علوم پایه، عمومی، فیزیک ۳۰۶۹ بازدید

دانش انسان از جهان، محدود به حواس او است اما ذهن، اعتقادی به این محدودیت‌ها ندارد. هنگامی‌که نیمه‌شب در کنار جنگل آتش روشن کرده‌اید و در روشنایی کم آتش به تاریکی جنگل خیره می‌شوید، تصاویر ترسناکی را در ذهن به تصویر خواهید کشید. این تصاویر ناشی از عدم آگاهی و تاریکی شب است. اما هنگامی‌که با چراغ‌قوه در دل جنگل حرکت می‌کنید، جز درختان انبوه، چیزی نخواهید دید. در سالیان دور و قبل از اختراع تلسکوپ، انسان تصور مشابهی از کیهان داشت.

فهرست مطالب این نوشته

اما، در حدود ۴۰۰ سال قبل و با اختراع تلسکوپ، دریچه جدیدی به روی بشر گشوده شد. در میانه قرن بیستم میلادی و با ساخت رادیو تلسکوپ‌ها، کهکشان‌هایی در فاصله‌های بسیار دور مشاهده شدند. برخورد کهکشان‌ها با استفاده از تلسکوپ هابل به اثبات رسید. اکنون نوبت به تلسکوپ «جیمز وب» (James Webb) رسیده است. این تلسکوپ در تاریخ ۲۵ دسامبر سال ۲۰۲۱ معادل روز چهارم دی‌ماه سال ۱۴۰۰ شمسی در ساعت ۱۲:۲۰ بعدازظهر به وقت گرینویچ از مرکز فضایی «جیوآنا» (Guiana) به فضا پرتاب شد. در این مطلب در مورد تلسکوپ جیمز وب و تاریخچه آن، تصاویر ارسالی و تمام دانستنی‌های لازم در مورد این تلسکوپ صحبت خواهیم کرد.

تلسکوپ جیمز وب چیست؟

در روز کریسمس، سازمان فضایی آمریکا، ناسا، بزرگ‌ترین، پرهزینه‌ترین و قدرتمند‌ترین تلسکوپ ساخته شده را به فضا فرستاد. تلسکوپ جیمز وب در فاصله بسیار دوری از زمین و در مدار خود می‌چرخد. این تلسکوپ در مورد شکل‌گیری اولین کهکشان‌های جهان، مقایسه آن‌ها با کهکشان‌های جدید، نحوه تشکیل منظومه‌شمسی و وجود زندگی در سیاره‌های دیگر مطالعه خواهد کرد. تصویر زیر لحظه پرتاب تلسکوپ جیمز وب را نشان می‌دهد.

لحظه پرتاب تلسکوپ جیمز وب

تلسکوپ جیمز وب جایگزین بسیار مناسبی برای تلسکوپ هابل است. تلسکوپ هابل برای اولین بار در سال ۱۹۹۰ به فضا پرتاب شد و تصاویر بی‌نظیری را از کیهان به نمایش گذاشت. از این تلسکوپ برای مطالعه موضوع‌های پیشرفته‌ای مانند انرژی تاریک و سیاره‌های فراخورشیدی استفاده شده است. اکنون با پرتاب تلسکوپ جیمز وب انتظار می‌رود که ناممکن‌ها ممکن شوند و به بسیاری از پرسش‌های انسانِ کنجکاو پاسخ داده شود.

طرح اولیه این تلسکوپ توسط ناسا پیشنهاد و هزینه هنگفتی برای ساخت آن پیش‌بینی شد. در ادامه، سازمان فضایی اروپا و سازمان فضایی کانادا برای ساخت تلسکوپ جیمز وب به ناسا پیوستند. اما جیمز وب کیست؟ این فرد یکی از مدیران ارشد ناسا بین سال‌های ۱۹۶۱ تا ۱۹۶۸ بود و بر ساخت آپولو و پیشرفت این پروژه در دهه ۶۰ میلادی نظارت می‌کرد.

جیمر وب
جیمز وب

در ابتدا قرار بود نام این تلسکوپ «نسل بعدی تلسکوپ فضایی» باشد، اما در سال ۲۰۰۲ نام جیمز وب برای آن انتخاب شد. بعدها این نام‌گذاری مورد بحث قرار گرفت و بسیاری از دانشمندان با آن مخالفت کردند، اما ناسا در سپتامبر ۲۰۲۱ اعلام کرد که نام این تلسکوپ تغییر نخواهد کرد و به تمامی بحث‌ها و مخالفت‌های ایجاد شده، پایان داد.

در ابتدا، هزینه ساخت تلسکوپ جیمز وب در حدود نیم میلیارد دلار تخمین زده شد و تاریخ پرتاب آن برای سال ۲۰۰۷ مشخص شده بود. اما، این پیش‌بینی با توجه به طراحی مبتکرانه و بسیار سخت آن، بسیار خوش‌بینانه به نظر می‌رسید. ساخت تلسکوپ فضایی جیمز وب هزینه‌ای در حدود ده میلیارد دلار داشت که این مبلغ بیش از دو برابر هزینه پیش‌بینی شده تا سال ۲۰۰۹ بود. با تمام این اوضاع، بر طبق پیش‌بینی دانشمندان و افراد درگیر در این پروژه، نتایج درخشان به دست آمده بهترین جبران برای هزینه و وقت صرف شده برای روی ساخت تلسکوپ خواهد بود.

عملکرد تلسکوپ جیمز وب با تلسکوپ فضایی هابل بسیار متفاوت است. تلسکوپ‌های اپتیکیِ معمول و رایج همانند چشم انسان، قسمت یکسانی از طیف را می‌بینند. به طور معمول، این تلسکوپ‌ها طول موجی بین ۳۸۰ تا ۷۴۰ نانومتر را پوشش می‌دهند. تلسکوپ فضایی هابل تمامی این طول موج‌ها را به اضافه مقدار کمی فرابنفش در طول موج‌های کوتاه‌تر و فروسرخ در طول موج‌های بلندتر، پوشش می‌دهد. اما، تلسکوپ جیمز وب، تلسکوپ فروسرخ است و برای طول موج‌هایی بین ۶۰۰ تا ۲۸۰۰۰ نانومتر بهینه شده است. بنابراین، این تلسکوپ قادر به دیدن نور آبی یا سبز نخواهد بود و تنها نورهای نارنجی و قرمز و گستره وسیعی از طول موج‌های بالاتر را تشخیص می‌دهد.

این طول موج‌های بلند برای مطالعه بسیاری از جرم‌های آسمانی، مانند ناحیه‌های شکل‌گیری ستاره‌ها، سیاره‌های فراخورشیدی و کهکشان‌های بسیار دور، بسیار موثرتر از طیف مرئی هستند. اما باید به این نکته توجه کرد که امواج فروسرخ برای تلسکوپ‌های زمینی مشکل ایجاد می‌کنند، زیرا قسمت بیشتر امواج فروسرخ از جو زمین عبور نمی‌کنند. همچنین، زمین با استفاده از تشعشع گرمایی، تابش‌های فروسرخ تولید می‌کند. بنابراین، بهترین مکان برای تلسکوپ‌های فروسرخ یا مادون قرمز خارج از جو زمین و در فضا است. هرچه فاصله این تلسکوپ‌ها از زمین و منبع‌های گرمایی ناخواسته بیشتر باشد، نتایج به‌دست آمده قابل‌اعتمادتر خواهند بود.

نخستین کهکشان ها

برطبق محاسبات انجام شده، تلسکوپ جیمز وب در نقطه‌ای به نام L2 در فاصله ۱/۵ میلیون کیلومتری از سطح زمین قرار خواهد گرفت. نام دیگر نقطه ‌L2، «نقطه لاگرانژی» (Lagrange Point) است، اما این نقطه چه مفهومی دارد؟

مفهوم نقطه لاگرانژ چیست ؟

در نقطه‌های لاگرانژ، نیروهای گرانشی دو جسم بزرگ، مانند خورشید و زمین، برابر نیروی گریزازمرکز موردنیازِ جسم کوچکی است که برای حرکت با دو جرم بزرگ‌تر، به آن نیاز دارد. فضاپیماها از این نقاط برای کاهش مصرف سوخت استفاده می‌کنند. لاگرانژ نام ریاضی‌دانی فرانسوی-ایتالیایی بود.

پنج نقطه فضایی وجود دارند که در آن‌ها جرمی کوچک می‌تواند با الگویی ثابت با دو جرم بزرگ‌تر بچرخد. این مساله ریاضی، به نام «مساله سه جسم» توسط لاگرانژ حل شد. از بین این پنج نقطه، سه تای آن‌ها ناپایدار و دو تای آن‌ها پایدار هستند. نقطه‌های لاگرانژ ناپایدار، به نام‌های L2، L1 و L3، در امتداد خط متصل‌کننده دو جرم بزرگ قرار گرفته‌اند. نقطه‌های پایدار لاگرانژ، به نام‌های L4 و L5، در نوک دو مثلث متوازی‌الاضلاعی که جرم‌های بزرگ‌تر رأس آن‌ها هستند، قرار گرفته‌اند.

نقطه لاگرانژ

نقطه L1 که بر روی خط متصل‌کننده زمین و خورشید و بین آن‌ها قرار گرفته است، محل قرار گرفتن ماهواره SOHO است. نقطه L2 محل قرار گرفتن فضاپیمای WMAP بود. تلسکوپ جیمز وب در این نقطه قرار گرفته دارد. این نقطه در ستاره‌شناسی بسیار مهم است، زیرا:

  • فضاپیما به راحتی با زمین در ارتباط است.
  • خورشید، زمین و ماه در پشت فضاپیما قرار می‌گیرند. در نتیجه، فضاپیما یا تلسکوپ دید واضحی از فضای دوردست خواهند داشت.

اما نقطه‌های لاگرانژ چگونه به دست می‌آیند؟ یافتن این نقطه‌ها شبیه به‌دست آوردن سرعت‌ باد بر روی نقشه‌های هواشناسی است.

یافتن نقطه های لاگرانژ

همان‌گونه که گفته شد یافتن نقطه‌های لاگرانژ شبیه به‌دست آوردن سرعت باد در منطقه‌ای مشخص با استفاده از نقشه‌های هواشناسی است. هنگامی‌که خطوط پتانسیل موثر به یکدیگر بسیار نزدیک باشند، نیروها بسیار قوی هستند و هنگامی که این خطوط از یکدیگر فاصله داشته باشند، نیروها بسیار ضعیف خواهند بود.

نقطه‌های L4 و L5 معادل نقطه‌های بیشینه یا ماکزیمم و نقطه‌های L2، L1 و L3 معادل نقطه‌های زینی هستند. نقطه زینی به نقطه‌ای گفته می‌شود که انحنای تابع پتانسیل در یک جهت به سمت بالا و در جهت دیگر به سمت پایین قرار گرفته است. بنابراین، ماهواره‌های قرار گرفته در نقطه‌های لاگرانژ، سرگردان هستند. اما، اگر ماهواره‌ای در یکی از دو نقطه ‌L4 یا L5 قرار بگیرد، از بالای آن‌ها به سمت پایین و با سرعت زیاد شروع به حرکت می‌کند. در این نقطه نیروی کوریولیس نقش مهمی را ایفا می‌کند. این نیرو همانند نیرویی است که منجر به ایجاد طوفان‌های سهمگین بر روی زمین می‌شود.

