تلسکوپ فضایی جیمز وب؛ چشمی به اعماق کیهان

تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST)، که در 25 دسامبر 2021 پرتاب شد، پیشرفته‌ترین رصدخانه فضایی ساخته‌شده توسط بشر است. این تلسکوپ، که نتیجه همکاری ناسا، آژانس فضایی اروپا (ESA) و آژانس فضایی کانادا (CSA) است، برای مطالعه کهکشان‌های اولیه، شکل‌گیری ستارگان، و جست‌وجوی نشانه‌های حیات فرازمینی طراحی شده است. JWST با آینه اصلی 6.5 متری و فناوری‌های پیشرفته مانند دید مادون قرمز و سیستم خنک‌کننده، جایگزین معنوی تلسکوپ هابل محسوب می‌شود. سایت ابرار صنعتی به بررسی تلسکوپ فضایی جیمز وب می‌پردازد.

مشخصات جیمز وب بزرگ‌ترین رصدخانه فضایی تاریخ

تلسکوپ جیمز وب با آینه اصلی 6.5 متری متشکل از 18 بخش شش‌ضلعی، بزرگ‌ترین رصدخانه فضایی تاریخ است. وزن آن 6,500 کیلوگرم و ابعادش 20.197 × 14.162 متر است. JWST مجهز به چهار ابزار علمی اصلی است: دوربین مادون قرمز نزدیک (NIRCam)، طیف‌نگار مادون قرمز نزدیک (NIRSpec)، ابزار مادون قرمز میانی (MIRI)، و حسگر هدایت دقیق/تصویرگر مادون قرمز نزدیک و طیف‌نگار بدون شکاف (FGS/NIRISS). این تلسکوپ در نقطه لاگرانژ L2 (1.5 میلیون کیلومتر از زمین) قرار دارد و با موشک آریان 5 پرتاب شد. JWST برای کار در دمای نزدیک به صفر مطلق (-223 درجه سانتی‌گراد) طراحی شده و ماموریت آن حداقل 10 سال است.

ماموریت‌های علمی جیمز وب در کهکشان راه شیری

JWST ماموریت‌های متعددی در کهکشان راه شیری دنبال می‌کند. این تلسکوپ دیسک‌های پیش‌ستاره‌ای، مناطق تشکیل ستارگان، و سیارات فراخورشیدی را با جزئیات بی‌سابقه‌ای بررسی می‌کند. برای مثال، JWST تصاویر دقیقی از مناطق ستاره‌زایی مانند سحابی عقاب (M16) ثبت کرده و ترکیبات شیمیایی ابرهای مولکولی را تحلیل می‌کند. این تلسکوپ همچنین به مطالعه سیاه‌چاله مرکزی راه شیری (Sagittarius A) و تأثیر آن بر دینامیک کهکشانی می‌پردازد. ابزارهای مادون قرمز JWST امکان رصد ستارگان کم‌نور و کوتوله‌های قهوه‌ای را فراهم می‌کنند. داده‌های JWST به درک بهتر چرخه حیات ستارگان و تکامل کهکشان راه شیری کمک می‌کنند.

بررسی تکنولوژی‌های پیشرفته به کار رفته در جیمز وب

تلسکوپ فضایی جیمز وب از فناوری‌های پیشرفته‌ای بهره می‌برد. آینه اصلی آن از بریلیوم با روکش طلا ساخته شده و برای حداکثر بازتاب نور مادون قرمز بهینه شده است. سپر خورشیدی پنج‌لایه‌ای آن دمای تلسکوپ را تا 300 درجه سانتی‌گراد کاهش می‌دهد. ابزارهای علمی مانند NIRCam و MIRI امکان تصویربرداری و طیف‌نگاری در محدوده مادون قرمز را فراهم می‌کنند. سیستم خنک‌کننده MIRI دمایی تا 7 کلوین (-266 درجه سانتی‌گراد) ایجاد می‌کند. JWST همچنین از سیستم هدایت دقیق با حسگرهای ستاره‌ای استفاده می‌کند که دقت نشانه‌گیری را به 0.01 ثانیه قوسی می‌رساند. این فناوری‌ها JWST را قادر به رصد اجرام در فاصله 13.5 میلیارد سال نوری می‌کنند.

