تلسکوپ‌های هابل و جیمز وب؛ چرا هر دو برای اکتشافات کیهانی مهم هستند؟

هنگامی که تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) در تابستان امسال فعالیت علمی رسمی خود را آغاز کرد، موجی از هیجان در جامعه علمی و عموم مردم ایجاد شد.

انتشار تصاویری خیره‌کننده و بی‌سابقه از اعماق کیهان، بلافاصله مقایسه‌هایی در تلسکوپ‌های هابل و جیمز را برانگیخت. اخترشناسان با کنار هم قرار دادن نماهای گرفته‌شده از اجرام مشابه توسط این دو رصدخانه، به وضوح برتری جیمز وب در جزئیات و وضوح در طیف مادون قرمز را مشاهده کردند. اما آیا این به معنای پایان دوران خدمت هابل ۳۳ ساله است؟

با وجود پیشرفت‌های چشمگیر جیمز وب، پاسخ قاطعانه منفی است. این تلسکوپ که حاصل همکاری ناسا و آژانس فضایی اروپا است، پس از نزدیک به سه دهه فعالیت قدرتمند، همچنان نقش حیاتی خود را در اکتشافات کیهانی حفظ کرده است. چنانچه بث بیلر، اخترشناس دانشگاه ادینبرو و رئیس کمیته دانشمندان کاربر هابل، اشاره می‌کند، “هنوز دانش فراوانی وجود دارد که با هابل کشف خواهد شد.”

به گفته‌ی تام براون، رئیس دفتر ماموریت هابل، این تلسکوپ قابلیت‌های منحصربه‌فردی دارد که آن را از رده خارج نمی‌کند.

در این مقاله، به بررسی تفاوت های تلسکوپ‌های هابل و جیمز وب و این مسئله که چرا هابل، با وجود رقیب جوان و قدرتمند خود، نه تنها بلااستفاده نشده، بلکه برای تکمیل پازل کیهان، بیش از همیشه مورد نیاز است و چرا اخترشناسان در تلاش برای افزایش هرچه بیشتر عمر عملیاتی آن هستند.

تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) چیست؟

تلسکوپ فضایی جیمز وب (James Webb Space Telescope یا JWST) قدرتمندترین رصدخانه فضایی جهان است که به عنوان جانشین تلسکوپ فضایی هابل توسط ناسا با همکاری آژانس فضایی اروپا (ESA) و آژانس فضایی کانادا (CSA) ساخته شده است.

این تلسکوپ که در اواخر سال ۲۰۲۱ پرتاب شد و در سال ۲۰۲۲ فعالیت علمی خود را آغاز کرد، اساساً یک تلسکوپ مادون قرمز (فروسرخ) است که با آینه‌ای بسیار بزرگ‌تر و حساس‌تر از هابل طراحی شده است تا بتواند طول موج‌های بلندتر را تشخیص دهد.

ماموریت اصلی JWST شامل مطالعه نخستین ستارگان و کهکشان‌هایی است که پس از بیگ بنگ شکل گرفتند، جستجو برای درک چگونگی شکل‌گیری کهکشان‌ها، و بررسی سیارات فراخورشیدی و اقمار در منظومه‌های دیگر برای یافتن نشانه‌های احتمالی حیات است.

جیمز وب در نقطه‌ای به نام لاگرانژ ۲ (L2)، در فاصله حدود ۱.۵ میلیون کیلومتری از زمین، مستقر شده است تا بتواند در دمای بسیار پایین و به دور از تداخل گرمایی زمین، رصدهای دقیق فروسرخ را انجام دهد.

تلسکوپ فضایی هابل (Hubble) چیست؟

تلسکوپ فضایی هابل (Hubble Space Telescope یا HST) یک رصدخانه فضایی پیشگام است که توسط ناسا با همکاری آژانس فضایی اروپا (ESA) توسعه یافته و در سال ۱۹۹۰ در مدار پایینی زمین قرار گرفت.

هابل اولین تلسکوپ فضایی بزرگ نبود، اما به دلیل قابلیت‌های نوری بسیار پیشرفته و قرارگیری در خارج از جو زمین که از اعوجاج نور جلوگیری می‌کند، تصاویر بی‌نظیر و با وضوح فوق‌العاده‌ای از کیهان ارائه داده است.

