راز تصاویر شفاف؛ تلسکوپ‌های فضایی چگونه روی اهداف خود فوکوس می‌کنند؟

خلاصه مقاله:

• تلسکوپ‌های فضایی بر خلاف چشم انسان، نیازی به تغییر فوکوس براساس فاصله هدف ندارند. از نظر قوانین نوری، تمامی اجرام آسمانی، از سیاره‌های منظومه شمسی تا کهکشان‌های دوردست، در «فاصله بی‌نهایت» قرار دارند. بنابراین با یک‌بار تنظیم آینه‌ها، تمام اجرام میدان دید هم‌زمان در فوکوس خواهند بود.
• بااین‌حال، حفظ همین فوکوس در فضا چالش‌برانگیز است. ارتعاشات قطعات متحرک، تغییرات دمایی و برخورد ریزشهاب‌واره‌ها می‌توانند ساختار نوری را به‌هم بزنند. به همین دلیل، عملگرهای هوشمند پشت آینه‌ها پیوسته این خطاهای نانومتری را خنثی می‌کنند تا تصویر تار نشود.
• برای نمونه، تلسکوپ جیمز وب در ابتدا ۱۸ تصویر پراکنده از یک ستاره ثبت می‌کرد. مهندسان با تنظیم دقیق عملگرها و تکنیک‌های سنجش جبهه‌موج، این ۱۸ قطعه مجزا را هم‌فاز کردند تا دقیقاً مانند یک آینه‌ی غول‌پیکر و یکپارچه عمل کنند.
• امروزه با الگوریتم‌های پیشرفته، بررسی فوکوس تلسکوپ هر ۴۸ ساعت یک‌بار و در کوتاه‌ترین زمان انجام می‌شود. این سرعت عمل باعث شده بیش از ۸۵ درصد از زمان جیمز وب، بدون هدررفت برای تنظیمات دستی، صرف ثبت تصاویر شفاف و رصدهای علمی شود.

در عصر تلسکوپ‌های فضایی، دیگر به عکس‌های واضح و شفاف عادت کرده‌ایم که در آن‌ها همه‌چیز به‌طور دقیق در فوکوس قرار دارد؛ تصاویری که تقریباً به بیشترین وضوح نظری ممکن، با توجه به طول موج نور مورد مشاهده و قطر آینه اصلی تلسکوپ می‌رسند.

به‌لطف هابل و بعداً دیگر تلسکوپ‌های فضایی مانند اسپیتزر، گلکس، هرشل و اکنون جیمز وب که فراتر از جو زمین و اثرات مختل‌کننده آن قرار دارند، می‌توانیم سامانه‌های نوری خود را در خلأ فضا تا حد ممکن بهینه کنیم تا به تصاویری ایدئال برسیم. البته برای این کار باید، تلسکوپ را پایدار نگه داریم، به‌درستی در جهت هدف قرار دهیم و فوکوس آن را به‌نحو صحیح حفظ کنیم؛ حتی در حالی که تلسکوپ حرکت می‌کند، می‌چرخد و با عوامل بیرونی مانند تابش خورشید مواجه است.

اما اپراتورها چگونه باید تلسکوپ‌ها را درحالی‌که با وجود ارتعاشات مختلف در فضا حرکت می‌کنند، به سمت اهداف نشانه بگیرند، از بین بی‌شمار اجرام موجود در میدان دید، روی هدف مورد نظر فوکوس کنند و فوکوس را درطول فرآیند رصد از دست ندهند؟

ما معمولاً تصور می‌کنیم فوکوس‌کردن برای اجرام در فاصله‌های مختلف، به تنظیمات متفاوتی نیاز دارد؛ اما برای تلسکوپ‌های فضایی، این موضوع کمترین نگرانی محسوب می‌شود و دلیلش را در ادامه شرح می‌دهیم.

هرگاه یک آینه یا عدسی داشته باشید (دو مورد از مهم‌ترین و اساسی‌ترین سازوکارهای فوکوس در تلسکوپ‌ها)، آن آینه یا عدسی شکل فیزیکی مشخصی دارد و همین شکل، خصوصیتی به نام «فاصله کانونی» را تعیین می‌کند. فاصله کانونی معیاری از این است که آینه یا عدسی با چه سرعتی نور را به سمت نقطه کانونی همگرا می‌کند؛ یعنی در تلسکوپ، نور را به یک نقطه می‌رساند.

