پس از سال‌ها کار و تلاش و هزینه تلسکوپ فضایی دهه جدید، تلسکوپ جیمز وب، کار علمی‌اش را آغاز کرده است. در این مقاله مرور کوتاهی داریم بر توانایی‌های این تلسکوپ و نخستین تصاویری که از آن منتشر شده است.
رصدخانه‌ی جیمز وب
تلسکوپ فضایی جیمز وب حاصل همکاری سه سازمان فضایی آمریکا (ناسا)، اروپا (اِسا)، و کانادا (سی‌اِس‌اِی) است که در دسامبر ۲۰۲۱ (دی ۱۴۰۰) با موفقیت کامل با موشک فرانسوی آرین ۵ به فضا پرتاب شد. جیمز وب یک رصدخانه‌ی فروسرخ فضایی است شامل تلسکوپی با قطر ۶.۵ متر، چهار ابزار علمی، پنج لایه‌ی خورشیدی، یک صفحه‌ی انرژی خورشیدی، و ابزارها و آنتن‌های ارتباطی.
چرا طول‌موج فروسرخ؟
اجرام کیهانی در طول‌موج‌های گوناگون تابش می‌کنند و برای آنکه تصویر کاملی از فرایندهای فیزیکی و شیمیایی داخل کهکشان‌ها، ستاره‌ها، و سیاره‌ها به دست بیاوریم، باید نگاه چند-طول‌موجی داشته باشیم: از پرتو ایکس تا امواج رادیویی. طول‌موج فروسرخ تابش غبار را نشان می‌دهد. ستاره‌های تازه متولدشده و قرص‌های پیش‌سیاره‌ای (محلی که سیارات در آن متولد می‌شوند) در پوششی از غبار پنهان هستند که برای بررسی آن‌ها باید در طول‌موج فروسرخ رصدشان کنیم. همچنین، ملکول‌های خاص مثل آب فقط در طول‌موج فروسرخ تابش می‌کنند. از طرف دیگر، به علت انبساط کیهان و پدیده‌ی انتقال‌به‌سرخ نور مرئی و فرابنفش کهکشان‌های آغازین کیهان که از جمعیت‌های ستاره‌ای آن‌ها تابش می‌شود، به طول‌موج‌های بلندتر فروسرخ انتقال پیدا کرده است. همه‌ی این دلایل، انتخاب طول‌موج فروسرخ را برای رصدخانه‌ی جیمز وب در اولویت قرار داد.
ابزارهای علمی رصدخانه
شکل ۱: سحابی حمال (carina) در کهکشان راه‌شیری. این تصویر با دوربین نیرکم گرفته شده است و ابرهای گازی و غباری اطراف محل تولد ستاره‌ها را نشان می‌دهد. Credit: NASA, ESA, CSA, STScI
دوربین فروسرخ نزدیک یا نیرکَم (Near Infrared Camera or NIRCam)
شکل ۲: نیرکم ۲۹ فیلتر در طول‌موج‌های ۰/۶ تا ۵ میکرون دارد. در این تصویر تابع تراگسیل (transmission curve) این فیلترها نشان داده شده است. همان‌طور که می‌بینید، فیلترها پهناهای متفاوتی دارند که برای مقاصد علمی مختلف استفاده می‌شوند. Credit: STScI
نیرکم یکی از ابزارهای اصلی جیمز وب است که ۳ قابلیت رصدی با ۲۹ فیلتر در طول‌موج‌های ۰/۶ تا ۵ میکرون (شکل ۲) دارد. اولین و مهم‌ترین آن‌ها قابلیت تصویربرداری (photometry or imaging) است. بسیاری از تصاویر اولیهی رونمایی‌شده با جیمز وب با این دوربین گرفته شده است، برای مثال تصویر فوق‌العاده‌ی سحابی حمال (carina) که ابرهای گازی و غباری یک زایشگاه پر آشوب ستاره ای را نشان می‌دهد (شکل ۱).
