نگاهی به مهم‌ترین کشفیات تلسکوپ جیمز وب؛ دستاوردهای شگفت‌انگیز فضایی

تلسکوپ فضایی جیمزوب (JWST) از مهم‌ترین پروژه‌های علمی قرن بیست‌و‌یکم است که درک ما از کیهان را به‌طرز چشمگیری متحول کرده است. در این مقاله، ابتدا این تلسکوپ پیشرفته را معرفی می‌‎کنیم سپس مهم‌ترین اکتشافات جیمز وب را مرور خواهیم کرد.

تلسکوپ فضایی جیمزوب

تلسکوپ فضایی جیمزوب، جانشین تلسکوپ فضایی هابل، را ناسا با همکاری آژانس فضایی اروپا (ESA) و آژانس فضایی کانادا (CSA) طراحی و ساخته است. این تلسکوپ ۴ دی ۱۴۰۰ به فضا پرتاب شد و در نقطه لاگرانژ ۲ در فاصله یک‌میلیون و ۵۰۰ هزار کیلومتری از زمین مستقر شد. JWST با آینه‌ای به قطر ۶.۵ متر و ابزارهای پیشرفته‌ای مانند NIRCam ،NIRSpec و MIRI، توانایی مشاهده کیهان در طول موج‌های فروسرخ را دارد که امکان مطالعه اعماق فضا و زمان را فراهم می‌کند.

از آن زمان تاکنون، این تلسکوپ فضایی قدرتمند موفق شده اکتشافاتی انجام دهد که دانش بشر از عالم را متحول کرده است. در ادامه برخی از مهم‌ترین اکتشافات جیمزوب را مرور می‌کنیم.

رصد سیارات فراخورشیدی و کشف نشانه‌های احتمالی حیات

سیارات فراخورشیدی یا «Exoplanet»ها به سیاراتی گفته می‌شود که به دور ستاره‌هایی غیر از خورشید ما می‌گردند. از زمان کشف اولین سیاره فراخورشیدی در دهه ۱۹۹۰ میلادی، هزاران سیاره فراخورشیدی شناسایی شده‌اند اما تا قبل از جیمز وب، مطالعه جو آنها، به‌خصوص برای سیارات کوچک‌تر و مشابه زمین، بسیار دشوار بود.

کشف سیارات فراخورشیدی و نشانه‌های احتمالی حیات از مهم‌ترین اکتشافات جیمز وب هستند. این دستاورد علمی نشان می‌دهد به مرحله‌ای رسیده‌ایم که می‌توانیم جو سیاراتی در خارج از منظومه شمسی را دقیق بررسی کنیم و دنبال نشانه‌هایی از حیات بگردیم.

وقتی سیاره‌ای از مقابل ستاره‌اش عبور می‌کند، بخشی از نور ستاره از جو آن عبور کرده و به JWST می‌رسد. مولکول‌های موجود در جو سیاره بخشی از این نور را جذب می‌کنند و از الگوی جذب در طول‌موج‌های مختلف، می‌توان نوع گازها را تشخیص داد.

اولین سیاره فراخورشیدی که تلسکوپ جیمزوب از آن تصویربرداری کرد، «HIP 65426 b» نام دارد که سال ۲۰۱۷ کشف شد. دانشمندان برای مشاهده این سیاره از ۲ دوربین نصب‌شده روی وب، چندین فیلتر و ابزار «کرونوگراف» برای حذف نور ستاره میزبان استفاده کردند. این سیاره ۱۰۰ برابر فاصله زمین تا خورشید از ستاره میزبان خود فاصله دارد. در مقایسه، فاصله پلوتو از خورشید فقط ۴۰ برابر فاصله زمین تا خورشید است. این سیاره عظیم گازی حدود ۱۲ برابر مشتری است.

«WASP-39b» نام سیاره فراخورشیدی دیگری است که این تلسکوپ آن را بررسی کرده و حالا مطالعه‌شده‌ترین دنیای خارج از منظومه شمسی شناخته می‌شود. این سیاره حدود ۷ هزار سال نوری با زمین فاصله دارد و غول گازی جوشانی به‌ اندازه زحل است که در فاصله‌ای بسیار نزدیک به ستاره میزبانش قرار دارد؛ حدود هشت برابر نزدیک‌تر از عطارد به خورشید ما. با استفاده از دوربین اصلی وب و ۲ طیف‌سنج آن، دانشمندان نخستین‌ بار دی‌اکسید کربن را در جو سیاره‌ای فراخورشیدی شناسایی کردند.

