پاسخ به ۲۰ سوال مهم درباره تلسکوپ فضایی جیمز وب

نگار رادفر

کارشناسی ژنتیک (سلولی مولکولی)، علاقمند به کیهان‌شناسی و اخترزیست‌شناسی

نکات کلیدی:

• قرار است تلسکوپ فضایی جیمزوب ناسا که اخیرا پرتاب شد، و اکنون در مکان نهایی خود استقرار یافته است در اواسط سال ۲۰۲۲ عملیات علمی خود را آغاز کند.
• دو ابزار اصلی نصب شده روی تلسکوپ، یعنی NIRCam مادون قرمز نزدیک و MIRI مادون قرمز میانی از دوربین‌های اصلی خواهند بود که کیهان را به شکلی که هرگز قبلا ندیده‌ایم به تصویر خواهند کشید.
• در یک مصاحبه اختصاصی ۲۰ سوالی با ۹ نفر از اعضای تیم جیمز وب، نگرشی عمیق‌تر درباره آن‌چه که از جیمز وب در انتظار همه‌ی ماست نمایان می‌شود.

در روز ۴ دی ماه ۱۴۰۰ ( کریسمس ۲۰۲۱)، عصر جدیدی در نجوم با پرتاب تلسکوپ فضایی جیمز وب به فضا آغاز شد. پرتابی بی‌نقص توسط موشک آریان ۵، تلسکوپ را به سرعت از زمین دور کرد تا پس از یک سفر یک ماهه، در حدود ۱۵۰۰۰۰۰ کیلومتر دورتر از زمین مستقر شود. در حالی که تمام اجزای آن اکنون به طور کامل استقرار یافته‌اند، کالیبراسیون، هم‌ترازی و آزمایش سیستم‌های مختلف آن آغاز شده است و ما را آماده می‌کند تا عملیات علمی را در خرداد ماه ۱۴۰۱ (ژوئن ۲۰۲۲) آغاز کنیم. جیمز وب با مجهز بودن به قابلیت‌هایی که هیچ تلسکوپ دیگری نمی‌تواند با آن برابری کند، آماده است ماموریتی را آغاز کند که می‌تواند تا ۲۰ سال به طول بیانجامد تا آن‌چه را که در مورد جایگاه خود در جهان می‌دانیم را متحول کند.

ما می‌توانیم در انتظار انفجار دانش جدید در زمینه‌های مختلف باشیم، از جمله:

• تصاویر بی‌سابقه‌ای از سیارات و قمرها در منظومه شمسی
• درک آنچه در جو نزدیک‌ترین سیارات فراخورشیدیِ هم‌اندازه با زمین وجود دارد
• مناظر دیده نشده‌ای از دیسک‌های پیش‌سیاره‌ای در اطراف ستارگان تازه متولد شده
• قدیمی‌ترین و دورترین کهکشان‌هایی که تاکنون دیده شده است
• و احتمالا برای اولین بار، رصد ستارگانی که از موادی ساخته شده‌اند که از اولین لحظات مهبانگ دست نخورده مانده‌اند.

اما این پیشرفت‌های علمی تنها به دلیل قابلیت‌های باورنکردنی ابزارهای جدید بر روی تلسکوپ فضایی جیمز وب، و تلاش‌های قهرمانان گمنام ستاره‌شناسی؛ دانشمندانی که سال‌ها برای درک توانایی‌ها و مقابله با محدودیت‌های خود کار کرده‌اند امکان‌پذیر شده است. آ‌ن‌ها که وجودشان برای ممکن کردن هر چیز غیر ممکنی ضروری است.

با اینکه در حالت کلی، آفتابگیر ۵ لایه و آینه طلایی قطعه‌بندی شده روی تلسکوپ فضایی جیمزوب، برجسته‌ترین ویژگی‌هایی هستند که می‌توان به آن نگاه کرد، قابلیت‌های ابزارهایی که در داخل آن قرار گرفته‌اند هم به همان اندازه مهم هستند. این ابزارها برای اندازه‌گیری جهان عمدتا در طیف مادون قرمز ـ در طول موج‌های نوری به مراتب بلندتر از آن‌چه چشم انسان می‌تواند ببیند طراحی شده‌اند. هر یک از چهار ابزار موجود در این نمونه از ابزار علمی یکپارچه، قابلیت‌های منحصر به فرد خود و در عین حال، محدودیت‌های خاص خود را نیز دارند.

• دوربین مادون قرمز نزدیک یا NIRCam، دوربین تصویربرداری اصلی در تلسکوپ فضایی جیمز وب است و برای کنار زدن غبار میان‌ستاره‌ای است که بیشتر نور قابل مشاهده برای چشم انسان را مسدود می‌کند و برای دیدن ژرفای آسمان، ایده‌آل است.
• طیف‌نگار فروسرخ نزدیک یا NIRSpec برای اندازه‌گیری «اثر انگشت» کیهانی اتم‌ها و مولکول‌هایی که در هر جسم اخترفیزیکی وجود دارند، ساخته شده است.
• ابزار فروسرخ میانی یا MIRI حاوی یک دوربین و یک طیف‌نگار است و می‌تواند سیارات، دنباله‌دارها، سیارک‌ها، غبار گرم میان‌ستاره‌ای و حتی دیسک‌های پیش‌سیاره‌ای را در اطراف ستارگان تازه ‌تشکیل‌شده آشکار کند. بلند‌ترین طول موجی که جیمزوب می‌تواند ببیند و بررسی ‌کند تا ۲۸ میکرون، یا در واقع حدود ۴۰ برابر بیشتر از حداکثر طول موجی است که چشم انسان قادر به مشاهده آن است.
• حسگر هدایت دقیق/تصویرگر مادون قرمز نزدیک و طیف‌نگار بدون شکاف یا FGS/NIRISS که به تلسکوپ کمک می‌کند تا اتمسفر سیارات فراخورشیدی را شناسایی، توصیف و اندازه‌گیری ‌کند.

این ابزارها اصلاً درباره چیست؟ چه کسی روی آنها کار می‌کند؟ و پس از شروع عملیات علمی تلسکوپ، آن‌ها به ما کمک خواهند کرد تا چه کارهایی را انجام دهیم؟

با تشکر از ۹ ستاره‌شناس متخصص، که همه استادیاران پژوهشی‌ای هستند که در حال حاضر با تیم‌های مختلف ابزارهای تلسکوپ کار می‌کنند که: اورت شلاوین (Everett Schlawin)، جارون لیزنرینگ (Jarron Leisenring)، استیسی آلبرتس (Stacey Alberts)، آندراس گاسپار (Andras Gaspar)، آیرین شیوائی (Irene Shivaei)، توماس بیتی (Thomas Beatty)، کریستینا ویلیامز (Christina Williams)، شویلر وولف (Schuyler Wolff)، و کوین هاین لاین (Kevin Hainline) – هستند؛ توانستیم به پاسخ‌های کاملی در قالب ۲۰ سوال که درباره تلسکوپ فضایی جیمزوب و ابزارهای علمی آن مطرح شده، دست یابیم.

پرسش اول: کاری که یک تیم پژوهشگر برای رصدخانه‌ای مانند تلسکوپ فضایی جیمزوب انجام می‌دهد، چیست؟

پاسخ (Everett Schlawin): تلسکوپ مانند یک سطل بزرگ است که نور را از کیهان جمع‌آوری می‌کند، اما یک تیم ابزار مسئول جمع‌آوری نور در پایین سطل است تا بتوانیم تصاویری را در زمین دریافت کنیم. به عنوان مثال، برای دوربین مادون قرمز نزدیک NIRCam، تیم تحقیقاتی مدت‌ها قبل از شروع کار من با Marcia Rieke و پیشنهاد تیم اصلی برای ساخت و ارائه ابزار، شروع به کار کرد. این به معنای طراحی، ساخت، آزمایش و اکنون روشن کردن و کالیبره کردن دوربین بود. تیمِ ابزار الکترونیکی؛ دوربین، آشکارسازها، قطعات متحرک، گرمکن‌ها، حسگرها، لنزها، آینه‌ها، پشتیبانی و ارتباط با مغز تلسکوپ را می‌سازد و پیکربندی می‌کند. در پایان، هدف این است که به آسانی بتوان جیمز وب را به یک جسم حائز اهمیت تبدیل کرد و تصاویر و طیف‌های شگفت‌انگیز را از آن جمع‌آوری کرد.

