نگاهی به فصل اول کتاب جهان با کمک "هابل"

روز گذشته ناسا از کشف جدید تلسکوپ فضایی هابل پرده برداشت و اعلام کرد این تلسکوپ فضایی قدرتمند موفق به رصد دورترین ستاره‌ای که تاکنون دیده شده، گشته است. این ستاره که نامش"ایرندل" است، ۱۲.۹ میلیارد سال نوری از ما فاصله دارد.
به گزارش ایسنا، تلسکوپ فضایی هابل ناسا که ۳۲ سال پیش به فضا پرتاب شد، حال که لحظات پایانی ماموریت خود را می‌گذراند، شگفتی آفرینی کرده است و توانسته نور ستاره‌ای که در نخستین ۱ میلیارد سال پس از تولد کیهان در بیگ بنگ به وجود آمده است را شناسایی کند. این ستاره تازه کشف شده که ایرندل (Earendel) نام دارد، به قدری دور است که نور آن ۱۲.۹ میلیارد سال طول کشیده تا به زمین برسد. ستاره شناسان می‌گویند ایرندل کمتر از ۱ میلیارد سال پس از بیگ بنگ شکل گرفته است.
دانشمندان نام مستعار ستاره را "ایرندل" گذاشته‌اند، چرا که معنای قدیمی این واژه "ستاره صبح" یا "نور در حال طلوع" است. "ایرندل" که نام فنی آن WHL0137-LS است، حداقل ۵۰ برابر جرم خورشید و میلیون‌ها بار روشن‌تر از آن است.
این رصد یگ گام بسیار چشمگیر در ماموریت هابل طی این دوران محسوب می‌شود و می‌توان گفت در مقایسه با موارد دیگر می‌توان این کشف را یک رکورد بسیار قابل ملاحظه برای این تلسکوپ در نظر گرفت. آخرین باری که هابل این رکورد را شکست، در سال ۲۰۱۸ بود که توانست حضور یک ستاره درخشان را شناسایی کند. این ستاره زمانی وجود داشت که کیهان حدود ۴ میلیارد سال سن داشت (یا ۳۰ درصد از سن کنونی خود) و آن زمانی بود که ستاره شناسان از آن به عنوان "انتقال به سرخ ۱.۵" (redshift 1.5) یاد می‌کنند. علت این امر که دانشمندان از کلمه "انتقال به سرخ" استفاده می‌کنند، این است که با انبساط کیهان، نور از اجسام دور کشیده شده یا به طول موج‌های طولانی‌تر و قرمزتر در هنگام حرکت به سمت ما، منتقل می‌شود.
انتقال به سرخ یا سرخ‌گَرایی، پدیده‌ای است که در آن نور گسیل‌شده از یک جرم (امواج مرئی، فرابنفش، پرتو ایکس، پرتو گاما و ...) به سمت طول موج قرمز در انتهای طیف می‌رود. یعنی نوری که توسط طیف‌سنج ثبت می‌شود، طول موجی بلندتر و بسامدی کمتر از نور گسیل‌شده از منبع دارد.
اما ستاره تازه کشف شده به قدری دور است که نور آن ۱۲.۹ میلیارد سال طول کشیده تا به زمین برسد و مانند زمانی که جهان تنها ۷ درصد سن کنونی خود بود، در انتقال به سرخ ۶.۲ ظاهر شد. کوچک‌ترین اجرامی که قبلا در چنین فاصله‌ای دیده شده‌اند، خوشه‌های ستاره‌ای هستند که در کهکشان‌های اولیه ایجاد شده‌اند.

"برایان ولچ" (Brian Welch)، ستاره شناس دانشگاه جانز هاپکینز در بالتیمور که از نویسندگان اصلی این مطالعه است، درباره این کشف باورنکردنی گفت: در ابتدا تقریبا اصلا آن را باور نکردیم، چرا که این ستاره نسبت به ستاره پیشین کشف شده در فاصله بسیار دورتری نسبت به ما وجود داشت و انتقال به سرخ آن نیز متفاوت بود. این کشف حاصل داده‌های جمع‌آوری‌شده در طول برنامه RELICS (بررسی خوشه‌ای عدسی بازیونیده‌شدن) هابل در مؤسسه علوم تلسکوپ فضایی (STScI) است.
"ولچ" در ادامه درباره این کشف گفت: معمولا در این فواصل، کل کهکشان‌ها مانند لکه‌های کوچک به نظر می‌رسند و نور میلیون‌ها ستاره با هم ترکیب می‌شوند. کهکشان میزبان این ستاره با همگرایی گرانشی بزرگ‌نمایی و خم شده و به هلالی دراز تبدیل شده است که ما آن را "کمان خورشید" نامیده‌ایم.
