اللهم صل علی محمد و آل محمد و عجل فرجهم

تلسکوپ جیمز وب چیست و کجاست و چگونه کار می‌کند؟

تلسکوپ جیمز وب چیست و کجاست و چگونه کار می‌کند

تلسکوپ فضایی جیمز وب

موضوع مقاله: تلسکوپ جیمز وب چیست و کجاست و چگونه کار می‌کند؟ تلسکوپ جیمز وب (James Webb Space Telescope)، نوعی تلسکوپ فضایی است که برای تصویربرداری فروسرخ از کیهان طراحی شده است. ابرهای متراکم کیهانی راه نور مرئی را سد می‌کنند. درنتیجه، تلسکوپ‌هایی که با نور مرئی تصویر می‌گیرند، نمی‌توانند از اجرام آسمانی پنهان در پس ابرهای متراکم تصویر بگیرند. اما نور فروسرخ می‌تواند از میان ابرهای متراکم کیهانی بگذرد. پس تلسکوپ فضای جیمز وب می‌تواند بعضی از اجرامی را که تاکنون از دید سایر تلسکوپ‌های فضایی (از جمله هابل) پنهان مانده بودند، به ما نشان دهد. نخستین کهکشان‌های عالم، سیاره‌های درحال تولد و کوتوله‌های قهوه‌ای تنها بعضی از اجرامی هستند که نور فروسرخ منتشر می‌کنند و به‌همین سبب تلسکوپ جیمز وب می‌تواند از آن‌ها عکس بگیرد. این مقاله توضیح می‌دهد که تلسکوپ فضایی جیمز وب چیست و کجاست، از چه چیزهایی عکس می‌گیرد، چگونه کار می‌کند.

مطلب مرتبط: تلسکوپ چیست و چگونه کار می‌کند

اندازه، ساختار و اجزای تلسکوپ فضایی جیمز وب

«جیمز وب» بزرگترین تلسکوپ فضایی است که تاکنون به فضا پرتاب شده است. مهندسان هنگام طراحی تلسکوپ‌های فروسرخ با دو چالش مهم روبه‌رو هستند:

  • تلسکوپ فروسرخ باید آینه بزرگی داشته باشد تا بتواند برای ثبت تصاویر واضح، نور کافی جذب کند
  • تلسکوپ فروسرخ باید همواره سرد باشد تا پرتوهای فروسرخ ناخواسته را از خود دور نگه دارد. در غیراین‌صورت پرتوهای فروسرخی که تلسکوپ از شیء آسمانی جذب می‌کند با پرتوهای فروسرخ مزاحم تداخل می‌یابد و تصاویر تلسکوپ مخدوش می‌شود.

دانشمندان در طراحی تلسکوپ فضایی جیمز وب بر این‌دو چالش چیره شدند. آن‌ها سپر خورشیدی بزرگی طراحی کردند که هم‌اندازه زمین تنیس است و تلسکوپ جیمز وب ‌را از گرما و نورهای پراکنده خورشید محافظت می‌کند. آینه تلسکوپ جیمز وب از ۱۸ قطعه تشکیل شده است که عریض‌ترین بخش آن ۶.۵ متر است. این آینه بزرگ به‌اندازه کافی نور فروسرخ جذب می‌کند.

پرتاب چنین تلسکوپ بزرگی، خود چالش دیگری بود. مهندسان برای حل این مشکل، از هنر ژاپنی تا زدن کاغذ یا اصطلاحا اوریگامی، بهره گرفتند. آن‌ها سپر فضایی و آینه‌های تلسکوپ جیمز وب را تاشو طراحی کردند تا هنگام پرتاب جای کمتری اشغال کند. بدین ترتیب، تلسکوپ پس از پرتاب و بعد از جدا شدن از موشک حامل، سپر خورشیدی و آینه‌های خود را در فضا باز می‌کند.

مطلب مرتبط: مشخصات سیارات منظومه شمسی

عکس تلسکوپ فضایی جیمز وب

تصویر ۱. نقشه قسمت‌های اصلی تلسکوپ فضایی جیمز وب (برای دیدن تصویر در اندازه اصلی، روی عکس کلیک کنید.)