پرسش دوم: به طور گسترده گزارش شده است که ابزارهای علمی روی جیمزوب تقریبا بیش از ۱۰ سال پیش کامل شده بودند. اگر این‌طور است، چرا ما به تیم‌های پژوهشگر ابزاری بزرگ با چنین طیف گسترده‌ای از تخصص نیاز داریم؟

پاسخ (Everett Schlawin): حتی بعد از ساخت ابزار هم کار تمام شده نیست. در برخی موارد ممکن است قطعات نیاز به تعویض داشته باشند. [توجه: برای مثال به سوال بعدی مراجعه کنید!] بخش عمده کار یک تیم پژوهشی بزرگ این است که مطمئن شوند ابزارها مطابق انتظار عمل خواهند کرد. آن‌ها طی آزمایشات مختلف ممکن بود حرکت کنند، بلرزند، با امواج صوتی منفجر شوند، از اتمسفر خارج شوند و تا منفی ۳۸۷ درجه فارنهایت منجمد شوند. پس از تمام این سختی‌ها، که برای شبیه‌سازی پرتاب و فضا طراحی شده بود، مطمئن شدیم که هنوز هم کار می‌کنند. ما به متخصصان مختلفی نیاز داشتیم تا مطمئن شویم که دوربین می‌تواند روی درخشان‌ترین اجرام در آسمان شب که می‌توانید با چشم خود ببینید (اجرام منظومه شمسی) و همچنین کهکشان‌های کم‌نور نزدیک به لبه‌ی کیهانِ قابل مشاهده، کار کند. ما به مهندسانی نیاز داشتیم تا مطمئن شوند که موتورها و چرخ‌ها درست می‌چرخند. ما به یک گروه کامل از همکاران در Baltimore Maryland نیاز داشتیم تا با مرکز مدیریت و عملیات ماموریت، ارتباط برقرار کنند.

همه این مراحل به جیمز وب اجازه می‌دهد تا تصاویر و “رنگین کمان” طیفی از سیارات، ستارگان، کهکشان‌ها، ابرهای گازی، دیسک‌های غبار، همسایگی سیاه‌چاله‌ها و هر چیز جدیدی که باید کشف شود را آشکار سازد.

پرسش سوم: می‌دانیم که در اولین دسته از آشکارسازها، که توسط Teledyne، برای تلسکوپ فضایی جیمزوب طراحی شد، یک مشکل اساسی وجود داشت. چه اشتباهی رخ داد و تیم ابزاری جیمز وب چگونه به رفع مشکل کمک کرد؟

پاسخ (Jarron Leisenring): در طول آزمایش روتینِ آشکارسازها در سال ۲۰۱۰، دو تیم ابزار مستقل (از NIRCam و NIRSpec)  متوجه شدند که تعداد زیادی از پیکسل‌ها بر روی آشکارسازهای آن‌ها صرفا پس از چند سال پس از ساخت‌شان شروع به تخریب کرده‌اند. بدین ترتیب یک هیئت بازبینی برای بررسی مشکل، تعیین علت اصلی و تخمین تاثیر آن بر عملکرد علمی تلسکوپ تشکیل شد. با بررسی به سرعت متوجه شدند که علت اصلی نقص طراحی که باعث از هم‌گسیختگی پیکسل‌ها می‌شد،اجازه تشکیل میان‌فلزیِ ایندیم-طلا بود. شناسایی و حل این مشکل نیازمند تیمی متشکل از مهندسان و دانشمندان با مهارت‌ها و سوابق متنوع است. متعاقباً اصلاحی در فرآیند تولید اجرا شد و دسته جدیدی از آشکارسازها به سرعت تولید شدند. در نهایت مشخص شد که آشکارسازهای جدید بسیار بهتر از ردیاب‌های قدیمی حتی قبل از خراب شدن هستند، زیرا از پیشرفت‌های جدید که از آن زمان در ساخت نمونه‌های قبلی به کار گرفته شده بود بهره می‌بردند.

پرسش چهارم: چرا یک ستاره‌شناس، به ویژه یک ستاره‌شناس که مانند بسیاری از شما در نجوم رصدی تخصص دارد، می‌خواهد بخشی از یک تیم ابزار، مانند تیمی باشد که شما در آن هستید باشد؟

پاسخ (Stacey Alberts): فکر می‌کنم مانند بسیاری از دانشجویان فارغ‌التحصیل که برای اولین شغل پسادکتری خود تقاضا می‌دهند، یک مسیر شغلی سنتی را متصور بودم. در نجوم، این معمولاً به معنای چند موقعیت ۲-۳ ساله پسادکتری در نقاط مختلف جهان و سپس پیشنهاد امیدوارکننده اما ترسناک برای یکی از کرسی‌های استادی رقابتی است. من برای کار فعلی خود در تیم ابزاری جیمز وب با پس‌زمینه‌ای آرمان‌گرایانه درخواست دادم، گمان می‌بردم که قطعا فاقد صلاحیت هستم. اما وقتی George Rieke سرپرست علمی (MIRI) به من ایمیل زد و درخواست گفتگو کرد، شروع به فکر کردن در مورد مسیری غیر سنتی‌تر کردم.

بخشی از پروژه‌ای مانند جیمزوب، کار کردن بر روی طرح‌های علمی اولیه و توسعه ابزار و کالیبراسیون مورد نیاز برای تحقق آن‌هاست. درواقع کار کردن بر روی این پروژه و تیم بزرگش فرصتی است که یک بار در زندگی تجربه می‌کنید تا چیزی معجزه‌آسا را ​​به واقعیت تبدیل کنید. در دانشگاه، ما اغلب بر ایستادگی و پایداری در جمع تاکید می‌کنیم، اما چیزی مانند جیمزوب بر شانه‌های هزاران نفر سوار می‌شود. برای ستاره‌شناسان رصدی جوانی مثل من، کار بر روی جیمز وب به این معنی بود که علاوه بر علمی که برای انجام آن آموزش دیده بودیم، باید در مورد نحوه ساخت سوسیس! کشفیات عمیق انجام دهیم و ابزارها را در مرکز پرواز فضایی Goddard در حالی که آینه جیمز وب در حال مونتاژ در اتاق کناری بود آزمایش کنیم. ما باید به مرکز فضایی جانسون برویم و همزمان با این که جیمزوب در یک اتاقک  cryovac ساخته شده برای ماموریت‌های آپولو استقرار یافته، مطالعات آشکارساز را گرفته و آنالیز کنیم. و اکنون می‌توانیم فعالیت‌های راه‌اندازی را اجرا کنیم و در کنار افراد حیرت‌برانگیز تیم در کنترل ماموریت جیمزوب در Baltimore کار کنیم.

ما با تمام وجود بر روی عملیاتی که به جیمزوب در یک میلیون مایل دورتر ارسال می‌شوند، کار خواهیم کرد و پیش خواهیم رفت. و هنگامی که این علم شکوفا می‌شود، ما اولین نفری خواهیم بود که این ویژگی‌های خاص را با داده‌های تلسکوپ شناسایی می‌کنیم (زیرا همان‌طور که ما بهتر از بسیاری می‌دانیم، هر ابزاری رفتارهای ناهنجار خود را هم دارد!) و آن‌ها را درک می‌کنیم و حقیقت علم را بهتر از گذشته برای همه آشکار می کنیم.

