تلسكوب جيمس ويب الفضائي الذي طال انتظاره لديه قائمة مهام كبيرة

لقد مضى وقت طويل على تلسكوب جيمس ويب الفضائي.

كان العلماء يخططون لهذه المهمة منذ عام 1989. وكان من المفترض إطلاقها بين عامي 2007 و 2011. لكن التلسكوب كان أكثر صعوبة وتكلفة مما توقعه أي شخص. لذلك تم تأجيل موعد الإطلاق لأكثر من عقد. أخيرًا ، في ديسمبر ، انطلق تلسكوب ويب في الفضاء. إنه أكبر تلسكوب وأكثره تعقيدًا تم إرساله إلى المدار على الإطلاق.

الشرح:التلسكوبات ترى الضوء - وأحيانًا التاريخ القديم

لم يتغير التصميم الأساسي للتلسكوب كثيرًا على مر السنين. لكن هل تعلم ما الذي؟ العلم الذي يستطيع ويب البحث فيه. مرة أخرى عندما تخيل العلماء هذا التلسكوب لأول مرة ، لم يكونوا قد اكتشفوا الطاقة المظلمة بعد. (هذه قوة غامضة تدفع الكون للتوسع.) لم يكتشف علماء الفلك بعد الكواكب الخارجية - الكواكب التي تدور حول نجوم أخرى. أثارت هذه التطورات الأخيرة أسئلة كبيرة حول الكون. ويمكن أن يكون تلسكوب جيمس ويب الفضائي أداة رائعة للمساعدة في الإجابة عليها.

تقول ويندي فريدمان:"لقد مر أكثر من 25 عامًا". هي عالمة كوزمولوجيا بجامعة شيكاغو في إلينوي. "ولكن أعتقد أنه كان يستحق الانتظار".

خطة جريئة

يتمتع Webb بتصميم فريد. تحتوي معظم التلسكوبات الفضائية على عدسة واحدة أو مرآة داخل أنبوب. هذا الأنبوب يمنع ضوء الشمس من تعمية التلسكوب إلى الأضواء الخافتة. يمكن أن تكون هذه الأضواء نجومًا أو أجسامًا سماوية أخرى بعيدة. لكن مرآة ويب الضخمة التي يبلغ عرضها 6.5 مترًا (عرضها 21 قدمًا) ليست داخل أنبوب. بدلاً من ذلك ، يحجب درع بحجم ملعب التنس الشمس. كما أنه يحجب ضوء الشمس المنعكس عن الأرض والقمر.

مرآة ويب الكبيرة ودرعها شكل غير ملائم ليناسب صاروخًا. لذلك أطلق Webb مطويًا. انطلقت الآلة الضخمة في الفضاء.

يوضح سكوت فريدمان:"إنهم يسمون هذا بقمر الأوريغامي". يعمل هذا الفلكي في معهد علوم تلسكوب الفضاء. إنه في بالتيمور ، ماريلاند. كان فريدمان مسؤولاً عن كشف موقع ويب في الفضاء. "Webb يختلف عن أي تلسكوب آخر يتم إرساله جواً."

تصميم جديد

يمتد درع الشمس من تلسكوب جيمس ويب الفضائي على طول ملعب التنس. يحمي هذا الدرع مرايا التلسكوب من الضوء والحرارة من الشمس والقمر والأرض. تقوم الألواح الشمسية للتلسكوب ، عند تعرضها للشمس ، بتحويل الضوء إلى كهرباء لتشغيل الأجهزة. يساعد هوائي Webb في إرسال البيانات إلى العلماء على الأرض. رفرف التثبيت يمنع الآلة من الانحراف عن مسارها.

كان تصميم Webb الغريب دائمًا جزءًا من الخطة. تم تصميم التلسكوب لأول مرة في عام 1989 ليخلف تلسكوب هابل الفضائي ، الذي كان على وشك الإطلاق. أراد علماء الفلك أن يرى التلسكوب الأحدث الضوء عند أطوال موجات الأشعة تحت الحمراء. وهذا من شأنه أن يكمل قدرة هابل على رؤية الأشعة فوق البنفسجية والمرئية والأشعة تحت الحمراء القريبة. أراد العلماء أيضًا أن يكون للتلسكوب بعد هابل مرآة أكبر. يبلغ عرض مرآة هابل حوالي 2.4 متر ، أو ثمانية أقدام. ستكون المرآة الأكبر قادرة على جمع المزيد من الضوء. كلما زاد الضوء الذي يمكن أن يجمعه التلسكوب ، زادت قدرته على الرؤية في الفضاء.

