صفر تا ۱۰۰ "جیمز وب"، بزرگترین و قدرتمندترین تلسکوپ پرتابی به فضا

به گزارش اس تی دی، پیش از آنکه ابزار فروسرخ میانی(MIRI) تلسکوپ فضایی جیمز وب(یکی از چهار ابزار علمی تعبیه شده روی این تلسکوپ) بتواند کار کند، باید تقریبا تا سردترین دمایی که یک ماده می‌تواند به آن برسد، رسیده و خنک شود.

تلسکوپ فضایی جیمز وب ناسا که قرار است در ۲۴ دسامبر(سوم دی) پرتاب شود، بزرگترین رصدخانه فضایی تاریخ خواهد بود و وظیفه آن نیز به اندازه وسعت آن، عظیم خواهد بود چرا که این تلسکوپ باید نور فروسرخ حاصل از دوردست‌ترین نقاط کیهان را جمع‌آوری کند که این امر دانشمندان را قادر خواهد ساخت تا ساختارهای هستی را به خوبی درک کنند.

بسیاری از اجرام کیهانی مانند ستارگان و سیارات و همچنین گاز و غبار حاصل از محل تشکیل آنها، نور فروسرخ ساطع می‌کنند که این حالت گاهی اوقات تابش گرمایی نامیده می‌شود. این بدان معناست که چهار ابزار فروسرخ وب می‌توانند درخشش فروسرخ خود را تشخیص دهند. برای کاهش این انتشارها، این ابزارها باید واقعا سرد و در دمایی حدود ۴۰ کلوین یا منفی ۳۸۸ درجه فارنهایت(منفی ۲۳۳ درجه سانتیگراد) قرار داشته باشند. اما برای عملکرد صحیح، آشکارسازهای تعبیه شده در داخل ابزار فروسرخ میانی باید حتی سردتر و در دمای کمتر از هفت کلوین(منفی ۴۴۸ درجه فارنهایت یا منفی ۲۶۶ درجه سانتی‌گراد) نگه داشته شوند.

این دما تنها چند درجه بالاتر از صفر مطلق(۰ کلوین) و سردترین دمایی که از نظر تئوری ممکن است وجود داشته باشد، است. دما اساسا معیار اندازه‌گیری سرعت حرکت اتم‌ها است و آشکارسازهای جیمزوب علاوه بر تشخیص نور فروسرخ خود، می‌توانند توسط ارتعاشات حرارتی خود نیز فعال شوند. ابزار فروسرخ میانی این تلسکوپ، نور را در محدوده انرژی کمتری نسبت به سه ابزار دیگر تشخیص می‌دهد. از این رو آشکارسازهای آن حتی نسبت به ارتعاشات حرارتی نیز حساس‌تر هستند. این سیگنال‌های ناخواسته همان چیزی هستند که اخترشناسان از آنها با عنوان  "نویز"(noise) یاد می‌کنند و می‌توانند سیگنال‌های ضعیفی را که وب در تلاش برای تشخیص آن است، تحت تاثیر قرار دهند.

پس از پرتاب، وب یک آفتابگیر به اندازه زمین تنیس را باز خواهد کرد که توسط آن ابزار فروسرخ میانی و سایر ابزارها از گرمای خورشید در امان خواهند بود و این امر به آنها اجازه می‌دهد تا خنک شوند. حدود ۷۷ روز پس از پرتاب، سرماساز ابزار فروسرخ میانی(MIRI’s cryocooler) ۱۹ روز را صرف کاهش دمای آشکارسازهای این ابزار و رساندن دمای آنها به دمای کمتر از هفت کلوین خواهد کرد.

