جیمز وب؛ در جستجوی ‘نور اول’

cosmos

منبع تصویر، ESO/P.HORÁLEK

تاریکی مطلق پیش از نور اول.

نور اول را که نه اما اندک‌شماری، تجربه تاریکی مطلق را دارند، در اعماق یک غار یا در زیرزمین بی‌پنجره بی‌چراغ، اما معمولا کورسوی نوری هست. حتی آسمان شب هم سیاهی مطلق نیست، ستارگانی سوسو می‌زنند، دور و نزدیک.

این است که تصور تاریکی مطلق در بدو پیدایش آسان نیست، پیش از تولد ماده در بستر انرژی، وقتی فقط تاریکی بوده، نه ستاره‌ای، نه کهکشانی نه نوری.

به آن “عصر ظلمت کیهانی” لقب داده‌اند، عالم هستی پیش از برافروختن اولین ستاره، بین ۳۷۰ هزار تا یک میلیون سال بعد از مه‌بانگ (بیگ‌بنگ). دانشمندان می‌خواهند نگاهی به این عصر بکنند و به ما هم نشان دهند که این دوران چگونه به پایان رسید و نور بر ظلمت پیروز شد.

دریچه‌ای که از آن می‌توان عصر ظلمت را دید، بزرگترین تلسکوپ فضایی به روی ما باز می‌کند، تلسکوپ فضایی جیمز وب که می‌خواهد به به دوردست‌ترین جاهای فضا نگاه کند یا به عبارت دیگر، به دورترین زمان‌ها برگردد، خیلی دور، تا نزدیک لحظه پیدایش.

تلسکوپ معروف هابل هم که جیمز وب جایش را می‌گیرد، نمی‌توانست این‌چنین به ژرفای عالم هستی بنگرد. جیمز وب در مدار خیلی دورتری هم قرار می‌گیرد، در فاصله ۱/۵ میلیون کیلومتری زمین در دومین نقطه لاگرانژی، جاییکه می‌تواند در مدتی معادل زمین یک بار به دور خورشید بگردد. مدار هابل تقریبا ۵۶۰ کیلومتر با زمین فاصله داشت.

Webb

منبع تصویر، NASA

جیمز وب با آینه‌ای به پهنای ۶/۵ متر و چهار ابزار فوق‌حساس، به نقطه‌ای کوچک در فضا چشم خواهد دوخت تا پرتو نوری را بییند که ۱۳/۵ میلیارد سال در فضای لایتنهایی سفر کرده است.

جان مادر برنده جایزه نوبل و سردانشمند تلسکوپ جیمز وب می‌گوید این نور اول مثل “سرسوز‌ن‌ سرخ” خواهد بود:

“ما فکر می‌کنیم احتمالا از صد میلیون سال بعد از مِه‌بانگ، ستاره‌ها، کهکشان‌ها یا سیاه‌چاله‌هایی شکل گرفتند. در آن زمان تعدادشان زیاد نبوده اما اگر وجود داشته‌اند و اگر شانس با ما باشد، جیمز وب آنها را خواهد دید.”

حتی فکر اینکه هنوز می‌توان چنین چیزی یا آثار آن را مشاهده کرد، خود بسیار شگفت‌انگیز است. ولی سرعت محدود نور در این هستی بی‌کران و در حال گسترش، چنین چیزی را ممکن کرده است.

اگر کاوش را عمیق‌تر و عمیق‌تر در ژرفای فضا ادامه دهیم، باید در نهایت نور نخستین ستارگانی را ببینیم که با هم اولین کهکشان را تشکیل دادند.

تلسکوپ

نابراین ده سال برای طراحی و برنامه‌ریزی و بیست سال برای ساختن این دستگاه ده میلیارد دلاری صرف شده تا نقطه کم‌سوی قرمزی را در آسمان ببیند؟ چرا؟ که چه بشود؟

خب، شاید چون اینجا یکی از بنیادی‌ترین پرسش‌ها مطرح است، ما از کجا آمده‌ایم.

