همه‌چیز با مهبانگ شروع شد
«جیمز وب»: چشمان تیزبین اخترشناسان در یک‌ونیم میلیون کیلومتری خانه‌شان
کیهان با یک انفجار شروع شد: مهبانگ! انرژی، جرم و فضا، همه در یک لحظه آنی به وجود آمدند. اما اینکه دقیقا در طول این رویداد چه اتفاقی افتاد، یکی از سخت‌ترین معماهای پیش‌روی علم است. این سؤال تقریبا یک قرن پیش توسط ستاره‌شناس «ادوین هابل» مطرح شد.
مریم مرامی*: کیهان با یک انفجار شروع شد: مهبانگ! انرژی، جرم و فضا، همه در یک لحظه آنی به وجود آمدند. اما اینکه دقیقا در طول این رویداد چه اتفاقی افتاد، یکی از سخت‌ترین معماهای پیش‌روی علم است. این سؤال تقریبا یک قرن پیش توسط ستاره‌شناس «ادوین هابل» مطرح شد. در سال ۱۹۲۹، هابل دریافت که کهکشان‌های دور، در حال فاصله گرفتن از زمین هستند. نکته مهم این است که کهکشان‌های دورتر با سرعت بیشتری دور می‌شدند. این الگو به قانون هابل معروف شد. از آن زمان، تصاویر گرفته‌شده توسط تلسکوپ‌هایی که به سراسر کیهان خیره شده‌اند، آن را تأیید کردند و به نظر می‌رسد به یک نتیجه حیرت‌انگیز اشاره می‌کند: کیهان در حال انبساط است. این انبساط، شواهد اولیه برای انفجار بزرگ است. به‌هرحال، اگر همه‌چیز در گیتی در حال گسترش و دور شدن از هر چیز دیگری باشد، تصور بازگشت آن حرکت، آسان است. شبیه نوار ویدئویی که به عقب چرخانده شده، ممکن است نشان دهد که همه‌چیز نزدیک و نزدیک‌تر می‌شود زیرا زمان به عقب می‌رود تا هنگامی که کل گیتی در یک نقطه منفجر شود. برای بسیاری از دانشمندانی که در تلاش برای درک انفجار بزرگ هستند، اولین نشانه یک مشکل، عبارت «بی‌نهایت متراکم» است. هر زمان که بی‌نهایت را به عنوان پاسخ دریافت می‌کنید، حدس می‌زنید که چیزی اشتباه است. رسیدن به بی‌نهایت به این معنی است که ما یا کار اشتباهی انجام داده‌ایم یا چیزی را به اندازه کافی خوب نمی‌فهمیم یا نظریه ما اشتباه است. نظریه‌های علمی می‌توانند با دقت باورنکردنی، چگونگی تحول کیهان پس از انفجار بزرگ را در طول زمان توصیف کنند. مشاهدات تلسکوپ‌ها این نظریه‌ها را تأیید کرده است. اما هر یک از این نظریه‌ها در یک نقطه خاص از هم می‌پاشند. آن نقطه، در کسری کوچک از ثانیه اول پس از انفجار بزرگ است. اکثر دانشمندان بر این باورند که قوانین فیزیک ما را در مسیر درست برای درک اولین لحظات کیهان هدایت می‌کند. کیهان‌شناسان هنوز هم در تلاشند برای درک دوران اولیه و شاید تصور کیهان و هر چیزی که در آن است.
«جیمز وب» از نخستین مدیران ناسا بود که بر ایجاد برنامه آپولو در دهه ۱۹۶۰ نظارت داشت. او معتقد بود که ناسا باید تعادلی بین پرواز فضایی انسان و علم ایجاد کند، زیرا چنین ترکیبی به عنوان یک کاتالیزور، برای تقویت دانشگاه‌ها و صنعت هوافضای کشور عمل می‌کند. چشم‌انداز وب از یک برنامه متعادل، منجر به یک دهه تحقیقات علوم فضایی شد که امروزه بی‌نظیر است. ناسا در دوران تصدی وی، روی توسعه فضاپیماهای رباتیک سرمایه‌گذاری کرد که محیط ماه را کاوش کردند. ازاین‌رو، بسیاری بر این باورند که جیمز وب، که آژانس فضایی را اداره می‌کرد، بیش از هر مقام دولتی دیگری، برای علم تلاش کرده است.
