جیمز وب؛ بزرگترین و گران‌ترین تلسکوپ فضایی دنیا

ساختمان ۲۹ مرکز فضایی گادرد جاییست که ابزارهای علمی «تلسکوپ فضایی جیمز وب» (James Webb Space Telescope) در آن آزمایش می‌شوند. ماه‌هاست که صدای مداوم ونگ ونگ یک پمپ خلاء برای خالی کردن هوای درون محفظه‌ای مهر و موم شده که چهار ابزار علمی تلسکوپ در آن قرار دارد، شنیده می‌شود. این پمپ سعی می‌کند نوعی خلاء شبیه به فضای میان سیاره‌ای درون این محفظه که شبیه به یک زود پز عظیم‌الجثه است، ایجاد کند. این درحالیست که هلیوم مایع دمای آن را در منفی ۲۵۰ درجه‌ی سانتیگراد نگه می‌دارد. درون محفظه، ابزارهای علمی به یک پلتفرم متصل شده‌اند و دائما در حال آزمون شدن هستند. حتی نور فروسرخ را به آن‌ها می‌تابانند تا دقتشان را بسنجند. این فقط قسمتی از فرایند ساخت تلسکوپ فضایی جدید ناسا است. بزرگترین، پیچیده‌ترین و گران‌قیمت‌ترین ماموریتی که ناسا در پی انجام آن رفته است. این تلسکوپ که ۱۰۰ بار تیزبین‌تر از هابل است می‌تواند به روزهای اولی که کیهان تازه متولد شده بود نگاه کند و پرده از رازهای کهکشان‌های اولیه، پیدایش ستارگان، اتمسفر سیاره‌های فراخورشیدی و شاید وجود حیات در دیگر نقاط عالم بردارد.

«مت ماونتن» (Matt Mountain)،‌ دانشمندی که قبلا با پروژه‌ی تلسکوپ فضایی جیمز وب کار می‌کرد می‌گوید: «این [تلسکوپ] می‌تواند انقلابی باشد، چرا که خیلی قدرتمند است.» درست مثل تلسکوپ هابل، این پروژه هم دچار مشکلات زیادی شده است. از جمله تغییراتی که لازم بود در طراحی ایجاد شود، عدم پیشرفت طبق برنامه‌ریزی‌های اولیه و البته کسری بودجه که پیمانکاران و شرکای کانادایی، اروپایی و البته آمریکایی را حسابی تحت فشار قرار داده است. آن‌قدر هزینه‌ی این پروژه زیاد شد که در سال‌های ۲۰۱۰ و ۲۰۱۱ تا مرز لغو شدن هم پیش رفت. با این حال خوشبختانه این اتفاق نیفتاد و بودجه‌ی کافی اختصاص یافت. تا به حال این پروژه ۸ میلیارد دلار برای سرمایه‌گذاران آب خورده است.

هرچند که تا به حال همه چیز به خوبی و خوشی پیش رفته، ولی تا پایان سال ۲۰۱۸ فاصله‌ی زیادی داریم. زمانی که انتظار می‌رود تلسکوپ پرتاب شده و در فاصله‌ی ۱٫۵ میلیون کیلومتری از زمین قرار گرفته باشد. در آن هنگام تلسکوپ اولین نورگیری‌ها را انجام می‌دهد و داده‌هایش را به زمین ارسال می‌کند. جیمز وب در معرض خطرهای زیادی قرار دارد. مثلا باید بتواند تمام فشارهای وحشتناک لحظه‌ی پرتاب را تحمل کند. تلسکوپ به هنگام پرتاب به صورت تا شده درون کپسول بالای موشک قرار می‌گیرد و بنابراین وقتی به فضا رسید، تازه آینه‌ها و سپر خورشیدی آن باز می‌شوند. بعد از آن هم باید دستگاه‌ّها و ابزارها به کار بیفتند. آن‌قدر این ماشین و تمام مراحل عملیاتی آن پیچیده است که لحظه‌ای خطا در هرکدام از مراحل می‌تواند کل پروژه را نابود کند.