عالمی که در مه‌بانگ پا به هستی گذاشت، فقط هیدروژن بود و هلیم و اندکی لیتیوم و دیگر هیچ.

تمام عناصر جدول تناوبی (مندلیف) جز این سه بعدا در کوره ستارگان ساخته شدند و به وجود آمدند.

تمام کربنی که موجودات زنده را شکل می‌دهد یا نیتروژنی که بیشتر جو زمین را تشکیل می‌دهد یا سیلیسی که سنگ و خاک را می‌سازد همگی در واکنش‌های هسته‌ای در ستارگان شکل می‌گیرند یا در انفجارهای عظیمی که به عمر آنها پایان می‌دهد.

ما هستیم چون نخستین ستارگان و اعقاب آنها بذر ماده را در عالم کاشتند.

جیمز وب

ربکا بولر اخترشناس دانشگاه آکسفورد که در ساخت جیمز وب شرکت دارد می‌گوید ماموریت این تلسکوپ فضایی کاوش در پیدایش است، همان اصطلاح معروف که “ما همه غبار ستارگانیم.”

او می‌گوید از اینکه می‌تواند “شاهد روند شکل‌گیری اولین اتم کربن” باشد بی‌اندازه خوشحال است.

ما چیز زیادی از ستارگان اولیه نمی‌دانیم. کاری که می‌توانیم بکنیم این است که با قوانین فیزیک و مدلسازی کامپیوتری، درکی پیدا کنیم از آنچه که ممکن است اتفاق افتاده باشد.

مارسیا ریکه سرناظر دوربین تلسکوپ جیمز وب تخمین می‌زند ستارگان اولیه جرمی “بین صد تا هزار برابر خورشید” داشته‌اند:

“در واقع یک قاعده در مورد همه ستارگان صدق می‌کند، عمر ستاره رابطه عکس دارد با جرم آن، هر چه جرمش بیش، عمرش کوتاهتر، یعنی سوختش را سریعتر مصرف می‌کند. بنابراین ستارگان اولیه احتمالا فقط یک میلیون سال یا در این حدود عمر کرده‌اند.”

زندگی سریع‌، عمر کوتاه. خورشید ما در قیاس کند و تنبل به نظر می‌رسد، پنج میلیارد سال است که می‌درخشد و احتمالا پنج میلیارد سال دیگر هم همچنان می‌تابد.

یکی از دوردست‌ترین تصاویری که هابل گرفته است

ما اینکه جیمز وب فقط قرار است دنبال نور ستارگان اولیه بگردد آن را خیلی “تک‌منظوره” نمی‌کند؟ پاسخ این است که جیمز وب فقط دنبال نور اول نمی‌گردد، دنبال هر چیزی است که بتواند ببیند، از قمرهای منجمد و دنباله‌دارها در منظومه شمسی تا سیاه‌چاله‌های عظیم در مرکز کهکشان‌ها.

جیمز وب باید آماده مطالعه ستاره‌ها و سیاره‌های اطراف آنها باشد و تنظیم شده تا تمام اجرام هدف را نگاه کند، البته به یک شکل خاص، در پرتو فروسرخ.

هابل تنظیم شده بود تا بیشتر نور مرئی را رصد کند، همان طول موج‌هایی که چشم ما می‌بیند، اما جیمز وب بخصوص برای رصد طول موج‌های بلندتر تنظیم شده، همان طول‌موج‌هایی که از دوردست‌ترین اجرام به ما می‌رسند اما برای ما مرئی نیستند.

ریچارد الیس اخترشناس دانشگاه یوسی‌ال در لندن بی‌صبرانه منتظر کاوش در پایان عصر ظلمت و انفجار نور است: “عالم هستی در حال انبساط است و نور ستارگان بسیار دوردست به سمت قرمز طیف نور میل می‌کند.”

