يشرح جيمس ويب، عالم الفلك في فريق التلسكوب، كيف يتم إطلاق تلسكوب ضخم إلى الفضاء - ولماذا، ولكن قبل كل شيء، سيتم إطلاقه ونشره بنجاح في الأسابيع التالية للإطلاق
بقلم: مارسيا ريكا أستاذة علم الفلك بجامعة أريزونا، والعالمة الرئيسية في منشأة NIRCam على متن تلسكوب جيمس ويب الفضائي
ومن المقرر إطلاق تلسكوب جيمس ويب الفضائي إلى الفضاء يوم السبت 25 ديسمبر 2021، ومن خلاله يأمل علماء الفلك في العثور على أولى المجرات التي تشكلت في الكون، والبحث عن أجواء شبيهة بالأرض حول الكواكب الأخرى، وتحقيق العديد من الأهداف العلمية الأخرى. .
أنا عالم فلك والمحقق الرئيسي المسؤول عن كاميرا الأشعة تحت الحمراء القريبة - أو اختصارًا NIRCam - الموجودة على متن تلسكوب ويب. لقد شاركت في تطوير واختبار الكاميرا والتلسكوب ككل.
لرؤية أعماق الكون، يحتوي التلسكوب على مرآة كبيرة جدًا ويجب أن يبقى باردًا جدًا. لكن إرسال معدات هشة كهذه إلى الفضاء ليس بالمهمة السهلة. كانت هناك العديد من التحديات التي كان عليّ أنا وزملائي التغلب عليها لتصميم واختبار أقوى تلسكوب فضائي تم بناؤه على الإطلاق واختباره وإطلاقه قريبًا ومواءمته.
المجرات الشابة والأجواء الغريبة
ويحتوي تلسكوب ويب على مرآة يبلغ قطرها 6.5 متر، ونظام تظليل من الشمس بحجم ملعب تنس وأربعة أنظمة كاميرا وأجهزة استشعار منفصلة لجمع البيانات.
بشكل عام، يعمل الهوائي مثل طبق الأقمار الصناعية. سيدخل الضوء الصادر من نجم أو مجرة إلى عدسة التلسكوب ويرتد عن المرآة الرئيسية نحو المستشعرات الأربعة: NIRCam، الذي يلتقط الصور في الأشعة تحت الحمراء القريبة؛ مطياف الأشعة تحت الحمراء القريبة، والذي يمكنه تقسيم الضوء من مجموعة مختارة من المصادر إلى ألوانها الأساسية وقياس شدته. وسيقوم جهاز آخر بفحص الصورة في ضوء الأشعة تحت الحمراء المتوسطة، وأخيرا جهاز التصوير الطيفي بدون شقوق للتصوير بالأشعة تحت الحمراء القريبة، والذي يقسم ويقيس ضوء كل جسم يوجه العلماء المرآة إليه.
وسيسمح هذا التصميم للعلماء بدراسة كيفية تشكل النجوم في درب التبانة والأغلفة الجوية للكواكب خارج النظام الشمسي. وربما يكون من الممكن أيضًا دراسة تكوين هذه الأجواء.
سوف تقوم كاميرا NIRCam، التي تظهر هنا، بقياس ضوء الأشعة تحت الحمراء من المجرات القديمة والبعيدة للغاية. ناسا / كريس غان، CC BY
منذ أن أثبت إدوين هابل أن المجرات البعيدة تشبه درب التبانة، تساءل علماء الفلك: ما هو عمر أقدم المجرات؟ كيف تم إنشاؤها لأول مرة وكيف تغيرت مع مرور الوقت؟ كان يُطلق على تلسكوب ويب في الأصل اسم "الآلة الضوئية الأولى" لأنه تم تصميمه للإجابة على هذه الأسئلة بالضبط.
أحد الأهداف الرئيسية للتلسكوب هو دراسة المجرات البعيدة الواقعة على حافة الكون المرئي. يستغرق الضوء الصادر من هذه المجرات مليارات السنين لعبور الكون والوصول إلى الأرض. أقدر أن الصور التي سنجمعها أنا وزملائي باستخدام NIRCam يمكن أن تظهر المجرات الأولية التي تشكلت بعد 300 مليون سنة فقط من الانفجار الكبير - عندما كان عمرها 2٪ فقط من عمرها الحالي.
يعد اكتشاف العناقيد النجمية الأولى التي تشكلت بعد الانفجار الكبير مهمة شاقة لسبب بسيط: أن هذه المجرات الأولية بعيدة جدًا، وبالتالي تبدو باهتة جدًا.
تتكون مرآة ويب من 18 قطعة منفصلة ويمكنها جمع أكثر من ستة أضعاف كمية الضوء التي تجمعها مرآة تلسكوب هابل الفضائي. ونظرًا لأن الأجسام البعيدة تبدو صغيرة جدًا، فيجب أن يكون التلسكوب قادرًا على تركيز الضوء بأقصى قدر ممكن.
