تلسکوپ فضایی جیمز وب؛ تحقق رویای ۳۲ ساله کیهان‌ شناسان

مهم‌ترین تلسکوپ فضایی تاریخ فردا پرتاب می‌شود و حالا تمام دنیا در هیجان پرتاب این غول فضایی فرو رفته است. اکنون مدت‌هاست که خبر پرتاب تلسکوپ فضایی جیمز وب به گوش می‌رسد و تمام جامعه علمی دنیا را تحت تاثیر قرار داده است. ایده ساخت تلسکوپی فروسرخ در فضا حتی قبل از پرتاب تلسکوپ فضایی هابل مطرح شد و حالا ۳۲ سال است که مهندسان ناسا، سازمان فضایی اروپا و سازمان فضایی کانادا روی چنین پروژه بزرگ و پیچیده‌ای کار می‌کنند. پیچیدگی تلسکوپ وب به حدی است که ساخت و پرتاب آن حتی برای کشور پیشرفته‌ای مثل ایالات متحده آمریکا تا امروز طول کشیده است.

ناسا این تلسکوپ را نمونه‌ای از دستیابی به آرزوهای علمی می‌داند که توانایی‌های مهندسی را به سرحدات جدیدی رسانده است. تلسکوپ فضایی جیمز وب به مرز جدیدی در ماموریت‌های فضایی رسیده و حتی نوآوری‌های تازه‌ای در تکنولوژی ابزار علمی آن به کار رفته است که می‌تواند روزی در زندگی روزمره همه ما دیده شود. در ادامه از تاریخچه ساخت تلسکوپ فضایی جیمز وب، ابزار علمی آن و ماموریت‌هایی که قرار است انجام دهد، خواهیم گفت و با این شاهکار مهندسی فضایی آشنا خواهیم شد.

تاریخچه ساخت تلسکوپ فضایی جیمز وب

در اواخر دهه ۹۰ میلادی، آلن درسلر، منجم آمریکایی به ناسا پیشنهاد داد تا تلسکوپ فضایی فروسرخی را که در نظر دارد، با آینه ۴ متری و حتی بزرگ‌تر بسازد و آن را در مداری به دور خورشید قرار دهد و نام «تلسکوپ فضایی نسل بعد» را برای پروژه پیشنهاد دادند.

با بررسی‌هایی که مهندسان و دانشمندان ناسا انجام دادند، این پروژه را عملی دانستند و ناسا با تامین نیازهای مالی و فنی این پروژه موافقت کرد. از سال ۲۰۰۲ میلادی ساخت این تلسکوپ به طور رسمی آغاز شد و ناسا برای ادای احترام به یکی از تاثیرگذارترین مدیران خود اسم این تلسکوپ را به «تلسکوپ فضایی جیمز وب» تغییر داد.

جیمز وب دومین مدیر منسوب ناسا بود که در زمان مدیریت او پروژه آپولو انجام شد. گفتنی است که وب در زمان رقابت فضایی بین آمریکا و شوروی به جان اف. کندی، رئیس جمهور وقت آمریکا گفت که در صورتی پروژه آپولو را انجام خواهد داد که تنها به قصد منافع سیاسی انجام نشود و سودی برای جامعه آمریکا داشته باشد.

ساخت تلسکوپ در سال ۲۰۱۶ میلادی به پایان رسید و قرار بود تا دو سال پس از آن آزمایش‌هایی روی تمام رصدخانه انجام شود تا از میزان مقاومت آن در شرایط سخت پرتاب و دوام آن در فضا مطمئن شوند. در ابتدا تاریخ پرتاب وب در سال ۲۰۱۸ میلادی اعلام شده بود، اما به دلیل مشکلات فنی ایجاد شده در رصدخانه، پرتاب آن تا ۴ دی ۱۴۰۰ به تاخیر افتاد (البته اگر باز هم به تعویق نیفتد!).

البته نباید ناسا را برای این تاخیرها سرزنش کرد. پروژه ساخت جیمز وب تا امروز ۸.۸ میلیارد دلار برای دولت آمریکا هزینه داشته و حتی در سال ۲۰۱۱ میلادی، به دلیل فرا رفتن هزینه‌ها از بودجه اولیه برای مدت کوتاهی متوقف شد. اما خوشبختانه ناسا با تعیین بودجه جدید توانست نظر سیاستمداران را عوض کند و به ساخت وب ادامه دهد.