"کنستانتین پنانن"(Konstantin Penanen) متخصص سرماساز آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا در جنوب کالیفرنیا که مدیریت ابزار فروسرخ میانی ناسا را نیز بر عهده دارد، گفت: خنک کردن چیزی تا آن درجه حرارت روی زمین نسبتا آسان است و معمولا کاربرد علمی و صنعتی دارد اما سیستم‌های مبتنی بر زمین بسیار حجیم و از نظر انرژی ناکارآمد هستند. برای یک رصدخانه فضایی، ما به خنک‌کننده‌ای نیاز داریم که از نظر فیزیکی فشرده، از لحاظ انرژی بسیار کارآمد و بسیار هم قابل اطمینان باشد، زیرا نمی‌توانیم از نزدیک آن را لمس کرده و تعمیر کنیم. بنابراین اینها چالش‌هایی بودند که ما با آن روبرو بودیم اما اکنون می‌توانم بگویم که سرماساز ابزار فروسرخ میانی مطمئنا ابزار پیشرفته‌ای برای رسیدن به این هدف است.

یکی از اهداف علمی عظیم جیمزوب، مطالعه خواص اولین نسل از ستارگانی خواهد بود که در کیهان شکل گرفته‌اند. دوربین فروسرخ نزدیک وب موسوم به "NIRCam" قادر به تشخیص این اجرام بسیار دور خواهد بود و ابزار فروسرخ میانی نیز به دانشمندان کمک خواهد کرد تا تایید کنند که این منابع ضعیف نوری، خوشه‌هایی از ستارگان نسل اول هستند یا خیر.

ابزار فروسرخ میانی این تلسکوپ با نگاه کردن به ابرهای غبار غلیظ، محل تولد ستارگان را آشکار خواهد کرد. همچنین قادر به شناسایی مولکول‌های رایج در زمین مانند آب، دی‌اکسید کربن و متان و کانی‌های سنگی مانند سیلیکات‌ها در محیط‌های خنک اطراف ستارگان نزدیک و جایی که سیارات ممکن است شکل گرفته باشند نیز خواهد بود. ابزارهای فروسرخ نزدیک در تشخیص این مولکول‌های همانند بخار در محیط های بسیار گرم‌تر، بهتر عمل می‌کنند چرا که ابزار فروسرخ میانی می‌تواند آنها را تنها به صورت یخ ببیند.

گیلیان رایت(Gillian Wright) از رهبران بخش علمی ابزار فروسرخ میانی گفت: با بهره‌گیری از تخصص محققان ایالات متحده و اروپا، ما ابزار فروسرخ میانی را توسعه داده‌ایم و این ابزار اخترشناسان سراسر جهان را قادر خواهد ساخت تا به سوالات پیچیده در مورد چگونگی شکل‌گیری و تکامل ستارگان، سیارات و کهکشان‌ها پاسخ دهند.

سرماساز ابزار فروسرخ میانی از گاز هلیوم برای از بین بردن گرما از آشکارسازهای این ابزار استفاده می‌کند. دو کمپرسور برقی، هلیوم را از طریق یک لوله که آشکارسازها در امتداد آن قرار دارند، پمپاژ می‌کند. این لوله از طریق یک بلوک فلزی که به آشکارسازها نیز متصل است، می‌گذرد. هلیوم خنک شده، گرمای اضافی را از بلوک فلزی که به نوبه خود آشکارسازها را در دمای زیر هفت کلوین نگه می‌دارد، جذب می‌کند. سپس این گاز گرم شده(اما هنوز کاملا سرد) به کمپرسورها باز می‌گردد و گرمای اضافی تخلیه شده و این چرخه دوباره تکرار می‌شود. در کل، این سیستم مشابه سیستم‌های مورد استفاده در یخچال‌های خانگی و تهویه هوا عمل می‌کند.

