فهرست محتوا
تلسکوپ جیمز وب پیشرفته‌ترین رصدخانه فضایی جهان است که توسط ناسا، آژانس فضایی اروپا (ESA) و آژانس فضایی کانادا (CSA) توسعه یافته است. این تلسکوپ با آینه اصلی 6.5 متری متشکل از 18 بخش شش‌ضلعی طلاکاری‌شده، برای رصد در طیف فروسرخ طراحی شده و در نقطه لاگرانژ 2 (L2) در فاصله 1.5 میلیون کیلومتری زمین قرار دارد. JWST مجهز به چهار ابزار علمی اصلی است: دوربین فروسرخ نزدیک (NIRCam)، طیف‌سنج فروسرخ نزدیک (NIRSpec)، ابزار فروسرخ میانی (MIRI) و حسگر هدایت دقیق/تصویرگر فروسرخ نزدیک و طیف‌سنج بدون شکاف (FGS/NIRISS). این تلسکوپ با وزن 6.2 تن و سپر خورشیدی پنج‌لایه‌ای که دمای عملیاتی را تا منفی 223 درجه سانتی‌گراد کاهش می‌دهد، برای رصد کهکشان‌های اولیه، ستارگان، و سیارات فراخورشیدی طراحی شده است.
مقایسه تلسکوپ جیمز وب و هابل
| ویژگی | تلسکوپ جیمز وب | تلسکوپ هابل |
|---|---|---|
| طول آینه اصلی | 6.5 متر | 2.4 متر |
| طیف مشاهده | مادون قرمز | فرابنفش و مرئی |
| مکان استقرار | نقطه L2 | مدار پایین زمین |
| سال پرتاب | 2021 | 1990 |
| توان رصد | قدرت تفکیک و عمق بسیار بیشتر | محدودتر نسبت به JWST |
تلسکوپ جیمز وب و هابل هر دو ابزارهای کلیدی برای اکتشافات نجومی هستند، اما تفاوت‌های اساسی دارند. هابل با آینه 2.4 متری عمدتاً در نور مرئی و فرابنفش کار می‌کند و در مدار پایین زمین (LEO) در ارتفاع 550 کیلومتری قرار دارد، در حالی که JWST با آینه 6.5 متری در طیف فروسرخ و در نقطه L2 فعالیت می‌کند. این موقعیت دورتر امکان رصدهای سردتر و دقیق‌تر را فراهم می‌کند، اما برخلاف هابل، JWST قابل تعمیر در فضا نیست. هابل کهکشان‌هایی تا 13.4 میلیارد سال نوری را رصد کرده، اما JWST می‌تواند کهکشان‌هایی نزدیک به زمان بیگ‌بنگ (13.8 میلیارد سال پیش) را مشاهده کند. حساسیت فروسرخ JWST امکان نفوذ به غبار کیهانی را می‌دهد، در حالی که هابل برای تصاویر واضح در نور مرئی بهینه است.
اولین تصاویر خیره‌کننده جیمز وب از جهان
در 12 جولای 2022، ناسا اولین تصاویر تمام‌رنگی JWST را منتشر کرد که شامل عمیق‌ترین تصویر فروسرخ از جهان تا آن زمان بود. این تصاویر شامل خوشه کهکشانی SMACS 0723 (4.6 میلیارد سال نوری دورتر)، سحابی کارینا (NGC 3324)، سحابی حلقه جنوبی (NGC 3132)، و گروه کهکشانی استفان کوینتت (290 میلیون سال نوری) بودند. تصویر SMACS 0723 با استفاده از اثر لنز گرانشی، کهکشان‌هایی از 13.1 میلیارد سال پیش را نشان داد. این تصاویر جزئیات بی‌سابقه‌ای از تشکیل ستارگان، سحابی‌ها و کهکشان‌های دوردست را ارائه کردند و توانایی JWST در ثبت نورهای کم‌رنگ از آغاز جهان را به نمایش گذاشتند.