من الناحية المثالية ، سيكون للتلسكوب الذي يتبع هابل مرآة لا يقل عرضها عن ستة أمتار (20 قدمًا). لكن لا توجد مرآة بهذا الحجم قد طارت في الفضاء على الإطلاق. لا توجد مركبات إطلاق متاحة يمكنها حملها. سيتعين على العلماء تصميم مرآة تلسكوب يمكن طيها. سيحتاج التلسكوب أيضًا إلى درع شمس قابل للطي. واحدة كبيرة. وهكذا ولد تلسكوب اوريغامي.

لقد كانت مهمة كبيرة. تم تأجيل المشروع عدة مرات لأن بناء واختبار المركبة الفضائية استغرق وقتًا طويلاً. كانت التباطؤات الأخرى بسبب أخطاء بشرية. على سبيل المثال ، استخدم شخص ما مذيب تنظيف خاطئ على التلسكوب. تسبب هذا الخطأ في إتلاف الصمامات في نظام الدفع. في الآونة الأخيرة ، أدت عمليات الإغلاق بسبب جائحة الفيروس التاجي أيضًا إلى تأخير الإطلاق.

يقول فريدمان:"لا أعتقد أننا تخيلنا يومًا أنها ستكون طويلة". ولكن هناك جانب واحد إيجابي:العلم يسير على قدم وساق.

العودة بالزمن

كان أحد أهداف ويب الأصلية هو دراسة المجرات مثل مجرتنا درب التبانة. لا يزال هذا هو الحلم ، جزئيًا لأنه هدف طموح.

يقول ماسيمو ستيافيلي:"أردنا منطقًا علميًا يقاوم اختبار الزمن". "لم نكن نريد بناء مهمة من شأنها أن تفعل شيئًا يتم إنجازه بطريقة أخرى." Stiavelli هو عالم فلك في معهد علوم تلسكوب الفضاء. لقد كان قائدًا في مشروع تلسكوب جيمس ويب الفضائي.

سوف يلقي ويب نظرة خاطفة على المجرات والنجوم كما كانت بعد 400 مليون سنة فقط من الانفجار العظيم. في ذلك الوقت ، كان الكون حوالي 3٪ من عمره الحالي. هذا عندما يعتقد علماء الفلك أن الكون أصبح شفافًا للضوء. قبل ذلك ، كانت كل المواد موجودة في حساء من الجسيمات المشحونة. كافح الضوء للوصول إلى مسافة بعيدة جدًا من خلال حساء الجسيمات.

الشرح:فهم الموجات وأطوال الموجات

يمكن لـ Webb أن يرى حتى الآن بعيدًا في الوقت المناسب لأنه يراقب ضوء الأشعة تحت الحمراء. هذه الأطوال الموجية طويلة جدًا بحيث يتعذر على العين البشرية رؤيتها. لكن هذه هي الأطوال الموجية حيث يمكن للتلسكوب رؤية الأجسام المبكرة في الكون. وإليك السبب:

ينتقل الضوء بسرعة ثابتة. لذلك يستغرق وصول الضوء من أي أجسام بعيدة إلينا وقتًا. إن النظر إلى الأشياء البعيدة جدًا يعني أننا نراها كما كانت منذ زمن بعيد. نظرًا لأن الكون يتمدد ، فإن الضوء المنبعث من تلك الأجسام القديمة البعيدة يتمدد قبل أن يصل إلى تلسكوباتنا. بالنسبة للأجسام الأبعد والأقدم الموجودة هناك ، يتم تمديد هذا الضوء إلى أطوال موجات الأشعة تحت الحمراء.

طرق عرض مختلطة

سوف يلاحظ Webb الكون بأطوال موجية أطول في الغالب مما يمكن للبشر رؤيته. (يمكن للعين البشرية أن ترى أطوال موجية من 0.38 إلى 0.7 ميكرومتر. وسينظر ويب في الأطوال الموجية من 0.6 إلى 28.5 ميكرومتر.) سيراقب ويب أيضًا أطوال موجية أطول مما يمكن أن يرصده تلسكوب هابل الفضائي ، ولكنه أقصر من معظم تلسكوب سبيتزر الفضائي. نطاق. يتيح عرض الأشعة تحت الحمراء هذا لـ Webb رؤية الكون بعيدًا.

الطيف الكهرومغناطيسي

في التسعينيات ، أراد علماء الفلك النظر إلى الكون المبكر لحل مشكلة ما. في ذلك الوقت ، كان يُعتقد أن عمر الكون يبلغ 8 مليارات أو 9 مليارات سنة. لكن يبدو أن بعض النجوم يبلغ عمرها حوالي 14 مليار سنة.

