تلسکوپ جیمز وب با نگاهی به مبدا آفرینش

تلسکوپ جیمز وب بزرگترین تلسکوپ فضایی تاریخ می‌خواهد به قدیمی‌ترین سوال نجوم پاسخ دهد: چگونه از انفجار بزرگ به اینجا رسیدیم؟

تلسکوپ فضایی جیمز وب، با سایبان پنج لایه خود، سال گذشته در تاسیساتی در Northrop Grumman در ساحل ردوندو، کالیفرنیا مستقر شد.

فقط چند بار در تاریخه یک گونه وجود دارد که دانش، جسارت و ابزاری را به دست می آورد تا بازجویی از منشأ خود را به میزان زیادی پیش ببرد. ستاره شناسان می گویند که بشریت در چنین لحظه ای قرار دارد. طبق داستانی که آنها برای خود (و بقیه ما) در چند دهه گذشته گفته اند، اولین ستاره ها زمانی که جهان حدود 100 میلیون سال سن داشت سوسو زدند.

آنها به سختی می سوختند و در انفجارهای تماشایی ابرنواختر به سرعت می مردند و مه غم انگیز گاز باقی مانده از آتش بازی اولیه معروف به بیگ بنگ 13.8 میلیارد سال پیش را از بین می بردند. از آن جرقه ها همه چیزهایی که ما در جهان به آن اهمیت می دهیم - زنجیره طولانی و مداوم تکامل کیهانی که همه چیز را از کهکشان ها و سیارات گرفته تا میکروب ها و ما را تولید کرده است.

اما آیا این داستان درست است؟

ابزارهایی برای پرداختن به این سوال و موارد دیگر در دسترس هستند. فضاپیمای جیمز وب، بزرگ‌ترین، قدرتمندترین و گران‌ترین تلسکوپی است که تا به حال به فضا پرتاب شده است، نشستن در یک فضاپیما در گویان فرانسه، مانند پروانه‌ای در روی شکوفه ای از فناوری، جاه طلبی، فلز و سیم است. تلسکوپ وظیفه آن این است که جسورانه در زمان به اولین ستاره ها و کهکشان ها نگاه کند.

جان ماتر (John Mather) از مرکز پرواز فضایی گدارد (Goddard Space) در گرین بلت (Green Belt)، دانشمند ارشد این تلسکوپ، گفت: "ما به دنبال اولین چیزهایی هستیم که از بیگ بنگ بیرون می آیند." یا همانطور که او دوست دارد بپرسد: "چگونه از انفجار بزرگ به اینجا رسیدیم؟"

تلسکوپ بر روی موشک آریان 5 بارگیری می شود و در صبح روز 25 دسامبر در یک سفر میلیون مایلی به نقطه ای فراتر از ماه پرتاب می شود که در آن گرانش وجود دارد. نیروها برای ایجاد یک مدار پایدار به دور خورشید ترکیب می شوند.

در طی 29 روز آینده در مسیر صعود، کریسالیس (chrysalis) با مجموعه‌ای از حرکات پیچیده‌تر از هر چیزی که تاکنون در فضا انجام شده است، با 344 "نقطه شکست واحد" در زبان ناسا و به دور از کمک به تلسکوپ باز می‌شود. مهندسان و ستاره شناسان آن را "شش ماه اضطراب بالا" می نامند.

ابتدا آنتن‌ها بیرون می‌آیند و زمین را نشانه می‌گیرند و ارتباط را امکان‌پذیر می‌کنند. سپس بست و پایه های سایبان به اندازه یک زمین تنیس باز می شود و به دنبال آن خود سایبان که از پنج ورقه نازک پلاستیکی به نام کاپتون (Kapton) ساخته شده است، باز می شود.

در نهایت، 18 شش ضلعی بریلیوم با روکش طلا در جای خود قرار میگیرند و آینه‌ای به طول 6.5 متر یا 21 فوت تشکیل می‌دهند. تا آن زمان، تلسکوپ به مقصد خود رسیده است، نقطه ای به نام L2، که روی سپر خورشید شناور است و ابدیت را هدف قرار می دهد.

سپس اخترشناسان شش ماه را صرف اصلاح، آزمایش و کالیبره کردن چشم جدید خود در کیهان خواهند کرد.