چشم ما نیز که مانند عدسی طبیعی عمل می‌کند، بسته به اینکه به جرمی نزدیک نگاه کنیم یا جرمی دور، شکل عدسی خود را تغییر می‌دهد. وقتی به اجرام نزدیک خیره می‌شویم، برای همگراکردن نور و رساندن آن به یک نقطه روی شبکیه، به قدرت فوکوس بیشتری نیاز داریم؛ اما برای اجرام دوردست، قدرت فوکوس کمتری لازم است.

برای چشم انسان، فاصله کانونی عدسی طبیعی حدود دو سانتی‌متر است؛ اما برای تلسکوپی فضایی مانند جیمز وب، این فاصله بسیار بزرگ است: ۱۳۱٫۴ متر. مجموعه آینه‌های جیمز وب نور را بسیار سریع همگرا می‌کنند و به همین دلیل، نور از لحظه‌ای که برای نخستین بار به آینه اصلی برخورد می‌کند تا زمانی که به ابزارهای علمی می‌رسد، مسافتی نزدیک به این مقدار را نمی‌پیماید. بااین‌حال، آینه‌ها همیشه همان فاصله کانونی را دارند و شکلشان در پیکربندی ثابت، به‌طور قابل‌توجهی تغییر نمی‌کند.

دلیل اینکه لازم نیست شکل آینه تغییر کند، این است که حتی نزدیک‌ترین اجرامی که جیمز وب از آن‌ها تصویربرداری می‌کند (مثلاً اجرام واقع در منظومه شمسی مانند مشتری) میلیون‌ها کیلومتر از آن فاصله دارند. مشتری حتی در نزدیک‌ترین فاصله‌اش نیز حدود ۵۸۷ میلیون کیلومتر از جیمز وب دور است. از آنجایی که نسبت فاصله جرم تا فاصله کانونی بسیار بزرگ است (برای مقایسه با واحد یکسان، ۵۸۷ میلیون کیلومتر در برابر ۰٫۱۳۱۴ کیلومتر)، می‌توان مشتری و هر هدف دیگری را که جیمز وب قادر به تصویربرداری از آن است، عملاً در فاصله‌ی بی‌نهایت دور در نظر گرفت.

بااین‌حال، حفظ فوکوس دقیق آینه‌های جیمز وب یا آینه‌های هر تلسکوپ فضایی دیگر، در محیط فضا همچنان چالشی عظیم است. دلایل زیادی برای این مسئله وجود دارد، اما صرفاً تصور یک مثال می‌تواند نشان دهد چه اتفاقاتی ممکن است رخ دهد. یک رصد منفرد توسط جیمز وب را در نظر بگیرید که در آن تلسکوپ فوکوس‌شده، هدف جدیدی را پیدا می‌کند و چشم خود را به آن می‌دوزد.

وقتی تلسکوپ حرکت می‌کند (و برای تغییر هدفی که به سمت آن نشانه رفته است، ناچار به حرکت می‌شود)، اجزای داخلی آن نیز جابه‌جا و باعث ایجاد ارتعاش می‌شوند. با تغییر موقعیت و جهت تلسکوپ، اختلاف‌های دمایی در بخش‌های مختلف آن شکل می‌گیرد.

همچنین رویدادهای بسیار کوچک و جزئی، مانند برخورد ریزشهاب‌واره‌ها، گرم‌شدن نامتوازن، حرکت اجزای داخلی (مثلاً ماده خنک‌کننده ابزار فروخ میانی یا MIRI) و حتی عبور نور از ابزارهای داخلی تلسکوپ و جریان‌یافتن جریان‌های الکتریکی، همگی می‌توانند باعث تغییر شکل قطعات آینه، تغییر فشار واردشده بر عملگرهای پشت آینه‌ها و حتی جابه‌جایی قطعات مختلف نسبت به یکدیگر شوند.

بنابراین، سامانه‌های کاملی در تلسکوپ‌های فضایی وجود دارد که برای حفظ فوکوس، به حداقل‌رساندن و جبران این تغییرات بسیار کوچک و جلوگیری از جابه‌جایی میدان دید تلسکوپ در طول یک رصد طراحی شده‌اند.

