بزرگترین تلسکوپ مداری که تاکنون ساخته شده است به ستاره شناسان اجازه می دهد تا جو سیاره های بیگانه را مورد مطالعه قرار دهند ، نحوه شکل گیری ستارگان در راه شیری را بیاموزند و به دورترین نقاط جهان نگاه کنند.

تلسکوپ فضایی جیمز وب قرار است در 18 دسامبر 2021 به فضا برود. با این کار ، ستاره شناسان امیدوارند بتوانند اولین کهکشان های شکل گرفته در جهان را پیدا کنند ، جوهای شبیه به زمین را در سایر سیارات جستجو کرده و بسیاری از اهداف علمی دیگر را محقق کنند.

من یک ستاره شناس و محقق اصلی دوربین نزدیک مادون قرمز – یا به طور خلاصه NIRCam – در تلسکوپ وب هستم. من در توسعه و آزمایش دوربین خود و کل تلسکوپ شرکت کرده ام.

برای مشاهده عمیق جهان ، تلسکوپ دارای یک آینه بسیار بزرگ است و باید بسیار سرد نگه داشته شود. اما رساندن تجهیزات شکننده ای مانند این به فضا کار ساده ای نیست. چالش های زیادی وجود داشته است که من و همکارانم برای طراحی ، آزمایش و به زودی پرتاب و هماهنگ سازی قوی ترین تلسکوپ فضایی ساخته شده است.

کهکشان های جوان و جوهای بیگانه

تلسکوپ وب دارای آینه ای به ارتفاع 20 فوت ، سایه ای به اندازه زمین تنیس برای جلوگیری از تابش خورشید و چهار سیستم دوربین و حسگر مجزا برای جمع آوری داده ها است.

این کار مانند یک ظرف ماهواره ای عمل می کند. نور یک ستاره یا کهکشان وارد دهان تلسکوپ می شود و از آینه اصلی به سمت چهار سنسور باز می گردد: NIRCam ، که در مادون قرمز نزدیک عکس می گیرد. طیف نگار نزدیک مادون قرمز ، که می تواند نور را از مجموعه ای از منابع به رنگهای تشکیل دهنده آنها تقسیم کرده و قدرت هر یک را اندازه گیری کند. ابزار مادون قرمز میانی ، که عکس می گیرد و طول موج را در مادون قرمز میانی اندازه گیری می کند. و طیف نگار نزدیک مادون قرمز بدون نور ، که نور هر چیزی را که دانشمندان ماهواره را به آن متمایل می کنند ، تقسیم و اندازه گیری می کند.

این طرح به دانشمندان امکان می دهد نحوه شکل گیری ستارگان در راه شیری و جو سیارات خارج از منظومه شمسی را مطالعه کنند. حتی ممکن است بتوان ترکیب این جوها را تشخیص داد.

از زمانی که ادوین هابل ثابت کرد کهکشان های دور مانند راه شیری هستند ، ستاره شناسان  سوالشان این است که : قدیمی ترین کهکشان ها چند ساله هستند؟ چگونه ابتدا شکل گرفتند؟ و چگونه در طول زمان تغییر کرده اند؟ تلسکوپ وب ابتدا “اولین ماشین سبک” نامیده شد ، زیرا برای پاسخ به این سوالات طراحی شده است.

یکی از اهداف اصلی این تلسکوپ مطالعه کهکشان های دور نزدیک لبه جهان قابل مشاهده است. میلیاردها سال طول می کشد تا نور این کهکشان ها از جهان عبور کرده و به زمین برسد. من تخمین می زنم که تصاویری که من و همکارانم با NIRCam جمع آوری می کنیم ، می تواند نشان دهنده خلسه هایی باشد که تنها 300 میلیون سال پس از انفجار بزرگ – زمانی که آنها تنها 2% از سن فعلی خود را تشکیل می دادند ، نشان می دهد.

یافتن اولین تجمع ستارگان که پس از انفجار بزرگ شکل گرفت ، به یک دلیل ساده کار سختی است: این protogalaxies بسیار دور هستند و بنابراین بسیار ضعیف به نظر می رسند.

آینه وب از 18 قسمت جداگانه ساخته شده است و می تواند بیش از شش برابر آینه تلسکوپ فضایی هابل نور جمع آوری کند. اجسام دور نیز بسیار کوچک به نظر می رسند ، بنابراین تلسکوپ باید بتواند نور را تا حد ممکن محکم متمرکز کند.

این تلسکوپ همچنین باید با یک عارضه دیگر کنار بیاید: از آنجا که جهان در حال انبساط است ، کهکشان هایی که دانشمندان با تلسکوپ وب مطالعه خواهند کرد از زمین دور می شوند و اثر داپلر نیز نمایان می شود. درست همانطور که صدای آژیر آمبولانس پایین می آید و وقتی از شما دور می شود عمیق تر می شود ، طول موج نور کهکشان های دور از نور مرئی به نور مادون قرمز تغییر می کند.

