در پهنه بیکران کیهان، جایی که نور میلیاردها سال در سفر است تا به چشمان ما برسد، ابزاری شگفتانگیز قرار گرفته که دید ما را برای همیشه به جهان هستی تغییر داده است. تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST)، قدرتمندترین و پیچیدهترین رصدخانه فضایی که تاکنون به دست بشر ساخته شده، از زمان پرتاب خود در کریسمس سال ۲۰۲۱، پنجرهای نو به سوی اسرار کیهان گشوده است. این مقاله، سفری است به اعماق زمان، برای مرور مهمترین کشفیات این غول فضایی و آشنایی با آمارهای خیرهکنندهای که آن را به یک شاهکار مهندسی تبدیل کرده است.
ماموریت اصلی جیمز وب، نگاه به گذشته است؛ به زمانی که اولین ستارگان و کهکشانها از دل تاریکی کیهان بیرون آمدند. این تلسکوپ با توانایی بینظیر خود در رصد نور فروسرخ، میتواند از میان ابرهای غلیظ غبار کیهانی عبور کرده و به زایشگاههای ستارگان و سیارات نگاه کند.
علاوه بر این، جیمز وب در خط مقدم جستجو برای یافتن نشانههای حیات در سیارات فراخورشیدی قرار دارد و با تحلیل اتمسفر آنها، به دنبال مولکولهایی میگردد که ممکن است خبر از وجود حیات در گوشهای دیگر از این جهان پهناور بدهند. در مدت زمان کوتاهی که از آغاز فعالیت علمی آن میگذرد، جیمز وب انقلابی در علم نجوم به پا کرده و هر روز ما را با تصویری جدید و شگفتانگیز از کیهان غافلگیر میکند.
بخش 1: تولد یک غول فضایی: از ایده تا پرتاب
داستان تلسکوپ جیمز وب، داستان بلندپروازی، نوآوری و پشتکار است. این پروژه که از دههها پیش کلید خورد، پاسخی بود به نیاز دانشمندان برای دیدن آنچه تلسکوپ افسانهای هابل قادر به دیدنش نبود. این تلسکوپ نه تنها یک ابزار علمی، بلکه نمادی از توانایی بشر برای فراتر رفتن از محدودیتها و کاوش ناشناختههاست.
1.1. چرا جیمز وب؟ نیاز به جانشین هابل
تلسکوپ فضایی هابل، با سه دهه فعالیت درخشان، دید ما را به کیهان متحول کرد و تصاویر بینظیری از کهکشانها، سحابیها و سیارات به ما نشان داد. اما هابل محدودیتهایی داشت. این تلسکوپ عمدتاً در طیف نور مرئی و فرابنفش کار میکند و توانایی آن برای دیدن نور فروسرخ، که از دورترین و اولین اجرام کیهانی به ما میرسد، محدود است.
به دلیل پدیده «انتقال به سرخ» (Redshift) ناشی از انبساط کیهان، نور ستارگان و کهکشانهای اولیه در طول سفر طولانی خود به سمت ما، به طول موجهای بلندتر و در نهایت به محدوده فروسرخ کشیده میشود. برای دیدن این نور باستانی، به تلسکوپی نیاز بود که بتواند در این طیف خاص به بهترین شکل عمل کند.
جیمز وب دقیقاً برای همین منظور طراحی شد. با آینهای بسیار بزرگتر و ابزارهایی که برای رصد فروسرخ بهینهسازی شدهاند، این تلسکوپ میتواند به زمانی نگاه کند که کیهان تنها چند صد میلیون سال عمر داشت و اولین جرقههای نور در آن درخشیدند. این قابلیت به دانشمندان اجازه میدهد تا به «طلوع کیهانی» (Cosmic Dawn) سفر کنند و شاهد لحظات اولیه شکلگیری جهان باشند، چیزی که با هیچ تلسکوپ دیگری ممکن نبود.
1.2. مشخصات فنی خیرهکننده
جیمز وب یک شاهکار بیبدیل مهندسی است که هر جزء آن با دقت و نوآوری طراحی شده است. آینه اصلی آن با قطر ۶.۵ متر، بزرگترین آینهای است که تاکنون به فضا فرستاده شده و از ۱۸ قطعه ششضلعی از جنس بریلیوم سبکوزن و مقاوم ساخته شده است.
