طرز کار تلسکوپ فضایی جیمز وب
قوی‌ترین تلسکوپی که ما انسان‌ها تونستیم بسازیم،
هجدهم دسامبر 2021 قراره پرتاب بشه،
می‌خواد بشه چشم جدید ما برای دیدن عجایب این دنیا!
توی این ویدیو، که خیلی از شما پیشنهاد داده بودید،
زیر و بم این تلسکوپ رو درمیاریم ببینیم که چطور ساخته شده،
چه ویژگی‌هایی داره، چه امکاناتی داره، چرا ادعا میشه که قراره دانش ما
از جهان هستی رو متحول کنه، همون کاری که تلسکوپ هابل کرد.
پس تا آخر این ویدیو با من باشید.
پروژه‌ای که نتیجه‌ش شد تلسکوپ فضایی جیمز وب، تقریبا از سال 1990 شروع شد.
یعنی همون زمانی که هابل کارش رو شروع کرد، دانشمندان شروع به معرفی
یه جانشین برای هابل کردن که ویژگی‌های خیلی بهتری داشته باشه.
اسم این پروژه رو گذاشته بودن تلسکوپ فضایی نسل بعد یا NGST.
تا 1997، ناسا تخمین زد که این پروژه، 500 میلیون دلاره هزینه لازم داره،
تقریبا ده سال هم طول می‌کشه تا کامل بشه، یعنی اولین تاریخی
که برای پرتابش در نظر گرفته بودن سال 2007 بود.
سال 2002 به افتخار جیمز وب (James Webb)
یکی از مدیران ناسا تو دهه‌ی 60 میلادی، اسم پروژه رو گذاشتن تلسکوپ
فضایی جیمز وب یا JWST (James Webb Space Telescope).
اما این پروژه فقط مربوط به ناسا نیست، در اصل یه کار مشترکه
بین ناسا و آژانس فضایی اروپا و آژانس فضایی کانادا،
هرکدوم از اینا یه بخشی از کار رو به عهده گرفتن.
تا الان تقریبا 14 سال تاریخ پرتابش عقب افتاده که باعث شده که
هزینه‌هاش هم خیلی بیشتر از اون چیزی بشه که قبلا پیش‌بینی شده بود.
الان این تلسکوپ با کشتی منتقل شده به گویان فرانسه (Guyane)
که یه منطقه‌ی کوچیک تو آمریکای جنوبیه که تحت حاکمیت فرانسه‌ست.
اونجا قراره با موشک آریان 5 (Ariane 5)
ساخت سازمان فضایی اروپا به فضا پرتاب بشه.
محل قرار گرفتن این تلسکوپ تو فضا، یکی از نقاط لاگرانژی زمین و خورشیده
به نام نقطه‌ی L2 که تقریبا 1.5 میلیون کیلومتر از زمین فاصله داره.
نقاط لاگرانژی نقاطی هستن که وقتی یه جسم نسبتا کم‌جرم اونجا قرار میگیره،
نیروی جاذبه‌ای که از طرف خورشید بهش وارد میشه، با نیروی جاذبه‌ای
از طرف زمین بهش وارد میشه، همدیگه رو خنثی می‌کنن.
تلسکوپ ما دور این نقطه‌ی لاگرانژی L2 می‌چرخه.
کلا بین هر دو تا جسم بزرگ تو فضا ۵ تا نقطه‌ی لاگرانژی وجود داره
که با فرمول‌های دقیق میشه جاشون رو مشخص کرد.
اما قبل از اینکه ادامه بدم واجبه که یه معرفی کوتاه از امواج الکترومغناطیس بگم
تا اون دوستانی که اطلاع کافی ازش ندارن بهتر متوجه موضوع بشن.
پرتوهای الکترومغناطیسی، از یه میدان الکتریکی و
یه میدان مغناطیسی تشکیل شدن که به همدیگه عمودن.
هرچقدر فرکانس این امواج بیشتر باشه، انرژی‌شون بیشتره.
فرکانس به طور ساده یعنی تعداد بالا پایین شدن یه موج توی یک ثانیه.
پس هرچی توی یه ثانیه بیشتر بالا پایین بره، فرکانسش بیشتره.
