تلسکوپ فضایی جیمز وب (James Webb Space Telescope – JWST) اغلب به اشتباه به عنوان جایگزین یا تعویضی برای تلسکوپ فضایی هابل (Hubble Space Telescope – HST) معرفی می‌شود، در حالی‌ که در واقع بهتر است آن را «جانشین» هابل بدانیم نه تلسکوپی که مستقیماً جای آن را می‌گیرد. در حقیقت، جیمز وب تلسکوپی تخصصی‌تر است که اهداف علمی آن بر پایه دستاوردها و نتایج هابل شکل گرفت. مشاهدات هابل، دانشمندان را برانگیخت تا به دنبال ابزاری پیشرفته‌تر با توانایی رصد در طول موج‌های بلندتر باشند و بتوانند از مرزهای علمی هابل فراتر بروند.

یکی از این نیازها، بررسی اجرام بسیار دور در کیهان بود. هرچه فاصله اجرام بیشتر باشد، نور آنها به سمت طول موج‌های بلندتر یا همان طیف قرمز جابه‌جا می‌شود و از محدوده نور مرئی و فرابنفش دورتر می‌گردد. بنابراین برای مشاهده نخستین کهکشان‌های شکل‌گرفته در جهان، به یک تلسکوپ مادون قرمز نیاز بود؛ و این دقیقاً همان توانایی‌ای است که جیمز وب فراهم می‌کند.

به همین دلیل نمی‌توان جیمز وب را «جایگزین کامل» هابل دانست، زیرا قابلیت‌های آنها یکسان نیست. هابل عمدتاً در نور مرئی و فرابنفش فعالیت می‌کند (هرچند بخشی از توانایی‌های مادون قرمز را نیز دارد)، اما جیمز وب تقریباً به طور کامل به مطالعه کیهان در طول موج مادون قرمز اختصاص یافته است.

از دیگر تفاوت‌های کلیدی، اندازه آینه اصلی است: آینه جیمز وب بسیار بزرگ‌تر از آینه هابل است. این موضوع به آن امکان می‌دهد نور بیشتری جمع‌آوری کرده و در نتیجه اجرام دورتر و در زمان‌های بسیار گذشته‌تر از تاریخ کیهان را آشکار کند. علاوه بر این، محل قرارگیری این دو تلسکوپ نیز متفاوت است. هابل در مداری نزدیک به زمین می‌چرخد، اما جیمز وب در نقطه لاگرانژ دوم (L2) در فاصله حدود ۱.۵ میلیون کیلومتری از زمین قرار دارد؛ مکانی پایدار برای رصدهای دقیق در طولانی‌مدت.

در ادامه، به جزئیات بیشتری درباره ویژگی‌های جیمز وب خواهیم پرداخت؛ از جمله طول موج‌های تحت پوشش، اندازه و ابعاد آینه، مدار گردش، و نهایتاً اینکه این تلسکوپ تا چه فاصله‌ای در کیهان توانایی دیدن دارد.

]برای آشنایی بیشتر با تلسکوپ هابل، می‌توانید به منابع ۱ و ۲ در بخش «مطالعه بیشتر» انتهای مقاله مراجعه کنید[.

طول موج:

تلسکوپ فضایی جیمز وب اساساً برای رصد کیهان در محدوده مادون قرمز طراحی شده است و چهار ابزار علمی پیشرفته برای ثبت تصاویر و انجام مشاهدات در اختیار دارد. این ابزارها توانایی پوشش طول موجی از ۰٫۶ تا ۲۸ میکرون را فراهم می‌کنند. برای مقایسه، بخش مادون قرمز طیف الکترومغناطیسی از حدود ۰٫۷۵ میکرون تا چند صد میکرون امتداد دارد. به این ترتیب، جیمز وب عمدتاً در مادون قرمز فعالیت می‌کند، اما بخشی از توانایی آن شامل ثبت تصاویر در محدوده نور مرئی نیز هست، به‌ویژه در بخش‌های قرمز و زرد طیف.

در شکل ۱، محدوده پوشش طول موجی تلسکوپ‌های مختلف با جیمز وب مقایسه شده است. برای نمونه، تلسکوپ Swift در طول موج‌های بسیار کوتاه (اشعه گاما) فعالیت می‌کند و تلسکوپ  VLA در طول موج‌های بسیار بلند رادیویی. در مقابل، تلسکوپ هابل تنها می‌تواند بخشی محدود از طیف مادون قرمز (۰٫۸ تا ۲٫۵ میکرون) را پوشش دهد، در حالی‌ که بیشترین قابلیت آن مربوط به نور فرابنفش در بازه ۰٫۱ تا ۰٫۸ میکرون است.

شکل 1. طیف الکترومغناطیسی و انواع مختلف تلسکوپ های فضایی

چرا رصد در محدوده مادون قرمز اهمیت دارد؟

یکی از مهم‌ترین دلایل، امکان دیدن اجرامی است که پشت ابرهای متراکم گاز و غبار پنهان شده‌اند. ستاره‌ها و سیارات در حال تولد، در چنین محیط‌هایی شکل می‌گیرند. نور مرئی توان عبور از این غبارها را ندارد و به همین دلیل تلسکوپ‌هایی مانند هابل نمی‌توانند این مناطق را به خوبی مشاهده کنند. اما نور مادون قرمز می‌تواند از این ابرهای متراکم عبور کند و آنچه در پشت آن‌ها قرار دارد، آشکار سازد.