هر یک از این قطعات با لایهای بسیار نازک از طلا پوشانده شدهاند تا بازتاب نور فروسرخ را به حداکثر برسانند. این آینه آنقدر بزرگ بود که برای جای گرفتن در موشک پرتابگر، به صورت تاشو طراحی شد و سپس در فضا طی فرآیندی پیچیده و دقیق، مانند یک گل مکانیکی باز شد.
برای رصد نور ضعیف فروسرخ، تلسکوپ باید در دمای بسیار پایینی کار کند تا گرمای خود تلسکوپ باعث تداخل در مشاهدات نشود. به همین دلیل، یک سپر خورشیدی غولپیکر پنج لایه به اندازه یک زمین تنیس، تلسکوپ را از گرمای شدید خورشید، زمین و ماه محافظت میکند.
این سپر، دمای سمت تاریک تلسکوپ را به حدود منفی ۲۲۳ درجه سانتیگراد (۴۰ کلوین) میرساند که نزدیک به صفر مطلق است. این محافظت حرارتی بینظیر، امکان رصدهای حساس فروسرخ را فراهم میآورد.
موقعیت مداری جیمز وب نیز یکی از جنبههای کلیدی موفقیت آن است. این تلسکوپ به جای گردش به دور زمین مانند هابل، در فاصله ۱.۵ میلیون کیلومتری از زمین، در نقطهای پایدار به نام لاگرانژ ۲ (L2) به دور خورشید میچرخد.
این موقعیت استراتژیک به تلسکوپ اجازه میدهد تا همیشه در سایه زمین و سپر خورشیدی خود باقی بماند و دیدی بدون مانع و پایدار به اعماق فضا داشته باشد، بدون اینکه نیاز به تنظیمات مکرر برای جلوگیری از تداخل نور و گرما باشد.
بخش 2: پنجرهای به گذشته کیهان: کشفیات اولیه و دوردست
از همان اولین تصاویر منتشر شده در جولای ۲۰۲۲، جیمز وب نشان داد که قرار است کتابهای نجوم را از نو بنویسد. این تلسکوپ با نگاه به دوردستترین نقاط کیهان، پرده از رازهای «طلوع کیهانی» برداشت و دیدگاههای ما را نسبت به شکلگیری جهان اولیه دگرگون کرد.
2.1. اولین کهکشانها و ستارگان
یکی از اهداف اصلی جیمز وب، یافتن اولین کهکشانهایی بود که پس از بیگ بنگ شکل گرفتند. پیشبینیها بر اساس مدلهای کیهانشناسی، این بود که این کهکشانها در آن زمان بسیار کوچک، کمنور و نامنظم باشند.
اما جیمز وب دانشمندان را شگفتزده کرد. این تلسکوپ کهکشانهایی را در فاصله ۱۳.۵ میلیارد سال نوری از ما کشف کرد که تنها ۳۰۰ تا ۵۰۰ میلیون سال پس از بیگ بنگ وجود داشتند. برخلاف انتظار، بسیاری از این کهکشانها بسیار پرنور، بزرگ و حتی دارای ساختارهای پیچیدهای مانند دیسکهای چرخان بودند.
این کشف، درک ما از سرعت شکلگیری کهکشانها در کیهان اولیه را به چالش کشید و نشان داد که فرآیندهای ستارهسازی ممکن است بسیار کارآمدتر و سریعتر از آنچه تصور میشد، بوده باشند. این مشاهدات، مدلهای فعلی تکامل کهکشانی را بازنگری کرده و به دانشمندان کمک میکند تا درک عمیقتری از چگونگی شکلگیری ساختارهای بزرگ در کیهان پیدا کنند.
2.2. سیاهچالههای کلانجرم اولیه
یکی دیگر از معماهای بزرگ کیهانشناسی، چگونگی رشد سریع سیاهچالههای کلانجرم در مرکز کهکشانها بود. این سیاهچالهها که جرمی معادل میلیونها تا میلیاردها برابر خورشید دارند، در کیهان اولیه (حدود ۸۰۰ میلیون سال پس از بیگ بنگ) نیز مشاهده شدهاند.