“عاملی که کار هابل را محدود می‌کند این است که آنقدر دور را نگاه نمی‌کند که به طیف فروسرخ ستارگان اولیه برسد و چیزی را که ما می‌خواهیم رصدکند. هابل تلسکوپ خیلی بزرگی هم نیست. البته تردیدی نیست که پیشتاز بوده و عکس‌های اعجاب‌انگیزی گرفته است. توان تلسکوپ با توان دوم قطر آینه‌اش نسبت دارد و آینه هابل ۲/۴ متر قطر دارد. برای همین هم به جیمز وب نیاز است.”

تلسکوپ جیمز وب

رتو فروسرخ (مادون قرمز) را ویلیام هرشل در قرن هجدهم کشف کرد. او ساخت آینه تلسکوپ را هم متحول کرد. ماشین دستی او می‌توانست صفحه‌ای مدور از آلیاژ قلع و مس را آنقدر صیقل دهد تا “آینه” شود.

اما هرشل هم احتمالا ابتکاری را که در ساخت آینه جیمز وب بکار رفته تحسین می‌کرد.

آینه تلسکوپ جیمز وب از فلز بریلیوم ساخته شده که سبک است و در دمای بسیار کم شکل خود را حفظ می‌کند. روی آن را لایه‌ بسیار نازک طلا پوشانده، به ضخامت چند صد اتم.

این ورقه زر آینه را برای بازتاب پرتو فروسرخ تقریبا به کمال می‌رساند و تقریبا ۹۸ درصد نور را منعکس می‌کند، یعنی پرتوهایی که از ستارگان دوردست به این آینه برسند خیلی کم از دست می‌روند.

تلسکوپ فضایی

نهایی که این آینه چند تکه ۶/۵ متری را دیده‌اند به کیفیت خیره‌کننده آن اذعان کرده‌اند. حتی برای آنهاییکه دو دهه صرف ساختن آن کرده‌اند، شکوه این آینه عادی نشده است.

لی فینبرگ سرپرست گروه آینه جیمز وب زمان‌هایی را به خاطر می‌آورد که آینه رو به پایین بود و او باید زیر آن می‌رفت تا سامانه نوری آن را بازرسی کند:

“لباس اتاق تمیز پوشیده بودم و از زیر به این سطوح طلایی نگاه می‌کردم و انعکاس خودم را می‌دیدم، همه این صفحات طلا روی من تمرکز کرده بودند و من این انرژی فوق‌العاده حس می‌کردم که در مرکز همه‌شان هستم.”

آینه اصلی هابل مشکلی جدی داشت. وقتی هابل در سال ۱۹۹۰ در مدار قرار گرفت دانشمندان فهمیدند که آینه آن خوب صیقل نخورده و اولین تصاویری که ارسال می‌کرد تار بودند.

تا فضانوردان مشکلات آینه را اصلاح نکردند هابل نتوانست بوضوح ببیند، برای همین هم تردید در اینکه آینه جیمز وب بی‌نقص باشد نامعقول نیست.

در اوت ۲۰۱۷، طوفان سهمگین هاروی از فراز تکزاس عبور نکرد، بالای آن ماند و ۱۲۷ میلیارد تن باران را بر این ایالت ریخت. وقتی ایالت زیر آب رفت، جیمز وب هم آنجا بود، در مرکز فضایی جانسون در شهر هیوستون، برای یک تست حیاتی، برای اینکه معلوم شود آینه آماده پرتاب است با نه.

مهندسان جیمز وب را در شبیه‌ساز فضایی قرار داده بودند، همانجایی که سخت‌افزار هدایت آپولو و لباس فضانوردان را در دهه ۱۹۶۰ تست کرده بودند.

این محفظه خلا عظیم یکجا تلسکوپ جیمز را (بدون سپر خورشیدی) در خود جا داده بود. هدف از این تست سه ماهه قرار دادن آینه‌ها در سرمای منفی ۲۳۳ درجه سانتی‌گراد (۴۰ درجه کلوین) بود تا ببینند آیا در این دما تنظیم کانونی آینه‌ها همان است که باید باشد یا نه.

برای کسانی هم که روی چهار ابزار فوق‌حساس جیمز وب کار می‌کردند، این فرصتی بود تا کار آنها را در شرایطی نزدیک به واقعی ارزیابی کنند.

