نجوم و فضا

پرونده ویژه جیمز وب؛ بزرگ‌ترین تلسکوپ فضایی جهان چگونه تاریخ کیهان را بازنویسی خواهد کرد؟

تا کمتر از یک هفته دیگر، تلسکوپی به فضا پرتاب خواهد شد که انتظار می‌رود پس از تلسکوپ گالیله و هابل، سومین نقطه عطف بزرگ را در شناخت جهان رقم بزند.

برای نگاه به دوران آغازین کیهان و مشاهده چشمک‌زدن نخستین ستارگان، اول باید آینه‌ای به بزرگی یک خانه بسازید. سطح آن باید چنان صاف باشد که اگر آینه به اندازه قاره بود، هیچ تپه یا دره‌ای بزرگ‌تر از قوزک پا نداشت. فقط آینه‌ای چنین بزرگ و صاف می‌تواند نور ضعیفی را که از دورترین کهکشان‌ها در آسمان می‌آید، جمع‌آوری و متمرکز کند؛ نوری که مدت‌ها پیش منبع خود را ترک کرد و از این‌رو کهکشان‌ها را هم‌زمان با شکل‌گیری در دوران جوانی جهان نشان می‌دهد. کم‌نورترین و دوردست‌ترین کهکشان‌هایی که خواهیم دید، هنوز در مرحله تولد هستند؛ وقتی نیروهای اسرارآمیز در تاریکی دست به دست هم دادند و نخستین دانه‌های ستارگان شروع به درخشش کردند.

اما برای خواندن این فصل اولیه از تاریخ جهان، دانستن ماهیت آن نخستین ستارگان احتمالا غول‌پیکر، دانستن درباره ماده ناپیدایی که گرانش آن، ستارگان اولیه را به‌وجود آورد و دانستن درباره نقش مغناطیس و تلاطم و چگونگی رشد و راهیابی سیاه‌چاله‌ها به مراکز کهکشان‌ها، داشتن آینه استثنایی کافی نیست.

دلیل اینکه هیچ‌کس دوران تشکیل کهکشان را ندیده، این است که نور ستارگان باستانی پس از سفر چندین میلیارد ساله از میان بافت درحال انبساط فضا و رسیدن به ما، کشیده شده است. نور فرابنفش و مرئی ساطع‌شده از دورترین ستارگان آسمان درطول سفر به اینجا کشیدگی تقریبا ۲۰ برابری را در طول موج تجربه کرده و به تابش فروسرخ تبدیل شده است. اما نور فروسرخ نوعی نور ناشی از جنبیدن اتم‌ها است که از آن با عنوان گرما یاد می‌کنیم؛ همان گرمایی که از بدن‌هایمان و جو و زمین زیر پایمان ساطع می‌شود. افسوس که این منابع محلی گرما، شعله‌های کم‌فروغ ستارگان اولیه را در خود غرق می‌کنند. برای مشاهده این ستارگان، تلسکوپِ مجهز به آینه بزرگ بی‌نظیر باید بسیار سرد باشد و باید به درون فضا پرتاب شود.

کم‌نورترین و دوردست‌ترین کهکشان‌هایی که خواهیم دید، هنوز در مرحله تولد هستند

نکته این است که آینه هم‌اندازه با خانه، آنقدر بزرگ است که درون فرینگ هیچ موشکی جا نمی‌شود؛ درنتیجه باید امکان تاشدن آن فراهم باشد. آینه فقط در صورتی می‌تواند تا شود که به‌جای سطح واحد غیرمنقطع، مجموعه‌ای شش‌ضلعی از چندین بخش باشد. اما بخش‌های آینه به‌منظور آنکه به‌طور مشترک تصاویر واضح خلق کنند، باید پس از بازشدن به‌طور خودفرمان در فضا در تراز تقریبا بی‌نقص باشند. برای دستیابی به وضوح مناسب، به استفاده از موتورهای فوق‌العاده دقیقی نیاز است که بتوانند هر بخش آینه را با گام‌هایی به اندازه نصف پهنای ویروس به حرکت درآورند تا زمانی که تمامشان در جای خود قرار گیرند.

تلسکوپ فضایی جیمز وب با آینه های تاشده

تلسکوپ مونتاژشده با آینه تاشده در تاسیسات نوثروپ گرومن در کالیفرنیا.

تونایی دیدن منابع فروسرخ ضعیف، صرفا امکان دسترسی به فصل سرنوشت‌ساز کیهان (بازه زمانی تقریبا از ۵۰ میلیون تا ۵۰۰ میلیون سال پس از بیگ بنگ) را به شما نمی‌دهد؛ بلکه این نورها دیگر جنبه‌های احتمالا همان‌قدر مهم کیهان، از مشخصات سیاره‌های زمین‌مانند درحال گردش به دور سایر ستارگان تا سرعت بسیار بحث‌برانگیز انبساط فضا را نیز آشکار می‌کنند. اما برای آنکه تلسکوپ کار کند، فراتر از آینه بی‌نقصی که پس از پرتاب به آسمان فرایند بازشدن و کانون‌یابی را به‌طور خودفرمان اجرا می‌کند، وجود یک عنصر دیگر ضروری است.

حتی در فضای بیرونی، زمین، ماه و خورشید همچنان تلسکوپ را چنان گرم می‌کنند که نمی‌تواند چشمک ضعیف دورترین ساختارهای کیهان را مشاهده کند؛ مگر آنکه تلسکوپ رهسپار نقطه خاصی به نام لاگرانژی ۲ شود که از مسافت بین زمین و ماه، چهار برابر دورتر است. درآنجا، ماه، زمین و خورشید همگی در یک جهت قرار دارند؛ درنتیجه تلسکوپ می‌تواند با گشودن سپر خورشیدی خود که هم‌اندازه با زمین تنیس است، تابش حرارتی هر سه جرم را به‌طور هم‌زمان مسدود کند. با قرارگیری در سایه بدین شیوه، تلسکوپ سرانجام می‌تواند به سرمایی عمیق وارد شود و بالاخره حرارت کم‌فروغ سپیده‌دم کیهانی را تشخیص دهد.

سپر خورشیدی هم تنها امید تلسکوپ فروسرخ و هم پاشنه آشیل آن محسوب می‌شود. این بخش از تلسکوپ برای آنکه بدون سنگین‌کردن موشک، به اندازه کافی باز شود، باید از ساختار نازک تشکیل شده باشد. به همین ترتیب، کل رصدخانه شامل آینه‌ها، دوربین‌ها و دیگر ابزارها، فرستنده‌ها و منابع انرژی آن باید فقط نزدیک به دو درصد یک تلسکوپ بزرگ زمینی وزن داشته باشد. ساخت فضاپیمایی غول‌پیکر و درعین‌حال سبک که بتواند تابش فروسرخ را حس کند، از هیچ نظر آسان نیست؛ اما استفاده اجتناب‌ناپذیر از بافت نازک، استقرار سپر خورشیدی را به امری ذاتا خطرناک تبدیل می‌کند. به‌گفته مهندسان، چنین ساختاری «غیرقطعی» و کنترل یا پیش‌بینی بی‌نقص حرکات آن غیرممکن است. اگر سپر خورشیدی حین بازشدن به مشکل بربخورد، کل تلسکوپ به زباله فضایی تبدیل خواهد شد.

درحال‌حاضر، تلسکوپ که به‌طرز باورنکردنی فرایند ساخت را به پایان برده، تا شده و آماده قرارگیری برفراز موشک آریان ۵ است. موشک قرار است ۲۴ دسامبر (۳ دی)، ۳۰ سال پس از آنکه محموله‌اش، تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) برای نخستین‌بار تصور و طرح‌ریزی شد، از گویان فرانسه پرتاب شود. تلسکوپ ۱۴ سال از برنامه عقب و بودجه آن ۲۰ برابر افزایش یافته است. جان ماتر، اخترفیزیکدان برنده جایزه نوبل که به مدت ۲۵ سال دانشمند ارشد پروژه جیمز وب بوده است، می‌گوید «ما برای جبران تمام اشتباهاتمان و انجام آزمایش و تمرین، تا جایی که توانستیم به سختی کار کردیم.» اکنون ماتر می‌گوید «می‌خواهیم تلسکوپ میلیارد دلاریمان را برفراز توده‌ای از مواد منفجره قرار دهیم» و همه چیز را به دست سرنوشت بسپاریم.

داستان ساخت تلسکوپ فضایی جیمز وب درطول سه دهه گذشته، با پیشرفت خار‌ق‌العاده‌ای که به‌ویژه به لطف پیشینیان جیمز وب در شناخت خود از کیهان به‌دست ‌آورده‌ایم، هم‌زمان شده است. با تلسکوپ فضایی هابل، آموختیم که ستارگان، کهکشان‌ها و سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم خیلی قبل‌تر از آنچه هرکس انتظار داشت، در تاریخ کیهان وجود داشتند و از آن زمان تاکنون دستخوش تغییرات اساسی شده‌اند. ما آموخته‌ایم که ماده تاریک و انرژی تاریک، کیهان را به وجود آوردند. با تلسکوپ کپلر و دیگر ابزارها، دیده‌ایم که تمام انواع سیاره‌ها، ازجمله میلیاردها جهان بالقوه سکونت‌پذیر صرفا در راه شیری خودمان، کهکشان‌ها را مانند گوی‌های آویزان درختان کریسمس تزئین کرده‌اند. این اکتشافات موجب برانگیختن پرسش‌هایی شده است که تلسکوپ فضایی جیمز وب می‌تواند پاسخ دهد. اخترشناسان امید دارند که مانند دیگر تلسکوپ‌ها، مشاهدات جیمز وب نیز پرسش‌های تازه برانگیزد. ماتر می‌گوید «هر زمان که تجهیزات جدیدی می‌سازیم، شگفت‌زده می‌شویم.»

پرتاب جیمز وب، آغازگر مرحله‌ای است که اخترشناسان آن را «۶ ماه اضطراب و نگرانی» می‌نامند

پرتاب جیمز وب، آغازگر مرحله‌ای است که ناتالی باتالها، اخترشناس در دانشگاه کالیفرنیا سانتا کروز آن را «۶ ماه اضطراب و نگرانی» می‌نامد. در این زمان، تلسکوپ فوق‌العاده پیچیده تلاش خواهد کرد تا فرایند بازشدن و کانون‌یابی را در صدها گام اجرا کند. رصدخانه به‌مدت یک ماه درحال پرواز به سمت نقطه لاگرانژی ۲ در فاصله ۱/۵ میلیون کیلومتری از زمین خواهد بود. در طول مسیر، تلسکوپ با تبدیل‌شدن به نیلوفر آبی آسمانی، آینه طلایی چندتکه‌اش را همچون شکوفه‌ای غول‌پیکر برفراز برگ نقره‌ای به مراتب بزرگ‌تری خواهد گشود.

