علوم نهان در پشت تسلط بر آینه های تلسکوپ جیمز وب!

از زمان استقرار، تلسکوپ فضایی جیمز وب توسط کارشناسان برای حفظ قابلیت‌های نوری قدرتمندش به‌دقت تنظیم شده است تا مشاهدات کیهانی دقیق و عملکرد قوی برای اکتشافات آینده نجومی را تضمین کند. اما آیا تاکنون چیزی درباره این آینه‌ها و نحوه کار آنها شنیده‌اید؟ برای آشنایی بیشتر با علوم نهان در پشت این آینه‌ها با اِروتِک همراه باشید.

تلسکوپ فضایی جیمز وب ناسا، بزرگترین و قوی‌ترین تلسکوپی که تاکنون به فضا فرستاده شده، دارای آینه‌ای است که از ۱۸ بخش شش‌ضلعی تشکیل شده است. این بخش‌ها به‌قدری دقیق تنظیم شده‌اند که به عنوان یک بازتابنده عظیم با قطر ۶.۵ متر عمل می‌کنند. هم‌تراز کردن و نگهداری این سیستم پیچیده نیاز به توجه مداوم از سوی تیمی از مهندسان و دانشمندان اپتیک دارد. دکتر مارسیو ب. ملندز، دانشمند ارشد اپتیک نجومی برای تلسکوپ جیمز وب در مؤسسه علوم تلسکوپ فضایی، به چالش‌های تنظیم آینه‌های وب پس از پرتاب و کارهای مداوم برای اطمینان از دقت آن‌ها در طول عملیات علمی اشاره می‌کند.

دکتر ملندز که دانشمند ارشد اپتیک نجومی در مؤسسه علوم تلسکوپ فضایی بوده و همچنین عضو تیم سنجش موج‌جبهه در بخش تلسکوپ این مؤسسه است در متن زیر این فرآیند را به خوبی توصیف می‌کند:

بلافاصله پس از پرتاب و استقرار موفقیت‌آمیز وب، فرآیند پیچیده‌ای برای تنظیم آینه‌های طلایی بزرگ آن آغاز شد. نزدیک به سه ماه طول کشید تا از وضعیت اولیه‌ای که ۱۸ بخش مجزا و بی‌تمرکز تازه به فضا فرستاده شده بودند، به سیستمی کاملاً هم‌تراز و هماهنگ بر اساس طراحی اپتیکی برسیم.

هرچند هم‌ترازی دقیق تلسکوپ در اوایل سال ۲۰۲۲ در جریان کمیسیونینگ تکمیل شد، این تنظیمات به‌طور طبیعی حفظ نمی‌شوند و به‌دلیل عواملی مانند تغییرات دمایی و رویدادهای «انحراف» نیاز به برنامه‌ای برای نگهداری مادام‌العمر دارند. تیمی از دانشمندان به نام تیم موج‌جبهه، مسئول نظارت بر وضعیت آینه‌های جیمز وب، پیوسته مشغول رصد، بررسی، روندسنجی و در مواقعی تنظیم مجدد بخش‌های آینه اصلی هستند. این فعالیت‌ها از مرکز عملیات مأموریت واقع در مؤسسه علوم تلسکوپ فضایی در بالتیمور، انجام می‌شود.

این برنامه نظارتی تلسکوپ شامل مجموعه‌ای از مشاهدات است که از تجهیزات نوری ویژه‌ای داخل دوربین مادون قرمز نزدیک (NIRCam) استفاده می‌کند. این دوربین از لنزهایی بهره می‌گیرد که تصاویر ستارگان را به‌طور عمدی به یک میزان مشخص از فوکوس خارج می‌کند. این تصاویر تار از ستارگان دارای ویژگی‌های قابل‌اندازه‌گیری هستند که تیم می‌تواند از آن‌ها برای تعیین هم‌ترازی تلسکوپ از طریق فرآیندی به‌نام بازیابی فاز استفاده کند و آنچه را که «خطای موج‌جبهه» می‌نامیم، استخراج کند. مشاهدات نظارتی تلسکوپ هر دو روز یک‌بار برنامه‌ریزی شده‌اند و در بین مشاهدات علمی وب با زمان اجرای کوتاهی در حدود ۲۰ دقیقه انجام می‌شوند. همه مشاهدات نظارتی تلسکوپ به‌طور عمومی از طریق بایگانی MAST در دسترس هستند و کاربران رصدخانه و سایر محققان علاقه‌مند می‌توانند با استفاده از ابزارهای تخصصی کیفیت نوری را مشاهده و مدل‌سازی کنند.