اگرچه جو ضخیم این سیاره تحت سلطه ابرهایی از گوگرد و سیلیکات، ازجمله دی‌اکسید گوگرد است، این داده‌ها به پژوهشگران اجازه داد جنبه‌هایی از تاریخچه و نحوه شکل‌گیری سیاره را نیز استنباط کنند. به نظر می‌رسد این سیاره از برخورد سیارات کوچک‌تر به وجود آمده و به‌دلیل میزان بالای اکسیژن نسبت به کربن، احتمالاً بسیار دورتر از مکان فعلی خود شکل گرفته است. وجود این عناصر نشان‌دهنده فعالیت فتوشیمیایی در جو است که در اثر تابش فرابنفش از ستاره میزبان شکل می‌گیرند.

سیارات فراخورشیدی دیگری که جیمز وب تاکنون کشف کرده است، عبارت‌اند از:

• سیاره فراخورشیدی K2-18b در میان مهم‌ترین اکتشافات جیمز وب

این سیاره در منطقه قابل‌سکونت ستاره‌ کوتوله در فاصله حدود 124 سال نوری از زمین قرار دارد. سپتامبر 2023، JWST نشانه‌هایی از وجود گازهایی مانند متان (CH₄)، دی‌متیل‌سولفید (DMS) و دی‌اکسید کربن (CO₂) را در جو K2-18b شناسایی کرد. اهمیت DMS این است که تنها منبع شناخته‌شده آن روی زمین، ارگانیسم‌های زنده دریایی هستند. البته ناسا و سایر محققان تأکید کرده‌اند شناسایی DMS به معنای کشف حیات نیست، بلکه سیگنالی امیدوارکننده است که نیاز به بررسی‌های بیشتر دارد.

• سیاره فراخورشیدی GJ 1214b

JWST این سیاره را یکی دیگر از اهداف مهم برای بررسی بیشتر انتخاب کرد. طیف‌نگاری JWST از سیاره فراخورشیدی GJ 1214b نشان داد که این سیاره احتمالاً جوی مه‌آلود با بخار آب دارد. این نوع جوها به‌دلیل تراکم بالا، بررسی‌ گذشته را غیرممکن می‌کردند اما ابزارهای دقیق JWST موفق به شکافتن این مه شدند.

این دستاوردها نشان می‌دهند اکنون به کمک جیمزوب می‌توانیم جو سیارات کوچک‌تر را با دقت بررسی کنیم. قابلیت شناسایی گازهای زیستی مانند اکسیژن، متان، اوزون یا DMS به کمک جیمزوب وجود دارد. بسیاری از این سیارات در «منطقه قابل‌سکونت» قرار دارند؛ یعنی دمای سطح آنها به گونه‌ای است که ممکن است آب مایع وجود داشته باشد، پس بررسی آنها برای یافتن نشانه‌های حیات ضروری است.

در گام بعدی، دانشمندان قصد دارند سیگنال‌های مشکوک مانند DMS را با دقت بالاتر بررسی کنند. بررسی ترکیب جو سیارات فراخورشیدی سنگی مانند زمین نیز اهمیت زیادی دارد.

تولد ستارگان در ستون‌های آفرینش

مدت‌ها «ستون‌های آفرینش» در سحابی عقاب از مهم‌ترین اهداف تلسکوپ هابل بوده‌اند اما ازآنجایی‌که هابل بیشتر در نور مریٔی داده جمع‌آوری می‌کند، فرایند تولد ستارگان یا همان «آفرینش» در آن پنهان مانده بود! اکنون جیمزوب با تصویربرداری فروسرخ موفق شده وجود پیش‌ستاره‌های بی‌شمار در این سحابی را آشکار کند. این یکی دیگر از مهم‌ترین اکتشافات جیمز وب است. نقاط قرمز کوچک در زمینه مه‌آلود ستون‌های آفرینش، گاز و غباری هستند که ابعاد هرکدام چندین برابر منظومه شمسی است و همان ستارگان درحال تولد هستند.