گرانت ترمبلی، اخترفیزیکدان در دانشگاه هاروارد که تجربه فعالیت در کمیته تخصیص زمان تلسکوپ را دارد، پرتاب جیمز وب را لحظه «جسارت انجام کارهای بزرگ» می‌داند. او می‌گوید «جیمز وب قرار است اکتشافات شگفت‌انگیزی انجام دهد. ما در نیویورک تایمز حضور خواهیم یافت تا درباره چگونگی مشاهده تولد ستارگان در مرز زمان صحبت کنیم. این یکی از کهکشان‌های اولیه است؛ این داستان زمین‌های دیگر است.»

از یکدست تا ناهمگون

آخرین بار که ناسا رصدخانه‌ای چنین مهم را پرتاب کرد (تلسکوپ فضایی هابل در سال ۱۹۹۰)، یک فاجعه رقم خورد. ساندرا فابر، اخترشناس کهنه‌کار به کوانتا مگزین می‌گوید پرتاب هابل «کاملا فاجعه‌بار بود.» او عضو تیمی بود که در مرکز پرواز فضایی گادرد ناسا در مریلند مستقر شد تا اختلال هابل را تشخیص دهد. در یکی از تصاویر هابل، ستاره به شکل حلقه به‌نظر می‌آمد و از این طریق، فابر و همکارانش پی بردند که آینه اصلی تلسکوپ (نمونه معقر بزرگی که نور را به آینه ثانویه‌ای بازتاب می‌دهد که سپس آن را روی لنزهای دوربین می‌تاباند) خمیدگی کاملا مناسب را برای تمرکز نور پیدا نکرده و در اطراف لبه به اندازه نصف طول موج ضخیم‌تر بود. اگر آینه‌های اصلی و ثانویه با هم پیش از پرتاب آزمایش می‌شدند، این عدم تطابق کانونی مشخص می‌شد؛ اما عجله برای پرتاب تلسکوپی که دچار تاخیرهای طولانی و افزایش بودجه بود، موجب شد این آزمایش هرگز اتفاق نیفتد.

برخی مدیران ناسا خواستار رهاکردن هابل شدند؛ تلسکوپی که از قبل پروژه‌ای بحث‌برانگیز به‌شمار می‌رفت. درعوض، سناتور باربارا میکولسکی از مریلند بودجه برای مأموریت نجات را تأمین کرد. عملیات تعمیر در فضا امکان‌پذیر بود؛ زیرا هابل به‌عنوان تلسکوپی نوری که به‌جای نور فروسرخ به رنگ‌های رنگین‌کمان حساس است، مجبور نبود میلیون‌ها کیلومتر در اعماق فضا پیشروی کند و می‌توانست از مدار نزدیک زمین در ارتفاع ۵۴۷ کیلومتری، دید واضحی به آسمان داشته باشد. سال ۱۹۹۳، شاتل فضایی به هابل متصل شد و فضانوردان نوعی لنز تماسی روی آن نصب کردند. تلسکوپ سپس توانست نجوم و کیهان‌شناسی را متحول کند.

تصویر هابل از کهکشان مسیه ۱۰۰ (بعد از اصلاح لنز)
تصویر هابل از کهکشان مسیه ۱۰۰ (قبل از اصلاح لنز)

تصاویر کهکشان مسیه ۱۰۰ که تلسکوپ فضایی هابل پیش و پس از نصب لنز اصلاحی روی آینه اصلی تلسکوپ در دسامبر ۱۹۹۳ ثبت کرد.

شاید مهم‌ترین پرسش درباره جهان در بیش‌ترین سال‌های قرن بیستم، این بود که آیا جهان آغازی داشته یا همیشه همین‌گونه بوده است. جی گالاگر، اخترشناس و استاد برجسته دانشگاه ویسکانسین مدیسن می‌گوید برای فرد هویل، کیهان‌شناس بریتانیایی و دیگر باورمندان به «نظریه حالت پایدار»، «سادگی، منطق قانع‌کننده بود. اینکه در یک نقطه چیزی تغییر کرد و جهان ماده را به‌وجود آورد؛ چرا باید چنین می‌شد؟» هویل به‌عنوان طرفدار نظریه حالت پایدار، اعتقاد رقیبان خود به بیگ‌بنگ را به تأثیر سفر پیدایش در کتاب مقدس نسبت داد.

سپس در سال ۱۹۶۴، صدای خش‌خش در آنتن رادیو در آزمایشگاه بل در نیوجرسی به گوش رسید. طبق پیش‌بینی نظریه بیگ‌بنگ، این صدا را ریزموج‌هایی ایجاد کرده بودند که از هر نقطه آسمان از راه می‌رسند. کشف «تابش زمینه کیهانی»، بلافاصله به بحث‌ها پایان نداد. دانشمندان طرفدار حالت پایدار نظیر هویل به تفسیر صدای خش‌خش بی‌اعتماد بودند و برای چندین دهه دیگر به نظریه خود پایبند ماندند. اما برای دیگرانی که به‌محض دیدن پس‌تاب بیگ‌بنگ آن را تأیید کردند، تابش زمینه کیهانی یک معما به‌وجود آورد. یکنواختی تقریبا بی‌نقص ریزموج‌ها که از تمام قسمت‌های آسمان می‌آیند، نشان داد که جهان تازه‌متولدشده به‌طرز شگفت‌آور یکدست است. فابر که در اواخر دهه ۱۹۶۰ درباره کهکشان‌ها مطالعه می‌کرد، می‌گوید «معما این است که ما امروزه جهان را بسیار ناهمگون می‌بینیم. درنتیجه چالش نخست در درک کهکشان‌ها این است که بفهمیم جهان چگونه از توده‌ای یکدست به ناهمگون تبدیل شد.»

کیهان‌شناس‌ها می‌دانستند که اتم‌ها باید به تدریج دراثر گرانش در کنار هم جمع شده و درنهایت ساختارهایی نظیر ستارگان و کهکشان‌ها را به‌وجود آورده باشند. اما روی کاغذ، به‌نظر می‌آمد که رشد ساختارها فوق‌العاده کند بوده است. نه‌تنها ماده درابتدا توزیعی یکنواخت داشت و از این‌رو توسط گرانش به هیچ جهت خاصی کشیده نمی‌شد، بلکه انبساط فضا و فشار ایجادشده دراثر خود نور، هردو در پراکندگی ماده تأثیرگذار بود و کشش گرانشی ضعیف آن را خنثی می‌کرد.

رشد ساختارهای کیهانی

منبع کوانتا مگزین. ترجمه از زومیت.

در دهه ۱۹۷۰، ورا رابین، اخترشناس از مؤسسه کارنگی در واشنگتن مشاهده کرد که بخش‌های بیرونی کهکشان‌ها گویی دراثر یک منبع گرانش اضافی و ناپیدا، بسیار سریع‌تر از حد انتظار می‌چرخند. این مدرک که از وجود حجم چشمگیری ماده گمشده در و اطراف کهکشان‌ها به نام «ماده تاریک» حکایت می‌کرد، با مشاهدات فریتس تسوئیکی، اخترشناس سوئیسی در دهه ۱۹۳۰ مطابقت داشت. تسوئیکی نتیجه گرفته بود که کهکشان‌ها فراتر از آن چیزی که صرفا براساس ماده نورانی انتظار می‌رود، یکدیگر را جذب می‌کنند. همچنین در دهه ۱۹۷۰، جیم پیبلس و جری اوستریکر از دانشگاه پرینستون محاسبه کردند که قرص‌های کهکشان‌های چرخانی که فقط از ستارگان، گاز و گردوغبار تشکیل شده‌اند، باید ناپایدار و به شکل کره متورم شوند. آن‌ها فرض کردند که ماده نامرئی باید چاه گرانشی قدرتمندتری ایجاد کرده باشد که قرص مرئی درون آن می‌چرخد. سال ۱۹۷۹، فابر و گالاگر با نگارش مقاله‌ای تأثیرگذار، تمام شواهد برای ماده تاریک را گرد‌آوری کردند و تقریبا ۹۰ درصد از کل ماده موجود در جهان را از این نوع دانستند. (برآورد کنونی تقریبا ۸۵ درصد است.)

پژوهشگران یادشده دریافتند که ماده تاریک با گرانش چشمگیر و نفوذناپذیری‌اش دربرابر فشار نور، می‌توانست در جهان اولیه نسبتا سریع انباشته شود. پیبلس که سال ۲۰۱۹ نیمی از جایزه نوبل فیزیک را به پاس پژوهش‌هایش در کیهان‌شناسی به‌دست آورد، تصویری کیفی رسم کرد که در آن ذرات ماده تاریک یکدیگر را به صورت توده‌هایی معروف به هاله درمی‌آورند و سپس به توده‌های به مراتب بزرگ‌تر تبدیل می‌شوند. سیمون وایت، اخترشناس بریتانیایی این فرایند «خوشه‌بندی سلسله‌مراتبی» را در شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای اولیه در دهه ۱۹۸۰ نشان داد. هرچند ماده مرئی در آن زمان برای شبیه‌سازی بیش از حد پیچیده بود، پژوهشگران حدس زدند که ماده تاریک فشرده‌شده، ماده نورانی را با نقش جزئی همراه خود آورده است: اتم‌ها با جمع‌شدن درون هاله‌های ماده تاریک درنهایت با یکدیگر برخورد کردند، گرم شدند، به سمت مرکز فرو رفتند و درنهایت ازنظر گرانشی درون ستارگان و کهکشان‌های قرصی‌شکل فروپاشیدند.

هرچند تصویر یادشده اغلب کیهان‌شناسان را متقاعد کرد، یک پرسش بزرگ این بود که تغییرات در چگالی ماده چگونه درابتدا ایجاد شد و فرایند خوشه‌بندی گرانشی را به راه انداخت. وایت که اکنون بازنشست شده و در آلمان زندگی می‌کند، به کوانتا مگزین گفت «افراد درباره شرایط اولیه معقول در مورد تشکیل ساختار کیهانی هیچ ایده‌ای نداشتند. شما می‌توانستید این شبیه‌سازی‌ها را اجرا کنید؛ اما نمی‌دانستید چه چیز را باید در ابتدا وارد کنید.»

الن گوت، کیهان‌شناس آمریکایی در سال ۱۹۷۹ با عجله عبارت «درک شگفت‌انگیز» را در دفترچه یادداشت خود نوشت. او حساب کرده بود که اگر فضا در آغاز بیگ‌بنگ مانند سطح بالون به‌طور ناگهانی منفجر شده باشد، آنگاه می‌توان توضیح داد که جهان چگونه چنین بزرگ، یکدست و مسطح شد. «تورم کیهانی»، عبارتی که گوت از آن برای نامیدن جهش رشد آغازین استفاده کرد، به سرعت به‌عنوان ضمیمه‌ای برای بیگ‌بنگ محبوب شد. کیهان‌شناسان کمی بعد اشاره کردند که درجریان تورم، نوسانات کوانتومی در بافت فضا با انفجار فضا منجمد شدند و تغییرات چگالی ظریف را در سرتاسر جهان به‌وجود آوردند. نقاط متراکم احتمالی که دراثر تورم ایجاد شدند، ممکن است به‌عنوان بذرهای ساختارهای آتی به‌کار رفته باشند.