این کشف، این معما را پیچیدهتر کرد: چگونه این سیاهچالهها توانستهاند در زمان کوتاهی به چنین جرم عظیمی دست یابند؟ آیا مکانیسمهای ناشناختهای برای رشد سریع آنها وجود داشته است؟ جیمز وب همچنین سیاهچالههای کوچکتری را در زمانهای حتی زودتر پیدا کرده است که ممکن است «بذرهای» اولیه این غولهای کیهانی باشند.
مطالعه این اجرام به دانشمندان کمک میکند تا مدلهای رشد سیاهچالهها را بازنگری کنند و به درک بهتری از ارتباط بین رشد سیاهچالهها و تکامل کهکشانهای میزبانشان برسند.
2.3. غبار کیهانی در جوانی جهان
غبار کیهانی، که از عناصر سنگینی مانند کربن و سیلیکون تشکیل شده، برای شکلگیری سیارات، ستارگان و حتی حیات ضروری است. این عناصر در دل ستارگان ساخته شده و پس از مرگ آنها در فضا پراکنده میشوند. تصور میشد که تولید غبار در کیهان اولیه فرآیندی کند باشد و زمان زیادی برای انباشت آن لازم است.
اما جیمز وب، مقادیر زیادی غبار را در کهکشانهایی کشف کرد که تنها یک میلیارد سال از عمر کیهان میگذشت. این کشف نشان میدهد که نسلهای اولیه ستارگان بسیار سریعتر از آنچه فکر میکردیم، کیهان را با عناصر سنگین غنی کردهاند و زمینه را برای شکلگیری سیارات در مراحل اولیه تاریخ کیهان فراهم آوردهاند. این مشاهدات، دیدگاههای ما را نسبت به چگونگی بازیافت مواد در کیهان و نقش غبار در فرآیندهای کیهانی تغییر داده است.
بخش 3: رازهای منظومه شمسی و سیارات فراخورشیدی
نگاه تیزبین جیمز وب تنها به دوردستها معطوف نیست. این تلسکوپ با بررسی همسایگان کیهانی ما و سیاراتی که به دور ستارگان دیگر میچرخند، درک ما را از منظومه شمسی و پتانسیل وجود حیات در دیگر نقاط جهان دگرگون کرده است. تواناییهای بینظیر آن در طیف فروسرخ، امکان مشاهده جزئیاتی را فراهم آورده که پیش از این غیرقابل دسترس بودند.
3.1. اتمسفر سیارات فراخورشیدی: جستجو برای حیات
یکی از هیجانانگیزترین قابلیتهای جیمز وب، توانایی آن در تحلیل دقیق اتمسفر سیارات فراخورشیدی است. این تلسکوپ با استفاده از تکنیک طیفسنجی، نور ستاره را که از اتمسفر سیاره عبور میکند، تجزیه کرده و «اثر انگشت» مولکولهای موجود در آن را شناسایی میکند.
جیمز وب تاکنون موفق به کشف دیاکسید کربن، متان، بخار آب و دیاکسید گوگرد در اتمسفر سیارات مختلف شده است. این کشفیات، اطلاعات حیاتی درباره ترکیب شیمیایی و شرایط اقلیمی این جهانهای دوردست به ما میدهد.
یکی از مهمترین کشفیات در این زمینه، مربوط به سیاره K2-18 b است. این سیاره که در «منطقه قابل سکونت» ستاره خود قرار دارد، نشانههایی از وجود مولکول دیمتیل سولفید (DMS) را در اتمسفر خود نشان داده است.
در زمین، این مولکول عمدتاً توسط حیات (به ویژه فیتوپلانکتونها) تولید میشود. هرچند این کشف به معنای اثبات قطعی وجود حیات نیست و نیاز به تحقیقات بیشتری دارد، اما یکی از امیدوارکنندهترین سرنخهایی است که تاکنون در جستجوی حیات فرازمینی یافتهایم و هیجان زیادی را در جامعه علمی ایجاد کرده است. این مشاهدات، راه را برای کشفیات آینده در زمینه زیستنشانگرها هموار میکند.
3.2. نگاهی نو به منظومه شمسی خودمان
جیمز وب تصاویر خیرهکنندهای از غولهای گازی منظومه شمسی ما ثبت کرده است. تصاویر دقیق از شفقهای قطبی مشتری، حلقههای کمنور نپتون و طوفانهای عظیم زحل، جزئیاتی را آشکار کردهاند که پیش از این دیده نشده بود.