«دریک وارد-تامپسون»، رئیس دانشکده علوم طبیعی دانشگاه مرکزی «لنکشایر» بریتانیا، گفت:
«این ستارگان جوان که در تصویر می‌بینیم، هنوز هیدروژن نمی‌سوزانند اما به‌تدریج که ماده بیشتری وارد می‌شود، مرکز آنها چگال‌تر می‌شود و ناگهان چگالی آن‌قدر زیاد می‌شود که احتراق هیدروژن آغاز می‌شود و دمای آنها به حدود ۲ میلیون درجه سلسیوس می‌رسد.»

مشاهده سیاه‌چاله‌های عظیم در کیهان اولیه

کشف و مشاهده سیاه‌چاله‌های عظیم در کیهان اولیه وب یکی دیگر از چالش‌برانگیزترین و درعین‌حال هیجان‌انگیزترین یافته‌های تلسکوپ فضایی جیمز است. این کشف نه‌فقط به پرسش‌های کلیدی درباره پیدایش سیاه‌چاله‌ها پاسخ می‌دهد، بلکه برخی از مدل‌های بنیادی کیهان‌شناسی را نیز زیر سؤال برده است.

در نظریه‌های استاندارد کیهانی، سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم — آنهایی که میلیون‌ها یا حتی میلیاردها برابر خورشید جرم دارند — در مرکز کهکشان‌ها و پس از طی میلیاردها سال شکل‌گیری و ادغام تدریجی جرم، به وجود می‌آیند اما آنچه JWST نشان داد، به‌طرز شگفت‌آوری با این تصور در تضاد بود: وجود سیاه‌چاله‌هایی بسیار بزرگ، فقط چندصد میلیون سال پس از مهبانگ!

دراین‌میان، یکی از نخستین نمونه‌های برجسته رصد کهکشانی به نام «CEERS 1019» است که فقط ۵۷۰ میلیون سال پس از بیگ‌بنگ شکل گرفته است و در کمال شگفتی، میزبان سیاه‌چاله‌ای فعال و پرجرم است. ابزارهای طیف‌سنج JWST موفق شدند نه‌فقط ردپای مواد اطراف این سیاه‌چاله را ثبت کنند (ازجمله خطوط نشری یون‌های اکسیژن و هیدروژن که نشانگر گازهای داغ اطراف هسته‌ کهکشانی فعالی هستند)، بلکه با دقت بالایی تخمین بزنند این سیاه‌چاله جرمی معادل حدود ۹ میلیون جرم خورشیدی دارد — آن هم در زمانی بسیار نزدیک به آغاز کیهان!

این مقدار جرم برای مدل‌های موجود که رشد سیاه‌چاله‌ها را توضیح می‌دهند، قابل‌توجیه نیست. براساس دانش امروزی ما، برای رسیدن به چنین جرمی حتی در حالت رشد انفجاری (بلعیدن مداوم ماده تا نزدیک حد ادینگتون)، به زمان بسیار بیشتری نیاز است اما جیمز وب نشان داد چنین سیاه‌چاله‌هایی وجود داشتند؛ یعنی یا روند رشد آنها بسیار سریع‌تر از حد تصور است یا آنها از ابتدا با جرم‌هایی بسیار بالا متولد شده‌اند؛ یعنی به‌جای آنکه از فروپاشی ستارگان سنگین به‌ وجود آمده باشند، مستقیم از فروپاشی ابرهای گازی عظیم اولیه زاده شده‌اند، فرایندی که به آن «فروپاشی مستقیم» گفته می‌شود.

ماجرا به همین‌جا ختم نمی‌شود. میان مهم‌ترین اکتشافات جیمز وب همچنین می‌توان به شواهدی از وجود سیاه‌چاله‌های فعال در چندین کهکشان دیگر در دوره‌هایی مانند 600 تا 800 میلیون سال پس از بیگ‌بنگ اشاره کرد. این سیاه‌چاله‌ها نه‌فقط بزرگ‌اند، بلکه درحال بلعیدن ماده اطراف خود هستند، به گونه‌ای که انرژی عظیمی از اطراف آنها ساطع می‌شود.