دست‌نوشته الن گوت در سال ۱۹۷۹

سال ۱۹۷۹، الن گوت دریافت که انفجار انبساط نمایی در آغاز بیگ‌بنگ، چندین خصوصیت ابهام‌آمیز جهان را توضیح خواهد داد.

اوایل دهه ۱۹۹۰، این تغییرات چگالی جزئی در تابش زمینه کیهانی اندازه‌گیری شد؛ دستاوردی که جایزه نوبل را برای جان ماتر، دانشمند ارشد تلسکوپ جیمز وب به ارمغان آورد. اما حتی پیش از این موفقیت، افرادی نظیر فابر نقاط متراکم را به نقشه افزودند. سال ۱۹۸۴، او و سه همکارش مقاله‌ای در نشریه نیچر منتشر کردند که همه‌چیز را به یکدیگر ارتباط می‌داد. فابر می‌گوید مقاله آن‌ها «نخستین توصیف کلی این مسئله است که تورم چگونه می‌تواند نوسانات را به‌وجود آورد و نوسانات بعدا برای تشکیل کهکشان‌ها چه کاری انجام می‌دهند.»

اما داستان از ابتدا تا انتها حدس و گمان بود و حتی اگر به‌طور گسترده صحت داشت، تاریخ‌ها و جزئیات مهم ناشناخته بود. یکی از تاثیرگذارترین اکتشافات تلسکوپ هابل و انگیزه‌بخش اصلی برای ساخت وب، جانشین آن در سال ۱۹۹۵، دو سال پس از نصب لنز اصلاحی به‌وقوع پیوست. باب ویلیامز که در آن زمان مدیر مؤسسه علوم تلسکوپ فضایی در بالتیمور، مرکز عملیات‌های هابل بود، به پیشنهاد برخی از پژوهشگران پسادکترا تصمیم گرفت تمام صد ساعت زمان اختیاری خود را که با آن می‌توانست هابل را به هر نقطه دلخواه نشانه بگیرد، صرف نشانه‌گیری به سمت هیچ کند؛ بخشی تاریک و کوچک و فاقد هیچ‌گونه ویژگی خاص از آسمان که باریک‌تر از ماه کوچک بود. هدف از انجام این کار، جستجوی هرگونه جرم دوردست فوق‌العاده کم‌نور بود که امکان داشت از چشم تلسکوپ‌های کمتر حساس پنهان شده باشد.

همکاران ویلیامز باور داشتند که نشانه‌گیری تلسکوپ به سمت هیچ بیهوده است. بااین‌حال، درجریان ۱۰۰ ساعت نورگیری، در گنجینه گشوده شد: مستطیلی کوچک و درخشان از فضا با هزاران کهکشان در اشکال، اندازه‌ها و رنگ‌های مختلف. اخترشناسان شگفت‌زده شدند.

تصویر زمینه ژرف هابل

تصویر زمینه ژرف هابل که درطول ۱۰ روز در دسامبر ۱۹۹۵ گرفته شد، نزدیک به ۳ هزار کهکشان را درون بخشی از آسمان به اندازه تقریبا یک‌دوازدهم پهنای ماه نمایان کرد.

کهکشان‌های دورتر در تصویر «زمینه ژرف هابل»، قرمزتر به‌نظر می‌آیند؛ زیرا نور آن‌ها مسافتی طولانی‌تر را ازطریق فضای درحال انبساط پیموده و از این‌رو به طول موج‌های بلندتر فروسرخ منتقل شده است. تصویر زمینه ژرف ازطریق این کدگذاری رنگی، نمایی سه‌بعدی از کیهان و جدول زمانی تکامل کهکشان‌ها را ارائه می‌دهد. کهکشان‌ها در تمام سنین و مراحل رشد نمایان شده‌اند؛ مدرکی که نشان می‌دهد جهان درطول زمان به‌طور اساسی تغییر کرده است. فابر می‌گوید «نظریه حالت پایدار از بین رفت. دیگر قرار نیست درباره آن بشنویم. این یک کشف فکری بسیار بزرگ بود؛ اینکه می‌توانید یک تصویر با تلسکوپ بگیرید، می‌توانید به گذشته نگاه بیندازید و ببینید که جهان قبلا هیولایی متفاوت بود.»

تصویر معروف هابل نشان داد که اجرام روشن بسیار سریع‌تر از آنچه اغلب متخصصان انتظار داشتند، در جهان شکل گرفتند. درنتیجه این نظریه تقویت شد که آن‌ها نه به تنهایی با قدرت گرانش خود، بلکه به پشتوانه هاله‌های ماده تاریک پا به هستی گذاشتند.

کهکشان‌های دوران باستان ظاهر عجیب، کوچک و آشفته داشتند؛ مانند بچه اردک‌های زشتی که میلیاردها سال طول می‌کشد تا به قو تبدیل شوند. فابر می‌گوید جهان زیبا با کهکشان‌های مارپیچ و بیضوی زیبای امروز درواقع نوعی رشد اخیر است و این موضوع در تصویر نیز قابل مشاهده بود. برخی از کهکشان‌های جوجه اردکی درحال تصادم و ادغام و پشتیبانی از نظریه خوشه‌بندی سلسله‌مراتبی در رشد ساختار کیهانی بودند. توده‌های ستارگان در کهکشان‌های قدیمی درخشندگی شگفت‌انگیزی داشتند که نشان می‌دهد آن ستارگان، پرجرم‌تر و درخشان‌تر از ستارگان خورشیدمانند امروزی بودند.

فرایند شکل‌گیری کهکشان‌ها و پی‌ریزی ستارگان، دورتر و کم‌نورتر از آن است که هابل بتواند تشخیص دهد

براساس مشاهدات اخترشناسان، اغلب کهکشان‌هایی که به اوج درخشندگی رسیدند، ستارگان را سریع‌تر در محدوده «انتقال به سرخ ۲» شکل می‌دهند؛ مسافتی که نور تا زمان رسیدن به اینجا به اندازه دو برابر طول موج ساطع‌شده‌اش کشیده شده است. این فاصله با تقریبا دو میلیارد سال پس از بیگ‌بنگ برابر است. پس از آن، به دلایلی که اکنون تصور می‌شود به سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم درحال رشد در مراکز کهکشان‌ها مربوط است، اغلب کهکشان‌ها کم‌نور شدند.

برجسته‌ترین نکته درباره جدول زمانی تکامل کهکشان‌ها در تصویر زمینه ژرف هابل، این است که هیچ آغازی دیده نمی‌شود. تا جایی که چشم شیشه‌ای هابل کار می‌کند، کهکشان دیده می‌شود. فضانوردان بعدا دوربین‌های ارتقایافته روی تلسکوپ نصب کردند؛ اما حتی در تصاویر زمینه عمیق‌تر آن‌ها نیز لکه‌های نور احتمالا تا انتقال به سرخ ۱۰ مشاهده شدند؛ محدوده‌ای که با تقریبا ۵۰۰ میلیون سال پس از بیگ‌بنگ برابر است. درحال‌حاضر تصور می‌شود که ساختارها احتمالا صدها میلیون سال قبل از آن شروع به شکل‌گیری کردند.

اما فرایند شکل‌گیری کهکشان‌ها و پی‌ریزی ستارگان، دورتر و کم‌نورتر از آن است که هابل بتواند تشخیص دهد. نور ساطع‌شده از این کهکشان‌ها از بخش مرئی طیف الکترومغناطیس خارج و به قسمت فروسرخ وارد شده است. برای دیدن آن‌ها، به تلسکوپ بزرگ‌تری نیاز داریم که بتواند نور فروسرخ را حس کند. نتا باکل، اخترفیزیکدان دانشگاه پرینستون به کوانتا مگزین گفت «آنچه هابل با تصویر زمینه ژرف هابل موفق به انجامش شد، این یافته بود که کهکشان‌های واقع در انتقال به سرخ‌ها بسیار بیشتر از حد تصور هستند. یک پرسش برای جیمز وب این است که انتقال به سرخ چه زمانی و چگونه اینقدر زود آغاز شد.»

جهان‌های بیگانه

اکتبر ۱۹۹۵، دو ماه پیش از آنکه هابل به سیاهی خیره شود و نگاهی اجمالی به تاریخچه زمان بیندازد، میشل مایور، اخترشناس سوئیسی در کنفرانسی در فلورانس ایتالیا از کشف بزرگی دیگر خبر داد: او به همراه دیدیه کلاز، دانشجوی خود سیاره‌ای را در حال چرخش به دور ستاره‌ای دیگر مشاهده کرد.

در پشت تالار سخنرانی مایور، ناتالی باتالها که در آن زمان در دانشگاه کالیفرنیا تحصیل می‌کرد، نتوانست اهمیت آنچه را که تازه شنیده بود، درک کند. او گفت «خنده‌دار است که چگونه این اتفاقات رخ داد؛ زیرا با نگاه به گذشته، لحظه‌ای بسیار مهم محسوب می‌شد. این لحظه، طلوع عصری تازه از اکتشافات سیاره‌های فراخورشیدی بود؛ اما درعین‌حال لحظه‌ای تحول‌آفرین در زندگی من به‌شمار می‌رفت و هنوز آن را نمی‌دانستم.»

دیدیه کلاز (چپ) و میشل مایور

دیدیه کلاز (چپ) و میشل مایور در سال ۱۹۹۵، اندکی پس از آنکه با انتشار مقاله‌ای در نیچر، کشف سیاره فراخورشیدی دیمیدیوم را اعلام کردند.

در آن زمان، جستجو برای یافتن سیاره فراخورشیدی یک اقدام کم‌اهمیت علمی بود و روش مایور و کلاز همچون تیری در تاریکی به‌نظر می‌آمد. آن‌ها با استفاده از طیف‌سنج (اسپکتروگراف) که نور ستاره را به اجزای رنگی خود تقسیم می‌کند، بیش از ۱۰۰ ستاره خورشیدمانند را تحت نظر قرار دادند تا اثر دوپلر را شناسایی کنند؛ جایی که جرم هنگام نزدیک‌شدن یا دورشدن به‌ترتیب آبی‌تر یا قرمزتر می‌شود. این روش می‌تواند لرزیدن ستاره را دراثر گرانش سیاره درحال چرخش به دورش نشان دهد. تکنیک طیف‌سنجی غیرممکن به‌نظر می‌رسید؛ زیرا سیاره باید به‌طرز غیرمنطقی سنگین و نزدیک به ستاره میزبانش باشد تا لرزش آن برای بهترین طیف‌سنج‌های موجود رویت‌پذیر شود. بااین‌حال وقتی مایور و کلاز به ۵۱ پگاسی، ستاره‌ای خورشیدمانند در فاصله ۵۰ سال نوری از زمین نگاه کردند، لرزش بزرگی را دیدند. آن‌ها با حذف دیگر احتمالات، نتیجه گرفتند که سیاره‌ای به اندازه مشتری هر ۴/۲ روز یک‌بار به دور ستاره می‌چرخد؛ هشت برابر نزدیک‌تر از فاصله عطارد از خورشیدمان.

