ای نداشته. به زبان ساده بخوام بگم اونقدر همه‌چیز فشرده بوده که هرچه نور تولیدشده، دوباره جذب‌شده. از ۳۷۰ هزار سال بعد از بیگ بنگ جهان در اصطلاح شفاف شده یعنی نور می تونسته مسیر زیادی رو‏ بدون جذب شدن طی کنه. چیزی که ما میتونیم و می‌خواهیم ببینیم اولین ستاره‌ها و کهکشان‌هایی هست که شکل گرفتن. این اتفاق از حدود ۲۰۰ تا ۵۰۰ میلیون سال بعد از بیگ بنگ رخ‌داده. پس اگر خیلی خوش‌شانس باشیم میتونیم کهکشان‌هایی رو ببینیم که عمرشان فقط ۲۰۰ میلیون سال هست (احتمالاً الآن اون اجرام‏ وجود ندارد ولی چیزی که ما می‌بینم ۲۰۰ میلیون ساله است چون ما گذشته آن‌ها رو می‌بینیم!)

نمی‌شود بعد از ده سال جمیز وب رو نوسازی کرد یا برگرداند زمین؟

جیمز وب ۲۸ برابر گران‌تر طلای ۲۴ عیار هم وزنشه. هزینه بالای این پروژه برمی‌گردد با طراحی‌ها و عملیاتش، نه سازه تلسکوپ. این تجربه‌ها چیزی  است که میمونه و از بین نمیره. ‌‎سوختش تمام میشه باد خورشیدی هلش میده به سمت بیرون. مسئله اینجاست که نقطه L2 تعادل ناپایدار است. اگر سوخت نداشته باشد توی اون نقطه نمیمونه اصلاً.

با کلیک بر روی تصویر زیر می‌توانید موقعیت لحظه‌ای جیمز وب در فضا را مشاهده نمایید.

https://www.jwst.nasa.gov/content/webbLaunch/whereIsWebb.html

ارائه‌دهنده: رضا ابراهیمی