دانشمندان می گویند که JWST یک سال بعد عملکرد فوق العاده ای دارد

یک سال از پرتاب تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) می گذرد و پس از استقرار خطرناک و برخورد دقیق آن، سرانجام تصاویر و داده های باورنکردنی را ارسال می کند. با این حال، رسیدن از سکوی پرتاب به عملیات کامل، کار آسانی نبود. در اینجا یک یادآوری از نحوه وقوع همه چیز است.

روز کریسمس 2021: پس از تقریباً 25 سال توسعه، JWST بر فراز موشک آریان 5 به فضا اوج گرفت. راه‌اندازی آن پیروزی بر مشکلات فناوری، بودجه و برنامه‌ریزی بیش از حد، و حتی لغو (موقت) کنگره ایالات متحده بود. در نتیجه، با نزدیک شدن شمارش معکوس سکوی پرتاب به صفر، احساسات بالا بود.

اعتراف می کند: "تنش بود." سوزان مولالی، معاون دانشمند پروژه JWST در موسسه علمی تلسکوپ فضایی (STScI) در بالتیمور. می افزاید: «نمی توانستم باور کنم که واقعی باشد نائومی رو-گرنی، یک فوق دکتر JWST GTO (مشاهدات زمان تضمین شده) در مرکز پرواز فضایی گودارد ناسا که در آن از تیم سیستم های سیاره ای پشتیبانی می کند. "من منتظر تاخیر دیگری بودم. فکر می‌کردم هرگز راه اندازی نمی‌شود.»

یک سفر خطرناک

ماهیت توقف-شروع توسعه پروژه تا حدی به دلیل پیچیدگی فزاینده تلسکوپ است که دارای یک آینه اصلی 6.5 متری و همچنین یک آفتابگیر عایق پنج لایه شکننده به اندازه زمین تنیس است. هر دو عنصر باید مانند اوریگامی باز می‌شدند تا در داخل موشک قرار بگیرند - یک فرآیند 30 روزه که همزمان با سفر تلسکوپ به نقطه L2 لاگرانژ در سمت دیگر خورشید، در 1.6 میلیون کیلومتری زمین بود.

این نقطه برای خدماتی که تلسکوپ فضایی هابل در سال 1993 به کمک فضانوردان به دلیل اپتیک معیوب خود دریافت کرد، بسیار دور است. اگر مشکلی در آینه JWST در حین استقرار آن رخ می داد، ستاره شناسان با یک رنگ سفید 10 میلیارد دلاری باقی می ماندند. فیل شناور در اعماق فضا

رو گارنی می‌گوید: «آن 30 روز اول بسیار اعصاب خردکن بود، زیرا هر مشکلی یک شکست تک نقطه‌ای بود و به این معنی بود که ما تلسکوپ نخواهیم داشت.

در مجموع، 344 نقطه احتمالی خرابی وجود داشت: 344 نقطه که در آن قسمت‌های متحرک پیچیده تلسکوپ باید در خلاء سرد فضا به خوبی کار می‌کردند. با این حال، آنها کار کردند - به گفته جین گدارد ناسا، که در کنفرانس صحبت کرد، "به طرز خارق العاده ای" اولین نتایج علمی از JWST کنفرانسی که در اوایل این ماه در STScI برگزار شد.

رو گارنی می‌گوید: «روزی که می‌دانستم واقعاً کار می‌کند، زمانی بود که آن رونق اصلی به بیرون چرخید، و آینه ثانویه تا شد، و ما در واقع یک تلسکوپ داشتیم. حتی اگر استقرارهای بعدی کارساز نبود، می‌توانستیم نور را گرفته و در ابزار قرار دهیم.»

تمرکز تلسکوپ

با استفاده از هر دو آینه، گام بعدی تمرکز بر 18 بخش شش ضلعی بریلیوم آینه اولیه بود. این امر در هفت مرحله انجام شد. در ابتدا، هر بخش تصویر غیرمتمرکز متفاوتی تولید می‌کرد، بنابراین مرحله اول تشخیص این بود که کدام تصویر متعلق به کدام بخش آینه‌ای است. گام بعدی تراز کردن آینه ها به گونه ای بود که 18 تصویر همه در فوکوس باشند. پس از آن، بخش ها بیشتر تنظیم شدند تا شروع به تمرکز در همان نقطه کنند.

این کار با درجات مختلف تنظیم دقیق و اطمینان از اینکه فوکوس در میدان دید ابزارهای مختلف قرار می‌گیرد و سپس با یک سری اصلاحات برای اطمینان از تراز بودن بخش‌ها در فاصله 50 نانومتری از یکدیگر دنبال شد. سرانجام پس از یک فرآیند سه ماهه، تلسکوپ مورد توجه قرار گرفت.

شکستن محدودیت سرعت

با وضعیت خوب تلسکوپ، گام بعدی کالیبره کردن ابزارهای جداگانه آن بود: دوربین مادون قرمز نزدیک (NIRCam)از طیف سنج فروسرخ نزدیک (NIRSpec)و MIRI، مجموعه آشکارسازهایی که ابزار مادون قرمز میانی.

