ده پرسش و پاسخ عجیب در رابطه با بی نظیرترین ساخته دست بشر یعنی تلسکوپ جیمز وب

گروه علمی: تلسکوپ فضایی جیمز وب در اکتبر ۲۰۲۱ به فضا پرتاب شد و به عنوان یکی از شاهکارهای ساخته دست بشر به آغاز جهان خواهد نگریست. شاید ظاهر این تلسکوپ شما را به یاد Star Destroyers در استار وارز بیاندازد؛ تلسکوپی که تحولی در دانش ما در مورد فضا ایجاد خواهد کرد. در رابطه با این سازه، سوالات فراوانی مطرح است. در ادامه به برخی از مهمترین آنها خواهیم پرداخت.

1. تاکنون چه هزینه‌ای صرف پروژه تلسکوپ وب شده است؟
تاکنون ۱۰ میلیارد دلار برای طراحی و ساخت این پروژه صرف شده است.
 
2. تلسکوپ فضایی جیمز وب چگونه راه هابل را ادامه خواهد داد؟
هابل در طول سی سال عمر شگفت انگیز خود داده‌هایی بی نظیر را به دست آورد. با این حال، سوالاتی وجود دارد که پاسخ به آن‌ها نیازمند استفاده از دستگاهی پیشرفته‌تر است.

به عبارت دیگر، هابل سوالاتی را ایجاد کرد که جیمز وب پاسخ آن‌ها را به دست خواهد آورد. هابل به دلیل اندازه آینه اولیه و طول موجی که رصد می‌کند، نمی‌تواند برای این سوالات پاسخی بیابد. به عنوان مثال، داده‌های به دست آمده از هابل نشان داد که برای پاسخ به سوالات خود، باید به کهکشان‌های اولیه بنگریم و برای این کار، به تلکسوپ فروسرخ نیاز خواهیم داشت.
هابل، خود راه و سوی ساخت جانشین خود را تعیین کرده است.
 
3. آیا تلسکوپ فضایی جیمز وب گذشته و کهکشان‌های اولیه را رصد خواهد کرد؟
بله. با توجه به سرعت محدود نور و ابعاد بسیار وسیع فضا، نور ساطع شده از کهکشان‌های نخستین، راه بسیار زیادی را طی می‌کند تا نهایتا به ما برسد. جیمز وب به ما امکان می‌دهد تا به گذشته بنگریم، به زمانی که جهان هنوز جوان بود. گرچه این کهکشان‌ها فاصله بسیار زیادی از ما دارند، اما هنگامی که آن‌ها را رصد می‌کنیم، هنوز جوان هستند و نور ساطع شده از آن‌ها به سبب انبساط جهان هستی، به سمت طول موج های سرخ متمایل شده و اصطلاحا Redshift شده‌اند.
به عبارت دیگر، نوری که از کهکشان‌های جوان ساطع شد، نور مرئی یا فرابنفش بوده است؛ اما انبساط جهان باعث افزایش طول موج و انتقال آن به فروسرخ شده است. به همین دلیل است که JWST طول موج های فروسرخ را رصد می‌کند.
مهندسان در حال تمیز کردن یکی از آینه‌های آزمایشی تلسکوپ با کربن دی اکسید جامد. این تکنیک باعث می‌شود تا سطح ظریف آینه‌ها دچار خط و خراش نشود.
 
4. آیا می‌توان به گذشته‌ای دورتر نگریست؟ آیا JWST می‌تواند بیگ بنگ را رصد کند؟
هابل به ما امکان می‌دهد تا برخی کهکشان‌های جوان را در زمانی که جهان ۵۰۰ میلیون سال عمر داشت، رصد کنیم. علاوه بر این، آزمایش‌های تابش زمینه مانند WMAP یا ماموریت پلانک نیز می‌تواند تابش زمینه کیهانی را شناسایی کند که مربوط به ۳۰۰۰۰۰ سالگی جهان هستی است.