مشخصات کلی تلسکوپ جیمز وب
| مشخصه | توضیحات |
|---|---|
| نام کامل | James Webb Space Telescope |
| سازمان‌های سازنده | NASA, ESA, CSA |
| تاریخ پرتاب | 25 دسامبر 2021 |
| مکان استقرار | نقطه لاگرانژ L2 (حدود 1.5 میلیون کیلومتر از زمین) |
| هزینه ساخت | حدود 10 میلیارد دلار |
چگونه جیمز وب زمان را به عقب می‌برد؟
James Webb Telescope با رصد نور فروسرخ از اجرام دوردست، به اخترشناسان امکان می‌دهد به گذشته کیهانی نگاه کنند. نور از کهکشان‌های دوردست میلیاردها سال طول می‌کشد تا به ما برسد، بنابراین JWST عملاً تصاویری از جهان اولیه، حدود 100 تا 200 میلیون سال پس از بیگ‌بنگ، ثبت می‌کند. این تلسکوپ با نفوذ به غبار کیهانی و رصد نور قرمزگرا (redshifted) از کهکشان‌های اولیه، اطلاعاتی درباره تشکیل اولین ستارگان و کهکشان‌ها ارائه می‌دهد. به عنوان مثال، تلسکوپ جیمز وب کهکشان GLASS-z13 را شناسایی کرد که 13.5 میلیارد سال پیش شکل گرفته بود، و به اخترشناسان کمک کرد تا مراحل اولیه تکامل کیهانی را مطالعه کنند.
فناوری‌های نوآورانه در تلسکوپ James Webb
JWST از فناوری‌های پیشرفته‌ای بهره می‌برد که آن را از سایر تلسکوپ‌ها متمایز می‌کند. سپر خورشیدی پنج‌لایه‌ای آن از مواد Kapton ساخته شده و دمای ابزارها را تا 50 کلوین (منفی 223 درجه سانتی‌گراد) کاهش می‌دهد تا رصدهای فروسرخ دقیق انجام شود. آینه‌های شش‌ضلعی از بریلیوم با روکش طلا ساخته شده‌اند که بازتاب نور فروسرخ را بهینه می‌کند. سیستم تنظیم آینه‌ها با دقت نانومتری توسط موتورهای میکروالکترومکانیکی (MEMS) کنترل می‌شود. ابزارهای علمی JWST، مانند NIRSpec با قابلیت طیف‌سنجی چندگانه، امکان مطالعه همزمان صدها جرم را فراهم می‌کنند. این فناوری‌ها JWST را به ابزاری بی‌نظیر برای اکتشافات کیهانی تبدیل کرده‌اند.
نقش جیمز وب در کشف سیارات فراخورشیدی
تلسکوپ جیمز وب نقش مهمی در مطالعه سیارات فراخورشیدی ایفا می‌کند، به‌ویژه با تجزیه و تحلیل جو آن‌ها از طریق طیف‌سنجی انتقالی. این تلسکوپ می‌تواند نور ستاره‌ای را که از جو سیارات عبور می‌کند تجزیه کند و ترکیبات شیمیایی مانند متان، دی‌اکسید کربن و بخار آب را شناسایی کند. به عنوان مثال، JWST در سال 2022 شواهدی از دی‌اکسید کربن در جو سیاره WASP-39b (700 سال نوری دورتر) یافت، که اولین تشخیص قطعی این گاز در یک سیاره فراخورشیدی بود. این تلسکوپ همچنین سیارات در منطقه قابل سکونت ستارگان را مطالعه می‌کند و داده‌هایی درباره پتانسیل حیات در آن‌ها ارائه می‌دهد. ابزارهای NIRCam و MIRI برای تصویربرداری مستقیم سیارات بزرگ نیز استفاده می‌شوند.
تحلیل عملکرد آینه‌های شش‌ضلعی طلایی جیمز وب
آینه اصلی JWST از 18 بخش شش‌ضلعی ساخته شده از بریلیوم سبک و مقاوم با روکش طلای 100 نانومتری تشکیل شده است. این آینه با قطر 6.5 متر، 6 برابر بزرگ‌تر از آینه هابل است و مساحت جمع‌آوری نور 25.4 متر مربعی دارد. هر بخش آینه توسط 7 موتور تنظیم‌کننده با دقت نانومتری کنترل می‌شود تا خطاهای نوری به حداقل برسند. این آینه‌ها برای بازتاب نور فروسرخ بهینه شده‌اند و امکان جمع‌آوری نورهای کم‌رنگ از کهکشان‌های دوردست را فراهم می‌کنند. فرآیند تنظیم آینه‌ها پس از پرتاب در ژانویه 2022 بیش از 6 ماه طول کشید و با موفقیت در مارس 2022 تکمیل شد، که کیفیت تصاویر JWST را تضمین کرد.
