تلسکوپ فضایی جیمزوب (JWST) از با اهمیت ترین پروژه‌های علمی قرن بیست‌و‌یکم است که فهمیدن ما از کیهان را به‌نحوه چشمگیری منقلب کرده است. در این مقاله، ابتدا این تلسکوپ پیشرفته را معارفه می‌‎کنیم سپس با اهمیت ترین اکتشافات جیمز وب را مرور می کنیم.

تلسکوپ فضایی جیمزوب

تلسکوپ فضایی جیمزوب، جانشین تلسکوپ فضایی هابل، را ناسا با همکاری آژانس فضایی اروپا (ESA) و آژانس فضایی کانادا (CSA) طراحی و ساخته است. این تلسکوپ ۴ دی ۱۴۰۰ به فضا پرتاب شد و در نقطه لاگرانژ ۲ در فاصله یک‌میلیون و ۵۰۰ هزار کیلومتری از زمین مستقر شد. JWST با آینه‌ای به قطر ۶.۵ متر و ابزارهای گسترش یافتهای همانند NIRCam ،NIRSpec و MIRI، توانایی مشاهده کیهان در طول موج‌های فروسرخ را دارد که امکان مطالعه اعماق فضا و زمان را فراهم می‌کند.

از آن زمان تا بحال، این تلسکوپ فضایی قوی موفق شده اکتشافاتی انجام دهد که دانش بشر از عالم را منقلب کرده است. در ادامه برخی از با اهمیت ترین اکتشافات جیمزوب را مرور می‌کنیم.

رصد سیارات فراخورشیدی و کشف نشانه‌های احتمالی حیات

سیارات فراخورشیدی یا «Exoplanet»ها به سیاراتی حرف های می‌شود که به دور ستاره‌هایی غیر از خورشید ما می‌گردند. از زمان کشف اولین سیاره فراخورشیدی در دهه ۱۹۹۰ میلادی، هزاران سیاره فراخورشیدی شناسایی شده‌اند اما تا قبل از جیمز وب، مطالعه جو آنها، به‌خصوص برای سیارات کوچک‌تر و شبیه زمین، زیاد دشوار می بود.

کشف سیارات فراخورشیدی و نشانه‌های احتمالی حیات از با اهمیت ترین اکتشافات جیمز وب می باشند. این دستاورد علمی مشخص می کند به مرحله‌ای رسیده‌ایم که می‌توانیم جو سیاراتی در خارج از منظومه شمسی را دقیق بازدید کنیم و جستوجو نشانه‌هایی از حیات بگردیم.

هنگامی سیاره‌ای از روبه رو ستاره‌اش عبور می‌کند، بخشی از نور ستاره از جو آن عبور کرده و به JWST می‌رسد. مولکول‌های حاضر در جو سیاره بخشی از این نور را جذب می‌کنند و از الگوی جذب در طول‌موج‌های گوناگون، می‌توان نوع گازها را تشخیص داد.

اولین سیاره فراخورشیدی که تلسکوپ جیمزوب از آن تصویربرداری کرد، «HIP 65426 b» نام دارد که سال ۲۰۱۷ کشف شد. دانشمندان برای مشاهده این سیاره از ۲ دوربین نصب‌شده روی وب، چندین فیلتر و ابزار «کرونوگراف» برای حذف نور ستاره میزبان منفعت گیری کردند. این سیاره ۱۰۰ برابر فاصله زمین تا خورشید از ستاره میزبان خود فاصله دارد. در قیاس، فاصله پلوتو از خورشید فقط ۴۰ برابر فاصله زمین تا خورشید است. این سیاره عظیم گازی نزدیک به ۱۲ برابر مشتری است.

«WASP-39b» نام سیاره فراخورشیدی فرد دیگر است که این تلسکوپ آن را بازدید کرده و اکنون مطالعه‌شده‌ترین دنیای خارج از منظومه شمسی شناخته می‌شود. این سیاره نزدیک به ۷ هزار سال نوری با زمین فاصله دارد و غول گازی جوشانی به‌ اندازه زحل است که در فاصله‌ای زیاد نزدیک به ستاره میزبانش قرار دارد؛ نزدیک به هشت برابر نزدیک‌تر از عطارد به خورشید ما. با منفعت گیری از دوربین مهم وب و ۲ طیف‌سنج آن، دانشمندان نخستین‌ بار دی‌اکسید کربن را در جو سیاره‌ای فراخورشیدی شناسایی کردند.

