تلسکوپ جیمز وب چگونه گذشته را خواهد دید؟

برای نگاه واقعی به به ابتدای جهان و گذشته که از آن آمده ایم ستاره‌شناسان به تلسکوپ‌هایی مانند JWST (James Webb Space Telescope) نیاز دارند. جیمز وب نه تنها می‌تواند روی کهکشان‌های دور زوم کند تا نور مرئی که از میلیون‌ها سال نوری دورتر می‌آید را مشاهده کند، بلکه می‌تواند طول موج‌هایی از نور را که برای چشم انسان نامرئی است، مانند امواج مادون قرمز، جذب کند.

 

 

جیمز وب چگونه کار می کند؟

اختلاف زمانی فضا با زمین واقعیت پیچیده ای است که حتما در مورد آن چیزهایی شنیده اید یا در فیلم هایی مانند اینتراستلار با آن آشنا شده اید. همه چیز به مدت زمان حرکت نور در جهان بستگی دارد. جیمز وب پیچیده ترین و بزرگترین تلسکوپ فضایی تاکنون است و مجهز به کیت های تخصصی شگفت انگیزی است که قصد دارند به اعماق پنهان کیهان را کشف کنند. جیمز وب این کا را ربا نگاه کردن به نور ضعیف ستاره ها و کهکشان‌ های اولیه که پس از انفجار بزرگ در حدود ۲۵۰ میلیون سال ایجاد شده‌اند انجام می دهد.

جیمز وب دارای قدرت زووم فوق العاده ای است و قادر است سیارات دور را ببیند. تلسکوپ جیمز وب بر اساس سرعت حرکت نور کار می کند و می تواند اطلاعاتی از گذشته را مخابره کند زیرا نوری که به تلسکوپ فضایی جیمز وب می رسد ممکن است میلیون ها مایل از ستاره ای که دیگر وجود ندارد سفر کرده باشد.

جیمز وب قادر به مشاهده همه بخش های جهان نیست زیرا برخی از منابع نور به طور مداوم از ما دور می شوند و ممکن است هرگز نتواند به تلسکوپ فضایی جیمز وب برسند. دور شدن نورها از ما به این دلیل است که جهان در حال انبساط است و تلسکوپ جیمز وب قرار است چگونگی انبساط جهان را کشف کند. تلسکوپ جیمز وب باید قادر به تصویربرداری دقیق از ستاره ها باشد که بتواند فضای تاریک بین آنها را اندازه گیری کند.

بررسی این اندازه‌ گیری‌ها تعیین می کند که ستاره‌ ها با چه سرعتی از هم دور می‌ شوند و در نهایت تعیین می کند که کل جهان با چه سرعتی در حال انبساط است. دانشمندان ناسا در سایت وب‌تلسکوپ توضیح دادند: تلسکوپ‌ها می‌توانند ماشین‌های زمان باشند. نگاه کردن به فضا مانند نگاه کردن به گذشته است. این موضوع جادویی به نظر می‌رسد، اما در واقع بسیار ساده است: نور برای رسیدن به ما به زمان نیاز دارد تا در فواصل وسیع فضا طی کند.

تمام نوری که می‌بینید از چشمک‌زدن ستارگان دور تا درخشش لامپ میزتان چند سانتی‌متر دورتر، زمان می‌برد تا به چشمان شما برسد. خوشبختانه، نور به طرز شگفت‌انگیزی سریع حرکت می‌کند، بنابراین هرگز متوجه زمان حرکت آن از چراغ میز به چشمان‌تان نمی‌شوید. با این حال، وقتی به اجسامی نگاه می‌کنید که میلیون‌ها یا میلیاردها کیلومتر دورتر هستند، همانطور که اکثر اجرام در آسمان شب هستند، نوری را می‌بینید که راه طولانی را طی کرده تا به شما برسد.

برای مثال خورشید را در نظر بگیرید. این ستاره به‌طور متوسط ۱۵۰ میلیون کیلومتر از ما فاصله دارد. این بدان معناست که نور خورشید حدود ۸ دقیقه و ۲۰ ثانیه طول می‌کشد تا به زمین برسد. بنابراین، وقتی به خورشید نگاه می‌کنید (البته هرگز نباید مستقیما به آن نگاه کنید)، آن را همانطوری که بیش از ۸ دقیقه پیش ظاهر شده است، می‌بینید، نه آنطور که اکنون به‌نظر می‌رسد؛ به عبارت دیگر، شما ۸ دقیقه قبل‌تر را تازه می‌بینید.