مطلب مرتبط: ماهواره مخابراتی چیست و ماهواره‌های مخابراتی چگونه کار می‌کنند؟

تلسکوپ جیمز وب چه ماموریتی دارد و چه چیزهایی را رصد می‌کند؟

تلسکوپ فضایی جیمز وب برای رصد اجرام آسمانی با طول‌موج فروسرخ میانی طراحی شده است. قبلا تلسکوپ فضایی اسپیتزر نیز برای چنین هدفی ساخته و به فضا پرتاب شده بود، اما فناوری تشخیص پرتو فروسرخ به‌کاررفته در تلسکوپ جیمز وب پیشرفته‌تر است و بخش‌هایی از کیهان را به ما نشان خواهد داد که پیش‌تر از دید ما پنهان بود. ستاره‌های پنهان در پس ابرهای غبارآلود، آب موجود در جو برخی سیاره‌های دیگر، اولین پرتوهای واصله از نخستین کهکشان‌های عالم و احتمال وجود حیات در برخی سیارات فراخورشیدی دیگر، از جمله مواردی هستند که تلسکوپ جیمز وب در پی کشف و رصد آن‌هاست.

داده‌ها و تصاویری که تلسکوپ وب برای‌مان مخابره می‌کند می‌تواند دید و فهم ما را نسبت به کیهان ارتقا دهد و وجوه ناشناخته‌ای از آفرینش عالم را به ما بنمایاند. ماموریت تلسکوپ جیمز وب را می‌توان در چهار حوزه خلاصه کرد:

  • جهان اولیه
  • کهکشان‌ها در گذر زمان
  • چرخه زندگی ستاره‌ها
  • حیات در سیاره‌های دیگر

جعبه ابزارهای تلسکوپ جیمز وب چیست و کجاست

تلسکوپ جیمز وب چهار ابزار علمی و رصدگر دارد که با کمک آن‌ها تصویر و داده‌ جمع‌آوری می‌کند. هر یک از این چهار ابزار ویژگی‌های نویی دارند و برای بررسی جنبه خاصی از نور فروسرخ طراحی شده‌اند. لذا که اخترشناسان با کمک آن‌ها‌ می‌توانند بعضی از اجرام آسمانی را به چند روش مطالعه کنند. این چهار بخش عبارتند از:

  1. دوربین فروسرخ نزدیک (NIRCam)
  2. طیف‌نگار فروسرخ نزدیک (NIRSpec)
  3. ابزار فروسرخ میانی (MIRI) مجهز به دوربین و طیف‌نگار
  4. طیف‌نگار بی‌شکاف و تصویر فروسرخ نزدیک (NIRISS)
ابزارهای علمی و رصدگر تلسکوپ جمیز وب

تصویر ۲. هر چهار ابزار علمی و رصدگر تلسکوپ جیمز وب پشت آینه اصلی تعبیه شده‌اند. آ‌ینه‌‌های تلسکوپ نور را جمع‌آوری می‌کنند و این چهار ابزار با کمک دوربین‌ها، طیف‌نگارها و تاج‌نگارهای‌شان تصاویر و داده‌های علمی دقیق گردآوری می‌کنند. (برای دیدن تصویر در اندازه اصلی، روی عکس کلیک کنید.)

مطلب مرتبط: سامانه ماهواره‌ای ناوبری جهانی (GNSS) چیست و چگونه کار می‌کند؟

ابزارهای چهارگانه

هر چهار ابزار علمی تلسکوپ جیمز وب، کیهان را با نور فروسرخ به ما نشان می‌دهند. ما دنیا را فقط با نور مرئی می‌بینیم. نور مرئی تنها بخش کوچکی از طیف الکترومغناطیسی است. پرتو فروسرخ و تمام دیگر پرتوهای طیف الکترومغناطیسی برای ما نامرئی هستند. اما با استفاده از شیوه‌ها و ابزارهای خاص می‌توان نور فرسرخ و برخی دیگر از پرتوهای نامرئی را ثبت کرد و سپس با پردازش آن‌ها اثرشان در عالم را مشاهده کرد. این‌نوع تصاویر جنبه‌هایی از عالم را به ما نشان می‌دهند که قبلا برای‌مان نامرئی و ناشناخته بود. مثلا برخی از ستاره‌ها به‌جای نور مرئی فقط از خود پرتو فروسرخ منتشر می‌کنند. طبیعتا این نوع ستاره‌ها را نمی‌توان با تلسکوپ‌های عادی مشاهده کرد. اما تلسکوپ جیمز وب با کمک ابزارهای رصدگر فروسرخ خود، از چنین ستاره‌هایی که قبلا برای‌مان نامرئی بودند عکس می‌گیرد و آن‌را به زمین مخابره می‌کند.