هدف این است که تمام قطعات آینه تلسکوپ با یکدیگر به‌گونه‌ای عمل کنند که گویی یک آینه کامل و یکپارچه هستند؛ آینه‌ای که تمام نور دریافتی را که گویی از فاصله‌ای بی‌نهایت دور می‌آید، روی دیگر بخش‌های سامانه نوری متمرکز کند و در نهایت آن را به ابزارهای علمی برساند.

جیمز وب تلاش می‌کند ۱۸ قطعه آینه اصلی خود را مانند یک آینه فوکوس‌کننده‌ی واحد و یکپارچه با دقتی در حدود ۲۰ نانومتر به کار بگیرد؛ اما بخش دشوار ماجرا همین‌جاست: هم‌ترازی و حفظ فوکوس قطعات آینه اصلی.

وقتی جیمز وب برای نخستین بار به فضا پرتاب و مستقر شد، آینه‌های آن فوکوس نبودند. فرایند اولیه فوکوس به این شکل انجام شد:

• ابتدا هدفی واحد (یک ستاره مرجع یا رهیاب) انتخاب شد و تلسکوپ به سمت آن نشانه رفت.
• از آنجایی که ۱۸ قطعه آینه اصلی هنوز به‌درستی هم‌تراز نبودند، هر قطعه تصویر جداگانه‌ای از همان ستاره روی آشکارساز ایجاد می‌کرد. بنابراین ۱۸ تصویر از یک ستاره به دست آمد و مشخص شد هر تصویر مربوط به کدام قطعه آینه است.
• سپس موقعیت این ۱۸ تصویر نسبت به یکدیگر اصلاح شد تا تصاویر ستاره روی یکدیگر منطبق شوند. با این کار، قطعات آینه به‌صورت اولیه با یکدیگر هم‌تراز شدند.
• در نهایت، ۱۸ تصویر روی هم قرار گرفتند تا تصویری واحد و واضح از ستاره ایجاد شود.

داستان به همین‌جا ختم نمی‌شود؛ زیرا چهار مرحله‌ی توصیف‌شده تازه نخستین مرحله فوکوس‌کردن تلسکوپ فضایی جیمز وب بود.

تصور کنید فقط دو آینه دارید و می‌خواهید نور آن‌ها را به شکلی با یکدیگر ترکیب کنید که مانند تلسکوپی واحد عمل کنند. باید دو پرتو نور حاصل از این دو آینه را روی یکدیگر منطبق کنید تا نور منابع مختلف با یکدیگر تداخل کند.

در داخل تلسکوپ، یک دوربین جبهه‌موج وجود دارد که بررسی می‌کند آیا نور حاصل از دو آینه با یکدیگر هم‌تراز است یا نه. اگر نور‌ها هم‌تراز نباشند، یعنی آینه‌ها نیز هم‌تراز نیستند. سپس می‌توان جهت آینه‌ها را تغییر داد یا برای اصلاحات حساس‌تر، فشار واردشده بر مجموعه‌ای از عملگرها را که در پشت هر آینه قرار دارند تغییر داد تا هم‌ترازی بهتر شود. این فرایند بخش بسیار مهمی از مرحله راه‌اندازی جیمز وب بود. پس از هم‌فازی اولیه نیز مراحل متعددی برای اصلاح و دقیق‌تر کردن هم‌ترازی آینه‌ها انجام شد.

در پایان فرایند اصلاح یادشده که «هم‌فازی دقیق» نام دارد، خطاهای جبهه‌موج بسیار بسیار کوچک شدند. هرچند آینه‌های جیمز وب پس از هم‌ترازشدن، شکلی تقریباً بی‌نقص ایجاد می‌کنند و دقت این هم‌ترازی به حدود ۲۰ تا ۲۵ نانومتر می‌رسد، خطاهای جبهه‌موج همچنان اندکی بیشتر از این مقدارند؛ بااین‌حال، بسیار کمتر از چیزی هستند که در ابتدا انتظار می‌رفت. مشخصات طراحی جیمز وب، دستیابی به خطاهای جبهه‌موج در سطح ۱۵۰ نانومتر و حفظ آن را هدف‌گذاری کرده بود، اما خطای جبهه‌موج به‌دست‌آمده تنها حدود ۴۳ درصد این مقدار است؛ یعنی در سطح ۶۵ نانومتر.