زمانی که تلسکوپ هابل در سال ۱۹۹۰ به فضا فرستاده شد، دچار یک مشکل بزرگ بود که نمی‌توانست عکس‌های خیلی شفاف و پر جزییاتی بگیرد. با این حال ناسا در یک ماموریت جداگانه با شاتل، فضانوردانی را برای تعمیر آن فرستاد. هابل به ما نزدیک است و در مدار زمین گردش می‌کند. ولی وقتی جیمز وب به محل استقرار خود در فاصله‌ی ۱٫۵ میلیون کیلومتری رسید، دسترسی به آن برای انجام تعمیرات ممکن نیست. بنابراین ماموریت جیمز وب فوق‌العاده حساس است و آینده‌ی ماموریت‌های علمی پیچیده‌ی ناسا به آن بستگی دارد.

جیمز وب در نقطه‌ی دوم لاگرانژی فاصله‌ی ۱٫۵ میلیون کیلومتری از زمین قرار می‌گیرد.

به همین دلیل است که ناسا در مرکز فضایی گادرد انواع آزمایش‌ها را روی ابزارهای مختلف آن انجام می‌دهد. در ماموریت واقعی هیچ خطایی نباید رخ دهد و همه چیز باید کاملا درست پیش برود. همه‌ی کسانی که در پروژه کار می‌کنند کاملا تحت فشار هستند و فقط زمانی که تلسکوپ در فضا قرار گرفت و شروع به نورگیری کرد خیالشان راحت می‌شود.

در اواسط دهه‌ی ۹۰ میلادی و زمانی که تلسکوپ هابل در حال دگرگون کردن نجوم بود، پژوهشگران به فکر ساختن نسل بعدی هابل افتادند. آن زمان «دنیل گولدین» (Daniel Goldin) مدیر کل ناسا بود و می‌گفت که نسل بعدی هابل باید «سریع‌تر، بهتر و ارزان‌تر باشد.» گولدین از مهندسان ناسا خواست تلسکوپی بسازند که قطر آینه‌اش ۸ متر باشد (هابل ۲٫۴ متر است) و البته ارزان‌تر از هابل درآید. هرچند که تلسکوپ هابل در نور مرئی، اندکی فروسرخ و فرابنفش کار می‌کند، قرار شد تلسکوپ بعدی صرفا در طیف فروسرخ کار کند.

پرتوی فروسرخ طیف الکترومغناطیس برای منجمان اهمیت خیلی زیادی دارد. نور مرئی کهکشان‌ها و ستاره‌هایی که در ابتدای پیدایش جهان و اندکی پس از مهبانگ بوجود آمدند در اثر انبساط کیهان به فروسرخ گراییده و در نتیجه ما می‌توانیم آن‌ها را در این طول موج ببینیم. بسیاری از مواد شیمیایی موجود در اتمسفر سیارات فراخورشیدی نیز فقط در طول موج فروسرخ قابل شناسایی هستند. اتمسفر زمین مانع گذر پرتوی فروسرخ است. بنابراین به یک رصدخانه‌ی فضایی فروسرخ مثل جیمز وب احتیاج داریم. «مت گرین‌هاوس» (Matt Greenhouse) که از دانشمندان پروژه‌ی جیمز وب است می‌گوید که این تلسکوپ اولین تصویر دقیق از کیهان در پرتوی فروسرخ میانی را به ما می‌دهد.

آینه‌ها و ابزارهای علمی جیمز وب تحت آزمایش‌های خیلی دقیق قرار دارند.

برای اینکه جیمز وب بتواند در فروسرخ رصد کند، مهندسان ناسا باید از پس چالش‌های بزرگی بر می‌آمدند. اولین چالش گرما است. تابش پرتوی فروسرخ را ما به شکل گرما حس می‌کنیم. اگر تلسکوپ بر اثر نور خورشید یا عوامل دیگر گرم شود، آن هنگام نویز زیادی ایجاد می‌شود و ابزارهای علمی برای تمایز قائل شدن بین نور فروسرخ آمده از دوردست‌های کیهان و گرمای ابزارها و بدنه‌ی رصدخانه دچار مشکل می‌شوند. به همین دلیل مهندسان باید کاری می‌کردند که دمای ابزارهای تلسکوپ به کمتر از منفی ۲۳۳ درجه‌ی سانتیگراد برسد. این کار نیازمند مهندسی و طراحی‌ خلاقانه است.