البته تلسکوپ جیمز وب اندکی نور مرئی سرخ نیز جذب می‌کند. طول‌موج‌های فروسرخ به سه طیف فروسرخ نزدیک، فروسرخ میانی و فروسرخ دور تفکیک می‌شوند. هر یک از ابزارهای تلسکوپ جیمز وب قابلیت منحصربه‌فردی دارد. لذا اخترشناسان می‌توانند اجرام آسمانی را به روش‌های مختلفی بررسی کنند. در ادامه، چهار ابزار علمی تلسکوپ جیمز وب را مرور می‌کنیم.

 

۱. دوربین فروسرخ نزدیک (NIRCam)

دوربین فروسرخ نزدیک یا NIRCam (مخفف Near-Infrared Camera)، دوربین اصلی تلسکوپ فضایی جیمز وب است که طول‌موج‌های فروسرخ نزدیک را رصد می‌کند. فروسرخ نزدیک را بدین‌نام می‌خوانند زیرا در طیف الکترومغناطیسی، این طول‌موج‌ها نزدیک نور سرخ مرئی جای دارند. دوربین فروسرخ نزدیک، نور قدیمی‌ترین کهکشان‌ها و نیز ستاره‌های کهکشان‌های نزدیک‌تر به ما و همچنین ستاره‌های جوان کهکشان راه شیری و اجرامی در نقاط دوردست منظومه شمسی مثل کمربند کویپر را تشخیص می‌دهد و کمک می‌کند تا سیاره‌های فراخورشیدی را نیز بیابیم. یکی از قابلیت‌های تلسکوپ فضایی جیمز وب، تصویربرداری متوالی در بازه‌های زمانی خاص است که با کمک آن می‌توانیم حرکت سیاره‌های خورشیدی را زمانی که دور ستاره مرکزی‌شان می‌گردند، تشخیص دهیم.

 

۲. طیف‌نگار فروسرخ نزدیک (NICSpec)

طیف‌نگار فروسرخ نزدیک یا NICSpec (مخفف Near-Infrared Spectrograph) نوعی طیف‌نگار فروسرخ نزدیک است که می‌تواند هم‌زمان چند شیء آسمانی را رصد کند. در کل، طیف‌نگار یا اسپکتروگراف وسیله‌ای است که نور را به اجزای رنگیش تفکیک یا تجزیه می‌کند تا بتوان هر جزء را جداگانه و دقیق‌تر تحلیل کرد. طیف‌نگار NICSpec طول‌موج‌های فروسرخ نزدیک را تشخیص می‌دهد و می‌تواند با بهره‌گیری از مجموعه ریزشاترها یا اصطلاحا میکروشاترهای خود، بیش از ۱۰۰ شیء آسمانی را همزمان رصد کند. یکی از وظایف این طیف‌نگار، مطالعه تشکیل ستاره‌ها و ترکیبات شیمیایی کهکشان‌های جوان و دوردست است.

 

۳. ابزار فروسرخ میانی

ابزار فروسرخ میانی یا MIRI (مخفف Mid_Infrared Instrument) دوربین و طیف‌نگار حساسی است که برای بررسی خوشه‌ستاره‌های دور، مطالعه ویژگی‌های فیزیکی ستاره‌های نوزاد و اندازه دنباله‌دارهای کم‌فروغ و اجرام موجود در کمربند کویپر ساخته شده است. این ابزار، تاج‌نگار یا اصطلاحا coronagraph نیز دارد که نور خیره‌کننده اجرام درخشان را سد می‌کند تا بتواند از اجرام کم‌فروغ نزدیک‌تر مثل سیاره‌های فراخورشیدی، تصاویر واضح‌تری ثبت کند.

 

۴. حسگرهای هدایت دقیق (FGC) / حسگر تصویری فروسرخ نزدیک و طیف‌نگار بی‌شکاف (NIRISS)

تلسکوپ جیمز وب دوربین هدایتگری دارد که آن‌را FGS (مخفف Fine-Guidance Sensors) می‌نامند. این وسیله، جهت حرکت تلسکوپ را تعیین می‌کند. بخش دیگر تلسکوپ، NIRISS (مخفف Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph) است که مثل دوربین NIRCam با طول‌موج فروسرخ از کیهان تصویر می‌گیرد و هم اجرام بسیار درخشان و هم اجرام کم‌فروغ را رصد می‌کند. واحد NIRISS به‌ویژه برای مطالعه ترکیبات جو سیاره‌های فراخورشیدی مفید است. ابزار FGS و ابزار NIRISS اهداف متفاوتی دارند اما در واحدی یکپارچه ادغام شده‌اند.