موقعیت مکانی جیمز وب در نقطه لاگرانژ L2

JWST در نقطه لاگرانژ L2، در فاصله 1.5 میلیون کیلومتری از زمین در سمت مقابل خورشید، قرار دارد. نقطه L2 یکی از پنج نقطه تعادل گرانشی در سیستم خورشید-زمین است که در آن نیروی گرانش خورشید و زمین تعادل ایجاد می‌کند. این موقعیت مزایای متعددی دارد: دوری از تداخلات نوری و حرارتی زمین و خورشید، امکان مشاهده مداوم آسمان، و کاهش مصرف سوخت برای حفظ موقعیت. سپر خورشیدی تلسکوپ جیمز وب از آن در برابر گرمای خورشید محافظت می‌کند، و تلسکوپ هر 180 روز یک‌بار مداری به شعاع 800,000 کیلومتر در اطراف L2 می‌پیماید. این موقعیت برای رصدهای مادون قرمز ایده‌آل است.

فناوری آینه‌های شش‌ضلعی

آینه اصلی تلسکوپ فضایی جیمز وب از 18 بخش شش‌ضلعی با قطر 1.32 متر تشکیل شده که در مجموع سطحی 6.5 متری ایجاد می‌کنند. این آینه‌ها از بریلیوم ساخته شده‌اند، زیرا این ماده سبک، مقاوم در برابر دماهای پایین، و پایدار است. هر بخش با لایه‌ای از طلا به ضخامت 100 نانومتر روکش شده تا بازتاب نور مادون قرمز را به 98 درصد برساند. آینه‌ها با عملگرهای نانومتری تنظیم می‌شوند تا دقت سطحی کمتر از 20 نانومتر داشته باشند. طراحی شش‌ضلعی امکان جمع‌آوری نور بیشتر (6 برابر هابل) و تا شدن برای پرتاب را فراهم می‌کند. این فناوری قلب توانایی رصدی JWST است.

چگونگی تا شدن و باز شدن در فضا

تلسکوپ جیمز وب به دلیل اندازه بزرگ، به‌صورت تا‌شده در موشک آریان 5 پرتاب شد. آینه اصلی و سپر خورشیدی آن در حالت فشرده قرار داشتند تا در محفظه 5.4 متری موشک جای گیرند. پس از پرتاب، JWST در طی 14 روز فرآیند پیچیده‌ای برای باز شدن طی کرد. ابتدا سپر خورشیدی پنج‌لایه‌ای (به اندازه یک زمین تنیس) باز شد، سپس آینه‌های ثانویه و اصلی به‌تدریج در موقعیت خود قرار گرفتند. این فرآیند شامل 344 مرحله بحرانی بود که هرگونه خطا می‌توانست ماموریت را به خطر بیندازد. تنظیم دقیق آینه‌ها با استفاده از لیزر و الگوریتم‌های ناسا در فضا انجام شد تا دقت رصدی تضمین شود.

دید مادون قرمز و اهمیت آن در اخترشناسی

JWST برای رصد در محدوده مادون قرمز نزدیک (0.6-5 میکرومتر) و میانی (5-28 میکرومتر) طراحی شده است. نور مادون قرمز امکان نفوذ در غبار کیهانی را فراهم می‌کند، که نور مرئی را مسدود می‌کند، و به JWST اجازه می‌دهد کهکشان‌های اولیه، مناطق ستاره‌زایی، و سیارات فراخورشیدی را رصد کند. مادون قرمز همچنین نور قرمزگرایانه (Redshift) از اجرام دوردست را قابل‌تشخیص می‌کند، که برای مطالعه جهان اولیه (تا 13.5 میلیارد سال پیش) حیاتی است. ابزارهای NIRCam و MIRI داده‌های طیفی و تصویری با وضوح بالا ارائه می‌دهند، که به اخترشناسان کمک می‌کند ترکیبات شیمیایی و دمای اجرام را تحلیل کنند.