پس از مطالعه دقیق کهکشان، "ولچ" به این نتیجه رسید که یکی از ویژگی‌های یک ستاره بسیار بزرگ‌نمایی شده است که او آن را "ایرندل" نامید که در انگلیسی باستانی به معنی "ستاره صبحگاهی" است. این کشف، نوید باز شدن رموز یک دوره ناشناخته از شکل‌گیری ستاره‌های بسیار اولیه را دل خود دارد.
"ولچ" در ادامه اظهار کرد: "ایرندل" از مدت‌ها پیش وجود داشته است و ممکن است مواد اولیه مشابهی با ستاره‌های اطراف ما نداشته باشد. مطالعه ستاره "ایرندل" همانند پنجره‌ای رو به دوره‌ای از جهان است که ما با آن ناآشنا هستیم. رخ دادن این اتفاق همانند آن است که ما در حال خواندن یک کتاب واقعا جالب بودیم، اما با فصل دوم شروع کردیم و اکنون فرصتی خواهیم داشت که ببینیم همه چیز چگونه شروع شده است.
"اریک زکریسان" (Erik Zackrisson)، محقق دانشکده فیزیک و نجوم دانشگاه اوپسالا در سوئد و یکی از محققان این مطالعه در این باره گفت: یک پیش‌بینی نظری دیرینه وجود دارد که ستاره‌هایی که صرفا از عناصری که اندکی پس از بیگ بنگ شکل گرفته‌اند (هیدروژن، هلیوم و مقادیر کمی لیتیوم) باید از ستاره‌هایی که امروز تشکیل می‌شوند، پرجرم‌تر باشند. این ستارگان اولیه که با عنوان "ستارگان جمعیت ۳" (Population III stars) شناخته می‌شوند، تاکنون از دید ناظران دور بوده‌اند، اما اگر همانند "ایرندل" در معرض بزرگنمایی بسیار بالا با همگرایی گرانشی قرار گیرند، می‌توان آن‌ها را شناسایی کرد.
همگرایی گرانشی هنگامی روی می‌دهد که نور یک چشمه درخشان بسیار دور (مانند یک اختروش) در مسیرش تا رصدگر، از کنار جسم پرجرم دیگری (مانند یک خوشه کهکشانی) بگذرد و مسیرش خمیده شود. جسم میانی عدسی گرانشی نامیده می‌شود. این پدیده یکی از پیش‌بینی‌های نظریه نسبیت عام اینشتین است. بر اساس نسبیت عام، جرم می‌تواند فضازمان را خمیده کند و در نتیجه میدان گرانشی‌ای بسازد که می‌تواند نور را منحرف کند.
محققان دخیل در این مطالعه بسیار مهم تخمین می‌زنند که "ایرندل" حداقل ۵۰ برابر جرم خورشید ما و میلیون‌ها برابر درخشان‌تر از آن است و با پرجرم‌ترین ستاره‌های شناخته شده رقابت می‌کند. اما حتی چنین ستاره درخشان و با جرم بسیار بالایی نیز بدون کمک بزرگنمایی طبیعی توسط یک خوشه کهکشانی عظیم که در این مورد به نام WHL0137-08 شناخته می‌شود و بین ما و "ایرندل" قرار دارد، غیرممکن خواهد بود. جرم این خوشه کهکشانی تار و پود فضا را خم می‌کند و ذره بین طبیعی قدرتمندی را ایجاد می‌کند که نور اجرام دور پشت آن را خم کرده و به شدت تقویت می‌کند. این همگرایی گرانشی نور کهکشان میزبان "ایرندل" را به هلال درازی که محققان آن را "کمان خورشید" نامیده‌اند، خم کرده است.به لطف همسویی نادر ستاره با این خوشه کهکشانی بزرگ‌کننده، ستاره "ایرندل" مستقیما روی موجی در بافت فضا یا بسیار نزدیک به آن ظاهر می‌شود. این امواج که در علم نورشناسی از آنها با واژه سوزاننده یاد می‌شود، حداکثر بزرگنمایی و روشنایی را ارائه می‌دهد.