به گذشته نگاه می کنیم در تاریکی

تلسکوپ فضایی جیمز وب (James Webb) که از نام مدیر ناسا که در طول سال‌های آپولو این آژانس را رهبری می‌کرد، نامگذاری شده است، همکاری بین ناسا، آژانس فضایی کانادا و آژانس فضایی اروپا این ماشین زمان را رقم زده است. ماموریت رسمی آن کاوش قلمروی از تاریخ کیهانی است که برای هابل و تلسکوپ های قبل از آن غیرقابل دسترس بود.

آلن درسلر (Alan Dressler) از رصدخانه کارنگی (Carnegie) در پاسادنا (Pasadena)، کالیفرنیا (Calif)، گفت: «همه ما به خاطر این ستاره ها و کهکشان ها اینجا هستیم.»

این مأموریت مستلزم آن است که وب با نوری متفاوت از آنچه چشمان ما یا هابل می توانند ببینند تنظیم شود. به دلیل انبساط کیهان، اولین ستاره ها و کهکشان ها به سرعت از زمین دور می شوند که نور آنها به طول موج های طولانی تر و قرمزتر منتقل می شود، درست همانطور که آژیر یک آمبولانس با سرعت آن به یک موج پایین تر تغییر می کند.

آنچه که به عنوان نور آبی از یک کهکشان نوزاد در 13 میلیارد سال پیش آغاز شد، تا زمانی که به ما می رسد به طول موج های مادون قرمز نامرئی - تابش گرما - کشیده شده است.

برای تشخیص آن تابش های ضعیف، تلسکوپ باید بسیار سرد باشد - کمتر از 45 درجه سانتیگراد بالای صفر مطلق - تا گرمای خود آن گرمای شناسایی شده را از بین نبرد. از این رو سپر خورشید، که تلسکوپ را در تاریکی دائمی و سرد سایه می‌اندازد.

ارائه یک تفسیر هنرمندانه از اختروش، یکی از پدیده‌هایی که تلسکوپ بررسی خواهد کرد.

حتی قبل از پرتاب تلسکوپ فضایی هابل، در سال 1990، اخترشناسان در مورد آنچه که باید در آینده رخ دهد، بحث می کردند. دکتر درسلر رئیس کمیته ای بود که تلسکوپ فضایی نسل بعدی را به اندازه کافی قدرتمند برای دیدن اولین ستارگان و کهکشان های جهان پیشنهاد کرد، باید حداقل 4 متر قطر داشته باشد (آینه هابل فقط 2.4 متر عرض داشت) و به تشعشعات فروسرخ بسیار حساس باشد و هزینه آن یک میلیارد دلار خواهد بود.

ناسا درگیر یک سرگرمی بود، اما دن گلدین (Dan Goldin)، مدیر آژانس، نگران بود که یک تلسکوپ 4 متری برای شناسایی اولین ستاره ها به اندازه کافی تیزبین نباشد. در سال 1996، او به جلسه انجمن نجوم آمریکا رفت و دکتر درسلر (Dr.Dressler) و کمیته ی او را به خاطر محتاط بودن سرزنش کرد. او گفت که تلسکوپ جدید 8 متر عرض خواهد داشت که یک جهش شدید در قدرت، هزینه و زمان توسعه است.

اندازه این تلسکوپ دوبرابر شده بود و دیگر نمی توانست روی هیچ موشک موجود قرار بگیرد. این بدان معناست که آینه تلسکوپ باید تاشو باشد و باید خود را در فضا جمع کند. ناسا سرانجام روی آینه ای به عرض 6.5 متر مستقر شد - تقریباً سه برابر اندازه هابل و با هفت برابر قدرت جمع آوری نور. اما تمام چالش‌های توسعه و ساخت آن باقی ماند.

اگر آینه تاشو طبق برنامه عمل کند، این ماموریت می‌تواند راه جدیدی برای پرتاب تلسکوپ‌های غول‌پیکر بسیار بزرگ برای قرار گرفتن روی موشک‌ها باشد.

دکتر درسلر گفت: «ناسا خیلی زود به یک طراحی خاص متعهد شد. فکر می‌کنم این راه‌حل‌های خلاقانه‌ای را که ممکن بود شروع ساخت را به تعویق بیندازند اما تلسکوپ را بهتر و مقرون‌به‌صرفه‌تر و در پایان پرتاب سریع‌تر کرد، دلسرد کرد.»

آینه اولیه تلسکوپ در مرکز پرواز فضایی گدارد ناسا در گرین‌بلت.