یافتن نقطه های لاگرانژ

گفتیم تلسکوپ جیمز وب در نقطه L2 قرار می‌گیرد. دید این تلسکوپ نسبت به جهان بسیار واضح‌تر از تلسکوپ فضایی هابل است. برخلاف تلسکوپ هابل، اگر تلسکوپ جیمر وب دچار مشکل سخت‌افزاری شود به راحتی قابل تعمیر نخواهد بود، زیرا دسترسی تیمی از فضانوردان به آن غیرممکن است. بنابراین، تمام اجزای سازنده در نخستین تلاش باید ایده‌آل باشند. به همین دلیل ساختن این تلسکوپ نزدیک به دو دهه زمان برد.

نکته مهم در طراحی تلسکوپ فضایی جیمز وب داشتن سمت سرد و سمت گرم است. در قسمت سرد مشاهده‌های تلسکوپ ثبت و ضبط می‌شوند. در حالی‌که قسمت گرم مسئول حمل پنل‌های خورشیدی و آنتن برای ارتباط با زمین است.

اکنون می‌دانیم که تلسکوپ جیمز وب در چه نقطه‌ای در فضا و در چه فاصله‌ای از زمین قرار گرفته است. در ادامه، در مورد چگونگی عملکرد این تلسکوپ به زبان ساده و تاریخچه آن صحبت خواهیم کرد. همچنین، مقایسه این تلسکوپ با تلسکوپ فضایی هابل خالی از لطف نیست.

تلسکوپ جیمز وب چگونه کار می‌ کند؟

همان‌گونه که گفتیم ساخت تلسکوپ جیمز وب به دلیل هزینه‌های گزاف بیش از حد انتظار به طول انجامید. اما، سرانجام انتظارها به پایان رسید و این تلسکوپ در تاریخ ۲۵ دسامبر ۲۰۲۱ به فضا پرتاب شد. انتظار می‌رود تصاویر ارسالی توسط جیمز وب تحول شگرفی را در علم نجوم به وجود آورد. در سال ۱۹۹۰ میلادی معادل با ۱۳۶۹ شمسی، تلسکوپ فضایی هابل به فضا پرتاب شد. با تصاویر ارسالی توسط تلسکوپ هابل، دریچه جدیدی به روی ستاره‌شناسان و دانشمندان گشوده شد. با ارسال تلسکوپ جیمز وب به فضا، قسمت متفاوتی از جهان به دانشمندان نشان داده می‌شود.

تلسکوپ فروسرخ جیمز وب بسیار حساس‌تر از تلسکوپ هابل خواهد بود. این تلسکوپ داخل محفظه باری موشک «آریان ۵» (Ariane 5) جا داده شد. داخل فضا، تلسکوپ از موشک جدا شد و سفر خود را به سمت مدار چرخش آغاز کرد.

پرتاب موشک

تلسکوپ پس از رها شدن از داخل موشک، کم‌کم باز می‌شود و یکی از بزرگ‌ترین دستاوردهای بشر، به اسرار مهمی از فضای لایتناهی پاسخ خواهد داد. در ادامه، مراحل باز شدن تلسکوپ جیمز وب به اختصار توضیح داده شده است:

  1. ۳۱ دقیقه پس از رها شدن: نخستین گام، باز شدن صفحات خورشیدی است.
  2. روز سوم: دو صفحه نگه‌دارنده حفاظ‌های خورشیدی باز می‌شوند.
  3. روز چهارم: برج نگه‌دارنده ابزار تلسکوپ به سمت بالا حرکت می‌کند.
  4. روز پنجم: از آنجایی که فشار خورشیدی، فشار زیادی را به محافظ خورشیدی وارد می‌کند، دریچه کمک زیادی به پایداری تلسکوپ خواهد کرد.
  5. رها شدن پوشش غشای آفتاب: در همان روز پنجم، پوشش‌های ویژه‌ نگه‌دارنده حفاظ خورشیدی رها می‌شوند.
  6. روزهای ششم و هفتم: حفاظ خورشیدی تحت فشار قرار می‌گیرد و پنج لایه از یکدیگر جدا می‌شوند.
  7. روز دهم: پایه آینه دوم و کوچک‌تر رها می‌شود.
  8. روز سیزدهم: صفحه‌های کناری آینه اصلی باز می‌شوند و ساختار تلسکوپ کامل خواهد شد.
مراحل باز شدن تلسکوئ

مسئولیت اصلی تلسکوپ جیمز وب نگاه به گذشته و زمانی است که کهکشان‌ها جوان بودند. تلسکوپ وب این کار را با مشاهده کهکشان‌های بسیار دور، در فاصله سیزده میلیارد سال نوری از زمین، انجام خواهد داد.

هنگامی‌ که تلسکوپی فاصله‌های بسیار دور را نگاه می‌کند، به گذشته سفر کرده است. هنگامی‌که نور کهکشان‌ها یا ستاره‌ها به خورشید می‌رسد، زمان مشخصی سپری شده است. در نتیجه، تصویری که از کهکشان‌ها یا ستاره‌ها مشاهده می‌کنیم مربوط به زمانی است که نور از آن‌ها ساطع شده و از زمان رها شدن نور از کهکشان تا رسیدن به تلسکوپ میلیاردها سال گذشته است.

تلسکوپ برای دیدن اجسام دور نیاز به آینه بسیار بزرگی برای جمع‌آوری نور دارد. اندازه مساحت آینه تلسکوپ تعیین‌کننده حساسیت آن خواهد بود. هر چه آینه بزرگ‌تر باشد، جرئیات بیشتری دیده می‌شود. از آنجایی که آینه تلسکوپ جیمز وب نسبت به آینه تلسکوپ فضایی هابل بسیار بزرگ‌تر است، تلسکوپ وب قادر به جمع‌آوری تصاویری از گذشته‌های بسیار دورتری خواهد بود.

نور قرمز و فروسرخِ منتشر شده در فضا توسط آینه اصلی تلسکوپ فضایی جیمز وب بر روی آینه دوم و کوچک‌تر این تلسکوپ، منعکس می‌شوند. آینه دوم نور را به سمت تجهیزات علمی و لازم در تلسکوپ هدایت می‌کند. از آنجایی که تلسکوپ سیگنال‌های فروسرخ بسیار ضعیف را آشکار خواهد کرد، باید از هر منبع گرم درخشان، مانند خورشید، محافظت شود. بنابراین، در این تلسکوپ از حفاظ‌های لازم در مقابل گرما و نور خورشید استفاده شده است.

همان‌طور که در مطالب بالا عنوان شد، تلسکوپ جیمز وب از دو قسمت سرد و گرم تشکیل شده است. تفاوت دمایی بین این دو قسمت بسیار زیاد است. این دو قسمت توسط حفاظ خورشیدی از یکدیگر جدا شده‌اند.

تلسکوپ وب از امواج فروسرخ برای مشاهده جهان استفاده خواهد کرد. در مقابل، تلسکوپ هابل، جهان را به صورت اپتیکی و در طول موج‌های فرابنفش مطالعه می‌کند. ذکر این نکته مهم است که هابل در مطالعه جهان اندکی از امواج فروسرخ نیز استفاده کرده است.

مشاهدات برپایه امواج فروسرخ برای علم نجوم بسیار مهم هستند، زیرا ستاره‌ها و سیاره‌های تازه تشکیل شده، پشت توده‌های گرد و غبار پنهان شده‌اند. این توده‌ها نور مرئی را جذب می‌کنند، بنابراین مشاهده این ستاره‌ها و سیاره‌ها با استفاده از نور مرئی امکان‌پذیر نخواهد بود. نور فروسرخ می‌تواند به داخل این توده‌ها نفوذ کند. در اینجا نقش تلسکوپ جیمز وب و اهمیت آن آشکار می‌شود. با استفاده از این تلسکوپ می‌توان به نحوه رشد ستاره‌ها به‌همراه سیاره‌های جوان آن‌ها پی برد.

اما با مشاهده اولین ستاره‌ها چه چیزی آشکار خواهد شد؟ اولین ستاره‌ها کلید اصلی پی بردن به ساختار جهان هستند. نحوه شکل‌گیری این ستاره‌ها به الگوهای اولیه ماده تاریک مربوط می‌شود.

ساختار تلسکوپ جیمز وب

همان‌گونه که در مطالب بالا بیا نشد، تلسکوپ جیمز وب برای محافظت در برابر نور خورشید از محافظ خورشیدی تشکیل شده است. همچنین، این تلسکوپ برای ثبت تصاویر با کیفیت بسیار بالا از آینه‌های مختلفی تشکیل شده است که اندازه آینه اصلی ان بسیار بزرگ‌تر از آینه نصب شده بر روی تلسکوپ هابل است. بالای حفاظ خورشیدی، آینه‌های بسیار بزرگ تلسکوپ وب قرار گرفته‌اند. قطر اصلی آینه تلسکوب برابر ۶/۵ متر است و نور دریافتی از کهکشان‌های دور را اندازه‌گیری می‌‌کند. در مقابل، قطر آینه اصلی تلسکوپ فضایی هابل برابر ۲/۴ متر است.

آینه اصلی تلسکوپ وب از ۱۸ بخش شش‌ضلعی از جنس برلیوم ساخته شده است. پس از رهایی تلسکوپ در فضا، این بخش شروع به باز شدن می‌کند. تمام این ۱۸ بخش مانند یک آینه اصلی بزرگ عمل خواهند کرد. طراحی این آینه بسیار سبک است. ساختار کلی به دلیل شکل شش‌ضلعی آینه‌ها، دایره‌ای خواهد بود. اگر هر بخش به شکل دایره بود، در ساختار اصلی شکاف‌هایی دیده می‌شد. بنابراین، عملکرد اصلی تلسکوپ با افت مواجم می‌شد. ذکر این نکته مهم است که سطح آینه‌های تلسکوپ وب از لایه نازکی از طلا پوشیده شده‌اند. با انجام این کار، انعکاس نور فروسرخ از سطح آینه‌ها بهینه می‌شود.