اگرچه جو ضخیم این سیاره تحت سلطه ابرهایی از گوگرد و سیلیکات، ازجمله دی‌اکسید گوگرد است، این داده‌ها به پژوهشگران اجازه داد جنبه‌هایی از تاریخچه و نحوه شکل‌گیری سیاره را نیز استنباط کنند. به نظر می‌رسد این سیاره از برخورد سیارات کوچک‌تر به وجود آمده و به‌علت مقدار بالای اکسیژن نسبت به کربن، به گمان زیادً زیاد دورتر از مکان جاری خود شکل گرفته است. وجود این عناصر نشان‌دهنده فعالیت فتوشیمیایی در جو است که در تاثییر تابش فرابنفش از ستاره میزبان شکل می‌گیرند.

سیارات فراخورشیدی فرد دیگر که جیمز وب تا بحال کشف کرده است، عبارت‌اند از:

• سیاره فراخورشیدی K2-18b در بین با اهمیت ترین اکتشافات جیمز وب

این سیاره در منطقه قابل‌سکونت ستاره‌ کوتوله در فاصله نزدیک به ۱۲۴ سال نوری از زمین قرار دارد. سپتامبر ۲۰۲۳، JWST نشانه‌هایی از وجود گازهایی همانند متان (CH₄)، دی‌متیل‌سولفید (DMS) و دی‌اکسید کربن (CO₂) را در جو K2-18b شناسایی کرد. اهمیت DMS این است که تنها منبع شناخته‌شده آن روی زمین، ارگانیسم‌های زنده دریایی می باشند. یقیناً ناسا و دیگر محققان پافشاری کرده‌اند شناسایی DMS به معنی کشف حیات نیست، بلکه سیگنالی امیدوارکننده است که نیاز به بازدید‌های زیاد تر دارد.

• سیاره فراخورشیدی GJ 1214b

JWST این سیاره را یکی دیگر از اهداف مهم برای بازدید زیاد تر انتخاب کرد. طیف‌نگاری JWST از سیاره فراخورشیدی GJ 1214b نشان داد که این سیاره به گمان زیادً جوی مه‌آلود با بخار آب دارد. این نوع جوها به‌علت تراکم بالا، بازدید‌ قبل را غیرممکن می‌کردند اما ابزارهای دقیق JWST موفق به شکافتن این مه شدند.

این دستاوردها نشان خواهند داد اکنون به پشتیبانی جیمزوب می‌توانیم جو سیارات کوچک‌تر را با دقت بازدید کنیم. قابلیت شناسایی گازهای زیستی همانند اکسیژن، متان، اوزون یا DMS به پشتیبانی جیمزوب وجود دارد. تعداد بسیاری از این سیارات در «منطقه قابل‌سکونت» قرار دارند؛ یعنی دمای سطح آنها به طوری است که امکان پذیر آب مایع وجود داشته باشد، بعد بازدید آنها برای یافتن نشانه‌های حیات الزامی است.

در قدم بعدی، دانشمندان تصمیم دارند سیگنال‌های مشکوک همانند DMS را با دقت بالاتر بازدید کنند. بازدید ترکیب جو سیارات فراخورشیدی سنگی همانند زمین نیز اهمیت بسیاری دارد.

تولد ستارگان در ستون‌های آفرینش

زمان‌ها «ستون‌های آفرینش» در سحابی عقاب از با اهمیت ترین اهداف تلسکوپ هابل بوده‌اند اما ازآنجایی‌که هابل زیاد تر در نور مریٔی داده جمع‌آوری می‌کند، فرایند تولد ستارگان یا همان «آفرینش» در آن نهان مانده می بود! اکنون جیمزوب با تصویربرداری فروسرخ موفق شده وجود پیش‌ستاره‌های بی‌شمار در این سحابی را آشکار کند. این یکی دیگر از با اهمیت ترین اکتشافات جیمز وب است. نقاط قرمز کوچک در عرصه مه‌آلود ستون‌های آفرینش، گاز و غباری می باشند که ابعاد هرکدام چندین برابر منظومه شمسی است و همان ستارگان درحال تولد می باشند.

