از زمانی که بشر به وجود نور مادون قرمز در فضا پی برد و فهمید که رصد دقیق‌تر این نور، برای ستارگان کم‌نورتر و دورتر توسط تلسکوپ‌هایی که آن را می‌بینند، بهتر انجام می‌شود، تصمیم گرفته شد که تلسکوپی بسازد که بتواند این نورها را جمع‌آوری کند و در قالب یک تصویر واضح نشان دهد. اما مشکلی که در سر راه بود این بود که نور مادون قرمز مخصوصا با طول موج‌های بالا، در دمای بسیار پایین قابل دریافت توسط حسگرهای دوربین تلسکوپ است و از زمانِ برنامه‌ریزی برای آن در دهه 70 میلادی، ساخت چنین تلسکوپی بارها به تعویق افتاد و هزینه‌های آن بسیار افزایش یافت.

همچنین این تلسکوپ باید در فضا باشد تا هیچ نور مادون قرمزِ جوی مزاحم نشود و عایق برودتی یا ذخیره‌ساز سرما به اندازه کافی داشته باشد که بتواند حداقل 5 سال به رصد بپردازد. اما چنین سیستمی در تلسکوپ هابل اجرا شده بود. با تبدیل ذخیره‌ساز سرما به کریوکلر، باز هم قادر به جذب طول موج‌های طولانی مادون قرمز نیست. با این وجود کشف‌های بسیار زیادی انجام شد ولی باعث شد عطش دانشمندان برای کشف ناشناخته‌ها بیشتر شود و تلسکوپی تخصصی بسازند.

معرفی تلسکوپ هابل

تلسکوپ هابل (Hubble telescope) ابتدا در سال 1923 میلادی معادل 1302 خورشیدی طرح‌ریزی شد در سال 1972 میلادی رسما تخصیص بودجه یافت و با چند بار تاخیر پرتاب که ابتدا قرار بود در سال 1983 معادل 1362 پرتاب شود ولی انجام نشد و در نهایت با افزایش بودجه و بالا بردن تکنولوژی در سال 1990 معادل 1369 به فضا پرتاب شد و با چندین ماموریت تعمیر و بازسازی، همچنان به رصد مشغول است. با این حال، هابل برای رصد نزدیک و نور معمولی ستارگان مناسب است البته این “نزدیک” در برابر توانایی جیمز وب، نزدیک به حساب می‌آید و گرنه از تمام تلسکوپ‌های زمینی قدرتمندتر است.

مقدمه شروع ساخت تلسکوپ جیمز وب

در طی سال 1989 (1368) تا 1994 (1373) طرح تلسکوپ نسل بعدی با نام اولیه NGST با دیافراگم 4 متری و در مدار دورتر از زمین به دور از غبار بین ستاره‌ای در ناسا ارائه شد که ابتدا مقرر شد در فاصله 4 واحد نجومی از زمین قرار گیرد. (هر واحد نجومی برابرِ یک فاصله زمین تا خورشید یعنی 150 میلیون کیلومتر و 4 واحد نجومی فاصله از زمین، فاصله‌ای میان سیاره کیوان -زحل- با سیاره هرمزد -مشتری- است).

بنابراین، طرح این تلسکوپ در سال 1996 (1375) تحقیقات آن آغاز شد. در سال 2002 (1381) به پاس خدمات “جیمز ای وب” فقید، مدیر سابق ناسا برای تلاش جهت پیش‌برد برنامه‌های آپولو از NGST به جیمز وب (James Webb Telescope) تغییر یافت. تخمین هزینه‌ها از 500 میلیون دلار در دهه 1990 (دهه 70 خورشیدی) آغاز شد و تا پایان پرتاب در سال 2021 به بیش از 10 میلیارد دلار رسید.

محل قرارگیری آن در نقطه لاگرانژ 2 یا L2 تعیین شد که برابر با 1.5 میلیون کیلومتر از زمین است و عملا امکان تعمیر و بازسازی آن با تکنولوژی حال حاضر وجود ندارد. اما بهترین نقطه برای رصد است و با گرانش زمین و خورشید، همزمان است و با کمی اصلاح مسیر توسط سوخت مخصوص چندساله خود، با زمین به دور خورشید گردش می‌کند.

