دستیابی تلسکوپ فضایی جیمز وب به دستاوردهایی فراتر از انتظار

تلسکوپ جیمز وب چیست؟

تلسکوپ فضایی جیمز وب که با هزینه 10 میلیارد دلاری ساخته شده، 25 دسامبر 2021 میلادی به فضا پرتاب شد تا ادامه‌دهنده راه تلسکوپ فضایی هابل باشد. مکانیزم عملکردی هابل به این صورت تنظیم شده بود تا نورهای مرئی را رصد کند، همان طول موج‌هایی که چشم انسان قادر به مشاهده آن‌ها است، اما جیمز وب برای رصد طول موج‌های بلندتر تنظیم شده است. طول ‌موج‌هایی که از دوردست‌ترین اجرام ساطع می‌شود، اما برای ما مرئی نیستند. جیمز وب قادر به شناسایی نورهایی است که بیش از میلیاردها سال نوری از زمین فاصله دارند. آینه اصلی تلسکوپ فضایی جیمز وب، ۵.۶ متر قطر دارد و از ۱۶ بخش ۶ ضلعی تشکیل شده است. آینه برای قرارگیری درون موشک در شکل نهایی بیش‌ازحد بزرگ بود و به همین دلیل به‌شکل چندبخشی طراحی شد تا امکان خم شدن آن فراهم شود. هنگامی‌که آینه‌ها باز می‌شوند تیم نظارت بر عملکرد جیمز وب بخش‌های آن را با دقت تراز می‌کنند تا یک سطح یکپارچه واحد تشکیل شود. آینه‌ها برای دریافت تصاویر شفاف از کیهان باید در گام‌هایی به اندازه یک‌پنج‌‌هزارم موی انسان تراز شوند. قراردادن تمام بخش‌های آینه در مکان صحیح با این دقت فرآیندی زمان‌بر بود که دانشمندان به‌خوبی از عهده مدیریت آن برآمدند. تجهیزات اصلی که روی تلسکوپ جیمز وب نصب ‌شده‌اند، یکپارچه هستند و روی یک ماژول قرار گرفته‌اند که ماژول یکپارچه‌ تجهیزات علمی نام دارد. ماژولی که یک ساختار داربست‌شکل یک‌تکه دارد. 4 عدد از ابزارهای علمی تلسکوپ، روی این ماژول نصب شده‌اند و به‌شکل یکپارچه کار می‌کنند. قرار دادن این تجهیزات روی یک شاسی، فرآیند پیچیده‌ای بود، به همین دلیل مهندسان این ماژول را به سه بخش اصلی تقسیم کردند. در ناحیه‌ اول، ابزار خنک‌سازی قرار گرفته که وظیفه‌ تنظیم دمای حسگرها را بر عهده دارد. این خنک‌سازها، باید دمای حسگرها را روی منفی 234 سانتی‌گراد نگه دارند. انجام این کار به این دلیل مهم است که خنک‌سازی باعث می‌شود گرمای بدنه‌ تلسکوپ با نور فروسرخی که حاصل از حرارت منابع کیهانی دوردست است، تداخل نداشته باشد. سیستم مدیریت دمای این ماژول و قطعات نوری باعث می‌شوند دما کاهش پیدا کند تا حسگرها بهتر خنک شوند. در ناحیه دوم، محفظه‌ تجهیزات الکترونیکی قرار گرفته است. این محفظه، بدنه‌ای برجسته دارد که قطعات الکترونیکی درون آن قرار گرفته‌اند. دمای این محفظه با دمای خارجی متفاوت و محیطی مناسب برای تجهیزات الکترونیکی است. دمای کنترل‌شده‌ این بخش باعث می‌شود تجهیزات الکترونیکی به بهترین شکل ممکن کار کنند و طول عمر آن‌ها افزایش پیدا کند. مهم‌ترین ابزار تلسکوپ جیمز وب دوربین فروسرخ‌نزدیک (NIRCam) است که دقیق‌ترین تصاویر را با بالاترین جزییات ثبت می‌کند. این دوربین گران‌قیمت، دو وظیفه‌ اصلی دارد؛ اول آن‌که باید از نورهای طیف 0.6 تا 5 میکرون تصویربرداری کند، و دوم آن‌که به‌‌عنوان یک حسگر هماهنگ‌کننده عمل کند تا بتواند 18 آینه‌ را به‌گونه‌ای تنظیم کند تا بتوانند به‌‌عنوان آینه‌ای واحد عمل کنند. این مهندسی دقیق تجهیزات باعث شده تا تلسکوپ بتواند قدیمی‌ترین کهکشان جهان تا این زمان را کشف کند!