تلسکوپ فضایی هابل )HST(
یکی از تأثیرگذارترین اکتشافات تلسکوپ هابل و انگیزه اصلی برای ساخت جانشین آن یعنی وب در سال ۱۹۹۵ دو سال پس از نصب لنز اصلاحی آن رخ داد. ایده این بود که به دنبال اجرام بسیار کم‌نور و دوردستی بگردیم که ممکن است فراتر از دسترس تلسکوپ‌هایی با حساسیت کمتر، پنهان شده باشد. کهکشان‌های دورتر در عکس میدان عمیق هابل، قرمزتر به نظر می‌رسند، زیرا نور آنها در فضای در حال انبساط، طولانی‌تر بوده تا به زمین برسد و بنابراین به طول‌موج‌های بلندتر کشیده شده است و از طریق این کدگذاری رنگی، تصویر نمایی سه‌بعدی از کیهان و جدول زمانی تحول کهکشان‌ها را ارائه می‌دهد. از آنجایی که کهکشان‌ها در تمام طول عمرشان و مراحل تحولی‌شان ظاهر می‌شوند، دلیلی است بر اینکه کیهان در طول زمان به‌شدت تغییر کرده است. این یک پیشرفت فکری بزرگ است که می‌توانید با تلسکوپ عکس بگیرید، می‌توانید به گذشته نگاه کنید و می‌توانید ببینید که در آن زمان کیهان چقدر متفاوت بوده. کهکشان‌ها در زمان‌های اولیه، ظاهری عجیب داشتند. کوچک و ژولیده، مانند جوجه اردک‌های زشت که میلیاردها سال طول می‌کشد تا به قو تبدیل شوند. کیهان زیبا با کهکشان‌های مارپیچی و بیضوی امروزی، واقعا نوعی توسعه دیرهنگام است. با این حال، قابل‌توجه‌ترین نکته در مورد جدول زمانی تحول کهکشان این بود که هیچ آغازی پیش‌رو نیست. تا آنجایی که چشم شیشه‌ای هابل می‌توانست ببیند کهکشان‌هایی وجود داشتند. حتی در عکس‌های عمیق‌تر که با دوربین‌های ارتقایافته‌ای که فضانوردان بعدا روی تلسکوپ نصب کردند، گرفته شده‌اند، لکه‌های نور که مربوط به حدود ۵۰۰ میلیون سال پس از انفجار بزرگ است، مشاهده شده‌اند. اکنون تصور می‌شود که ساختارها، صدها میلیون سال قبل از آن به‌وجود آمده‌اند. اما کهکشان‌هایی که در حال شکل‌گیری هستند و ماده آنها برای اولین‌بار ستاره می‌سازند، هم خیلی دور و هم‌کم‌نور هستند که هابل نمی‌تواند آنها را تشخیص دهد، همچنین خیلی به سرخی تمایل دارند. به عبارتی، نور این کهکشان‌ها مستقیما از قسمت مرئی طیف الکترومغناطیسی به مادون قرمز کشیده شده است. بنابراین برای دیدن آنها، ما به یک تلسکوپ بزرگ‌تر با حسگر فروسرخ نیاز داریم.
چشم جدیدی در آسمان
تلسکوپ فضایی هابل بیش از ۳۰ سال است تصاویری دیدنی از کهکشان‌های در حال حرکت، مهد ستارگان و بقایای انفجارهای ابرنواختر (انفجار عظیم و درخشان ستاره‌ای پرجرم در حال مرگ) ارائه می‌دهد. اما زمان آن رسیده است که چیز بهتری داشته باشیم. تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) وظیفه دارد از حسگرهای فروسرخ خود برای کاوش برخی از دورترین و سخت‌ترین نقاط آسمان استفاده کند و به جست‌وجوی سیارات فراخورشیدی و کاوش در اولین زمان‌های کیهان بپردازد. آیا وب ما را به شهروندی کیهان نزدیک‌تر می‌کند؟ جیمز وب برای نسل جدید، جای هابل را می‌گیرد و گیتی را با وضوح بی‌نظیر در فروسرخ، با طول موج نور کمی بیشتر از نور مرئی که هابل می‌گیرد، به تصویر می‌کشد. فهرستی که او به‌تنهایی مشاهده می‌کند، همه‌چیز را از سیارات، قمرها و سیارک‌ها در منظومه شمسی ما گرفته تا خوشه‌های عظیم کهکشان‌های باستانی، دربرمی‌گیرد. بشریت که حالا با حسگرهای فروسرخ به دورترین نقاط کیهان می‌نگرد، چشم جدیدی در آسمان دارد. مسلما مشتاقانه‌ترین مشاهدات جیمز وب از دورترین کهکشان‌هایی است که بشر تاکنون ندیده است. سرعت محدود نور به این معنی است که هرچه جسمی از ما دورتر باشد، آن را در زمان دورتر می‌بینیم. به دلیل انبساط کیهان، نور ساطع‌شده از کهکشان‌های اولیه، فراتر از توانایی هابل برای دیدن کشیده شده است. در نتیجه، جیمز وب قادر خواهد بود دورتر از هابل به تاریخ کیهان نگاه کند و به ما کمک خواهد کرد تا درک بهتری از چگونگی توسعه کیهان در طول زمان داشته باشیم. در فلسفه حیات متوجه شدیم که آفرینش‌گرایی تکاملی، پاسخ قانع‌کننده‌ای به این سؤالات مهم ارائه می‌دهد. معمولا حدود 4.5 میلیارد سال پیش، توصیف تکامل در زمین با اولین موجودات ساده آغاز می‌شود. اما همانطور که ستاره‌شناسان صریحا به آن اشاره می‌کنند، داستان زندگی، خیلی پیش‌تر از آن شروع شده است. به عبارتی، قبل از اینکه حیات روی زمین وجود داشته باشد، خود سیاره باید تشکیل می‌شد و مواد لازم را از گرد و غبار و گاز اطراف خورشید در حال تولد، جمع می‌کرد. و قبل از آن، عناصر سنگینی که سیاره ما را تشکیل می‌دهند -اکسیژن، کربن، آهن و... - باید از طریق همجوشی در هسته‌های نسل‌های قبلی ستاره‌ها و مرگ‌های بعدی آنها به عنوان ابرنواختر ساخته می‌شدند. حتی قبل‌تر از آن، ستاره‌های اولیه در کهکشان‌هایی به‌وجود آمده‌اند که توسط توده‌های ماده تاریک در کیهان اولیه تعریف شده‌اند. داستان برمی‌گردد به لحظه ناشناخته انفجار بزرگ. به یک معنا که کیهان به مدت 13.8 میلیارد سال در حال تحول بوده است و جیمز وب، بینش‌های جدیدی را در مورد این تحول کیهانی آشکار می‌کند.
تلسکوپ فضایی «جیمز وب»
جیمز وب قوی‌ترین تلسکوپ فضایی تاریخ است و می‌تواند اجرام را صد برابر کم‌نورتر از آنچه تلسکوپ فضایی هابل می‌بیند، مشاهده کند. درواقع به همان اندازه که امیدوار بودیم و شاید بیشتر از انتظار ما قدرتمند است. تلسکوپ فضایی جیمز وب برای پاسخ به بسیاری از پرسش‌های اصلی که ستاره‌شناسان را در نیم‌قرن گذشته درگیر کرده، طراحی شده است. با قیمت ۱۰ میلیارد دلاری، یکی از جاه‌طلبانه‌ترین ابتکارات مهندسی است که تاکنون انجام شده، اما برای دستیابی به پتانسیل خود (چیزی کمتر از بازنویسی تاریخ کیهان و تغییر شکل موقعیت بشر در درون آن) بسیاری از چیزها باید درست کار کنند. برای اینکه به دوران کودکی کیهان نگاه کنید و شاهد سوسو زدن ستارگان اولیه باشید، ابتدا باید آینه بسیار بزرگی طراحی شود. فقط آینه‌ای عظیم و صاف می‌تواند نور ضعیفی را که از دورترین کهکشان‌های آسمان می‌آید، جمع‌آوری و متمرکز کند. نوری که مدت‌ها پیش، منبع خود را ترک کرده و بنابراین کهکشان‌ها را همانطور که در گذشته باستان، زمانی که گیتی جوان بود، نشان می‌دهد. کم‌نورترین و دورترین کهکشان‌هایی که می‌بینیم هنوز در مراحل تولد هستند. هنگامی که نیروهای مرموز در تاریکی یکی شدند، اولین دانه‌های ستاره شروع به درخشش کردند. اما در مطالعه اولیه منشأ کیهان -برای درک ماهیت اولین ستارگان غول‌پیکر، درک در مورد ماده نامرئی که گرانش آنها را به‌وجود آورده است، و در مورد نقش مغناطیس و تلاطم، و اینکه چگونه سیاهچاله‌های عظیم رشد کردند و راه خود را به مراکز کهکشان‌ها رساندند- داشتن یک آینه استثنائی کافی نیست. دلیل اینکه هیچ‌کس دوران شکل‌گیری