به عنوان نمونه، در شکل ۲ تصویری از سحابی سر میمون، که زادگاه ستارگان جوان است، در دو طول موج مختلف نشان داده شده است: سمت چپ در نور مرئی و سمت راست در نور مادون قرمز. همان‌طور که دیده می‌شود، در تصویر مادون قرمز علاوه بر توده‌های گاز و غبار، جزئیات بیشتری از ساختار ستاره‌های تازه متولدشده آشکار شده و حتی کهکشان‌های بسیار دور نیز نمایان هستند.

سحابی سر میمون در فاصله حدود ۶۴۰۰ سال نوری از زمین و در صورت فلکی جبار (شکارچی) قرار دارد. این سحابی عمدتاً از گاز هیدروژن تشکیل شده و یکی از بزرگ‌ترین مناطق میان‌ستاره‌ای برای شکل‌گیری ستارگان به شمار می‌رود.

] برای اطلاعات بیشتر می‌توانید به منبع شماره ۳ در بخش «مطالعه بیشتر برای علاقه‌مندان» در انتهای مقاله مراجعه کنید. [

شکل ۲. تصاویر سحابی سر میمون در دو طول موج مختلف که توسط تلسکوپ هابل ثبت شده است: در سمت چپ تصویر در نور مرئی و در سمت راست در نور مادون قرمز. این سحابی در فاصله حدود ۶۴۰۰ سال نوری از زمین و در صورت فلکی جبار (شکارچی) قرار دارد. ترکیب اصلی آن از گاز و غبار میان‌ستاره‌ای است که بیشتر شامل گاز هیدروژن می‌شود. سحابی سر میمون یکی از بزرگ‌ترین مناطق ستاره‌زایی در کهکشان به شمار می‌رود و محل تولد بسیاری از ستارگان جوان است.

اندازه و ابعاد تلسکوپ جیمز وب

تلسکوپ جیمز وب دارای آینه اولیه‌ای با قطر تقریباً ۶.۵ متر است که بزرگ‌ترین مساحت جمع‌آوری نور را نسبت به آینه‌های تلسکوپ‌های فضایی فعلی فراهم می‌کند [شکل ۳]. برای مقایسه، قطر آینه هابل حدود ۲.۴ متر است و مساحت جمع‌آوری نور آن حدود ۴٫۵ متر مربع می‌باشد، در حالی که آینه جیمز وب تقریباً ۶٫۲۵ برابر مساحت بیشتری برای جمع‌آوری نور دارد.

علاوه بر این، جیمز وب میدان دید بسیار بزرگ‌تری نسبت به دوربین NICMOS در هابل ارائه می‌دهد و بیش از ۱۵ برابر مساحت بیشتری را پوشش می‌دهد. همچنین این تلسکوپ در محدوده مادون قرمز، وضوح فضایی بسیار بهتری نسبت به تلسکوپ اسپیتزر (Spitzer Space Telescope) دارد و قادر است جزئیات بیشتری از اجرام دوردست کیهانی را آشکار سازد.

شکل 3. مقایسه ی اندازه آینه اولیه تلسکوپ جیمز وب و هابل. آینه اولیه جیمز وب از 18 قطعه شش ضلعی تشکیل شده است.

مدار گردش

برای مقایسه، زمین در فاصله حدود ۱۵۰ میلیون کیلومتری از خورشید قرار دارد و ماه تقریباً ۳۸۴,۵۰۰ کیلومتر به دور زمین می‌چرخد. تلسکوپ فضایی هابل در ارتفاع ۵۷۰ کیلومتری زمین در مداری نزدیک به زمین قرار دارد و به دور آن می‌گردد .در مقابل، تلسکوپ جیمز وب به دور زمین نخواهد چرخید. این تلسکوپ در نقطه‌ای به نام دومین نقطه لاگرانژ (L2)  واقع شده است، در فاصله حدود ۱.۵ میلیون کیلومتری از زمین، و به دور خورشید خواهد چرخید [شکل ۴]. لازم به ذکر است که گرافیک‌های این تصاویر به مقیاس واقعی نیستند.

شکل 4. جیمز وب در فاصله 1.5 میلیون کیلومتری از زمین در نقطه ای که دومین نقطه لاگرانژ یا L2 نامیده می شود به دور خورشید خواهد چرخید. [توجه داشته باشید که این گرافیک ها در مقیاس اندازه گیری به تصویر کشیده نشده اند].