جیمز وب داخل محفظه آپولو

منبع تصویر، NASA/CHRIS GUNN

پیش‌فرض این بود که از پس هاروی برمی‌آیند.

البته مجبور شدند کامپیوترهایی را که بیرون محفظه آپولو با جیمز وب در ارتباط بودند، با نایلون بپوشانند تا آبی که به دلیل طوفان از سقف چکه می‌کرد به آنها آسیب نزند. اما در داخل محفظه آپولو، جای جیمز وب امن و امان بود و آزمایش هم نشان می‌داد “مشکل هابل” را ندارد.

لی فینبرگ می‌گوید: “قطعات آینه اصلی در پشت خود موتوری دارند که امکان جابجایی آنها و حتی تغییر انحنایشان را می‌دهد.”

“قطعات آینه وقتی به فضا می‌رسند هم‌سطح و هم‌راستا نیستند و این موتورها باید این ناهم‌راستایی را از چند میلی‌متر به چند نانومتر کاهش دهند. یعنی یک میلیون برابر دقیق‌تر کنند.”

در واقع وظیفه این موتورها این است که ۱۸ تکه آینه مثل یک قطعه واحد عمل کنند.

بگونیا ویلا مهندس ابزار دقیق ناسا می‌گوید: “در محفظه آزمایش همین کار را کردیم. ما می‌دانیم وقتی اولین بار آینه را برای ستاره‌ای تنطیم کنیم، ۱۸ لکه نور می‌بینیم چون ۱۸ قطعه آینه هم‌راستا نیستند. بعد ما این قطعات را تنظیم می‌کنیم تا این نقاط نورانی بر هم منطبق شوند و یک تصویر واحد را شکل دهند که کج‌روی (بیراهش) نوری ندارد و برای کار مناسب است. ما می‌دانیم که جیمز وب درست کار می‌کند.”

آینه برش‌زن

گر می‌خواهید بفهمید جیمز وب چقدر تلسکوپ فوق‌العاده‌ای است و چرا ساختش بیست سال طول کشیده کافی است نگاه کنید به ظروف پلاستیکی در دار که برای این تلسکوپ ساخته‌اند.

ظاهرشان مثل همین ظرف‌هایی است که با آن غذایتان را سر کار می‌برید ولی کیفیت‌شان فضایی است.

جیلین رایت مدیر مرکز فناوری اخترشناسی بریتانیا می‌گوید “تمام استانداردهای بین‌المللی رعایت شده‌اند” برای اینکه محتویات این ظرف، “سال‌ها بدون ذره‌ای آلودگی تمیز بمانند”.

داخل ظرف یک “آینه بُرش‌زن” یدکی قرار دارد، یکی از قطعات “ابزار میان-فروسرخ” (میری) که جیلین و همکارانش ساخته‌اند.

“میری” در واقع ترکیب دوربین، طیف‌سنج نوری و ستاره‌نگار (کروناگراف) است.

آینه برش‌زن شبیه یک آکاردئون مینیاتوری است، تقریبا به اندازه یک سکه پانصد تومانی که با طلا پوشانده شده است. این آینه کوچک از نوارهای شیب‌داری تشکیل شده که پله‌پله کنار هم قرار می‌گیرند.

این ساختار امکان می‌دهد که این آینه هم تصویر آسمان را دریافت کند و هم مثلا نور یک کهکشان یا لبه یک سیاه‌چاله را تفکیک کند و به طیف‌سنج بفرستد. طیف‌سنج، ترکیب شیمیایی، دما، چگالی و سرعت آن جرم را مشخص می‌کند.

اما آنطور که جیلین رایت می‌گوید “این کار نه فقط برای یک نقطه از تصویر بلکه همزمان برای تمام نقاط آن انجام می‌شود، یعنی از دو بعدی تبدیل به سه بعدی می‌شود. ما به آن می‌گوییم داده مکعبی.”