اجرام دوردست و در اعماق فضا ثابت به نظر می رسند در آسمان، اما اجرام منظومه شمسی در برابر پس زمینه ستارگان، سحابی ها و کهکشان ها حرکت می کنند. بنابراین، برای تصویربرداری از سیارات، قمرها، دنباله دارها و سیارک ها، JWST باید آنها را با چرخاندن فیزیکی فضاپیما ردیابی کند. قبل از راه‌اندازی، محدودیت سرعت ردیابی معرفی شد: 30 میلیارد ثانیه در ثانیه، که در آن یک ثانیه قوسی 1/3600 درجه است.

با این حال، هنگامی که در فضا بودند، تیم متوجه شد که این محدودیت کمی بدبینانه است. رو گارنی، که در راه اندازی ابزار جمع آوری داده ها در مورد اهداف متحرک و نور پراکنده نقش داشت، می گوید: «ما در حال آزمایش سرعتی بودیم که می توانیم ردیابی کنیم، و متوجه شدیم که در واقع می توانیم خیلی سریعتر انجام دهیم.

افزایش سرعت ردیابی چند ماه بعد، زمانی که JWST عواقب ضربه DART (تست تغییر مسیر دوگانه سیارک) را بر سیارک کوچک دیمورفوس مشاهده کرد، مفید واقع شد. ماموریت DART بود دنیای فیزیکعلمی است موفقیت سال برای سال 2022، و JWST توانست با ردیابی سه برابر سریعتر از حد اولیه، از زباله های خارج شده از برخورد خود تصویربرداری کند و سیارک را در میدان دید بدون محو شدن نگه دارد. در واقع، این تلسکوپ از آن زمان به سرعت ردیابی تا 120 میلی‌آرک ثانیه در ثانیه دست یافته است. با این حال، هر چه سریع‌تر ردیابی کند، بازده ردیابی آن کمتر می‌شود، که منجر به مصالحه میانی می‌شود. Rowe-Gurney گفت: "در سال آینده نرخ ردیابی ایمن تا 75 میلی‌آرکثانیه در ثانیه افزایش می‌یابد که بیش از دو برابر سرعت مجاز است، بنابراین ما می‌توانیم حتی تعداد بیشتری از اجرام منظومه شمسی را بدون شکستن تلسکوپ دنبال کنیم." می گوید.

حذف نور پراکنده

هنگامی که JWST به یک جسم درخشان خیره می شود - یک سیاره، یک ستاره، حتی یک اختروش دور - برخی از نور اضافی یک الگوی پراش را تشکیل می دهند. این الگو علت «میخ‌های» است که در اطراف ستاره‌های پیش‌زمینه در بسیاری از تصاویر JWST دیده می‌شود، و اگرچه زیباست، اما می‌تواند جزئیات علمی را پنهان کند. خوشبختانه، الگوی پراش منحصر به فرد هر تلسکوپ را می توان به عنوان یک تابع گسترش نقطه توصیف کرد، و با مشخص کردن شکل این تابع گسترش نقطه ای برای JWST و ابزار آن، ستاره شناسان می توانند در صورت لزوم نور اضافی را از تصاویر حذف کنند.

نمونه بارز آن تصویر JWST از ستاره Wolf-Rayet WR 140 بود که در فاصله 5000 سال نوری از ما قرار دارد. هنگامی که برای اولین بار توسط JWST تصویربرداری شد، ستاره شناسان با دیدن 17 حلقه متحدالمرکز، یا پوسته، در اطراف ستاره شگفت زده شدند. در ابتدا تصور می شد که این حلقه ها مصنوعات تصویربرداری از تلسکوپ هستند، اما پس از حذف عملکرد گسترش نقطه، حلقه ها همچنان وجود داشتند. تحقیقات بیشتر بر اساس شبیه‌سازی‌ها نشان داد که بادهای ستاره‌ای از ستارگان دوتایی می‌توانند حلقه‌هایی از غبار را در جایی که با هم برخورد می‌کنند و متراکم می‌شوند تولید کنند. علاوه بر این، الگوی حلقه‌های شبیه‌سازی‌شده دقیقاً با الگوی حلقه‌های اطراف WR 140 مطابقت داشت، حتی تا یک ویژگی خطی که حلقه‌ها را به دلیل تشعشع مادون قرمز تقویت‌شده در خط دید ما برش می‌دهد.

مشاهدات WR 140 نشان دهنده اولین باری است که یک ساختار باد در حال برخورد در اطراف یک ستاره دوتایی به صورت سه بعدی نقشه برداری شده است. اما اگر ستاره‌شناسان ابتدا الگوی نشت نور پراکنده به تلسکوپ را مدل‌سازی نکرده بودند تا بتوانند آن را حذف کنند، تشخیص آنچه مشاهدات به ما می‌گویند غیرممکن بود.