کهکشان‌ها را ندیده این است که نور ستارگان باستانی، برای رسیدن به ما از طریق بافتِ در حالِ گسترشِ فضا برای میلیاردها سال، کشیده شده است. نور ماوراء بنفش و مرئی که توسط دورترین ستارگان آسمان می‌تابد در طول سفر به زمین، به طول موج‌هایی حدود ۲۰ برابر کشیده شده و به تابش‌های فروسرخ تبدیل می‌شود. اما نور فروسرخ نوعی نور لرزاننده اتم است که ما از آن به عنوان گرما یاد می‌کنیم، همان گرمایی که از بدن ما، جو و زمین زیر پای ما گسیل می‌شود. افسوس که این منابع گرمایی محلی، روشنایی ستارگان اولیه را کم‌رنگ می‌کنند. برای درک آن ستارگان، تلسکوپ با آینه بزرگش باید بسیار سرد باشد و به فضا پرتاب شود. برای دستیابی به یک فوکوس خوب به موتورهای بسیار دقیقی نیاز است- موتورهایی که می‌توانند هر بخش آینه را با افزایش نصف پهنای یک رایانه به حرکت درآورند تا زمانی که همه در جای خود قرار گیرند. توانایی دیدن منابع فروسرخ ضعیف، نه‌تنها به شما امکان دسترسی به فصل شکل‌گیری کیهان را می‌دهد -تقریبا دوره ۵۰ تا ۵۰۰ میلیون سال پس از انفجار بزرگ- بلکه می‌تواند احتمالا جنبه‌های دیگری به همان اندازه مهم از کیهان را نیز آشکار کند، یعنی از ویژگی‌های سیاراتی به اندازه زمین که به دور ستاره‌های دیگر می‌چرخند، تا ... شتاب بسیار بحث‌برانگیزی که در آن، فضا در حال انبساط است. اما برای اینکه تلسکوپ کار کند، چیز دیگری لازم است فراتر از یک آینه بی‌عیب و نقص که به‌طور مستقل باز می‌شود و پس از پرتاب به آسمان، متمرکز می‌شود. ویژگی کلیدی طراحی وب این است که دو ضلع سرد و گرم دارد. سمت سرد آن، رصد را انجام می‌دهد، درحالی‌که سمت گرم، صفحه‌های خورشیدی فضاپیما و یک آنتن برای ارتباط دوطرفه با زمین را حمل می‌کند. اما این ترتیب، تنها زمانی کار می‌کند که خورشید و زمین همیشه در یک جهت روبه‌رو باشند. اگر وب به‌سادگی مانند هابل در مدار زمین قرار می‌گرفت، یا اگر فضاپیما در فاصله کمی متفاوت از مدار زمین به دور خورشید می‌چرخید، این اتفاق نمی‌افتاد. اما به نظر می‌رسد یک فاصله خاص وجود دارد که در آن یک جسم می‌تواند به دور خورشید بچرخد و همیشه خورشید و زمین را در یک جهت ببیند. این نقطه به اصطلاح لاگرانژ-2 است و تلسکوپ وب در آنجا مستقر خواهد شد.
«جیمز وب» در مقابل هابل
دلیل اصلی عملکرد بسیار خوب وب نسبت به تلسکوپ‌های بازنشسته ناسا (هابل، اسپیتزر)، عدسی فوق‌العاده آن است که قادر است حداکثر وضوح بالقوه خود را برای اکثر طول موج‌های فروسرخ که تلسکوپ مشاهده می‌کند، به دست آورد. عدسی این تلسکوپ قادر است تک‌ستاره‌های کوچک را در مرکز کهکشان شناسایی کند و نور فروسرخ درست از میان غبار عبور می‌کند تا به رصدخانه برسد. به‌عبارتی، با هابل، مثل این است که بخواهیم تلسکوپ خود را به سمت یک دیوار آجری نشانه بگیریم و از میان آن ببینیم، اما وب از پنجره‌ای در آن دیوار نگاه می‌کند و می‌تواند ستاره‌ها را بشمارد. قرمزی، ناشی از مقدار زیادی غبار در این کهکشان‌ها است. گرد و غبار، نتیجه شکل‌گیری سریع ستارگان عظیم است که به سرعت در انفجارهای ابرنواختر می‌میرند و مقادیر زیادی غبار را به فضا می‌ریزند. چنین کهکشان‌هایی کاملا از دید هابل پنهان هستند، اما نور فروسرخ می‌تواند از میان غبار عبور کند و کهکشان‌ها را برای وب قابل مشاهده کند.