جیمز وب که هفت سال رئیس ناسا بود در فرود انسان روی ماه نقش مهمی داشت

منبع تصویر، NASA

جیمز وب که هفت سال رئیس ناسا بود در فرود انسان روی ماه نقش مهمی داشت

چنین کاری روی کره زمین انجام می‌شود اما برای تلسکوپ فضایی یک نوآوری است. دقت مهندسی‌ای که چنین کاری در فضا نیاز دارد چالش بی‌نهایت بزرگی است. نوارها باید با دقت بسیار ساخته شوند تا لبه‌های بی‌اندازه تیز و ظریف داشته باشد وگرنه طول‌موج‌های مختلف نور از این لبه‌ها سرریز می‌شوند و تصویر را مخدوش می‌کنند.”‌

یک سال طول کشید تا نهادهای فضایی متقاعد شدند آینه‌های برش‌زن ویژگی‌های مورد نیاز را دارند. و نکته همینجاست، این همه کار برای یک قطعه بسیار کوچک در یک تلسکوپ بسیار پیچیده و بزرگ.

برای سرهم کردن جیمز وب هر قطعه باید تست می‌شد، قبل و بعد از اتصال به قطعه دیگر. در واقع کل تلسکوپ بشکل یک عروسک روسی (عروسک‌های تودرتوی هم) ساخته شده است.

مارک کلمپین دانشمند سابق ناسا می‌گوید: “چون این رصدخانه، بزرگ و پیچیده است و چون باید در سرمای انجماد کار کند نمی‌شود همه چیر آن را یک‌باره سوار و بعد تست کرد.”

بنابراین، “همه ‌چیز جداگانه، در بسته‌بندی عایق حرارت، کاملا محفوظ شده است. سوار کردن از کوچکترین قطعات شروع می‌شود و پیش می‌رود و در هر مرحله تست می‌شوند. هر چه تلسکوپ بزرگتر و بزرگتر می‌شود، اینکه کار را به عقب برگردانید، ناممکن‌تر می‌شود.”

تصور کنید نزدیک به انتهای کار سوار کردن تلسکوپ، ناگهان معلوم شود یکی از آینه‌های برش‌زن نقص دارد. پیاده کردن این رصدخانه ده میلیارد دلاری سیاه‌ترین کابوس ممکن است.

،

جیمز وب در حالت تاشده

منبع تصویر، NASA/CHRIS GUNN

مارک مک‌کوریان، اخترشناس فروسرخ، ۲۳ سال‌ بعنوان مشاور سازمان فضایی اروپا در پروژه جیمز وب کار کرده و برخی قطعات آن را پیشتر دیده اما چند هفته پیش از پرتاب از پایگاه فضایی اروپا در گویان فرانسه، برای اولین بار فرصت پیدا کرد تلسکوپ را کامل را ببیند.

با هیجانی در صدا گفت: “نمی‌دانم چه بگویم. شگفت‌انگیز است.”

تلسکوپ اکنون در حالت تاشده است و دو رنگ از آن فوران می‌کند، طلایی آینه‌ها و نقره‌ای روکش‌های عایق که کمی هم به بنفش می‌زنند. با اینکه تلسکوپ تاشده اما هنوز به اندازه یک اتوبوس است.

این “اتوبوس”، سروته در نوک مخروطی موشک آریان جا می‌گیرد. مارک مک‌کوریان از اندازه تلسکوپ حیرت کرده و می‌گوید: “وقتی تلسکوپ در فضا باز می‌شود، مثل پرنده‌ای که آزاد در فضا پرواز می‌کند، این صحنه دیدن ندارد؟”

جیمز وب

جیمز وب در تمام مدتی که در دست ساخت بوده با منتقدان و منفی‌بافان دست و پنجه نرم کرده، کسانی که مثلا می‌گفتند این تلسکوپ “بیش از حد پیچیده” است.

موضوع وقتی کمی ترسناک می‌شود که در نظر بگیریم جیمز وب تا بتواند رصد کائنات را آغاز کند، باید ۳۴۴ مرحله سرنوشت‌ساز را با موفقیت پشت سر بگذارد. مهندسان به چنین مراحلی “تک‌نقص از کارانداز” (single point failure) می‌گویند، یعنی اگر عملکردی سر وقت و طبق برنامه اجرا نشود احتمالا کل سامانه کار نخواهد کرد.