ماژول ابزار علمی یک‌پارچه

تصویر ۳. ابزارهای چهارگانه تلسکوپ فضایی جیمز وب در واحد یک‌پارچه‌ای موسوم به ماژول ابزار علمی یک‌پارچه (Integrated Science Instrument Module) تلفیق شده‌اند. (برای دیدن تصویر در اندازه اصلی، روی عکس کلیک کنید.)

مطلب مرتبط: گلوناس چیست و چگونه کار می‌کند؟

طرز کار: تلسکوپ جیمز وب چگونه کار می‌کند؟

تصور کنید اگر می‌توانستید هم‌زمان کتاب بخوانید و با رایانه کار کنید و تلویزیون هم ببینید چقدر بازده‌تان بیشتر می‌شد. و اگر ظرفیت داده‌خوانی‌تان نیز صدها برابر می‌شد چه بازده شگفت‌انگیزی می‌داشتید. طیف‌نگار تلسکوپ جیمز وب موسوم به NIRSpec که طیف‌نگار اصلی این تلسکوپ نیز هست، تقریبا چنین قابلیتی دارد، یعنی هر بار تا جای ممکن داده‌های بیشتری جمع می‌کند. این طیف‌نگار، نور را به اجزای رنگیش تجزیه می‌کند و طیف دقیقی ارائه می‌دهد که دانشمندان می‌توانند آن‌را تحلیل کنند. طیف‌نگاری از اشیای دور و کم‌فروغی مثل کهکشان‌های دوردست شاید دست‌کم یک‌روز تا یک هفته طول بکشد. طیف‌نگار NIRSpec طی این مدت نور کافی جمع می‌کند تا طیف را دقیق ثبت کند. اگر NIRSpec هر بار فقط یک شیء آسمانی را رصد می‌کرد، تلسکوپ جیمز وب نمی‌توانست طی دوره ماموریت خود اجرام متعددی را رصد کند.

اخترشناسان برای مشاهده هم‌زمان چند شیء آسمانی با تلسکوپ‌های زمینی راه‌کار ساده‌ای دارند. آن‌ها از صفحه‌های فلزی روزنه‌دار و یا از فیبر نوری روباتیک بهره می‌برند تا نور اجرام اطراف را سد کنند و فقط بر اشیائی که در پی تحلیلش هستند متمرکز شوند. اما حل مشکل حذف نورهای مزاحم در تلسکوپ فضایی به‌این آسانی نبود.

باتوجه به‌اینکه محل جای‌گیری تلسکوپ وب از مدار ماه نیز فراتر است و بیش از ۱.۵ میلیون کیلومتر با زمین فاصله دارد، تعویض صفحه‌های فلزی آن غیرممکن بود. پس مهندسان راه‌کار ساده اما نوآورانه‌ای یافتند. آن‌ها از ریزشاتر یا میکروشاتر (microshutter) بهره بردند.

آرایه ریزشاترهای تلسکوپ وب

تصویر ۴. هر ربع دایره از آرایه ریزشاتر حدوداً هم‌اندازه یک قطعه تمبر پستی است و ۶۲۰۰۰ شاتر ریز دارد. در این تصویر برخی از شاترها باز و برخی بسته هستند. (برای دیدن تصویر در اندازه اصلی، روی عکس کلیک کنید.)

مطلب مرتبط: قسمت‌ها یا اجزای اصلی هواپیما

مجموعه میکروشاتر از چهار قطعه هم‌اندازه تمبر پستی تشکیل شده است که مساحت هر کدام‌شان یک‌ونیم اینج مربع است و ۶۲۰۰۰ شاتر بسیار ریز دارند که باز و بسته می‌شوند و وقتی باز می‌شوند، فقط نور اشیای موردنظر را از خود عبور می‌دهند تا به NIRSpec برسد. طیف‌نگار  NIRSpec با کمک این ریزشاترها می‌تواند هم‌زمان روی ۱۰۰ جرم آسمانی متمرکز شود.

ویژگی ریزشاترها

طول شاترها فقط ۱۰۰ میکرون و عرض آن‌ها ۲۰۰ میکرون است. برای این‌که بدانید این شاترها چقدر ریزند، کافی است آن‌را با تار موی انسان مقایسه کند که پهنای آن حدود ۷۵ میکرون است. شاترها باید ریز ساخته می‌شدند تا تلسکوپ وب تمام نوری را که جمع می‌کند در یک نقطه کوچک متمرکز کند تا تصاویرش وضوح هرچه بیشتری داشته باشند. با این کار، هر ستاره یا کهکشانی که تلسکوپ می‌خواهد تصویرش را ثبت کند، در قاب یکی از این شاترها جا می‌گیرد.