چه کسانی در ساخت تلسکوب جیمز وب مشارکت داشته‌اند

در این پروژه ناسا، آژانس فضایی اروپا ESA و آژانس فضایی کانادا CSA، از سال 1996 همکاری داشته‌اند و ESA و ناسا در سال 2003 (1382) جهت مشارکت در ساخت و پرتاب توسط اعضای ESA توافقی را تایید کردند که در سال 2007 (1386) رسما به امضا رسید و ساخت تلسکوپ آغاز شد. در مجموع 15 کشور با چندین هزار دانشمند، 258 شرکت، سازمان دولتی و موسسه دانشگاهی در ساخت جیمز وب همکاری داشته‌اند که 142 از امریکا، 104 از 12 کشور اروپایی و 12 شرکت یا موسسه  از کانادا بوده‌اند.

هر کدام از بخش‌های مهم جیمز وب را یک یا چند کشور تقبل کرده‌اند. به عنوان مثال حسگر هدایت کامل / تصویربردار مادون‌قرمز نزدیک و طیف‌سنج بی‌لغزش (FGS/NIRISS) توسط آژانس فضایی کانادا ساخته شد. آژانس فضایی اروپا، ابزار NIRSpec، مونتاژ نیمکت نوری، ادوات طیف‌سنج مادون‌قرمز میانه یا MIRI، موشک موفق آریان 5 را تقبل کرد و سایر تجهیزات، مانند دوربین رصد مادون‌قرمز نزدیک (NIRCam)، آینه‌ها، مونتاژ کلی، تحقیقات و تست‌ها و … توسط ناسا تهیه یا انجام شد. پیمان‌کار ساخت جیمز وب، نیز شرکت نورث‌گروپ گرومن است که مونتاژ نهایی در کلین روم (اتاق تمیز) این شرکت در لس‌آنجلس به انجام رسید.

جیمز وب چگونه رصد می‌کند؟

به طور خلاصه یک سپر 5 لایه خورشیدی از لایه نازک پلی‌آمید به همراه اندود آلومینیوم در یک طرف و سیلیکون در طرف دیگر ساخته شده است. ساخت این سپر که بتواند دمای حسگرهای جیمز وب را زیر 220- درجه سانتیگراد نگه دارد، مهم‌ترین دلیل تاخیر در پرتاب جیمز وب بود. این سپر، گران‌ترین و خارق‌العاده‌ترین عایق حرارتی است که تا به حال ساخته شده است و در هیچ وسیله‌ای به کار نرفته است.

تصاویر جیمز وب مانند دوربین عکاسی نیست و شامل داده‌هایی است که نیازمند پردازش قوی است تا به صورت عکس خروجی دهد.

برای رصد، یک عنصر اپتیک بازتابنده از جنس بریلیم با قطر 6.5 متر و مساحت کلی 25 متر مربع که با روکش طلا پوشانده شده، وظیفه جمع‌آوری نور را به عهده دارد. نور جمع‌آوری شده به طیف‌سنج‌ها یا ادوات MIRI و دوربین NIRCam می‌رسد و با تحلیل داده، آن را به زمین می‌فرستد و باز هم در زمان دریافت، داده‌ها تحلیل شده و به صورت عکس درمی‌آید. تصاویر جیمز وب مانند دوربین عکاسی نیست و شامل داده‌هایی است که نیازمند پردازش قوی است تا به صورت عکس خروجی دهد.

ماموریت جیمز وب:

تلسکوپ جیمز وب 4 هدف اساسی دارد.

• نخست جستجوی نور نخستین کهکشان‌های جهان که پس از بیگ‌بنگ یا مهبانگ تشکیل شده‌اند. به همین دلیل است که این تلسکوپ را ماشین زمان هم می‌نامند زیرا اسرار شکل‌گیری هستی را هویدا خواهد کرد.
• دوم رصد و بررسی شکل‌گیری کهکشان‌ها
• سوم درک شکل‌گیری منظومه‌های سیاره‌ای و شکل‌گیری ستارگان
•  چهارم مطالعه خاستگاه پیداش زندگی و سیاراتی که توانایی پذیرش حیات دارند یا خواهند داشت و همچنین مطالعه سیستم‌های سیاره‌ای

برای دستیابی به این اهداف، نیازمند رصد نور مادون قرمز نزدیک به جای نور مرئی است ابزار این تلسکوپ، طول موج نور نارنجی از 0.6 تا 28 میکرومتر که برابر تابش بروسرخ در حدود 100 درجه کلوین معادل 173- سانتیگراد است را دریافت می‌کند.