يقول فريدمان:"لا يمكن أن يكون لديك كون أصغر من أقدم النجوم". "الطريقة التي قالها الناس هي ،" لا يمكنك أن تكون أكبر من جدتك! "

الجانب المظلم من الكون

في عام 1998 ، حل علماء الكونيات هذا اللغز. اتضح أن الكون كان يتمدد بشكل أسرع وأسرع. إذا كان هذا صحيحًا ، فلا بد أن الكون أقدم مما اعتقد علماء الفلك. يقدر العمر الحالي بحوالي 13.8 مليار سنة. يطلق العلماء على المادة الغامضة التي تحرك التوسع المتسارع للكون "الطاقة المظلمة".

يقول فريدمان:"لقد أدى ذلك إلى حل النزاع العمري". "اكتشاف الطاقة المظلمة غير كل شيء." وأعطت Webb مجالًا آخر لاستكشافه. لسبب واحد ، لا يمكن لعلماء الفلك الاتفاق على مدى سرعة توسع الكون. الآن ، يتمثل الجزء العلوي من قائمة مهام Webb في حل هذا الخلاف.

الوصول إلى هناك

يدور ويب حول الشمس من نقطة مستقرة في الفضاء تسمى L2. هذا الموقع 1.5 مليون كيلومتر (932.000 ميل) من الأرض. يقضي التلسكوب شهره الأول بعد الإطلاق وهو يصل إلى هذه النقطة ويكشف درع الشمس والمرايا. سيواجه درع الشمس الأرض والشمس في جميع الأوقات. سيؤدي ذلك إلى إبقاء الضوء والحرارة بعيدًا عن الأدوات الحساسة للتلسكوب. وبمجرد وصول التلسكوب إلى L2 ، سيمضي التلسكوب خمسة أشهر أخرى في تشغيل واختبار أجهزته العلمية قبل جمع البيانات.

ينتقل Webb إلى L2

قاطع التعادل

يُعرف معدل تمدد الكون بثابت هابل. لعدة سنوات ، أعطت الطرق المختلفة لقياسه إجابات مختلفة. يطلق فريدمان على هذه المسألة "أهم مشكلة في علم الكونيات."

السؤال هو ما إذا كان عدم التطابق حقيقي. بمعنى ، هل تبدو سرعة توسع الكون مختلفة حقًا اعتمادًا على كيفية قياسه؟ إذا كان الأمر كذلك ، فقد يشير ذلك إلى شيء عميق حول طبيعة الطاقة المظلمة. لكن الاختلافات بين القياسات قد تكون بسبب الأخطاء فقط.

ويب يمكن أن يساعد في تسوية هذا النقاش.

تتمثل إحدى طرق قياس ثابت هابل في قياس مسافات وسرعات الأجسام البعيدة التي يُعرف سطوعها. إذا كنت تعرف سطوعه الفعلي ، فيمكنك حساب مسافة الكائن بناءً على مدى سطوعه من الأرض. تسمى الأشياء ذات السطوع المعروف "الشموع القياسية".

الشرح:النجوم وعائلاتهم

النجوم المتفجرة ، أو السوبرنوفا ، هي شموع قياسية. وكذلك النجوم الخاصة التي تنبعث منها نبضات من الضوء. تسمى هذه النجوم متغيرات Cepheid. وجدت الدراسات التي أجريت باستخدام تلك الشموع القياسية معدل تمدد واحد للكون. هذا المعدل هو 74.0 كيلومترًا (46 ميلاً) في الثانية لكل 3 ملايين سنة ضوئية من الفضاء. لكن النجوم العملاقة الحمراء هي أيضًا شموع قياسية. لقد حصلت الدراسات التي تستخدمها على معدل توسع أصغر. هذا المعدل هو 69.8 كيلومترًا (43 ميلاً) في الثانية لكل 3 ملايين سنة ضوئية.

طريقة أخرى لقياس ثابت هابل هي النظر إلى الخلفية الكونية الميكروية. انبعث هذا الوهج الخافت للضوء بعد 380.000 سنة فقط من الانفجار العظيم. الحسابات المستندة إلى هذا التوهج تعطي معدل توسع أصغر. إنها تقيس 67.4 كيلومترًا (42 ميلًا) في الثانية لكل 3 ملايين سنة ضوئية.

قد تبدو هذه الأرقام قريبة. لكن حقيقة اختلافهم على الإطلاق هي مشكلة كبيرة. يمكن أن يغير فهمنا لما يحتويه الكون وكيف يتطور بمرور الوقت. بالنسبة للعلماء ، يعتبر عدم التوافق هذا بمثابة أزمة.