«دریک داخل-تامپسون»، رئیس دانشکده علوم طبیعی دانشگاه مرکزی «لنکشایر» بریتانیا، او گفت:
«این ستارگان جوان که در عکس می‌بینیم، تا این مدت هیدروژن نمی‌سوزانند اما به‌مرور زمان که ماده بیشتری داخل می‌شود، مرکز آنها چگال‌تر می‌شود و یک دفعه چگالی آن‌قدر زیاد می‌شود که احتراق هیدروژن اغاز می‌شود و دمای آنها به نزدیک به ۲ میلیون درجه سلسیوس می‌رسد.»

مشاهده سیاه‌چاله‌های عظیم در کیهان اولیه

کشف و مشاهده سیاه‌چاله‌های عظیم در کیهان اولیه وب یکی دیگر از چالش‌برانگیزترین و درعین‌حال شوق‌انگیزترین یافته‌های تلسکوپ فضایی جیمز است. این کشف نه‌فقط به سوال‌های کلیدی درمورد پیدایش سیاه‌چاله‌ها جواب می‌دهد، بلکه برخی از مدل‌های بنیادی کیهان‌شناسی را نیز زیر سوال برده است.

در نظریه‌های استاندارد کیهانی، سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم — آنهایی که میلیون‌ها یا حتی میلیاردها برابر خورشید جرم دارند — در مرکز کهکشان‌ها و بعد از طی میلیاردها سال شکل‌گیری و ادغام تدریجی جرم، به وجود می‌آیند اما آنچه JWST نشان داد، به‌نحوه شگفت‌آوری با این فکر در تضاد می بود: وجود سیاه‌چاله‌هایی زیاد بزرگ، فقط چندصد میلیون سال بعد از مهبانگ!

دراین‌بین، یکی از نخستین مثالهای برجسته رصد کهکشانی به نام «CEERS 1019» است که فقط ۵۷۰ میلیون سال بعد از بیگ‌بنگ شکل گرفته است و در کمال شگفتی، میزبان سیاه‌چاله‌ای فعال و پرجرم است. ابزارهای طیف‌سنج JWST موفق شدند نه‌فقط ردپای مواد اطراف این سیاه‌چاله را ثبت کنند (ازجمله خطوط نشری یون‌های اکسیژن و هیدروژن که نشانگر گازهای داغ اطراف هسته‌ کهکشانی فعالی می باشند)، بلکه با دقت بالایی تخمین بزنند این سیاه‌چاله جرمی معادل نزدیک به ۹ میلیون جرم خورشیدی دارد — آن هم در وقتی زیاد نزدیک به اغاز کیهان!

این مقدار جرم برای مدل‌های حاضر که رشد سیاه‌چاله‌ها را توضیح خواهند داد، قابل‌توجیه نیست. بر پایه دانش امروزی ما، برای رسیدن به این چنین جرمی حتی در حالت رشد انفجاری (بلعیدن مداوم ماده تا نزدیک حد ادینگتون)، به زمان زیاد بیشتری نیاز است اما جیمز وب نشان داد این چنین سیاه‌چاله‌هایی وجود داشتند؛ یعنی یا روال رشد آنها زیاد سریع تر از حد فکر است یا آنها از ابتدا با جرم‌هایی زیاد بالا متولد شده‌اند؛ یعنی به‌جای آنکه از فروپاشی ستارگان سنگین به‌ وجود آمده باشند، مستقیم از فروپاشی ابرهای گازی عظیم اولیه زاده شده‌اند، فرایندی که به آن «فروپاشی مستقیم» حرف های می‌شود.

ماجرا به همین‌جا ختم نمی‌شود. بین با اهمیت ترین اکتشافات جیمز وب این چنین می‌توان به شواهدی از وجود سیاه‌چاله‌های فعال در چندین کهکشان دیگر در دوره‌هایی همانند 600 تا ۸۰۰ میلیون سال بعد از بیگ‌بنگ اشاره کرد. این سیاه‌چاله‌ها نه‌فقط بزرگ‌اند، بلکه درحال بلعیدن ماده اطراف خود می باشند، به طوری که انرژی عظیمی از اطراف آنها ساطع می‌شود.

