در نوشتهی قبلیم راجع به نسبیت عام با هم صحبت هایی رو داشتیم و از جایی که علاقهتون به این نوشتههای علمی خوب بود، تصمیم گرفتم این پست رو براتون بنویسم.
عکسی که در پایین مشاهده میکنید، تصویر کهکشان ما هستش
اما…
در ۱۳ میلیارد سال پیش!
بیاید ببینیم چخبره !)
تصور کنید به دورانی سفر کنیم که نه زمینی در کار بود، نه خورشیدی، و نه حتی کهکشان راه شیریای که ما امروز میشناسیم. فقط یک کیهان جوان، پر از ذرات بنیادی و انرژیهای اولیه، در حال شکلگیری...
اما چطور ممکنه تصویری از ۱۳ میلیارد سال پیش به دست بیاریم؟ راز این سفر شگفتانگیز به گذشته دور، یکی از برجستهترین دستاوردهای علمی بشر در سالهای اخیر و داستانی از تلسکوپهای فضایی ماست.
راز دیدن گذشته دور کیهان، در خود نور پنهان شده. نور با سرعتی باورنکردنی (حدود ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه) در فضا حرکت میکنه. با این حال، حتی این سرعت هم در برابر ابعاد بیکران کیهان، زمانبره. وقتی به جرمی در فاصله ۱۰۰ سال نوری نگاه میکنیم، در واقع نوری رو میبینیم که ۱۰۰ سال پیش از اون جرم ساطع شده. این یعنی داریم تصویری از گذشته رو تماشا میکنیم؛ هرچی جرم دورتر باشه، تصویری که میبینیم قدیمیتره.
جهان ما حدود ۱۳.۸ میلیارد سال پیش با یک رویداد بزرگ به اسم بیگ بنگ (Big Bang) شروع شد. نورِ نخستین ستارهها و کهکشانهایی که بعد از این آغاز شروع به درخشش کردند، میلیاردها سال طول کشیده تا به ما برسه. این نور، سفر عظیمی رو در فضا پیموده و حالا به تلسکوپهای ما میرسه. در واقع، با دریافت این نور، داریم به عکسهای قدیمی کیهان نگاه میکنیم.
رصد این نور قدیمی و بسیار کمفروغ، کار هر تلسکوپی نیست. این نور به دلیل انبساط مداوم کیهان، دچار پدیده قرمزگرایی (Redshift) شده(به ترتیب اگه بخوام یه تقسیم بندی ساده بهتون بدم، مادون قرمز جزو پرتوهایی با انرژی کم، حدود امواج فرابنفش و ایکس جزو پرانرژی ترین ها و نور مرئی یعنی همون نوری که ما میبینیم و الان دارید این پست رو باهاش میخونید، در بین اینها قرار داره و انرژی نسبتا میانهای داره. حالا داستانی که وجود داره، وقتی میگیم نور دچار قرمز گرایی شده یا اصطلاحا رد شیفت کرده، یعنی در اثر انبساط کیهان، نورهایی که درمحدودهی فرابنفش و اون پرانرژیها قرار داشتن منبسط شدن و در نتیجه طول موجشون زیاد شده و در واقع کم انرژی شدن و در نهایت به فروسرخ یا همون مادون قرمز رسیدن) و طول موجش به سمت طیف مادون قرمز(فروسرخ) کشیده میشه. برای آشکارسازی چنین نور ضعیفی یعنی مادون قرمز، به چشمهایی فوقالعاده حساس و قدرتمند در فضا نیاز داریم:
تلسکوپ فضایی هابل: سالهاست که به عنوان نماد رصد کیهانی شناخته میشه و تصاویر بینظیری از کهکشانهای دوردست ثبت کرده. هابل عمدتا برای رصد در طیفهای نور مرئی و فرابنفش بهینهسازی شده(یعنی امواج با انرژی متوسط تا پر انرژی). اگرچه توانایی محدودی در رصد نور نزدیک به فروسرخ داره، اما برای نورهای بسیار دور و ضعیفتر که کاملا به سمت مادون قرمز انتقال(Shift) پیدا کردن، کافی نیست.