نه‌تنها مایور و کلاز سیاره‌ای فراخورشیدی پیدا کردند (و درنهایت نیمی از جایزه نوبل فیزیک را در سال ۲۰۱۹ به‌دست آوردند)، بلکه خود سیاره با نام ۵۱ پگاسی بی (دیمیدیوم) به‌تنهایی درک کتاب‌های درسی از منظومه‌های خورشیدی را دگرگون کرد. همان‌طور که هایدی همل، دانشمند سیاره‌ای می‌گوید «درباره چگونگی تشکیل منظومه شمسی‌مان، افسانه‌ای جذاب به ما یاد داده بودند»؛ داستانی که طراحی شده بود تا توضیح دهد چرا سیاره‌های سنگی، نزدیک به ستاره قرار می‌گیرند؛ درحالی‌که غول‌های گازی و سیاره‌های یخی در فواصل دورتر تشکیل می‌شوند. پس ۵۱ پگاسی بی به‌عنوان یک مشتری داغ چگونه اینقدر به ستاره‌اش نزدیک بود؟

باتالها واکنش حضار را به ارائه مایور در فلورانس به یاد می‌آورد: سکوت. بااین‌حال اندکی بعد، شک و تردید جای خود را به کشف مشتری‌های داغ بیشتر داد و با بهبود تلسکوپ‌ها و تکنیک‌ها، دیگر سیاره‌های فراخورشیدی نیز ظاهر شدند.۱۶ سال پس از آن روز مهم در فلورانس، باتالها عهده‌دار مدیریت تیمی در ناسا شد که نخستین سیاره فراخورشیدی سنگی تأییدشده را کشف کرد: کپلر ۱۰بی.

ناتالی باتالها

ناتالی باتالها، اخترشناس در دانشگاه کالیفرنیا سانتا کروز، مدیریت تیمی را برعهده داشت که نخستین سیاره فراخورشیدی سنگی را کشف کرد. او نظارت بر برخی از اولین مشاهدات سیاره فراخوشیدی جیمز وب را برعهده خواهد داشت.

وقتی میشل بایور خبر کشف بزرگ خود را اعلام کرد، باتالها چندان فکر خود را مشغول مشتری داغ تازه‌یافت‌شده نکرد و به مطالعه لکه‌های ستاره‌ای در سانتا کروز ادامه داد. سپس یک سال بعد یا بیشتر، او با دانشمندی به نام بیل بوروکی در مرکز تحقیقات ایمز ناسا در سیلیکون ولی آشنا شد. بوروکی مصمم به ساخت تلسکوپی بود که بتواند نه فقط غول‌های گازی، بلکه سیاره‌های فراخورشیدی سنگی و زمین‌مانند را شناسایی کند. او بدین منظور قصد داشت از روش گذر استفاده کند؛ بدین معنی که به‌جای ردیابی تغییرات در رنگ نور ستاره، مانند آنچه مایور و کلاز انجام دادند، به‌دنبال افت نورهایی در شدت نور ستاره باشد که به‌صورت دوره‌ای دراثر گذر سیاره درحال عبور از مقابل ستاره رخ می‌دهند.

باتالها فکر نمی‌کرد که تکنیک گذر جواب بدهد. لکه‌های ستاره‌ای که از قضا آن‌ها را می‌شناخت، تقریبا هم‌اندازه زمین هستند؛ درنتیجه او فکر کرد که یک سیاره درحال گذر کوچک، از لکه ستاره‌ای روی ستاره چرخان تمایزپذیر نیست. او درباره این مشکل برای بوروکی نوشت. بوروکی در پاسخ گفت ناسا طرح پیشنهادی او را تا حدی به‌همین‌دلیل، رد کرده است و از باتالها خواست برای فهمیدن تفاوت بین لکه‌های ستاره‌ای و جهان‌های سنگی، با او در مرکز ایمز همکاری کند.

یافته‌های تلسکوپ کپلر نشان داد که صرفا راه شیری خودمان میلیاردها سیاره سنگی و آبی بالقوه سکونت‌پذیر دارد

باتالها پذیرفت و همکاری آن‌ها آغاز شد. دفعه بعد، ناسا به طرح پیشنهادی بوروکی چراغ سبز داد و باتالها به دانشمند پروژه تبدیل شد. تلسکوپ فضایی کپلر که به‌دست بوروکی طراحی شد، در مارس ۲۰۰۹ زمین را ترک کرد و تیم او به امید یافتن افت نور‌های ناشی از گذر سیاره‌ها، به‌طور مستمر مشغول نظارت بر روشنایی تقریبا ۱۵۰ هزار ستاره شد.

کپلر سیاره‌های هم‌اندازه زمین را کشف کرد. باتالها گفت «کپلر ۱۰بی در ده روز نخستی که از فضاپیما داده گرفتیم، شناسایی شد.» وقتی آن‌ها درخشندگی ستاره میزبان را در طول زمان ثبت کردند، افت نور برای چشم قابل مشاهده بود. مشاهدات بعدی از زمین تأیید کرد که جرم تحت نظر سیاره‌ای واقعی است و براساس جرم و شعاعش باید جهانی سنگی باشد. باتالها در ژانویه ۲۰۱۱ پس از آنکه اخترشناسان اروپایی مدعی کشف سیاره‌ای فراخورشیدی به نام کوروت- ۷بی شدند، کشف قطعی خود را ارائه داد. بااین‌حال کپلر ۱۰بی و کوروت- ۷بی، هیچ‌کدام عنوان مطلوب «زمین‌مانند» را به‌دست نیاوردند؛ زیرا به‌جای «کمربند حیات»، محدوده‌ای که آب در آن مایع است، در نزدیکی ستاره والدشان درحال چرخش بودند. (نخستین سیاره سنگی، آبی و بالقوه زمین‌مانند با نام کپلر ۱۸۶اف، در سال ۲۰۱۴ خبرساز شد؛ اما باتالها به‌طور رسمی در این کشف مشارکت نداشت.)

تلسکوپ کپلر قبل از آنکه به دلیل خرابی موتور پیش از موعد از کار بیفتد ، بیش از ۲۶۰۰ سیاره فراخورشیدی کشف کرد. در کل بیش از ۴۵۰۰ مورد شمارش شده است؛ عددی کافی برای اخترشناسان تا خصوصیات آماری آن‌ها را مطالعه کنند. همان‌طور که ۵۱ پگاسی بی نشان داده بود، منظومه شمسی ما غیرمعمولی است. به‌عنوان مثال، متداول‌ترین نوع سیاره در کهکشان، اندازه‌ای بین سیاره‌های سنگی و غول‌های گازی دارد؛ درحالی‌که محله کیهانی ما فاقد آن است. دانشمندان سیاره‌ای هنوز بیشتر بودن این به اصطلاح ابرزمین‌ها یا زیرنپتون‌ها، خصوصیات این سیاره‌های متوسط یا چگونگی تشکیل آن‌ها را درک نکرده‌اند. برای توضیح وجود آن‌ها به اصول جدیدی از شکل‌گیری و تکامل سیاره‌ای نیاز است.

فازهای سیاره فراخورشیدی

منبع: کوانتا مگزین. ترجمه از زومیت

پژوهشگران با برون‌یابی داده‌های کنونی، به این نتیجه رسیده‌اند که کهکشان ما میلیاردها سیاره سنگی و آبی دارد؛ یافته‌ای که نشان می‌دهد حیات نیز ممکن است رایج باشد. بااین‌حال تا زمانی که واقعا شواهد از حیات را در جهانی دیگر پیدا نکنیم، این ایده محتمل باقی می‌ماند که ظهور حیات روی زمین اتفاقی بود و ما تنها هستیم.

خوشبختانه، تلسکوپ جیمز وب برای کاوش جو و اقلیم دیگر زمین‌ها و حتی اگر خوش‌شانس باشیم، یافتن شواهد از یک زیست‌کره (بیوسفر) واقعی بیگانه به اندازه کافی قدرتمند است. باتالها می‌گوید «فروسرخ برای سیاره‌های فراخورشیدی فوق‌العاده است.»

یک اشتباه و پایان کار

یک روز صبح در سال ۱۹۸۷، ریکاردو جیاکنی که در آن زمان مدیر مؤسسه علوم تلسکوپ فضایی (STScI) بود، از گارث ایلینگورث، معاون خود خواست درباره جانشین هابل فکر کند. ایلینگورث به کوانتا مگزین گفت «واکنش فوری این بود که آه، ما حتی هنوز هابل را پرتاب نکرده‌ایم و میلیون‌ها کار داریم که باید درباره آن انجام دهیم. تلسکوپ مشکلات بزرگ دارد؛ بنابراین چگونه می‌توانیم به این مسئله هم فکر کنیم؟» جیاکنی گفت «به من اعتماد کن، باید زود دست به کار شوی؛ زیرا می‌دانم انجام این کار مدت‌ها طول می‌کشد.» هابل از حوالی سال ۱۹۷۰ در دست ساخت بود و در سال‌های اولیه، نانسی رومن، اخترشناس ناسا پس از دهه‌ها تلاش لایمن اسپیتزر، فیزیکدان نظری دانشگاه پرینستون، مدیریت آن را برعهده داشت. این دو دانشمند به‌عنوان مادر و پدر هابل شناخته می‌شوند.

ایلینگورث که اصالت استرالیایی دارد، با پیر بلی از فرانسه و پیتر استاکمن از آمریکا، همکاران خود در مؤسسه علوم تلسکوپ فضایی همراه شد تا درباره تلسکوپ فضایی نسل بعدی ایده‌پردازی کند. اما آن‌ها اساسا ایده‌ای در سر نداشتند. ایلینگورث می‌گوید «ما درباره آنچه می‌تواند فراتر از هابل رود، تلاش‌های آن را تکمیل و حوزه‌های جدید را کاوش کند، شروع به فکر کردیم و فروسرخ حوزه‌ای شفاف بود.» رصد نور فروسرخ از روی زمین بسیار دشوار است؛ اما سه پژوهشگر پی بردند که در فضا چیزهای فراوانی برای مشاهده وجود خواهد داشت. «وقتی تلسکوپ قدرتمند جدیدی آنجا قرار دهید، شمار بی‌اندازه‌ای افق علمی باز می‌کنید.»