چون هابل در مدار نزدیک زمین قرار دارد، پرتاب آن با استفاده از شاتل فضایی ممکن بود. اما جیمز وب به دلیل قرار گرفتن در L2، نمی‌توانست با شاتل به فضا برده شود و در نتیجه با موشک آریان ۵ پرتاب شد. در نقطه لاگرانژ2  سپر خورشیدی جیمز وب نور خورشید، زمین و ماه را مسدود خواهد کرد. این کار به خنک ماندن جیمز وب کمک می کند. خوب است بدانید که نقطه ی لاگرانژ2 یکی از پنج مکانی است که فضاپیما می تواند نسبت به خورشید و زمین در آن نقطه ثابت بماند [شکل 5].

همان‌طور که زمین به دور خورشید می‌چرخد، جیمز وب نیز همراه زمین به دور خورشید حرکت می‌کند. با این حال، همان‌طور که در نمودار زیر [شکل ۵] نشان داده شده است، نسبت به زمین و خورشید در نقطه ثابت لاگرانژ دوم (L2) باقی می‌ماند .در واقع، ماهواره‌ها در اطراف نقطه L2 حرکت می‌کنند و به‌طور کامل در یک نقطه ثابت قرار ندارند، اما این مدار باعث می‌شود که جیمز وب همواره در موقعیت پایداری نسبت به زمین و خورشید قرار گیرد.

شکل 5. پنج نقطه ی لاگرانژی

جیمز وب تا چه فاصله‌ای در فضا را خواهد دید؟

از آنجا که نور برای رسیدن به ما زمان نیاز دارد، هرچه یک جرم دورتر باشد، در واقع ما آن را در گذشته‌ای دورتر مشاهده می‌کنیم .شکل ۶ توانایی تلسکوپ‌های مختلف در مشاهده اجرام دوردست کیهان را نشان می‌دهد. به طور خلاصه: هابل می‌تواند کهکشان‌های نوپا (toddler galaxies) را مشاهده کند، در حالی که جیمز وب قادر است کهکشان‌های تازه متولد شده (baby galaxies) را ببیند. لازم به ذکر است که این کهکشان‌های تازه متولد شده از نظر زمانی به عقب‌تر از کهکشان‌های نوپا تعلق دارند.

یکی از دلایل این توانایی، فعالیت جیمز وب در محدوده مادون قرمز است. همان‌طور که می‌دانیم، جهان در حال گسترش است و فاصله بین کهکشان‌ها افزایش می‌یابد. به همین دلیل، نور اجرام بسیار دور، تحت تأثیر انبساط جهان و اثرات نسبیت عام طولانی‌تر می‌شود و طول موج آن به سمت قرمز منتقل می‌شود (Redshift). جیمز وب با ابزارهای مادون قرمز خود قادر است این نور قرمز شده را دریافت کرده و اجرام بسیار دور و نخستین کهکشان‌ها را رصد کند.

شکل 6. نگاه به عقب در زمان تشکیل کهکشان ها

منابع:

 [1] https://www.jwst.nasa.gov/

 [2] https://www.jwst.nasa.gov/content/about/comparisonWebbVsHubble.html

 [3] https://www.nasa.gov/mission_pages/hubble/about

پانوشت: تلسکوپ فضایی هابِل به افتخار ستاره‌شناس پیشرو ادوین هابل نامگذاری شده و حدود ۳۰ سال پیش به فضا پرتاب شد. این تلسکوپ یکی از بزرگ‌ترین رصدگران نجومی است و دانشمندان از آن برای مشاهده برخی از دورترین ستارگان و کهکشان‌ها که تاکنون دیده شده‌اند، و همچنین سیارات منظومه شمسی استفاده کرده‌اند. محدوده طول موجی هابل شامل نور فرابنفش و نور مرئی (آنچه چشمان ما می‌بینند) و بخش بسیار کوچکی از مادون قرمز است. هابل به گذشته‌های بسیار دور جهان نگاه می‌کند و مکان‌هایی در فاصله بیش از ۱۳٫۴ میلیارد سال نوری را رصد می‌کند. این تلسکوپ قادر است کهکشان‌های در حال ادغام، سیاهچاله‌های عظیم مخفی در اعماق کهکشان‌ها و سایر پدیده‌های کیهانی را آشکار سازد و به ما کمک می‌کند تا تاریخچه جهان در حال انبساط را بهتر درک کنیم.

] برای اطلاعات بیشتر در مورد تلسکوپ هابل به لینک‌های زیر مراجعه فرمایید. [

[1]https://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AA%D9%84%D8%B3%DA%A9%D9%88%D9%BE_%D9%81%D8%B6%D8%A7%DB%8C%DB%8C_%D9%87%D8%A7%D8%A8%D9%84

[2] https://www.beytoote.com/scientific/chera/hubble1-does-work1.html

[3] https://bigbangpage.com/astronomy/%d8%b3%d8%ad%d8%a7%d8%a8%db%8c-%d8%b3%d8%b1-%d9%85%db%8c%d9%85%d9%88%d9%86-%d8%b4%d8%a7%d9%87%da%a9%d8%a7%d8%b1-%d8%ac%d8%af%db%8c%d8%af-%d9%87%d8%a7%d8%a8%d9%84-%d8%af%d8%b1-%d8%ac%d8%b4%d9%86/