این مشاهدات همچنین در ارتباط با نحوه شکل‌گیری کهکشان‌ها نیز پیامدهای مهمی دارد. پیشتر تصور می‌شد ابتدا کهکشان‌ها شکل می‌گیرند سپس سیاه‌چاله‌ای در مرکز آنها رشد می‌کند اما برخی از این مشاهدات توضیح می‌دهد که شاید سیاه‌چاله‌های عظیم حتی زودتر از کهکشان میزبان خود شکل گرفته باشند و رشد کهکشان در تعامل با آنها اتفاق افتاده باشد.

کشف کهکشان‌های اولیه و ساختارهای کیهانی

تلسکوپ فضایی جیمز وب برای مشاهده دورترین کهکشان‌های جهان طراحی شده است. این تلسکوپ تاکنون چندین کهکشان دوردست را رصد کرده که در دسته قدیمی‌ترین کهکشان‌های شناخته‌شده عالم قرار دارند.

پژوهشگران سن این کهکشان‌ها را با تحلیل داده‌های ابزار «طیف‌سنج مادون قرمز نزدیک» تلسکوپ بررسی کردند. ۲ مورد از این کهکشان‌ها عبارت‌اند از:

• کهکشان GS-z13-1: دورترین کهکشان شناخته‌شده

یکی از مهم‌ترین اکتشافات جیمز وب شناسایی کهکشانی به نام GS-z13-1 بود که فقط حدود ۳۳۰ میلیون سال پس از بیگ‌بنگ شکل گرفته است؛ یعنی نور این کهکشان حدود ۱۳ میلیارد و ۵۰۰ میلیون سال در راه بوده تا به ما برسد! پیش از JWST، دورترین کهکشان شناخته‌شده حدود ۴۰۰-۴۵۰ میلیون سال پس از بیگ‌بنگ بود. GS-z13-1 ستارگانی جوان و نرخ بالای شکل‌گیری ستاره دارد. رصد این کهکشان نشان داد کهکشان‌سازی خیلی زودتر از آنچه انتظار می‌رفت، آغاز شده است.

• کهکشان‌های عظیم و شگفت‌انگیز: «هیولاهای قرمز»

یکی دیگر از اکتشافات مهم‌ جیمز وب شناسایی گروهی از کهکشان‌های عظیم و بالغ در کیهان اولیه بود که به نام «هیولاهای قرمز» شناخته می‌شوند. این کهکشان‌ها ویژگی‌های عجیبی دارند، ازجمله اینکه جرم‌هایی هم‌تراز یا حتی بیشتر از راه‌شیری دارند، فقط چندصد میلیون سال پس از بیگ‌بنگ تشکیل شده‌اند، نرخ تشکیل ستاره در آنها بالا بوده و توقف ناگهانی فعالیت ستاره‌زایی را تجربه کرده‌اند و غبار کیهانی با جمعیت ستاره‌ای پیر دارند. این ویژگی‌ها نظریه‌های کلاسیک شکل‌گیری تدریجی کهکشان‌ها را زیر سؤال برد؛ چون براساس آن مدل‌ها، چنین جرم‌ها و بلوغی در آن زمان ممکن نبود.

علاوه‌براینها، تلسکوپ جیمزوب نخستین بار موفق به مشاهده مستقیم نور از کهکشان‌هایی در دوران Reionization شد — دوره‌ای که کیهان از حالت تاریک و خنثی به حالت روشن و یونیزه تبدیل شد. این دوره حدود ۳۰۰ تا ۹۰۰ میلیون سال پس از بیگ‌بنگ رخ داد. درحقیقت، Reionization ناشی از نور فرابنفش ستارگان اولیه و کهکشان‌های نخستین است که نقش کلیدی در شفاف شدن کیهان ایفا کرد.

JWST با مشاهده کهکشان‌هایی در این بازه زمانی، به دانشمندان اجازه داد میزان تأثیر آنها در فرایند Reionization را مستقیم اندازه‌گیری کنند.