ساختار فنی و اپتیکی تلسکوپ جیمز وب
ساختار فنی تلسکوپ جیمز وب شامل دو بخش اصلی است: ماژول تجهیزات یکپارچه علمی (ISIM) که ابزارهای علمی را در خود جای داده، و واحد فضاپیما که شامل سپر خورشیدی، سیستم‌های ارتباطی و پیشران است. سیستم اپتیکی از طراحی سه آینه‌ای آناستigmاتیک استفاده می‌کند که شامل آینه اصلی (6.5 متر)، آینه ثانویه (0.74 متر) و آینه سوم برای اصلاح انحرافات نوری است. ابزارهای NIRCam، NIRSpec، MIRI و FGS/NIRISS برای طیف‌های فروسرخ نزدیک و میانی طراحی شده‌اند و امکان تصویربرداری، طیف‌سنجی و تاج‌نگاری را فراهم می‌کنند. سپر خورشیدی با ابعاد 21.2 در 14.2 متر، دمای عملیاتی را برای ابزارهای حساس حفظ می‌کند.
سفر پرماجرا تا پرتاب جیمز وب
پروژه تلسکوپ جیمز وب در سال 1996 با نام تلسکوپ فضایی نسل بعدی (NGST) آغاز شد و پس از چندین تغییر طراحی و تأخیر، در 25 دسامبر 2021 با موشک آریان 5 از پایگاه کورو در گویان فرانسه پرتاب شد. این تلسکوپ پس از پرتاب، سفری 29 روزه به نقطه L2 داشت و در این مدت 344 مانور حیاتی، از جمله باز شدن سپر خورشیدی و آینه‌ها، انجام داد. فرآیند باز شدن آینه‌ها و تنظیم آن‌ها تا مارس 2022 ادامه یافت. هزینه پروژه که ابتدا 500 میلیون دلار برآورد شده بود، به 10 میلیارد دلار رسید و پرتاب آن از سال 2007 به 2021 به تأخیر افتاد. این سفر پیچیده، یکی از پرمخاطره‌ترین ماموریت‌های ناسا بود.
تحلیل نوری و فروسرخ در تلسکوپ جیمز وب
JWST برای رصد در طیف فروسرخ نزدیک (0.6 تا 5 میکرون) و فروسرخ میانی (5 تا 28 میکرون) طراحی شده است، که امکان مطالعه اجرامی را می‌دهد که در نور مرئی به دلیل غبار کیهانی یا redshift پنهان هستند. ابزار NIRCam برای تصویربرداری و تاج‌نگاری، NIRSpec برای طیف‌سنجی چندگانه (تا 100 جرم همزمان)، و MIRI برای رصد اجرام سرد مانند سیارات فراخورشیدی و دیسک‌های پیش‌ستاره‌ای استفاده می‌شوند. FGS/NIRISS برای هدایت دقیق و طیف‌سنجی بدون شکاف به کار می‌رود. این قابلیت‌ها به JWST امکان می‌دهند تا نور ستارگان و کهکشان‌های اولیه را با دقت بی‌سابقه‌ای تجزیه و تحلیل کند.
کشف کهکشان‌های اولیه با James Webb
تلسکوپ جیمز وب با توانایی رصد کهکشان‌های اولیه، درک ما از تشکیل جهان را متحول کرده است. این تلسکوپ کهکشان‌هایی مانند GLASS-z13 و CEERS-93316 را شناسایی کرد که تنها 300 تا 400 میلیون سال پس از بیگ‌بنگ شکل گرفته بودند. این کهکشان‌ها، که در نور فروسرخ به دلیل redshift قابل مشاهده هستند، اطلاعات جدیدی درباره چگونگی تشکیل اولین کهکشان‌ها و ستارگان ارائه می‌دهند. داده‌های JWST نشان داده‌اند که کهکشان‌های اولیه بزرگ‌تر و روشن‌تر از پیش‌بینی‌های مدل‌های کیهانی بودند، که این موضوع نظریه‌های تکامل کیهانی را به چالش کشیده است.
کاربردهای تلسکوپ جیمز وب
- کشف کهکشان‌های نخستین جهان
- بررسی اتمسفر سیارات فراخورشیدی برای یافتن علائم حیات
- مطالعه روی تشکیل ستارگان و منظومه‌های سیاره‌ای
- بررسی منشاء کیهان و نظریه بیگ‌بنگ
- تحلیل ساختار کهکشان‌ها در طول زمان کیهانی
- پژوهش درباره سیاه‌چاله‌ها و ماده تاریک
- تکمیل داده‌های تلسکوپ‌های قبلی مانند هابل و اسپیتزر
چالش‌های فنی قبل از پرتاب تلسکوپ
پروژه JWST با چالش‌های فنی متعددی مواجه بود. طراحی سپر خورشیدی پیچیده، که باید در فضا باز می‌شد، نیاز به آزمایش‌های گسترده داشت و در سال 2014 پارگی‌هایی در آن مشاهده شد. تنظیم آینه‌های شش‌ضلعی با دقت نانومتری در شرایط خلأ و دمای پایین چالش دیگری بود. افزایش هزینه‌ها از 500 میلیون دلار به 10 میلیارد دلار و تأخیرهای مکرر، از جمله مشکلات در سیستم‌های پیشران و ابزارهای علمی، پروژه را تحت فشار قرار داد. آزمایش‌های ارتعاشی و حرارتی در سال‌های 2016 و 2017 مشکلات جدیدی را نشان داد، اما تیم پروژه با اصلاحات و آزمایش‌های اضافی این مسائل را برطرف کرد.