این مشاهدات این چنین در ربط با نحوه شکل‌گیری کهکشان‌ها نیز پیامدهای مهمی دارد. پیشتر فکر می‌شد ابتدا کهکشان‌ها شکل می‌گیرند سپس سیاه‌چاله‌ای در مرکز آنها رشد می‌کند اما برخی از این مشاهدات توضیح می‌دهد که احتمالا سیاه‌چاله‌های عظیم حتی سریعتر از کهکشان میزبان خود شکل گرفته باشند و رشد کهکشان در تعامل با آنها اتفاق افتاده باشد.

کشف کهکشان‌های اولیه و ساختارهای کیهانی

تلسکوپ فضایی جیمز وب برای مشاهده دورترین کهکشان‌های جهان طراحی شده است. این تلسکوپ تا بحال چندین کهکشان دوردست را رصد کرده که در دسته قدیمی‌ترین کهکشان‌های شناخته‌شده عالم قرار دارند.

پژوهشگران سن این کهکشان‌ها را با تحلیل داده‌های ابزار «طیف‌سنج مادون قرمز نزدیک» تلسکوپ بازدید کردند. ۲ مورد از این کهکشان‌ها عبارت‌اند از:

• کهکشان GS-z13-1: دورترین کهکشان شناخته‌شده

یکی از با اهمیت ترین اکتشافات جیمز وب شناسایی کهکشانی به نام GS-z13-1 می بود که فقط نزدیک به ۳۳۰ میلیون سال بعد از بیگ‌بنگ شکل گرفته است؛ یعنی نور این کهکشان نزدیک به ۱۳ میلیارد و ۵۰۰ میلیون سال در راه بوده تا به ما برسد! پیش از JWST، دورترین کهکشان شناخته‌شده نزدیک به ۴۰۰-۴۵۰ میلیون سال بعد از بیگ‌بنگ می بود. GS-z13-1 ستارگانی جوان و نرخ بالای شکل‌گیری ستاره دارد. رصد این کهکشان نشان داد کهکشان‌سازی زیاد سریعتر از آنچه انتظار می‌رفت، اغاز شده است.

• کهکشان‌های عظیم و شگفت‌انگیز: «هیولاهای قرمز»

یکی دیگر از اکتشافات مهم‌ جیمز وب شناسایی گروهی از کهکشان‌های عظیم و بالغ در کیهان اولیه می بود که به نام «هیولاهای قرمز» شناخته خواهد شد. این کهکشان‌ها ویژگی‌های عجیبی دارند، ازجمله این که جرم‌هایی هم‌تراز یا حتی زیاد تر از راه‌شیری دارند، فقط چندصد میلیون سال بعد از بیگ‌بنگ راه اندازی شده‌اند، نرخ راه اندازی ستاره در آنها بالا بوده و توقف ناگهانی فعالیت ستاره‌زایی را توانایی کرده‌اند و غبار کیهانی با جمعیت ستاره‌ای پیر دارند. این ویژگی‌ها نظریه‌های کلاسیک شکل‌گیری تدریجی کهکشان‌ها را زیر سوال برد؛ چون بر پایه آن مدل‌ها، این چنین جرم‌ها و بلوغی در آن زمان ممکن نبوده است.

علاوه‌براینها، تلسکوپ جیمزوب نخستین بار موفق به مشاهده مستقیم نور از کهکشان‌هایی در دوران Reionization شد — دوره‌ای که کیهان از حالت تاریک و خنثی به حالت روشن و یونیزه تبدیل شد. این دوره نزدیک به ۳۰۰ تا ۹۰۰ میلیون سال بعد از بیگ‌بنگ رقم خورد. درحقیقت، Reionization ناشی از نور فرابنفش ستارگان اولیه و کهکشان‌های نخستین است که نقش کلیدی در شفاف شدن کیهان ایفا کرد.

JWST با مشاهده کهکشان‌هایی در این بازه وقتی، به دانشمندان اجازه داد مقدار تأثیر آنها در فرایند Reionization را مستقیم اندازه‌گیری کنند.