قدیمی‌ترین کهکشکان کیهان

در جدیدترین تصاویر ضبط‌شده توسط تلسکوپ جیمز وب لکه قرمز رنگ کوچکی مشاهده می‌شود که شبیه به یک گوجه فرنگی له‌شده است. یک لکه قرمز، خیلی مبهم و بدون لبه که وقتی اولین بار به آن نگاه می‌کنید، احساس می‌کنید برای بهتر دیدن آن باید عینک به چشم بزنید (شکل 1). اگر هیچ توضیحی در مورد این لکه قرمزرنگ ارائه نشود، هیچ‌کس نمی‌تواند به ماهیت جرم به تصویر کشیده شده در آن

پی ببرد. تصویر جدید، به احتمال زیاد، قدیمی‌ترین کهکشانی را که تاکنون مشاهده کرده‌ایم نشان می‌دهد. نوری که این کهکشان از خود ساطع کرده و جیمز وب آن‌را رصد کرده، قبل از پدید آمدن تقریبا هر چیزی، محدوده درخشان خود را ترک کرده است. 

شکل 1

به گفته دو تیم مجزا از ستاره‌شناسان، آن گوجه فرنگی مبهمی که مشاهده می‌کنیم، کهکشانی است که به‌‌نظر می‌رسد 300 میلیون سال بعد از پیدایش جهان هستی شکل گرفته است. همان‌گونه که اطلاع دارید، بعد از آن، اتفاقات خیلی زیادی افتاده، خورشید ما متولد شده، سیاره‌ها شکل گرفته‌اند، حیات روی زمین آغاز شده و مصنوعات مختلفی اختراع شده‌اند. اکنون، جیمز وب نوار زمان را به عقب برده است. 

نور دورترین کهکشان‌هایی که تلسکوپ فضایی جیمز وب برای تشخیص آن طراحی شده، میلیاردها سال طول می‌کشد تا به زمین برسد. این نور باستانی که جیمز وب دریافت کرده، باعث شده تا اخترشناسان به آن لقب ماشین زمان بدهند. به بیان دقیق‌تر، با نگاه‌ کردن به این لکه قرمز، به خاطره‌ای کیهانی در بیش از 13.5 میلیارد سال گذشته نگاه می‌کنیم.

ستاره‌شناسان کشف اخیر را یافته‌ای اولیه می‌دانند که اگر صحت آن اثبات شود، قادر است انقلابی در حوزه نجوم به‌وجود آورد و راه را برای مطالعات بیشتر در مورد کیهان هموار کند. هیچ ‌‌یک از تیم‌هایی که گوجه فرنگی کیهانی را رصد کردند، در نخستین مشاهدات خود از آن، انتظار نداشتند به این زودی کهکشانی مانند نمونه‌ کشف‌‌شده را پیدا کنند. جالب آن‌که اخترشناسان تلسکوپ را برای مشاهده دورترین اجرام آماده نکرده بودند (شکل 2). 