 

 

سرعت نور برای نجوم آنقدر مهم است که دانشمندان ترجیح می‌دهند برای اندازه‌گیری فواصل زیاد در فضا از سال نوری به جای مایل یا کیلومتر استفاده کنند. یک سال نوری مسافتی است که نور می‌تواند در یک سال طی کند: تقریبا ۹.۴۶ تریلیون کیلومتر.

به‌عنوان مثال، ستاره قطبی، در فاصله ۳۲۳ سال نوری از زمین قرار دارد. هر زمان که این ستاره را می‌بینید، در اصل نوری را دیده‌اید که بیش از ۳۰۰ سال قدمت دارد.

بنابراین، شما حتی برای دیدن گذشته به یک تلسکوپ فوق‌العاده نیاز ندارید، بلکه می‌توانید با چشمان غیرمسلح نیز این کار را انجام دهید. اما برای نگاه واقعی به گذشته (مثلا به ابتدای جهان)، ستاره‌شناسان به تلسکوپ‌هایی مانند JWST نیاز دارند. جیمز وب نه تنها می‌تواند روی کهکشان‌های دور زوم کند تا نور مرئی که از میلیون‌ها سال نوری دورتر می‌آید را مشاهده کند، بلکه می‌تواند طول موج‌هایی از نور را که برای چشم انسان نامرئی است، مانند امواج مادون قرمز، جذب کند.

به نقل از لایو ساینس، تلسکوپ فضایی جیمز وب علاوه بر نگاهی دورتر نسبت به هر رصدخانه‌ و تلسکوپ پیش از خود، ترفند دیگری هم در آینه‌هایش دارد. به‌لطف جیمز وب، جدیدترین و قدرتمندترین تلسکوپ فضایی جهان که کمتر از ۲ سال است که فعالیتش را به‌طور رسمی آغاز کرد، ما یک کهکشان باستانی را کشف کرده‌ایم. نوری که از این کهکشان به چشمان تیزبین جیمز وب رسید، مدت‌ها پیش، قبل از به‌وجود‌آمدن تقریباً همه‌چیز، محدوده‌ی درخشان خود را ترک کرده بود. به‌گفته‌ی دو تیم مجزا از اخترشناسان، آن گوجه فرنگی تاری که می‌بینیم، شکل کهکشان در فقط ۳۰۰ میلیون سال پس از پیدایش جهان است.

 

این تلسکوپ می‌تواند دورتر از هر تلسکوپ دیگری در زمان نگاه کند و ستارگان و کهکشان‌های دوردست را رصد کند که ۱۳.۵ میلیارد سال پیش ظاهر شده‌اند. این چگونه امکان‌پذیر است؟ چگونه یک ماشین می‌تواند «به گذشته» نگاه کند؟ در پاسخ باید گفت که این جادو نیست؛ فقط طبیعت نور است. تلسکوپ جیمز وب باستانی‌ترین نوری را که تاکنون دیده‌ایم، شناسایی کرده است. اما این تازه آغاز راه است و ماشین زمان جدیدمان به‌زودی ما را به عقب‌تر خواهد برد.

جین ریگبی، اخترفیزیکدان ناسا و دانشمند پروژه عملیات جیمز وب می‌گوید ‌آن‌ها صرفاً نگاهی کوتاه به جهان دوردست انداختند و دیدند که کهکشان‌های دور مانند این، مثل برگ از درخت می‌افتند. به‌علاوه، کهکشان کشف‌شده در یک میدان دید بسیار محدود و کوچک‌تر از دهانه‌ای روی ماه، در آسمان شب ظاهر شد. چه کسی می‌داند که جیمز وب با رصد پهنه‌ای از آسمان به اندازه‌ی کل ماه، چه چیزهای دیگری خواهد یافت؟ با هر رصد عمیق‌تر و برگشت نوار به عقب‌تر، تلسکوپ ما را به بیگ بنگ نزدیک‌تر و کهکشان‌های کم‌نور را پشت سر هم آشکار می‌کند. ما در آستانه‌ی بازگرداندن زمان به عقب هستیم.