بسیاری از ما زمان بسیار بیشتری (شاید ۵، ۱۰ یا ۲۰ سال!) را نسبت به مسیرهای سنتی‌ای که توصیه می‌شود، در این نقش‌ صرف کرده‌ایم. حتی برخی به ما گفته‌اند که اگر می‌خواهید درازمدت در دانشگاه بمانید، این شغل مناسب نیست. و ما در پاسخ به آن‌ها می‌گویم: “آیا چیزی بیشتر از تلسکوپی مانند جیمزوب می‌خواهید؟!”

پرسش پنجم: من شنیده‌ام که برخی از ستاره‌شناسان شکایت می‌کنند که اعضای تیم ابزار، زمان رصدی «رایگان» را دریافت می‌کنند به جای این‌که مجبور باشند مانند بقیه برایش رقابت کنند. با این‌حال، وقتی به این موضوع نگاه می‌کنم که اعضای تیم از زمان مشاهده خود برای چه چیزی استفاده می‌کنند، به نظر می‌رسد که این علم «slam-dunk» است که بدون شک برای جامعه مفید خواهد بود. به ستاره‌شناسانی که موافق این موضوع نیستند چه می‌گویید؟

پاسخ (Andras Gaspar): هنگامی که یک رصدخانه یا ابزاری جدید راه‌اندازی می‌شود، اشتیاقی قابل درک در جامعه برای استفاده از آن، و همین‌طور برای باز کردن اسرار هیجان‌انگیزترین اجرام نجومی وجود دارد. اخترشناسان این تیم‌های ابزار علمی نیز، که بخش قابل توجهی از حرفهٔ خود را به طراحی، رقابت، ساخت، آزمایش، تایید، تحویل و سپس سفارش این ابزارها برای استفاده در کل جامعه اختصاص داده‌اند، سال‌ها به فکر کردن پرداخته‌اند. به عنوان مثال در رابطه با موارد مختلف علمیِ این ابزار خاص، و همین‌طور مواردی که قابلیت‌های جدید و منحصر به فرد آن‌ها را نشان می‌دهد. ارائه بخش کوچکی از کل زمانی که با جیمز وب به مشاهده خواهیم پرداخت – 16٪ در سه سال اول –  به این تیم‌ها تضمین می‌کند که دانشمندان می‌توانند بدون از دست دادن شغل تحقیقاتی خود، به گروه‌های ابزار بپیوندند.

به عنوان مثال، قراردادِ (PI: Dr. Marcia Rieke) NIRCam در سال ۲۰۰۲ حتی قبل از راه‌اندازی تلسکوپ اسپیتزر (Spitzer)، به دانشگاه آریزونا اعطا شد. برخی از اعضای تیم علمی بیش از ۲۰ سال است که روی این سازه کار می‌کنند! سایر اعضا، مانند ما، دانشمندان اولیه شغلی هستند که به جای کاری که در بازار کار دانشگاهی رقابتی‌تر به نظر می‌رسد، زمان خود را به آزمایش و کالیبراسیون اختصاص داده‌اند! با فرض اینکه جیمز وب ، همان‌طور که پس از پرتاب بسیار دقیق توسط آریان ۵ پیش‌بینی می‌شود، برای ۲۰ سال آینده به خوبی کار خواهد کرد. زمان رصدی تضمین شده‌ی این تلسکوپ (GTO: Guaranteed Time Observations ) کمتر از ۳ درصد از کل زمان رصد تلسکوپ خواهد بود. که میزان اندکی است. به علاوه، جدای از درک ماهیت اخترفیزیکی اشیائی که می‌خواهند مشاهده کنند، اعضای تیم علمی نیز از رفتار پیش‌بینی‌شده ابزاری که روی آن کار کرده‌اند، دانش عمیقی دارند. بدین ترتیب طراحی و همین‌طور تجزیه و تحلیل اولین مشاهدات و داده‌های رسیده برای همه مفید خواهد بود.

ما همچنین از همکاری با هر کسی که مایل است نظر و ایدهٔ یکی از اعضای تیم ابزار را داشته باشد، خوشحال می‌شویم.

پرسش ششم: جیمز وب “جانشین هابل” نامیده می‌شود، اما از نقطه نظر علمی، این حرف نمی‌تواند کاملا درست باشد. آیا با توجه به این‌که محدودهٔ طول موج جیمزوب بسیار متفاوت از هابل است، بیان بهتری برای مقایسه وجود دارد؟

پاسخ (آیرین شیوایی): اگرچه جیمز وب جانشین رسمی هابل HST است، اما اگر به محدوده طول موجی که جیمز وب مشاهده می‌کند فکر کنید، جانشین اسپیتزر نیز هست، زیرا جیمز وب و اسپیتزر هر دو در طیف مادون قرمز کار می‌کنند. تلسکوپ‌ جیمزوب با آینه بزرگ‌تر و فناوری پیشرفته‌تر خود، دستاوردهای علمی هر دوی این تلسکوپ‌ها (هابل و اسپیتزر) را تکمیل کرده و به مرزهای جدیدی دست خواهد یافت.

پرسش هفتم: افراد زیادی وجود دارند که می‌گویند: «تصاویر جیمز وب ممکن است به اندازه هابل تماشایی نباشد»، اما بسیاری از اعضای تیم جیمز وب با آن موافق نیستند. از جیمزوب در مورد تصاویر ارائه دهنده‌اش چه انتظاری باید داشته باشیم و آیا تفاوتی با تصاویر گرفته شده توسط مثلا NIRCam با تصاویر گرفته شده با MIRI وجود خواهد داشت؟

پاسخ (Andras Gaspar): این سوال بسیار جالبی است. قبل از پاسخ دادن به آن، اجازه دهید یک واقعیت مهم را متذکر شوم: بسیاری از مشاهدات علمی جدید از جیمز وب، از مشاهدات طیف‌سنجی (و نه تصویربرداری مستقیم) حاصل می‌شوند. به این معنی که ما ممکن است “تصاویری زیبا” با نتایجی جدید نداشته باشیم، بلکه تشخیص‌هایی از عناصر خاص و با اطمینان بالا در طول موج‌های فروسرخ داشته باشیم. با این حال در مواردی تصاویری نیز خواهیم داشت که زیبایی‌شان در چشم بیننده فریبنده خواهد بود. هنگام بررسی و مقایسه تصاویر گرفته شده با جیمزوب یا هابل، یا حتی ابزارهای مختلف در جیمزوب به عنوان مثال NIRCam یا MIRI، سه متغیر وجود دارد که باید در اینجا در نظر بگیرید،  : نسبت سیگنال به نویز، وضوح فضایی و مشاهده طول موج.

واضح‌ترین تفاوت بین جیمزوب و هابل اندازه آینه‌های اولیه آن‌هاست. در حالی‌که هابل دارای یک آینهٔ‌ اولیه با قطر ۲.۴ متر است، قطر آینهٔ اصلی عظیم جیمزوب ۶.۵ متر است! از آن‌جایی که دهانه جیمزوب ۳ برابر بزرگتر از قطر است، می‌تواند ۹ برابر هابل فوتون‌ها را در همان مدت زمان جمع کند و در نتیجه تصاویر سیگنال به نویز واقعا بالایی ایجاد می‌کند. این بدان معنی است که ما قادر خواهیم بود جزئیات ظریفی را که قبلا قادر به دیدن آن‌ها در زمان‌های بسیار کوتاه‌تر رصدی نبودیم، را ببینیم.

برای تفکیک فضایی، من دوست دارم از قیاس چراغ‌های جلوی موتورسیکلت در مقابل خودرو استفاده کنم: با یک تلسکوپ بزرگ‌تر، می‌توانید تشخیص دهید که یک وسیله نقلیه در دوردست یک یا دو چراغ جلو دارد. از آنجایی که قطر جیمز وب ۳ برابر هابل است، “اگر” مشاهده در طول موج یکسان رخ دهد، جیمزوب وضوح فضایی ۳ برابریِ بهتری خواهد داشت! توجه داشته باشید که من با مشاهده در همان طول موج گفتم “اگر”. در واقع، جیمز وب در طیف وسیعی از طول موج‌ها رصد می‌کند، که از سطح بالای هابل شروع می‌شود و تا ۳۰ برابر طول موج‌های هابل ادامه دارد.  به همین دلیل، وضوح فضایی تصاویر ارائه شده توسط جیمزوب در طول موج‌های کوتاه‌تر کمی هم‌تراز و بهتر است و در بلند‌ترین طول‌موج‌های آن نسبت به هابل تقریبا یک مرتبه بدتر خواهد بود. با این همه، وضوح فضایی همیشه مهم‌ترین عامل نیست!