بنابراین فاصله زمانی بین سیصد هزار سال و ۵۰۰ میلیون سال است که برای ما در هاله‌ای از ابهام قرار دارد. تلسکوپ فضایی جیمز وب ساخته شده است تا به همین فاصله زمانی بنگرد. سوال این است که کهکشان‌های اولیه چه زمانی تشکیل شدند؟
 
5. چگونه می‌توان تلسکوپی ساخت که جواب این سوالات را در اختیار ما قرار دهد؟
اول از همه، باید طول موجی که تلسکوپ رصد خواهد کرد را مشخص کرد. با توجه به تغییر طول موج در اثر انبساط جهان، مشخص می‌شود که JWST باید طول موج های فروسرخ و  در رنج طول موج ۱۰-۲۰ میکرون را رصد کند.
از سوی دیگر، با توجه به ضعیف بودن امواج دریافتی، باید از آینه‌ای بزرگ تر برای تلسکوپ استفاده کرد.
با محاسبه طول موج هدف و اندازه آینه مورد نیاز، سایر موارد طراحی تلسکوپ به راحتی مشخص می‌شود. چالشی که در اینجا ایجاد شد، اندازه بسیار بزرگ آینه تلسکوپ بود؛ به صورتی که آینه کامل در فضاپیما قرار نمی‌گیرد. بنابراین دانشمندان مجبور بودند آینه‌ای بسازند که «تا» می‌شود. به دلیل همین ویژگی است که تلسکوپ فضایی جیمز وب تلسکوپی خاص با شکلی منحصر به فرد محسوب می‌شود.
دو آینه اولیه در ساختار محافظ خود قرار گرفته اند.
 
6. آیا نحوه کار تلسکوپ فضایی جیمز وب مانند تلسکوپ‌های روی زمین است؟
بله، نحوه کارکرد هر دو تلسکوپ مشابه است. تلسکوپ جیمز وب از نوع انعکاسی است و دقیقا مانند تلسکوپ‌های انعکاسی روی زمین کار می‌کند. البته شکل تلکسوپ کمی متفاوت است؛ زیرا لوله ندارد و به جای آن سایه‌بان دارد.
این سایه‌بان در قسمتی از تلسکوپ قرار می‌گیرد که رو به منابع روشن امواج فروسرخ، در اینجا خورشید، ماه و زمین، است و به صورت موازی با آینه قرار می‌گیرد.

تلکسوپ جیمز وب به لوله نیازی ندارد؛ چرا که این لوله جرم اضافه‌ای محسوب می‌شود که پرتاب تلسکوپ را با چالش‌های بیشتری روبرو می‌کند. به جای آن، تلسکوپ آینه‌ای به اصطلاح برهنه دارد که نور لازم برای ۴ ابزار متفاوت نصب شده (دوربین و طیف سنج) روی تلسکوپ را جمع‌آوری می‌کند.
 
7. تلکسوپ هابل به دور زمین می‌چرخد. JWST در چه مکانی در فضا قرار می‌گیرد و مدار آن به چه شکل خواهد بود؟
تلسکوپ فضایی جیمز وب باید از منبع‌های نوری و گرمایی فروسرخ بسیار دور باشد تا تداخلی در روند کاری آن ایجاد نشود. بنابراین وب در فاصله ۱.۵ میلیون کیلومتری زمین و در نقطه لاگرانژ دوم یا L2 قرار خواهد گرفت. جوزف لوییس لاگرانژ، در اواخر قرن هجدهم میلادی، این نقاط را در مدارهای هر دو جسمی که به دور یک دیگر می‌گردند، کشف کرد.
اگر تلسکوپ وب در فاصله ۱.۵ کیلومتری از کره زمین قرار بگیرد، از منبع های فروسرخ فاصله لازم را خواهد داشت و توسط آن‌ها «کور» نخواهد شد.
جیمز وب به دور زمین نخواهد گشت؛ اما مدار زمین در چرخش به دور خورشید را دنبال خواهد کرد. به عبارت دیگر، جیمز وب نیز به دور خورشید خواهد گشت.
 
8. چگونه می‌توان مطمئن شد که JWST از دماهای بالا یا برخورد بقایای فضایی مانند میکرومتروئیدها در امان خواهد بود؟
از آنجا که JWSP در مدار L2 قرار دارد، دما چندان مسئله مشکل‌سازی نخواهد بود. تلسکوپ‌هایی که به دور زمین می‌چرخند، به صورت مداوم از سایه زمین خارج و در معرض نور خورشید قرار می‌گیرند و سپس دوباره به سایه زمین وارد و از نور خورشید دور می‌شوند؛ امری که به تفاوت دما در ماهواره یا تلسکوپ منجر می‌شود که مشکلات خاص خود را ایجاد خواهد کرد. اما از آنجا که در مدار L2 دما تقریبا پایدار است، مشکلی از نظر دما برای تلسکوپ وب ایجاد نخواهد شد.

