بعد عام من إطلاقه ، يكشف علماء الفلك عن أسرار الكون ، كأول نتائج علمية من الملاحظات التي قام بها جيمس ويب تليسكوب الفضاء تم تحرير (JWST). هذا الشهر، عالم الفيزياء تنشر سلسلة من منشورات المدونات حول الاكتشافات. هذه هي المقالة الرابعة في السلسلة - يمكنك قراءة المنشور السابق هنا.
لقد مر عام منذ إطلاق تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) ، وبعد انتشاره الخطير وتوازيه الدقيق ، أرسل أخيرًا صورًا وبيانات مذهلة. ومع ذلك ، لم يكن الانتقال من لوحة التشغيل إلى العمليات الكاملة مهمة سهلة. هذا تذكير بكيفية حدوث كل هذا.
يوم عيد الميلاد 2021: بعد ما يقرب من 25 عامًا من التطوير ، حلّق صاروخ JWST في الفضاء فوق صاروخ آريان 5. كان إطلاقها انتصارًا على المصاعب التكنولوجية ، وتجاوزات الميزانية والجدول الزمني ، وحتى الإلغاء (المؤقت) من قبل الكونجرس الأمريكي. ونتيجة لذلك ، كانت المشاعر عالية حيث اقترب العد التنازلي للوحة التشغيل من الصفر.
"لقد كان متوترا" ، يعترف سوزان مولالي، نائب عالم مشروع JWST في معهد علوم تلسكوب الفضاء (STScI) في بالتيمور. ويضيف: "لم أصدق أنه كان حقيقياً" نعومي رو جورني، وهي باحثة ما بعد الدكتوراة في JWST GTO (المراقبة الزمنية المضمونة) في مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا حيث تدعم فريق أنظمة الكواكب. "كنت أتوقع تأخيرًا آخر من نوع ما. اعتقدت أنه لن يتم إطلاقه أبدًا ".
رحلة محفوفة بالمخاطر
نشأت طبيعة التوقف والبدء في تطوير المشروع جزئيًا بسبب التعقيد المتزايد للتلسكوب ، الذي يتميز بمرآة أساسية مجزأة بطول 6.5 متر بالإضافة إلى حاجب شمس عازل من خمس طبقات بحجم ملعب التنس. كان على كلا العنصرين أن يتكشفوا مثل الأوريجامي بعد أن تم تحجيمهما ليناسبوا مسار الصاروخ - وهي عملية استمرت 30 يومًا تزامنت مع رحلة التلسكوب إلى نقطة L2 Lagrange على الجانب الآخر من الشمس ، على بعد 1.6 مليون كيلومتر من الأرض.
هذه النقطة بعيدة جدًا بالنسبة لنوع الخدمة بمساعدة رواد الفضاء التي تلقاها تلسكوب هابل الفضائي بسبب خلل في البصريات في عام 1993. إذا حدث خطأ ما في مرآة JWST أثناء نشرها ، فسيكون لدى علماء الفلك مبلغ 10 مليار دولار أبيض الفيل يطفو في الفضاء السحيق.
يقول Rowe-Gurney: "كانت تلك الأيام الثلاثين الأولى محطمة للأعصاب ، لأن أي مشكلة كانت عبارة عن فشل من نقطة واحدة ، وهذا يعني أنه لن يكون لدينا تلسكوب".
أخيرًا ، كان هناك 344 نقطة فشل محتملة: 344 نقطة حيث يجب أن تعمل الأجزاء المتحركة المعقدة للتلسكوب بشكل مثالي في الفراغ البارد للفضاء. ومع ذلك ، فإن العمل الذي قاموا به - "بشكل مذهل" وفقًا لجين ريجبي من وكالة ناسا ناسا ، والتي تحدثت في النتائج العلمية الأولى من JWST المؤتمر الذي عقد في STScI في وقت سابق من هذا الشهر.
يقول Rowe-Gurney: "كان اليوم الذي علمت فيه أن هذا سيعمل في الواقع كان عندما تأرجح ذراع الرافعة الرئيسي ، وانطوى المرآة الثانوية ، وكان لدينا في الواقع تلسكوب". "حتى لو لم تنجح عمليات النشر اللاحقة ، يمكننا التقاط الضوء ووضعه في الأجهزة."
تركيز التلسكوب
مع نشر كلتا المرآتين ، كانت الخطوة التالية هي تركيز 18 مقطعًا سداسيًا من البريليوم في المرآة الأساسية. تم تحقيق ذلك في سبع مراحل. في البداية ، أنتج كل مقطع صورة مختلفة غير مركزة ، لذا كانت المرحلة الأولى هي التعرف على الصورة التي تنتمي إلى أي مقطع مرآة. كانت الخطوة التالية هي محاذاة المرايا تقريبًا بحيث تكون جميع الصور الـ 18 في بؤرة التركيز. بعد ذلك ، تم تعديل المقاطع بشكل أكبر بحيث بدأت في التركيز في نفس النقطة.