يتعين على التلسكوب أيضًا أن يتعامل مع تعقيد آخر: نظرًا لأن الكون يتوسع، فإن المجرات التي سيدرسها العلماء باستخدام تلسكوب ويب تبتعد عن الأرض، ويأتي تأثير دوبلر. تمامًا كما تنخفض طبقة صفارة سيارة الإسعاف وتصبح أقل عندما تمر وتبدأ في التحرك بعيدًا، فإن الطول الموجي للضوء القادم من المجرات البعيدة يخضع لتحول كبير إلى تردد أقل - من الضوء المرئي إلى الأشعة تحت الحمراء.
يكتشف الويب ضوء الأشعة تحت الحمراء مما يعني أنه في الأساس كاشف حرارة عملاق. "لرؤية" المجرات الخافتة في ضوء الأشعة تحت الحمراء، يجب أن يكون التلسكوب باردًا للغاية، وإلا فإن كل ما سيراه هو الأشعة تحت الحمراء التي ينبعث منها. هذا هو المكان الذي يأتي فيه الدرع الحراري، الدرع مصنوع من البلاستيك الرقيق المطلي بالألمنيوم. يبلغ سمكها خمس طبقات ذرية فقط ويبلغ قياسها 17.2 مترًا في 21.2 مترًا. وهي مصممة للحفاظ على المرآة وأجهزة الاستشعار عند درجة حرارة تقل عن 234 درجة مئوية.
يعد تلسكوب ويب إنجازًا هندسيًا مذهلاً، ولكن كيف يمكنك إطلاق مثل هذا الجهاز بأمان إلى الفضاء والتأكد من أنه يعمل؟
اختبر المهندسون والعلماء التلسكوب بأكمله في غرفة مفرغة شديدة البرودة ومنخفضة الضغط. ناسا / كريس غان، CC BY
الكثير من الاختبارات
سوف يدور تلسكوب جيمس ويب الفضائي حول الأرض على مسافة 1.5 مليون كيلومتر، أي أبعد بنحو 4,500 مرة عن محطة الفضاء الدولية وبعيد جدًا بحيث لا يستطيع رواد الفضاء الحفاظ عليه كما هو الحال مع تلسكوب هابل الفضائي.
وعلى مدى السنوات الـ 12 الماضية، اختبر الفريق التلسكوب والأدوات، وقاموا بهزها لمحاكاة إطلاق الصاروخ واختبارها مرة أخرى. يتم تبريد كل شيء واختباره في ظل ظروف التشغيل القاسية التي سيواجهها على المسار. لن أنسى أبدًا عندما كان فريقي في هيوستن يختبر كاميرا NIRCam باستخدام غرفة مصممة لمركبة أبولو القمرية. كانت هذه هي المرة الأولى التي تكتشف فيها كاميرتي ضوءًا يرتد عن مرآة التلسكوب، ولم يكن بوسعنا أن نكون أكثر سعادة - على الرغم من أن إعصار هارفي كان يحاربنا في الخارج.
وبعد الاختبارات جاءت التدريبات. سيتم التحكم في التلسكوب عن بعد عن طريق الأوامر المرسلة عبر رابط لاسلكي. ولكن نظرًا لأن التلسكوب سيكون بعيدًا جدًا - حيث يستغرق إرسال الإشارة في اتجاه واحد ست ثوانٍ - فلا يوجد تحكم في الوقت الفعلي. لذلك، على مدى السنوات الثلاث الماضية، كنت أنا وفريقي نذهب إلى معهد علوم التلسكوب الفضائي في بالتيمور ونقوم بمهام متكررة في جهاز محاكاة يغطي كل شيء بدءًا من الإطلاق وحتى العمليات العلمية الروتينية. حتى أن الفريق تدرب على التعامل مع المشكلات المحتملة التي يطرحها علينا منظمو الاختبار ويطلقون عليها "الشذوذات".
لكي يتناسب التلسكوب مع الصاروخ، يجب طيه في حزمة مدمجة. ناسا / كريس غان، CC BY
مطلوب بعض المحاذاة
سيستمر فريق ويب في التدريب حتى تاريخ الإطلاق في ديسمبر، لكن عملنا لم ينته بعد بعد طي ويب ووضعه فوق الصاروخ.
علينا أن ننتظر 35 يومًا بعد الإطلاق حتى تبرد الأجزاء قبل البدء في المحاذاة. بمجرد فتح المرآة، ستلتقط NIRCam تسلسلات صور عالية الدقة لأجزاء المرآة الفردية. سيقوم فريق التلسكوب بتحليل الصور وإخبار المحركات بضبط الأجزاء بخطوات تقاس بأجزاء من المليارات من المتر. بمجرد قيام المحركات بتحريك المرايا إلى موضعها، سنتأكد من أن محاذاة التلسكوب مثالية. ونظرًا لأهمية هذه المهمة، توجد نسختان متطابقتان من NIRCam على متن الطائرة - إذا فشلت إحداهما، يمكن للأخرى أن تتولى مهمة المحاذاة.
يجب أن تستغرق عملية المحاذاة ستة أشهر. عند الانتهاء، سيبدأ الويب في جمع البيانات. أخيراً بعد 25 عاماً من العمل.
WEB هو برنامج دولي تقوده وكالة ناسا مع شركائها، وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) ووكالة الفضاء الكندية. وكالة الفضاء الأوروبية هي المسؤولة عن الإطلاق.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