آرایه شاترها از ویفر نیترید سیلیکون ساخته شده‌اند که معمولا برای ساخت ترانزیستورها نیز به‌کار می‌روند. نیترید سیلیکون ترکیبی از سیلیکون و گاز نیتروژن است که روی لایه‌ای از سیلیکون و شیشه پرورش می‌یابد. مهندسان لایه‌هایی از فلزها و دیگر مواد را به ویفر خالص اضافه می‌کنند تا مقاومتش بیشتر شود.


اندازه تلسکوپ جیمز وب

هرچه آینه تلسکوپ بزرگتر باشد، دید بهتری خواهد داشت. تلسکوپ فضایی جیمز وب با آینه‌هایی که به‌اندازه یک ساختمان دوطبقه بالا رفته‌اند و سپر خورشیدی بزرگ و گسترده‌اش بزرگترین رصدگر فضایی حال حاضر دنیاست. هرچه تلسکوپ و به‌ویژه آینه‌ اصلی آن بزرگتر باشد، دید بهتری خواهدداشت. اما در عوض تلسکوپ‌های کوچکتر راحت‌تر به فضا پرتاب می‌شوند. لذا طراحان تلسکوپ جیمز وب کوشیدند هر دو مزیت را یک‌جا جمع کنند. آن‌ها تلسکوپی با اجزای جمع شونده ساختند تا هنگام پرتاب جای کمی بگیرد و پس از جای گرفتن در فضا اجزای تاشوی خود را باز کند.

تلسکوپ ۶ تنی جیمز وب با راکت آریان ۵ به فضا پرتاب شد که فقط کمی کوچکتر از شاتل حامل تلسکوپ فضایی هابل بود. تلسکوپ وب دقیق پیکربندی و فشرده شد تا درون راکت جای بگیرد. صفحه خورشیدی و برج آینه تلسکوپ روی بدنه جمع شد تا جای کمی اشغال کند. آینه اصلی، سپر خورشیدی، آینه ثانویه، آنتن‌های ارتباطی و باله تکانه نیز تاشو بودند.

مقایسه اندازه سه تلسکوپ

تصویر ۵. مقایسه اندازه تلسکوپ فضایی جیمز وب با دو تلسکوپ فضایی دیگر یعنی هابل و اسپیتزر (برای دیدن تصویر در اندازه اصلی، روی عکس کلیک کنید.)

مطلب مرتبط: منظومه شمسی چیست و چگونه تشکیل شده است؟

 

تلسکوپ جیمز وب چگونه خنک می‌ماند؟

در اوایل مقاله اشاره شد که تلسکوپ‌های فضایی فروسرخ همواره با مشکلی مواجه هستند که باید بر آن چیره شوند: آن‌ها گرمای خورشید را جذب می‌کنند و نتیجتاً گرم می‌شوند و سپس گرما را به محیط اطراف‌شان پس می‌دهند. بخشی از گرما به‌شکل پرتوهای فروسرخ منتشر می‌شود. از سوی دیگر، تلسکوپ برای ثبت تصویر اجرام آسمانی، باید پرتوهای فروسرخ آن‌ها را جذب کند. و مشکل از همین‌جا آغاز می‌شود، زیرا پرتوهای فروسرخ دریافتی از شیء آسمانی با پرتوهای فروسرخی که تلسکوپ در اثر گرما از خود منتشر می‌کند، تداخل می‌یابند و تصویر مخدوش می‌شود. پس مهندسان باید تلسکوپ را طوری طراحی کنند که همیشه تا جای ممکن سرد بماند تا از خود پرتو فروسرخ منتشر نکند. اما راه‌کار چه بود؟ راه‌کار دانشمندان استفاده از سپر خورشیدی بود.