نقطه عطف جیمز وب محدوده طول موج مادون قرمز گسترده آن است! در مقایسه با هابل، که در محدودهٔ طول موج نزدیک به UV (فرا بنفش) تا نزدیک به IR (فرو سرخ) ( ۱.۷ – ۰.۲ میکرون) کار می‌کند، جیمزوب بین ۰.۷ تا ۳۰ میکرون را مشاهده می‌کند که امکان مطالعه طیف گسترده‌ای از پدیده‌های اخترفیزیکی جدید و کمتر مورد توجه قرار گرفته را با شفاف‌سازی بسیار بیشتری نسبت به قبل فراهم می کند؛ وضوحی که قبلاً فقط در هر طول موج خاص می‌توانستیم به دست آوریم. برای نشان دادن گرد و غبار در طولی موج ۰.۷ میکرونی، غبار بین‌ستاره‌ای نور ستارگان پس زمینه را پنهان می‌کند، در ۱.۵ میکرون، غبار نور را پراکنده می‌کند، و در ۳ میکرون، گرد و غبار داغ می‌تواند بدرخشد. (مثلا در یک دیسک پیراستاره‌ای در حالی که مارپیچی به دور ستارهٔ میزبان خود می‌چرخد) در ۱۵ میکرون، گرد و غبار در کمربند سیارکی سایر ستارگان به سردی می‌درخشد، و در ۳۰ میکرون، حتی جمعیت‌های گرد و غبار سردتری را در ستارگان مشاهده می‌کنیم.

کیهان نور ساطع می‌کند. همین مولفه و گرد و غبار، در محیط‌های بسیار متفاوت با یک رصدخانه مشاهده می‌شود! در نهایت، تصاویر مادون قرمز گرفته شده توسط جیمزوب –  بسیار شبیه به اسپیتزر- با رنگ‌های نوری «کاذب» نشان داده می‌شوند، که منجر به تصاویر رنگارنگی تماشایی می‌شود که همه ما می‌توانیم از آن‌ها لذت ببریم، حتی اگر خودمان نتوانیم در مادون قرمز ببینیم.

 

پرسش هشتم: وقتی به نقاط دوردست کیهان نگاه می‌کنیم، زمان‌های دور را نیز می‌بینیم. با هابل، می‌توانیم به گذشته نگاه کنیم و جهان را در مراحل اولیه‌اش ببینیم: مانند دیدن انسانی که یک نوزاد یک ساله است. در رابطه با جیمز وب، برخی گفته‌اند که مانند دیدن یک نوزاد یک روزه است. چه چیزی به جیمز وب چنین قدرت بی‌سابقه‌ای می‌دهد؟

پاسخ (Christina William): نور کهکشان‌های دور در طول سفر خود در سراسر جهانِ در حال انبساط، کم انرژی‌تر و به طول موج‌های فروسرخ بدل می‌شود. این امر دیدن و شناسایی آن‌ها را بسیار سخت می‌کند زیرا بسیار کم‌رنگ و بسیار قرمز هستند. دو ویژگی جیمز وب باعث می‌شود که چشم ما قادربه مشاهدهٔ اولین کهکشان‌ها باشد: ۱- به نور ضعیف فوق‌العاده حساس است ۲- و در عین حال می‌تواند در طیف مادون قرمز نزدیک و میانی ببیند. جیمزوب اولین تلسکوپ با آینه‌ای به اندازهٔ کافی بزرگ و ابزاری به اندازهٔ کافی سرد برای دیدن نحوه شکل‌گیریِ اولین کهکشان‌ها است!

پرسش نهم: یکی از موضوعاتی که برای یک تیم ابزار بسیار مهم است، این است که شما در این تیم افرادی یکسان، با ذهن‌هایی یکسان را دارید که به مسائلی فکر می‌کنند که (به دلیل از خارج ندیدن به این موضوعات) می‌توانند منجر به سوگیری یا جهت دادن نادرست به مشاهدات شما شوند، این مشکلات را چگونه کاهش دهید؟ برخی از راه‌هایی که داده‌ها سعی می‌کنند شما را فریب دهند، چیست و چگونه می‌توانیم آنها را کاهش داده و اشتباهات را جبران کنیم؟

پاسخ (Schuyler Wolff): برای قرار دادن چنین تلسکوپ غول‌پیکر و قدرتمندی در فضا، آینه به بخش‌هایی تقسیم شد که مسیر حرکت نور را از طریق تلسکوپ چشمی پیچیده می‌کند. این الگوی “دانه برف” پیچیده‌تر از الگوی پراش “صلیب‌شکل” تلسکوپ فضایی هابل است. اگر تلسکوپ را به سمت منطقه‌ای از ستارگان (یا قسمتی از آسمان که نقاط درخشان بسیار دارد) بگیرید، فضایی از رونوشت‌های مینیاتوری این دانه‌ی برف را خواهید دید که به راحتی قابل تفکیک‌اند. با این حال، با نگاه کردن به ساختارهای گسترده‌تر مانند کهکشان‌ها یا دیسک‌های پیراستاره‌ای ،دشوارتر و پیچیده‌تر می‌شود. این اثرات پراش می‌تواند به صورت توده یا عدم تقارن در کهکشان یا مورفولوژی (ریخت‌شناسی) دیسک ظاهر شود. به منظور جبران این اثر، مدلی از مورفولوژی درونی\ذاتی ایجاد می‌شود که با الگوی پراش درگیر شده و با مجموعه داده‌های جیمزوب مقایسه می‌شود.

این اثر با حالت‌های پیچیده‌تر مشاهدات جیمزوب، پیچیده‌تر هم می‌شود. یکی از حالت‌های مشاهده که من در مورد آن بسیار هیجان‌زده هستم، تاج‌نگاری‌ها هستند. چندین تاج‌نگار روی جیمزوب با سطوح مختلفی از پیچیدگی وجود دارد، اما همه به گونه‌ای طراحی شده‌اند که نور یک منبع مرکزی روشن را مسدود کنند تا بتوانند از مواد اطراف بسیار کم نورتر تصویربرداری کنند. این امر مسیر نور را بیشتر تحریف می‌کند و طبقه‌بندی عدم تقارن‌ها را دشوارتر می‌کند. به ویژه، من اکنون در حال بررسی این موضوع هستم که چگونه مشاهدات تاج‌نگاری، تصاویر دیسک‌های باقی‌مانده مشاهده شده در اطراف ستارگان مجاور را تحریف می‌کند.

پرسش دهم: به سادگی می‌توان درباره اکتشافات رکوردشکنِ آینده هیجان‌زده شد: بزرگترین و جوان‌ترین کهکشان‌ها، قدیمی‌ترین و بکرترین ستاره‌ها، دورترین سیاهچاله‌ای که تاکنون دیده شده است، و… آیا این‌ها بیانگر این موضوع‌اند که شاید حتی برای پیش بردن مرزهای علمی ما اهمیت بیشتری دارند؟

پاسخ (Thomas Beatty و آیرین شیوائی): برای پاسخ به این سوال من قصد دارم از چند ایده از سوال ۱۶ استفاده کنم، زیرا یک مفهوم بسیار مهم اما نه پر زرق و برق که جیمزوب در مورد آن به ما می‌گوید، «چگونگی تشکیل سیاره» است. برای اولین بار، ما ابزاری برای انجام بررسی‌های بزرگ و دقیق از جو سیارات فراخورشیدی در طیف وسیعی از اندازه‌ها و مدارهای سیارات فراخورشیدی خواهیم داشت. امید این است که در نهایت، این بررسی‌ها فاکتورهایی را در ترکیب سیارات فراخورشیدی برایمان آشکار سازد و با این نتایج درباره تاریخچه شکل‌گیری آن‌ها به ما بگویند. اما انجام این برآورد‌ها و بررسی داده‌ها کار اصلی انسان خواهد بود. عمدتا هفته‌ها یا ماه‌ها صرف اندازه‌گیری جو یک سیاره فراخورشیدی معمولی، مرتب‌سازی و ذخیره این داده‌ها در سطل زباله و سپس شروع دوباره می‌شود.