این برنامه نگهداری همچنین چهار بار در سال یک «سلفی» از آینه‌ها با استفاده از یک لنز ویژه تصویربرداری به‌نام «پیوپل ایمیجینگ» می‌گیرد که برای گرفتن تصاویر از بخش‌های آینه طراحی شده و نه از آسمان. این تصاویر برای ارزیابی وضعیت سلامت آینه‌های اصلی استفاده می‌شوند. در هر مشاهده، تیم ثبات جهت‌گیری یا «لرزش» وب را اندازه‌گیری می‌کند که تاکنون شش برابر بهتر از الزامات طراحی باقی مانده است. حسگر دقیق هدایت (Fine Guidance Sensor) از یک آینه کوچک فرمان‌پذیر برای قفل کردن روی یک هدف استفاده می‌کند، در حالیکه تلسکوپ در حال حرکت در مدار است و بدون انحراف بیشتر از ضخامت یک موی انسان از فاصله ۱۱ کیلومتری این حرکت را کنترل می‌کند.

عملکرد کلی اپتیکی تلسکوپ بسیار بهتر از نیاز طراحی است، به این معنی که مشاهدات به اجرام کم‌نور حساس‌تر هستند و جزئیات ظریف بیشتری را نشان می‌دهند. نیاز اپتیکی وب به خطای موج‌جبهه‌ای در حد ۱۵۰ نانومتر تنظیم شده بود، که شامل ترکیبی از نقص‌های سطحی غیرقابل‌اصلاح و ناهماهنگی‌های قابل‌اصلاح تلسکوپ می‌شد. در حال حاضر، خطاهای غیرقابل‌اصلاح بسیار کم و در حدود ۶۵ نانومتر است. برنامه هم‌ترازی تلسکوپ تلاش می‌کند تا این وضعیت را حفظ کند، و زمانی که ناهماهنگی‌های مشاهده‌شده از معیارهای از پیش تعیین‌شده فراتر برود، بخش‌های آینه اصلی دستور حرکت می‌گیرند و سیستم مجدداً هم‌تراز می‌شود.

هر بخش از آینه اصلی می‌تواند در شش «درجه آزادی» جابجا شود، یعنی شش نوع حرکت مختلف. سطح منحنی یک بخش نیز می‌تواند تا حدی تغییر کند تا طول کانونی آن تنظیم شود. آینه‌های تلسکوپ وب از طریق پشتیبانی پایدار از ساختار پشت‌پایه به‌طور غیر فعال هم‌ترازی خود را حفظ می‌کنند. با اشاره وب به مناطق مختلف آسمان، گرمای جذب‌شده از خورشید تغییر می‌کند و تغییرات دمایی جزئی (۰.۱ کلوین) در ساختار پشت‌پایه رخ می‌دهد که حرکت‌های فیزیکی کوچکی ایجاد می‌کند. این جابجایی‌های کوچک موجب ناهماهنگی آینه‌ها می‌شوند. این اعوجاج بسیار کم است و فقط چند نانومتر تغییر در موج‌جبهه را موجب می‌شود. علاوه بر این، انحرافات ناگهانی ساختاری وجود دارند که ما آن‌ها را رویدادهای انحراف می‌نامیم. این جهش‌های ناگهانی خودبه‌خود به حالت اولیه باز نمی‌گردند و درک کنونی ما این است که این رویدادها با آزاد شدن ناگهانی و کوچک انرژی ذخیره‌شده در ساختار پشتیبانی آینه مرتبط هستند.

با برنامه نگهداری جامع برای اندازه‌گیری و کنترل، تیم موج‌جبهه عملکرد اپتیکی وب را در بالاترین سطح ممکن حفظ می‌کند تا رازهای پنهان کیهان را آشکار سازد.

هم‌ترازی آینه وب نیاز به اصلاحات کمتری از حد انتظار داشته و این امر امکان بیشتری برای مشاهدات علمی فراهم کرده و اطلاعات ارزشمندی برای مأموریت‌های آینده فراهم آورده است. کاهش نیاز به تنظیمات، نشان می‌دهد که تلسکوپ از ثبات بیشتری نسبت به انتظار برخوردار است که این یک عامل حیاتی برای پروژه‌های آتی نظیر رصدخانه جهانی‌های قابل سکونت ناسا به‌شمار می‌آید. این رصدخانه نخستین تلسکوپ فضایی است که برای جستجوی نشانه‌های حیات روی سیاره‌هایی با اندازه زمین در اطراف ستارگان مشابه خورشید طراحی شده و به بررسی سؤالات گسترده‌تری از فیزیک نجومی برای باز کردن رازهای جهان نیز خواهد پرداخت.

منبع: Scitechdaily