در تمام ماموریت‌های فضایی هر اتفاق غیرمنتظره‌ای ممکن است رخ دهد. حالا در پروژه‌ای مثل تلسکوپ فضایی جیمز وب که پیچیدگی غیرقابل توصیفی دارد، هر خطایی می‌تواند منجر به فاجعه شود. بنابراین ناسا باید تمام احتمالات را در نظر بگیرد و موفقیت پروژه را در اولویت قرار دهد.

آینه طلایی تلسکوپ فضایی جیمز وب

تلسکوپ فضایی جیمز وب به آینه‌های طلایی خود معروف است. این آینه که ۶.۵ متر قطر دارد، از ۱۸ قطعه جداگانه ساخته شده که قطر هر کدام ۱۳۲ سانتی‌متر است و با قرارگیری کنار هم آینه‌ای با قطر ۶.۵ متر می‌سازد.

با توجه به شرایط سختی که در فضا حاکم است، آینه این تلسکوپ باید طوری طراحی شود که حجم آن تغییر قابل توجهی نکند در غیر این صورت تمام آینه از حالت عادی خود خارج می‌شود و عملا رصدخانه از کار می‌افتد. به همین دلیل، آن را از بریلیم ساختند که با این شرایط سازگار باشد.

تلسکوپ فضایی جیمز وب قرار است تا تمام داده‌های خود را در نور فروسرخ ثبت کند. بنابراین روکش آن باید از جنسی باشد که بیشترین بازتاب گرمایی یا طول موج فروسرخ را داشته باشد و چه چیزی بهتر از طلا!

تمام ۱۸ قطعه آینه روکش بسیار نازکی، با ضخامت صد نانومتر از جنس طلا دارد تا بتواند در بهترین حالت ممکن نور فروسرخ را از دورترین نقاط کیهان جمع‌آوری کند و به زمین مخابره کند.

اما چرا آینه اولیه وب را یکپارچه نساختند؟ ساخت اپتیک باکیفیتی به این بزرگی کار بسیار سختی است و تولید چنین چیزی احتمالا طولانی‌تر از ساخت ۱۸ قطعه شش ضلعی می‌شد. علاوه بر این، بزرگترین محفظه باری موجود در بین راکت‌های امروزی یعنی راکت آریان ۵ تنها ۵.۴ متر است و آینه ۶.۵ متری داخل آن قرار نمی‌گیرد. مهندسان برای اینکه از چنین محدودیتی فرار کنند، آینه اولیه وب را از قطعات جداگانه ساختند و آن را مثل اوریگامی جمع کردند تا درون محفظه آریان ۵ قرار بگیرد.

محل پرتاب تلسکوپ

این تلسکوپ هم اکنون داخل محفظه باری راکت آریان ۵ روی سکوی پرتاب خود در مرکز فضایی گویان سازمان فضایی اروپا قرار دارد و در انتظار پرتاب است. ناسا تصمیم گرفت که آن را از کشوری استوایی مثل کشور گویان فرانسه، که زمانی مستعمره فرانسه بوده و هنوز هم جز خاک این کشور حساب می‌شود، پرتاب کند.

می‌دانیم که زمین کره‌ای است که در حال گردش به دور خودش است. به همین دلیل، سرعت خطی هر نقطه روی این کره متفاوت است، به طوری که در استوا بیشترین سرعت خطی و در قطبین کمترین سرعت خطی یعنی برابر با صفر دارد.

برای اینکه پرتاب محموله‌هایی به سنگینی تلسکوپ فضایی جیمز وب و خروج آن‌ها از جو راحت‌تر انجام شود، سازمان‌های فضایی معمولا آن‌ها را به نزدیکی استوا منتقل می‌کنند تا با سرعت اولیه مضاعفی به آن‌ها وارد شود. ناسا این بار هم چنین تصمیمی گرفت و وب را از راه دریایی به گویان فرانسه منتقل کرد.

ناسا می‌توانست این تلسکوپ را از راه زمینی یا هوایی هم منتقل کند، اما به دلیل ریسک‌هایی که راه هوایی دارد این گزینه را به کلی حذف کرد. از طرفی، در راه زمینی گویان فرانسه تا سکوی پرتاب، پر از پل‌هایی بود که تحمل وزن تلسکوپ وب را نداشتند و می‌توانستند منجر به فاجعه شوند. برای همین ناسا امن‌ترین راه یعنی راه دریایی را انتخاب کرد و وب را به آخرین مقصد زمینی‌اش رساند.