از طرف دیگر، از آنجا که JWST در فاصله‌ای زیاد از زمین قرار می‌گیرد، محافظت سپر مغناطیسی زمین را از دست داده و در معرض تابش کیهانی قرار می‌گیرد.
دانشمندان به صورت تقریبی تعداد و اندازه میکرومتروئیدهایی که در طول زندگی این تلکسوپ به آن برخورد خواهد کرد را محاسبه کرده‌اند. آن‌ها همواره این نکته را در نظر داشته‌اند که قابلیت‌ها و ساختار تلسکوپ فضایی جیمز وب باید به قدری قوی باشد که کل زمان ماموریت را تاب بیاورد. به همین دلیل، تلسکوپ وب به گونه‌ای ساخته شده است که از همان ابتدا بسیار قوی‌تر از مقدار مورد نیاز باشد تا وقتی زمان پایان ماموریت فرا می‌رسد، همچنان به وظایف خود عمل کند.
 
9. برخلاف هابل، JWST پس از پرتاب قابل تعمیر یا نگهداری نخواهد بود؛ آیا این امر مشکلی اساسی برای ماموریت ایجاد می‌کند؟
در کل تاریخ ماموریت‌های فضایی، تنها یک جسم فضایی ساخته شد که بتوان آن را در فضا تعمیر کرد: تلسکوپ فضایی هابل.
تمامی ماهواره‌ها با این پیش فرض ساخته شده‌اند که امکان تعمیر آن‌ها در فضا وجود ندارد. این پیش فرض در مورد تلسکوپ جیمز وب نیز صدق می‌کند. تلسکوپ وب آنقدر در فاصله دوری از زمین قرار دارد که نمی‌توان فضانوردان را به آن نقطه فرستاد تا در صورت نیاز، تلسکوپ را تعمیر کنند. رباتی که توانایی تعمیر چنین دستگاه پیشرفته‌ای را داشته باشد نیز وجود ندارد. بنابراین باید نهایت دقت در طراحی و ساخت جیمز وب به کار رود.
به عنوان مثال، دانشمندان در ساخت وب این نکته را در نظر داشته‌اند که اگر موتورهایی که مسئول در جای خود قرار دادن قطعات هستند، از کار بیفتند، بیش از یک مکانیزم برای راه اندازی آن‌ها وجود داشته باشد.
البته این مورد برای تمامی ماهواره‌ها به غیر از هابل صدق می‌کند؛ آن‌ها با این فرض که قابل تعمیر در فضا هستند، ساخته نمی‌شوند.
تمامی قطعات و مکانیزم‌ها در زمین آزمایش می‌شوند تا صحت کارکرد آن‌ها تایید شود.
فضانوردان در آخرین ماموریت تعمیر و نگهداری هابل
 
10. اگر سی سال به عقب بازگردیم و هابل را با فناوری امروز بسازیم، آیا عملکرد هابل متفاوت از عملکرد امروز آن می‌شد؟
در آن زمان، مفهوم تلسکوپ و سرویس و تعمیر آن در هم آمیخته بودند. به نوعی می‌توان گفت که شاتل‌های فضایی و هابل در کنار یک‌دیگر توسعه پیدا کردند. همواره بحثی وجود داشته است که ساخت یک هابل دیگر و ارسال آن به فضا ارزان‌تر بوده است یا تعمیر هابل کنونی و تاکنون جوابی نهایی برای آن به دست نیامده است.
در حال حاضر و با درنظر گرفتن فناوری‌های روز دنیا می‌توان گفت که اگر اکنون تلسکوپ فضایی هابل ساخته می‌شد، شاید نیازی به قرار دادن ویژگی «تعمیرپذیری» در هابل نبود؛ بلکه امکان داشت تا هوشمندی را در درون خود دستگاه ایجاد کرد. در دنیای امروز می‌توان فضاپیماهای هوشمندتری ساخت و شاید در آینده بتوان فضاپیماهایی با قابلیت خود-تعمیری تولید کرد.
منظور از قابلیت «خود تعمیری» فقط هوش مصنوعی و نرم افزار هوشمند در پس فضاپیما نیست؛ بلکه حتی موادی که قابلیت خود-ترمیمی دارند نیز در این جا مدنظر است. به عبارتی، فرض کنید که فضاپیما یا ماهواره از موادی ساخته شده است که برخورد میکرومتروئید را تشخیص می‌دهند و خود را در محل برخورد ترمیم می‌کنند. مفهومی که گرچه اکنون مانند داستان‌های علمی تخیلی است؛ اما ممکن است روزی به حقیقت تبدیل شود.
 
منبع: سایت سرگرمی