تلسکوپ فضایی جیمز وب: اینجاست که قابلیتهای بینظیر جیمز وب به اوج میرسه. جیمز وب که در سال ۲۰۲۱ به فضا پرتاب شد، یک شاهکار مهندسیه و فقط برای رصد در طیف مادون قرمز طراحی شده. اما این نورهای باستانی رو چطور شکار میکنه؟
آینه طلایی غولپیکر: قلب جیمز وب، آینه اصلی اونه که از چندین تکه ششضلعی طلایی تشکیل شده. لایه نازک طلا روی این آینهها بهترین بازتابنده برای نور مادون قرمز(فروسرخ)ه. هرچی آینه بزرگتر باشه، میتونه نور بیشتری رو از اجرام فوقالعاده کمنور و دوردست جمع کنه و به سمت حسگرهاش هدایت کنه.
دید در تاریکی: نوری که از دورترین کهکشانها به ما میرسه، به دلیل انبساط کیهان، به شدت کشیده شده و به نور مادون قرمز تبدیل شده(توضیح مجدد برای تثبیت؛ طی انبساط کیهان، امواج اولیه فرابنفشی که در دسترسی بودن، یه سریاشون کشیده شدن و درواقع طول موجشون رفته بالا و تبدیل به امواج فروسرخ شدن. که بالاتر هم گفتم، بهش رد شیفت هم میگن). جیمز وب دقیقا برای رصد همین نور طراحی شده. مزیت دیگه نور مادون قرمز(فروسرخ) اینه که میتونه از میان ابرهای غبار و گاز که نور مرئی رو جذب میکنن، عبور کنه. این به جیمز وب امکان میده مناطقی رو ببینه که هابل یا چشم انسان نمیتونن، مثل درون سحابیهایی که ستارهها و سیارهها در حال تولد هستن.
خنکسازی شدید: هر جسم گرمی، نور مادون قرمز از خودش ساطع میکنه. اگه خود جیمز وب هم گرم باشه، نور خودش مزاحم رصد نورهای ضعیف کیهانی میشه. به همین دلیل، این تلسکوپ باید فوقالعاده سرد نگه داشته بشه، تقریبا نزدیک صفر مطلق (حدود منفی ۲۳۳ درجه سانتیگراد). این کار با یک سپر خورشیدی غولپیکر انجام میشه که نور و گرمای خورشید، زمین و ماه رو از تلسکوپ دور نگه میداره.
یه نکته هم اینجا اضافه کنم، جایی که جیمز وب الان درش قرار گرفته، چند ماه تو راه بوده تا بهش برسه و کامل تلسکوپ برای مشاهدات آماده بشه و یک نکته دیگه هم درمورد دمای جیمز وب بگم که به عمق علم نگهداری این تلسکوپ پی ببرید؛ پشت جیمز وب به سمت خورشیده و با پنل های خورشیدی انرژیش رو تامین میکنه که دماش حدود ۸۵ درجه سانتی گراد هستش و در سمت مقابل که باید پرتوهارو بگیره، دمایی معادل حدودا -۲۳۳ درجه سانتی گراد داره!
جیمز وب با این تواناییهای بینظیرش، نورهای باستانی رو شکار میکنه و به ما کمک میکنه تا اولین ستارهها، اولین کهکشانها و حتی چگونگی شکلگیری عناصر حیاتی رو در دوران اولیه کیهان بررسی کنیم. این مثل اینه که به جای یک عکس قدیمی و تار، یک فیلم باکیفیت و رنگی از لحظات ابتدایی تولد جهان رو ببینیم.
اولین عکس تمامرنگی و علمی جیمز وب که به اسم "جیمز وب دیپ فیلد" معروف شد، یک اتفاق تاریخی در علم بود.
"دیپ فیلد" یعنی چی؟ یعنی عکسی که با زمان نوردهی خیلی طولانی از یک بخش بسیار کوچک و به ظاهر خالی از آسمان گرفته شده تا حتی ضعیفترین نورها از دورترین و قدیمیترین اجرام هم ثبت بشن.