کهکشان جدید هنوز صرفاً کاندیدای عنوان قدیمی‌ترین کهکشان کشف‌شده تاکنون محسوب می‌شود. در وهله‌ی اول، این یافته هنوز فرایند داوری همتا را پشت سر نگذاشته است. از سوی دیگر، اخترشناسانی که این کهکشان را در داده‌های جیمز وب مشاهده کردند، (دو تیم مجزا که به‌طور مستقل فعالیت می‌کنند و یکی از آن‌ها کهکشان را GLASS-z13 و دیگری GHZ2 نامیده است)، هنوز باید مشاهدات بیشتری برای تأیید فاصله‌ی آن انجام دهند. بااین‌حال اگر صحت آن تأیید شود، درخشش قرمز گوجه فرنگی کیهانی، رکورد کنونی قدیمی‌ترین کهکشان دیده‌شده تاکنون را که در سال ۲۰۱۵ به‌وسیله‌ی تلسکوپ فضایی هابل ثبت شد، با عمر صد میلیون سال بیشتر خواهد شکست.

تیم‌هایی که کاندیدای قدیمی‌ترین کهکشان را یافتند، با مطالعه‌ی ویژگی‌های نور آن، قدمتش را تعیین کردند. جهان از زمان بیگ بنگ درحال انبساط بوده است؛ فرایندی که نور را به طول موج‌های بلندتر و قرمزتر منتقل می‌کند. نور ستارگان واقع در کهکشان‌های دور، به‌عنوان نور مرئی منبع خود را ترک می‌کنند؛ اما زمانی که به ما می‌رسند، پدیده‌ای به نام انتقال به سرخ را تجربه می‌کنند و در طیف الکترومغناطیس به محدوده‌ی فروسرخ کشیده می‌شوند.

برای تأیید فاصله‌ی GLASS-z13 از ما، اخترشناسان باید نور کهکشان را با استفاده از روش متفاوتی اندازه‌گیری کنند که جزئیات ترکیب شیمیایی آن را فاش خواهد کرد. این تکنیک، استاندارد طلایی در اندازه‌گیری فواصل کیهانی محسوب می‌شود و دانشمندان اطمینان دارند که جیمز وب می‌تواند آن را انجام دهد. دو هفته‌ی پیش، تیم تلسکوپ داده‌هایی را منتشر کرد که نشان می‌داد جیمز وب چقدر خوب می‌تواند خصوصیات کهکشانی بسیار نزدیک‌تر از GLASS-z13 اما همچنان کاملاً دور را ثبت کند.

نور آن کهکشان ۱۳٫۱ میلیارد سال در راه بود تا به زمین برسد و بااین‌حال جیمز وب توانست نشانه‌های مشخصی از اکسیژن، هیدروژن و نئون را با وضوح چشمگیر تشخیص دهد. توماسو ترو، اخترفیزیکدان در دانشگاه کالیفرنیا، لس آنجلس و عضو تیم دیگری که به‌طور مستقل کهکشان را شناسایی کرد، می‌گوید دانستن ترکیب شیمیایی دورترین کهکشان‌ها، می‌تواند جزئیاتی اساسی درباره‌ی چگونگی شکل‌گیری و رشد این کهکشان‌ها برایمان آشکار کند. ترو همچنین مدیریت برنامه‌ی رصدی را برعهده داشت که به یافتن GLASS-z13 منجر شد.

در حال‌ حاضر اخترشناسان دریافته‌اند که GLASS-z13 علاوه‌بر کهکشانی بالقوه رکوردشکن، بسیار عجیب‌تر از آن چیزی است که تصور می‌کردند. اخترشناسان همیشه فکر می‌کردند که کهکشان‌ها در اوایل تاریخ کیهان نمی‌توانستند خیلی بزرگ شوند و تقریباً ۵۰۰ میلیون سال پس از بیگ بنگ، شمار ستارگان آن‌ها شروع به افزایش کرد. اما GLASS-z13 بسیار درخشان است و نشان می‌دهد ستارگان فراوانی را در خود جای داده است که در مجموع یک میلیارد برابر خورشید ما جرم دارند.

 

 

نگاه به گذشته چگونه ممکن است؟

تلسکوپ وب با استفاده از طول موج های فروسرخ می تواند اولین ستارگان و کهکشان هایی را که حدود ۱۳ میلیارد سال پیش پس از انفجار بزرگ شکل گرفته اند را ببیند.

هر بار که به ماه یا خورشید نگاه می کنید در واقع به گذشته نگاه می کنید. زیرا نور خورشید ۸.۳ دقیقه طول می کشد تا به زمین برسد به این معنی که شما در حال نگاه کردن به ۸ دقیقه قبل هستید. با یک مثال جالب بهتر توضیح می دهیم اگر خورشید ناگهان ناپدید شود، هیچ کس تا ۸.۳ دقیقه متوجه ناپدید شدن خورشید نمی‌ شود، زیرا نور آن پس از ناپدید شدن همچنان روی زمین ظاهر می‌ شود.