حالا ما اومدیم این امواج رو از کمترین فرکانس‌ها
تا بیشترین فرکانس‌ها دسته‌بندی کردیم، به هرکدوم یه اسمی دادیم.
کم‌فرکانس‌ترین امواج الکترومغناطیس رو میگیم امواج رادیویی.
رادیو، تلویزیون، ماهواره، موبایل، اینا همه از امواج رادیویی استفاده می‌کنن.
یه مقدار که فرکانسشون بیشتر باشه بهشون میگیم ریزموج یا microwave.
بعدش امواج فروسرخ هستن.
بعد از فروسرخ، همون نور مریی وجود داره که چشم ما می‌تونه ببینه.
پس تمام نورهایی که چشم ما می‌بینه دراصل
یه بخش خیلی کوچیکی از این امواج الکترومغناطیسیه.
بعد از نور مریی، امواج فرابنفش هست.
بعد از فرابنفش هم پرتوهای ایکس و پرتوهای گاماست که پرانرژی‌ترین امواج الکترومغناطیسی‌ان.
اون بخش نور مریی، باز خودش تقسیم میشه به رنگ‌های مختلف.
کم‌فرکانس‌ترین نور، نور قرمزه، پرفرکانس‌ترین نور هم نور بنفشه.
برای همین به امواجی که قبل از نور مریی هستن
میگن فروسرخ یا مادون قرمز، یعنی پایین‌تر از قرمز.
یا به امواجی که بعد از نور مریی هستن میگن فرابنفش یعنی بالاتر از بنفش.
ترکیب همه‌ی این رنگ‌ها با هم میشه نور سفید.
خب پس ما امواج الکترومغناطیس رو بر اساس فرکانسشون دسته‌بندی کردیم،
اما این امواج یه ویژگی دیگه هم دارن به نام طول موج.
فاصله‌ی بین دو تا قله‌ی پشت سر هم، یا دو تا دره‌ی پشت سر هم رو میگن طول موج.
این طول موج، با اون فرکانس، نسبت عکس داره.
هرچی فرکانس بیشتر باشه طول موج کوتاه‌تره.
یعنی مثلا پرتوهای گاما کوتاه‌ترین طول موج رو دارن.
برعکس، هرچی فرکانس کمتر باشه، طول موج بلندتره،
امواج رادیویی بلندترین طول موج رو دارن.
وقتی که یه موج الکترومغناطیسی، طول موج بلندتری داشته باشه،
موقع حرکت، کمتر به موانعی که سر راهش هست برخورد می‌کنه،
در نتیجه مسافت طولانی‌تری می‌تونه حرکت کنه.
به خاطر همینه که ما از امواج رادیویی برای تلویزیون و
ماهواره و موبایل و این چیزا استفاده می‌کنیم.
چون طول موج بلندتری دارن موقعی که تو هوا حرکت می‌کنن
کمتر به مولکول‌های هوا برخورد می‌کنن، کمتر از بین میرن.
خب این شد یه خلاصه‌ی کوتاه از امواج الکترومغناطیس، برگردیم سر بحث اصلیمون.
یکی از اصلی‌ترین ویژگی‌هایی که تلسکوپ جیمز وب داره اینه که ساخته شده تا از
امواج فروسرخ برای رصد ستاره‌ها و کهکشان‌ها استفاده کنه.
هر جسمی که گرم باشه از خودش امواج فروسرخ منتشر می‌کنه.
هرچی گرمتر باشه با شدت بیشتری این کار رو می‌کنه.
اما اجرامی که تو فضا هستن، همه نوع امواج الکترومغناطیس می‌تونن منتشر کنن،
هم فروسرخ هم مریی هم فرابنفش هم بقیه‌ی امواج.
هابل وقتی که روی یه نقطه تمرکز می‌کنه، امواج مریی و فرابنفش رو دریافت می‌کنه،
اما وب امواج فروسرخ رو دریافت می‌کنه با بقیه کاری نداره.
ولی چرا این تلسکوپ رو اینجوری ساختن؟
مگه امواج فروسرخ چه ویژگی‌هایی داره که این همه
هزینه کردن که یه تلسکوپ بسازن که فقط فروسرخ رو بتونه رصد کنه؟
چند تا دلیل داره. دلیل اول مربوط میشه به سحابی‌ها.