نیرکم همچنین یک طیف‌سنج بدون‌شکاف گریسم (grism) و یک کوروناگراف (یا تاج‌نگار) دارد. ابزار طیف‌سنج بدون‌شکاف، نور رسیده از هر جرم آسمانی در میدان دید را پخش می‌کند و طیف آن را ثبت می‌کند. در نیرکم این ابزار در طول‌موج‌های ۲/۴ تا ۵ میکرون کار می‌کند.
شکل ۳: ابزار تاج‌نگار رصدخانه‌ی خورشیدی SOHO. با پوشاندن قرص خورشید، این ابزار تاج کم‌نور اطراف خورشید را نشان می‌دهد. Credit: ESA/NASA/SOHO/GSFC
قابلیت سوم نیرکم کونوروگرافی یا تاج‌نگاری است که تصاویر با کنتراست بسیار بالا تولید می‌کند و معمولا برای رصد قرص‌های پیش‌سیاره‌ای یا رصد مستقیم سیارات فراخورشیدی از آن استفاده می‌شود. خرمن‌نگارها معمولا یک صفحه‌ی تاریک دارند که در مقابل جرم پرنور قرار می‌دهند تا جلوی نور آن را بگیرد و کمک کند تا اجرام بسیار کم‌نورتر را که در اطراف آن هستند بتوان دید. چون از این ابزار اولین بار برای رصد تاج خورشید (corona) استفاده می‌شد، نام تاج‌نگار به آن داده شده است (شکل ۳). در جیمز وب، از این ابزار برای پوشاندن نور ستاره‌ها استفاده می‌شود تا بتوان سیارات کم‌نور یا قرص‌های غباری پیش‌سیاره‌ای اطراف ستاره را دید.
شکل ۴: تصویر ژرف دوربین فروسرخ نزدیک (چپ) و طیف کهکشان‌های آغازین کیهان با ابزار طیف‌سنج فروسرخ نزدیک (راست). این طیف‌ها خطوط نشری هیدروژن و اکسیژن را در چند صد میلیون سال آغاز کیهان نشان می‌دهند!
Credit: NASA/ESA/CSA/STScI
طیف‌سنج فروسرخ نزدیک یا نیراِسپِک (Near Infrared Spectrograph or NIRSpec)
ابزار نیرسپک ابزار اصلی طیف‌سنجی در طول‌موج‌های ۰/۶ تا ۵/۳ میکرون است که دو قابلیت طیف‌سنجی دارد: طیف‌سنج چندجرمی (Multi-object) و طیف‌سنج میدانی (Integral Field).
در یک طیف‌سنج چندجرمی، یک ماسک با شکاف‌های کوچک ساخته می‌شود که هر شکاف به روی یک جرم باز می‌شود تا نور جرم را برای طیف‌سنجی پراش دهد. این ابزار مخصوص رصد کهکشان‌ها دور و میدان‌دیدهای شلوغ است، چون با این ابزار می‌توان همزمان طیف با کیفیت بالا از ده‌ها جرم آسمانی گرفت. این قابلیت در شکل ۴ نشان داده شده است. هر طیف در سمت راست تصویر متعلق به یکی از اجرام رصد‌شده در عکس دوربین نیرکم (چپ) است. ابزارهای طیف‌سنجی با شکاف کیفیت (resolution) بالاتری نسبت به طیف‌سنج‌های بی‌شکاف دارند. به همین علت می‌توان خطوط نشری و جذبی عناصر و ملکول‌های مختلف را با کیفیت بالا با آن‌ها رصد و ثبت کرد. در شکل ۴، خطوط نشری هیدروژن یونیزه و اکسیژن یونیزه را در کهکشان‌های آغازین کیهان می‌بینید. این اولین بار است که چنین ابزاری به فضا فرستاده شده است.