هابل عمدتاً به عنوان یک تلسکوپ نور مرئی (Visible Light) شناخته می‌شود، اما در طیف‌های فرابنفش و مادون قرمز نزدیک نیز فعالیت می‌کند.

این تلسکوپ در طول دهه‌ها فعالیت خود، نقش محوری در تأیید نرخ انبساط کیهان، تعیین سن دقیق جهان، مشاهده تولد و مرگ ستارگان، و ارائه تصاویر نمادین از سحابی‌ها و کهکشان‌ها داشته است و همچنان به عنوان یک ابزار علمی حیاتی برای اکتشافات در طیف نوری مرئی باقی مانده است.

طیف‌های تخصصی هابل و جیمز وب

اما تلسکوپ‌های هابل و جیمز وب طیف های مختلفی دارد مثلا جیمز وب یک متخصص در تشخیص طول موج‌های فروسرخ (مادون قرمز) است و این ویژگی به آن امکان می‌دهد تا عمیق‌ترین نقاط کیهان و کهکشان‌های بسیار دوردست را مشاهده کند.

در مقابل، هابل بر مطالعه جهان در طول موج‌های متفاوتی تمرکز دارد؛ از جمله نور پرانرژی فرابنفش ساطع‌شده از پدیده‌های شگفت‌انگیزی مانند ستارگان در حال انفجار. علاوه بر این، هابل دید بسیار واضحی در طیف نور مرئی دارد و به همین واسطه، تصاویری بی‌نظیر از ستارگان، کهکشان‌ها و دیگر رویدادهای کیهانی نزدیک‌تر به زمین ثبت می‌کند.

از آنجایی که هیچ رصدخانه دیگری قادر به انجام این مجموعه وظایف با چنین گستردگی نیست، تقاضا برای استفاده از هابل همچنان بسیار بالا است و درخواست‌های پژوهشی فراوانی برای بهره‌برداری از آن ارسال می‌شود.

چرا هر دو برای اکتشافات کیهانی مهم هستند؟

تلسکوپ‌های هابل و جیمز وب؛ برای اکتشافات کیهانی مهم هستند زیرا هر یک در طیف‌های نوری متفاوت و مکمل عمل می‌کنند و توانایی‌های منحصربه‌فردی دارند که دیگری فاقد آن است.

هابل عمدتاً در نور مرئی و فرابنفش می‌بیند و برای مشاهده‌ی ساختار، رنگ و شکل ظاهری اجرام نزدیک‌تر کیهانی مانند کهکشان‌ها و ستارگان در حال انفجار، و همچنین مطالعه‌ی ترکیبات شیمیایی جو سیارات در UV، بی‌رقیب است.

در مقابل، جیمز وب یک تلسکوپ مادون قرمز است که می‌تواند از میان ابرهای غبارآلود کیهانی نفوذ کرده و نور کم‌رنگ و با طول موج بلند (قرمز شده) نخستین ستارگان و کهکشان‌های شکل گرفته در ابتدای کیهان را رصد کند.

استفاده از تلسکوپ‌های هابل و جیمز وب؛ به دانشمندان این امکان را می‌دهد که تصویری جامع و کامل از یک جرم کیهانی به دست آورند؛ هابل نمای بیرونی و مرئی را نشان می‌دهد، در حالی که جیمز وب لایه‌های پنهان و تاریخچه‌ی عمیق آن را آشکار می‌کند. این همکاری، کلید درک کامل ما از مبدأ و تکامل جهان است.

هابل هنوز کار می‌کند: نبرد مهندسان برای افزایش عمر اسطوره‌ی فضایی

طول عمر دقیق تلسکوپ فضایی هابل مشخص نیست و پیش‌بینی زمان بازنشستگی آن مانند حدس زدن زمان از کار افتادن یک خودروی قدیمی است. جیم جلتیک، قائم‌مقام برنامه هابل در مرکز گادرد، به همین نکته اشاره می‌کند: این وضعیت عدم قطعیت، بخشی از واقعیت فعالیت هابل است.