آینه های تلسکوپ جیمز وب

تجهیزات تشکیل دهنده تلسکوپ جیمز وب

این تلسکوپ بر پایه نور فروسرخ کار می‌کند. اجزای اصلی تلسکوپ وب عبارتند از:

  • تصویرساز اصلی یا دوربین نزدیک به نور فروسرخ: گستره حسی این دوربین بین ۰/۶ تا ۵/۰ میکرون (ناحیه نزدیک موج فروسرخ) است. این بدان معنا است که این تلسکوپ نور فروسرخ دریافتی از ستاره‌ها وکهکشان‌های اولیه را آشکار خواهد کرد.
  • «کرونوگراف» (Coronagraph): با کمک این وسیله، نور خیره‌کننده ستاره‌ها به دوربین وارد نمی‌شود. در نتیجه، هاله‌های تیز دور ستارگان درخشان قابل مشاهده خواهند بود. از این وسیله برای کشف سیاره‌های فراخورشیدی استفاده می‌شود.
  •  طیف‌نگار نزدیک مادون‌قرمز: این وسیله مشابه دوربین اصلی در محدود نزدیک فروسرخ کار می‌کند. عملکرد این طیف‌نگار نیز مشابه دیگر طیف‌نگارها است. در این مرحله مشخصات فیزیکی ستاره‌ای خاص با استفاده از طیف دریافتی از آن بررسی خواهد شد. طیف دریافتی به دمای ستاره، جرم و ترکیب‌های شیمیایی آن بستگی دارد. این طیف‌نگار هزاران کهکشان قدیمی و بسیار دور را مطالعه خواهد کرد. برای به‌دست آوردن طیف خوانا، آینه بزرگ تلسکوپ جیمز وب برای جمع‌آوری نور کافی باید صد‌ها ساعت بر روی کهکشان‌های موردنظر متمرکز شود. برای این منظور و کمک به جمع‌آوری مقدار کافی نور، طیف‌نگار از ۶۲ هزار توری تشکیل شده است. هر کدام از این توری‌ها برای مسدود کردن نور ستارگان درخشان به‌طور خودکار باز و بسته می‌شوند. این طیف‌نگار، اولین طیف‌نگار فضایی است که قادر به مشاهده صد جسم متفاوت در یک لحظه خواهد بود.
  • حسگر/ دوربین نزدیک مادون‌قرمز و طیف‌نگار بدون‌ شکاف: در این قسمت دو حسگر یا سنسور برای دریافت و آزمایش اولین نور دریافتی در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. تلسکوپ جیمز وب به کمک این قسمت در جهت‌های مختلف قرار خواهد گرفت.
  • گستره موجی آخرین بخش تلسکوپ وب، فراتر از امواج نزدیک فروسرخ و به سمت میانه فروسرخ افزایش یافته است. بنابراین، با کمک این بخش، تصاویر منحصربه‌فردی از سیاره‌ها، ستاره‌های دنباله‌دار، سیارک‌ها و دیسک‌های پیش‌سیاره‌ای گرفته خواهند شد.

تصویر دوربین نزدیک مادون‌قرمز با حسگرهای نوری ۱۶ مگاپیکسلی در تصویر زیر نشان داده شده است.

دوربین

برای درک جهان هستی و کیهان، مشاهده برپایه امواج فروسرخ ضروری است. همان‌گونه که گفته شد توده‌های گرد و غبار و ذرات گازهای مختلف مانع از عبور نور مرئی تابیده شده از ستاره‌ها می‌شوند. اما، نور فروسرخ از آن‌ها به‌راحتی عبور خواهد کرد. به‌علاوه، می‌دانیم جهان هستی در حال منبسط شدن است. بنابراین، کهکشان‌ها از یکدیگر دور خواهند شد. در نتیجه، نور دریافتی از آن‌ها به رنگ قرمز و به سمت طول موج‌های بلندتر امواج الکترومغناطیس مانند موج فروسرخ منتقل می‌شود. هر چه کهکشانی دورتر باشد، نور آن بیشتر به سمت طول موج‌های بلندتر حرکت کرده است. در اینجا ارزش و اهمیت تلسکوپ جیمز وب مشخص خواهد شد.

از سال‌های بسیار دور همیشه این سوال برای انسان مطرح بوده است که آیا او و انسان‌های دیگر تنها موجودات زنده در این جهان هستند یا خیر؟ سریال‌ها و فیلم‌های زیادی در این رابطه ساخته شده است. اکنون، با استفاده از تلسکوپ جیمز وب، امید‌ تازه‌ای برای یافتن پاسخ این پرسش ایجاده‌ شده است.

تلسکوپ جیمز وب اطلاعات ارزشمندی در مورد جو سیاره فراخورشیدی به دست می‌آورد. با استفاده از این اطلاعات جمع‌آوری شده می‌توان پی برد که آیا جو این سیارک‌ها از مواد مولکولی موردنیاز برای حیات تشکیل شده است یا خیر. جو زمین از موادی مانند بخار آب، متان و دی‌اکسید کربن تشکیل شده است. این مواد، موج فروسرخ را جذب می‌کنند. بنابراین، دانشمندان از تلسکوپ جیمز وب برای یافتن مواد ذکر شده در جو سیارک‌ها استفاده می‌کنند.

ستاره‌شناسان به محدود فروسرخ طیفِ امواج الکترومغناطیسی لقب جهان پنهان را داده‌اند. هر جسم گرمی نور مادون‌قرمز تشعشع می‌کند. اما، این نور از جو زمین عبور نخواهد کرد. در نتیجه، با انجام پژوهش‌های نجوم، تنها بر روی زمین بسیاری از اطلاعات از دید دانشمندان پنهان خواهد ماند.

نور فروسرخ

اما تلسکوپ جیمز وب به چه سوال‌های دیگری پاسخ خواهد داد؟ در ادامه، به این پرسش پاسخ خواهیم داد.

تلسکوپ جیمز وب به چه پرسش هایی پاسخ می دهد ؟

تلسکوپ جیمز وب یکی از بزرگ‌ترین و قدرتمندترین تلسکوپ‌هایی است که تاکنون ساخته شده است. این تلسکوپ یکی از پیچیده‌ترین تلسکوپ‌هایی است که در فضا رها شده است. انتظار می‌رود که جمع‌آوری اطلاعات توسط این تلسکوپ به مدت ۵ تا ۱۰ سال به‌طول انجامد. این اطلاعات به‌طور قطع درک ما از جهان‌هستی را تغییر خواهد داد. اما چرا؟

زیرا، هدف آن، آزمایش تمام مرحله‌های تاریخ کیهان و مه‌بانگ است. اما، تلسکوپ وب در مدت ماموریت خود چهار هدف اصلی را باید دنبال کند:

  1. پایان عصر تاریک، نخستین نور و یونیزاسیون دوباره: تلسکوپ وب با استفاده از توانایی فروسرخ به عقب بازمی‌گردد و در حدود ۱۰۰ تا ۲۵۰ میلیون سال پس از مه‌بانگ بزرگ را مشاهده خواهد کرد. زمانی‌ که نخستین ستاره‌ها و کهکشان‌ها تشکیل شدند. دو ماهواره مایکروویو COBE و WMAP اطلاعاتی در مورد ۳۸۰ هزار سال پس از انفجار بزرگ به دست آوردند. اما، در مورد نخستین نورِ جهان به هنگام تشکیل شدن اولین ستاره‌ها چیزی نمی‌دانیم. تعدادی از پرسش‌هایی که تلسکوپ جیمز وب به آن‌ها پاسخ خواهد داد عبارتند از: نخستین کهکشان‌ها چگونه بودند، یونیزاسیون دوباره کِی و چگونه اتفاق افتاد و چه منبع‌هایی سبب یونیزاسیون دوباره شدند.
  2. متصل شدن کهکشان‌ها: تلسکوپ وب با استفاده از توانایی منحصربه‌فرد خود دورترین کهکشان‌ها را مشاهده خواهد کرد. در نتیجه، دانشمندان می‌توانند در مورد تغییرات کهکشان‌ها در طی میلیاردها سال اطلاعات مهمی را به‌دست آورند. همچنین، رابطه بین سیاه‌چاله‌ها و کهکشان‌ها و مواد تشکیل‌دهنده کهکشان‌ها و توزیع این مواد مشخص خواهد شد.
  3. تولد ستاره‌ها و منظومه‌های پیش‌سیاره‌ای: تلسکوپ هابل قادر به مشاهده اجسام قرار گرفته در میان توده‌های گرد و غبار نیست. در مقابل، تلسکوپ جیمز وب این مزیت را نسبت به تلسکوپ هابل دارد و اجسام، ستاره‌ها و منظومه‌های سیاره‌ای را در میان توده‌های بزرگ گرد و غبار مشاهده خواهد کرد. با استفاده از این مزیت، امید است به پرسش چگونگی تشکیل ستاره‌ها از برخورد ابرهای گازی و توده‌های عظیم گرد و غبار، پاسخ داده شود. همچنین، دانشمندان به درک بهتری از نحوه تشکیل منظومه‌های سیاره‌ای خواهند رسید.
  4. منظومه‌های سیاره‌ای و منشأ زندگی: تلسکوپ جیمز وب نه تنها در مورد سیاره‌های خارج از منظومه‌شمسی مطالعه می‌کند، بلکه اطلاعات ارزشمندی را در مورد جسم‌های کوچک در منظومه‌شمسی به دانشمندان خواهد داد. بنابراین، به پرسش‌هایی مانند نحوه شکل‌گیری سیاره‌ها، چرخش آن‌ها و چرخه زندگی بر روی زمین پاسخ داده خواهد شد.

در مطالب بالا در مورد نخستین نور صحبت کردیم، اما آیا می‌دانید معنای آن چیست؟

نخستین نور

عبارت نخستین نور، به اولین ستاره‌های تشکیل شده در جهان اشاره دارد. این ستاره‌ها برای اولین بار در حدود ۴۰۰ میلیون سال پس از انفجار مه‌بانگ روشن شدند و به‌طور کامل از گاز اولیه تشکیل شده‌اند. اما، این خورشید‌های کهن، قدیمی‌ترین منبع‌های تشعشع نیستند. قدیمی‌ترین منبع تابش مربوط به تابش زمینه کیهانی است. این تابش مایکروویو از تشکیل شدن نخستین اتم‌ها در حدود ۴۰۰ هزار سال پس از انفجار بزرگ، رها شده است. تابش پرتو زمینه کیهانی توسط دو تلسکوپ ناسا به نام‌های COBE و WMAP مشاهده شد.

تابش زمینه کیهانی
تابش زمینه کیهانی

تاکنون در مورد ساختار تلسکوپ جیمز وب و اطلاعات به‌دست آمده توسط آن صحبت کردیم. برای پی بردن به اهمیت این دستاورد ارزشمند دانستن تاریخچه پیشرفت و ساخت آن خالی از لطف نیست.

تاریخچه تلسکوپ جیمز وب

تلسکوپ هابل در سال ۱۹۹۰ میلادی معادل با سال ۱۳۶۹ شمسی به فضا پرتاب شد. اما، قبل از ‌آن‌که هابل به فضا فرستاده شود، دانشمندان به دنبال طراحی تلسکوپ بعد از هابل بودند.

در سپتامبر سال ۱۹۸۹ معادل شهریور ۱۳۶۹، موسسه علمی تلسکوپ فضایی (Space Telescope Ecience Institute یا STScI) و ناسا تصمیم به ساخت نسل بعدی تلسکوپ فضایی گرفتند. برای شروع این پروژه بزرگ در حدود ۱۳۰ ستاره‌شناس و مهندس انتخاب شدند. ناسا به‌دنبال ساخت تلسکوپی به طول ۱۰ متر با کارایی براساس امواج فروسرخ بود. طراحی اولیه تلسکوپ جیمز وب در تصویر زیر نشان داده شده است.

طراحی اولیه تلسکوپ جیمز وب

در سال ۱۹۹۶، ۱۸ عضو کمیته تحقیق بر روی پروژه جیمز وب به سرپرستی «آلان درسلر» (Alan Dressler) به طور رسمی اعلام کردند کردند که ناسا تلسکوپی خواهد ساخت که با استفاده از نور فروسرخ بهشت را آشکار می‌کند. بر طبق گفته آن‌ها، با استفاده از این تلسکوپ می‌توان اجزای پنهان جهان را دید.

آلان درسلر

سه تیم متشکل از دانشمندان و مهندسان از بخش‌های عمومی و خصوصی با یکدیگر جلسه گذاشتند و چشم‌انداز ناسا را بررسی کردند. هر سه تیم به این نتیجه رسیدند که تلسکوپ موردنظر با موفقیت ساخته خواهد شد. در سال ۱۹۹۷، مطالعات تکمیلی برای برآورد هزینه‌های لازم و تجهیزات موردنیاز برای ساخت نهایی تلسکوپ، توسط ناسا انجام شد. تا سال ۲۰۰۲، این سازمان افراد خبره بسیاری را برای ساخت تجهیزات و تکمیل تلسکوپ انتخاب و استخدام کرد. در سال ۲۰۰۲، نام جیمز وب، رییس سابق ناسا، برای این تلسکوپ انتخاب شد.