في عامه الأول ، سيراقب Webb عدة شموع قياسية. سوف ينظر إلى النجوم المتغيرة Cepheid والعمالقة الحمراء. كما ستلاحظ نجومًا غريبة تسمى نجوم الكربون.

علاوة على ذلك ، سيحاول التلسكوب قياس ثابت هابل بطريقة أخرى. سوف ينظر ويب إلى المجرة التي تم تصويرها بعدسة الجاذبية. أي مجرة ​​بعيدة تشوه ضوؤها وتضخيمها بفعل جاذبية مجرة ​​أقرب. قياس الوقت الذي يستغرقه الضوء للانتقال من المجرة البعيدة ، عبر المجرة الأقرب ، وأخيراً إلى ويب يمكن أن يساعد في قياس ثابت هابل بشكل غير مباشر.

سيقارن علماء الفلك كل تلك القياسات. يمكن أيضًا التحقق من هذه البيانات مقابل الملاحظات المماثلة التي قام بها تلسكوب هابل الفضائي.

يقول فريدمان ، بدون هذه الملاحظات الجديدة ، "كنا سنناقش نفس الأشياء إلى الأبد". "نحن فقط بحاجة إلى بيانات أفضل." الآن ، Webb على وشك تسليم هذه البيانات.

مزايا النقل

سيقيس ويب الغازات في الغلاف الجوي للكواكب الخارجية من خلال النظر إلى الضوء من النجم المضيف للكوكب أثناء عبور الكوكب أمام النجم. تمتص الذرات والجزيئات الموجودة في الغلاف الجوي - مثل الصوديوم (Na) والبوتاسيوم (K) - أطوال موجية معينة من ضوء النجوم. هذا يترك بصمة إصبع فريدة على الضوء الذي يصل إلى أجهزة الكشف الخاصة بـ Webb.

البحث عن الحياة

ربما كان أكبر تغيير في علم الفلك خلال تطور ويب هو ظهور علم الكواكب الخارجية. يقول فريدمان:"عندما تم اقتراح [ويب] ، لم تكن الكواكب الخارجية شيئًا نادرًا". "الآن ، بالطبع ، إنه أحد أهم الموضوعات في كل العلوم."

كان أحد أهداف ويب الأصلية هو اكتشاف الكواكب الشبيهة بالأرض حول النجوم الأخرى. هناك ، يمكنه البحث عن دليل على الحياة. لكن قبل 25 عامًا ، لم يُعرف سوى عدد قليل من الكواكب التي تدور حول نجوم أخرى شبيهة بالشمس. وكل تلك العوالم كانت عمالقة غازات شديدة الحرارة. لم يبدوا مثل الأرض على الإطلاق.

منذ ذلك الحين ، تم العثور على آلاف الكواكب الخارجية تدور حول نجوم بعيدة. يعتقد العلماء الآن أن هناك كوكبًا واحدًا على الأقل لكل نجم في السماء. بعض هذه الكواكب صغيرة وصخرية ، مع درجة حرارة مناسبة للماء السائل. وهذا يجعلهم مواقع واعدة للبحث عن الحياة.

تم اكتشاف معظم هذه الكواكب الخارجية أثناء عبورها أو عبورها أمام نجومها الأم. عندما يفعل الكوكب هذا ، فإنه يحجب قليلاً من ضوء النجم. هذا يكشف وجوده لعلماء الفلك. علاوة على ذلك ، إذا كان لهذا الكوكب غلاف جوي ، فإن ضوء النجوم خلفه يتدفق عبر هذا الغاز. من خلال التحديق في ضوء النجوم المرشح ، يمكن للتلسكوب الحساس إخراج الغازات في الغلاف الجوي.

بدأ هذا العمل بالفعل بتلسكوبين فضائيين. واحد هو هابل. والآخر هو تلسكوب سبيتزر الفضائي. مثل Webb ، يرصد سبيتزر ضوء الأشعة تحت الحمراء. لكن سائل التبريد نفد من سبيتزر في عام 2009. ونتيجة لذلك ، أصبح التلسكوب دافئًا جدًا بحيث لا يمكنه قياس الجزيئات المهمة في الغلاف الجوي للكواكب الخارجية. وفي الوقت نفسه ، فإن هابل ليس حساسًا لبعض أطوال موجات الضوء الأكثر إثارة للاهتمام. هذه هي الأطوال الموجية التي يمكن أن تكشف عن الحياة في الفضاء.