پرسش یازدهم: یکی از هیجان‌انگیزترین قابلیت‌هایی که جیمزوب دارد، توانایی انجام مشاهدهٔ “حالت موازی” است. آیا می‌توانید به ما بگویید که چگونه این کار انجام می‌شود، و آیا آن‌قدر که به نظر می‌رسد خوب است یا خیر؟ به عبارتی آیا واقعا می‌توانیم دو برابر داده‌ها را در یک زمان از یک مشاهده به دست آوریم؟

پاسخ (Christina William): واقعا به همان اندازه که به نظر می‌رسد خوب است چرا که می‌توانید داده‌هایی را که با دو ابزار علمی مختلف می‌توان به دست آورد، به طور هم‌زمان با جیمزوب جمع آوری کنید.

اگرچه این دقیقاً به معنای دو برابر داده‌ها نیست. (ابزارهای مختلف آن، نور را با سرعت‌های مختلف و از مناطق مختلف با اندازه‌های مختلف جمع‌آوری می‌کنند)، این صرفا یک راه شگفت‌انگیز برای دریافت نهایت ذرات علم از عمر محدود جیمزوب است.

هنگامی که جیمزوب به قسمتی از آسمان نگاه می‌کند، هر ابزار، نور را از جهت‌های کمی متفاوت از دیگر قسمت‌ها در آن ناحیه جمع‌آوری می‌کند. این امر اخترشناسان را قادر می‌سازد تا از مشاهده در حالت موازی برای ساخت مجموعه داده‌های خود به گونه‌ای استفاده کنند که تا حد امکان در واحد زمان (ساعت)، از تلسکوپ کمتری استفاده کنند. این نوع کارآیی می‌تواند در منابع محدود تلسکوپ مانند پیشران صرفه‌جویی کند و در عین حال دستِ‌ تلسکوپ را برای انجام پروژه‌های علمی بیشتر باز بگذارد. در برخی موارد، مشاهدات موازی اکتشافات جدیدی را امکان‌پذیر می‌کند که در غیر این حالت ممکن نیست. با استفاده از پشتوانه‌ای بر روی پروژه‌های علمی دیگر برای ترسیم جهات و مکان‌های تصادفی‌ای که قبلا به آنها نگاه نکرده‌ایم، ابزاری که به صورت موازی با آن نگاه می‌کنیم، به طور بالقوه می‌تواند کهکشان‌های جدید، ساختارهایی در بخش‌هایی از آسمان که قبلا آنها را ندیده‌ایم و یا چیزهای دیگری در کیهان کشف کند که ما حتی آن‌ها را پیش‌بینی نکرده‌‌ایم!

پرسش دوازدهم: بخشی از کاری که تیم شما برای آماده شدن برای اولین عملیات علمی جیمز وب انجام داده است، شبیه‌سازی چیزی است که انتظار دارید از ابزارها ببینید. چگونه برنامه‌هایی مانند JADES و Jaguar به دانشمندانی مانند شما کمک کرده‌اند تا برای داده‌های واقعی آماده شوید؟

پاسخ (Kevin Hainline): وقتی نوبت به کاوش کهکشان‌های دور با جیمزوب می‌رسد، اجرامی را کشف می‌کنیم که بسیار فراتر از توانایی‌های رصدی فعلی ما از زمین یا فضا هستند. در نتیجه، ما باید کهکشان‌هایی را خارج از آنچه دیده‌ایم شبیه‌سازی کنیم: کهکشان‌هایی که کم‌نورتر، بکرتر، پراکنده‌تر و یا غبارآلودتر هستند. برای این منظور، اعضای تیم فراکهکشانی NIRCam با اعضای تیم فراکهکشانی NIRSpec برای ایجاد JAGUAR، بر روی شبیه‌سازی عمیق کهکشان‌ها که به منظور توسعهٔ استراتژی‌های خود برای تجزیه و تحلیل داده‌های جیمزوب استفاده کرده‌ایم، کار کردند. JAGUAR بر اساس مشاهدات کهکشان‌های جهان در طول زمان کیهانی، پیش‌بینی‌های تئوری‌های تکامل کهکشان ما را جمع‌آوری می‌کند تا فهرستی از صدها هزار کهکشان شبیه‌سازی شده را ایجاد کند.

ما از JAGUAR برای ساخت تصاویر شبیه‌سازی شده استفاده کرده‌ایم و کاتالوگ‌های کامل کهکشان‌های «رصد ‌شده» از این تصاویر بازیابی شده‌اند، با بررسی و برآوردهای JADES، یکی از بزرگترین مجموعه داده‌ها در مورد تکامل کهکشان‌ها را در سال‌های اولیهٔ کار جیمزوب به دست می‌آوریم. JADES صدها ساعت تصویربرداری NIRCam و طیف‌سنجی NIRSpec را برای مطالعه شکل‌گیری و تکامل کهکشان‌ها در تمام زمان‌های کیهانی ترکیب خواهد کرد. نهایتِ این پروژه بلندپروازانه منجر به مجموعه داده‌هایی از میراث باورنکردنی آسمان می‌شود و ما با استفاده از JAGUAR خواهیم دید که چگونه جیمزوب به ما اجازه می‌دهد تا بیش از توانایی‌های هابل پرده بر از اسرار کیهان برداریم. با شبیه‌سازی JADES با JAGUAR، روش‌های بهتری برای ترکیب تصاویر فردی خود، تکنیک‌های دقیق‌تر برای تشخیص کهکشان‌های کم‌نور، و روش‌هایی کارآمد برای گذر از ده‌ها هزار کهکشانی که قرار است مشاهده کنیم، آموخته‌ایم.

این پیش‌بینی‌ها برای تعداد کهکشان‌ها در تمام فواصلی که بهبود خواهیم داد، بر اساس تئوری‌های کنونی ما در مورد تکامل کهکشان‌ها است، و هر تفاوتی با آنچه که مشاهده می‌کنیم، به ما کمک می‌کند تا نظریه خود را در آینده بهتر بسازیم.

پرسش سیزدهم: یکی از مفاهیم مهمی که مطرح کردید، ایدهٔ به حداکثر رساندن کارآیی تلسکوپ است. مشاهداتی که در طول سال اول عملیات علمی انجام می‌دهید دقیقا چطور برای انجام این کار برنامه ریزی شده‌اند، و چگونه به تحقیقات کمک خواهند کرد؟

پاسخ (Jarron Leisenring): تعدادی از برنامه های علمی GTO به گونه‌ای طراحی شده‌اند که محدودیت‌های ابزاری را پشت سر بگذارند. ما می‌خواهیم علمی مهیج را ارائه دهیم و همچنین قابلیت‌های منحصر به فرد دوربین‌ها را برای جامعه به نمایش بگذاریم. برخی از این مشاهدات از نظر فنی با استفاده از ابزارها و روش‌های جدید بسیار چالش‌برانگیز هستند. بر اساس برخی از برنامه‌های اولین چرخهٔ پذیرفته‌شدهٔ رصدگران عمومی (accepted General Observers (GO) Cycle 1 programs)، من فکر می‌کنم مشاهدات GTO الگوهای خوبی را برای جامعه نجوم ارائه کرده است تا در ایجاد رصدهایی به منظور پاسخ به سؤالات جالب در مورد کیهان از آنها استفاده کند.