 

سپر خورشیدی تلسکوپ جیمز وب چیست و کجاست

تلسکوپ جیمز وب نوعی سپر خورشیدی دارد که یکی از ویژگی‌های برجسته آن محسوب می‌شود. سپر خورشیدی تلسکوپ جیمز وب آن‌را از گرما و نور خورشید و ماه و زمین محافظت می‌کند. مساحت سپر خورشیدی تلسکوپ وب هم‌اندازه پارکینگی است که می‌توان ۲۰ خودرو را در آن پارک کرد. سپر مذکور از ۵ لایه تشکیل شده است که ضخامت هر کدام‌شان تقریبا هم‌اندازه روکش‌های پلاستیکی نازکی است که روی مواد غذایی می‌کشند. این لایه‌ها با هم در تماس نیستند و بین‌شان فاصله وجود دارد تا گرما بتواند از لایه‌ای به لایه دیگر منتقل و نهایتا در فضا پراکنده شود. این لایه‌ها پوشش سیلیکونی و آلومینیومی دارند.

ضخامت لایه اول که رو به خورشید است، فقط ۰.۰۵ میلی‌متر و ضخامت چهار لایه بعدی هر کدام ۰.۰۲۵ میلی‌متر است. پوشش‌های آلومینیومی و سلیکونی حتی از این هم نازک‌ترند. ضخامت پوشش سیلیکونی حدود ۵۰ نانومتر و ضخامت پوشش آلومینیومی حدود ۱۰۰ نانومتر است.

سپر خورشیدی تلسکوپ وب

لایه‌های پنج‌گانه سپر خورشیدی تلسکوپ جیمز وب در این تصویر پیداست. (برای دیدن تصویر در اندازه اصلی، روی عکس کلیک کنید.)

مطلب مرتبط: لایه‌های مختلف جو زمین (اتمسفر) و ترتیب و ویژگی آن‌ها

سپر خورشیدی چون گرما و نور خورشید را پس می‌زند، دمای تلسکوپ ‌را همواره کمتر از ۲۲۳- درجه سانتی‌گراد نگاه می‌دارد. دوربین‌ها و ابزارهای رصدگری NIRCam و NIRSpec و FGS/NIRISS با کمک سپر خورشیدی، در دمای تقریبا ۲۳۴- درجه سانتی‌گراد کار می‌کنند. اما ابزار MIRI در دمای ۲۶۶- درجه سانتی‌گراد کار می‌کند. لذا برای دست‌یابی به چنین دمای پایینی از یخچال هلیومی یا سامانه اَبَرخنک‌کننده (cryocooler) بهره می‌برد.

لایه‌ها از موادی موسوم به کاپتون (Kapton) ساخته شده‌اند که در ساخت لباس‌ فضانوردان و حتی در مدارهای الکترونیکی نیز به‌کار می‌روند. مواد کاپتون هم قوی و هم عایق گرما هستند. پوشش سیلیکونی سپر خورشیدی نور خورشید را منعکس می‌کند و به فضای اطراف بازمی‌تاباند.

 

مدار گردش: تلسکوپ جیمز وب کجاست

مدار تلسکوپ جیمز وب کجاست: مدار گردش تلسکوپ جیمز وب، ناحیه سردی است و می‌توان موقعیت تلسکوپ را طوری تنظیم کرد که همیشه فقط یک‌سمت آن‌، یعنی سمتی که سپر خورشیدی دارد، رو به خورشید و زمین  و ماه بایستد.

مدار گردش

تلسکوپ وب در نقطه لاگرانژ دوم خورشید و زمین در حال گردش به‌دور زمین است. هم‌زمان که زمین دور خورشید می‌گردد، نیروی گرانش زمین، تلسکوپ جیمز وب را نیز همراه خود می‌کشد. لذا موقعیت تلسکوپ همواره نسبت به زمین ثابت است. (برای دیدن تصویر در اندازه اصلی، روی عکس کلیک کنید.)

مطلب مرتبط: سحابی چیست و چگونه تشکیل می‌شود؟ انواع سحابی‌ها

تلسکوپ جیمز وب در نقطه لاگرانژ دوم خورشید و زمین یا اصطلاحا نقطه L2 جای دارد که فاصله آن از زمین ۱.۵ میلیون کیلومتر است. نقطه L2 یکی از پنج ناحیه خاص منظومه شمسی است که اشیایی مثل ماهواره‌ها و تلسکوپ‌ها در این نواحی می‌توانند موقعیت‌شان را نسبت به زمین همواره ثابت نگه دارند. برهم‌کنش نیروهای گرانش در این پنج نقطه طوری است که موقعیت تلسکوپ‌ها و قمرهای مصنوعی را نسبت به زمین ثابت نگه می‌دارد. در سایر مدارها وضعیت چنین نیست و مثلا اگر ماهواره‌ای در مدار لئو جای بگیرد، در هر شبانه‌روز چندین بار دور زمین می‌چرخد و موقعیتش پیوسته نسبت به زمین تغییر می‌کند. اما همانطور که گفتیم، تلسکوپ جیمز وب در نقطه L2 است و همواره نسبت به زمین موقعیت ثابتی دارد و درنتیجه، همواره برای ارتباط و دریافت فرمان‌های عملیاتی در دسترس دانشمندان است.