بعضی از این عملیات سرراست هستند مثل فعال شدن صفحه خورشیدی و آنتن رادیویی در چند دقیقه اول بعد از راه‌اندازی. حتی باز شدن قطعات آینه اصلی هم تقریبا کاری عادی تلقی می‌شود.

اما وقتی کار به سپر حرارتی می‌رسد وضع فرق می‌کند، این سپر که به اندازه زمین تنیس است جیمز وب را از پرتوها و حرارت خورشید در امان نگه می‌دارد.

کریستال پوگا از شرکت هوافضای نورتوپ گرومن بیشتر توضیح می‌دهد: “برای راه‌اندازی بعضی از سخت‌افزارهای مهم، ۱۴۰ سازوکار رهاسازی، نصب و راه‌اندازی هشت موتور و سرهم کردن ۷۰ لولا را باید انجام دهیم، در کنار نصب و راه‌اندازی بلبرینگ‌ها (یاتاقان)، فنرها، چرخ‌دنده‌ها، ۴۰۰ قرقره مکانیکی (پولی) و ۹۰ کابل در مجموع به طول ۴۰۰ متر.”

“برای اینکه همه اینها کاملا به ترتیب و بموقع انجام شوند، در طی سال‌ها بارها در ابعاد کوچک و واقعی تمرین کرده‌ایم. ما فقط راه‌اندازی را تمرین نکردیم بلکه بسته‌بندی و بارگیری را هم تمریم کردیم و همین به ما این اعتماد به نفس را می‌دهد که جیمز با موفقیت راه‌اندازی می‌شود.”

Webb

منبع تصویر، EPA

برای ما که از نزدیک در جریان نیستیم مثلا باز شدن تلسکوپ تاشده در فضا خیلی ترسناک به نظر می‌رسد، اگر یکی از بندهایی که این پوشش‌های فوق‌نازک را می‌کشند شل شوند یا حتی بدتر، در بروند چه می‌شود؟

جان مادر نگران نیست، سال‌ها کار در ساخت این تلسکوپ به او رویکردی فلسفی داده است: “من خیالم راحت است” اما “از این هم آگاهم که هر چقدر نقشه‌ات عالی باشد، مثل ما که یک نقشه خیلی خوب داریم، باز هم اتفاق‌های بد ممکن است بیفتند. مسئله این است که نظر من تاثیری بر سخت‌افزارها ندارد، نگرانی من هم تاثیری بر دستگاه‌ها ندارد. بنابراین من اغلب نگران نیستم.”

sky

منبع تصویر، NASA/ESA

ینجا باید بالاخره به یک موضوع دیگر بپردازیم، هزینه. عددی که همه به ان اشاره می‌کنند ده میلیارد دلار است، برای بیست سال ساخت، پرتاب و راه‌اندازی و پنج سال کار جیمز وب در فضا.

خود رقم بتنهایی خیره‌کننده است اما به یاد داشته باشیم که هابل هم تلسکوپ گرانی بود. به پول امروز این تلسکوپ تاریخی بیش هفت میلیارد دلار برای ساخت، قرار گرفتن در فضا و تعمیر خرج برداشت. تا الان باید هزینه هابل دو برابر آن شده باشد.

اما به نظر می‌رسد آنچه هابل از عالم هستی و جای ما در آن نشان داد ارزش هزینه‌اش را داشت.

اگر جیمز وب منشا ستارگانی ما را به ما نشان دهد، آیا کسی از هزینه‌اش شکایت خواهد کرد؟

پیتر یانسن مدیر پروژه سابق در سازمان فضایی اروپا می‌گوید ارقام هزینه جیمز وب در ظاهر پر از صفر هستند، “فقط اروپا ۸۰۰ میلیون دلار خرج کرده است.”

“اما اگر این را به شهروندان اروپا سرشکن کنیم، معادل نوشیدن یک فنجان قهوه ارزان در یک کافه ارزان در طول بیست سال است.”