شکل ۵: طیف‌سنجی میدانی از سیاهچالهی مرکزی کهکشانی فعال. تابش گازهای اطراف سیاه‌چاله را در تصاویر پایین صفحه می‌بینید. از راست به چپ: هیدروژن ملکولی، هیدروژن اتمی، آهن یونیزه، هیدروژن اتمی. طول‌موج هر خط را در پایین عکس مربوطه می‌بینید. Credit: NASA/ESA/CSA/STScI
طیف‌سنج میدانی تلکولوژی خاصی دارد که از هر پیکسل تصویر یک طیف تهیه می‌کند. در این ابزار، عکس برش‌های عمودی داده می‌شود و نورِ هر برش تصویر پراش داده می‌شود تا طیف آن تهیه شود. به علت پیچیدگی، این ابزار میدان دید بسیار کوچکی دارد. از این ابزار پرقدرت بیشتر برای رصد و طیف‌سنجی کهکشان‌ها استفاده می‌شود. شکل ۵ طیف میدانی گرفته‌شده از سیاهچالهی مرکزی یکی از کهکشان‌های پنچ‌گانه‌ی استفان را می‌بینید. تصاویر پایین صفحه، هر کدام در یک طول‌موج خاص هستند که تابش عنصر یا ملکول مشخصی را نشان می‌دهند. همان‌طور که می‌بینید، ابرهای گازی اطراف سیاه‌چاله غنی از مواد مختلف هستند.
شکل ۶: طیف جو یک سیاره‌ی فراخورشیدی با ابزار نیریس. این طیف اجزای جو سیاره را، که در حال عبور از مقابل ستاره‌اش بوده است، نشان می‌دهد. خطوط نشری ملکول آب نشان داده شده‌اند. Credit: NASA/ESA/CSA/STScI
ابزار تصویربرداری و طیف‌سنجی بدون‌شکاف فروسرخ نزدیک یا نیریس ( Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph or NIRISS)
این ابزار امکان تصویربرداری (Imaging) و طیف‌سنجی بدون‌شکاف (Slitless Spectroscopy) در طول‌موج‌های ۰/۶ تا ۵ میکرون را دارد. این ابزار مکمل ابزار نیرکم است و قابلیت طیف‌سنجی بدون شکاف در طول‌موج‌های زیر ۲/۴ میکرون را نیز دارد. شکل ۶ طیف گرفته شده با این ابزار را از جو یک سیاره‌ی فراخورشیدی نشان می‌دهد. این سیاره در حال عبور از مقابل ستاره‌اش بوده است که این طیف از آن گرفته شده است. خطوط نشری آب را در این طیف می‌بینید. این اولین بار است که طیف فروسرخ با چنین کیفیتی از جو یک سیاره‌ی فراخورشیدی گرفته شده است!
شکل ۷: کهکشان‌های برخوردی در مجموعه‌ی پنج‌گانه استفان از دید دوربین فروسرخ میانه‌ی میری. مجموعه‌های ستاره‌ای و ابرهای غباری که میان کهکشان‌های برخوردی رد و بدل می‌شوند در این طول‌موج‌ها خودشان را به وضوح نشان می‌دهند. Credit: NASA/ESA/CSA/STScI
ابزار فروسرخ میانه یا میری (Mid Infrared Instrument or MIRI)
میری طولانی‌ترین طول‌موج رصدی را در بین ابزارهای جیمز وب دارد: ۵ تا ۲۸ میکرون. این ابزار سه قابلیت رصدی اصلی دارد: تصویربرداری (Imaging)، طیف‌سنجی میدانی (Integral Field Spectroscopy)، و تاج‌نگاری (Chronography).