طراحی باز

تلسکوپ جیمز وب برای این‌که همواره سرد بماند، باید طراحی باز و ویژه‌ای می‌داشت. تلسکوپ وب برخلاف تلسکوپ‌هایی مثل هابل، درون لوله مخصوص محصور نشده است. تلسکوپ‌ها معمولا درون محفظه‌ لوله‌ای یا گنبدی‌شکل جای می‌گیرند تا از نورها و پرتوهای ناخواسته مجاورشان مصون بمانند. اما وب هیچ محفظه‌ای ندارد و طراحی آن، باز است چون باید آن‌قدر خنک باشد که حسگرهای فروسرخ آن درست کار کنند.

محفظه‌های لوله‌ای، هم پرتو فروسرخ منتشر و هم گرمای فراوانی جذب می‌کنند و گرما ‌را درون تلسکوپ به دام می‌اندازند و نتیجتا دمای تلسکوپ را افزایش می‌دهند. پس چنین طرحی را نمی‌شد برای تلسکوپ وب به‌کار برد. اما در طراحی باز، گرما آزادانه در فضای اطراف پخش و دفع می‌شود. به‌همین سبب، تلسکوپ جیمز وب برای جلوگیری از تابش نورهای مرئی و پرتوهای ناخواسته فروسرخ از سپر خورشیدی بزرگ و برای جلوگیری از تابش نور به نقاط راهبردی خاص از حائل‌های کوچک و تیره‌رنگ بهره می‌برد.

مهندسان برای خنک نگه داشتن تلسکوپ‌های فروسرخ قبلی از مایع‌خنک‌کننده بهره برده بودند. اما «جیمز وب» در مقایسه با آن‌ها تلسکوپ بسیار بزرگتری بود و برای این‌که طی دوره ماموریتش خنک بماند، چندین تن مایع‌ خنک‌کننده لازم داشت. چنین راه‌‌حلی دوره کاری تلسکوپ را بسیار کوتاه‌تر می‌کرد زیرا به محض تمام شدن مایع خنک‌کننده، تلسکوپ نیز غیرقابل استفاده می‌شد. به‌همین علت، «طراحی باز» تنها راه‌کار مهندسان برای خنک نگه داشتن تلسکوپ جیمز وب بود.

 

بخش داغ و بخش سرد تلسکوپ جیمز وب

تلسکوپ جیمز وب دو بخش خاص دارد: یکی بخش داغ و دیگری بخش سرد که این‌دو با سپر خورشیدی از هم تفکیک می‌شوند. بخش داغ تلسکوپ که در واقع، سویه داغ سپر خورشیدی است، چون همواره رو به خورشید است، دمایش تا ۸۵ درجه سانتی‌گراد (معادل ۳۵۸ کلوین) نیز می‌رسد. اجزایی مثل صفحه خورشیدی، آنتن‌ها، رایانه، ژیروسکوپ و جت‌های ناوبری در این بخش جای دارند. یعنی در کل، اجزای الکترونیکی و سامانه ناوبری تلسکوپ در بخش گرم آن تعبیه شده‌اند.

عکس تلسکوپ فضایی جیمز وب

دو بخش داغ و سرد تلسکوپ فضایی جیمز وب (برای دیدن تصویر در اندازه اصلی، روی عکس کلیک کنید.)

مطلب مرتبط: سیارات فراخورشیدی چیستند و چه مشخصاتی دارند؟

اما در قسمت سرد تلسکوپ، دما حدود ۲۳۳- درجه سانتی‌گراد (معادل ۴۰ کلوین) است. برای پی بردن به میزان شدت سرمای این بخش کافی است بدانیم که دمای سردترین نقطه روی زمین، تنها ۸۹- درجه سانتی‌گراد است. هر چهار ابزار رصدگر در بخش سرد تلسکوپ جای دارند که در واقع، سوی دیگر سپر خورشیدی است. بعضی از حساس‌ترین گیرنده‌های فروسرخ تلسکوپ از جمله میکروشاترها، آینه و عملگرهای آینه، چرخ‌های فیلتر و حسگرهای فروسرخ نیز در این بخش هستند.