آشکارسازی نور کهکشان‌های اولیه

JWST برای رصد کهکشان‌های اولیه که تنها چند صد میلیون سال پس از بیگ‌بنگ (13.8 میلیارد سال پیش) شکل گرفتند، طراحی شده است. نور این کهکشان‌ها به دلیل قرمزگرایی (Redshift) به محدوده مادون قرمز منتقل شده است. در ژوئیه 2022، تلسکوپ فضایی جیمز وب عمیق‌ترین تصویر کیهانی تاریخ را از خوشه کهکشانی SMACS 0723 ثبت کرد، که کهکشان‌هایی با قدمت 13.5 میلیارد سال را نشان می‌داد. ابزار NIRSpec ترکیبات شیمیایی این کهکشان‌ها، مانند هیدروژن و اکسیژن، را تحلیل کرد. این مشاهدات به اخترشناسان کمک می‌کند تا فرآیندهای شکل‌گیری کهکشان‌ها و تکامل جهان اولیه را درک کنند.

نقش آینه‌های طلایی در افزایش بازتاب

آینه‌های تلسکوپ جیمز وب با لایه‌ای از طلا به ضخامت 100 نانومتر روکش شده‌اند، زیرا طلا بازتاب نور مادون قرمز را به 98 درصد می‌رساند، در حالی که نقره یا آلومینیوم در این محدوده کمتر کارآمدند. این لایه طلایی روی بریلیوم با روش رسوب بخار اعمال شده و با یک لایه سیلیکا محافظت می‌شود تا در برابر میکروشهاب‌سنگ‌ها مقاوم باشد. آینه‌های طلایی نور را با دقت بالا به ابزارهای علمی هدایت می‌کنند و امکان رصد اجرام کم‌نور را فراهم می‌کنند. این فناوری جمع‌آوری نور JWST را 6 برابر بیشتر از هابل کرده و حساسیت آن را برای رصد کهکشان‌های دوردست افزایش داده است.

سیستم خنک‌کننده و کنترل دمای فوق‌العاده

تلسکوپ فضایی جیمز وب برای عملکرد در مادون قرمز به دمای بسیار پایین نیاز دارد. سپر خورشیدی پنج‌لایه‌ای آن، ساخته‌شده از کاپتون با روکش آلومینیوم، گرمای خورشید را منعکس کرده و دمای سمت آفتابی (85 درجه سانتی‌گراد) را از سمت سایه (-233 درجه سانتی‌گراد) جدا می‌کند. ابزار MIRI با یک خنک‌کننده کریوژنیک به دمای 7 کلوین (-266 درجه سانتی‌گراد) می‌رسد، که برای تشخیص نور مادون قرمز میانی ضروری است. این سیستم خنک‌کننده از تداخل گرمایی خود تلسکوپ جلوگیری می‌کند و حساسیت JWST را به نورهای ضعیف افزایش می‌دهد. طراحی سپر خورشیدی یکی از پیچیده‌ترین بخش‌های مهندسی JWST بود.

چالش‌های ساخت و پرتاب JWST

ساخت JWST با چالش‌های متعددی مواجه بود. هزینه پروژه از 500 میلیون دلار اولیه به 10 میلیارد دلار افزایش یافت و پرتاب آن از سال 2007 به 2021 به تعویق افتاد. طراحی سپر خورشیدی و آینه‌های تا‌شونده پیچیدگی‌های مهندسی بی‌سابقه‌ای داشت. آزمایش‌های زمینی در محفظه‌های خلأ و سرما برای شبیه‌سازی شرایط فضا ضروری بود. فرآیند باز شدن JWST در فضا شامل 344 نقطه شکست احتمالی بود که هر یک می‌توانست ماموریت را متوقف کند. بااین‌حال، همکاری بین‌المللی و مهندسی دقیق، موفقیت JWST را تضمین کرد.