سوالات متداول
جیمز وب چه چیزی از ستارگان اولیه می‌بیند؟
تلسکوپ جیمز وب با رصد نور فروسرخ از ستارگان اولیه، معروف به جمعیت سوم (Population III)، اطلاعاتی درباره اولین ستارگان جهان که 100 تا 200 میلیون سال پس از بیگ‌بنگ شکل گرفتند، ارائه می‌دهد. این ستارگان عظیم، که عمدتاً از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده بودند، نقشی کلیدی در غنی‌سازی شیمیایی جهان داشتند. JWST با ابزارهای NIRSpec و MIRI، نشانه‌هایی از این ستارگان را در کهکشان‌های دوردست مانند GN-z11 شناسایی کرده است. این مشاهدات به اخترشناسان کمک می‌کند تا فرآیندهای تشکیل ستارگان و تکامل اولیه جهان را بهتر درک کنند.
آیا جیمز وب جانشین هابل است؟
اگرچه JWST اغلب به‌عنوان جانشین هابل معرفی می‌شود، اما در واقع مکمل آن است. هابل در طیف مرئی و فرابنفش عمل می‌کند و برای رصدهای نزدیک‌تر به زمین، مانند سیارات منظومه شمسی و کهکشان‌های نزدیک، بهینه است. در مقابل، تلسکوپ جیمز وب برای رصدهای فروسرخ و مطالعه کهکشان‌های دوردست و اجرام سرد طراحی شده است. هابل همچنان تا سال 2030 یا بیشتر فعال خواهد بود، و داده‌های آن با JWST ترکیب می‌شوند تا تصاویر جامع‌تری از جهان ارائه دهند. برای مثال، هابل و JWST هر دو سحابی کارینا را رصد کرده‌اند و داده‌های ترکیبی آن‌ها جزئیات بیشتری را نشان داده است.
جیمز وب چگونه به کشف منشأ جهان کمک می‌کند؟
JWST با رصد کهکشان‌ها و ستارگان اولیه، اطلاعاتی درباره دوران بازترکیب (reionization) و شکل‌گیری ساختارهای کیهانی ارائه می‌دهد. این تلسکوپ می‌تواند نور کم‌رنگ کهکشان‌هایی را که 13.5 میلیارد سال پیش شکل گرفتند، ثبت کند و به اخترشناسان کمک کند تا چگونگی تشکیل اولین کهکشان‌ها و تأثیر تابش ستارگان اولیه بر جهان را درک کنند. داده‌های JWST از میدان‌های عمیق، مانند SMACS 0723، نشان داده‌اند که کهکشان‌های اولیه سریع‌تر شکل گرفته‌اند. این مشاهدات نظریه‌های بیگ‌بنگ و تکامل کیهانی را آزمایش می‌کنند و به سؤالات اساسی درباره منشأ جهان پاسخ می‌دهند.
چه کشورهایی در ساخت تلسکوپ جیمز وب مشارکت داشتند؟
تلسکوپ جیمز وب نتیجه همکاری بین‌المللی بین ناسا (ایالات متحده)، آژانس فضایی اروپا (ESA) و آژانس فضایی کانادا (CSA) بود. ناسا رهبری پروژه، طراحی آینه‌ها و سپر خورشیدی، و ابزارهای NIRCam و MIRI را بر عهده داشت. ESA ابزار NIRSpec و نیمی از ابزار MIRI را تأمین کرد و موشک آریان 5 را برای پرتاب فراهم نمود. CSA حسگر هدایت دقیق و ابزار FGS/NIRISS را توسعه داد. بیش از 10,000 نفر از 14 کشور، از جمله پیمانکاران شرکت‌هایی مانند Northrop Grumman و Ball Aerospace، در این پروژه مشارکت داشتند. این همکاری جهانی JWST را به یکی از پیچیده‌ترین پروژه‌های علمی تاریخ تبدیل کرد.