این امواج سوزاننده باعث می‌شود که ستاره "ایرندل" از درخشش عمومی کهکشان اصلی خود بیرون بیاید و روشنایی آن هزار برابر یا بیشتر شود. در این مرحله اخترشناسان نمی‌توانند تعیین کنند که آیا "ایرندل" یک ستاره دوگانه است یا خیر، اما بیشتر ستارگان پرجرم حداقل یک ستاره همراه کوچکتر دارند. ستاره دوگانه یک سامان ستاره‌ای است که در آن دو ستاره به دور مرکز سنگین سراسری مشترک میان خود گردش می‌کنند.
اخترشناسان بر این باورند که "ایرندل" طی سال‌های آینده نیز همچنان بسیار بزرگ باقی خواهد ماند و در اواخر سال ۲۰۲۲ توسط تلسکوپ فضایی جیمز وب رصد خواهد شد. حساسیت بالای وب به نور مادون قرمز به کسب اطلاعات بیشتر در مورد "ایرندل" منجر خواهد شد.
"خوزه ماریا دیگو" (Jose Maria Diego) از دیگر محققان دخیل در این پروژه گفت: تصاویر و طیف‌های به دست آمده توسط تلسکوپ فضایی جیمزوب به ما اجازه خواهند داد تا تایید کنیم که "ایرندل" واقعا یک ستاره است و سن، دما، جرم و شعاع آن را شناسایی کنیم. ترکیب مشاهدات هابل و وب به ما امکان خواهد داد در مورد ریز لنزهای این خوشه کهکشانی که می‌تواند شامل اجرام عجیب و غریب مانند سیاهچاله‌های اولیه باشد نیز بیاموزیم.
"ولچ" گفت: با کمک تلسکوپ وب، ما ممکن است ستاره‌هایی که حتی دورتر از "ایرندل" هستند را نیز ببینیم که این امر فوق‌العاده هیجان‌انگیز خواهد بود. تا جایی که بتوانیم به عقب بر خواهیم گشت. من دوست دارم ببینم که وب با کشف خود این رکورد را خواهد شکست یا خیر.
از تلسکوپ هابل چه می‌دانیم؟

"هابل" پروژه‌ مشترک ناسا و آژانس‌ فضایی اروپا و کانادا است و بیش از سه دهه به رصد فضا پرداخته است. این تلسکوپ بیش از ۱.۵ میلیون رصد انجام داده و بیش از ۱۸ هزار مقاله علمی براساس داده‌های آن منتشر شده است. هابل با سرعت ۲۷ هزار و ۳۰۰ کیلومتر بر ساعت مدار زمین را دور می‌زند و در فاصله‌ ۵۴۷ کیلومتری زمین قرار دارد. این تلسکوپ در ماه آوریل سال ۱۹۹۰ توسط موشک فضایی دیسکاوری از پایگاه فضایی کندی در فلوریدا به فضا ارسال شد. "هابل" یکی از بزرگترین و پرکاربردترین تلسکوپ‌ها به شمار می‌آید.
هابل قوی‌ترین تلسکوپ جهان است و در سه دهه مشاهدات فضا، این تلسکوپ نگاه ما را به جهان تغییر داده است. این تلسکوپ یکی از مهم‌ترین ماموریت‌های کیهانی ناسا تاکنون بوده که به مدت ۳۲ سال در حال فعالیت است و ناسا امیدوار است سال‌های بیشتری نیز فعالیت کند. این تلسکوپ سیارات فراخورشیدی، کهکشان‌های دور و ماده‌ تاریک را مورد مطالعه قرار داد.
به طور کلی این تلسکوپ تاکنون بیش از یک میلیون رصد انجام داده است که نتیجه‌ی آن تصاویری خیره‌کننده از ستارگان، ابرنواخترها و کهکشان‌هایی در شکل‌ها و اندازه‌ی مختلف بوده است.
دوربین‌های هابل تصاویر را به رنگ خاکستری ثبت می‌کنند، اما ناسا به آن‌ها رنگ می‌بخشد. به طور معمول این کار را برای مشخص کردن ویژگی‌ها و مواد شیمیایی مختلف انجام می‌دهد. هابل همچنین تصاویری از بزرگنمایی سیارات منظومه‌ی شمسی ثبت کرده است که ویژگی‌ها و جزئیات جدیدی از سطح این سیارات را نمایان می‌کند. این تلسکوپ تصاویری از فصل‌های سیاره زحل و تصاویری از مشتری و نپتون را به نمایش گذاشته است.
یکی از منحصر به فردترین تصاویر هابل تصویری از گسترده‌ترین و عمیق‌ترین بخش قابل رؤیت جهان را ارائه می‌دهد. هابل می‌تواند نور کهکشان‌هایی که تنها ۵۰۰ میلیون سال نوری پس از مه بانگ تشکیل شده‌اند را دریافت کند و در این تصویر برخی از کهکشان‌ها به همین میزان قدمت دارند.