پرسش چهاردهم:  ما چیزهای زیادی در مورد کهکشان‌ها از رصدخانه‌ها و تلسکوپ‌های قبلی خود آموخته‌ایم، مانند اینکه چگونه آنها در مقیاس زمان کیهانی تکامل می‌یابند، چگونه جمعیت ستارگان درون آنها تکامل می‌یابند، و چگونه سرعت تشکیل ستاره افزایش پیدا می‌کند، اوج می‌گیرد، و سپس سقوط می‌کند. جیمزوب به حل چه سؤالاتِ بی‌پاسخی کمک می‌کند و چگونه به حل معمای این پاسخ‌ها خواهد پرداخت؟

پاسخ (Stacey Alberts): چند دههٔ اخیر انقلابی در مطالعه کهکشان‌ها رخ داده است. ما مرزهای همه چیز را از ستارگان منفرد، سیاهچاله‌های پرجرم، گاز و غبار گرفته تا ماده تاریک و تمام توده‌های سازنده کهکشان‌ها، و همین‌طور نحوهٔ رشد، تغییر و مرگ آنها در زمان کیهانی را به پیش برده‌ایم. ما محدودیت‌های تلسکوپ‌های کنونی‌مان را بررسی و مورد مطالعه قرار داده‌ایم و بدین ترتیب پاسخ بسیاری از سؤالات دیگر را نیز کشف کرده‌ایم.

جیمزوب، با نمای جدید حساس و دقیق مادون قرمز از کیهان، از این مرزها عبور خواهد کرد و به بسیاری از سوالات مبرم پاسخ خواهد داد:

• ستاره‌های پیر چگونه عناصری سنگین را تولید می‌کنند تا فراهم کنندهٔ پایه‌های تشکیل‌دهنده برای تولید ستارگان جدید و سیارات و حیات باشند؟ جیمزوب قادر خواهد بود بر روی ستارگان منفرد (مادون قرمز) فراتر از گروه محلی ما، و دورتر از همیشه تمرکز کند، زیرا این ستارگان به چرخه زندگی خود در غول‌های قرمز و ابرنواخترها پایان می‌دهند و کیهان را “آلوده می‌کنند”.
• چه چیزی از دید ما در پشت غبار کیهانیِ مسدود کنندهٔ نور مرئی که در فعال‌ترین کهکشان‌ها فراگیر است، پنهان مانده است؟ ابزارهای فروسرخ جیمزوب می‌توانند از میان گرد و غبار نگاه کنند تا ستاره‌های جوان و سیاه‌چاله‌های مفقودشده را ببینند، و همینطور در مورد غبار کیهانی نیز که شرایطی را برای بسیاری از واکنش‌های شیمیایی مورد نیاز برای ساخت ستارگان و سیارات بیشتر فراهم می‌کند، به ما می‌گویند.
• کوچکترین کهکشان‌ها چه شکلی هستند؟ آینه بزرگ جیمزوب این حساسیت و دقت لازمه را برای شناسایی کهکشان‌های کوچک‌تر (کم نورتر) و دورتر از همیشه فراهم می‌کند و برای اولین بار محدودیت‌های ما را که چقدر کم می‌توان بر روی یک کهکشان کوچک زوم کرد یادآور می‌شود و شکل ظاهری آنها را قبل از ترکیب شدن و تبدیل به کهکشانی بزرگ‌تر(روشن تر) و در واقع کهکشان‌هایی که ما برای مدت طولانی بر روی آن‌ها مطالعه کرده‌ایم؛ به ما نشان می‌دهد.
• چه زمانی کهکشان‌ها شروع به توقف شکل‌گیری ستاره‌های جدید کردند؟ جیمزوب می‌تواند گذشته‌ها را در زمان ببیند و اولین کهکشان‌هایی را پیدا کند که فقط ستاره‌های قدیمی‌تر و قرمز دارند.
• حتی زودتر از زمان اسرارآمیزی که جهان برای اولین بار شفاف شد (به نام عصر بازیونش) که فوتون‌ها برای اولین بار قادر به جریان آزادانه بدون جذب مهِ باقی مانده از مهبانگ بودند، چه اتفاقی رخ داد؟ جیمزوب آشکار خواهد کرد که آیا کهکشان‌های اولیه قادر به نشت فوتون‌های پرانرژی کافی برای پراکنده کردن آن مه بوده‌اند یا خیر.
• و یکی از سوالات مورد علاقه همه: اولین کهکشان‌ها و سیاهچاله‌ها چه شکلی بودند؟ پرتو فرابنفش آن کهکشان‌ها که با سفر ۱۳.۷ میلیارد ساله به سوی ما سفر کرده و طول موج آن کشیده شده است، به‌عنوان فوتون‌های فروسرخ به آینه جیمز وب می‌رسد و اولین چشم‌انداز از اولین ساختارهای کیهان را به ما می‌دهد. به همین ترتیب مطالعه اختروش‌های اولیه (سیاهچاله‌های فوق گرسنه) به ما سرنخ‌هایی در مورد چگونگی پیدایش اولین سیاهچاله‌ها خواهد داد.

قابلیت‌های منحصربه‌فرد جیمز وب قطعات پازل جدید و هیجان‌انگیزی را برای کامل کردن تصویر ما از کهکشان‌ها فراهم می‌کند و ستاره‌شناسان فراکهکشانی را برای دهه‌های آینده مشغول نگه می‌دارد. اما شاید هیجان‌انگیزترین اکتشافات، همان‌طور که از پیشینیان جیمزوب مانند هابل و اسپیتزر آموخته‌ایم، چیزهایی باشند که حتی در خواب هم نمی‌بینیم.

پرسش پانزدهم: جیمز وب، احتمالا ممکن است به ما در درک شکل‌گیری و رشد سیاه‌چاله‌ها در کیهان جوان، از سیاهچاله‌های «جرم ستاره‌ای» تا سیاه‌چاله‌های پرجرم کمک کند. وب چه قابلیت‌های منحصربه‌فردی برای بررسی و یافتن این اجرام دارد و چه چیزی را می‌توان انتظار داشت؟

پاسخ (Kevin Hainline): در حالی که اکثر مردم تصور می کنند که سیاهچاله‌ها برای ما روی زمین کاملاً نامرئی هستند، راه‌هایی وجود دارد که می‌توانیم وجود سیاه‌چاله‌ای را که به طور فعال تغذیه می‌کند، کشف کنیم. هنگامی که ماده‌ای داخل یک سیاه‌چاله می‌افتد، بی‌سروصدا از بین نمی‌رود، بلکه تمام ذرات آن به وسیله نیروی گرانشی سیاه‌چاله از هم جدا می‌شود و به شدت می‌درخشد. در واقع، وقتی سیاه‌چاله‌های عظیم پرجرم تغذیه می‌شوند، می‌توانند به روشنی، شاید درخشان‌تر از بقیه کهکشان‌های اطرافشان، بدرخشند، این یک شاهکار باورنکردنی است چرا که این کهکشان‌ها ممکن است صدها میلیارد ستاره داشته باشند. ما درخشان‌ترین سیاه‌چاله‌های پرجرم را «quasars» (اختروش) می‌نامیم و رصد و شکار آن‌ها زیرمجموعه‌ای از مطالعات برون‌کهکشانی است. درک نحوهٔ رشد سیاه‌چاله‌ها از سیاهچاله‌هایی که به جرم خورشید ما هستند به سیاه‌چاله‌هایی که جرمی ده‌ها میلیارد برابر خورشید دارند، هدف مهم مطالعات تکامل کهکشان است و جیمزوب در این زمینه گام‌های بلندی خواهد برداشت. به ویژه در این عرصه، که ما به دنبال کوازارها در جهانِ اولیه هستیم.