ایلینگورث، بلی و استاکمن فهمیدند که تلسکوپ فروسرخ به‌دلیل تشخیص طول موج‌های بزرگ‌تر، برای برخورداری از حساسیت مشابه با هابل (با آینه اصلی ۲/۴ متری)، باید به‌طرز چشمگیر بزرگ‌تر باشد. آن‌ها فکر کردند که چنین آینه‌ای برای جاشدن درون موشک، احتمالا ناگزیر باید تا شود. سه پژوهشگر همچنین می‌دانستند که تلسکوپ باید سرد باشد؛ درغیراین صورت گرمای آن، ابزارهایش را اشباع خواهد کرد. آن‌ها به‌جای خنک‌سازی فعالانه تلسکوپ، به بهره‌برداری از سرمای شدید فضای بیرونی با مسدودسازی گرمای زمین، ماه و خورشید فکر کردند. بیش از سه دهه طول کشید تا تلسکوپ فروسرخ بزرگی که پژوهشگران به‌طور مبهم در ذهن داشتند، آماده پرتاب از گویان فرانسه شود.

سال ۱۹۸۹، اخترشناسان پیشگام در مؤسسه علوم تلسکوپ فضایی گردهم جمع شدند تا درباره مزایای علمی تلسکوپ فضایی فروسرخ بحث کنند. در جریان شروع فاجعه‌بار و نجات هابل ، گفتگوها کاهش یافت و سپس در میانه دهه ۱۹۹۰ دوباره از سر گرفته شد. سال ۱۹۹۵، از جان ماتر، اخترفیزیکدان مرکز پرواز فضایی گادرد خواسته شد به پروژه ملحق شود. ماتر با فهمیدن اینکه تلسکوپ فروسرخ برای افراد زیادی به‌شدت مفید خواهد بود، همه کارهایش را رها کرد و درخواست همکاری را پذیرفت. او از آن زمان دانشمند ارشد تلسکوپ فضایی جیمز وب بوده است.

جان ماتر

جان ماتر، اخترفیزیکدان مرکز پرواز فضایی گادرد ناسا، به مدت ربع قرن دانشمند ارشد پروژه تلسکوپ جیمز وب بوده است.

ماتر برای ساخت تلسکوپ فروسرخ به طرح‌های جسورانه نظیر تلسکوپ‌هایی که تا می‌شوند، فکر کرده بود. بااین‌حال، در وضعیت دشوار کمبود بودجه در سال ۱۹۹۶، کمیته‌ای متشکل از اخترشناسان ارشد که طرح مفهومی تلسکوپ فروسرخ را مطالعه می‌کردند، آینه‌ای چهار متری را پیشنهاد دادند که با جاشدن درون فرینگ موشک، به‌طرز چشمگیر هزینه‌ها و پیچیدگی را کاهش می‌داد. ایلینگورث فکر می‌کرد این طرح «احمقانه است و به خوبی هابل نخواهد بود.» دنیل گلدین، مدیر وقت ناسا نیز به‌وضوح احساس مشابهی داشت. او در نشست جامعه اخترشناسی آمریکا در همان سال گفت «چرا چنین چیز ساده‌ای می‌خواهید؟ چرا به‌دنبال ۶ یا ۷ متر نرویم؟ شما واقعا یک مشت آدم ترسو هستید.» گلدین سپس مورد تشویق ایستاده حضار قرار گرفت. ایلینگورث گفت «در ذهن من، او تلسکوپ را نجات داد.» تلسکوپ بزرگ‌تر و همچنین تاشدنی شد.

پس از صحبت‌های سنگین درباره ۸ متر، ناسا سرانجام در سال ۲۰۰۱ بر سر اندازه ۶/۵ متر برای قطر آینه چندبخشی به توافق رسید و به تلسکوپ نسل بعدی، ناحیه‌ای ۶ برابر بزرگ‌تر از هابل برای جمع‌آوری نور بخشید. اکنون پرسش این بود: چگونه می‌توان آینه‌ای ۶/۵ متری را درون فرینگ ۵/۴ متری موشک جا داد؟

ماتر گفت «بخش مشکل طراحی این است که چگونه آینه را تا می‌کنید.» پیمانکاران خارجی طرح‌های آینه‌ای رقابتی ارائه دادند. آینه لاکهید مارتین مانند ۶ گلبرگ گل تا شده بود؛ طرح بال ارواسپیس به میز تاشو شباهت داشت؛ تی‌آردابلیو پیشنهاد داد که بخش‌های آینه مانند نحوه قرارگیری صفحات گرامافون در جعبه‌های موسیقی قدیمی، روی تلسکوپ سوار شوند. به مدت یک سال، ماتر و تیمش تکه‌هایی از هر طرح را انتخاب کردند. به‌دلیل تجربه گسترده تی‌آردابلیو در ساخت ماهواره‌های پیچیده برای ارتش آمریکا و ساخت‌وساز موفقیت‌آمیز رصدخانه پرتو ایکس چاندرا، قرارداد اصلی به این شرکت واگذار شد. (تی‌آردابلیو اندکی بعد به تصاحب نورثروپ گرومن درآمد.) طراحی آینه به طرح بال ارواسپیس نزدیک‌تر شد: مجموعه‌ای از ۱۸ بخش شش‌ضلعی، شش‌ضلعی بزرگ‌تری را تشکیل می‌دهند که از دو طرف تا می‌شود. مایکل منزل که مدیریت طرح پیشنهادی لاکهید مارتین را برعهده داشت، به‌عنوان مهندس ارشد وب بر سر پروژه آورده شد.

آینه‌ها از بریلیوم ساخته شد؛ ماده‌ای سبک، قدرتمند و مستحکم که به شکل پودر، سمی است. به گفته ماتر، بریلیوم ماده‌ای دردسرساز محسوب می‌شود؛ اما تنها چیزی است که می‌تواند مؤثر باشد. بریلیوم پودری در اوهایو تحت فشار به بلوک تبدیل شد و سپس در آلاباما تحت برش قرار گرفت. در مرحله بعد، ۱۸ بخش آینه با لایه طلا که نور فروسرخ را به‌طور عالی بازتاب می‌دهد، پوشانده و در کارخانه‌ای اختصاصی در کالیفرنیا جلا داده شدند. سارا کندرو، اخترشناس بلژیکی بریتانیایی که روی ابزار فروسرخ میانی (MIRI)، یکی از تجهیزات وب کار کرده است، می‌گوید «شکل‌دادن و صیقل‌دادن آینه‌های تلسکوپ، هنر تاریکی است که به صدها سال پیش بازمی‌گردد.»

تلسکوپ فضایی جیمز وب

منبع: کوانتا مگزین. ترجمه از زومیت.

برای گشودن آینه و ایجاد کانون مشترک در فضا، به موتورهایی با دقت بی‌سابقه نیاز است. ماتر گفت «این چیزی است که باید فورا اختراع می‌کردیم. اگر نتوانید این کار را کنید، نمی‌توانید کل رصدخانه را به کار بیندازید.» بال ارواسپیس عملگرهایی را ارائه داد که می‌توانند هر شش‌ضلعی طلایی را در گام‌های ۱۰ نانومتری یا یک ده‌هزارم عرض مو به حرکت درآورند. ماتر می‌گوید موتورها با خم‌کردن یا تبدیل حرکت بزرگ به حرکت کوچک کار می‌کنند. بااین‌حال، طراحی بال با وجود بودجه دولتی، دارای حقوق انحصاری است. ماتر افزود «وقتی از تلسکوپ عکس می‌اندازیم، باید مطمئن شویم که هیچ‌کس نمی‌تواند موتورها را ببیند.»

«تلسکوپ فضایی جیمز وب اولین‌های بسیاری دارد؛ اولین‌های چشمگیر مهیب و سپر خورشیدی یکی از آن‌ها است»

سال ۲۰۰۲، تلسکوپ نام خود را پیدا کرد. شان اوکیف، مدیر ناسا سنت نام‌گذاری تلسکوپ‌ها برای دانشمندان را شکست (به‌عنوان مثال، تلسکوپ هابل به ادوین هابل، اخترشناس آمریکایی اشاره دارد) و درعوض به جیمز وب، دومین مدیر ناسا که رهبری این سازمان را در عصر آپولو برعهده داشت، ادای احترام کرد. این انتخاب بلافاصله نزد اخترشناسان نامناسب تلقی شد و نارضایتی آن‌ها به مرور افزایش یافت. سال گذشته، پس از آنکه ادعا شد جیمز وب در اخراج کارمندان دگرباش دولتی نقش داشت یا آن را نادیده گرفت، ۱۲۰۰ اخترشناس نامه‌ای برای تغییر نام تلسکوپ امضا کردند. ناسا پس از انجام تحقیقات، در ماه اکتبر اعلام کرد که مورخان هیچ مدرکی را برای توجیه تغییر نام نیافته‌اند.

موسسات مختلف از دانشگاه آریزونا تا سازمان فضایی اروپا، برای ساخت دوربین‌ها، طیف‌سنج‌ها و تاج‌نگارها عضو پروژه شدند و درعوض، زمان گسترده برای رصد با تلسکوپ به‌دست خواهند آورد.

برای ساخت سپر خورشیدی، قطعه نازک و شکننده‌ای که سرنوشت تلسکوپ فروسرخ به آن گره خورده است، تیم به سرعت کپتون را انتخاب کرد؛ پلاستیکی نقره‌ای و لغزنده که به درون بسته چیپس سیب‌زمینی شباهت دارد؛ اما ضخامتش به اندازه موی انسان است. ازآنجاکه امکان پارگی وجود دارد، سپر خورشیدی نیازمند چندین لایه برای افزونگی است. همچنین لایه‌ها باید پهن و جدا و به وسیله سامانه‌ای از میله‌ها، کابل‌ها و ریسمان‌ها محکم نگاه داشته شوند. سامانه‌های پیش‌رانش و پنل‌های خورشیدی به سمت خورشید قرار می‌گیرند و اپتیک و ابزارها که باید در دمای منفی ۲۳۳ درجه سانتی‌گراد فعالیت کنند، در سمت تاریک واقع می‌شوند. ماتر می‌گوید «تلسکوپ فضایی جیمز وب اولین‌های بسیاری دارد؛ اولین‌های چشمگیر مهیب و سپر خورشیدی یکی از آن‌ها است.»

مایکل منزل

مایکل منزل از مرکز پرواز فضایی گادرد ناسا، مهندس اصلی سامانه‌های مأموریت جیمز وب و مهندس ارشد پروژه است.

منزل که ریش خاکستری پرپشتی دارد، بر فعالیت صدها نفر روی یکی از پیچیده‌ترین پروژه‌های مهندسی در تاریخ نظارت می‌کند. او در گفتگویی تازه با کوانتا مگزین، چالش پیش‌رو در ساخت سپر خورشیدی را توضیح داد. او گفت «اگر جسمی سخت مانند در را بردارید و لولایی مناسب بسازید، می‌توانید نحوه حرکتش را پیش‌بینی کنید. مثل آب خوردن است. حالا تصور کنید پتویی شل و ول دارید. تلاش کنید پتو را روی تخت خود بکشید و شکلی را که قرار است پیدا کند، پیش‌بینی کنید. وحشتناک است. همین امر در مورد ریسمان صدق می‌کند؛ ریسمان‌هایی که سپر خورشیدی را می‌کشند و به میلیون‌ها روش مختلف می‌توانند حرکت کنند. وضعیت برای ما بدتر است: اکنون کل این تجربه را در گرانش صفر قرار دهید؛ جایی که اجسام می‌توانند به مکان‌های ناخواسته بروند. درآنجا گشودن بی‌دردسر سپر خورشیدی، به مشکلی بسیار سخت تبدیل می‌شود.»