از چشم انداز تا واقعیت

مهندسان و ستاره‌شناسان راه‌های جدیدی را برای رفع نیازهای تلسکوپ جیمز وب و ماموریت این تلسکوپ به فاصله‌ای غیر قابل‌دسترس از زمین، پیدا کردند. برخلاف تلسکوپ هابل، ماموریت تلسکوپ وب به‌گونه‌ای است که قابل تعمیر و به‌روزرسانی نخواهد بود.

ساخت این تلسکوپ در سال ۲۰۰۴ آغاز شد. در سال ۲۰۰۵، جیوانا به عنوان نقطه پرتاپ تلسکوپ وب و موشک آریان ۵ به عنوان موشک پرتاب آن انتخاب شدند. تا سال ۲۰۱۱، تمام ۱۸ آینه لازم برای ساخت آینه بزرگ‌تر ساخته شدند و مورد آزمایش و راستی‌آزمایی قرار گرفتند.

بین سال‌های ۲۰۱۲ و ۲۰۱۳، قطعه‌های مختلف وب در مکان‌های مختلف ساخته و به ناسا ارسال شدند. در سال ۲۰۱۳، ساختن لایه‌های محافظ خورشید شروع شد. بین سال‌های ۲۰۱۳ تا ۲۰۱۶، تجهیزات پروژه وب مورد آزمایش‌های مختلف از قرار گرفتن در دماهای بسیار بالا تا ارتعاش‌های با دامنه بسیار زیاد قرار گرفتند. از اواخر سال ۲۰۱۵ تا اوایل سال ۲۰۱۶ میلادی، تما ۸ آینه بر روی تلسکوپ نصب شدند و آینه بزرگ‌تری به قطر ۶/۶ متر ساخته شد.

در سال ۲۰۱۷، آینه‌ها و تجهیزات علمی به یکدیگر متصل شدند و مورد آزمایش قرار گرفتند. اتصال و آزمایش‌های نهایی در سال‌های ۲۰۱۸ و ۲۰۱۹ انجام شدند و سرانجام این تلسکوپ پس از سال‌ها تلاش و صرف هزینه هنگفت، در روز ۲۵ دسامبر سال ۲۰۲۱، به فضا پرتاب شد.

بزرگی تلسکوپ جیمز وب

جدول زمانی تلسکوپ جیمز وب

در ادامه، جدول زمانی ساخت این تلسکوپ به طور خلاصه بیان شده است.

  • سال ۱۹۸۹ میلادی معادل ۱۳۶۹ شمسی: در این سال، در مورد ساختن این تلسکوپ و توانایی‌های تکنیکی آن تصمیم گرفته شد. تاریخ اتمام ساخت آن، سال ۲۰۰۵ تعیین شد.
  • سال‌ های ۱۹۹۶-۱۹۹۵ معادل ۱۳۷۵-۱۳۷۴ شمسی: کمیته STScI پیشنهاد کرد که توانایی تلسکوپ به استفاده از موج فروسرخ افزایش یابد. پس از بررسی‌های بسیار، اجرای این پروژه ممکن اعلام شد.
  • سال ۱۹۹۷ معادل ۱۳۷۶ شمسی: ناسا با انتخاب سه تیم منتخب، تمام نیازهای مالی و تکینیکی ساخت این تلسکوپ را برآورد کرد.
  • سال ۱۹۹۹ معادل ۱۳۷۸ شمسی: طراحی اولیه برای ساخت تلسکوپ پیشنهاد شد.
  • سال ۲۰۰۲ معادل ۱۳۸۱ شمسی: طراحی موردنظر انتخاب و کارآیی و هزینه‌های لازم برای ساخت آن تعیین شد.
  • سال ۲۰۰۴ معادل ۱۳۸۳ شمسی: پس از مطالعات بسیار، ساخت بعضی از قسمت‌های تلسکوپ، مانند تجهیزات علمی و ۱۸ قطعه از آینه اصلی، بسیار زمان‌بر پیش‌بینی شد. بنابراین، ساخت این قسمت‌ها شروع شد.
  • سال ۲۰۰۵ معادل ۱۳۸۴ شمسی: ناسا استفاده از موشک ‌آریان ۵ برای پرتاب تلسکوپ جیمز وب را تایید کرد.
  • سال ۲۰۰۶ معادل ۱۳۸۵ شمسی: تیم‌های ساخت تجهیزات علمی، مانند دوربین فروسرخ نزدیک و میانه، طراحی اولیه این دوربین‌ها را انجام دادند و پس از مدتی ساخت آن‌ها را شروع کردند. تمام تکنولوژی‌های ضروری تلسکوپ جیمز وب تحت شرایط پرواز به‌طور موفقیت‌آمیز مورد آزمایش قرار گرفتند.
  • سال های ۲۰۰۸-۲۰۰۷ معادل ۱۳۸۷-۱۳۸۶ شمسی: ماموریت تلسکوپ وب توسط تیم‌های داخلی و خارجی بررسی شد. بر طبق بررسی‌های انجام شده، ساخت تلسکوپ وب تا آن لحظه با موفقیت پیش رفته بود و اکنون زمان آغاز فازهای بعدی بود. در فازهای بعدی، به طراحی جزئیات، تدارکات، آزمایش‌های لازم و اتصال تلسکوپ و قطعه‌های مختلف آن توجه می‌شد.
  • سال ۲۰۱۰ معادل ۱۳۸۹ میلادی: تلسکوپ وب آزمایش‌‌های حیاتی لازم برای انجام ماموریت موفقیت‌آمیز را پشت سر گذاشت.
  • سال ۲۰۱۱ معادل ۱۳۹۰ شمسی: آینه‌های تلسکوپ جیمز وب کامل شدند. سطح این آینه‌ها از برلیوم به همراه لایه نازکی از طلا پوشانده شده بود. تمام آن‌ها تحت آزمایش برودتی و دماهای بسیار سرد (دمای فضای بیرون از جو زمین) قرار گرفتند.
  • سال ۲۰۱۲ معادل ۱۳۹۱ شمسی: دو دوربین اصلی و طیف‌نگار تلسکوپ ساخته و به مرکز اصلی پروژه ارسال شدند.
  • سال ۲۰۱۳ معادل ۱۳۹۱ شمسی: دو بال بر روی ساختار پشتی تلسکوپ وب کامل شدند.
  • سال ۲۰۱۴ معادل ۱۳۹۳ شمسی: ساخت دیگر قسمت‌های فضاپیما مانند مخزن‌های سوخت، ژیروسکوپ‌ها و صفحه‌های خورشیدی آغاز شدند.
  • سال های ۲۰۱۶-۲۰۱۵ معادل ۱۳۹۵-۱۳۹۴ شمسی: آزمایش برودتی تجهیزات ساخته شده کامل شد. تمام ۱۸ قسمت آینه اصلی به همراه آینه ثانویه بر روی قسمت پشتی تلسکوپ بارگذاری شدند. آینه‌های اصلی و ثانویه با آینه‌های پشتی ادغام و کامل می‌شوند. به این قسمت، قسمت اپتیکی تلسکوپ گفته می‌شود.
  • سال ۲۰۱۷ معادل ۱۳۹۶ شمسی: قسمت اپتیکی تلسکوپ تست برودتی را با موفقیت پشت سر گذاشت.
  • سال ۲۰۱۸ معادل ۱۳۹۷ شمسی: قسمت اپتیکی تلسکوپ به مقر اصلی تلسکوپ در ناسا منتقل شد. همچنین، آزمایش‌های ارتباطی بین بخش‌های مختلف تلسکوپ و تلسکوپ و زمین آزمایش شدند.
  • سال ۲۰۱۹ معادل ۱۳۹۸ شمسی: برای نخستین بار، قسمت‌های مختلف تلسکوپ مانند حفاظ خورشیدی تحت آزمایش‌های صوتی، ارتعاش و خلأ حرارتی قرار گرفتند. در این آزمایش‌ها، محیط پرتاب و خلأ بسیار زیاد فضا شبیه‌سازی شده بودند. همچنین، در این سال مهندسان برای نخستین بار دو نیمه تلسکوپ وب، یعنی قسمت اپتیکی و فضاپیما، را به یکدیگر متصل کردند.
  • سال ۲۰۱۹ معادل ۱۳۹۸ شمسی: برای نخستین بار، قسمت‌های مختلف تلسکوپ مانند حفاظ خورشیدی تحت آزمایش‌های صوتی، ارتعاش و خلأ حرارتی قرار گرفتند. در این آزمایش‌ها، محیط پرتاب و خلأ بسیار زیاد فضا شبیه‌سازی شده بودند. همچنین، در این سال مهندسان برای نخستین بار دو نیمه تلسکوپ وب، یعنی قسمت اپتیکی و فضاپیما، را به یکدیگر متصل کردند.
  • سال ۲۰۲۱ معادل ۱۴۰۰ شمسی: تلسکوپ جیمز وب بسته و برای پرتاب آماده شد. پس از سال‌ها لحظه موعود فرارسید و هزاران چشم مشتاق لحظه پرتاب تلسکوپ را به صورت آنلاین تماشا کردند.

ساخت تلسکوپ جیمر وب از آغاز تا پرتاب، ۲۱ سال زمان برد. مهندسان و ستاره‌شناسان زیادی از سراسر جهان در این پروژه شرکت کردند.

در مطالب بالا، بارها در مورد تفاوت تلسکوپ هابل و تلسکوپ جیمز وب صحبت کردیم. در ادامه، در مورد تفاوت‌های این دو تلسکوپ بیشتر صحبت خواهیم کرد.

تفاوت تلسکوپ جیمز وب و تلسکوپ هابل چیست؟

در بیشتر موارد گفته می شود که تلسکوپ فضایی جیمز وب جانشین تلسکوپ هابل است، اما این لقب شاید مناسب به نظر نرسد. تلسکوپ وب پا را فراتر از فضای پوشش داده شده توسط هابل می‌گذارد و اجسام پنهان را خواهد دید. در این تلسکوپ از طول موج های بلندتر یعنی امواج مادون‌قرمز استفاده شده است. همچنین، از آنجایی که کهکشان‌ها و ستاره‌های بسیار دور به طول‌ موج‌های قرمز (بلندتر) منتقل و از نور مرئی و ماورابنفش دور شده‌اند، آشکارسازی آن‌ها با استفاده از تلسکوپ وب بسیار آسان‌تر خواهد بود. بنابراین، تلسکوپ جیمز وب جانشین هابل نخواهد بود، زیرا توانایی‌های آن‌ها به طور کامل با یکدیگر فرق دارند. در ادامه، شش مورد از مهم‌ترین تفاوت‌های این دو تلسکوپ با یکدیگر توضیح داده خواهند شد.