بسیاری از روش‌های رایج مورد استفاده برای جستجوی این سیاه‌چاله‌های بزرگِ در حال رشد، مستلزم رصد کهکشان‌هایی در طول موج‌هایی است که نور رسیده از آن‌ها در فواصل بسیار دور، به مادون قرمز تبدیل شده‌اند. بنابراین، برای اینکه بتوانیم جوان‌ترین کوازارها را پیدا کنیم، به تصویربرداری حساس و طیف‌سنجی در فروسرخ نیاز داریم. دو دوربین NIRCam و NIRSpec جیمزوب به ما این امکان را می‌دهند که هزاران کوازار جوان را پیدا کرده و مشخص کنیم، به اندازه‌ای که بفهمیم چگونه آن‌ها در کنار کهکشان‌های اطراف خود رشد می‌کنند و شاید مهم‌تر از آن، چگونه حضور یک سیاه‌چاله‌ی پرجرم درخشان و در حال رشد می‌تواند کهکشان‌های میزبان آن‌ها را تغییر دهد. علاوه بر این، ابزار MIRI جیمزوب می‌تواند روی درک بهتر شروع یا توقف تشکیل ستارهٔ این سیاه‌چاله‌های در حال رشد برای کهکشان‌های نزدیک کار کند، همان‌طور که قابلیت‌های دوربین فروسرخ میانی MIRI برای نگاه کردن از بین توده‌های ضخیم غبار به اختروش‌های (کوازارها) پوشیده شده که از طریق راه‌های دیگر قابل رصد نیستند، ایده‌آل است.

جیمزوب آماری از رشد سیاه‌چاله‌ها در جهان را به ما می‌دهد که به ما کمک می‌کند بهتر از چگونگی شکل‌گیری تکامل کهکشان‌ها توسط سیاه‌چاله‌ها، سر درآوریم.

پرسش شانزدهم: یکی دیگر از اهداف علمی اصلی جیمزوب، شناسایی سیارات فراخورشیدی و توصیف جو آن‌هاست. وب قادر به استفاده از تکنیک‌های تصویربرداری مستقیم و طیف‌سنجی گذری به منظور انجام این کار خواهد بود. با این مشاهدات، در آینده چه چیزی را می‌توانیم یاد بگیریم و امیدوار باشیم که پیدا کنیم؟

پاسخ (Thomas Beatty): دو سوال کلی که امیدواریم با جیمزوب بهتر به پاسخ دست یابیم عبارت‌اند از: سیارات چگونه تشکیل می‌شوند؟ و چه نوع سیاره‌هایی ممکن است شرایطی مانند زمین داشته باشند؟ به طور کلی، ما در دو دهه گذشته چیزهای زیادی در مورد اتمسفر سیارات فراخورشیدی آموخته‌ایم، اما داده‌هایی که در حال حاضر در مورد سیارات فراخورشیدی در اختیار داریم تقریبا همان کیفیتی است که در سیارات منظومه شمسی در دهه  ۱۹۷۰ داشتیم. این بدان معناست که ما ایده‌هایی در مورد دمای سیارات فراخورشیدی، اجزا تشکیل دهندهٔ اتمسفر آنها، و وجود ابر در آن‌ها در دسترس داریم. همچنین عمدتا توانسته‌ایم فقط جو سیارات فراخورشیدی غول‌پیکری را که تقریبا به اندازه مشتری تا نپتون هستند، بررسی کنیم.

اما می‌دانیم که سیارات کوچک‌تر فراوان‌تر از سیارات بزرگ‌تر اند. این بدان معناست که ما از چگونگی جو در بیشتر سیارات کیهان بی‌خبریم، و صرفا سیارات فراخورشیدی غول‌پیکری را که می‌شناسیم، بزرگ، پهن و درشت می‌بینیم.

جیمزوب به ما این امکان را می‌دهد که ترکیبات سیارات فراخورشیدی غول پیکر را با جزئیات بسیار بیشتری اندازه‌گیری کنیم، که این روند به ما درک بهتری در مورد نحوه تشکیل سیارات نیز می‌دهد. سیارات غول پیکر، مانند مشتری یا نپتون، از پیامدهای اصلی تشکیل سیارات هستند چرا که بیشتر مواد موجود در یک دیسک پیش‌سیاره‌ای صرف ساخت این سیارات می‌شود. بنابراین به طور کلی درک چگونگی وجود سیارات غول‌پیکر برای درک فرآیند شکل‌گیری آن‌ها بسیار مهم است. ما امیدواریم که بتوانیم از نشانه‌های شیمیایی موجود در جو سیارات فراخورشیدی غول پیکر استفاده کنیم تا به ما در مورد چگونگی و مکان فرآیند شکل‌گیری آن‌ها بگوید. این موضوع کمی شبیه تشریح یک پای سیب است تا بفهمید چگونه پخته شده است. بدین گونه که ممکن است بگویید، سیب‌ها نرم نیستند، بنابراین احتمالا از قبل پخته شده‌اند. یا به عبارتی نسبت کربن به اکسیژن در این سیاره زیاد است، بنابراین احتمالا دورتر از ستاره خود شکل گرفته است.

جیمزوب همچنین به ما اجازه می‌دهد تا جو سیارات فراخورشیدی کوچکتر را نیز، که از نظر اندازه بسیار به زمین شباهت دارند، بررسی کنیم. برای جیمزوب بسیار دشوار خواهد بود که آنچه را که ما امضاهای زیستی یا شواهدی دال بر حیات می‌نامیم، در یک سیاره فراخورشیدی ببیند، زیرا این سیگنال‌ها بسیار کوچک و جزئی هستند و احتمالا برای ردیابی، باید منتظر نسل بعدی تلسکوپ‌های فضایی باشند. اما، جیمزوب به ما کمک می‌کند تا انواع سیارات فراخورشیدی را که فکر می کنیم می‌توانند قابل سکونت باشند، تفکیک کنیم. در واقع ما تقریبا هیچ چیز در مورد اتمسفر سیارات فراخورشیدی سنگی کوچک نمی‌دانیم، و جیمزوب اولین نگاه ما در سراسر این مرز جدید خواهد بود.

پرسش هفدهم: در دهه گذشته، ما درک بسیار بیشتری از دیسک پیراستاره‌ای  به دست آورده ایم و فهمیدیم محیط‌هایی در اطراف ستارگان جوان و تازه شکل‌گرفته هستند که سیارات در آن‌جا تشکیل می‌شوند. از جست‌وجوی آب یخ گرفته تا احتمالا دیدن اولین کمربند سیارکی در اطراف ستارگان دیگر، جیمزوب به ما چه خواهد آموخت که مرزهای دانسته‌های ما در مورد کیهان را گسترش می‌دهد؟

پاسخ (Schuyler Wolff): دیسک‌های پیراستاره‌ای آزمایشگاه‌هایی هستند که سیارات در آن‌ها ساخته می‌شوند. این «کیمیاگران» گاز و غبار را به «طلای نجومی» تبدیل می‌کنند به طوری که منظومه‌های خورشیدی پیچیده با غول‌های گازی، سیارات زمینی سنگی و کمربندهایی از بقایای باقی‌مانده را پدید می‌آورند. بسیاری از جزئیات تشکیل سیارات ناشناخته باقی مانده است و جیمزوب آماده پاسخگویی به آن‌ها است. جیمزوب تشخیص طیف‌سنجی مولکول‌های آلی پیچیده در فاز یخ را در دیسک‌های پیش‌سیاره‌ای جوان و غنی از گاز را امکان‌پذیر می‌سازد. در جایی که تلسکوپ ALMA اکتشافات جدیدی را در اخترشیمی گاز در دیسک‌های جوان انجام داده است، جیمزوب نیز همین کار را برای مواد جامدی که ساختارهای اولیه زندگی را تشکیل می‌دهند، انجام خواهد داد. جیمزوب همچنین ما را قادر می‌سازد تا برای اولین بار از همتایان کمربند سیارکی خود در اطراف ستارگان مجاور تصویربرداری کنیم. این دیسک‌های زباله‌ای بقایای شکل‌گیری سیاره‌ها هستند و می‌توانند به عنوان نشانه‌ای برای سیارات نادیده‌ای باشند که این کمربندها را شکل داده‌اند.