وقتی به ماه نگاه می کنید هم همین اتفاق می افتد. سطح ماه حدود ۲۳۶۱۲۱ مایل از زمین فاصله دارد، بنابراین ۱.۳ ثانیه طول می کشد تا نور از ماه به ناظران سیاره ما برسد. وقتی به ماه نگاه می کنید، نوری را می بینید که ۱.۳ ثانیه قبل از ماه ساطع شده. تلسکوپ جیمز وب نور ساطع شده از میلیاردها سال پیش ستارگان دور دست را مشاهده می کند و به این شکل می تواند اطلاعاتی از گذشته به ما بدهد.

کریس لینتوت، اخترشناس در دانشگاه آکسفورد که شکل‌گیری کهکشان‌ها را مطالعه می‌کند و در پژوهش‌های اخیر مشارکتی نداشته است، می‌گوید‌ بزرگ‌بودن گلاسی بدین معنا است که شکل‌گیری ستارگان به سرعت انجام می‌شود. شاید تولید ستارگان کلان‌جرم بسیار ساده‌تر از پیش‌بینی دانشمندان باشد یا احتمال دارد کهکشان‌های اولیه دراثر نیروهایی گرانشی که شناختی درباره‌شان نداریم، شکل گرفته‌اند. به‌گفته‌ی لینتوت، توضیح هرچه باشد، وجود کهکشان‌هایی مانند GLASS-z13 نشان می‌دهد که پایان عصر تاریک جهان، یعنی زمانی که نخستین ستارگان روشن شدند، دورانی تماشایی بود.

بسیاری از چیزها، از جمله انسان، گرما را به‌عنوان انرژی مادون قرمز ساطع می‌کنند. این انرژی را نمی‌توان با چشم غیرمسلح دید. اما هنگامی که امواج مادون قرمز با تجهیزات مناسب مشاهده می‌شوند، می‌توانند برخی از سخت‌ترین اجرام را در کیهان آشکار کنند. به گفته ناسا، از آنجایی که تابش مادون قرمز طول موج بسیار بیشتری نسبت به نور مرئی دارد، می‌تواند از مناطق متراکم و غبارآلود فضا عبور کند، بدون اینکه پراکنده یا جذب شود.

بسیاری از ستاره‌ها و کهکشان‌ها که خیلی دور، کم‌نور یا مبهم هستند و نمی‌توانند نور مرئی را ببینند، انرژی گرمایی ساطع می‌کنند که می‌تواند به عنوان تشعشعات فروسرخ تشخیص داده شود. این یکی از ساده‌ترین ترفندهای JWST است. با استفاده از ابزار سنجش مادون قرمز خود، این تلسکوپ می‌تواند مناطق غبارآلود فضا را برای مطالعه نوری که بیش از ۱۳ میلیارد سال پیش توسط کهن‌ترین ستارگان و کهکشان‌های کیهان ساطع شده بود، بررسی کند.

اینگونه بود که JWST تصویر میدان عمیق معروف خود را گرفت و به این ترتیب تلاش خواهد کرد حتی بیشتر به گذشته نگاه کند؛ به چند صد میلیون سال اول، پس از انفجار بزرگ. ستارگانی که تلسکوپ آشکار می‌کند ممکن است امروز مدت‌ها باشد که مرده‌اند، اما از آنجایی که نور باستانی آنها سفر طولانی را در سراسر جهان انجام می‌دهد، JWST چشم‌های ما را به یک سفر بی‌نظیر در زمان می‌برد.

 

پاسخ به سوالات متداول در رابطه با تلسکوپ جیمز وب

چه نکته خاصی درباره این تصاویر وجود دارد؟ مگر پیش از این تصاویر تلسکوپ فضایی هابل را در اختیار نداشتیم؟

جواب: درست است؛ پیش از این تلسکوپ هابل وجود داشت و الان هم وجود دارد که تصاویر زیادی از فضا تهیه کرده است. اما تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) بسیار بزرگتر است و بنابراین تصاویر آن جزییات دقیق‌تری دارد. این تلسکوپ همچنین نسبت به هابل تصاویر را در طول موج‌های متفاوتی رصد می‌کند که به آن امکان می‌دهد چیز‌هایی را ببیند (به خصوص اجرامی را در فواصل بسیار دورتر ثبت کند) که تلسکوپ هابل قادر به ثبت آن نیست.