چه چیزی را میبینیم؟ در این عکس که سال ۲۰۲۲ رونمایی شد، در یک تکه کوچک از آسمان، هزاران کهکشان دیده میشن. بسیاری از این کهکشانها اونقدر دورن که نورشون ۱۳ میلیارد سال طول کشیده تا به ما برسه!
عدسی گرانشی: جرم عظیم خوشهی کهکشانی مثل یک "عدسی گرانشی" عمل میکنه و نور کهکشانهای بسیار دورتر (که پشت این خوشه قرار دارن) رو خم میکنه، بزرگنمایی میکنه و گاهی حتی چندین تصویر از اونها ایجاد میکنه. این پدیده به جیمز وب امکان میده کهکشانهایی رو ببینه که در حالت عادی غیرقابل مشاهدهان. در عکس اول پست، میتونید این کهکشانهای کشیده و خمیده رو به شکل کمانهای نوری در اطراف مرکز خوشه ببینید.
با اینکه جیمز وب فوقالعادهست، اما دورههایی در تاریخ کیهان وجود داره که حتی این تلسکوپ هم نمیتونه به طور مستقیم ببینه:
۳۸۰,۰۰۰ سال اول (دوره کدری): بلافاصله پس از بیگ بنگ، تا حدود ۳۸۰ هزار سال بعد، کیهان اونقدر داغ و چگال بود که نور نمیتونست آزادانه حرکت کنه. جهان به صورت پلاسمای داغی از ذرات باردار بود. به همین دلیل، این دوره با تلسکوپهای نوری (چه مرئی و چه فروسرخ) کاملا غیرقابل رصد هست. تنها چیزی که از اون زمان داریم، "تابش پسزمینه کیهانی" هست که نوریه که در لحظه شفاف شدن کیهان منتشر شد و اکنون به صورت امواج مایکروویو به ما میرسه.
عصر تاریک کیهانی: بعد از اینکه کیهان شفاف شد، شروع به خنک شدن کرد. اما هنوز هیچ ستاره یا کهکشانی تشکیل نشده بود. کیهان پر از گاز هیدروژن خنثی و نسبتا تاریک بود. به این دوره "عصر تاریک" میگن، چون هیچ منبع نور جدید و متمرکزی در اون وجود نداشت. جیمز وب نمیتونه این دوره رو ببینه، چون چیزی برای دیدن وجود نداره! هدف جیمز وب رصد نور ساطع شده از ستارهها و کهکشانهاست.
جیمز وب دقیقا چه چیزی رو هدف گرفته؟ جیمز وب طراحی شده تا دقیقا از جایی شروع به کار کنه که "عصر تاریک" به پایان میرسه و "سپیدهدم کیهانی" آغاز میشه. این دوره از حدود ۲۵۰ تا ۳۰۰ میلیون سال پس از بیگ بنگ شروع میشه، یعنی زمانی که گرانش شروع به جمعآوری گازها کرد و اولین ستارهها و کهکشانها در جهان شروع به درخشش کردن. جیمز وب در حال حاضر داره نور این اولین و دورترین کهکشانها رو شکار میکنه و به ما کمک میکنه بفهمیم جهان چگونه از تاریکی به روشنایی رسید.
پن۱: مرسی که خوندین :)
پن۲: بعضی جاها هی میخواستم بیشتر موضوع رو باز کنم تا حتی یذره هم که شده از پیچیدگی مبحث کم کنم اگر احیانا قرار بود باعث سختی شما در فهم بشه، اما علم خاصیتش اینه هرچقدر عمیق تر میشی توش خیلی موضوعات گستردهتر و پیچیدهتر میشن و سادهسازیشون به قدری خطا داره که باعث میشه کامل مفهوم غلط از آب در بیاد!
پن۳: امیدوارم براتون مفید بوده باشه :)
پن۴: ایده یا پیشنهاد برای موضوع نوشتههای بعدی؟)