تبع ذلك درجات مختلفة من الضبط الدقيق والتأكد من أن التركيز يقع ضمن مجالات رؤية الأدوات المختلفة ، ثم سلسلة من التصحيحات لضمان محاذاة المقاطع في حدود 50 نانومتر من بعضها البعض. أخيرًا ، بعد عملية استمرت ثلاثة أشهر ، كان التلسكوب في بؤرة التركيز.
كسر الحد الأقصى للسرعة
مع وجود التلسكوب في حالة جيدة ، كانت الخطوة التالية هي معايرة أدواته الفردية: كاميرا الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIRCam)أطلقت حملة مطياف الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIRSpec)، و MIRI ، مجموعة الكاشفات التي تتكون منها أداة منتصف الأشعة تحت الحمراء.
تظهر الأجسام البعيدة في الفضاء السحيق ثابتة في السماء ، لكن الأجسام في النظام الشمسي تتحرك على خلفية النجوم والسدم والمجرات. لذلك ، لتصوير الكواكب والأقمار والمذنبات والكويكبات ، يتعين على JWST تتبعها عن طريق قلب المركبة الفضائية فعليًا. قبل الإطلاق ، تم إدخال حد سرعة التتبع: 30 مللي ثانية في الثانية ، حيث تكون الثانية القوسية 1/3600 من الدرجة).
ولكن بمجرد الوصول إلى الفضاء ، أدرك الفريق أن هذا الحد كان متشائمًا بعض الشيء. "كنا نختبر مدى السرعة التي يمكننا تتبعها ، وأدركنا أنه يمكننا فعلاً القيام بذلك بشكل أسرع" ، كما يقول رو-جورني ، الذي شارك في تشغيل أدوات لجمع البيانات حول الأهداف المتحركة وتشتت الضوء.
جاءت سرعة التتبع المتزايدة مفيدة بعد بضعة أشهر ، عندما لاحظ JWST آثار تأثير DART (اختبار إعادة توجيه الكويكب المزدوج) على الكويكب الصغير ديمورفوس. كانت مهمة DART عالم الفيزياءعلمي اختراق العام بالنسبة لعام 2022 ، تمكن JWST من تصوير الحطام المنبعث من تأثيره من خلال تتبع أسرع بثلاث مرات من الحد الأولي ، مع الحفاظ على الكويكب في مجال الرؤية دون تشويش. في الواقع ، حقق التلسكوب منذ ذلك الحين سرعات تتبع تصل إلى 120 مللي ثانية في الثانية. ومع ذلك ، فكلما كان التتبع أسرع ، انخفضت كفاءة التتبع ، مما يؤدي إلى حل وسط. "في العام المقبل ، سيتم رفع معدل التتبع الآمن إلى 75 مللي ثانية في الثانية ، أي أكثر من ضعف الحد الأقصى للسرعة ، لذلك سنتمكن من متابعة المزيد من الأجسام في النظام الشمسي دون كسر التلسكوب" ، رو غورني يقول.
إزالة الضوء المتناثر
عندما يحدق JWST في جسم لامع - كوكب ، نجم ، حتى كوازار بعيد - فإن بعض الضوء الزائد يشكل نمط حيود. هذا النمط هو سبب "التموجات" التي تظهر حول النجوم الأمامية في العديد من صور JWST ، وعلى الرغم من جمالها ، إلا أنها يمكن أن تحجب التفاصيل العلمية. لحسن الحظ ، يمكن وصف نمط الانعراج الفريد لكل تلسكوب بأنه وظيفة انتشار النقطة ، ومن خلال توصيف شكل وظيفة انتشار النقطة هذه لـ JWST وأدواته ، يمكن لعلماء الفلك إزالة الضوء الغريب من الصور عند الضرورة.
ومن الأمثلة على ذلك صورة JWST لنجم Wolf-Rayet WR 140 ، الذي يقع على بعد 5000 سنة ضوئية. عندما تم تصويره لأول مرة بواسطة JWST ، صُدم الفلكيون برؤية 17 حلقة أو قذائف متحدة المركز حول النجم. كان يُعتقد في البداية أن هذه الحلقات تقوم بتصوير القطع الأثرية من التلسكوب ، ولكن بعد إزالة وظيفة انتشار النقطة ، كانت الحلقات لا تزال موجودة. أظهر المزيد من التحقيقات المستندة إلى المحاكاة أن الرياح النجمية من النجوم الثنائية يمكن أن تنتج حلقات من الغبار حيث تتصادم وتتكثف. علاوة على ذلك ، فإن نمط الحلقات المحاكاة يطابق بدقة نمط الحلقات حول WR 140 ، حتى وصولاً إلى ميزة خطية تقطع الحلقات بسبب انبعاث الأشعة تحت الحمراء المعزز في خط رؤيتنا.
تمثل ملاحظات WR 140 المرة الأولى التي يتم فيها رسم خريطة ثلاثية الأبعاد لهيكل الرياح المتصادم حول نجم ثنائي. ولكن إذا لم يكن علماء الفلك قد صاغوا أولاً نموذجًا لنمط الضوء المتناثر المتسرب إلى التلسكوب حتى يتمكنوا من إزالته ، لكان من المستحيل تمييز ما تخبرنا به الملاحظات.