تلسکوپ هابل تا چه میزان نزدیک به لبه انتهایی کیهان قابل مشاهده را می‌تواند رصد کند؟

جواب: در خبر‌ها فاصله ۱۳.۵ میلیارد سال نوری ذکر شده است. این به نظر بسیار نزدیک به عمر ۱۳.۸ میلیارد سال نوری کیهان است. تلسکوپ جیمز وب قادر است بین ۱۰۰ تا ۲۵۰ میلیون سال بعد از «انفجار بزرگ کیهانی» (مهبانگ یا big bang) را مشاهده کند، اما هر چند این فاصله از نظر زمانی حدود ۱۳.۷ میلیارد سال پیش است، اما از لحاظ مسافت ۱۳.۷ میلیارد سال نوری نیست، بلکه دورتر از آن است چرا که کیهان در حال توسعه و انبساط است.

آیا تلسکوپ جیمز وب ابر سیاه‌چاله‌ها را نیز مطالعه خواهد کرد؟ آیا می‌تواند تصویری مشابه تصویر تلسکوپ افق رویداد تهیه کند؟

جواب: تلسکوپ فضایی جیمز وب قادر به تهیه تصاویری از یک ابرسیاه‌چاله مانند تصاویر تلسکوپ افق رویداد نیست، آن نوع دیگری از تلسکوپ است، اما آن‌ها را مطالعه خواهد کرد. در حقیقت تصویر مربوط به پنج‌گانه استفان که اکنون منتشر شده است اطلاعات جالبی درباره یکی از ابرسیاه‌چاله‌ها در اختیار ستاره‌شناسان قرار می‌دهد.

آیا امکان دارد همگرایی گرانشی به اندازه‌ای نیرومند باشد که خودتان را ببینید؟ مانند اینکه نور دوربرگردان ۳۶۰ درجه‌ای می‌زند؟

جواب: سیاه‌چاله‌ها می‌توانند یک خصوصیت موسوم به «حوزه فوتونی» (photon sphere) داشته باشند؛ جایی که کشش گرانشی به اندازه‌ای نیرومند است که نور به دور سیاه‌چاله می‌چرخد؛ بنابراین بطور نظری، اگر بتوانید نور را درست به سمت بیرون حوزه فوتونی بتابانید، چرخش آن نور را از سمت دیگر سیاه‌چاله خواهید دید.

اگر تلسکوپ جیمز وب اکنون تا زمان ۱۳.۵ میلیارد سال گذشته را می‌بیند، آیا می‌توانیم روزی تلسکوپی بسازیم که فراتر از آغاز زمان را ببیند؟

جواب: یک محدودیت بنیادین در این خصوص وجود دارد که تا چه زمانی در گذشته را می‌توانیم ببنیم؛ زیرا تا زمانی در حدود ۳۸۰ هزار سال پس از انفجار کیهانی (مهبانگ)، جهان آفرینش (کیهان یا universe) بطور کامل مملو از پلاسمای داغ و بنابراین تار و مبهم بوده است.

 

 

این تازه شروعی برای نزدیک‌تر شدن به شروع جهان است. اخترشناسان می‌گویند اکنون باید منتظر سیلی از مقاله‌های علمی جدیدی باشیم که می‌گویند این دورترین کهکشان کشف‌شده تاکنون است! اگر کاندیدای بعدی همین امروز یا این هفته معرفی شود، اصلاً تعجب نخواهیم کرد. یک سال بعد، ده‌ها یا شاید صدها کهکشانی را خواهیم داشت که در فواصل مشابه شناسایی شده‌اند. ریگبی می‌گوید: «ما خواهیم فهمید کدام کهکشان‌ها واقعی هستند و سپس آن‌ها را مطالعه خواهیم کرد. آنگاه می‌فهمیم این کهکشان‌ها از چه چیزی ساخته شده‌اند، چه مقدار گردوغبار دارند و داستان ستارگان درخشان درونشان چیست.

هرچند کهن‌ترین نورهای کیهان در تمام این مدت همین اطراف بوده‌اند، ما تازه با آن‌ها آشنا شده‌ایم. لینتوت می‌گوید: در تمام طول تاریخ بشر، در نوری که از چنین کهکشان‌های دوردستی به ما می‌رسد، غرق شده بودیم. اما تازه وسیله‌ای را ساخته‌ایم که قادر به دیدن این نور است.