  • طول موج
  • اندازه
  • مدار چرخش
  • تلسکوپ وب تا چه فاصله‌ای را خواهد دید؟
  • هزینه و ساخت
  • نام‌گذاری دو تلسکوپ

طول موج

تلسکوپ جیمز وب محدود امواج فرو‌سرخ را پوشش می‌دهد. در این تلسکوپ از چهار وسیله اصلی برای ضبط تصویر و طیف‌های اجسام نجومی استفاده شده است. محدوده طول موج استفاده شده در این وسیله‌ها بین ۰/۶ تا ۲۸ میکرومتر خواهد بود. محدوده مادون‌قرمز در طیف امواج الکترومغناطیسی از ۰/۷۵ تا چند صد میکرون متغیر است. این بدان معنا است که تلسکوپ وب در محدود فروسرخ از طیف امواج الکترومغناطیسی کار می‌کند. ذکر این نکته مهم است که این تلسکوپ در محدوده نور مرئی (از قرمز تا زرد در طیف نور مرئی) نیز قادر به گرفتن تصویر خواهد بود.

تجهیزات نصب شده بر روی تلسکوپ فضایی هابل، قسمت کوچکی از طیف فروسرخ از ۰/۸ تا ۲/۵ میکرون را پوشش می‌دهند، اما توانایی اصلی آن در قسمت‌های مرئی و فرابنش طیف از ۰/۱ تا ۰/۸ میکرون است. هابل دو تصویر از سحابی سر میمون در سال‌های ۲۰۰۱ و ۲۰۱۴ گرفت. این تلسکوپ در سال ۲۰۰۱ از محدوده مرئی و در سال ۲۰۱۴ از محدود فروسرخ برای گرفتن این تصویرها استفاده کرد. تصویر گرفته شده در سال ۲۰۱۴ جزئیات بسیاری را نشان داده است.

تصویر سحابی سر میمون

اما چرا مشاهده در محدود موج فروسرخ برای ستاره‌شناسان مهم است؟ ستاره‌ها و سیاره‌های تشکیل شده پشت توده‌ای از گرد و غبار پنهان شده‌اند. این توده‌ها نور مرئی را کشف می‌کنند (این مورد برای مرکز کهکشان راه شیری نیز صدق می‌کند). اما، نور فروسرخ تابیده شده توسط این ناحیه‌ها از میان پوشش گرد و غبار نفوذ می‌کند و اطلاعات مفیدی در مورد اجسام پنهان شده خواهد داد.

مقایسه اندازه دو تلسکوپ

تصویر زیر دو تلسکوب جیمز وب و هابل را در کنار یکدیگر نشان داده است.

مقایسه دو تلسکوپ هابل و وب از نظر اندازه

قطر آینه اصلی تلسکوپ جیمر وب در حدود ۶/۵ متر است. بنابراین، مساحت ناحیه جمع‌آوری اطلاعات در تلسکوپ وب در مقایسه با نسل‌های کنونی تلسکوپ‌های فضایی، بسیار بزرگ‌تر خواهد بود. قطر آینه تلسکوپ فضایی هابل بسیار کوچک‌تر و برابر ۲/۴ متر است.

اما مساحت ناحیه جمع‌آوری اطلاعات در این دو تلسکوپ چه مقدار است؟ این ناحیه در هابل برابر ۴/۰ مترمربع و در تلسکوپ جیمز وب برابر ۲۵/۰ مترمربع محاسبه شده‌اند. بنابراین، این ناحیه در تلسکوپ وب در حدود ۶/۲۵ برابر هابل است.

حفاظ خورشیدی نصب شده بر روی تلسکوپ وب دارای طولی برابر ۲۲ متر و عرضی برابر ۱۲ متر و برابر زمین تنیس است.

اندازه حفاظ خورشیدی

مدار چرخش

زمین در فاصله ۱۵۰ میلیون کیلومتری از خورشید قرار گرفته است و ماه در مداری به فاصله ۳۸۴۵۰۰ کیلومتر به دور زمین می‌چرخد. تلسکوپ فضایی هابل در ارتفاع ۵۷۰ کیلومتری بالای زمین به دور آن می‌چرخد. اما تلسکوپ جیمز وب به دور زمین نمی‌چرخد. در واقع، این تلسکوپ بر روی نقطه لاگرانژ L2 خورشید-زمین و در فاصله ۱/۵ میلیون کیلومتری از زمین قرار می‌گیرد.

محل تلسکوپ‌ های هابل و وب در فضا

از آنجایی که هابل در مدار زمین قرار دارد، با استفاده از شاتل فضایی به فضا پرتاب شد. اما تلسکوپ وب در مدار زمین قرار ندارد. بنابراین، با استفاده از موشک آریان ۵ به فضا پرتاب شد. در نقطه ‌L2، حفاظ خورشیدی نصب شده بر روی تلسکوپ وب مانع از رسیدن نور خورشید به تلسکوپ خواهد شد. در نتیجه، تلسکوپ وب سرد می‌ماند. این مساله برای تلسکوپ‌های فروسرخ بسیار حیاتی است.

محل قرار گرفتن تلسکوپ جیمز وب

وقتی زمین به دور خورشید می‌چرخد، تلسکوپ وب نیز با آن خواهد چرخید. اما، نسبت به زمین و خورشید در نقطه یکسانی، ثابت می‌ماند. در واقع، ماهواره‌ها به دور نقطه‌ L2 می‌چرخند و به‌طور کامل بدون حرکت نیستند.

تلسکوپ وب تا چه فاصله‌ای را خواهد دید ؟

نور با سرعت بسیار زیاد و مشخصی حرکت می‌کند. بنابراین، نور پس از گذشت زمان مشخصی (هر چند بسیار کوتاه) از جسم به چشم ما خواهد رسید. هنگامی که به آسمان شب نگاه می‌کنیم و ستارگان را می‌بینیم، در واقع در زمان به عقب رفته‌ایم و ستاره را در سال‌های بسیار دور دیده‌ایم. هر چه ستاره یا کهکشانی که رصد می‌کنیم دورتر باشد، در زمان بیشتر به عقب برگشته‌ایم. تلسکوپ‌ها از این نظر با یکدیگر مقایسه می‌شوند.

اگر کهکشان‌ها را به کهکشان‌های تازه متولد شده، نوپا، کودک، نوجوان و جوان تقسیم کنیم، تلسکوپ هابل قادر به دیدن کهکشان‌های نوپا و تلسکوپ جیمز وب قادر به دیدن کهکشان‌های تازه متولد شده هستند. استفاده از امواج فروسرخ دلیل اصلی است که تلسکوپ وب اولین کهکشان‌های شکل‌گرفته را در فضا می‌بیند. جهان و تمام کهکشان‌های آن در حال انبساط و بزرگ‌تر شدن هستند.

برگشت به عقب در زمان

هنگامی که در مورد دورترین اجسام صحبت می‌کنیم، نسبیت عام اینشتین بسیار مهم می‌شود. بر طبق نسبیت عام اینشتین، انبساط جهان در واقع به معنای آن است که فضای بین اجسام کشیده می‌شود. به‌همین دلیل، اجسام (مانند کهکشان‌ها) از یکدیگر دور می‌شوند. بنابراین، اجسام بسیار دور در طول موج‌های نور مرئی دیده نمی‌شوند، زیرا نور رسیده از این اجسام به ما در محدود نور فروسرخ قرار دارد. تلسکوپ‌های فروسرخ، مانند تلسکوپ وب، بهترین انواع تلسکوپ برای مشاهده کهکشان‌های شکل‌گرفته در آغاز جهان هستی هستند.

نام گذاری دو تلسکوپ

ستاره‌شناسی به نام «ادوین هابل» (Edwin Hubble) یک قرن قبل اعلام کرد که کهکشان‌های بی‌شماری خارج از راه شیری وجود دارند. همچنین، بر طبق محاسبه‌های انجام شده توسط هابل، جهان پیوسته در حال بزرگ شدن است. جیمز وب مدیر سابق ناسا بین سال‌های ۱۹۶۱ تا ۱۹۶۸ بود. وب پروژه‌هایی مانند عطارد و فاز اولیه پروژه فرستادن آپولو به ماه را مدیریت کرد. در سال ۲۰۰۲ و یک دهه پس از فوت جیمز وب، ناسا نام او را بر روی تلسکوپ جدید گذاشت.

تصویر زیر تفاوت‌های اصلی این دو تلسکوپ را نشان داده است.

مقایسه دو تلسکوپ

همان‌گونه که در تصویر فوق دیده می‌شود، با استفاده از هر کدام از این دو تلسکوپ اطلاعات متفاوتی از قسمت‌های مختلف جهان به دست می‌اوریم. اما شاید در مورد رشد ساختار کیهانی و چگونگی شکل‌گیری جهان از مه‌بانگ تا به امروز چیز زیادی ندانید. تصویر نشان داده شده در ادامه، به‌خوبی ساختار کیهانی را از انفجار بزرگ تاکنون نشان می‌دهد.

در طی میلیاردها سال، جهان از حالت هموار و صاف به سمت حالت ساختاریافته پیش رفت. تلسکوپ‌های فضایی قدرتمند در طی سال‌ها از اسرار پنهان جهان و شکل‌گیری آن، پرده برداشتند. یکی از هدف‌های اصلی تلسکوپ جیمز وب نشان دادن دوره بحرانی تشکیل ستاره‌ها و کهکشان‌ها است.

در حدود $$10^{-36} $$ تا $$10^{-33} $$ ثانیه پس از انفجار بزرگ، تورم رخ داد. در طی این انبساط نمایی، نوسان‌های کوانتومی سبب به‌وجود آمدن تغییرات چگالی شدند. در حدود ۳۸۰ هزار سال پس از مه‌بانگ، عصر تاریک کیهانی آغاز شد. پس از تشکیل شدن نخستین اتم‌ها، جهان برای دوره بسیار طولانی، تاریک و بدون ساختار بود. ۱۰۰ میلیون سال پس از انفجار بزرگ، کهکشان‌ها تشکیل شدند. در برخی از نقاط، اتم‌ها توسط ماده تاریک احاطه و ستاره‌ها و پیش‌کهکشان‌ها تشکیل شدند. و اکنون، ۱۳/۸ میلیارد سال پس از مه‌بانگ، کهکشان‌ها کم‌نورتر شده‌اند و به شکل‌های مارپیچ و بیضی درآمده‌اند.

جهان از بیگ بنگ

هزینه ساخت جیمز وب چقدر است؟

تلسکوپ هابل سال‌ها پس از زمانی که در برنامه‌ریزی آن مشخص شده بود و در سال ۱۹۹۹ به فضا پرتاب شد. همچنین، هزینه ساخت این تلسکوپ بسیار بیشتر از مقدار تخمینی، شد. تلسکوپ جیمز وب نیز در حدود ۱۶ سال پس از زمان پیش‌بینی شده به فضا پرتاب شد. ساخت و پیشرفت تلسکوپ هابل از دهه ۷۰ میلادی تاکنون، در حدود ۱۶ میلیارد دلار هزینه در پی داشت. در محاسبه این هزینه، تعمیرات تلسکوپ و پروازهای شاتل فضایی در نظر گرفته نشد. هزینه پروژه تلسکوپ وب در حدود ۱۰ میلیارد دلار تخمین زده شده است.

تلسکوپ جیمز وب الان کجا است ؟

تا مدت‌ها تمام توجه‌ها به پرتاب تلسکوپ جیمز وب متمرکز بود. اما، اکنون و چهار ماه پس از پرتاب این تلسکوپ، می‌توانیم جدول‌ زمانی آن را دنبال کنیم. در ماه اول، قسمت‌های مختلف این تلسکوپ باز شدند. در این مرحله، تلسکوپ و تجهیزات آن به‌سرعت سرد شدند. نقش حفاظ خورشیدی در این مرحله بسیار مهم است. اما، رسیدن به دماهای پایدار چند هفته طول می‌کشد. در ادامه، آینه‌ها باز می‌شوند و آزمایش‌های مختلفی بر روی آن‌ها انجام خواهد شد.