به جز گرما، مشکل دیگر این بود که یک آینه‌ی ۸ متری را نمی‌شد در کلاهک موشک جای داد. به همین دلیل آینه باید کاملا تا می‌شد. سپر گرمایی هم باید توانایی جمع شدن ‌داشت و در ضمن از غشایی کاملا نازک و سبک ساخته می‌شد. همچنین باید کل تلسکوپ در ضمن استحکام بالا، کاملا سبک بود و وزن آن از ۶ تن بیشتر نمی‌شد. این درحالیست که رصدخانه‌های فروسرخ زمینی هم اندازه‌ی جیمز وب چند برابر سنگین‌تر هستند. «اریک اسمیت» (Eric Smith) مدیر برنامه‌ی تلسکوپ جیمز وب می‌گوید: «ما می‌دانستیم که باید ۱۰ فناوری جدید خلق کنیم.»

مثلا آینه‌ی تلسکوپ هابل به صورت یکپارچه است. ولی آینه‌ی جیمز وب تکه تکه است و از آینه‌های کوچکتر شش وجهی ساخته شده. دقیقا همان نوع طراحی که در بعضی رصدخانه‌های زمینی مثل «تلسکوپ‌های کک» (Keck Telescopes) در هاوایی هم می‌بینیم. همه‌ی این آینه‌ها باید خیلی ظریف و دقیق کنترل شوند تا مثل یک اپتیک یکپارچه عمل کرده و بتوانند نور ورودی را خیلی دقیق کانونی کنند. زیر هرکدام از آینه‌های شش وجهی جیمز وب ۶ جک کنترل کننده قرار دارد که می‌تواند جهت آن‌ها را تغییر دهد. بعلاوه‌ی اینکه یک جک در مرکزشان میزان قوس آن‌ها را تغییر می‌دهد.

انتخاب ماده‌‌‌ی سازنده‌ی آینه هم چالش بزرگی است چرا که آینه‌ها باید شرایط محیطی خیلی سختی را تحمل کنند. از آن‌جا که هر ماده‌ای وقتی سرد شود تغییر شکل می‌دهد، بنابراین آینه‌ها به هنگام تراشیده شدن باید به شکلی درآیند که در دمای معمولی از نظر اپتیکی خطا داشته باشند، ولی وقتی به دمای منفی ۲۳۳ درجه‌ی سانتیگراد می‌رسند کاملا دقیق کار کنند. برای رسیدن به این هدف، سازندگان آینه از مدل‌های کامپیوتری خیلی دقیقی استفاده کردند و البته پا به فرایندی طولانی و طاقت فرسا گذاشتند. اینکه آینه را تراش بدهند، آن را سرد کنند، میزان تراش را اندازه‌ بگیرند، آینه را گرم کنند، دوباره تراش بدهند، سرد کنند و این فرایند بارها ادامه پیدا کند. سازندگان آینه باید انتخاب می‌کردند که می‌خواهند در ساخت آینه از شیشه و یا از فلز بریلیوم استفاده کنند. در نهایت بریلیوم را برگزیدند چرا که کاملا مستحکم و در عین حال سبک است. این فلز به هنگام گرم و سرد شدن خیلی قابل پیش‌بینی است.

طراحی نهایی جیمز وب در سال ۲۰۰۱ مطابق بر بلندپروازی‌های اولیه‌ی ناسا نبود. نگرانی‌ها درباره‌ی هزینه‌های افسارگسیخته‌ی این پروژه باعث شد که قطر آینه از ۸ متر به ۶٫۵ متر کاهش یابد و تعداد قطعات آینه از ۳۶ به ۱۸ قطعه برسد. در نهایت سطح جمع آورنده‌ی نور از ۵۰ متر مربع به ۲۵ متر مربع کاهش پیدا کرد. باز هم برای کاهش هزینه‌ها، ناسا تصمیم گرفت که از آینه‌هایی با دقت کمتر که نیاز به فرایند تراش ساده‌تری دارند، استفاده کند. این تغییر باعث می‌شود که جیمز وب در طول موج‌های فروسرخ نزدیک که بین ۱ تا ۲ میکرومتر هستند دقت کمتری داشته باشد. با این حال این مشکل بزرگی نیست چرا که تلسکوپ‌های زمینی همین الان این طول موج‌ها را پوشش می‌دهند. به هر حال پژوهشگران می‌گویند که جیمز وب در همین حالت هم می‌تواند به اهداف علمی کافی برسد.