هابل در سال ۱۹۹۵ تصویری از تشکیل یک ستاره ثبت کرد و توجه‌ها را به یک منطقه در سحابی عقاب جلب کرد. این منطقه ۶۵۰۰ سال نوری با زمین فاصله دارد و ستون‌های آفرینش نامیده می‌شود. هابل چندین بار لنزهای خود را به سمت آن گرفت و تصاویری از آن ثبت کرد. این تلسکوپ تصویری از ستون‌های آفرینش در محدوده‌ی نور مادون‌قرمز نیز گرفته است.
اولین تصویری که هابل ثبت کرد، از تصاویری که تلسکوپ‌های زمینی ثبت می‌کردند، بسیار شفاف‌تر بود؛ البته این تصویر در مقابل شاهکارهایی که پس از آن ثبت کرد، یک تصویر معمولی است.
مدتی کوتاهی پس از آن که هابل به فضا پرتاب شد، در سال ۱۹۹۳ نقصی در آینه هابل باعث مخدوش شدن تصاویر آن شد، به همین دلیل فضانوردانی برای حل این مشکل به فضا اعزام شدند. به طور کلی تاکنون پنج بار فضانوردان به تعمیر و به روزرسانی هابل پرداخته‌اند. اما از سال ۲۰۱۱ که شاتل فضایی ناسا بازنشسته شد، موشک فضایی دیگری قادر به سفر به هابل نبوده است.
در سال ۱۹۹۸ ستاره‌شناسان با استفاده از هابل دریافتند که جهان سریع‌تر از آن‌چه تصور می‌شد، در حال انبساط است. پیش از این دانشمندان تصور می‌کردند که پس از مه‌بانگ جهان با سرعت منبسط شده و سپس سرعت آن کاهش یافته است. محققان این تحقیقات در سال ۲۰۱۱ نوبل دریافت کردند. محققان همچنین برای اندازه‌گیری سرعت انبساط جهان از هابل کمک گرفتند و واحد اندازه‌گیری آن را "ثابت هابل" نامیدند. این اندازه‌گیری به آن‌ها در تشخیص سن جهان کمک کرد. دانشمندان باور دارند جهان ۱۳.۸ میلیارد سال قدمت دارد.
در سال ۲۰۰۵ هابل موفق به رصد دو قمر ناشناخته‌ی سیاره کوتوله پلوتو شد. تلسکوپ‌های زمینی تنها یک قمر به نام شارون را رصد کرده بودند. ستاره‌شناسان قمرهای تازه کشف شده را هیدرا و نیکس نامیدند. یک سال بعد هابل جرم آسمانی بزرگ‌تری نسبت به پلوتو در کمربند کویپر یافت. این موضوع باعث شد سیاره‌ بودن پلوتو زیر سؤال برود. امروزه پلوتو در دسته‌ی سیاره‌های کوتوله قرار می‌گیرد.
اگرچه سیاراتی که به دور ستاره‌های دیگری می‌چرخند، برای رصد بسیار دور هستند، اما این تلسکوپ کشف‌های قابل‌توجهی درباره این سیارات فراخورشیدی داشته‌ است. هابل مولکول‌های آلی و دی‌اکسید کربن را در سیارات فراخورشیدی کشف کرده است. در سال ۲۰۱۹ هابل شواهدی از بخار آب در یک سیاره‌ی فراخورشیدی یافت. اولین تصویر از جهان بیرون از منظومه‌ی شمسی توسط هابل در سال‌های ۲۰۰۴ و ۲۰۰۶ ثبت شد. این تصویر سیاره‌ی فُم‌الحوت یا دهان ماهی را نشان می‌دهد. هابل اطلاعات زیادی در مورد ماده‌ی تاریک به دانشمندان داده است. این تلسکوپ به ستاره‌شناسان امکان نقشه‌برداری از پراکندگی ماده‌ی تاریک در جهان را داد.