 چنین طول موج نوری، به صورت مرئی در دمای عادی نیست و دیده نمی‌شود. حداقل دمای تلکسوپ هابل 15 درجه سانتیگراد است و نمی‌تواند چنین طول موجی را دریافت کند. پیش‌بینی شده دورترین ستارگان هستی و پیرترین کهکشان‌های جهان قابل مشاهده، در چنین طول موج‌هایی نورشان، قابل دریافت است و از آنجا که عمر جهان قابل مشاهده پس از مهبانگ 13.7 میلیارد سال برآورد می‌شود، جیمز وب می‌تواند کهکشان‌های اولیه، با عمری حدود 100 تا 300 میلیون سال را  رصد کند و نور ساطع شده از آنها را که بیش از 13 میلیارد سال در راه بوده و فقط با حس‌گرهای سرد شده‌اش قابل دریافت است، آشکار کند.

پس اگر دما بالا برود این نورها با طول موج‌های دیگر تداخل کرده و دیده نمی‌شوند. به همین دلایل فنی است که آن را ماشین زمان می‌نامند. به زبان ساده کهکشان‌های اولیه که هنوز کاملا تشکیل نشده‌اند را می‌بیند و به ما نشان می‌دهد.

آغاز ماموریت تلسکوپ جیمز وب

پس از پایان ساخت تلسکوپ، آن را با حساسیت بسیار و در شب با سرعت پایین به کشتی حمل بار رساندند و با دقت زیاد بارگیری انجام شد (در گالری عکس این مطلب و ویدیوی همین صفحه می‌توانید نحوه انجام این کار خارق‌العاده را ببینید).

بعد از چند روز، کشتی حامل جیمز وب به شهر گویان فرانسه در بخش شمالی امریکای جنوبی رسید. (گویان از مستعمره‌های فرانسه در قاره امریکای جنوبی است)

بعد از چند روز، تلسکوپ بررسی سلامت شده با تست نهایی روی پرتابگر آریان 5 که ساخت آژانس فضایی اروپاست سوار می‌شود. آریان 5 یکی از موفق‌ترین موشک‌های ساخته شده در تاریخ ساخت راکت‌های پرتابگر است و تا کنون صدها پرتاب موفق داشته و ماهواره‌های بسیاری را به دور زمین فرستاده است.

در تاریخ 25 دسامبر 2021 برابر با 4 دی 1400 خورشیدی، جیمز وب با موفقیت به فضا پرتاب شد. این پرتاب با پخش مستقیم از سراسر جهان با استرس بسیار برای سازندگان و علاقه‌مندان انجام شد و تا زمان رسیدن به مقصد در 30 روز بعد این استرس همچنان ادامه داشت.

اما این فقط آغاز ماموریت بود. جیمز وب در راه رسیدن به نقطه L2 خود را راه‌اندازی کرد و در این حدود 30 روز، تنظیم اولیه خود را به انجام رساند و تست‌های پایانی توسط تیم کنترل گرفته شد.

از پرتاب تا نقطه L2

در ساعت 15:50 دقیقه به وقت تهران روز 21 دسامبر 2021 (برابر شنبه 4 دی 1400) تلسکوپ ده میلیارد دلاری جیمز وب روی موشک VA256 آریان 5 از پایگاه فضایی گویان، واقع در شهر گویان فرانسه در جنوب دریای کارائیب، به فضا پرتاب شد. این 256امین ماموریت موشک پرتابگر آریان 5 بود. هر پرتاب موشک آریان 5 حدود 140 میلیون دلار هزینه دارد. این پرتابگر توسط شرکت ایرباس دیفنس اند اسپیس ساخته شده است که از زیرمجموعه‌های شرکت هواپیماسازی ایرباس است.

این پرتابگر در مالکیت سازمان فضایی اروپا و آریان اسپیس است. از بین 256 پرتاب، تنها دو پرتاب آریان 5 ناموفق بوده و دلایل آن فنی و مربوط به محموله گزارش شده و به دلیل نقص موشک نبوده است.

حدود 5 دقیقه پس از پرتاب، بوسترهای آریان جدا شده و بعد از 27 دقیقه و 7 ثانیه پیمایش دور کره زمین و خروج از مدار زمین، جیمز وب از موشک حامل خود جدا شده و فضاپیمای حامل، آن را تا مقصد همراهی می‌کند. اگر چه به دلیل دور بودن جیمز وب از زمین امکان تعمیر و نگهداری وجود ندارد ولی فضاپیمای حامل امکان دسترسی آینده به آن را فراهم خواهد ساخت و شاید در صورت لزوم پرتابی دیگر جهت بروزرسانی در سال‌های آینده انجام شود.