هابل که در سال ۱۹۹۰ توسط شاتل فضایی دیسکاوری به فضا پرتاب شد، برای حفظ توانایی‌های علمی خود نیاز به نگهداری مداوم داشت. فضانوردان بین سال‌های ۱۹۹۳ تا ۲۰۰۹، پنج مأموریت سرویس‌دهی حیاتی را انجام دادند. اولین مأموریت، نقص آینه اصلی را که باعث تاری دید شده بود، برطرف کرد و چهار مأموریت بعدی، با به‌روزرسانی ابزارهای علمی، هابل را در خط مقدم پژوهش‌های نجومی حفظ کردند. به گفته وایزمن، این مأموریت‌ها بارها هابل را به یک تلسکوپ نو تبدیل کردند.

با این حال، پس از بازنشستگی شاتل فضایی در سال ۲۰۱۱، برنامه سرویس‌دهی مجدد به هابل متوقف شد. در حال حاضر، سامانه‌های اصلی تلسکوپ، شامل پنل‌های خورشیدی، باتری‌ها و ژیروسکوپ‌های تعیین جهت، اگرچه هنوز فعال هستند، اما قدیمی شده‌اند. خرابی‌های غیرمنتظره گاهی رخ می‌دهد؛ مانند از کار افتادن یک‌ماهه کامپیوتر محموله‌ی هابل در سال ۲۰۲۱. مهندسان با موفقیت توانستند تلسکوپ را روی سامانه‌ی پشتیبان فعال کنند و اکنون در تلاش برای احیای سامانه‌ی اصلی هستند تا در صورت خرابی بخش پشتیبان، هابل یک جایگزین داشته باشد.

کنترل‌کنندگان مأموریت همچنین روش‌های هوشمندانه‌تری را برای مدیریت فعالیت‌های تلسکوپ به کار می‌برند تا طول عمر آن را افزایش دهند. به عنوان مثال، آن‌ها نحوه‌ی برقراری ارتباط هابل با ماهواره‌ها برای انتقال داده‌ها به زمین را بهینه‌سازی کرده‌اند و با کاهش دفعات روشن و خاموش کردن فرستنده‌های تلسکوپ، می‌کوشند تا عمر مفید این قطعات حیاتی را تمدید کنند. این تلاش‌های مستمر نشان می‌دهد که هابل، با وجود عمر طولانی، همچنان یک اولویت مهم علمی است.

در حالی که هابل به ما کمک کرد تا سیارات فراخورشیدی را رصد کنیم، خود این تلسکوپ‌ها در طول فعالیت خود شاهد تغییرات بزرگی در تعریف منظومه شمسی، مانند ماجرای خارج شدن پلوتون از فهرست سیاره‌های اصلی، بوده‌اند.

تلاش برای افزایش مدار و تمدید حیات علمی هابل

یکی از دغدغه‌های اصلی در مورد آینده هابل، چگونگی حفظ مدار و جلوگیری از کاهش ارتفاع آن به دلیل کشش جو زمین است. این تلسکوپ در ابتدا در ارتفاع ۶۱۵ کیلومتری قرار داشت، اما هم‌اکنون در ارتفاع ۵۳۵ کیلومتری مدار می‌چرخد و انتظار می‌رود تا اواسط دهه ۲۰۳۰ در این وضعیت باقی بماند. با این حال، افزایش فعالیت‌های خورشیدی پیش‌بینی‌شده برای سال ۲۰۲۵ می‌تواند با افزایش تأثیرات جوی، سرعت سقوط هابل را تسریع بخشد.

به همین دلیل، ناسا و اسپیس‌ایکس در حال انجام یک مطالعه‌ی امکان‌سنجی برای بررسی توانایی کپسول دراگون هستند تا با اتصال به هابل، مدار آن را افزایش دهند. این اقدام نه تنها عمر علمی هابل را به طور قابل توجهی تمدید می‌کند، بلکه به ناسا زمان کافی می‌دهد تا برنامه‌ریزی دقیقی برای بازنشستگی ایمن تلسکوپ در آینده داشته باشد (مانند هدایت کنترل‌شده آن به فراز اقیانوس).

اگرچه نتایج نهایی این مطالعه هنوز اعلام نشده است، اما امیدواری زیادی برای تداوم مأموریت هابل وجود دارد. به گفته‌ی مقامات مسئول، “ما معتقدیم که می‌توانیم اکتشافات و مشاهدات علمی منحصربه‌فرد و بزرگ هابل را تا پایان دهه جاری و حتی دهه بعدی ادامه دهیم.” با وجود ثبت بیش از ۱.۵ میلیون رصد در طول عمر خود، هابل هنوز به کمتر از یک‌دهم یک درصد از آسمان نگاه کرده است که نشان‌دهنده پتانسیل عظیم این تلسکوپ برای اکتشافات آتی است.