مدار تلسکوپ فضایی جیمز وب

این تلسکوپ پس از پرتاب به ۱.۵ میلیون کیلومتر دورتر از مدار زمین می‌رود و به دور خورشید گردش خواهد کرد. مقصد نهایی تلسکوپ وب، در مداری به مرکزیت نقطه لاگرانژی دوم یا L2 است. نقاط لاگرانژی در فضا نقاطی فرضی هستند که نیروی گرانش دو جرم بزرگ مثل زمین و خورشید در آن نقاط تقریبا برابر است و هر جرمی که در آنجا قرار بگیرد پایدار خواهد بود.

تلسکوپ فضایی جیمز وب در مداری به مرکزیت L2 طوری قرار می‌گیرد که در سایه ماه و زمین نباشد و همواره از انرژی خورشید استفاده کند. با اینکه به نظر می‌رسد وب باید در مدت زمان طولانی‌تری به دور خورشید بچرخد، همزمان با زمین حرکت می‌کند و همواره در دید ما قرار دارد تا با مرکز کنترل ماموریت در ارتباط باشد. چنین اتفاقی نیز یکی از منفعت‌های نقطه لاگرانژی دوم است که نیروهای وارد بر این نقطه، جرم مورد نظر را به همراه زمین به حرکت در می‌آورد.

ابزار و ماموریت‌های علمی تلسکوپ جیمز وب

این تلسکوپ چهار ابزار علمی مهم دارد که روی اتوبوس فضایی (Spacecraft Bus) ۱۲ متری رصدخانه سوار شده‌اند.:

• NIRCam یا دوربین فروسرخ نزدیک
• NIRSpec یا اسپکترومتر فروسرخ نزدیک
•  MIRI یا ابزار فروسرخ میانی
• FGS/NIRISS یا سنسور هدایتگر دقیق به همراه تصویرگر فروسرخ نزدیک و طیف‌نگار بدون شکاف

دوربین نیرکم وب در طول موج فروسرخ نزدیک کار می‌کند و قرار است تا اولین ستاره‌ها و کهکشان‌های در حال شکل‌گیری در کیهان را ببیند. از آنجایی که سرعت نور محدود است، هر چه به اعماق کیهان نگاه می‌کنیم، بیشتر به گذشته نگاه کرده‌ایم. بنابراین هنوز نور اولین ستاره‌هایی که در دویست میلیون سال ابتدایی کیهان در حال شکل‌گیری بوده‌اند، در فضا وجود دارد و ما می‌توانیم با ابزار قدرتمندی مثل تلسکوپ فضایی جیمز وب آن را مشاهده کنیم.

علاوه بر این، دوربین نیرکم مجهز به کرونوگراف است. این ابزار به وب اجازه می‌دهد تا برای مشاهده اجرام کم فروغ، جرم نورانی‌تر را مسدود کند و نور جرم کم‌نورتر را بهتر ثبت کند. این کار دست مثل وقتی است که دستتان را جلوی خورشید می‌گیرید و نور آن را مسدود می‌کنید تا اطراف خود را بهتر ببینید.

اسپکترومتر نیراسپک نیز داده‌های خود را در فروسرخ نزدیک دریافت می‌کند. از آنجایی که نور هر جسمی مثل اثر انگشت عمل می‌کند و نشانگر اجزای تشکیل دهنده آن است، اسپکترومترها می‌توانند با بررسی نور ستاره‌ها و اجرام آسمانی ترکیبات شیمیایی و ویژگی‌های فیزیکی آن‌ها را تشخیص دهند.

حالا این ابزار وب قرار است تا نور کهکشان‌های اولیه در کیهان و حتی کهکشان‌های جوان امروزی را بررسی کند و اطلاعات بسیار مفیدی را در اختیارمان قرار دهد. نیراسپک می‌تواند همزمان صد جرم را رصد کند و نور آن‌ها را بررسی کند و این کار را با شاتر بی‌نظیر خود انجام می‌دهد که نوآوری جدیدی در تکنولوژی تصویربرداری محسوب می‌شود. شاتر این ابزار از صدها میکروشاتر به قطر یک تار موی انسان تشکیل شده که هر کدام جداگانه می‌تواند کنترل شود و در صورت نیاز باز و بسته شود.