اولین قدم بعد از جداشدن از پرتابگر باز کردن سپر خورشیدی بود که با باز شدن کامل آن، دوربین‌ها و ابزارهای مادون قرمز شروع به خنک شدن کردند و اولین ابزاری که تیم کنترل روشن کرد دوربین مادون قرمز نزدیک یا NIRCam بود. این دوربین نور مادون قرمز ضعیف‌ترین و قدیمی‌ترین کهکشان‌های جهان هستی را دریافت می‌کند. اما نیاز دارد تا آینه بزرگ جیمز وب ابتدا تراز شود.

وقتی دوربین NIRCam تا دمای 137- درجه سانتیگراد سرد شد، شروع به تشخیص نور منعکس شده از آینه‌های جیمز وب و ثبت تصاویر کرد. بنابراین با هم‌ترازی آینه‌ها، اولین تصاویر از جیمز وب دریافت شد. البته این تصاویر مات و غیرقابل تشخیص دقیق بود اما نشان داد که جیمز وب، آماده تصویربرداری است. متخصصان ساخت جیمز وب، انتظار هم‌ترازی زیادی از آینه‌های وب نداشتند ولی تصاویر بعدی گرفته شده، نشان داد هم‌ترازی بسیار بسیار بهتر از انتظارهاست و وضوح تصاویر شگفت‌آور است.

حسگر هدایت دقیق (fine guidance sensor) یا FGS وب، همزمان با تصویربرداری وارد عمل شد. این حسگر وظیفه نگه‌داشتن جیمز وب در جهت هدف تصویربرداری است تا با فوکوس دقیق جیمزوب و عدم تغییر مسیر یا جهت، بتواند دقیق‌ترین تصویر را بگیرد. با تنظیم حسگر روی ستاره HD84800 به عنوان نقطه هدف، تیم کنترل، شروع به تراز کردن آینه‌ها کردند تا فرآیند کامل شد و تصویر واضحی به دست آمد. این فرآیند هم‌ترازی آینه‌ها تا روز 11 مارس 2022 (برابر جمعه 20 اسفند 1400) به طول انجامید.

طیف‌نگار مادون قرمز نزدیک، تصویرگر مادون قرمز نزدیک و طیف‌نگار بدون شکاف هم همگی به اندازه کافی سرد شده و آماده کار هستند. طیف‌نگار بدون شکاف NIRISS توانایی ترکیبِ دمای ستارگان و کهکشان‌های دور را آشکار کند.

فرآیند شش ماهه راه‌اندازی و تست جز به جز قسمت‌های مختلف جیمز وب به کارهای بسیاری اختصاص داشت و شاید برخی بپرسند مگر همه چیز هوشمند و حساب شده نیست؟ و آیا تست‌ها قبلا گرفته نشده بود؟

باید بگوییم جیمز وب قرار است چیزهایی را آشکار کند که بشر هیچ دسترسی حتی دیداری به آنها نداشت و ندارد و برای این آشکارسازی باید با اجرام نزدیک‌تر که اطلاعات کافی از آنها هست، تست‌های مختلف گرفته شود تا تنظیمات جیمزوب به دقیق‌ترین حد خود برسد. مثلا طیف‌نگار مادون قرمز نزدیک، توانایی ردگیری 100 جرم آسمانی به صورت همزمان را دارد. بنابراین دانشمندان باید بدانند که این ردگیری صدگانه، هر کدامشان به درستی انجام می‌شود یا خیر.

طیف‌نگار مادون قرمز نزدیک دارای شکاف‌هایی برای عبور نور مادون قرمز است و بررسی باز و بسته شدن این شکاف‌ها و ردگیری اجرام مختلف کاری زمان‌بر است و نیازمند دانش بسیار بالایی است و مهم‌تر از همه پردازش تصاویر توسط سوپرکامپیوترهای قوی انجام می‌شود و همین هم گاهی زمان تست‌ها را بیشتر می‌کرد.

با این آرامشی که در بررسی عملکرد دستگاه‌های جیمزوب پیش رفته بود، اما نتایج و تصاویر دریافتی بسیار بالاتر از حد انتظار دانشمندان بود. زیرا آنها هرگز اطلاعی از آنچه هویدا می‌کند نداشتند و طبق تئوری دانشمندان بزرگ، پیش رفته بودند ولی نتایج حیرت‌انگیز بود.