چندین ماه پس از مرحله یکم، آزمایش‌های مختلف با استفاده از حسگر راهنما انجام خواهند شد. تلسکوپ جیمز وب در آزمایش نهایی قبل از ثبت تصاویر از کهکشان‌های دور، بر روی ستاره درخشانی متمرکز می‌شود. سپس، فرآیند طولانی به‌خط کردن تجهیزات اپتیکی تلسکوپ آغاز خواهد شد.

پس از آن، تنظیم یا کالیبراسیونِ تمام تجهیزات علمی انجام خواهد شد. در این مرحله، مشاهدات دقیق آغاز خواهد شد و هر هدف متحرکی مانند ستاره دنباله‌دار، سیارک‌ها و سیاره‌های منظومه‌شمسی دنبال می‌شوند. از اینجا به‌بعد، ماموریت علمی تلسکوپ جیمز وب آغاز خواهد شد. آزمایش‌های مختلف انجام و اطلاعات به‌دست آمده به ناسا ارسال خواهند شد.

بر طبق آخرین به‌روزرسانی سایت رسمی ناسا «+»، تلسکوپ جیمز وب تجهیزات علمی خود را در روز ۲۸ ژانویه ۲۰۲۲ معادل ۱۰ بهمن ۱۴۰۰ شمسی روشن کرد. یک‌ روز پس از روشن شدن تجهیزات علمی، نخستین ستاره به نام HD 84406 برای تصویربرداری انتخاب شد. این ستاره در صورت فلکی دب اکبر قرار گرفته است. دانشمندان از این ستاره برای متمرکز کردن تمام ۱۸ قطعه آینه اصلی استفاده کردند. ستاره HD 84406 در فاصله ۲۶۰ سال نوری از زمین قرار گرفته است.

نخستین ستاره انتخاب شده برای تصویر برداری

در روز نهم فوریه ۲۰۲۲ معادل بیستم بهمن ۱۴۰۰ شمسی، تلسکوپ فضایی جیمز وب به مقصد رسید. اما، این تلسکوپ برای تصویربرداری باید در دمای بسیار پایینی نگه داشته شود (دمای یک سمت این تلسکوپ ۳۸۸- درجه فارنهایت معادل ۲۳۳- درجه سلسیوس است). ذکر این نکته مهم است که نخستین تصاویر ثبت شده توسط این تلسکوپ بسیار مهم هستند. این تصاویر در زمان به‌خط شدن آینه اصلی گرفته می‌شوند.

اما انتظارها به پایان رسید و نخستین تصویر گرفته شده توسط تلسکوپ جیمز وب در روز یازدهم فوریه سال ۲۰۲۲ معادل ۲۲ بهمن ۱۴۰۰ شمسی رونمایی شد. در این تصویر، ستاره HD 84406 دیده می‌شود (تصویر نشان داده شده در ادامه). همان‌گونه که گفته شد هدف از گرفتن این تصویر به خط کردن ۱۸ آینه طلایی تشکیل دهنده آینه اصلی بود.

نخستین تصویر گرفته شده
نخستین تصویر تلسکوپ فضایی جیمز وب

انتظار می‌رود که تلسکوپ وب به‌طور رسمی در تابستان ۱۴۰۱ شروع به‌کار کند. فرآیند به‌خط شدن آینه‌ها تا رسیدن به تصویر موردنظر از ستاره انتخاب شده ادامه می‌یابد. این فرآیند شامل هفت گام اصلی بود که تا تاریخ ۲۵ فوریه ۲۰۲۲ معادل ششم اسفند ۱۴۰۰ شمسی، سه مرحله به‌اتمام رسیده بود. در مرحله دوم، دانشمندان موقعیت‌ قطعه‌های آینه اصلی را تصحیح و آینه ثانویه را برای متمرکز کردن تمام ۱۸ تصویر، به‌روزرسانی کردند.

تنظیم تصویر

در تاریخ ۱۶ مارس ۲۰۲۲ معادل ۲۵ اسفند ۱۴۰۰ شمسی، تیم پژوهشی تلسکوپ جیمز وب، ۱۸ آینه کوچک‌تر از آینه اصلی را به‌خط و آن‌ها را بر روی یک ستاره متمرکز کردند. نتیجه این کار بزرگ در تصویر زیر نمایش داده شده است.

تصویر ستاره پس از به خط شدن آینه ها

تاکنون در مورد تلسکوپ جیمز وب، تفاوت‌های آن با تلسکوپ فضایی هابل و نحور عملکرد آن آشنا شدید. در ادامه، به مهم‌ترین سوال‌های پاسخ داده شده در مورد این تلسکوپ توسط ناسا، می‌پردازیم.

تصاویر تلسکوپ جیمز وب

تلسکوپ فضایی جیمز وب در تاریخ ۱۲ جولای ۲۰۲۲ معادل ۲۱ تیر ماه 1401، عمیق‌ترین و واضح‌ترین تصویر از جهان دور را تا به امروز ثبت کرده است. این تصویر از خوشه کهکشانی‌ SMACS 0723، سرشار از جزئیات است.

هزاران کهکشان، حتی کم‌نورترین اجسام مشاهده شده توسط فروسرخ، برای نخستین بار توسط تلسکوپ وب مشاهده شده‌اند. دانه‌ای شن را روی بازوی خود قرار دهید. اندازه دانه شن در مقابل بازوی شما بسیار کوچک است. تصویر ثبت شده توسط جیمز وب، گوشه‌ای از جهان به اندازه همان شن در برابر بازو را پوشش داده است.

این تصویر متشکل از تصویرهای مختلف در طول موج‌های متفاوت است و ثبت آن در حدود ۱۲/۵ ساعت به طول انجامید. تصویر ثبت شده، خوشه کهکشانی SMACS 0723 را در ۴/۶ میلیارد سال قبل نشان می‌دهد. در ادامه، باید منتظر تصویرهای دیگری از کهکشان‌های اولیه باشیم.

اولین عکس تلکسوپ جیمز وب
نخستین عکس گرفته شده توسط تلسکوپ جیمز وب؛ برای دیدن عکس در اندازه بزرگ روی آن کلیک کنید (+).

در تصویر دوم، تلسکوپ جیمز وب نشانه‌هایی از وجود آب، به همراه ابر و مه در جو سیاره‌ای گازی و غول‌پیکر به نام WASP-96، کشف کرده است. این سیاره به دور ستاره‌ای دوردست شبیه به خورشید می‌چرخد. هابل اتمسفر سیاره‌های فراخورشیدی بسیاری را در دو دهه گذشته تحلیل کرده و حتی اولین کشف آب در این سیاره‌ها را در سال ۲۰۱۳ ثبت کرده است، اما رصد فوری و دقیق تلسکوپ وب جهشی بسیار بزرگ و رو به جلو برای شناسایی سیاره‌های قابل سکونت خواهد بود.

تلسکوپ وب نور دریافتی از WASP-96 را به مدت ۶٫۴ ساعت به هنگام حرکت آن به دور ستاره، اندازه گرفت. نتیجه ثبت شده، نمودار نوری است که کاهش کلی نور ستاره را به هنگام عبور، نشان می‌دهد. همچنین، طیف انتقالی نشان‌دهنده تغییر درخشش طول موج‌های تکی نور فروسرخ بین ۰٫۶ تا ۲٫۸ میکرومتر است. منحنی نور، ویژگی‌های سیاره که قبل‌تر مشخص شده بودند را به طور کامل تایید می‌کند. اما طیف انتقال ثبت شده، اطلاعات جدیدی را در مورد جو ستاره آشکار کرده است. پژوهشگران با استفاده از طیف اندازه‌گیری شده می‌توانند مقدار بخار آب موجود در جو را اندازه بگیرند.

تصویر سیاره‌ ای دوردست
جزئیات اتمسفر بخار سیاره ای دور به نام WASP-96، برای دیدن این عکس در اندازه بزرگ روی آن کلیک کنید (+).

تصویر سوم ثبت شده توسط تلسکوپ وب، آخرین لحظه زندگی ستاره‌ای در حال مرگ را با جزئیات دقیق نمایش می‌دهد. تلسکوپ فضایی جیمز وب برای نخستین بار نشان می‌دهد که این ستاره در هاله‌ای از گرد و غبار پوشیده شده است. دو دوربین وب آخرین عکس‌ این سحابی سیاره‌‌ای را با نام NGC 3132 و نام غیر رسمی سحابی حلقه‌ای جنوبی، ثبت کردند. فاصله سحابی تا زمین در حدود ۲۵۰۰ سال نوری است. تلسکوپ وب به ستاره‌شناسان اجازه خواهد داد که سحابی‌های سیاره‌ای بسیاری همانند سحابی نشان داده شده در عکس را با جرئیات دقیق مطالعه کنند.

تصویر ستاره ای در حال مرگ
ثبت عملکرد ستاره در حال مرگ با جزئیات دقیق، برای دیدن این عکس در اندازه بزرگ روی آن کلیک کنید (+).

عکس چهارم از عکس های تلسکوپ جیمز وب مربوط به پنج‌قلوی استفان است. این تصویر یکی از بزرگ‌ترین عکس‌های جیمز وب تا به امروز است و در حدود یک‌پنجم قطر ماه را پوشش می‌دهد. این عکس از ۱۵۰ میلیون پیکسل تشکیل و از ۱۰۰۰ عکس جداگانه ساخته شده است. اطلاعات به‌دست آمده از این تصویر به دانشمندان در درک چگونگی برهم‌کنش‌های کهکشانی در جهان اولیه، کمک شایانی خواهد کرد. از میان این پنج کهکشان، تنها چهار کهکشان به یکدیگر نزدیک هستند و با یکدیگر برهم‌کنش می‌کنند. پنجمین و چپ‌ترین کهکشان در تصویر به نام NGC 7320، نسبت به چهار کهکشان دیگر، در عکس جلوتر است. فاصله این کهکشان از زمین در حدود ۴۰ میلیون سال نوری و فاصله چهار کهکشان دیگر در حدود ۲۹۰ میلیون سال نوری است.

پنج قلوی استفان
پنج قلوی استفان، برای دیدن این عکس در اندازه بزرگ روی آن کلیک کنید (+).

منطقه نشان داده شده در تصویر زیر،‌ متشکل از کوه‌ها و دره‌ها و مملو از ستاره‌های درخشان، لبه ناحیه‌ای ستاره‌زا و جوان به نام NGC 3324 در سحابی کارینا است. در عکس‌های ثبت شده توسط دیگر تلسکوپ‌ها از جمله هابل، ناحیه‌هایی از تولد ستاره دور از دسترس بودند. این عکس برای نخستین بار این نواحی را نشان می‌دهد.

تصویر سحابی کارینا
سحابی شاه تخته یا کارینا، برای دیدن این عکس در اندازه بزرگ روی آن کلیک کنید (+).

در تصویر ثبت شده دیگر توسط تلسکوپ وب، بی‌نظمی کامل کهکشان «چرخ گاری» (Cartwheel) و جزییات تازه‌ای از تشکیل ستارگان و سیاه چاله مرکزی کهکشان، نشان داده است. جیمز وب با استفاده از نور فروسرخ، تصویری با جزییات خیره‌کننده از این کهکشان به همراه دو کهکشان کوچک‌تر همراه در پس‌زمینه، به ثبت رساند.در این تصویر، تغییرات کهکشان‌ها طی میلیاردها سال، با نگاه تازه‌ای بررسی شده است.