مقایسه‌ی آینه‌های تلسکوپ هابل و جیمز وب

تا سال ۲۰۰۶، همه‌ی فناوری‌هایی که قرار بود در جیمز وب به کار گرفته شوند آماده شده و کارآمدی آن‌ها اثبات شده بود. طراحی نهایی انجام و ساخت قطعات مختلف شروع شد. در همین حال مهندسان ناسا شروع به طراحی آزمایش‌ّهایی کردند که باید جداگانه بر روی هرکدام از قطعات و وقتی قطعات به هم متصل می‌شدند، انجام می‌دادند. «اسکات ویلوبی» (Scott Willoughby) از شرکت نورثروپ گرومن که با پروژه‌ی جیمز وب همکاری می‌کند، می‌گوید: «به محض اتصال دو یا سه قطعه، آن‌ها را آزمایش می‌کنیم.»

برای آزمایش ابزارها و فهمیدن اینکه آیا می‌توانند شرایط پرتاب را تحمل کنند، پژوهشگران چهار دوربین فروسرخ و طیف‌نگارها را محفظه‌ای قرار دادند که به شدت می‌لرزید و می‌توانست شرایط پرتاب را شبیه‌سازی کند. در ضمن آن‌ها را در معرض بلندگوهایی خیلی قدرتمند که هرکدام به اندازه‌ی یک انسان بلندی داشتند قرار دادند تا ببینند آیا سر و صدای پرتاب را تحمل می‌کنند یا خیر.

تقریبا از همان ابتدای شروع آزمایش‌ها، مشکلات پدیدار شدند. گرم و سرد کردن‌های شدید باعث شد که برای آشکارساز‌های فروسرخ مشکلاتی بوجود بیاید. یکی دیگر از قسمت‌های خیلی مهم یعنی آرایه‌ی میکروشاتر در طیف‌سنج فروسرخ نزدیک هم در اتاق آکوستیک بر اثر صدای شدید دچار مشکل شد. این ابزار به اندازه‌ی چهار تمبر پستی است که از ۲۵۰ هزار فلپ کوچک تشکیل شده و هرکدام از این فلپ‌ها می‌توانند به صورت جداگانه باز شوند. بنابراین ابزار می‌تواند در یک میدان دید از ۱۰۰ کهکشان به صورت جداگانه طیف‌نگاری کند. این اولین طیف‌نگار چند جرمی است که در فضا قرار داده می‌شود.

سازندگان این ابزارها مجبور شدند که در طراحی خود تجدید نظر کنند. کم کم آن‌ها توانستند قطعات و ابزارهایی بسازند که می‌توانستند از آزمایش‌ها سربلند بیرون بیایند. «مارسیا ریکه» (Marcia Rieke) از رصدخانه‌ی استوارد دانشگاه آریزونا در توسان که در پروژه شرکت دارد می‌گوید: «ما کاملا از عملکرد راضی هستیم.» او ادامه می‌دهد: «ما خیلی به پرتاب نزدیکیم.» درحالی که ابزارهای مختلف درحال آماده شدن بودند، عده‌ای دیگر آینه‌های شش وجهی را روی پلتفرم نهایی نصب می‌کردند. این آینه‌ها که هرکدام ۱٫۳ متر قطر دارند آن‌قدر سبک هستند که هرکدام از آن‌ها را یک نفر می‌تواند حمل کند. هرکدام از آن‌ها بسته به کیفیت اپتیکی باید در قسمت خاصی از پلتفرم جای بگیرد تا در نهایت آینه‌ی کامل را بسازند.

روی تصویر کلیک کنید تا اینفوگرافیک را در ابعاد بزرگتر ببینید.