آیا کیهان بی‌نهایت است؟
تلسکوپ جیمز وب همانطور که به اعماق فضا نگاه می‌کند، شروع به چالش کشیدن پیش‌داوری‌های دیرینه در مورد منشأ و انبساط کیهان می‌کند. آیا کیهان در زمان بی‌نهایت است؟ چگونه فضا می‌تواند برای همیشه ادامه یابد؟ اگرچه ممکن است فضا در مهبانگ در یک نقطه متمرکز شده باشد، اما به همان اندازه ممکن است که فضا در مهبانگ بی‌نهایت بوده باشد. در هر دو سناریو، فضا کاملا پر از ماده بود که شروع به انبساط کرد. انبساط نقطه مرکزی ندارد، گیتی به‌سادگی در تمام نقاط در حال انبساط است. تا آنجا که ما می‌توانیم بگوییم، هیچ محدودیتی برای اینکه چقدر ادامه دارد، وجود ندارد. تنها محدودیت اینکه چقدر می‌توانیم ببینیم. آیا کیهان واقعا می‌تواند بی‌نهایت باشد؟ 13.8 میلیارد سال پیش، چیزی که ما به عنوان کیهان خود می‌شناسیم با انفجار بزرگ آغاز شد. تا امروز، حجم کیهان قابل مشاهده ما به شعاع 46 میلیارد سال نوری منبسط شده است، با نوری که امروز برای اولین‌بار به چشمان ما می‌رسد مطابق با حدی است که می‌توانیم اندازه‌گیری کنیم. اگرچه این فاصله بسیار زیاد است، اما بی‌نهایت زیاد نیست. این فقط محدودیت‌های چیزی است که ما می‌توانیم مشاهده کنیم. به‌راستی چه چیزی فراتر از آن نهفته است؟ در مورد کیهان قابل مشاهده چطور؟ در مورد اینکه آیا آنچه ما از آن به عنوان «گیتی» می‌شناسیم برای همیشه ادامه دارد یا اینکه محدودیتی برای آن وجود دارد؟ همانطور که در فضا به دورتر نگاه می‌کنیم، نوری که از کیهان می‌بینیم از روزهای به‌تدریج جوان‌تر آن می‌آید. بنابراین، همانطور که از نظر فاصله به گذشته نگاه می‌کنیم، می‌توانیم چگونگی تحول گیتی در طول تاریخ را نیز اندازه‌گیری کنیم. کیهانِ امروز، سرد و کلوخه‌گون است، اما در حال انبساط. کیهان در حال انبساط، باعث می‌شود تمام نوری که در کیهان حرکت می‌کند، طول موج آن کشیده شود. همانطور که طول موج آن کشیده می‌شود، انرژی خود را از دست می‌دهد و سردتر می‌شود. این بدان معناست که کیهان در گذشته‌های دور داغ‌تر بوده است، واقعیتی که از طریق مشاهدات ویژگی‌های دوردست در کیهان تأیید شده است. راهی که امروزه به اندازه کیهان قابل مشاهده می‌رسیم از طریق درک سه چیز متوالی است:
1- کیهان امروز با چه شتابی در حال انبساط است، چیزی که می‌توانیم از طریق روش‌های مختلفی اندازه‌گیری کنیم، 2- ما از نگاه کردن به تابش پس‌زمینه کیهانی می‌دانیم کیهانِ امروز، چقدر داغ است و 3- کیهان از چه چیزی ساخته شده است، ازجمله ماده، تابش، نوترینو، ماده تاریک، انرژی تاریک و غیره. با در نظر گرفتن کیهانی که امروز داریم، می‌توانیم به مراحل اولیه مهبانگ داغ بازگردیم و به رقمی برای سن و اندازه کیهان برسیم.
مأموریت «جیمز وب»
تلسکوپ فضایی جیمز وب، یک جهش بزرگ رو به جلو در تلاش ما برای درک کیهان و منشأ ماست. وب، هر مرحله از تاریخ کیهانی را بررسی می‌کند: از اولین درخشش‌های پس از انفجار بزرگ تا شکل‌گیری کهکشان‌ها، ستاره‌ها و سیارات تا تحول منظومه شمسی خودمان. مأموریت جیمز وب به‌طور خلاصه عبارت است از:
- جست‌وجوی کیهان اولیه
- بررسی شکل‌گیری و تحول کهکشان‌ها
- درک چرخه حیات ستارگان
- مطالعه سیستم‌های سیاره‌ای و خاستگاه پیدایش حیات
* کارشناس ارشد علوم شناختی، رسانه