لوله‌ حامل هلیوم از فولاد ضد زنگ دارای روکش طلا ساخته شده است و قطر آن کمتر از یک دهم اینچ(۲.۵ میلی متر) است. طول این لوله حدود ۳۰ فوت(۱۰ متر) است و از کمپرسورها، واقع در منطقه‌ای به نام اتوبوس فضاپیما (spacecraft bus) تا آشکارسازهای ابزار فروسرخ میانی واقع در عنصر تلسکوپ نوری و پشت آینه اصلی کندو مانند این رصدخانه، امتداد دارد. یک سخت افزار به نام "Deployable Tower Assembly" یا "DTA" این دو منطقه را به هم متصل می‌کند. هنگامی که این تلسکوپ برای پرتاب آماده می‌شود، DTA مانند یک پیستون، فشرده می‌شود تا به قرار گرفتن این رصدخانه در بالای موشک کمک کند. پس از ورود به فضا، این بخش گسترش خواهد یافت تا اتوبوس فضاپیما با دمای اتاق را از عنصر تلسکوپ نوری بسیار سردتر جدا کرده و به افتابگیر و تلسکوپ اجازه دهد تا به طور کامل مستقر شوند. اما فرآیند امتداد یافتن مستلزم آن است که لوله هلیوم همراه با DTA گسترش یابد. بنابراین لوله، مانند فنر پیچیده شده است و به همین دلیل است که مهندسان ابزار فروسرخ میانی به این بخش از لوله لقب "Slinky" را داده‌اند.

جیمز وب ۱۰۰ برابر قدرتمندتر از هابل است. همچنین وب از نور فروسرخ استفاده می‌کند و دارای طول موج‌هایی است که می‌تواند از میان ابرهای غباری را که ممکن است از دید هابل که به نور مرئی متکی جا مانده باشد نیز گذر کند.

وب باید عمیق‌تر از پیش کیهان را رصد کند و کهکشان‌هایی را که پس از بیگ‌بنگ شکل گرفتند، شناسایی کند. شناسایی این کهکشان‌ها به دلیل دور دست بودن و نور کم برای هابل چندان امکانپذیر نیست. ناسا با همکاری آژانس فضایی اروپا و آژانس فضایی کانادا، دهه‌هاست در حال کار بر روی این تلسکوپ است و بیش از ۱۰ میلیارد دلار برای ساخت وب هزینه کرده است. گفتنی است طراحی جیمزوب در ابتدا در دهه ۱۹۹۰ مطرح شده بود و  هزینه‌ای ۵۰۰ میلیون دلاری نیز برای ساخت آن در نظر گرفته شده بود اما طراحی مجدد و تاخیرهای پی در پی، هم هزینه ساخت آن را افزایش داد و هم تاریخ پرتاب آن را به تعویق انداخت.

این تلسکوپ ۱۰ میلیارد دلاری که جانشینی برای تلسکوپ فضایی هابل در نظر گرفته شده است، قرار بود در روز شنبه ۱۸ دسامبر(۲۷ آذر) به فضا پرتاب شود اما وقوع یک حادثه در هنگام جابه‌جایی آن باعث تعویق پرتاب این تلسکوپ شد. به گفته ناسا هنگامی که متخصصین در حال اتصال جیمز وب به آداپتور موشک آریان بودند یکی از سیم‌های اتصال جدا شد و این تلسکوپ تکان شدیدی خورد. پس از آن بروز یک مشکل در سیستم ارتباطی میان موشک و تلسکوپ پرتاب آن را باز هم به تاخیر انداخت و اکنون قرار است جیمز وب با چند روز تاخیر در روز جمعه، سوم دی به فضا پرتاب شود.

مقامات فضایی ایالات متحده آمریکا و اروپا پس از انجام آخرین دور از آزمایشات روز جمعه را برای پرتاب تعیین کردند. رئیس ناسا انتظار دارد که به دلیل تعطیلات سال نو، محل پرتاب خلوت‌تر باشد و این تلسکوپ در ساعت ۷:۲۰ صبح به وقت منطقه زمانی شرقی(۱۵:۵۰ تهران) به فضا پرتاب شود. وی به آسوشیتدپرس گفته است: از آنجا که شب کریسمس است افراد کمتری از هیئت‌های کنگره و حتی تیم ناسا و پیمانکار حضور خواهند داشت اما او خاطرنشان کرد که هنگام پرتاب در محل حاضر می‌شود.