شکل 2

جین ریگبی، متخصص فیزیک نجوم و دانشمند پروژه عملیاتی جیمز وب در این باره می‌گوید: «جالب این‌که ما هنوز جیمز را به آن اندازه‌ای که بتواند به جهان‌های دوردست نگاه کند، تنظیم نکرده بودیم، بلکه تنها یک تغییر کوچک در تنظیمات آن اعمال کردیم که همین حرکت کوچک باعث شد قدیمی‌ترین کهکشان حال حاضر را پیدا کنیم. یافته جدید درست مثل برگی از یک درخت است». علاوه بر این، کهکشان کشف‌شده در یک میدان دید خیلی کوچک مشاهده شده و کوچک‌تر از دهانه یکی از کوه‌های روی ماه است. حالا با خود فکر کنید که جیمز وب چه چیزهای دیگری را می‌تواند پیدا کند. با هر رصد دقیقی که انجام می‌شود، تلسکوپ اجازه می‌دهد کهکشان‌های کم‌نوری را مشاهده کنیم که اطلاعات دقیق‌تری در مورد کیهان ارائه می‌دهد. 

در مقطع فعلی، کهکشان کشف‌شده، تنها کاندیدای قدیمی‌ترین کهکشان مشاهده‌شده است، هرچند در اخترشناسان به‌طور قاطع در این زمینه اظهارنظر نکرده‌اند. اخترشناسانی که این کهکشان را در داده‌های جیمز وب مشاهده کرده‌اند، دو تیم مجزا هستند که به‌شکل مستقل کار می‌کنند. یکی از آن‌ها کهکشان را GLASS-z13 و دیگری GHZ2 نام‌گذاری کرده است. هر دو گروه هنوز به مشاهده بیشتری برای تایید فاصله آن نیاز دارند. 

با این‌حال اگر صحت اطلاعات تایید شود، درخشش قرمز گوجه فرنگی کیهانی، رکورد قدیمی‌ترین کهکشان مشاهده‌شده که پیش از این در اختیار کهکشانی بود که سال 2015 میلادی توسط تلسکوپ فضایی هابل ثبت شد و عمر آن صد میلیون سال برآورد شده را خواهد شکست. به‌طور معمول، اخترشناسان بر مبنای نور ساطع‌شده از کهکشان‌ها قدمت آن‌ها را تعیین می‌کنند. نور ستارگان واقع در کهکشان‌های دور، به‌عنوان نور مرئی منبع خود را ترک می‌کنند، اما زمانی که به ما می‌رسند، پدیده‌ای به‌نام انتقال به سرخ را تجربه می‌کنند و در طیف الکترومغناطیس به محدوده‌ فروسرخ متمایل می‌شوند. 

فروسرخ برای چشمان ما نامرئی، اما برای حسگرهای جیمز وب قابل رویت است. اخترشناسان می‌دانند که هرچه نور قرمزتر باشد از کهکشانی دورتر ساطع شده است. روهان نایدو، اخترشناس دانشگاه هاروارد که هدایت یکی از تیم‌ها را برعهده دارد، در این باره می‌گوید: «کهکشان جدید در طول موج‌های قرمزتر خوب تشخیص داده می‌شود، اما وقتی به طول موج‌های آبی‌تر می‌رود، تقریبا ناپدید می‌شود. این ویژگی، خصوصیت اصلی کهکشان‌های دوردست است».

برای تایید فاصله GLASS-z13 از ما، ستاره‌شناسان باید نوری را که از کهکشان می‌تابد، با روش خاصی اندازه‌گیری کنند تا از این طریق اطلاعات مربوط به ترکیبات شیمیایی آن آشکار شود. این روش به‌عنوان یک استاندارد طلایی در اندازه‌گیری مسافت‌های بین کهکشانی شناخته می‌شود. دانشمندان اطمینان دارند تلسکوپ جیمز وب از عهده انجام این کار برمی‌آید. چند هفته قبل، تیم جیمز وب داده‌هایی را منتشر کرد که نشان می‌داد جیمز وب تا چه اندازه در ثبت ویژگی‌های کهکشانی که نزدیک‌تر از GLASS-z13 به ما است خوب عمل می‌کند. نور ساطع‌شده از آن کهکشان، 13.1 میلیارد سال طول می‌کشد تا به زمین برسد، با این وجود جیمز وب توانست نشانه‌های مشخصی از اکسیژن، هیدروژن و نئون را با وضوح قابل توجهی تشخیص دهد. توماسو ترو، متخصص فیزیک نجوم دانشگاه کالیفرنیا و عضو تیم دوم که به‌طور مستقل و مجزا موفق به شناسایی کهکشان شدند، در این باره می‌گوید: «دانستن ترکیبات شیمیایی دورترین کهکشان‌ها می‌تواند اطلاعات اساسی و پایه‌ای از نحوه شکل‌گیری و رشد این کهکشان‌ها در اختیار ما قرار دهد». 