شکست ها افزایش یافت. در یک مقطع، هزینه این تلسکوپ حدود 5 میلیارد دلار پیش بینی شد و در سال 2011 آماده شد. در نهایت تقریباً 10 میلیارد و 25 سال طول کشید. هزینه‌های بیش از حد و اشتباهات باعث می‌شود که سایر پروژه‌ها در بودجه علمی ناسا پول جذب کنند. مجله نیچر آن را "تلسکوپی که ستاره شناسی را خورد" نامید. ده سال پیش، کنگره به فکر لغو آن افتاد.

نامگذاری تلسکوپ چالش خودش بود. در سال 2002، شان اوکیف، مدیر ناسا در آن زمان، اعلام کرد که این ساز به نام آقای وب، که قهرمان علوم فضایی و رهبر آژانس در روزهای حساس برنامه آپولو بود، نامگذاری خواهد شد. برخی از ستاره شناسان از اینکه این تلسکوپ مانند تلسکوپ هابل یا رصدخانه پرتو ایکس اینشتین به یک دانشمند احترام نمی گذارد، ناامید شدند.

دیگران در جامعه نجوم به شوخی گفتند که حروف اول تلسکوپ مخفف "فقط منتظر تلسکوپ فضایی" است. دکتر ماتر گفت که تاخیرها برای این دوره یکسان بود، "ما مجبور بودیم 10 فناوری جدید را برای ساختن این تلسکوپ اختراع کنیم، و این همیشه سخت تر از آن چیزی است که مردم فکر می کنند."

طراحی آینه تاشو و سایبان بسیار دشوار بود. در اوایل سال 2018، سایبان در طول تمرین فرآیند باز شدن پاره شد و پروژه دوباره به تعویق افتاد.

سرانجام، اکتبر 2021، تلسکوپ با کشتی به گویان فرانسه رسید، جایی که قرار بود با موشک آریان 5 پرتاب شود. اما مشکلات تلسکوپ تمام نشد. در حالی که تکنسین ها برای اتصال آن به فضاپیما آماده می شدند، یک گیره به طور غیرمنتظره ای شل شد و کل ابزار به لرزه درآمد.

تاریخ پرتاب چهار روز به عقب انداخته شد، از 18 دسامبر تا 22 دسامبر، در حالی که ناسا تایید کرد که تلسکوپ آسیب ندیده است. چند روز بعد، کابل اطلاعات شکسته شد و پرتاب را چند روز دیگر به عقب انداخت.
 

گذشته ای خوش آیند

بررسی ماژول اپتیک دوربین مادون قرمز، تصویرگر اصلی تلسکوپ و محصول 20 سال تلاش مارسیا ریکه از دانشگاه آریزونا.

تقریباً 14 میلیارد سال پیش، زمانی که کیهان کمتر از یک تریلیونم ثانیه عمر داشت، نوسانات کوانتومی در چگالی ماده و انرژی باعث ایجاد توده هایی شد که به اولین ستاره ها تبدیل شدند.

دانشمندان بر این باورند که این ستارگان با ستارگانی که اکنون در آسمان شب می بینیم متفاوت بودند، زیرا آنها فقط از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده بودند که در کوره ترموهسته ای انفجار بزرگ ایجاد شده بودند. چنین ستارگانی ممکن است به سرعت صدها برابر خورشید بزرگتر شده باشند و سپس به سرعت باعث انفجار ابرنواخترها شده باشند. به نظر می رسد که آنها در جهان امروزی وجود ندارند.

دکتر ماتر گفت، با وجود تمام درخشش آنها، این ستارگان اولیه ممکن است هنوز آنقدر کم نور باشند که نتوان آنها را به صورت جداگانه با وب دید. اما، او افزود، "آنها به صورت گله می آیند"، توده هایی که ممکن است دانه های نخستین پیش کهکشان ها باشند، و منفجر می شوند: "وقتی منفجر شوند می توانیم آنها را ببینیم."

گمان می‌رود که این انفجارهای ابرنواختر فرآیند کاشت کهکشان را با عناصر سنگین‌تر و متنوع‌تر مانند اکسیژن و آهن، چیزهایی که برای سیارات و حیات ضروری هستند، آغاز کرده باشند.