لنتعرف على البحث عن حياة كائنات فضائية

هذا هو المكان الذي سيتألق Webb.

عندما يتعلق الأمر برصد الكواكب الخارجية ، فإن استخدام هابل يشبه النظر من خلال صدع في الباب. يقول نيكول لويس إن ويب سيفتح الباب على مصراعيه. تدرس الكواكب الخارجية في جامعة كورنيل في إيثاكا بنيويورك.

على عكس هابل ، فإن ويب حساس للعديد من الجزيئات التي تحتوي على الكربون. يمكن أن تكون هذه الجزيئات في الغلاف الجوي لكوكب خارج المجموعة الشمسية علامات على الحياة. يقول لويس:"لا يستطيع هابل أن يخبرنا حقًا بأي شيء عن الكربون ، وأول أكسيد الكربون ، وثاني أكسيد الكربون ، والميثان". لكن ويب يستطيع ذلك.

إذا تم إطلاق Webb في عام 2007 كما هو مخطط له ، فقد يكون قد فات هذا المجال بأكمله. في ذلك الوقت ، لم يُعرف سوى بضع عشرات من الكواكب الخارجية العابرة. تغير ذلك بشكل جذري بين عامي 2009 و 2018. خلال ذلك العقد ، رصد تلسكوب كبلر الفضائي التابع لناسا آلاف الكواكب العابرة. كان الكثير منها خافتًا وبعيدًا جدًا بحيث لا يستطيع ويب استكشاف أجواءها. ولكن منذ عام 2018 ، قام القمر الصناعي العابر لاستطلاع الكواكب الخارجية أو TESS التابع لناسا بالبحث. وتتمثل مهمتها في العثور على الكواكب التي تدور حول ألمع وأقرب النجوم. هذه ستمنح Webb أفضل لقطة في اكتشاف الجزيئات المثيرة للاهتمام في أجواء الكواكب.

إذا تم إطلاق Webb في وقت سابق ، فسيتعين عليه انتظار TESS لاختيار أفضل الأهداف. الآن ، يمكن لـ Webb البدء في هذه العوالم على الفور. لذا يقول لويس إن تأجيل إطلاق Webb كان جيدًا بالفعل لمثل هذه الدراسات. تقول:"كانت تأخيرات الإطلاق أحد أفضل الأشياء التي حدثت لعلوم الكواكب الخارجية باستخدام Webb.

ستتضمن السنة الأولى من ملاحظات ويب العديد من الكواكب الخارجية التي تبدو وكأنها أماكن واعدة للعثور على الحياة. سيقوم العلماء أيضًا بمسح الكواكب التي تدور حول نجوم صغيرة باردة تسمى الأقزام M. يمكن أن تساعد هذه الملاحظات في التأكد من أن هذه الكواكب لها غلاف جوي. ظل علماء الفلك يناقشون ذلك بشدة لفترة من الوقت. يقول لويس إذا ظهرت علامات الحياة على أي من هذه الكواكب ، فسيكون ذلك أيضًا محل نقاش ساخن. "سيكون هناك شقاق ضخم."

عمر محدود

تم إطلاق Webb أخيرًا من غيانا الفرنسية في 25 ديسمبر 2021. بالنسبة للعلماء الذين عملوا على Webb لعقود ، فهذه لحظة حنين إلى الماضي. يقول ستيافيلي:"تبدأ في التواصل مع الأشخاص الذين بنوا الأهرامات".

نشأ علماء آخرون في عالم كان فيه ويب دائمًا في الأفق. هذا الجيل يفكر بالفعل في الشيء الكبير التالي. يقول لويس:"أنا متأكد تمامًا ، باستثناء الكارثة الملحمية ، أن [ويب] سيواصل مسيرتي المهنية خلال العقد المقبل". ثم ، تتساءل ، ما التالي؟

استمر تلسكوب هابل لعقود ، بفضل الإصلاحات والترقيات التي قام بها رواد الفضاء. لكن ويب لن يتمتع بهذه الرفاهية. هذا التلسكوب الفضائي له عمر محدود للغاية. يدور حول الشمس بعيدًا جدًا عن الأرض ولا يمكن إصلاحه. وسيحتاج إلى حرق كميات صغيرة من الوقود للبقاء في مكانها. الوقود مضمون فقط للعمل لمدة خمس سنوات. مع الحظ ، يمكن أن تستمر أكثر من ضعف هذه المدة. ولكن عندما نفد الوقود ، انتهى ويب. سيقوم مشغلو التلسكوب بسحبها إلى مدار بعيد حول الشمس. بعد ذلك ، سيتعين على علماء الفلك توديعه.