درحال‌حاضر ستاره‌شناسان دریافته‌اند که GLASS-z13 علاوه ‌بر کهکشانی بالقوه در رکوردشکنی، عجیب‌تر از آن چیزی است که تصور می‌شد. ستاره‌شناسان همیشه فکر می‌کردند کهکشان‌ها در اوایل تاریخ کیهان نمی‌توانستند خیلی بزرگ شوند و تقریبا 500 میلیون سال پس از بیگ بنگ، شمار ستارگان آن‌ها شروع به افزایش کرد، اما GLASS-z13 بسیار درخشان است و نشان می‌دهد ستارگان فراوانی در خود جای داده که در مجموع یک میلیارد برابر خورشید جرم دارند. 

کریس لینتوت، ستاره‌شناس دانشگاه آکسفورد که روند شکل‌گیری کهکشان‌ها را بررسی می‌کند، اما در پژوهش‌های اخیر نقشی نداشته، در این باره می‌گوید: «بزرگ‌ بودن کهکشان جدید به این معنا است که شکل‌گیری ستارگان به‌سرعت انجام می‌شود. شاید تولد ستارگانی بزرگ با جرم زیاد، بسیار ساده‌تر از پیش‌بینی دانشمندان باشد یا احتمال دارد کهکشان‌های اولیه در اثر نیروهایی گرانشی که شناختی درباره‌شان نداریم، پدید آمده‌اند. وجود کهکشان‌هایی مانند GLASS-z13 نشان می‌دهد که پایان عصر تاریک جهان، یعنی زمانی که نخستین ستارگان روشن شدند، دورانی تماشایی بوده است».

دستاورد اخیر اطلاعات مهمی در مورد نحوه شکل‌گیری کهکشان‌ها در اختیار دانشمندان قرار داده است. ستاره‌شناسان در این باره می‌گویند، اکنون باید در انتظار حجم گسترده‌ای از مقاله‌های علمی جدیدی باشیم که نشان می‌دهند این دورترین کهکشان کشف‌شده است! به همین دلیل اگر کاندیدای بعدی همین امروز یا هفته دیگری معرفی شود، نباید تعجب کنیم. یک سال بعد، ده‌ها یا شاید صدها کهکشانی را خواهیم داشت که در فواصل مشابه شناسایی شده‌اند. ریگبی می‌گوید: «ما متوجه خواهیم شد کدام کهکشان‌ها واقعی هستند و سپس آن‌ها را مطالعه خواهیم کرد. آنگاه می‌فهمیم این کهکشان‌ها از چه چیزی ساخته شده‌اند، چه مقدار گردوغبار دارند و داستان ستارگان درخشان درون‌شان چیست». هرچند قدیمی‌ترین نورهای کیهان در تمام این مدت پیرامون ما قرار داشته‌اند، اما ما به‌تازگی با آن‌ها آشنا شده‌ایم.  لینوت در ادامه حرف‌هایش می‌گوید: «ما همیشه، در تمام طول تاریخ بشر، در نوری که از دورترین کهکشان‌ها به ما رسیده غوطه‌ور بوده‌ایم، زمانی که جهان هستی فقط چند صد میلیون سال عمر داشته، اما تازه امروز موفق به ساخت دستگاهی شده‌ایم که می‌تواند این نورها و تصاویر را ضبط کند».