ابزار میری از یک دوربین و اسپکترومتر تشکیل شده است که در طول موج فروسرخ میانی کار می‌کند. این ابزار می‌تواند انتقال به سرخ کهکشان‌های دوردست، ستاره‌های جوان در حال تشکیل و اجرام کمربند کوییپر را مشاهده کند.

می‌دانیم کیهان در هر لحظه منبسط می‌شود و فضا-زمان با شتاب خاصی در حال گسترش است. همین باعث می‌شود که نور ستاره‌هایی که به ما می‌رسد کمی کش بیاید و به قرمزی میل کند. اگر نور کهکشان‌های دوردست را مشاهده کنیم، این اثر بیشتر می‌شود و نور آن‌ها در طول موج فروسرخ دیده می‌شود. این اثر «انتقال به سرخ» نام دارد و درست مثل وقتی است که صدای ماشینی در حال دور شدن، طبق اثر دوپلر بم‌تر می‌شود.

از آنجایی که وب برای مشاهده کهکشان‌های دور باید ساعت‌ها رصد کند، به سنسوری نیاز دارد تا بتواند آینه را در حالتی پایدار نگه دارد. سنسور هدایتگر دقیق قرار است همین کار را بکند. این سنسور آینه وب را به سمت اجرامی که از قبل تعیین شده‌اند، نشانه می‌رود و آن را پایدار نگه می‌دارد.

تصویرگر فروسرخ نزدیک و طی‌نگار بدون شکاف اولین نورگیری تلسکوپ فضایی جیمز وب را انجام می‌دهد و به شناسایی سیارات فراخورشیدی می‌پردازد. این ابزار می‌تواند جو سیارات فراخورشیدی را مطالعه کند و عناصر آن را بررسی کند تا از احتمال وجود حیات روی این سیارات به ما بگوید.

یکی از پیجیده‌ترین عملیات‌هایی که وب پس از پرتاب باید انجام دهد، باز کردن آفتابگیر (Sunshield) رصدخانه است. از آنجایی که ابزار علمی وب تنها در دمای بسیار پایین کار می‌کند، مهندسان آفتابگیری برای آن طراحی کرده‌اند تا اکثر گرمای خورشید، زمین و ماه را بازتاب کند. این آفتابگیر از پنج لایه کاپتون ساخته شده که روی هم به اندازه سه زمین تنیس است. در سمت خنک رصدخانه، به لطف آفتابگیر و خنک کننده‌های وب، دما تا ۲۶۶- درجه سانتی‌گراد می‌رسد و در سمت دیگر دما تا صد درجه سانتی‌گراد بالا می‌رود. برای اینکه این آفتابگیر سرپا شود، وب باید ۱۴۰ مکانیزم آزادسازی را پشت سر هم انجام دهد. اگر هر کدام از این رخدادها به موقع انجام نشود، کل پروژه تلسکوپ فضایی جیمز وب با شکست مواجه می‌شود. با این حال، ناسا برای چنین مواقعی چندین سناریو چیده تا در صورت بروز هر اتفاقی از شکست کل پروژه جلوگیری کند. اما همچنان احتمال اینکه اتفاقی بر خلاف تصور همه بیفتد نیز وجود دارد.

تلسکوپ فضایی جیمز وب پاسخ بزرگترین سوالات امروزی کیهان‌شناسان را می‌دهد و همانطور که گفتیم، دویست میلیون سال ابتدایی کیهان را پس از عصر تاریکی به ما نشان خواهد داد. با پرتاب موفقیت آمیز این تلسکوپ عصر جدیدی در کیهان‌شناسی آغاز می‌شود و انقلابی در نظریه‌های شک‌گیری کیهان رخ می‌دهد. ممکن است بفهمیم که تا امروز اشتباه می‌کردیم و ممکن است از یافته‌هایمان مطمئن شویم، اما مهم‌ترین اتفاقی که می‌افتد درک بهتر ما نسبت به جهان اطراف و پدیده‌هایی است که هم اکنون در حال رخ دادن است و ما از آن‌ها بی‌خبریم. با بهبود بینش و جهان‌بینی بشریت می‌توانیم هر روز رو به جلو حرکت کنیم و قدمی در راستای پیشرفت جهان برداریم.