حوالی سال ۲۰۰۴، چاک پریگو و کیت پریش، مهندسان ناسا به دفتر منزل در گادرد رفتند و گفتند راهی برای طراحی سپر خورشیدی دارند. پریگو تکه‌ای کاغذ از روی میز منزل برداشت و آن به شکل Z تا کرد. سپر خورشیدی را می‌توان به شکل زیگزاگ‌های بسیار بیشتر که گاهی‌اوقات تاکردن آکاردئونی نامیده می‌شود، تا کرد. منزل به کوانتا مگزین گفت «من در تشخیص پاسخ بد بسیار خوب هستم و در تشخیص پاسخ مناسب نیز عملکرد خیلی خوبی دارم. همه ما آن را دیدیم و فکر کردیم باید همین روش را پیگیری کنیم.» نورثروپ گرومن نیز به‌طور جداگانه به همین نتیجه‌گیری رسید.

پرسش بعدی این بود که چگونه تای آکاردئونی را تا زمان آمادگی سپر خورشیدی برای گشوده‌شدن، در جای خود نگه داریم. اندی تائو، مهندس نورثروپ گرومن راه‌حل را پیدا کرد: ۱۰۷ گیره که مانند پنجه گربه جمع می‌شوند.

استفاده از گیره یک مشکل پیچیده دیگر به‌وجود آورد: گیره‌ها سوراخ ریز درست می‌کنند. اگر پس از بازشدن، سوراخ‌های ریز روی هر ۵ لایه کپتون هم‌راستا شوند، پرتو خورشید امکان عبور و گرمایش اپتیک را به‌دست می‌آورد. منزل گفت «مشکل سوراخ یکی از آن جزئیات کوچک پنهان است که تا وقتی در بحر کار نروید، متوجه آن نخواهید شد.» اندی تائو سرانجام خود به راه‌حل این مشکل پی برد. او به‌دنبال یک پیکربندی مناسب از گیره‌ها رفت تا حفره‌های درست‌شده در پنج لایه کپتون هرگز از هیچ زاویه‌ای هم‌راستا نشوند.

موانع چنان آهسته از سر راه برداشته می‌شدند که اخترشناسان برای اشاره به وضعیت از «مشکل تلسکوپ فضایی جیمز وب» استفاده کردند. سال ۱۹۹۶، ماتر و تیم او برآورد کردند که تلسکوپ ۵۶۴ میلیون دلار هزینه خواهد داشت (یک حدس تا حدی غیرصادقانه با هدف جلب حمایت کنگره) و در سال ۲۰۰۷ پرتاب خواهد شد. با افزایش هزینه‌ها و به تعویق‌افتادن هرچه بیشتر تاریخ پرتاب، کاسه صبر کنگره لبریز شد. سال ۲۰۱۱، جیمز وب تقریبا لغو شد؛ اما دانش‌آموزان دبستانی نامه‌هایی برای واشنگتن نوشتند و سناتور میکولسکی دوباره به کمک ناسا آمد.

شیشه، فلز و پلاستیک به تدریج در اتاق‌های تمیز گادرد، نوثروپ گرومن، بال ارواسپیس و نقاط دیگر به یکدیگر متصل شدند. اما سخت‌افزار مونتاژشده نمی‌توانست به همین سادگی به سمت آسمان فرستاده شود؛ زیرا تلسکوپ قرار است میلیون‌ها کیلومتر از زمین فاصله داشته باشد و از این‌رو فضانوردان نمی‌توانند آچار به دست به سراغ آن بروند. آن‌طور که جان آرنبرگ، مهندس نورثروپ گرومن می‌گوید «یک اشتباه مرتکب شوید، شکست می‌خورید.» جیمز وب باید در نخستین و تنها تلاش به‌طور بی‌نقص راه‌اندازی شود؛ بدین معنا که باید به‌طور گسترده و پرزحمت روی زمین تحت آزمایش قرار گیرد. درجریان این آزمایش‌ها در سال‌های ۲۰۱۷ و ۲۰۱۸، مشکلات یکی پس از دیگری خود را نشان دادند.

پس از «آزمایش لرزش»، دسته‌ای از پیچ‌ها و واشرها که باید پوشش سپر خورشیدی را در جای خود نگاه می‌داشتند، روی زمین پیدا شدند. یک وقت دیگر، سپر خورشیدی به مانع برخورد کرد و پاره شد. دفعه بعد سپر توانست گشوده شود؛ اما یک ریسمان به دور چیزی که نباید پیچیده شد.

تلسکوپ هنگام ارسال به مرکز فضایی جانسون در هیوستون، گرفتار دردسر دیگری شد. در آن زمان جیمز وب در اتاقی قرار داده شد که فضانوردان آپولو زمانی ماه‌نوردی‌هایشان را در آن تمرین کردند و برای شبیه‌سازی شرایط فضای بیرونی، دمای بسیار پایینی داشت. درحالی‌که سازندگان ابزار نظیر سارا کندرو درحال آزمودن سخت‌افزار سرد بودند، توفند هاروی از راه رسید. کل شهر به‌طور فاجعه‌بار دچار سیل شد؛ اما بزرگ‌ترین نگرانی برای تیم جیمز وب، تأمین نیتروژن مایع بود. اگر این ماده تمام می‌شد، دمای تلسکوپ به سرعت بالا می‌رفت و به ابزارها آسیب می‌رساند. درنتیجه از تأمین‌کنندگان نیتروژن مایع خواسته شد تا کامیون‌ها را از میان سیلاب ارسال کنند.

خروج جیمز وب از اتاق خلاء

تلسکوپ جیمز وب در یکم دسامبر ۲۰۱۷، پس از تقریبا صد روز آزمایش کرایوژنیک از اتاق خلاء در مرکز فضایی جانسون ناسا در هیوستون بیرون آمد. تندباد دریایی هاروی آن بیرون درحال خروشیدن بود؛ درحالی‌که تلسکوپ، محیطی سرد و بدون‌هوا شبیه به فضا را تجربه می‌کرد.

مشکلات تداوم یافت. ابتدای امسال، معلوم شد فرستنده‌ها که داده‌ها را به زمین ارسال می‌کنند، دچار اشکال شده‌اند و باید تعمیر شوند. به گفته ترمبلی یک تأخیر مجموعه‌ای از مشکلات و البته هزینه‌های بیشتر را در پی دارد. او افزود «صرفا برای نگاه‌داشتن تلسکوپ به مدت یک ماه در اتاق تمیز، ده میلیون دلار هزینه می‌شود.» با افزایش سرمایه‌گذاری، نیاز به موفقیت مأموریت نیز افزایش یافت. ترمبلی گفت «اگر ناسا علاقه‌مند به پذیرفتن ریسک بیشتر بود، هزینه تلسکوپ فضایی جیمز وب نصف می‌شد.»

درنهایت مشکلات برطرف شد. مهندسان نورثروپ گرومن، سپر خورشیدی را در تاسیسات این شرکت در ردوندو بیچ کالیفرنیا برای چندین مرتبه با موفقیت باز کردند. اما به نقل از منزل، حتی پس از آنکه لایه‌های براق به آرامی باز شدند،‌ «آن اندازه که احتمالا فکر می‌کنید، خوشحال نشدیم. زیرا همگی می‌دانیم که عملکرد سپر خورشیدی فقط به اندازه‌ آخرین باری که تا شد، خوب خواهد بود.»

هزینه نهایی جیمز وب به ده میلیارد دلار نزدیک می‌شود. این عدد تقریبا ۲۰ برابر برآورد اولیه است؛ اما همچنان چند میلیارد دلار از ناو هواپیمابر کمتر است. پس از وقوع دنیاگیری کووید ۱۹ و تاخیرهای ناشی از آن، اواخر ۲۰۲۱ به تاریخ پرتاب تبدیل شد. در ماه سپتامبر، تلسکوپ از آزمون نهایی در ردوندو بیچ سربلند بیرون آمد: گوش‌های طلایی به عقب رفتند، سپر خورشیدی پنهان و کل رصدخانه به پهلوی خود چرخانده و بعدا راست شد. سپس تلسکوپ تحت بررسی قرار گرفت تا معلوم شود چیزی تغییر کرده است یا نه. در مرحله بعد، جیمز وب درون محفظه حمل‌ونقل قرار گرفت و تاسیسات نورثروپ گرومن را ترک کرد.

گارث ایلینگورث، که از ابتدا در طیفی از موقعیت‌های مختلف با تلسکوپ همراه بوده است، برای بدرقه جیمز وب به ردوندو بیچ رفت. او به کوانتا مگزین گفت «تلسکوپ آنجا ایستاده بود، بلند و باشکوه. در روز بعد، اتاق تمیز از هرگونه سخت‌افزار مرتبط با پشتیبانی جیمز وب خالی شد.» تاریخ دقیق ارسال از کالیفرنیا به‌دلیل نگرانی از خطر دزدی دریایی در آب‌های آزاد، مخفی نگاه داشته شد. اوایل اکتبر، تلسکوپ ازطریق کانال پاناما به گویان فرانسه سفر کرد؛ منطقه‌ای در نزدیکی استوا که سازمان فضایی اروپا، موشک سنگین آریان ۵ خود را از آنجا پرتاب می‌کند تا از مزیت چرخش سریع‌تر زمین بهره بگیرد.

بررسی سپر خورشیدی جیمز وب
مهندسان درحال بررسی آینه های جیمز وب

آزمایش بخش‌های آینه در اتاق تمیز مرکز پرواز فضایی گادرد ناسا در مریلند و کمک به بسته‌بندی سپر خورشیدی برای واپسین بار در فوریه ۲۰۲۱.

تیم جیمز وب مشغول تمرین کارهای روزمره‌ای است که درجریان سفر یک ماهه تلسکوپ به نقطه لاگرانژی ۲ و سپس دوره پنج‌ماهه راه‌اندازی آن، در ۲۴ ساعت شبانه‌روز و هفت روز هفته انجام خواهد داد. منزل گفت «آیا احساس اطمینان دارم؟ بله. من مطمئنم که ما هرآنچه در توانمان بود، انجام دادیم. خطر به‌طرز قابل قبولی پایین است و کاملا اطمینان دارم که همه چیز خوب پیش خواهد رفت. آیا ممکن است مشکلی پیش بیاید؟ البته که امکان دارد.»

حدس‌های معقول

وقتی هابل شروع به کار کرد، بشریت مانند کودکان نزدیک‌بینی که برای نخستین‌بار عینک به چشم می‌زنند، توانایی دیدن کیهان را به‌دست آورد. ما همچنین آموختیم چیزهایی آن بیرون وجود دارند که قادر به دیدنشان نیستیم.