سحابی‌ها ابرهای خیلی بزرگی از گاز و گرد و غبار هستن که داخلشون
این گازها بر اثر جاذبه به هم فشرده میشن و ستاره‌های جدید رو تشکیل میدن.
پس هرچی بهتر بتونیم داخل این سحابی‌ها رو ببینیم
اطلاعات بیشتری می‌تونیم به دست بیاریم از مراحل تولد ستاره‌ها.
اما مساله اینجاست که هابل نمی‌تونه خیلی خوب داخل این سحابی‌ها رو ببینه.
دلیلش اینه که از نور مریی و فرابنفش استفاده می‌کنه
که وقتی که از فضای پر از گرد و غبار سحابی رد میشه، مقدار زیادیش از بین میره.
برای همین تلسکوپ وب از امواج فروسرخ استفاده می‌کنه
که طول موجش بلندتر از نور مریی و فرابنفشه.
این طول موج بلندتر، همونطور که گفتم، باعث میشه که
کمتر به موانعی که سر راهش هست برخورد کنه.
پس با این روش ما می‌تونیم داخل سحابی‌ها رو خیلی بهتر ببینیم.
مراحل تولد ستاره‌ها رو دقیق‌تر دنبال کنیم.
البته هابل هم یه دوربین فروسرخ جدید روش نصب شد اما خب توانش
هیچوقت به یه تلسکوپ که به طور کامل از فروسرخ استفاده کنه نمی‌رسه.
دلیل دوم مربوط میشه به موضوع انبساط جهان و اینکه اون اوایل که
تازه جهان به وجود اومده بوده، چه اتفاقاتی افتاده.
هابل یه تصویر معروف داره به نام میدان خیلی عمیق
هابل (Hubble eXtreme Deep Field = HXDF)
که نتیجه‌ی چند سال کار کردن این تلسکوپ روی یه نقطه‌ی خیلی خیلی ریز از فضاست.
با زوم کردن روی این نقطه، هابل تونست از یه تعداد خیلی زیادی کهکشان
عکس بگیره که میلیاردها سال نوری از ما فاصله داشتن.
این کهکشان‌ها قدیمی‌ترین کهکشان‌هایی هستن که تا حالا تونستیم ببینیم
یعنی مربوط میشن به دورانی که جهان تازه شکل گرفته بود.
به خاطر انبساط جهان، این کهکشان‌های اولیه دائما در حال دور شدن هستن.
تمام این نقطه‌های ریزی که تو این عکس می‌بینید
هرکدومشون یه کهکشان کامله که چند میلیون یا چند میلیارد ستاره داره!
این تصویر به اندازه‌ی خودش فوق‌العاده بود، اما مساله اینه که ما می‌خواستیم بدونیم که
وقتی که از این جلوتر بریم چه اتفاقی میوفته؟ اونجا چی می‌بینیم؟
قبلا در مورد یه اتفاقی به نام ردشیفت یا انتقال به سرخ (Red Shift)
صحبت کردم ولی باز یه خلاصه‌ای ازش می‌گم.
ستاره‌ها و کهکشان‌هایی که به خاطر انبساط جهان، از ما دور میشن،
نوری هم که از خودشون منتشر می‌کنن اصطلاحا کِش میاد.
یعنی طول موجش میره به سمت طول موج‌های بلندتر، به سمت طول موج نور قرمز.
برای همین به این اتفاق میگن رد شیفت.
مشکلی که این قضیه پیش میاره اینه که کهکشان‌هایی که
خیلی از ما دورن، نورشون خیلی دچار ردشیفت میشه،
اینقدر طول موجش بلند میشه که دیگه وارد محدوده‌ی امواج فروسرخ میشه.
دیگه با هابل نمی‌تونیم ببینیمشون، خارج از توانایی هابله.
اینجاست که تلسکوپ جیمز وب به کمک ما میاد.
حالا که ما ابزاری داریم که می‌تونه امواج فروسرخ رو با یه دقت خیلی بالایی رصد کنه،
می‌تونیم خیلی بیشتر پیش بریم و از اولین ستاره‌ها و کهکشان‌هایی که
بعد از بیگ‌بنگ تشکیل شدن عکس‌برداری کنیم.