مارسیا ریکه (Marcia Rieke) از دانشگاه آریزونا گفت: یکی از موارد مهم در دستور کار، شکار اولین کهکشان ها خواهد بود. دکتر ریکه 20 سال گذشته را هدایت ساخت یک دوربین ویژه، دوربین قرمز فروسرخ نزدیک یا NIRcam، یکی از چهار ابزاری است که نور جمع آوری شده توسط آینه تلسکوپ را می گیرد و آن را به تصویر یا طیفی معنادار تبدیل می کند.

دکتر ریکه در دانشگاه آریزونا.

تا کنون، قدیمی ترین و دورترین کهکشان شناخته شده، که توسط هابل کشف شده است، به زمانی تنها 400 میلیون سال پس از انفجار بزرگ باز می گردد. تلسکوپ وب قادر خواهد بود دورتر را ببیند، یعنی تنها 100 میلیون سال پس از انفجار بزرگ.

او گفت که در آن قلمرو مه آلود، دکتر ریکه انتظار دارد ده ها کهکشان نوزاد دیگر را پیدا کند. ستاره شناسان بر این باورند که اینها بلوک های ساختمانی برای خوشه های کهکشانی که امروزه قابل مشاهده هستند، هستند، تجمعاتی که از تریلیون ها ستاره هستند.

در طول مسیر، این کهکشان ها به نوعی سیاهچاله های بسیار پرجرم را در مرکز خود به دست می آورند که جرم آنها میلیون ها یا میلیاردها بزرگتر از خورشید است. اما چگونه و چه زمانی این اتفاق می‌افتد، و کدام یک اول است: کهکشان یا سیاه‌چاله آن؟

پریاموادا ناتاراجان (Priyamvada Natarajan)، اخترفیزیکدان در دانشگاه ییل (Yale) و همکارانش از جمله کسانی هستند که امیدوارند از وب برای یافتن پاسخی برای منشأ این سیاهچاله ها استفاده کنند.
آیا آنها از فروپاشی همان ستاره های اول آمده اند؟ یا سیاهچاله ها از قبل، میراث بیگ بنگ بودند؟

دکتر ناتاراجان گفت: «خیلی چیزها از نظر فکری از نظر درک ما از رشد سیاهچاله‌ها و عملاً از نظر شغلی برای اعضای جوان تیم ما و سایر افرادی که روی این سؤال مهم کار می‌کنند، در راس ومهم است.» البته با این فرض که همه چیز خوب پیش می رود و JWST داده ها را همانطور که انتظار می رود دریافت می کند.

جهان های فراتر از خورشید

آلفا قنطورس، ستاره ای که تنها 4.5 سال نوری از زمین فاصله دارد، یکی از اهداف تحقیق تلسکوپ وب خواهد بود.

در سال‌هایی که وب در حال توسعه بوده است، شکار و مطالعه سیارات فراخورشیدی - جهان‌هایی که به دور ستارگان دیگر می‌چرخند - به سریع‌ترین منطقه در حال رشد نجوم تبدیل شده است. دانشمندان اکنون می دانند که به تعداد ستاره ها در کهکشان سیاره وجود دارد.

دکتر ماتر (Dr.Mather) گفت: «همه چیزهایی که در مورد سیارات فراخورشیدی آموخته‌ایم شگفت‌انگیز بوده است.

او گفت که به دنبال چنین شگفتی است، این تلسکوپ به آلفا قنطورس، ستاره ای که تنها 4.5 سال نوری از زمین فاصله دارد، نگاه می کند: "ما انتظار سیارات را در آنجا نداریم، اما چه کسی می داند؟"

همانطور که مشخص است، تشعشعات مادون قرمز نیز برای مطالعه سیارات فراخورشیدی ایده آل هستند. هنگامی که یک سیاره فراخورشیدی از مقابل ستاره خود می گذرد، اتمسفر آن دارای نور پس زمینه است و دانشمندان روی زمین را قادر می سازد تا نشانه های طیف سنجی عناصر و مولکول ها را مطالعه کنند. سارا سیگر، کارشناس سیاره‌شناسی در مؤسسه فناوری ماساچوست، می‌گوید ازن مانند آب یکی از مولکول‌های مورد علاقه است.