رقیب هابل چه ویژگی‌هایی دارد؟

۲۵ دسامبر ۲۰۲۱، ناسا تلسکوپ قدرتمند دیگری موسوم به "جیمز وب" را که اغلب به عنوان جانشین "هابل" از آن یاد می‌شود، پرتاب کرد. "وب" اغلب به عنوان جانشین یا جایگزین "هابل" توصیف می‌شود، اما به رغم تعداد انگشت شماری مشکل در طول این سال‌ها، ابزارهای علمی "هابل" همچنان قوی هستند. نمی‌توان گفت "وب" جایگزین "هابل" خواهد شد، چرا که "هابل" همچنان در حال رصد کیهان است و ناسا امیدوار است تا چند سال دیگر، احتمالا تا دهه ۲۰۳۰ نیز بتواند از آن استفاده کند. هابل می‌تواند نورهای محدوده طول موج حدود ۲۰۰ نانومتر (nm) تا ۲.۴ میکرون را ببیند، در حالی که برد وب از حدود ۶۰۰ نانومتر تا ۲۸ میکرون است. گفتنی است وب گرچه برای کاوش در طیف نور مادون قرمز طراحی شده، اما همچنان قادر خواهد بود قسمت قرمز/نارنجی طیف نور مرئی را نیز مشاهده کند.
البته گرچه هابل برای فعالیت در طیف فروسرخ طراحی نشده، اما توانایی مشاهده مقداری نور فروسرخ را نیز دارد. برای مثال در سال ۲۰۱۳، تیم هابل یک تصویر مادون قرمز خیره کننده از سحابی سر اسب را منتشر کرد.
هابل برای چندین دهه تصاویر خیره کننده‌ای از جهان را در اختیار ما قرار داده است و وضوحی مشابه وب دارد. بر اساس اطلاعات ناسا، تفکیک پذیری زاویه‌ای وب یا وضوح دید آن مانند هابل خواهد بود. بنابر اطلاعات ناسا، تصاویر وب به همان وضوح تصویر هابل خواهند بود. به گفته ناسا، وضوح وب به آن اجازه خواهد داد تا بتواند جزئیات یک شی به اندازه یک پنی ایالات متحده را از فاصله ۲۴ مایلی(۴۰ کیلومتری) مشاهده کند. به رغم این شباهت، وب آینه بسیار بزرگ‌تری نسبت به هابل دارد.
قدرت تفکیک پذیری زاویه‌ای(Angular resolution) یا تفکیک‌پذیری فضایی(spatial resolution) یا وضوح فضایی، قدرت هر نوع سیستم تولید کننده‌ی تصویر همچون تلسکوپ رادیویی یا اپتیکی، میکروسکوپ، دوربین و یا چشم انسان برای متمایزسازی جزئیات یک شی را می‌گویند. به همین دلیل قدرت تفکیک‌پذیری زاویه‌ای از اصلی‌ترین مشخصه‌های وضوح تصویر است.
ناسا توضیح داده است که وب با رصد در طیف مادون قرمز، به دانشمندان این امکان را خواهد داد که گوشه و کنار جهان را ببینند. وب باید عمیق‌تر از پیش کیهان را رصد کند و کهکشان‌هایی را که پس از بیگ‌بنگ شکل گرفتند، شناسایی کند. شناسایی این کهکشان‌ها به دلیل دور دست بودن و نور کم برای هابل چندان امکانپذیر نیست. گفتنی است طراحی جیمز وب در ابتدا در دهه ۱۹۹۰ مطرح شده بود و هزینه‌ای ۵۰۰ میلیون دلاری نیز برای ساخت آن در نظر گرفته شده بود، اما طراحی مجدد و تاخیرهای پی در پی، هم هزینه ساخت آن را افزایش داد و هم تاریخ پرتاب آن را به تعویق انداخت.
وب به چهار ابزار علمی برای کمک به مشاهدات خود مجهز است. اینها شامل دوربین مادون قرمز نزدیک(NIRCam)، طیف‌نگار مادون قرمز نزدیک(NIRSpec)، ابزار مادون قرمز میانی(MIRI) و حسگر هدایت دقیق/تصویرگر مادون قرمز نزدیک و طیف‌نگار بدون شکاف(FGS-NIRISS) هستند. تلسکوپ فضایی جیمز وب حاصل تلاش مشترک ناسا، آژانس فضایی اروپا و آژانس فضایی کانادا است.
دوربین فیلتردار مجهز به حسگرهای دقیق FGS-TFI برای تصاویر با وضوح تصویری بالا از سایر اجرام آسمانی نیز توسط آژانس فضایی کانادا ساخته شده و سه سال پیش در اختیار ناسا قرار گرفته است. تلسکوپ "جیمزوب" به افتخار "جیمز ای. وب" که از سال ۱۹۶۱ تا ۱۹۶۸ به عنوان مدیر ناسا مشغول به کار بوده و نقش مهمی در برنامه فضایی آپولو داشته، نامگذاری شده است.