سال ۱۹۹۸، دو تیم رقیب از اخترشناسان از هابل در کنار دیگر تلسکوپ‌ها استفاده کردند تا ابرنواخترها را در کهکشان‌های دوردست رصد کنند و مطمئن شوند که سرعت انبساط جهان درحال افزایش است. این تلاش وجود عامل شتاب‌دهنده‌ای را آشکار کرد که تمام فضا را پر کرده است. این عامل که با نام انرژی تاریک شناخته می‌شود، تقریبا ۷۰ درصد از حجم فضا را تشکیل می‌دهد. ۲۶ درصد دیگر سهم ماده تاریک است و ۴ درصد باقی‌مانده، اتم‌های نورانی و تابش‌ها هستند.

معماهای دیگر خیلی زود ظاهر شدند. وندی فریدمن، اخترشناس کانادایی آمریکایی از هابل برای رصد ستارگان متغیر تپنده به نام قیفاووسی استفاده کرد. به‌لطف این مشاهدات، در سال ۲۰۰۱ او و تیمش سرعت کنونی انبساط فضا را اندازه گرفتند و با دستیابی به دقت ۱۰ درصد، پیشرفتی بزرگ نسبت به اندازه‌گیری‌های پیشین رقم زدند. در سال‌های پس از اندازه‌گیری فریدمن، سرعت انبساط کیهان به یکی از بحث‌برانگیزترین موضوعات در کیهان‌شناسی تبدیل شده است. مسئله این است که براساس عناصر شناخته‌شده جهان و معادلات حاکم، نظریه‌پردازان نتیجه می‌گیرند که فضا باید اکنون بسیار آهسته‌تر از آنچه اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهند، درحال انبساط باشد. انبساط سریع جهان احتمالا به وجود عناصر ناشناخته اضافی در کیهان، فراتر از ماده تاریک و انرژی تاریک اشاره دارد. اما فریدمن که زنی آرام و مقتدر به‌نظر می‌آید، هنوز متقاعد نشده است که اندازه‌گیری‌ها صحیح هستند. او مدیریت تیمی را برعهده خواهد داشت که با استفاده از جیمز وب، قیفاووسی‌ها و دیگر ستارگان را بسیار عمیق‌تر مورد کاوش قرار خواهد داد. آن‌ها امیدوار هستند تا سرعت انبساط جهان را با دقت کافی اندازه‌گیری کنند تا مطمئن شوند آیا عناصر بنیادین بیگانه در کار هستند یا نه.

وندی فریدمن

وندی فریدمن، اخترشناس در دانشگاه شیکاگو، اندازه‌گیری‌های بیش از پیش دقیق از سرعت انبساط کیهان انجام داده است.

درهمین‌حال، تصویر زمینه ژرف هابل داستانی شگفت‌انگیز از تکامل کهکشان روایت کرد که دانش بشر را از تاریخ کیهان به‌طرز چشمگیر افزایش داد. بااین‌حال، خوانش یکی دو فصل اول و بسیار مهم داستان برعهده جیمز وب خواهد بود.

مارسیا ریکه، استاد کهنه‌کار دانشگاه آریزونا که به‌عنوان یکی از پیشگامان اخترشناسی فروسرخ شناخته می‌شود، در ۲۰ سال گذشته مشغول نظارت بر طراحی و ساخت دوربین فروسرخ نزدیک (NIRCam)، یکی از چهار ابزار اصلی جیمز وب بوده است. او و تیمش در آریزونا درحال برنامه‌ریزی برای استفاده از تقریبا ۹۰۰ ساعت زمان رصد تضمین‌شده‌شان با تلسکوپ هستند تا یک بررسی میدانی ژرف دیگر انجام دهند و عمیق‌تر از همیشه به گذشته نگاه بیندازند. درحالی‌که هابل می‌تواند لکه‌های کم‌نور کهکشان‌ها را در انتقال به سرخ ۱۰ یا ۵۰۰ میلیون سال پس از بیگ‌بنگ مشاهده کند، جیمز وب باید بتواند آن لکه‌ها را بسیار واضح‌تر ببیند و کهکشان‌های جدیدی را کشف کند که بسیار قبل‌تر، شاید تا ۵۰ یا ۱۰۰ میلیون سال پس از بیگ‌بنگ جوانه زدند.

ریکه و تیمش تصویری بهتر از زمینه ژرف هابل خلق خواهند کرد. آن‌ها پس از استفاده از دوربین فروسرخ نزدیک برای دریافت تصویر از بخش تاریک آسمان، کهکشان‌هایی را که در دوردست‌ترین نقاط این قسمت واقع شده‌اند، شناسایی خواهند کرد. تیم ریکه همچنین برای اندازه‌گیری طیف کهکشان‌ها، طیف‌سنج فروسرخ نزدیک جیمز وب (NIRSpec) را به‌کار خواهد گرفت و از این طریق، قادر به فهمیدن ترکیبات شیمیایی آن‌ها خواهد شد. ناگفته نماند که هابل از طیف‌سنج برخوردار نیست.

طیف‌سنجی نشان خواهد داد که کدام عناصر جدول تناوبی در هر پیش‌کهکشان وجود داشت و چگونه این عناصر درطول زمان تکامل یافتند. داستان پذیرفته‌شده این است که ابرهای گاز، ستارگان و کهکشان‌های اولیه عمدتا از هیدروژن تشکیل شده بودند و ابرنواخترها و دیگر رویدادهای انفجاری به تدریج عناصر سنگین را شکل دادند. ریکه می‌گوید «اما چیزهای عجیبی وجود دارد. نزدیک به مرزی که هابل می‌تواند به آن برسد، اختروش‌ها (مراکز فوق درخشان کهکشان‌ها که از سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم پدید آمده‌اند) وجود دارند و به‌نظر می‌آید آن‌ها تقریبا از همان عناصر خورشید برخوردار هستند. باور این همانندی عناصر سخت است؛ درنتیجه چیزی وجود دارد که زودتر اتفاق می‌افتد و ما نمی‌توانیم آن را به خوبی درک کنیم.»

تلسکوپ فضایی هابل برفراز زمین

تلسکوپ فضایی هابل در مدار نزدیک زمین قرار دارد و برای ملاقات با شاتل فضایی به اندازه کافی نزدیک است. این تصویر پس از چهارمین مأموریت سرویس‌دهی به هابل در سال ۲۰۰۲ گرفته شد. پنجمین و آخرین مأموریت در سال ۲۰۰۹ اتفاق افتاد.

به تعداد اخترشناسان، اخترفیزیکدانان و کیهان‌شناسان، دلایل برای تمایل به دیدن نخستین ستاره‌ها و کهکشان‌ها وجود دارد. برای ریسا وکسلر، کیهان‌شناس در دانشگاه استنفورد، دیدن آن اجرام اولیه راهی برای تماشای محصول ماده تاریک است. او و همکارانش از پیش‌کهکشان‌ها استفاده خواهند کرد تا به توزیع اندازه هاله‌های ماده تاریکی که باید در جهان اولیه وجود داشته باشد و زمان تشکیل آن‌ها پی ببرند. این دانش می‌تواند نشان دهد که آیا ماده تاریک سرد است؛ یعنی از ذرات کم‌سرعت ساخته شده یا گرم است؛ زیرا ذراتی که به اطراف می‌چرخند، برای انباشته‌شدن درون هاله‌ها به زمان بیشتری نیاز دارند. این بررسی دمایی سرنخی مهم برای درک ماهیت ماده تاریک خواهد بود.

دیگر پژوهشگران می‌خواهند نخستین ستارگان را درک کنند. به باور برخی از آن‌ها، جیمز وب «ستارگان جمعیت سه» را رصد خواهد کرد؛ هیولاهایی اولیه که فرض می‌شود تقریبا ۱۰ هزار برابر سنگین‌تر از خورشید ما بوده‌اند. چنین ستارگانی به حل یک راز بزرگ دیگر درباره تشکیل کهکشان کمک خواهند کرد: سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم چگونه از مراکز کهکشان‌ها سر درآوردند. این نوع فروچاله‌های گرانشی، ازنظر فیزیکی کوچک اما فوق‌العاده قدرتمند هستند و می‌توانند میلیون‌ها برابر خورشید ما وزن داشته باشند. هیچ‌کس نمی‌داند سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم چگونه چنین سنگین شدند یا چه زمانی یا چرا خصوصیات آن‌ها با خصوصیات کهکشان‌های میزبانشان همبسته شد. یک نظریه این است که ستارگان جمعیت سه منشأ سیاه‌چاله‌ها هستند؛ اما میلیون‌ها نظریه دیگر وجود دارد. جیمز وب به‌دنبال آثار دیگر سناریوها خواهد گشت.

نظریه‌پردازان احتمالات بسیاری را برای چگونگی ظهور ساختارها در جهان جوان شبیه‌سازی کرده‌اند. اما آن‌ها نمی‌توانند کارشان را به‌سادگی با تابش زمینه کیهانی آغاز کنند و برای دیدن آنچه اتفاق افتاده است، آن تصویر را روی رایانه به سمت جلو تکامل دهند. پیتر بهروزی، همکار نظریه‌پردار ریکه در آریزونا که تشکیل ستارگان و کهکشان‌ها را شبیه‌سازی می‌کند، می‌گوید «بسیاری از شرایط اولیه به خوبی درک نشده است؛ چیزهایی نظیر میدان مغناطیسی و اینکه آنجا چقدر تلاطم در گاز وجود دارد. رسیدن از نقطه‌ای بی‌نهایت متراکم در تابش زمینه کیهانی به ابر گاز ریزی که از نظر گرانشی منقبض می‌شود و تشکیل ستاره می‌دهد، تلاش زیادی می‌طلبد.»

بهروزی در ادامه می‌گوید «اغلب اوقات آنچه پژوهشگران انجام می‌دهند، صرف‌نظر کردن است. آن‌ها با ابر کروی گازی شروع می‌کنند و از توزیع اندازه توده ماده تاریک اطلاع ندارند؛ درنتیجه حدس می‌زنند. آن‌ها درباره میدان مغناطیسی نمی‌دانند. آن‌ها هیچ‌چیز درباره چرخش یا تلاطم گاز نمی‌دانند؛ درنتیجه تمام این جاهای خالی را با حدسیات پر می‌کنند.»

پژوهشگران در تلاش هستند تا پیش از آنکه جیمز وب چگونگی تشکیل ستارگان و کهکشان‌ها را نشان دهد، پیش‌بینی‌هایشان را به‌طور رسمی ثبت کنند؛ از این‌رو کار حدسی به‌تازگی میان آن‌ها سرعت گرفته است. حتی حدس‌های محافظه‌کارانه نیز می‌توانند شبیه‌سازی‌هایی با نتایج بسیار متفاوت ایجاد کنند. بهروزی گفت «نتیجه اصلی پژوهش من این است که حتی اگر تلاش کنید حدسی منطقی بزنید، هنوز هیچ سرنخی نداریم که جیمز وب چه خواهد دید.»