اخترشناسان با زمان مشاهده در تلسکوپ وب فهرستی از حدود 65 سیاره فراخورشیدی برای رصد تهیه کرده اند. همه نسبتاً نزدیک هستند و ستاره‌های کوچکی که به نام کوتوله‌های قرمز شناخته می‌شوند در حال چرخش هستند. دکتر ماتر گفت که هیچ یک مشابه واقعی سیاره ما نیست، زمین 2.0 که به دور ستاره ای شبیه خورشید می چرخد. یافتن یکی از آن ها به تلسکوپ فضایی بزرگتر و نسل بعدی نیاز دارد. اما با این وجود می توانند قابل سکونت باشند.

دکتر جان ماتر از مرکز پرواز فضایی گدارد.

در نتیجه، برخی از پیش‌بینی‌شده‌ترین مشاهدات اولیه با وب، مربوط به سیارات منظومه تراپیست-1 است که فقط 40 سال نوری از ما فاصله دارند. در آنجا هفت سیاره دور یک ستاره کوتوله قرمز کم نور می گردند. سه سیاره به اندازه زمین هستند که در منطقه قابل سکونت می چرخند، جایی که آب می تواند در سطح وجود داشته باشد.

دکتر سیگر (Dr.Seager) بخشی از تیمی است که برای اولین بار به رصد یکی از امیدوارکننده ترین این سیارات فراخورشیدی، Trappist-1e پرداخته است. محققان با تلاش برای تعیین اینکه آیا جهان دارای جو است یا خیر، شروع خواهند کرد.

او گفت: «هنوز هیچ چیزی برنامه‌ریزی نشده است،» و مراحل بسیاری را که قبل از عملیاتی شدن تلسکوپ لازم است، بازگو کرد. من آن را به بیدار کردن کسی از کما تشبیه می کنم. شما از آنها نمی خواهید که فوراً یک ماراتن را اجرا کنند. این آزمایش گام به گام است."

وقتی از دکتر ماتر پرسیده شد که منتظر مطالعه چیست، به کهکشان های اولیه، انرژی تاریک و سیاهچاله ها اشاره کرد. او گفت: «آنچه که من واقعاً به آن امیدوار هستم چیزی است که انتظارش را نداریم.

اندازه گیری دوباره کیهان

کهکشان ESO 137-001

سی سال پیش، قبل از پرتاب تلسکوپ فضایی هابل، ستاره شناسان برجسته به شدت در مورد سرعت انبساط کیهان بحث می کردند. موضوع، مقدار صحیح ثابت هابل بود که مهم‌ترین عدد در جهان نامیده می‌شود. سرعت انبساط کیهانی را اندازه گیری می کند، اما اندازه گیری های نجومی با ضریب دو بر مقدار آن اختلاف نظر داشتند. این بدان معناست که ستاره شناسان نمی توانند به طور قابل اعتماد سن یا سرنوشت کیهان یا فاصله تا کهکشان های دیگر را محاسبه کنند.

تلسکوپ هابل قرار بود این بن بست را حل کند و دکتر فریدمن (Dr.Freedman) که اکنون در دانشگاه شیکاگو مشغول به کار است، "پروژه کلیدی" را به پایان رساند که به یک پاسخ پایان داد. اما اندازه گیری های اخیر اختلاف نظر جدیدی را در مورد نرخ انبساط کیهانی آشکار کرده است. و دکتر فریدمن با استفاده از تلسکوپ فضایی جدید برای اندازه گیری مجدد ثابت هابل، دوباره خود را در میانه میدان یافت.

او در ایمیلی گفت: «امروز ما فرصتی داریم تا چیزی در مورد جهان اولیه بیاموزیم. از آنجایی که دقت ما به طور فزاینده‌ای بالاتر است، موضوع تغییر کرده است - اکنون می‌توانیم بپرسیم که آیا شکاف‌هایی در مدل استاندارد کیهان‌شناسی فعلی ما وجود دارد یا خیر. آیا فیزیک بنیادی گمشده جدیدی وجود دارد؟»

او گفت: "پس بله، هیجان انگیز است." یک بار دیگر، یک تلسکوپ فضایی فوق‌العاده جدید که به ما اجازه می‌دهد تا یک بحث را حل کنیم!

و این، بدون شک، موارد جدیدی را ایجاد خواهد کرد. همانطور که کلاوس پونتوپیدان (Klaus Pontoppidan)، ستاره شناس موسسه علوم تلسکوپ فضایی، در یک کنفرانس خبری اخیر گفت: "تلسکوپ برای پاسخ به سوالاتی ساخته شده است که ما نمی دانستیم داریم."