تلسکوپ جیمزوب همچنین موفق به شناسایی ساختارهای بزرگ‌مقیاس مانند «Cosmic Filaments» و «Proto-clusters» در دوران اولیه شده است. این ساختارها ستون‌فقرات «وب کیهانی» را تشکیل می‌دهند؛ شبکه‌ای از ماده تاریک و کهکشان‌ها که شکل فضایی کیهان را تعیین می‌کنند.

یکی از مهم‌ترین اکتشافات جیمز وب: کشف سیارات سرگردان

میان مهم‌ترین اکتشافات جیمز وب، کشف سیارات سرگردان جایگاه ویژه‌ای دارد؛ زیرا این اجرام مفاهیمی را در اخترشناسی مطرح کرده‌اند که پیشتر فقط در حد نظریه یا گمانه‌زنی بودند. برخلاف سیاراتی که دور ستاره‌ای مرکزی می‌چرخند، سیارات سرگردان اجرامی هستند که بدون وابستگی به هیچ ستاره‌ای، در فضای میان‌ستاره‌ای شناورند. تصور اینکه جهانی ممکن است مملو از سیاراتی تنها و تاریک باشد، پرسشی عمیق درباره شکل‌گیری و پایداری سامانه‌های سیاره‌ای مطرح می‌کند.

یکی از نخستین شواهد قوی در این زمینه کشف مجموعه‌ای از جفت‌های سیاره‌ای سرگردان در سحابی‌های جوان مانند خوشه ستاره‌ای «TRAPPIST-1» است.

این سیارات نه‌فقط بدون ستاره‌اند، بلکه جفت‌های دوتایی نیز دیده شده‌اند؛ پدیده‌ای که در هیچ‌یک از مدل‌های کلاسیک شکل‌گیری سیارات پیش‌بینی نشده بود. دانشمندان پیش‌ازاین تصور می‌کردند اجرام بدون ستاره یا تک‌سیاره‌ای‌اند یا سیاراتی هستند که از سامانه اصلی خود رانده شده‌اند. اما کشف جفت‌های آزاد از سیاره‌ها که احتمالاً هرگز دور ستاره‌ای نچرخیده‌اند، فرضیه‌های شکل‌گیری سیارات را به‌شدت تحت‌تأثیر قرار داده است.

این سیارات که جرم‌هایی در محدوده سیارات غول‌پیکر گازی (مانند مشتری و زحل) دارند، با کمک ابزارهای فروسرخ حساس جیمز وب قابل شناسایی شده‌اند؛ زیرا باتوجه‌به سن کم آنها (کمتر از یک‌میلیون سال)، هنوز گرمای ناشی از تشکیل اولیه خود را حفظ کرده‌اند و در طول‌موج‌های فروسرخ می‌درخشند. این قابلیت که فقط از طریق ابزار NIRCam و MIRI تلسکوپ جیمز وب ممکن شده، نخستین‌ بار به اخترشناسان اجازه داده این اجرام را نه با حدس و مدل‌سازی، بلکه با تصویر مستقیم شناسایی کنند.

در کنار سیارات سرگردان، JWST اشیای عجیب دیگری در محیط‌های ستاره‌زایی کشف کرده است. در دل سحابی‌ها، ساختارهایی با جرم‌های مرزی بین سیاره و ستاره مشاهده شده‌اند؛ اجرامی که نه آن‌قدر سنگین هستند که هم‌جوشی هسته‌ای مانند ستاره‌ها را آغاز کنند نه به اندازه‌ای سبک که در دسته سیارات معمولی قرار بگیرند. این اشیاء که به آنها گاهی «نوزادان شکست‌خورده‌ی ستاره‌ای» یا «sub-brown dwarfs» گفته می‌شود، چالش دیگری در تعیین مرز سیاره و ستاره ایجاد کرده‌اند. هنوز معلوم نیست این اجرام در فرایندی شبیه ستاره‌ها متولد شده‌اند یا سیاراتی هستند که از تشکیل به دور ستاره‌ای بازمانده‌اند.