این تلسکوپ همچنین موفق به کشف یک قمر کوچک و جدید در اطراف اورانوس شده و به مطالعه اجرام فرانپتونی (TNOs) در کمربند کویپر پرداخته است. این مشاهدات به دانشمندان کمک میکند تا تاریخچه و تکامل منظومه شمسی خودمان را بهتر درک کنند، از جمله چگونگی شکلگیری سیارات و قمرهای آنها و توزیع مواد فرار در مناطق بیرونی منظومه شمسی. این دادهها، مدلهای تکاملی سیارات را غنیتر کرده و به ما در درک بهتر جایگاه زمین در این سیستم بزرگ کمک میکند.
3.3. شکلگیری ستارگان و سیارات
جیمز وب با نفوذ به قلب ابرهای غبارآلود، پرده از رازهای تولد ستارگان و سیارات برداشته است. تصاویر نمادین از «صخرههای کیهانی» در سحابی کارینا و «ستونهای آفرینش» در سحابی عقاب، جزئیات بیسابقهای از فرآیند ستارهسازی را به نمایش گذاشتند.
این تلسکوپ همچنین دیسکهای پیشسیارهای را در اطراف ستارگان جوان مشاهده کرده و حتی مولکولهای پیچیده ارگانیک مانند متیل کاتیون را در آنها کشف کرده است. این مولکولها، بلوکهای سازنده حیات هستند و کشف آنها در این دیسکها نشان میدهد که مواد اولیه حیات ممکن است در سراسر کیهان رایج باشند و فرآیندهای شیمیایی منجر به حیات، از همان مراحل اولیه شکلگیری سیارات آغاز میشوند.
یکی از شگفتانگیزترین کشفیات در این زمینه، یافتن «JuMBOs» (اجرام دوتایی با جرم مشتری) در سحابی شکارچی بود. این اجرام، جفتهایی از سیارات غولپیکر هستند که به دور یکدیگر میچرخند و به هیچ ستارهای وابسته نیستند.
نحوه شکلگیری این اجرام یک معمای بزرگ است و هیچیک از نظریههای فعلی شکلگیری ستاره یا سیاره نمیتواند آن را به طور کامل توضیح دهد. این کشف، دانشمندان را به بازنگری در مدلهای خود و جستجو برای مکانیسمهای جدید شکلگیری اجرام کیهانی وادار کرده است.
بخش 4: 11 آمار جالب و خیرهکننده از تلسکوپ جیمز وب
برای درک بهتر عظمت این پروژه و پیچیدگیهای فنی آن، نگاهی به برخی از آمارهای خیرهکننده جیمز وب میاندازیم که هر کدام به تنهایی گواهی بر نبوغ مهندسی بشر هستند:
1. اندازه آینه اصلی: قطر آینه اصلی جیمز وب ۶.۵ متر است که آن را به بزرگترین تلسکوپ فضایی تاریخ تبدیل میکند. این آینه عظیم میتواند ۷ برابر بیشتر از آینه هابل نور جمعآوری کند و به همین دلیل قادر به دیدن اجرام بسیار کمنورتر و دورتر است.
2. تعداد قطعات آینه: این آینه غولپیکر از ۱۸ قطعه ششضلعی از جنس بریلیوم سبکوزن و مقاوم ساخته شده که با دقتی باورنکردنی در کنار هم قرار گرفتهاند. هر قطعه به صورت مستقل قابل تنظیم است تا تصویری یکپارچه و با کیفیت بالا ایجاد کند.
3. جنس پوشش آینه: هر قطعه از آینه با لایه بسیار نازکی از طلا (حدود ۱۰۰ نانومتر) پوشانده شده است. این پوشش طلا، بازتاب نور فروسرخ را به حداکثر میرساند. مجموع طلای به کار رفته در کل آینه تنها ۴۸ گرم، معادل وزن یک توپ گلف است که نشاندهنده ظرافت و کارایی این طراحی است.
4. اندازه سپر خورشیدی: سپر خورشیدی این تلسکوپ با ابعاد ۲۱ در ۱۴ متر، تقریباً به اندازه یک زمین تنیس است و از پنج لایه نازک از جنس کپتون ساخته شده است. این سپر، تلسکوپ را از گرمای خورشید، زمین و ماه محافظت میکند و دمای آن را در حد مطلوب نگه میدارد.