وب نور مادون قرمز را تشخیص می دهد – این در اصل یک تلسکوپ غول پیکر گرمایی است. برای “دیدن” کهکشان های ضعیف در نور مادون قرمز ، تلسکوپ باید به طور استثنایی سرد باشد وگرنه تنها چیزی که می تواند تابش مادون قرمز خود را ببیند. اینجاست که سپر حرارتی وارد می شود. سپر از یک پلاستیک نازک با روکش آلومینیومی ساخته شده است. ضخامت آن پنج لایه است و اندازه آن 46.5 فوت (17.2 متر) در 69.5 فوت (21.2 متر) است و آینه و سنسورها را در منفی 390 درجه فارنهایت (منفی 234 درجه سانتیگراد) نگه می دارد.

تلسکوپ وب یک مهندسی فوق العاده است ، اما چگونه می توان چنین چیزی را با خیال راحت به فضا رساند و از کارکرد آن اطمینان حاصل کرد؟

تست کنید و تمرین کنید

تلسکوپ فضایی جیمز وب یک میلیون مایل دورتر زمین می چرخد ​​- حدود 4500 برابر دورتر از ایستگاه فضایی بین المللی و بسیار دورتر از آنکه فضانوردان بتوانند از آن سرویس بگیرند.

طی 12 سال گذشته ، تیم تلسکوپ و ابزارها را آزمایش کرده ، آنها را تکان داد تا پرتاب موشک شبیه سازی شود و دوباره آنها را آزمایش کرد. همه چیز در شرایط شدید عملکرد مدار سرد و آزمایش شده است. هرگز فراموش نمی کنم زمانی که تیم من در هوستون در حال آزمایش NIRCam با استفاده از محفظه ای بود که برای کاوشگر ماه آپولو طراحی شده بود. این اولین بار بود که دوربین من نوری را مشاهده می کرد که خاموش شده بود

تمرینات و آموزش در موسسه علوم تلسکوپ فضایی برای اطمینان از اینکه روند مونتاژ بدون مشکل پیش می رود و می توان با هرگونه ناهنجاری غیر منتظره برخورد کرد ، بسیار مهم است. ناسا/STScI ، CC BY پس از آزمایش ، تمرینات فرا رسید. این تلسکوپ از راه دور با دستوراتی که از طریق پیوند رادیویی ارسال می شود کنترل می شود. اما از آنجا که تلسکوپ بسیار دور خواهد بود-شش ثانیه طول می کشد تا یک سیگنال به یک طرف برود-هیچ کنترلی در زمان واقعی وجود ندارد. بنابراین در سه سال گذشته ، من و تیمم به موسسه علمی تلسکوپ فضایی در بالتیمور رفته و مأموریت های تمرینی را روی شبیه ساز انجام می دهیم که همه چیز را از پرتاب گرفته تا عملیات عادی علمی پوشش می دهد. این تیم حتی با مشکلات احتمالی که سازمان دهندگان آزمون به سمت ما می اندازند و به زیبایی “ناهنجاری” می نامند ، برخورد کرده است.

مقداری هم ترازی لازم است تیم وب تمرین و تمرین خود را تا تاریخ پرتاب در ماه دسامبر ادامه خواهد داد ، اما پس از تا شدن و بارگیری وب در موشک ، کار ما هنوز به پایان نرسیده است.

ما باید 35 روز پس از راه اندازی منتظر بمانیم تا قطعات قبل از شروع هم ترازی خنک شوند. پس از باز شدن آینه ، NIRCam توالی تصاویر با وضوح بالا از بخش های آینه جداگانه را می گیرد. تیم تلسکوپ تصاویر را تجزیه و تحلیل می کند و به موتورها می گوید که قطعات را در مراحل اندازه گیری شده در میلیاردم متر تنظیم کنند. هنگامی که موتورها آینه ها را در موقعیت خود قرار می دهند ، ما تایید می کنیم که تراز تلسکوپ کامل است. این وظیفه آنقدر مهم است که دو کپی یکسان از NIRCam روی آن وجود دارد – در صورت عدم موفقیت ، دیگری می تواند کار تراز را بر عهده بگیرد.

این روند همسویی و پرداخت باید شش ماه به طول انجامد. پس از اتمام کار ، وب شروع به جمع آوری داده ها می کند. پس از 20 سال کار ، ستاره شناسان سرانجام یک تلسکوپ خواهند داشت که می تواند به دورترین و دورترین نقاط جهان نگاه کند.