شکل ۸: ۹ فیلتر رصدی دوربین میری در طول‌موج‌های ۵ تا ۲۸ میکرون. Credit: STScI
ابزار تصویربرداری ۹ فیلتر دارد که در شکل ۸ نشان داده شده‌اند. به علت طول‌موج بلندترش، با این ابزار می‌توان تابش مستقیم ابرهای غبار را در راه‌شیری و کهکشان‌های نزدیک رصد کرد. شکل ۷، مجموعه‌ی کهکشانی پنجگانه‌ی استفان را که با این ابزار تصویر برداری شده است نشان می‌دهد. در این تصویر، چهار کهکشان سمت راست در نزدیکی هم و در حال ادغام هستند و کهکشان سمت چپ به ما نزدیک‌تر است. تصویری که از این کهکشان‌ها می‌بینیم با تصویر کلاسیک کهکشان‌ها در نور مرئی بسیار متفاوت است (مقایسه کنید با تصویر نیرکم از این مجموعه). علت تفاوت این است که با میری سحابی‌های غباری را می‌بینیم که در نور مرئی دیده نمی‌شوند و ما تا کنون ابزاری در طول‌موج فروسرخ میانه با این کیفیت نداشته‌ایم. برای همین، این اولین بار است که ساختار غباری کهکشان‌ها را با چنین جزئیاتی می‌بینیم. برای مثال، تصویر میری جمعیت‌های ستاره‌ای را که در توده‌ای از غبار پنهان شده‌اند در کهکشان نزدیک‌تر سمت چپ نشان می‌دهد، و در کهکشان‌های سمت راست، پل‌های ابرهای غباری را که بین کهکشان‌های برخوردی رد و بدل می‌شوند می‌بینیم!
شکل ۹: طیف سیاهچالهی مرکزی کهکشانی فعال با طیف‌سنج میدانی میری. این طیف در طول‌موج‌های بلندتری نسبت به نیرسپک در شکل ۵ گرفته شده است و خطوط نشری هیدروژن ملکولی (راست)، نئون یونیزه (میانه) و آرگون یونیزه (چپ) را نشان می‌دهد. Credit: NASA/ESA/CSA/STScI
ابزار طیف‌سنج میدانی میری مانند طیف‌سنج میدانی نیرسپک کار می‌کند (بخش نیرسپک را ببینید) اما در طول‌موج‌های بلندتر ۵ تا ۲۸ میکرون. در این طول‌موج‌ها خطوط نشری و جذبی از عناصر و ملکول‌های دیگری را می‌توان دید. برای مثال، شکل ۹ طیف میدانی سیاهچالهی مرکزی کهکشان فعال را نشان می‌دهد که این بار با میری گرفته شده است و تابش آرگون و نئون یونیزه را علاوه بر هیدروژن ملکولی نشان می‌دهد. این تصاویر را مقایسه کنید با شکل ۵ که با نیرسپک در طول‌موج کوتاه‌تری گرفته شده است. با رصد اجرام در طول‌موج‌های گوناگون می‌توان به اجزای مختلف تشکیل‌دهنده‌ی آن‌ها پی برد. همچنین، با رصد خطوط نشری در اطراف سیاه‌چاله می‌توان سرعت دور‌شدن گازها را از سیاهچالهی مرکزی نیز اندازه‌گیری کرد و به کمک آن جرم سیاهچالهی مرکزی کهکشان را تخمین زد.
جیمز وب بزرگترین تلسکوپی است که به فضا فرستاده‌ایم و همان‌طور که در این مقاله خواندید، قابلیت‌های رصدی زیاد و متنوعی دارد. حساسیت بالای تلسکوپ و طول‌موج رصدی آن به ما کمک می‌کند بتوانیم به دوردست‌های کیهان، اعماق ابرهای غباری اطراف ستاره‌ها و قرص‌های پیش‌سیاره‌ای، و سیارات فراخورشیدی سفر کنیم. این تازه آغاز راه است. جیمز وب نگاه ما را به کیهان اطرافمان متحول خواهد کرد، همان‌طور که هابل در سه دهه‌ی گذشته نجوم مدرن را دگرگون کرده است. منتظر کشفیات جدید جیمز وب در ماه‌ها و سال‌های آتی باشید!
گردآوری: آیرین شیوایی
تصویر بالای مقاله: تصویری هنری از تلسکوپ جیمز وب در فضا. Artwork: NASA, ESA, Northrop Grumman
برای دسترسی به تصاویر با کیفیت بالای جیمز وب و توضیحات آن‌ها به اینجا می‌توانید رجوع کنید: https://webbtelescope.org
[…] از اهداف اصلی تلسکوپ جیمز وب کاوش کیهان اولیه می‌باشد (اینجا بیشتر راجع به تلسکوپ جیمز وب بخوانید)؛ به همین دلیل […]