تصویر کهکشانی چرخ گاری
تصویر کهکشانی چرخ گاری؛ برای دیدن عکس در اندازه بزرگ روی آن کلیک کنید (+)

ستاره‌شناسان در طول سال‌ها علاقه زیادی به مطالعه سیاره مشتری داشتند. اکنون تلسکوپ وب با استفاده از امواج فروسرخ با طول موج‌های بلندتر، عکسی از این سیاره با جزییات خیر‌ه‌کننده منتشر کرده است. وضوح این تصویر به ‌اندازه‌ای بالا است که تصویر حلقه‌های دور مشتری را در آن می‌توان مشاهده کرد.

تصویر سیاره مشتری و شفق‌های قطبی آن؛ در این تصویر حلقه‌های دور مشتری نیز مشاهده می‌شوند. برای دیدن عکس در اندازه بزرگ روی آن کلیک کنید (+).

در فاصله ۳۲ میلیون سال نوری از زمین، کهکشانی به نام کهکشان فانتوم قرار دارد. این کهکشان به دو دلیل، یکی از بهترین‌ گزینه‌های انتخاب شده توسط ستاره‌شناسان برای مطالعه چگونگی شکل‌گیری خوشه‌های ستاره‌ای است:

  1. روبه‌روی زمین قرار گرفته است.
  2. بازوهای مشخص و واضحی دارد.
کهکشان فانتوم
تصویر کهکشان فانتوم؛ برای دیدن عکس در اندازه بزرگ‌ کلیک کنید (+).

تلسکوپ جیمز وب در روز یک سپتامبر سال ۲۰۲۲، تصویر بسیار واضحی از این کهکشان، منتشر کرد.

مطالعه سیاره‌های فرازمینی یکی از زمینه‌های پژوهشی موردعلاقه ستاره‌شناسان است. تلسکوپ جیمز وب با استفاده از چهار فیلتر نوری در طول موج‌های مختلف، عکسی از سیاره‌ای فرازمینی به نام HIP 65426 b ثبت کرده است. این سیاره نخستین بار در سال ۲۰۱۷ کشف شد، اما تلسکوپ وب به خوبی توانست این سیاره را از ستاره میزبانش، تفکیک کند.

نخستین تصویر مستقیم از سیاره فراخورشیدی
نخستین تصویر مستقیم از سیاره فراخورشیدی؛ برای دیدن عکس در اندازه بزرک کلیک کنید (+).

در صورت نیاز به دانستن جزئیات بیشتر در مورد عکس‌ های تلسکوپ جیمز وب، می‌توانید به مطلب «عکس های تلسکوپ جیمز وب + توضیح جزییات تصاویر به زبان ساده» مراجعه کنید.

سوال های رایج در مورد تلسکوپ جیمز وب

سوال‌های زیادی در مورد تلسکوپ فضایی جیمز وب وجود دارد. در ادامه، سعی شده است که به برخی از این پرسش‌ها پاسخ داده شود.

همان‌گونه که در مطالب بالا عنوان شد، این تلسکوپ چهار هدف اصلی شامل مشاهده نخستین نور و و یونیزاسیون دوباره، مجموعه کهکشان‌ها، تولد ستاره‌ها و منظومه‌های پیش‌سیاره‌ای و منظومه‌های سیاره‌ای و منشأ حیات را دنبال خواهد کرد.

انتقال به سرخ چیست ؟

انتقال به سرخ و انتقال به آبی توصیف‌کننده تغییرات فرکانس نور هنگامی است که جسمی به ما نزدیک یا از ما دور می‌شود. هنگامی‌که جسمی از ما دور می‌شود، نور رسیده از آن جسم به ما به عنوان انتقال به سرخ و در مقابل، هنگامی که جسمی به سمت ما حرکت می‌کند، نور رسیده از جسم به عنوان انتقال به آبی شناخته می‌شود.

ستاره‌شناسان با استفاده از انتقال به سرخ و آبی اطلاعاتی در مورد فاصله ستاره‌ها، سیاره‌ها یا کهکشان‌ها از زمین به دست خواهند آورد. همچنین، از انتقال به سرخ برای اندازه‌گیری مقدار انبساط جهان استفاده می‌کنند.

به منظور داشتن درک بهتری از مفهوم انتقال به سرخ ‌و آبی، باید به یاد داشته باشید که نور مرئی طیفی از رنگ‌ها با طول موج‌های متفاوت است. کوتاه‌ترین طول موج با مقدار ۳۸۰ نانومتر متعلق به نور بنفش و بلندترین طول موج با مقدار ۷۰۰ نانومتر متعلق به نور قرمز است. هنگامی که جسمی (مانند کهکشان) از ما دور می‌شود، انتقال به سرخ رخ خواهد داد. زیرا، طول موج نور بلند‌تر می‌شود و به‌سمت نور قرمز و انتهای طیف حرکت خواهد کرد.

نور منتشر شده از ستاره‌ها، تمام طول موج‌های طیف امواج الکترومغناطیسی را ندارد. برخی از طول‌ موج‌های تابیده شده توسط عناصر داخل ستاره‌ها جذب می‌شوند. بنابراین، در طیف به‌دست آمده از ستاره، خط‌های سیاهی مشاهده خواهند شد. عنصر‌های مختلف طرح‌های مختلفی از خط‌های تاریک تولید می‌کنند. تصویر زیر قسمتی از طیف تابشی نور خورشید را نشان می‌دهد.

طیف تابشی خورشید

ستا‌ره‌شناسان می‌توانند نور تابیده‌ شده از کهکشان‌های دور را مشاهده کنند. این نور، از نور دریافت شده از خورشید متفاوت است. خط‌های سیاه در طیف به‌دست آمده از کهکشان‌های دور نشان‌دهنده افزایش در مقدار طول موج است. این خطوط به سمت رنگ قرمز در انتهای طیف حرکت می‌کنند. در ادامه، طیف کهکشانی بسیار دور نشان داده شده است. همان‌گونه که مشاهده می‌شود، این طیف در مقایسه با طیف به‌دست آمده از خورشید بسیار متفاوت است.

طیف کهکشانی دور

هرچه انتقال به‌ سرخ نور کهکشانی بیشتر باشد، آن کهکشان سریع‌تر از زمین دور می‌شود. با اندازه‌گیری فاصله خط‌های مشاهده شده در طیف از مکان اصلی آن‌ها در طیف، سرعت حرکت ستاره یا کهکشان نسبت به زمین به‌دست خواهد آمد. حتی می‌توان میزان چرخش کهکشان را نیز محاسبه کرد. با استفاده از انتقال به سرخ اطلاعات زیادی را می‌توان در مورد سیاره‌های فراخورشیدی به‌دست آورد. به‌عنوان مثال، در مورد نیروی کشش بین سیاره‌ای بسیار دور و ستاره آن، اطلاعات ارزشمندی به‌دست خواهد آمد. اگر ستاره‌ای در کهکشان راه شیری، سیاره‌ای پنهان داشته باشد، دو حالت زیر ممکن است توسط ستاره‌شناسان برای ستاره موردنظر مشاهده شود:

  1. گاهی ستاره اندکی انتقال به سرخ نشان می‌دهد.
  2. گاهی ستاره اندکی انتقال به آبی نشان می‌دهد.

بنابراین، جسمی ممکن است نیروی کششی بر ستاره وارد کند و سبب حرکت نوسانی آن شود. با اندازه‌گیری مقدار انتقال خط‌های جذب شده از مکان‌های اصلی، جرم سیاره پنهان و فاصله آن از ستاره به‌دست خواهد آمد.

فرمول انتقال به سرخ

تصویر نشان داده شده در ادامه، طیف جذب کهکشان ساکنی را نشان‌ می‌دهد. در طیف به‌دست آمده، هیچ انتقال به سرخی دیده نمی‌شود. اما، اگر کهکشان با سرعت مشخصی از زمین دور شود، خط داخل طیف به سمت طول موج‌های بلندتر، یعنی قرمز، حرکت خواهد کرد.

مقایسه دو طیف جذب

در اینجا، عاملی به نام z تعریف می‌شود که نشان‌دهنده تغییر نسبی طول موج به‌دلیل اثر دوپلر کهکشان دور شونده است. ممکن است با رابطه دوپلر برای امواج صوت آشنایی داشته باشید. در اینجا، از از رابطه متفاوتی استفاده می‌شود. دلیل این امر آن است که سرعت دور شدن کهکشان‌ها از زمین به‌قدری زیاد است که باید اثرات نسبیتی در محاسبه‌ها لحاظ شوند. از رابطه زیر برای به‌دست آوردن مقدار انتقال به سرخ استفاده می‌شود:

$$z= \frac{\lambda_2 - \lambda_1}{\lambda_1}$$

طول موج مشاهده شده = $$\lambda_1$$

طول موج ساکن = $$\lambda_2$$

اگر کهکشان دوری خط طیفی مشخصی در مقدار ۹۱ نانومتر تابش کند (نور فرابنفش در حد لیمان)، مقدار این خط بر روی زمین برابر ۶۴۰ نانومتر خواهد بود (رنگ قرمز). با استفاده از رابطه داده شده، مقدار z به‌صورت زیر محاسبه خواهد شد:

$$z= \frac{640 - 91}{91}= 6.03 $$

اگر کهکشانی با سرعت کمتری حرکت کند، مقدار انتقال به سرخ برابر سرعت حرکت کهکشان به سرعت نور خواهد بود:

$$z= \frac{v}{c}$$

پس از آشنایی نسبی با انتقال به سرخ، آشنایی با قانون هابل خالی از لطف نیست.

قانون هابل چیست ؟

برطبق محاسبات هابل، سرعت حرکت کهکشان‌ها و فاصله آن‌ها از زمین از نمودار زیر به‌دست می‌آید:

قانون هابل

این‌که ستاره‌شناسان چگونه فاصله کهکشانی را از زمین به‌دست می‌آورند بسیار جالب خواهد بود. نمودار فوق، خطی مستقیم است که از مبدأ می‌گذرد. بنابراین، رابطه بین سرعت و فاصله نیز خطی خواهد بود و به صورت زیر نوشته می‌شود:

$$v= H_0 d$$

به رابطه فوق قانون هابل می‌گوییم. در این رابطه، v سرعت حرکت کهکشان دورشونده، d فاصله کهکشان از زمین و $$H_0$$ ثابت هابل هستند. مقدار این عدد ثابت به‌طور تقریبی برابر $$2.3\times 10^{-18} \ s^{-1}$$ محاسبه شده است. اما، معنای رابطه هابل چیست؟ هرچه کهکشانی از زمین دورتر باشد، با سرعت بیشتری حرکت خواهد کرد. معنای قابل‌ملاحظه قانون هابل آن است که جهان در تمام جهت‌ها در حال بزرگ‌ شدن و انبساط است.

تلسکوپ جیمز وب چه زمانی به مدار خود رسید ؟

همان‌گونه که گفته شد مدار تلسکوپ وب در نقطه لاگرانژ L2 و در فاصله ۱/۵ میلیون کیلومتری از زمین قرار گرفته است. این تلسکوپ در حدود یک ماه پس از پرتاب به این نقطه رسید. در طول این یک ماه، تلسکوپ به طور کامل باز و تا دمای موردنظر سرد شد. همچنین، عملکرد تمام سیستم‌های نصب شده بر روی آن تحت آزمایش‌های پایانی قرار گرفتند.