کلام اخر

در نهایت، تلسکوپ‌های هابل و جیمز وب نشان‌دهنده اوج نبوغ و کنجکاوی بشر هستند. حضور همزمان تلسکوپ‌های هابل و جیمز وب؛  نه یک رقابت، بلکه یک همکاری استراتژیک است که پنجره‌ای جامع و کامل به کل تاریخ کیهان می‌گشاید. هابل با تمرکز بر نور مرئی و فرابنفش، ساختار، رنگ و نمای نزدیک‌تر جهان را به ما نشان می‌دهد و یک پایگاه داده تاریخی گرانبها فراهم می‌کند.

در مقابل، جیمز وب با قدرت بی‌نظیر در طیف مادون قرمز، قادر است به ورای غبار نفوذ کرده و نخستین نورها و جزئیات پنهان را از دل کیهان اولیه بیرون بکشد. با تلاشی که برای افزایش مدار و تمدید حیات هابل در دست انجام است، جامعه علمی مطمئن است که این دو قهرمان فضایی برای دهه‌ها در کنار هم کار خواهند کرد تا اسرار کیهانی را یکی پس از دیگری کشف کنند و درک ما از جهان هستی را متحول سازند.

سوالات متداول

۱. چرا هابل نمی‌تواند کارهایی را انجام دهد که جیمز وب انجام می‌دهد و برعکس؟

تفاوت کلیدی در طول موج‌های نوری است که در هر دو تلسکوپ‌های هابل و جیمز وب می‌توانید مشاهده کنید. هابل عمدتاً در نور مرئی و فرابنفش تخصص دارد، که برای دیدن اجرام نزدیک‌تر و مطالعه ساختار و رنگ آن‌ها حیاتی است. اما جیمز وب یک متخصص در نور مادون قرمز (فروسرخ) است، که به آن اجازه می‌دهد از میان ابرهای غبارآلود نفوذ کرده و نور کم‌انرژی‌تر و “قرمز شده” (ناشی از انتقال به سرخ) کهکشان‌های بسیار دوردست را ثبت کند. بنابراین، هابل برای نمای مرئی و نزدیک، و جیمز وب برای عمق کیهان و مناطق پوشیده از غبار ضروری است.

۲. آیا جیمز وب جایگزین هابل محسوب می‌شود یا مکمل آن است؟

جیمز وب در واقع یک مکمل برای هابل است، نه یک جایگزین. اگرچه جیمز وب از نظر فنی پیشرفته‌تر است و آینه بزرگ‌تری دارد، اما عدم توانایی آن در رصد طیف فرابنفش و نور مرئی (که حوزه تخصصی هابل است) باعث می‌شود که نتواند تمام وظایف هابل را بر عهده بگیرد. دانشمندان اغلب از هر دو تلسکوپ برای رصد یک جرم استفاده می‌کنند: هابل ساختار و جزئیات بیرونی را در نور مرئی فراهم می‌کند، در حالی که جیمز وب به داخل نفوذ کرده و جزئیات مربوط به تشکیل ستاره و سیاره را در مادون قرمز آشکار می‌سازد. این همکاری، تصویری کامل‌تر از کیهان به دست می‌دهد.

۳. چرا هابل در ارتفاعی نزدیک‌تر به زمین مدار می‌زند، در حالی که جیمز وب بسیار دورتر است؟

موقعیت مداری هر تلسکوپ به نیازهای عملکردی آن بستگی دارد. هابل در مداری نسبتاً نزدیک به زمین (حدود ۵۳۵ کیلومتری) قرار دارد، که برای مشاهده نور مرئی و فرابنفش کافی است و همچنین در گذشته امکان اعزام مأموریت‌های تعمیر و ارتقاء توسط فضانوردان را فراهم می‌کرد. در مقابل، جیمز وب در نقطه لاگرانژ L2 (حدود ۱.۵ میلیون کیلومتری زمین) مستقر است تا بتواند در سردترین حالت ممکن فعالیت کند. دمای پایین برای رصدهای مادون قرمز بسیار حیاتی است، زیرا هرگونه گرمای ناشی از تلسکوپ یا زمین می‌تواند سیگنال‌های ضعیف مادون قرمز را مخدوش کند.