لعبة جديدة لعلماء الفلك
يوضح مثال نجم Wolf – Rayet مدى أهمية التعرف على التلسكوب أثناء إجراء الملاحظات. يقول مولالي: "إنه شيء يجب أن تفكر فيه كثيرًا". "في كل خطوة على الطريق التي تأمل أن يكون لديك خبير في فريقك يعرف أكبر قدر ممكن إما عن الأداة أو حول كيفية أخذ هذه الأنواع من الملاحظات."
وفقًا لذلك ، أحد الدوافع وراء JWST علم الإطلاق المبكر (ERS) كان لمساعدة عدد قليل من علماء الفلك على التعرف على التلسكوب وأدواته حتى يتمكنوا من رفع السرعة للآخرين لدورات المراقبة اللاحقة. تقول Rowe-Gurney: "إنها مثل لعبة جديدة". "هناك الكثير من العمل في كيفية معالجة البيانات ومعايرتها للتأكد من أنها موثوقة."
لحسن الحظ ، فإن JWST يلعب الكرة. يقول Mullally: "قد يقول علماء الآلات إنهم ما زالوا يتعرفون على أدواتهم وكيفية المضي قدمًا في إزالة القليل من العناصر النظامية والمصنوعات اليدوية وأشياء من هذا القبيل في بياناتك" ، ولكن بشكل عام الانطباع الذي أتوصل إليه من الجميع هو أن التلسكوب أداء رائع. "
مخاطر التأثير
حتى الآن ، هناك تحذير واحد فقط لأداء JWST: الضرر الناجم عن تأثيرات النيازك الدقيقة. في المتوسط ، تصطدم مرآة التلسكوب مرة واحدة في الشهر بشيء كبير بما يكفي للتأثير استشعار جبهة الموجة، وهي قدرة التلسكوب على اكتشاف الأخطاء في محاذاة بصرياته التي يمكن أن تظهر عندما تخرج موجات الضوء من الطور. هذا الانخفاض في استشعار واجهة الموجة يمكن أن يجعل الصور أقل حدة.
تم توقع مثل هذه التأثيرات قبل الإطلاق ، ولم يكن من المتوقع أن تكون كبيرة بما يكفي لتهديد عمر التلسكوب. ومع ذلك ، في مايو 2022 ، تلقى أحد مقاطع المرآة تأثيرًا أكبر من المعتاد. في حديثها في First Science Results من مؤتمر JWST ، ذكرت ريجبي أن هذا التأثير ترك جرحًا بعرض قدم ، مما زاد من خطأ واجهة التلسكوب الكلي بمقدار 9 نانومتر. هذا أمر مهم لأنه إذا وصل خطأ واجهة الموجة إلى 150 نانومتر ، فلن يكون التلسكوب حساسًا بما يكفي لتحقيق أهدافه العلمية - مما يعني أن 10 تأثيرات فقط بمقياس مماثل ستكون "انتهت اللعبة" بالنسبة لـ JWST.
وبسبب هذا الانزعاج إلى حد ما من هذا الاحتمال ، قامت وكالة ناسا بتشكيل مجموعة عمل تعمل على النيازك الدقيقة للتحقيق في المخاطر. إن تجمعات النيازك الدقيقة في L2 معروفة جيدًا ؛ ما هو غير واضح هو العلاقة بين الطاقة الحركية للتأثيرات وتدهور استشعار واجهة الموجة. هل هذه التأثيرات الكبيرة نادرة للغاية وكان JWST ببساطة سيئ الحظ في مايو؟ أم أن التلسكوب سيتعرض لصدمات أكثر خطورة بتردد أكبر من المتوقع؟
النجوم الزائفة والكواكب الخارجية وأجواء العوالم البعيدة: المزيد عن النتائج الأولى من JWST
إلى أن يأتي فريق العمل بإجابات ، يعمل مديرو التلسكوب على تخفيف المخاطر من خلال تشجيع علماء الفلك على توقيت ملاحظاتهم (حيثما أمكن - تُستثنى الملاحظات الحساسة للوقت) بحيث لا يشير التلسكوب إلى "مطر" النيازك الدقيقة.
إذا نجح هذا النظام ، أو توصلت مجموعة العمل إلى إجابة مطمئنة حول احتمالات التأثير ، يجب أن يكون لـ JWST عمر طويل قبل ذلك. بفضل إطلاقه الذي لا تشوبه شائبة والرحلة إلى L2 التي تتطلب الحد الأدنى من تصحيحات المسار ، يحتوي النطاق على وقود دافع كافٍ على متنه لمواصلة مهمته لمدة 27 عامًا أخرى على الأقل. إذا كانت الأشهر الـ 12 الأولى للبعثة هي أي مؤشر ، فإن هذه السنوات الـ 27 يجب أن تنتج رزمًا من الآراء المثيرة الجديدة والبيانات من أداة رائعة ، مع احتمال كبير لتحويل الفيزياء الفلكية ودراسات الكواكب الخارجية وعلم الكونيات وغير ذلك. قد تكون الرحلة الأفعوانية لإطلاق JWST قد انتهت ، لكن الرحلة الحقيقية بدأت للتو.