اگر چنین سیاراتی بتوانند در فضا بدون ستاره به وجود بیایند، ممکن است برخی از آنها قمرهایی داشته باشند؟ گرمای درونی آنها می‌تواند شرایطی برای زیست‌پذیری در سطح یا زیرسطح فراهم کند؟ هرچند بعید است چنین سیاراتی میزبان حیات باشند اما در علم امروز، نبود نور خورشید الزاماً به معنای نبود حیات نیست، به‌خصوص اگر به زندگی میکروبی در اعماق تاریک اقیانوس‌ها (مانند کف اقیانوس‌های اروپا یا انسلادوس در منظومه شمسی) بنگریم.

مشاهده ابرنواخترهای دوردست: رصد مرگ پرشکوه ستارگان در کیهان آغازین

ابرنواخترها انفجارهای مرگبار و درخشان ستارگان پرجرم هستند که به‌نوعی پایان حیات آنها را نشان می‌دهند اما اهمیت آنها بسیار فراتر از این پایان نمایشی است. این انفجارها منابع اصلی تولید عناصر سنگین (مانند آهن، طلا و اورانیوم) در کیهان‌اند و در انتشار این عناصر در محیط میان‌ستاره‌ای نقش حیاتی دارند؛ ازاین‌رو، ابرنواخترها برای درک منشأ ماده‌ای که زمین و حتی بدن انسان از آن ساخته شده، حیاتی‌اند.

پیش از تلسکوپ جیمز وب، رصد ابرنواخترهای بسیار دور و مربوط به جهان آغازین، به‌سختی ممکن بود؛ زیرا نور آنها در فاصله‌های کیهانی به‌شدت تضعیف می‌شود و به‌دلیل انبساط کیهان، به طول‌موج‌های فروسرخ کشیده می‌شود اما جیمز وب با توانایی خارق‌العاده خود در طیف فروسرخ، توانست انفجارهایی از ستارگان بسیار قدیمی را شناسایی کند.

یکی از موارد برجسته، رصد ابرنواخترهایی در فاصله‌هایی بود که مربوط به کمتر از یک‌میلیارد سال پس از مهبانگ می‌شد. برخی از این ابرنواخترها از نوع ابرنواخترهای پرنور بودند که از نابودی ستارگان فوق‌العاده عظیم به‌ وجود آمده‌اند و انرژی‌شان هزاران برابر بیشتر از ابرنواخترهای معمولی است. مشاهده آنها نشان می‌دهد ستارگان بسیار پرجرم، حتی در مراحل نخستین کیهان، به‌سرعت شکل گرفته و نابود شده‌اند؛ فرایندی که به غنی‌سازی شیمیایی زودهنگام کیهان منجر شده است.

یکی از نکات جالب استفاده از «عدسی گرانشی» برای تقویت نور این انفجارهاست؛ یعنی استفاده از خوشه‌های کهکشانی به‌عنوان ذره‌بین‌های طبیعی کیهانی برای دیدن انفجارهایی که در غیر این صورت قابل‌مشاهده نبودند. جیمزوب توانست به لطف این پدیده، برخی از دورترین ابرنواخترها را به‌دقت تحلیل کند و جزئیات طیفی آنها را ثبت نماید.

خلاصه

تلسکوپ فضایی جیمز وب نه‌فقط دریچه‌ای تازه به دورترین اعماق کیهان گشود، بلکه درک ما را از شکل‌گیری ستارگان، سیارات، کهکشان‌ها و حتی خود حیات به چالش کشید. از مشاهده نخستین سیاه‌چاله‌ها و کهکشان‌های جوان گرفته تا کشف سیارات سرگردان و تحلیل دقیق جو سیارات فراخورشیدی، این تلسکوپ به ما نشان داد جهان نه‌فقط بزرگ‌تر، بلکه پیچیده‌تر و شگفت‌انگیزتر از تصورات ماست. هر کشف جدید جیمز وب نه پایان، بلکه آغاز مجموعه‌ای از پرسش‌های تازه است؛ گویی علم با هر پاسخ، لایه‌ای دیگر از رازهای هستی را نمایان می‌کند. بدون تردید، آنچه تاکنون از جیمز وب دیده‌ایم، فقط پیش‌درآمدی بر انقلابی علمی است که هنوز درحال شکل‌گیری‌ است.

سؤالات متداول