می‌تونیم مراحل تشکیل کهکشان‌ها و تولد ستاره‌ها رو بهتر ببینیم.
دلیل سومی که تلسکوپ وب از امواج فروسرخ استفاده می‌کنه
مربوط میشه به سیاره‌هایی که دور ستاره‌های دیگه می‌چرخن.
ما برای اینکه بفهمیم رو سطح این سیاره‌ها چه موادی وجود داره،
از یه روشی استفاده می‌کنیم به نام طیف‌سنجی جذبی.
یعنی نوری که از این سیاره‌ها دریافت می‌کنیم رو تجزیه تحلیل می‌کنیم
تا بفهمیم چه مولکول‌هایی روی سطحشون وجود داره.
امواج فروسرخ نسبت به نور مریی و فرابنفش، بهتر می‌تونه این کارو انجام بده.
پس با وجود تلسکوپ وب، شناخت ما از سیاره‌های
خارج از منظومه‌ی شمسی هم خیلی بیشتر میشه.
یعنی از نظر جستجوی زندگی فرازمینی هم اهمیت زیادی داره.
درسته که استفاده از فروسرخ مزایای زیادی داره،
ولی خب چالش‌های بزرگی هم برای این تلسکوپ ایجاد کرد که یکی از دلایلی که
باعث شد پرتابش چند بار عقب بیفته، همین چالش‌ها بود.
تلسکوپ‌های فروسرخ برای اینکه بتونن بهترین عملکرد خودشون رو داشته باشن،
باید تو دمای خیلی پایین کار کنن، نزدیک به صفر مطلق.
دلیلش اینه که همونطور که گفتم، هر جسمی که گرم باشه،
یا دماش بالاتر از صفر مطلق باشه، از خودش امواج فروسرخ منتشر می‌کنه.
پس اگه تلسکوپ ما گرم باشه، پرتوهای فروسرخی که از بدنه‌ی خودش منتشر میشن،
با اون پرتوهای فروسرخی که از کهکشان‌های دوردست بهش میرسن، با هم تداخل پیدا می‌کنن.
دیگه نمی‌تونه دقت کافی داشته باشه، کارایی خودشو از دست میده.
پس تلسکوپ ما باید تا جایی که راه داره خنک بمونه.
برای حل این مشکل تو تلسکوپ‌های قبلی، از دستگاه‌های خنک‌کننده استفاده میشد.
مثلا تلسکوپ اسپیتزر (Spitzer) که سال 2003 پرتاب شد،
از هلیم مایع برای خنک شدن استفاده می‌کرد.
یا مثلا تلسکوپ WISE هم که سال 2009 پرتاب شد، از دستگاه خنک‌کننده استفاده می‌کرد.
اما مشکلی که این روش داره اینه که سیستم خنک‌کننده‌شون بعد از چند سال از کار میفته.
در نتیجه دماشون بالاتر میره، دیگه نمی‌تونن با یه دقت خوبی امواج فروسرخ رو رصد کنن.
از طرفی هم فاصله‌هاشون با زمین خیلی زیاده، نمیشه مثل هابل تعمیرشون کرد.
هابل اصلا از اول طوری ساخته شده که قابل تعمیر و ارتقا باشه ولی تلسکوپ وب
1.5 میلیون کیلومتر از زمین فاصله داره، یعنی تقریبا 2700 برابر از هابل دورتره.
نمی‌تونیم کسی رو بفرستیم اونجا که تعمیرش کنه.
راه‌حلی که به ذهن دانشمندان رسیده اینه که این تلسکوپ رو
طوری طراحی کردن که خودش خودشو خنک نگه میداره.
برای این کار از یه سپر خورشیدی استفاده شده که هم جلوی نور خورشید رو میگیره،
هم اون نوری که از زمین و ماه منتشر میشه.
این سپر از ۵ تا لایه تشکیل شده.
هر لایه، یه ورقه‌ی نازک از جنس پلی‌آمید هست که
یه طرفش رو با آلومینیوم پوشوندن، یه طرفش رو با سیلیکون.
بلندترین قسمت تلسکوپ هم همین سپره که طولش تقریبا 21 متره.
تلسکوپ طوری تو محل خودش قرار میگیره که سپرش همیشه به سمت خورشید باشه.