تلسکوپ جیمزوب این چنین موفق به شناسایی ساختارهای بزرگ‌مقیاس همانند «Cosmic Filaments» و «Proto-clusters» در دوران اولیه شده است. این ساختارها ستون‌فقرات «وب کیهانی» را راه اندازی خواهند داد؛ شبکه‌ای از ماده تاریک و کهکشان‌ها که شکل فضایی کیهان را تعیین می‌کنند.

یکی از با اهمیت ترین اکتشافات جیمز وب: کشف سیارات سرگردان

بین با اهمیت ترین اکتشافات جیمز وب، کشف سیارات سرگردان جایگاه اختصاصی‌ای دارد؛ چون این اجرام مفاهیمی را در اخترشناسی نقل کرده‌اند که پیشتر فقط در حد نظریه یا گمانه‌زنی بودند. برخلاف سیاراتی که دور ستاره‌ای مرکزی می‌چرخند، سیارات سرگردان اجرامی می باشند که بدون وابستگی به هیچ ستاره‌ای، در فضای بین‌ستاره‌ای شناورند. فکر این که جهانی امکان پذیر مملو از سیاراتی تنها و تاریک باشد، پرسشی عمیق درمورد شکل‌گیری و پایداری سامانه‌های سیاره‌ای نقل می‌کند.

یکی از نخستین شواهد قوی در این عرصه کشف مجموعه‌ای از جفت‌های سیاره‌ای سرگردان در سحابی‌های جوان همانند خوشه ستاره‌ای «TRAPPIST-1» است.

این سیارات نه‌فقط بدون ستاره‌اند، بلکه جفت‌های دوتایی نیز دیده شده‌اند؛ اتفاق‌ای که در هیچ‌یک از مدل‌های کلاسیک شکل‌گیری سیارات پیش‌بینی نشده می بود. دانشمندان پیش‌ازاین فکر می‌کردند اجرام بدون ستاره یا تک‌سیاره‌ای‌اند یا سیاراتی می باشند که از سامانه مهم خود رانده شده‌اند. اما کشف جفت‌های آزاد از سیاره‌ها که به گمان زیادً هیچ زمان دور ستاره‌ای نچرخیده‌اند، فرضیه‌های شکل‌گیری سیارات را به‌شدت تحت‌تأثیر قرار داده است.

این سیارات که جرم‌هایی در محدوده سیارات غول‌پیکر گازی (همانند مشتری و زحل) دارند، با پشتیبانی ابزارهای فروسرخ حساس جیمز وب قابل شناسایی شده‌اند؛ چون باتوجه‌به سن کم آنها (کمتر از یک‌میلیون سال)، تا این مدت گرمای ناشی از راه اندازی اولیه خود را نگه داری کرده‌اند و در طول‌موج‌های فروسرخ می‌درخشند. این قابلیت که فقط از طریق ابزار NIRCam و MIRI تلسکوپ جیمز وب ممکن شده، نخستین‌ بار به اخترشناسان اجازه داده این اجرام را نه با گمان و مدل‌سازی، بلکه با عکس مستقیم شناسایی کنند.

در کنار سیارات سرگردان، JWST اشیای شگفت فرد دیگر در محیط‌های ستاره‌زایی کشف کرده است. در دل سحابی‌ها، ساختارهایی با جرم‌های مرزی بین سیاره و ستاره مشاهده شده‌اند؛ اجرامی که نه آن‌قدر سنگین می باشند که هم‌جوشی هسته‌ای همانند ستاره‌ها را اغاز کنند نه به اندازه‌ای سبک که در دسته سیارات معمولی قرار بگیرند. این اشیاء که به آنها بعضی اوقات «نوزادان ناکامی‌خورده‌ی ستاره‌ای» یا «sub-brown dwarfs» حرف های می‌شود، چالش فرد دیگر در تعیین مرز سیاره و ستاره تشکیل کرده‌اند. تا این مدت معلوم نیست این اجرام در فرایندی همانند ستاره‌ها متولد شده‌اند یا سیاراتی می باشند که از راه اندازی به دور ستاره‌ای بازمانده‌اند.