سیاره‌های پل

ناتاشا باتالها، دومین فرزند ناتالی باتالها، ۱۸ ساله بود که برای تماشای پرتاب تلسکوپ کپلر به فلوریدا رفت. او آن زمان به همراه خواهر کوچک‌ترش به اتاق تماشایی رفته بود که تیم علمی ناسا در آن حضور داشت. او به کوانتا مگزین گفت «درجریان پرتاب، اضطرابی که در آن فضا وجود داشت، ترسناک بود.» پس از پرتاب، صحنه دلهره به شادی تبدیل شد. برای او دیدن اینکه یک تیم، کاری به این بزرگی انجام می‌دهد، الهام‌بخش بود.

ناتاشا در دوران نوجوانی، کتاب زندگی‌نامه سالی راید را خواند. سپس او مانند مادرش که از راید الهام گرفته بود، تصمیم گرفت یا اخترشناس یا فضانورد شود. ناتاشا آرزو داشت که نخستین انسان روی مریخ باشد. پس از پرتاب کپلر و کشف هرچه بیشتر سیاره‌های فراخورشیدی، او به احتمال حیات فرازمینی و چگونگی پی‌بردن به وجود آن روی سیاره‌ها ازطریق مشاهدات تلسکوپ از آسمان‌هایشان علاقه‌مند شد. ناتاشا در دو رشته اخترشناسی و اختززیست‌شناسی مدرک دکترا گرفت و سپس اندکی پس از پایان عمر کپلر و رفتن مادرش به سانتا کروز برای تدریس، در مرکز ایمز مشغول مطالعه جو سیاره‌های فراخورشیدی شد.

ناتاشا باتالها در سال ۲۰۰۱

ناتاشا باتالها در سال ۲۰۰۱، زمانی که کلاس چهارم بود.

ناتاشا باتالها اکنون بخشی از جامعه پژوهشی رو به رشدی محسوب می‌شود که هدف نهایی‌اش شناسایی «گازهای آثار زیستی» است؛ گازهایی در جو سیاره‌ها که فقط حیات می‌تواند عامل وجودشان درآنجا باشد. هر نوع مولکول، طول موج مخصوصی دارد که جذب می‌کند؛ درنتیجه با جمع‌آوری نور ساطع‌شده از ستاره وقتی سیاره درحال گذر از مقابل آن است و نیست و بررسی اینکه کدام طول موج‌های نور ستاره هنگام عبور سیاره بیشتر افت می‌کند، می‌توانید ببینید کدام مولکول‌ها در آسمان آن سیاره وجود دارند.

اکسیژن کاندیدایی بدیهی برای گاز اثر زیستی محسوب می‌شود. اما این عنصر چنان واکنش‌پذیر است که بعید است پیدا شود؛ مگر آنکه منبع اکسیژن سیاره، مثلا زیست‌کره‌ای که عمل فتوسنتز انجام می‌دهد، آن را به‌طور پیوسته تأمین کند. فتوسنتز چنان روشی ساده و کارآمد برای گرفتن انرژی است که به باور اخترزیست‌شناسان، احتمالا روی هر سیاره زنده‌ای تکامل می‌یابد؛ درنتیجه جستجوی اکسیژن هوشمندانه است.

بااین‌حال دیدن اکسیژن به‌خودی خود متقاعدکننده نخواهد بود. شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای نشان می‌دهد که اکسیژن تحت برخی شرایط می‌تواند آسمان سیاره‌های بی‌جان را پر کند. هایدی همل، دانشمند سیاره‌ای، مشکل را نبود هیچ گازی با اثر زیستی می‌داند. او می‌گوید «متان روی زمین را عمدتا گاوها تولید می‌کنند؛ اما اگر به نپتون نگاه کنید، می‌توانید حجم بالای متان را درحالی ببینید که توسط گاوها تولید نشده است.»

ترکیبی ویژه از گازها، اثر زیستی بهتری است. همل افزود «قرار نیست یک گاز [اثر زیستی] باشد. باید ترکیبی از گازها در وضعی باشند که از عدم توازن در آن‌ها حکایت کند. آن‌ها نمی‌توانند این گونه طبیعی شکل بگیرند.»

دیدن آسمان های بیگانه

منبع: کوانتا مگزین. ترجمه از زومیت.

تلسکوپ‌های کنونی هم‌اکنون اثر انگشت‌های مولکولی را در آسمان مشتری‌های داغ پیدا کرده‌اند؛ اما این اجرام سیاره‌هایی بی‌جان هستند. شناسایی سیگنال‌های ضعیف‌تر از آسمان سیاره‌های سنگی احتمالا سکونت‌پذیر، فقط از عهده جیمز وب برمی‌آید. این تلسکوپ نه‌تنها تقریبا صد برابر هابل قدرت تفکیک خواهد داشت، بلکه سیاره‌های فراخورشیدی دورتر را دربرابر پس‌زمینه ستارگان میزبانشان واضح‌تر خواهد دید؛ زیرا سیاره‌ها درمقایسه با ستارگان، نور فروسرخ بیشتری ساطع می‌کنند. از همه مهم‌تر، دید جیمز وب از سیاره‌های فراخورشیدی به واسطه ابرها محدود نخواهد شد؛ درحالی‌که وجود ابر معمولا مانع از آن می‌شود که تلسکوپ‌های نوری، متراکم‌ترین و کم‌ارتفاع‌ترین لایه‌های جو را ببینند. باتالها می‌گوید «تصور کنید در هواپیما هستید و به لایه ابر زیر پا نگاه می‌کنید؛ اما نمی‌توانید اصلا سطح [زمین] را ببینید. وقتی به نور فروسرخ نگاه کنید، می‌توانید به‌طور ناگهانی از میان لایه ابر ببینید.»

سیاره‌های فراخورشیدی ازجمله اهداف دور اول مشاهدات تلسکوپ فضایی جیمز هستند. این مرحله که «چرخه یک» نام دارد، به‌محض تکمیل استقرار و راه‌اندازی تلسکوپ (تقریبا ۶ ماه پس از پرتاب) آغاز خواهد شد. جامعه سیاره فراخورشیدی، رهبری مطالعات طیف‌سنجی گذر سه غول گازی را به‌عنوان بخشی از این مشاهدات اولیه برعهده ناتالی باتالها قرار داده است.

جیمز وب نه‌تنها تقریبا صد برابر هابل قدرت تفکیک خواهد داشت، بلکه سیاره‌های فراخورشیدی دورتر را دربرابر پس‌زمینه ستارگان میزبانشان واضح‌تر خواهد دید

چرخه یک همچنین شامل مشاهدات برای گروه‌های خاصی از اخترشناسان است. سال گذشته، بیش از دو هزار گروه طرح‌های پیشنهادی برای استفاده از جیمز وب در چرخه اول ارائه دادند و کمیته تخصیص زمان، ۲۶۶ طرح را انتخاب کرد. ده‌ها مورد از این برنامه‌ها، به سیاره‌ها نگاه خواهند کرد. درحال‌حاضر چندین جهان فراخورشیدی انتخاب شده‌اند که جیمز وب از طرف ناظران مختلف چشم خود را به آن‌ها خواهد دوخت: کپلر ۱۶بی که به دور دو ستاره می‌چرخد؛ جهان گدازه‌ای ۵۵ کنکری ایی و هفت سیاره سنگی منظومه ستاره‌ای نزدیک تراپیست ۱.

از بین سیاره‌هایی که جیمز وب در چرخه اول به آن‌ها نگاه خواهد کرد، سه سیاره منظومه تراپیست که در کمربند حیات ستاره‌شان می‌چرخند، احتمالا بهترین موقعیت را برای برخورداری از گازهای قابل تشخیص آثار زیستی دارند. بااین‌حال اینکه آیا جیمز وب شانس واقعی برای شناسایی گازهای اثر زیستی دارد یا نه، بحث‌برانگیز است. باتالها می‌گوید «اغلب بحث بر سر تشخیص اکسیژن مطرح می‌شود. اکسیژن یک طول موج فروسرخ را در محدوده حساسیت جیمز وب جذب می‌کند؛ درنتیجه ازنظر تئوری سیاره درحال گذر غنی از اکسیژن می‌تواند در طیف نور ستاره‌اش در آن طول موج، افت چشمگیر به‌وجود آورد. بااین‌حال این طول موج در مرز جایی است که آشکارساز حساسیت خود را از دست می‌دهد.» دیگر انواع و ترکیبات گازها را راحت‌تر می‌توان تشخیص داد؛ اما نسبت‌دادن قطعی آن‌ها به حیات احتمالا سخت‌تر است.

ناتالی و ناتاشا باتالها

ناتالی (چپ) و ناتاشا باتالها در محوطه اطراف رصدخانه لیک در کالیفرنیا.

جیمز وب ممکن است صرفا سیاره‌های احتمالا زنده را شناسایی کند. آنگاه بررسی نزدیک‌تر آن‌ها برعهده تلسکوپ‌های فضایی آتی خواهد بود. اخترشناسان اکنون مشغول برنامه‌ریزی برای آن‌ها هستند. تلسکوپ فضایی نانسی گریس رومن ناسا که قرار است در دهه جاری پرتاب شود، عمدتا برای مطالعه انرژی تاریک طراحی شده است. سیاره‌های فراخورشیدی زمین‌مانند در میدان دید تلسکوپ مفهومی آتی ناسا با نام موقت لاوکس خواهند بود. لاوکس تلسکوپی فرابنفش، نوری و فروسرخ است که اگر کنگره بودجه آن را تأمین کند، در میانه دهه ۲۰۴۰ پرتاب خواهد شد. آنچه در آن زمان به آن نگاه خواهیم کرد، بستگی به چیزهایی دارد که در چند سال آینده می‌آموزیم.

صبح یک روز بهاری، ناتاشا باتالها با پیامی از یوهانا تسکه، اخترشناس همکار خود بیدار شد: «به‌دستش آوردیم.» ۲۶۶ برنامه چرخه اول به‌تازگی اعلام شده بود و طرح پیشنهادی باتالها به مدیریت او و معاونت تسکه به فهرست راه یافت.

برنامه باتالها و تسکه گسترده‌ترین کارزار از بین تمام کارزارهای سیاره فراخورشیدی در چرخه اول خواهد بود: ۱۴۲ ساعت بررسی ابرزمین‌ها و زیرنپتون‌ها، «سیاره‌های پل» فراگیری که منظومه شمسی ما آن‌ها را ندارد و ترکیبات، سکونت‌پذیری و تاریخچه تشکیلشان نامعلوم است. با فرض اینکه درطول چند ماه آینده، همه چیز به درستی گشوده شود و تلسکوپ فضایی جیمز وب کانون خود را پیدا کند، از طرف باتالها و تیمش به ۱۱ سیاره پل نگاه خواهد کرد.

منبع quantamagazine
  دیدگاه
کاراکتر باقی مانده