آخرین ابزار جیمز وب به نام ابزار مادون قرمز میانی یا MIRI بود و برای رهگیری اجرام کوچک و کم‌نور مانند سیارک‌ها طراحی شده است. اما همین ابزار، برای کارکرد درست نیازمند دمای 267- درجه سانتیگراد است یعنی تنها 6 درجه بالاتر از صفر مطلق یا صفر کلوین است. اگر دما بالاتر باشد آشکارسازها چیزی را تشخیص نمی‌دهند و فقط دمای بالای خود ابزار را می‌بینند. این ابزار، سیستم خنک‌کننده مربوط به خود را دارد و با رادیاتورهای مخصوصی، در کنار سپر خورشیدی خنک می‌شود.

این ابزار یک کار شگفت‌آور انجام می‌دهد و آن این است که اجرام، ستاره‌ها و کهکشان‌های زیادی در سرتاسر هستی وجود دارند که در پشت گرد و غبار ستارگان مرده، سحابی‌ها و … پنهان هستند و توسط تلسکوپ‌های عادی مثل هابل، شناسایی نمی‌شوند و طبق نظریه ستاره‌شناسان رادیویی (افرادی که با تلسکوپ‌های رادیویی رصد می‌کنند) وجودشان اثبات شده است و نور مادون قرمز متوسط این اجرام از میان گرد و غبار عبور کرده و توسط ابزار MIRI قابل آشکارسازی است. بنابراین دایره ناشناخته‌های هستی که قرار است شناخته شوند، بزرگتر می‌شود.

در تاریخ 15 ماه ژوئن یا 25 خردادماه 1401 همه ابزارهای جیمز وب تست و فعال شدند و تصاویر اولیه خود را به زمین مخابره کرد. با این ترتیب چهار وضعیت تصویربرداری، سه وضعیت زمانی و سه حالت طیف‌سنجی آزمایش و تایید شدند و سه وضعیت دیگر تا تاریخ 12 جولای برابر با 21 تیرماه تکمیل می‌شود و تلسکوپ آماده بهره‌برداری و چرخاندن به سوی ناشناخته‌هاست.

بر طبق اعلام ناسا تصاویر گرفته شده باعث گریه شوق دانشمندان و حیرت آنان شد و غوغای بسیاری در مرکز کنترل جیمز وب به راه انداخت.

عملکرد تلسکوپ جیمز وب در برابر حادثه

بین تاریخ 23 تا 25 ماه می 2022 برابر با 2 تا 4 خرداد 1401، یک ریز شهاب‌سنگ با آینه جیمز وب برخورد کرده بود. بر طبق اعلام ناسا این حادثه خساراتی هم به این تلسکوپ 10 میلیارد دلاری وارد کرد اما دانشمندان توانستند با تراز مجدد آینه‌ها قسمت آسیب دیده را از دایره دید دوربین جیمز وب خارج کنند تا تاثیری در روند عملکرد جیمز وب نداشته باشد. در طول ساخت جیمز وب تمام قطعات آن برای برخورد ریزشهاب‌سنگ‌ها تست شده‌اند و تیم سازنده اطمینان داده این تلسکوپ به قدری مقاوم ساخته شده که در برابر برخورد ریزشهاب‌سنگ‌ها مقاوت کافی داشته باشد.

حتی سپر خورشیدی آن طوری طراحی شده که اگر ریزشهاب‌سنگی با آن برخورد کرد و سبب سوراخ شدن آن شد، فقط همان حفره ایجاد شود اما به پارگی بیشتر منجر نشود تا تلسکوپ بتواند به روند کارش ادامه دهد. تنها چیزی که در این حادثه پیش‌بینی نشده بود این بود که شدت ضربه از پیش‌بینی‌ها بالاتر بود. با این حال این تلسکوپ فراتر از انتظارها عمل می‌کند و خللی در کار آن پیش نیامده.

به محض انتشار اولین تصاویر در 21 تیرماه، هلومگ آن را برای شما به نمایش خواهد گذاشت تا ببینیم این تصاویر چه بوده که دانشمندان را به گریه انداخته است.

آخرین اخبار از تلسکوب جیمز وب

و آخرین خبر از جیمز وب این است که گفته شده سوخت تنظیم مسیر جیمز وب بسیار بیشتر از میزان پیش‌بینی شده است و پیش‌بینی  5 تا 10 ساله دیگر درست نیست و بین 12 تا 20 سال است زیرا جیمز وب در زمان رسیدن به مقصد خود از سوخت کمی برای تنظیم مسیر استفاده کرد و همین باعث شد طول عمر مفید آن افزایش یابد.

با گالری عکس همراه باشید و مراحل اسمبل و بارگیری و انتقال جهت پرتاب را ببینید و از این نظم، صبر و هماهنگی تیم‌های سازنده، لذت ببرید.

گالری عکس‌های مربوط به تلسکوپ جیمز وب