بخشی از این خطا به کثیفی، گردوغبار و سایر ناخالصی‌هایی مربوط می‌شود که با وجود تمام تلاش‌ها برای تمیز نگه‌داشتن جیمز وب، روی آینه‌ها نشستند. استفاده از اتاق تمیزی که حتی از استانداردهای معمول نیز پاکیزه‌تر بود، به کمینه‌سازی این مشکل کمک کرد. بخشی دیگر نیز ناشی از نقص‌های بسیار کوچک و ناگزیر در آینه‌هاست؛ از جمله آسیب‌هایی که در اثر بمباران ریزشهاب‌واره‌ها در طول زمان ایجاد می‌شوند. خوشبختانه جیمز وب تاکنون با تعداد زیادی ریزشهاب‌واره بزرگ برخورد نکرده است، بنابراین آینه‌ها همچنان در وضعیت بسیار خوبی قرار دارند.

نتیجه نهایی، یعنی کاهش چشمگیر خطای جبهه‌موج حتی نسبت به مقداری که جیمز وب برای دستیابی به آن طراحی شده بود، یکی از دلایلی است که عملکرد نوری این تلسکوپ در رصدهای واقعی فراتر از انتظارات ظاهر شده است.

برای مثال، جیمز وب برای نشانه‌روی از رانشگرها استفاده نمی‌کند و در عوض به چرخ‌های واکنشی متکی است؛ اما همین چرخ‌ها نیز ارتعاش ایجاد می‌کنند. آرایه خورشیدی نیز که انرژی موردنیاز جیمز وب را تأمین می‌کند، با حرکت تدریجی خود برای حفظ بیشترین توان دریافتی تلسکوپ، باعث ایجاد ارتعاش می‌شود. این قطعات متحرک تا حد امکان از نظر فیزیکی از سامانه نوری تلسکوپ جدا شده‌اند، اما همچنان اثرات ارتعاشی ایجاد می‌کنند که می‌تواند موقعیت آینه‌ها را تغییر دهد. همچنین وقتی فلز، شیشه، سرامیک و سایر اجزا در معرض تغییرات دمایی قرار می‌گیرند، منبسط یا منقبض می‌شوند و در نتیجه تغییر شکل ایجاد می‌شود.

ترکیبی از نرم‌افزار، پایه‌های مکانیکی و عملگرهایی که در پشت هر قطعه آینه قرار دارند، همگی با همکاری یکدیگر این تغییرات را جبران می‌کنند و همچنین اطمینان می‌دهند که میدان دید تلسکوپ دچار جابه‌جایی نشود. بااین‌حال، حتی با وجود تمام این اقدامات، باز هم خطاهایی ایجاد خواهند شد و اگر کاری برای اصلاح آن‌ها انجام نشود، این خطاها به‌مرور روی هم انباشته و بزرگ‌تر می‌شوند.

به همین دلیل، تیم جیمز وب تقریباً هر ۴۸ ساعت یک‌بار خطای جبهه‌موج را بررسی می‌کند. در صورت نیاز، مراحل هم‌فازی اصلاح‌شده و دوباره دقیق‌تر انجام می‌شوند تا خطاها به حدی برسند که شرایط کنونی تجهیزات اجازه می‌دهد. علاوه بر دوربین داخلی نیرکم که خطای جبهه‌موج را پایش می‌کند، یک دوربین کوچک داخلی دیگر نیز وجود دارد که به سمت مجموعه آینه‌ها نشانه می‌رود. این دوربین به اخترشناسان اجازه می‌دهد از آینه‌های جیمز وب تصویربرداری و وضعیت آن‌ها را ارزیابی کنند. در واقع، در مراحل ابتدایی فعالیت جیمز وب، ریزشهاب‌واره‌ای نسبتاً بزرگ به یکی از آینه‌ها برخورد کرد و همین دوربین به تیم ماموریت امکان داد تا این برخورد را شناسایی و میزان آسیب را ارزیابی کنند.

بااین‌حال، دریافت زمان رصد در تلسکوپ‌های فضایی موجود، یکی از رقابتی‌ترین و پرتقاضاترین فعالیت‌ها در سراسر علم نجوم است. بنابراین فشار زیادی بر اپراتورهای تلسکوپ وجود دارد تا زمان کمتری را صرف کالیبره‌کردن و فوکوس تلسکوپ‌ها کنند تا رصدگران بتوانند زمان بیشتری را به انجام رصدهای علمی اختصاص دهند. زمانی که صرف فرایند تکرارشونده هم‌فازی و جبران ارتعاشات و تغییرات حرارتی ناشی از عملکرد عادی تلسکوپ می‌شود، به معنای زمان کمتر برای انجام پژوهش‌های علمی توسط رصدگران است.