JWST اخترشناسی را متحول کرده است. تصاویر و داده‌های آن درک ما از جهان اولیه، شکل‌گیری ستارگان، و سیارات فراخورشیدی را عمیق‌تر کرده‌اند. برای مثال، JWST کهکشان‌هایی را شناسایی کرد که مدل‌های کیهان‌شناسی قبلی را به چالش کشیدند. این تلسکوپ همچنین به مطالعه اتمسفر سیارات فراخورشیدی و شناسایی نشانه‌های زیستی کمک می‌کند. داده‌های JWST به‌صورت عمومی در دسترس هستند و جامعه علمی را قادر به تحلیل‌های جدید کرده‌اند. انتظار می‌رود JWST تا پایان ماموریتش (حداقل 2032) اکتشافات بیشتری در زمینه کیهان‌شناسی و اخترزیست‌شناسی ارائه دهد.

جیمز وب و امید به کشف حیات فرازمینی

تلسکوپ فضایی جیمز وب نقش کلیدی در جست‌وجوی حیات فرازمینی دارد. این تلسکوپ اتمسفر سیارات فراخورشیدی را با طیف‌نگاری (ابزار NIRSpec و MIRI) تحلیل می‌کند تا نشانه‌های زیستی مانند متان، دی‌اکسید کربن، یا بخار آب را شناسایی کند. در سال 2022، JWST اتمسفر سیاره WASP-96b را بررسی کرد و حضور بخار آب را تأیید نمود. این تلسکوپ به‌ویژه برای مطالعه سیارات در منطقه قابل‌سکونت ستارگان (Goldilocks Zone) مناسب است. اگرچه JWST نمی‌تواند حیات را مستقیماً اثبات کند، داده‌های آن اطلاعات ارزشمندی درباره احتمال وجود حیات در سیارات دیگر ارائه می‌دهد.

سوالات متداول

چه چیزی جیمز وب را از هابل متمایز می‌کند؟

تلسکوپ فضایی جیمز وب و هابل هر دو تلسکوپ‌های فضایی هستند، اما تفاوت‌های اساسی دارند. هابل عمدتاً در نور مرئی و فرابنفش (0.1-2.5 میکرومتر) کار می‌کند، در حالی که JWST در مادون قرمز (0.6-28 میکرومتر) رصد می‌کند، که برای مطالعه کهکشان‌های اولیه و سیارات فراخورشیدی مناسب‌تر است. آینه JWST (6.5 متر) 6 برابر بزرگ‌تر از آینه هابل (2.4 متر) است و حساسیت بیشتری دارد. JWST در نقطه L2 قرار دارد، در حالی که هابل در مدار نزدیک زمین (550 کیلومتر) است. هابل قابل‌تعمیر بود، اما JWST برای تعمیر طراحی نشده است. این تفاوت‌ها JWST را به ابزاری برای رصد جهان اولیه تبدیل کرده‌اند.

تلسکوپ جیمز وب چگونه شکل‌گیری کهکشان‌ها را آشکار می‌کند؟

JWST با رصد نور قرمزگرایانه کهکشان‌های اولیه، فرآیندهای شکل‌گیری کهکشان‌ها را آشکار می‌کند. این تلسکوپ می‌تواند کهکشان‌هایی را که 200-400 میلیون سال پس از بیگ‌بنگ شکل گرفتند، شناسایی کند. تصاویر تلسکوپ جیمز وب از خوشه‌های کهکشانی مانند Abell 2744 نشان داده‌اند که چگونه کهکشان‌های کوچک ادغام شده و کهکشان‌های بزرگ‌تر را تشکیل داده‌اند. ابزار NIRSpec داده‌های طیفی ارائه می‌دهد که ترکیبات شیمیایی (مانند هلیوم و فلزات سنگین) و نرخ تشکیل ستارگان را مشخص می‌کند. این مشاهدات نظریه‌های شکل‌گیری کهکشان‌ها را تأیید کرده و نشان داده‌اند که کهکشان‌ها زودتر از آنچه تصور می‌شد، شکل گرفته‌اند.

منبع: ابرار صنعتی