اسباب بازی جدید ستاره شناسان

مثال ستاره Wolf-Rayet نشان می دهد که شناخت تلسکوپ در هنگام رصد چقدر حیاتی است. مولالی می‌گوید: «این چیزی است که باید زیاد به آن فکر کنید. "در هر مرحله از راه شما امیدوارید که یک متخصص در تیم خود داشته باشید که تا حد امکان درباره ابزار یا نحوه انجام آن نوع مشاهدات اطلاعات داشته باشد."

بر این اساس، یکی از انگیزه های پشت JWST علم انتشار زودهنگام (ERS) قرار بود به چند ستاره شناس کمک کند تا با تلسکوپ و ابزارهای آن آشنا شوند تا بتوانند دیگران را برای چرخه های رصد بعدی به سرعت بیاورند. رو گارنی می گوید: «این مثل یک اسباب بازی جدید است. کار زیادی برای پردازش و کالیبره کردن داده‌ها برای اطمینان از قابل اعتماد بودن آن‌ها انجام می‌شود.»

خوشبختانه، JWST در حال بازی با توپ است. مولالی می‌گوید: «دانشمندان ابزارسازی ممکن است بگویند که هنوز با ابزارهای خود آشنا می‌شوند و چگونه می‌توانند سیستم‌های کوچک و مصنوعات و چیزهایی مانند آن را از داده‌های شما حذف کنند، اما در کل تصوری که من از همه دارم این است که تلسکوپ فوق العاده اجرا می کند.»

ریسک تاثیر

تا کنون، تنها یک اخطار برای عملکرد JWST وجود دارد: آسیب ناشی از برخوردهای ریز شهاب سنگ. به طور متوسط، آینه تلسکوپ یک بار در ماه مورد اصابت چیزی قرار می گیرد که به اندازه کافی بزرگ باشد سنجش جبهه موجکه توانایی تلسکوپ برای تشخیص خطاهایی در تراز اپتیکی آن است که می تواند به صورت امواج نوری که از فاز خارج می شوند ظاهر شوند. این کاهش در سنجش جبهه موج می تواند تصاویر را شفاف تر کند.

چنین برخوردهایی پیش از پرتاب پیش‌بینی می‌شد و انتظار نمی‌رفت آنقدر بزرگ باشد که عمر تلسکوپ را تهدید کند. با این حال، در می 2022 یکی از بخش های آینه تاثیری بزرگتر از حد معمول دریافت کرد. ریگبی در سخنرانی خود در کنفرانس First Science Results از JWST گزارش داد که این ضربه باعث ایجاد زخمی در سراسر آن شد و خطای کل جبهه موج تلسکوپ را 9 نانومتر افزایش داد. این مهم است زیرا اگر خطای جبهه موج به 150 نانومتر برسد، تلسکوپ دیگر به اندازه کافی برای رسیدن به اهداف علمی خود حساس نخواهد بود - به این معنی که فقط 10 ضربه در مقیاس مشابه برای JWST "بازی تمام شده" خواهد بود.

ناسا که تا حدودی از این چشم انداز نگران شده است، یک گروه کاری ریز شهاب سنگ را برای بررسی خطر تشکیل داده است. جمعیت ریز شهاب سنگ در L2 به خوبی شناخته شده است. آنچه مشخص نیست رابطه بین انرژی جنبشی ضربه ها و تخریب حسگر جبهه موج است. آیا چنین تأثیرات بزرگی بسیار نادر است و JWST در ماه مه بدشانس بود؟ یا اینکه تلسکوپ ضربه های جدی تری را با فرکانس بیشتر از پیش بینی شده تجربه خواهد کرد؟

کوازارها، سیارات فراخورشیدی و جو جهان های دور: اطلاعات بیشتر در مورد اولین نتایج از JWST

تا زمانی که گروه کاری به پاسخ‌ها نرسد، مدیران تلسکوپ با تشویق اخترشناسان به زمان‌بندی رصدهای خود (در صورت امکان - مشاهدات حساس به زمان مستثنی هستند) خطر را کاهش می‌دهند تا تلسکوپ به سمت «باران» ریزشهاب‌سنگ‌ها نشانه نرود.

اگر این سیستم موفق شود، یا گروه کاری پاسخی اطمینان‌بخش در مورد شانس ضربه ارائه دهد، JWST باید عمر طولانی در پیش داشته باشد. به لطف پرتاب بی عیب و نقص و سفر به L2 که نیاز به حداقل اصلاحات مسیر داشت، این اسکوپ پیشران کافی برای ادامه ماموریت خود برای حداقل 27 سال دیگر دارد. اگر 12 ماه اول ماموریت نشانه ای باشد، این 27 سال باید مجموعه ای از نماها و داده های جدید و هیجان انگیز را از یک ابزار عالی با احتمال زیاد دگرگونی اخترفیزیک، مطالعات سیارات فراخورشیدی، کیهان شناسی و موارد دیگر تولید کند. شاید سفر ترن هوایی پرتاب JWST به پایان رسیده باشد، اما سفر واقعی تازه شروع شده است.