به همین دلیل، آماری که مؤسسه علوم تلسکوپ فضایی (STScI) در نشست دویست‌وهـشتادوهشتم انجمن نجوم آمریکا در ژوئن ۲۰۲۶ ارائه کرد، بسیار چشمگیر است: از زمانی که جیمز وب فعالیت علمی خود را آغاز کرده، ۸۵ درصد زمان آن عملاً صرف اجرای برنامه‌های علمی شده است. این یعنی ۱۵ درصد از کل زمان تلسکوپ به فعالیت‌های دیگر اختصاص یافته است، از جمله:

• فوکوس و فوکوس دوباره تلسکوپ،
• انجام آزمایش‌ها و عیب‌یابی‌های داخلی،
• تغییر اهداف، حرکت ‌دادن و نشانه‌روی تلسکوپ،
• یافتن ستاره‌های رهیاب و قفل‌شدن روی آن‌ها (که به شکل چشمگیری به تنها حدود دو درصد از کل زمان کاهش یافته است)،
• و تنظیم آینه‌ها با استفاده از عملگرها.

پژوهشگران با استفاده از رویکرد ریاضی برای بهینه‌سازی، توانستند محاسبات لازم برای تعیین نحوه تنظیم آینه‌های جیمز وب را بسیار ساده‌تر و سریع‌تر کنند. در نتیجه، زمان پردازش، مصرف حافظه و انرژی موردنیاز برای حفظ فوکوس تلسکوپ به‌شدت کاهش یافت.

هرچه زمان بیشتری در فرایند فوکوس‌کردن تلسکوپ و حفظ فوکوس آن صرفه‌جویی شود، زمان بیشتری برای انجام پژوهش‌های علمی، شناخت جهان و به سرانجام رساندن برنامه‌های پژوهشی اخترشناسان وجود خواهد داشت. این کار همچنین زمان بیشتری برای بررسی اهداف فرصت‌طلبانه در اختیار می‌گذارد؛ اهدافی که زمانی پدیدار می‌شوند که یک سیگنال گذرا به‌طور غیرمنتظره ظاهر شود. اگر تلسکوپ زمان آزاد داشته باشد، می‌تواند آن هدف را پیگیری کند و در کوتاه‌ترین زمان ممکن مشاهدات را انجام دهد.

اما در مورد تلسکوپ‌های فضایی، به‌ویژه نمونه‌هایی مانند جیمز وب که اجرام بسیار دورتر از فاصله کانونی خود را رصد می‌کند، لازم نیست نگران این باشیم که پیش از هر رصد، متناسب با فاصله جرم هدف، تلسکوپ را دوباره فوکوس کنیم.

بی‌نیازی از تغییر پیکربندی آینه‌ها، پیامدی بسیار کاربردی دارد: ما می‌توانیم با جیمز وب از هر جرمی در جهان که می‌خواهیم تصویربرداری کنیم و هر جرم دیگری نیز که در همان میدان دید قرار داشته باشد، هم‌زمان به‌طور کامل در فوکوس خواهد بود. فرقی نمی‌کند در حال مشاهده چه چیزی هستیم؛ سیاره، ستاره، کهکشان، جرمی بسیار دور در پشت خوشه‌‌های عظیم کهکشانی که نورش دراثر همگرایی گرانشی خم شده یا حتی تمام آن‌ها به‌طور هم‌زمان در یک میدان دید؛ همگی واضح و در فوکوس خواهند بود، به شرط آنکه سامانه نوری تلسکوپ به‌درستی هم‌تراز و فوکوس شده باشد.

هرچه روش‌های حفظ و تثبیت فوکوس تلسکوپ را بهتر و بهینه‌تر کنیم، زمان بیشتری برای کاری خواهیم داشت که مهم‌ترین هدف تلسکوپ‌های فضایی است: انجام پژوهش‌هایی که به ما نشان می‌دهند جهان چگونه است، چه چیزهایی در آن وجود دارد، چگونه شکل گرفته و در گذشته‌های دور، تا آنجا که توان مشاهده‌اش را داریم، چه شکلی بوده است.