پرسش هجدهم: چیزی که برای مطالعه در کیهان بسیار کم به آن توجه شده است، گرد و غبار است. برای بیشتر ستاره‌شناسان، غبار چیزی است که “سرِ راه” است و برای دیدن اجرام پنهان شده باید از شدت آن کم شود. اما جیمزوب در آموزش ویژگی‌های غبار در محیط بین‌ستاره‌ای، کهکشان‌ها و غیره با MIRI و NIRCam ، به ما بسیار کمک کننده است. چه چیزی را برای یادگیری در این زمینه پیش‌بینی می‌کنیم و چرا این مبحث به خودی خود اینقدر مهم است؟

پاسخ (آیرین شیوائی): دانه‌های غبار ذرات جامد کوچکی (کوچکتر از 100 میکرون) هستند که در همه جای کهکشان‌ها، از دیسک پیش‌سیاره‌ای گرفته تا ابرهای تولد ستاره‌ها و در محیط بین ‌ستاره‌ها (به نام محیط میان‌ستاره‌ای) وجود دارند. این ذرات نقش مهمی در فرآیند شکل‌گیری ستارگان دارند که یک کهکشان قابل مشاهده را ایجاد می‌کنند. از سوی دیگر، دانه‌های غبار نور فرابنفش و نوری را که از ستارگان ساطع می‌شود جذب می‌کنند و آن را در طول موج‌های بلندتر (کم انرژی‌تر) در مادون قرمز بازتاب می‌کنند. بنابراین، غبار تعیین می‌کند که کهکشان‌ها در نور فرابنفش، مرئی و مادون قرمز چگونه به نظر می‌رسند.

در مجموع، این نکات غبار را به یکی از اجزای بسیار مهم کهکشان‌ها تبدیل می‌کند و مطالعه خواص آن و مشاهده آن در مادون قرمز برای درک فرآیندهای تشکیل کهکشان بسیار مهم است. بهترین راه برای مطالعه گرد و غبار، مشاهده انتشار آن در مادون قرمز است. ابزار قدرتمند مادون قرمز جیمزوب به ما این امکان را می‌دهد که از میان ابرهای غبار نگاه کنیم و ویژگی‌های غبار اطراف ستارگان در محیط میان‌ستاره‌ای کهکشان‌های نزدیک را مطالعه کنیم، و همچنین مناطق ستاره‌ساز پوشیده از غبار در کهکشان‌ها را در ۱۰ میلیارد سال پیش آشکار کنیم. روشی بی‌سابقه که با هیچ تلسکوپ دیگری امکان‌پذیر نبوده است.

پرسش نوزدهم: بعضا مشکلات ظریفی وجود دارد که تیم شما شناسایی کرده است، که با انجام این کار، متوجه می‌شوید چگونه داده‌های خود را بهتر تفسیر کنید. یکی از آنها بهترین نامی را دارد که تا به حال دیده‌ام: “nightmare snowflake”، که به عنوان عملکرد تابع پخش نقطه‌ای جیمزوب (Webb’s point-spreed function)شناخته می‌شود. آیا می‌توانید برای ما توضیح دهید که این چیست و چرا درک این ” nightmare snowflake ” بسیار مهم است؟

پاسخ (Jarron Leisenring ) : عملکرد پخش نقطه‌ای PSF: point-spreed function  به بیان ساده چیزی است که یک نقطه نور در هنگام تصویربرداری از طریق یک سیستم نوری به نظر می‌رسد. همه ستارگان به طور موثر منبع نقطه‌ای هستند زیرا بسیار دوراند و بنابراین به قدری کوچک‌اند که از نظر مکانی قابل تشخیص نیستند. از آن‌جایی که آینه اولیه جیمزوب دایره‌ای نیست، بلکه یک سه ضلعی ۳۰ وجهی است، یک PSF فوق‌العاده پیچیده ایجاد می‌کند، که به اصطلاح به آن “دانه برفِ کابوس/ nightmare snowflake  ” می‌گویند.

علاوه بر این، این الگوی دانه‌های برف می‌تواند به روش‌های ظریفی تغییر کند که بر مشاهدات و پردازش داده‌های ما تأثیر می‌گذارد. به عنوان مثال، PSF بسته به طول موجی که رصد می‌کند، موقعیت در میدان دید آن در طول زمان کمی تغییر می‌کند. برخی از این تغییرات بسته به نوع مورد علمی بررسی شده می‌تواند جزئی و بی‌اهمیت باشد. اما برای مشاهدات تاج‌نگاری، شما ستاره مرکزی را پنهان می‌کنید تا سیارات و دیسک کم‌نور به دورش را جستجو کنید، در واقع با این کار می‌خواهیم نور ستاره را کم کنیم و فقط اجرام سیاره‌ای را باقی بگذاریم. بسیار مهم است که بفهمیم PSF چگونه در طول زمان تکامل می‌یابد تا سیگنال‌های بسیار ضعیف سیارات فراخورشیدی و دیسک‌هایی که در PSF ستاره‌ای گسترده پنهان شده‌اند را شناسایی کنیم.

پرسش بیستم: یکی از مهم‌ترین تلاش‌هایی که بسیاری از شما در این راستا انجام دادید، آزمایشِ دستی ابزار تلسکوپ بود، از جمله آزمایش‌های متعدد کرایواک (cryovac)  و استفاده از “flight spare” ابزار NIRCam . چرا این موضوع تا این حد مهم بود، و چگونه انتخاب رصدهایی که حداقل در ابتدا با استفاده از قابلیت‌های جیمزوب انجام می‌شود را، تعیین می‌کند؟

پاسخ (Everett Schlawin): آزمایش‌های «کرایواک» که هوا را از یک محفظه می‌مکد و آن را تا دمای منفی ۳۸۷ درجه فارنهایت منجمد می‌کند، برای تأیید اینکه دستگاه‌ها به درستی عمل می‌کنند، کاملا حیاتی هستند. گرمای شرایط دمای اتاق و همچنین خواص الکترونیکی آشکارسازها به این معنی است که ما نمی توانیم چیزی را بدون آزمایش کرایواک ببینیم. بنابراین ما از مجموعه‌ای از لامپ ها در داخل محفظه برای ساختن ستاره‌های شبیه‌سازی شده در دوربین‌ها استفاده کردیم. در جانسون ناسا (محل بسیاری از تلاش‌های گذشته، حال و آینده انسان برای پروازهای فضایی)، از تمام یک قطار نوری تا 4 ابزار علمی و حسگر هدایت عالی استفاده شد. تیم ما همچنین مطمئن شد که چرخ‌ها می‌توانند برای تغییر رنگ بچرخند و تمام ولتاژها و جریان‌ها را در حسگرهای نور، بخاری‌ها، موتورها، هسته‌های الکترونیکی و قطعات تنظیم کردند تا ب‌توانند بهترین عملکرد را داشته باشند. بدون یافتن این تنظیمات، تصاویر به طور بالقوه می‌توانند خالی، و پر از نویز «برف‌مانند» شوند.

لوازم یدکی پرواز (flight spare) به ما این امکان را داد که یک نسخه کوچک‌تر از دوربین NIRCam را در آزمایشگاه خود در دانشگاه آریزونا راه‌اندازی کنیم. این به ما امکان می‌دهد ایده‌ها یا حالت‌های جدید را امتحان کنیم، نرم‌افزار را آزمایش کنیم و نویز را تا حد امکان کاهش دهیم. کاهش نویز برای یافتن کم‌نورترین کهکشان‌ها، حل جزئیات کوچک یا اندازه‌گیری چشمک‌های کوچک نور در حین حرکت سیارات در مقابل یا پشت ستاره‌های میزبان بسیار مهم است.

 

با تشکر از همه ۹ ستاره‌شناس حرفه‌ای، اعضای تیم‌های NIRCam و MIRI که در پاسخ به این سؤالات کمک کردند: اورت شلاوین، جارون لیزنرینگ، استیسی آلبرتس، آندراس گاسپار، آیرین شیوائی، توماس بیتی، کریستینا ویلیامز، شویلر وولف، و کوین هاین لاین.

و با تشکر از شما برای خواندن و همراهی این مصاحبه تا پایان آن!

به اشتراک بگذارید