اکنون همه‌ی ابزارها آزمایش و آینه سر هم شده است. در ماه مارس امسال آینه و ابزارها به هم می‌رسند. سپس در این مرحله که تقریبا تلسکوپ کامل شده، پکیج کامل را به قسمت آزمایش تحمل ارتعاش و بعد از آن اتاق آکوستیک تحمل صدای شدید می‌برند. سپس یک شب آن را در محفظه‌ی حمل قرار می‌دهند و درون کامیونی که با سرعت ۸ کیلومتر بر ساعت حرکت می‌کند می‌گذارند تا آن را از مرکز گادرد به پایگاه هوایی اندروز ببرند. آن‌جا سوار یک هواپیمای غول پیکر «سی-۵ گلکسی» (C5 Galaxy) می‌شود تا به هیوستون تگزاس پرواز کند. در هیوستون مهندسان ناسا تلسکوپ را در عالمی مجازی قرار می‌دهند. جایی که تلسکوپ با نورهای مصنوعی نورگیری می‌شود و مهندسان دقیق نگاه می‌کنند که پرتوی نور چگونه به تلسکوپ وارد می‌شود، از آینه‌ها بازتاب می‌شود و به ابزارها می‌رسد. بدین ترتیب مهندسان می‌توانند هر خطایی در آن را مشاهده کنند. گرین‌هاوس می‌گوید: «این کار برای هابل انجام نشد. ما در این ماموریت از این آزمایش نمی‌گذریم.» گرین‌هاوس اشاره به همان اتفاق بدی می‌کند که برای هابل افتاد و اپتیک آن خیلی خوب نمی‌توانست اجرام عمق فضا را ببیند.

بعد از این کار تلسکوپ دوباره با هواپیمای سی-۵ گلکسی به ساحل ردوندو در کالیفرنیا جایی که نورثروپ گرومن باس و سپرگرمایی را می‌سازد، می‌رود. در آن‌جا رصدخانه‌ی کامل شکل می‌گیرد. در این مرحله رصدخانه آن‌قدر بزرگ است که نمی‌توان آن را درون هواپیما جای داد. بنابراین آن‌جا سوار کشتی از کانال پاناما رد می‌شود تا به پایگاه گویان فرانسه برسد. جایی که یک موشک آریان ۵ انتظار آن را می‌کشد. در اکتبر ۲۰۱۸ موشک آریان جیمز وب را به سوی نقطه‌ی دوم لاگرانژی پرتاب می‌کند. جایی در فاصله‌ی ۱٫۵ میلیون کیلومتری زمین که در آن تلسکوپ می‌تواند ثابت بماند و در کنار زمین به دور خورشید گردش کند. این سفر ۲۹ روز طول می‌کشد.

جیمز وب در طول سفر شروع به باز شدن و به کار انداختن ابزارهایش می‌کند. ماونتین می‌گوید که استقرار رصدخانه در «سه هفته‌ی وحشت» صورت می‌گیرد. او ادامه می‌دهد: «تا به حال کسی این کار را انجام نداده است.» اول پنل‌های خورشیدی و آنتن‌ها باز می‌شوند تا برق و ارتباط رصدخانه برقرار شود. سپس سپرگرمایی باز می‌شود تا تلسکوپ و ابزارهایش خنک شوند. در نهایت هم آینه‌ی ثانویه در موقعیت قرار می‌گیرد. پس از اتمام همه‌ی این مراحل، زمان نفس گیر نورگیری تلسکوپ می‌رسد. زمانی که تلسکوپ به آسمان نگاه می‌کند. به نظر می‌رسد که همه‌ی مراحل آماده کردن تلسکوپ بعد از پرتاب حدود ۶ ماه طول بکشد. تا آن زمان فشار زیادی روی سازندگان جیمز وب وجود دارد. با این حال همه‌ی آن‌ها امیدوار هستند. «پیر فروت» (Pierre Ferruit) که یکی از دانشمندان مشغول در این پروژه است می‌گوید: «حتی برای کسانی که در این ماموریت کار می‌کنند هم فوق‌العاده است.» او می‌افزاید: «شاهد تاریخ بودن خیلی هیجان انگیز است.»

حتما ویدیوی زیر که درباره‌ی تلسکوپ فضایی جیمز وب توضیح می‌دهد را ببینید یا از این‌جا دانلود کنید:

.

منبع: ScienceMag