اگر این چنین سیاراتی بتوانند در فضا بدون ستاره به وجود همراه شوند، امکان پذیر برخی از آنها قمرهایی داشته باشند؟ گرمای درونی آنها می‌تواند شرایطی برای زیست‌پذیری در سطح یا زیرسطح فراهم کند؟ هرچند دور از انتظار است این چنین سیاراتی میزبان حیات باشند اما در علم امروز، نبوده است نور خورشید الزاماً به معنی نبوده است حیات نیست، به‌خصوص اگر به زندگی میکروبی در اعماق تاریک اقیانوس‌ها (همانند کف اقیانوس‌های اروپا یا انسلادوس در منظومه شمسی) بنگریم.

مشاهده ابرنواخترهای دوردست: رصد مرگ پرشکوه ستارگان در کیهان آغازین

ابرنواخترها انفجارهای مرگبار و درخشان ستارگان پرجرم می باشند که به‌نوعی آخر حیات آنها را نشان خواهند داد اما اهمیت آنها زیاد فراتر از این آخر نمایشی است. این انفجارها منبع های مهم تشکیل عناصر سنگین (همانند آهن، طلا و اورانیوم) در کیهان‌اند و در انتشار کردن این عناصر در محیط بین‌ستاره‌ای نقش حیاتی دارند؛ ازاین‌رو، ابرنواخترها برای فهمیدن منشأ ماده‌ای که زمین و حتی بدن انسان از آن ساخته شده، حیاتی‌اند.

پیش از تلسکوپ جیمز وب، رصد ابرنواخترهای زیاد دور و مربوط به جهان آغازین، به‌سختی ممکن می بود؛ چون نور آنها در فاصله‌های کیهانی به‌شدت تضعیف می‌شود و به‌علت انبساط کیهان، به طول‌موج‌های فروسرخ کشیده می‌شود اما جیمز وب با توانایی شگفت انگیز خود در طیف فروسرخ، توانست انفجارهایی از ستارگان زیاد قدیمی را شناسایی کند.

یکی از موارد برجسته، رصد ابرنواخترهایی در فاصله‌هایی می بود که مربوط به کمتر از یک‌میلیارد سال بعد از مهبانگ می‌شد. برخی از این ابرنواخترها از نوع ابرنواخترهای پرنور بودند که از نابودی ستارگان بسیار عظیم به‌ وجود آمده‌اند و انرژی‌شان هزاران برابر زیاد تر از ابرنواخترهای معمولی است. مشاهده آنها مشخص می کند ستارگان زیاد پرجرم، حتی در مرحله های نخستین کیهان، به‌شدت شکل گرفته و نابود شده‌اند؛ فرایندی که به غنی‌سازی شیمیایی زودهنگام کیهان منجر شده است.

یکی از نکات دلنشین منفعت گیری از «عدسی گرانشی» برای تحکیم نور این انفجارهاست؛ یعنی منفعت گیری از خوشه‌های کهکشانی به‌گفتن ذره‌بین‌های طبیعی کیهانی برای دیدن انفجارهایی که در غیر این صورت قابل‌مشاهده نبودند. جیمزوب توانست به لطف این اتفاق، برخی از دورترین ابرنواخترها را به‌دقت تحلیل کند و جزئیات طیفی آنها را ثبت نماید.

خلاصه

تلسکوپ فضایی جیمز وب نه‌فقط دریچه‌ای تازه به دورترین اعماق کیهان گشود، بلکه فهمیدن ما را از شکل‌گیری ستارگان، سیارات، کهکشان‌ها و حتی خود حیات به چالش کشید. از مشاهده نخستین سیاه‌چاله‌ها و کهکشان‌های جوان گرفته تا کشف سیارات سرگردان و تحلیل دقیق جو سیارات فراخورشیدی، این تلسکوپ به ما نشان داد جهان نه‌فقط بزرگ‌تر، بلکه پیچیده‌تر و شگفت‌انگیزتر از تصورات ماست. هر کشف تازه جیمز وب نه آخر، بلکه اغاز مجموعه‌ای از سوال‌های تازه است؛ گویی علم با هر جواب، لایه‌ای دیگر از رازهای هستی را نمایان می‌کند. بدون تردید، آنچه تا بحال از جیمز وب دیده‌ایم، فقط پیش‌درآمدی بر انقلابی علمی است که تا این مدت درحال شکل‌گیری‌ است.

سؤالات متداول