تلسکوپ جیمز وب چیست؟ — همه دانستنی ها + جدیدترین تصاویر
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.
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.
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.
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.
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 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.
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.