چرا تلسکوپ جیمز وب در فاصله بسیار دورتری از زمین نسبت به تلسکوپ هابل قرار می‌ گیرد ؟

تلسکوپ وب به چند دلیل در فاصله بسیار دورتری نسبت به زمین قرار گرفته است. این تلسکوپ نور فروسرخ دریافتی از اجسام بسیار دور را مشاهده خواهد کرد. نور فروسرخ تشعشع گرمایی است، بنابراین تمام جسم‌های گرم مانند تلسکوپ‌ها نور فروسرخ تابش می‌کنند. برای جلوگیری از اشتباه گرفتن سیگنال‌های دریافتی از کهکشان‌های بسیار دور با تشعشع ناشی از تلسکوپ، تلسکوپ وب و تمامی تجهیزات نصب شده بر روی آن باید در دمای بسیار پایینی نگه داشته شوند.

دمای مناسب برای این تلسکوپ ۵۰ درجه بالای صفر مطلق یعنی ۵۰ کلوین است (برابر ۲۲۳- درجه سانتی‌گراد یا -۳۷۰ درجه فارنهایت). در نتیجه، حفاظ خورشیدی بسیار بزرگی برای جلوگیری از رسیدن نور خورشید به این تلسکوپ، بر روی آن نصب شده است. اما شاید این سوال مطرح شود که چرا تلسکوپ جیمز وب در نقطه لاگرانژ ‌L2 قرار می‌گیرد؟

در این نقطه، حفاظ خورشیدی از رسیدن نور ماه و خورشید به تلسکوپ در تمام لحظه‌ها جلوگیری خواهد کرد. نقطه ‌L2 نقطه لاگرانژ نیمه‌پایداری در پتانسیل گرانشی بین زمین و خورشید است. این نقطه در بیرون از مدار زمین و به دور خورشید قرار گرفته است. نیروهای گرانشی بین زمین و خورشید، تلسکوپ را در نقطه مذکور نگه می‌دارد. همچنین، محیط اطراف ‌L2 با دمای پایین و پایدار به تلسکوپ اجازه ثبت سیگنال‌های فروسرخ دریافتی از کهکشان‌ها و ستاره‌های بسیار دور را خواهد داد.

چرا حفاظ خورشیدی نصب شده بر روی تلسکوپ جیمز وب به‌ جای یک لایه ضخیم، از پنج لایه تشکیل شده است ؟

دمای پنج لایه با یکدیگر فرق دارند. هر لایه، از لایه پایین‌تر خود سردتر است. گرمای تابیده شده از هر لایه، بین لایه‌ها پخش می‌شود و به لایه دیگر منتقل نخواهد شد. دلیل این امر ان است که خلأ بین لایه‌ها، عایق بسیار خوبی برای گرما است. اگر حفاظ خورشیدی به جای ۵ لایه، از لایه بسیاری ضخیمی ساخته شده بود، گرما از پایین حفاظ به بالای آن منتقل می‌شد.

حفاظ خورشیدی

چرا آینه اصلی تلسکوپ وب از برلیوم ساخته شده است ؟

عنصر برلیوم (با نماد شیمیایی Be) و عدد اتمی ۴، فلزی شکننده است. ارتجاع این عنصر بر واحد حجم بالا است. برلیوم در معرض هوا، مقدار بسیار کمی تیره می‌شود. اضافه کردن آن به برخی آلیاژها سبب تولید محصولاتی با مقاومت گرمایی بالا، بهبود مقاومت در برابر خوردگی، سختی بیشتر و کیفیت ریخته‌گری بهتری خواهد شد. بسیاری از قسمت‌های مافوق صوت تلسکوپ از بریلوم به دلیل سبکی، سختی و پایداری ابعادی ساخته شده است.

چرا آینه تلسکوپ جیمز وب با لایه نازکی از طلا پوشانده شده است ؟

به‌منظور بهبود آینه‌های به کار رفته در تلسکوپ وب برای دریافت نور فروسرخ، سطح آن‌ها با لایه نازکی از طلا پوشانده شده است. فلزات به دلیل آن‌که رساناهای خوب جریان الکتریکی هستند نور را منعکس می‌کنند. همچنین، مقدار میدان الکتریکی درون فلزها برابر صفر است. نور، موج الکترومغناطیسی است. هنگام برخورد نور با فلز، الکترون‌های سطحی فلز نوسان خواهند کرد. الکترون‌ها به گونه‌ای حرکت می‌کنند که میدان الکتریکی کل درون فلز برابر صفر شود. بنابراین، ترکیب میدان الکتریکی الکترون‌های متحرک و میدان الکتریکی نور در فلز، برابر صفر خواهد شد. این صفر شدن با بازتاب نور از سطح فلز امکان‌پذیر خواهد بود.

ساختار اتمی هر عنصری منحصربه‌فرد است. برهم‌کنش هر عنصر با نور به ساختار اتمی بستگی آن دارد. طلا نور آبی را بسیار ضعیف، اما نورهای قرمز و فروسرخ را بسیار خوب منعکس می‌کند. بنابراین، سطح آینه‌های استفاده شده در تلسکوپ وب با لایه نازکی از این عنصر پوشش داده شده‌اند. شاید جالب باشد که بدانید در حدود ۴۸ گرم طلا برای این کار استفاده شده است. ضخامت لایه طلا بر روی هر آینه برابر ۱۰۰۰ آنگستروم و کل ضخامت پوشش داده شده برابر ۲۵ متر مربع است. با استفاده از این عددها و دانستن چگالی طلا در دمای اتاق، جرم طلای استفاده شده به‌دست خواهد آمد.

تلسکوپ جیمز وب تا چه فاصله‌ ای را پوشش خواهد داد ؟

یکی از هدف‌های اصلی این تلسکوپ آشکارسازی اولین ستاره شکل‌گرفته در جهان است. گمان می‌رود که این اتفاق در انتقال به سرخی بین ۱۵ تا ۲۰ اتفاق افتاده باشد. در این مقدارهای انتقال به سرخ، سن جهان برابر یک یا دو درصد سن کنونی آن بوده است. اکنون سن جهان برابر ۱۳/۸ میلیارد سال است و این انتقال به سرخ‌ها مربوط به ۱۰۰ تا ۲۵۰ میلیون سال پس از انفجار بزرگ است.

آیا تلسکوپ جیمز وب سیاره‌ های اطراف ستاره های دیگر را خواهد دید ؟

تلسکوپ جیمز وب قادر به کشف منظومه‌های سیاره‌ای اطراف ستاره‌های نزدیک با استفاده از نور فروسرخ دریافتی از آن‌ها خواهد بود. این تلسکوپ می‌تواند به‌طور مستقیم نور بازتابیده از سیاره‌های بزرگ که به دور ستاره‌های نزدیک می‌چرخند را آشکار کند. همچنین، سیاره‌های بسیار جوان در حال شکل‌گیری که هنوز داغ هستند، توسط تلسکوب جیمز وب قابل شناسایی خواهند بود.

آیا تلسکوب وب قادر به مشاهده سیاره‌های منظومه شمسی خواهد بود ؟

بله. این تلسکوپ هر چیزی در منظومه‌شمسی را مشاهده خواهد کرد.

آیا از این تلسکوپ برای پژوهش در مورد ماده تاریک استفاده خواهد شد ؟

بخش زیادی از جرم کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی از ماده تاریک تشکیل داده است. تلسکوپ وب ماده تاریک را به‌طور مستقیم مشاهده نمی‌کند، اما اثرهای آن‌ را اندازه خواهد گرفت. یکی از بهترین راه‌ها برای اندازه‌گیری جرم، استفاده از اثر لنزهای گرانشی است همان‌گونه که در نسبیت عام اینشتین مطرح شده است، نور به‌هنگام عبور از نزدیکی جرمی بسیار سنگین منحرف خواهد شد، زیرا فضا-زمان به‌دلیل جرم دچار اختلال شده است. با گرفتن تصویر از کهکشان‌های دور که پشت کهکشان‌های نزدیک‌تر قرار گرفته‌اند، جرم کلی کهکشان‌های جلویی با اندازه‌گیری اختلال‌های موجود در کهکشان‌های پشتی محاسبه خواهد شد.

ماده تاریک

از آنجایی که ستاره‌شناسان مقدار جرم ستاره‌های کهکشان‌های پیش‌زمینه را اندازه می‌گیرند، بنابراین مقدار کل جرم از دست رفته که فرض می‌شود در ماده تاریک قرار گرفته است، محاسبه خواهد شد. تلسکوپ وب یکی از بهترین وسیله‌ها برای این نوع اندازی‌گیری‌ها خواهد بود. زیرا، تصویرهای بسیار دقیق گرفته شده توسط این تلسکوپ، اندازه‌گیری اختلال‌های بسیار کوچک را آسان خواهد کرد.

 قدرت زوم تلسکوپ جیمز وب

قدرت تلسکوپ جیمز وب در حدود ۱۰۰ برابر تلسکوپ فضایی هابل است. همچنین، آینه تلسکوپ وب سه برابر آینه هابل است، بنابراین، این تلسکوپ قادر به دیدن اجسامی ۹ برابر کم‌رنگ‌تر خواهد بود. در نتیجه، با استفاده از تلسکوپ وب در زمان به عقب‌تر سفر خواهیم کرد.

جمع‌بندی

در این مطلب، با تلسکوپ جیمز وب و عملکرد آن به زبان ساده آشنا شدید. اساس کار این تلسکوپ بر پایه نور فروسرخ است، در نتیجه هر آن‌چه تاکنون توسط تلسکوپ‌های دیگر دیده نشده است، با این تلسکوپ قابل دیدن خواهد بود. با استفاده از این تلسکوپ، پرسش‌های بسیاری در مورد آغاز جهان و شکل‌گیری نخستین ستاره‌ها و کهکشان‌ها پاسخ داده خواهند شد.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

بر اساس رای ۲۷ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
شما قبلا رای داده‌اید!
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.

«مهدیه یوسفی» دانش‌آموخته مقطع دکتری نانوفناوری است. از جمله مباحث مورد علاقه او فیزیک، نانوفناوری و نقاشی است. او در حال حاضر، در زمینه آموزش‌های فیزیک در مجله فرادرس می‌نویسد.

5 نظر در “تلسکوپ جیمز وب چیست؟ — همه دانستنی ها + جدیدترین تصاویر

  • مطالب بسیار جالب و آموزنده ای را دریافت کردم . ضمن تشکر از شما این سوال برایم ایجاد شده که با توجه به اینکه همیشه پشت تلسکوپ به خورشید است و وجود لایه محافظ برای محافضط از نور خورشید، آیا تلسکوپ وب از خورشید هم میتواند تصویر برداری نماید؟ واگر جواب بله هست چگونه امکان پذیر است؟

    1. با سلام،
      سنسور تلسکوپ در صورت عکس‌برداری از خورشید آسیب خواهد دید. بنابراین، این امکان برای تلسکوپ وب فراهم نشده است .
      با تشکر از همراهی شما با مجله فرادرس

  • واقعا شگفت انگیز است.
    و چقدر تلاش شما در محتواسازهای فارسی زبان قابل ستایش بود در این پست

    سپاس فراوان
    بسیار یاد گرفتم

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.