حسگرهای فروسرخی که در اکثر ابزارهای تلسکوپ وب به‌کار رفته‌اند تقریبا در دمای ۴۰ کلوین درست کار می‌کنند. اما خود این حسگرها نیز هنگام کار گرما ایجاد می‌کنند. به‌همین علت متصدیان ایستگاه‌های زمینی باید دائماً بر ثابت ماندن دمای‌شان نظارت داشته باشند.

دوربین و طیف‌نگار ماژول MIRI به خنکای بسیار بیشتری نیاز دارند. ماژول MIRI ابزاری برای رصد طول‌موج‌های فروسرخ میانی است. پس باید بسیار سرد بماند. تلسکوپ وب ابرخنک‌کننده دومرحله‌ای دارد که عملکردش مثل بسیاری از یخچال‌های کارآمد امروزی است و گاز جاذب گرما را به درون ماژول MIRI پمپاژ می‌کند. در مرحله اول، دمای MIRI را به کمتر از ۱۸ کلوین و در مرحله دوم، دمای حسگرهای MIRI را به ۷ کلوین کاهش می‌دهد که فقط ۷ درجه بیش از صفر مطلق است (صفر مطلق، دمایی است که به‌لحاظ نظری، در آن دما تمام حرکت ماده حتی حرکت اتم‌ها متوقف می‌شود.)

 

خلاصه ویژگی‌ها: تلسکوپ جیمز وب چیست و کجاست

در پایان، برخی از ویژگی‌های تلسکوپ فضایی جیمز وب را خلاصه‌وار مرور می‌کنیم:

 

آینه اصلی

  • نوع آینه: بازتابی سهمی چندبخشی
  • عرض آینه: ۶.۶ متر در عریض‌ترین بخش
  • مساحت آینه اصلی:۲۵ متر مربع
  • جرم: ۷۰۵ کیلوگرم روی زمین
  • فاصله کانونی: ۱۳۱.۴ متر
  • وضوح نوری (اپتیکال): ۰.۰۷ ثانیه قوسی، محدودیت شکست در طول‌موج ۲ میکرومتر (۰.۰۳۱۷ پیکسل ثانیه قوسی)
  • جنس آینه: بریلیوم با پوشش نازک طلا
  • تعداد بخش‌های آینه: ۱۸

 

ویژگی‌های رصدگری تلسکوپ جیمز وب چیست

  • دمای کار: ۲۳۵- درجه سانتی‌گراد (معادل ۴۰ کلوین)
  • جرم رصدگری: حدود ۶۲۰۰ کیلوگرم روی زمین
  • اندازه سپر خورشیدی: ۲۱.۲ در ۱۴.۲ متر
  • موشک پرتابگر: آریان ۵
  • محل جای‌گیری در فضا: نقطه لاگرانژ دوم، در ارتفاع ۱.۵ میلیون کیلومتری از سطح زمین
  • شکل مدار: مدار گردش تلسکوپ نیمه‌شب از زمین شبیه دایره کامل به‌نظر می‌رسد که هر دو سال یک‌بار دایره‌ای به قطر ۱.۰۰۰.۰۰۰ کیلومتر را می‌پیماید.
  • زمان انتقال به مدار: حدود یک ماه
  • دوره ماموریت علمی: ۵ سال، با هدف ۱۰ سال
  • توان الکتریکی آرایه خورشیدی: ۲.۰۰۰ وات
  • حداکثر نرخ انتقال داده: ۲۸ مگابیت‌ در ثانیه

 

ویژگی‌های ابزارهای رصدگر

  • طول‌موج تحت پوشش: ۰.۶ میکرومتر تا ۲۸.۵ میکرومتر
  • ابزارها:
    • دوربین فروسرخ نزدیک (NIRCam)
    • طیف‌نگار فروسرخ نزدیک (NIRSpec)
    • ابزار رصد فروسرخ میانی (MIRI)
    • حسگرتصویری فروسرخ نزدیک و طیف‌نگار بی‌شکاف (NIRISS)

ماخذ: تارنمای تلسکوپ فضایی وب


عنوان مطلب: تلسکوپ جیمز وب چیست و کجاست و چگونه کار می‌کند

موضوع: تلسکوپ جیمز وب چیست و کجاست، طرز کار تلسکوپ جیمز وب و ساختار، جعبه ابزار و سایر ویژگی‌های آن

عبارت کلیدی: تلسکوپ جیمز وب چیست و کجاست