5. دمای عملیاتی: برای رصد دقیق نور فروسرخ و جلوگیری از تداخل حرارتی، ابزارهای تلسکوپ باید در دمای بسیار پایین، حدود منفی ۲۲۳ درجه سانتیگراد (۴۰ کلوین) کار کنند. این دما با استفاده از سپر خورشیدی و سیستمهای خنککننده فعال به دست میآید.
6. فاصله از زمین: جیمز وب در فاصله ۱.۵ میلیون کیلومتری از زمین، در نقطه لاگرانژ ۲ (L2) قرار دارد؛ تقریباً چهار برابر فاصله ماه تا زمین. این فاصله زیاد، امکان دید بدون مانع و پایداری حرارتی را فراهم میکند.
7. زمان پرتاب: این تلسکوپ در تاریخ ۲۵ دسامبر ۲۰۲۱ (روز کریسمس) با یک موشک آریان ۵ از گویان فرانسه به فضا پرتاب شد. این پرتاب، نقطه عطفی در تاریخ نجوم بود.
8. مدت زمان سفر تا L2: سفر جیمز وب تا رسیدن به مقصد نهایی خود در نقطه L2، حدود ۲۹ روز طول کشید. در طول این سفر، تلسکوپ به آرامی باز و آماده فعالیت شد.
9. عمر طراحی: عمر اولیه ماموریت بین ۵ تا ۱۰ سال طراحی شده بود، اما به لطف پرتاب دقیق و صرفهجویی در مصرف سوخت، تخمین زده میشود که جیمز وب سوخت کافی برای فعالیت بیش از ۲۰ سال را داشته باشد. این خبر بسیار خوبی برای جامعه علمی است.
10. دورترین زمان رصد: جیمز وب قادر است نور اجرامی را ببیند که ۱۳.۵ میلیارد سال پیش وجود داشتهاند، یعنی زمانی که کیهان تنها حدود ۳۰۰ میلیون سال عمر داشته است. این قابلیت، به ما امکان میدهد تا به اولین لحظات پس از بیگ بنگ نگاه کنیم.
11. تعداد کهکشانهای کشف شده: در هر تصویر میدان عمیق جیمز وب، هزاران کهکشان جدید، به ویژه در کیهان اولیه، کشف شدهاند که بسیاری از آنها پیش از این هرگز دیده نشده بودند. این کشفیات، به طور مداوم به کاتالوگ کیهانی ما اضافه میشوند.
نتیجهگیری
تلسکوپ فضایی جیمز وب در مدت زمان کوتاهی که از فعالیتش میگذرد، فراتر از تمام انتظارات عمل کرده است. این رصدخانه فضایی نه تنها تصاویر خیرهکنندهای از زیباییهای کیهان به ما هدیه داده، بلکه درک ما را از مفاهیم بنیادینی مانند شکلگیری اولین کهکشانها، رشد سیاهچالهها، تولد ستارگان و پتانسیل وجود حیات در دیگر نقاط جهان، عمیقاً به چالش کشیده است.
هر کشف جدید، سوالات جدیدی را به همراه میآورد و ما را یک گام به پاسخ دادن به پرسشهای ازلی بشر درباره منشا کیهان و جایگاه ما در آن نزدیکتر میکند. جیمز وب با قابلیتهای بینظیر خود، به دانشمندان این امکان را داده است که به مناطقی از کیهان نگاه کنند که پیش از این هرگز قابل مشاهده نبودند و این امر منجر به بازنگری در بسیاری از نظریههای کیهانشناسی شده است.
این تلسکوپ نه تنها ابزاری برای مشاهده، بلکه یک ماشین زمان است که ما را به لحظات اولیه شکلگیری جهان میبرد و به ما کمک میکند تا داستان کیهان را از ابتدا بازگو کنیم. سفر به اعماق زمان با چشمان طلایی جیمز وب تازه آغاز شده و آینده علم نجوم، هیجانانگیزتر از هر زمان دیگری به نظر میرسد.
با هر داده جدیدی که از این تلسکوپ به زمین میرسد، ما به درک عمیقتری از پیچیدگیها و شگفتیهای جهان هستی دست مییابیم و مرزهای دانش بشری را گسترش میدهیم. این تلسکوپ، میراثی ماندگار برای نسلهای آینده خواهد بود و الهامبخش کاوشهای فضایی بیشتر در دهههای آتی خواهد شد.
