مهندسی بی‌نهایت: تلسکوپ فضایی جیمز وب؛ نگاهی به وسعت کیهان

از زمانی که گالیله با تلسکوپ خود برای نخستین‌ بار به فضا نگاه کرد، حدود ۴۰۰ سال می‌گذرد. طی این مدت، ما انسان‌ها نه‌تنها در ستاره‌شناسی، بلکه در تمام زمینه‌های علمی پیشرفت‌های چشمگیری داشته‌ایم. دانش ما در زمینه‌ی چینش آینه‌ها و عدسی‌ها و به‌ کار بردن فناوری‌های نوین در ساخت ابزارها، به ما این قدرت را داده است تا بتوانیم جهانی را که در آن زندگی می‌کنیم، ببینیم و از جایگاه خود آگاه شویم. شاید بسیاری از ما، لحظه‌ای که تلسکوپ فضایی هابل نخستین تصویر از کیهان را به زمین ارسال کرد، به یاد داشته باشیم؛ در آن لحظه‌ی هیجان‌انگیز بود که علم ستاره‌شناسی وارد دوره‌ی جدیدی شد و گام در مسیر پیشرفت نهاد. هابل، تلسکوپی بود که به ما در فهم کیهان کمک شایانی کرد و با ثبت تصاویری حیرت‌انگیز از نقاط مختلف فضا، این نکته را به ما یادآور شد که در این جهان هیچ نیستیم و باید قدر لحظه لحظه‌ی زندگی خود را بدانیم. علم ستاره‌شناسی نوین، به‌نوعی مدیون هابل است؛ تلسکوپی قدرتمند که قرار است به‌زودی جای خود را به جیمز وب بدهد.

مدتی پس از تکمیل فرآیند ساخت هابل، ایده‌ی ساخت تلسکوپی که بتواند جایگزین هابل باشد مطرح شد. ابتدا این تلسکوپ در حد ایده و نظریه بود؛ اما رفته‌رفته جدی شد تا این‌که بالاخره دانشمندان تصمیم گرفتند این تلسکوپ را بسازند. نام این تلسکوپ، جیمز وب است که سال ۲۰۱۹ به فضا پرتاب می‌شود. جیمز وب، یکی از پرهزینه‌ترین و پیشرفته‌ترین تلسکوپ‌های جهان است و ناسا بر سر تأمین بودجه‌ی لازم برای آن، با مشکلاتی مختلفی مواجه شد. این تلسکوپ، ساختاری پیچیده دارد و بر خلاف هابل، به دور زمین گردش نمی‌کند؛ بلکه در مداری دورتر و به دور خورشید گردش خواهد کرد. در این مطلب قصد داریم وارد جزئیات سازه‌ی پیچیده‌ی جیمز وب شویم تا اطلاعات بیشتری در مورد یکی از پیچیده‌ترین مصنوعات بشری کسب کنیم.

تاریخچه ساخت

ایده‌ی توسعه‌ی تلسکوپ جایگزین هابل، بین سال‌های ۱۹۸۹ تا ۱۹۹۴ مطرح شد. این تلسکوپ مفهومی فروسرخ با دیافراگم ۴ متری، Hi-Z نام داشت و در مداری به فاصله‌ی ۳ واحد نجومی (سه برابر فاصله‌ی زمین از خورشید) به دور خورشید گردش می‌کرد. این مدار بسیار دور بود؛ اما مزیت‌هایی نیز داشت. این تلسکوپ همچنان در حد ایده باقی ماند تا این‌که طرح‌های دیگری مجدداً به این تلسکوپ جان تازه‌ای بخشیدند. دانشمندان نام اولیه‌ی این پروژه را NEXUS گذاشتند که در آن زمان بسیار نوآورانه بود؛ اما ناسا نظر دیگری داشت. در اواسط دهه‌ی ۹۰ میلادی، ناسا اعلام کرد روی پروژه‌ای سرمایه‌گذاری می‌کند که سریع انجام شود، بهترین باشد و کم‌ترین هزینه را داشته باشد؛ بنابر این مدیران ارشد ناسا، تمرکز خود را روی ساخت یک تلسکوپ فضایی ارزان‌قیمت گذاشتند. نتیجه‌ی این تصمیم، تلسکوپ مفهومی NGST با دیافراگم ۸ متر بود که در مدار L2 به دور خورشید گردش می‌کرد؛ اما ۵۰۰ میلیون دلار هزینه داشت.

ناسا پروژه را پذیرفت و بلافاصله با مرکز پروازهای فضایی گودارد، شرکت هوافضایی Ball و شرکت TRW قرارداد همکاری بست تا آن‌ها بتوانند به انجام مطالعاتی روی ملزومات فنی پروژه و همچنین هزینه‌های مختلف آن بپردازند. در سال ۱۹۹۹، ناسا مسئولیت ساخت نسخه‌ی اولیه از این تلسکوپ مفهومی را به عهده‌ی شرکت لاکهید مارتین و TRW گذاشت. در سال ۲۰۰۲، تلسکوپ مفهومی ساخته شد و TRW قبول کرد که در ازای دریافت مبلغ ۸۲۴.۸ میلیون دلار، تلسکوپ NGST را که اکنون با نام جیمز وب شناخته می‌شود، به‌طور کامل بسازد و تا سال ۲۰۱۰ آن را تحویل ناسا دهد. اواخر سال ۲۰۰۲، شرکت TRW توسط نورث‌روپ گرومن خریداری شد و پروژه جیمز وب نیز به این شرکت هوافضایی واگذار شد.

نورث‌روپ گرومن، ید طولایی در زمینه‌ی ساخت تجهیزات هوانوردی دارد و هواپیمای اف ۱۴ تامکت (با نام افسانه‌ی گرومن نیز شناخته می‌شود) از موفق‌ترین محصولات این شرکت است. ناسا با توجه به سابقه‌ی درخشان گرومن، این شرکت را یکی از کارفرمایان اصلی پروژه اعلام کرد و وظیفه‌ی ساخت قطعات اصلی و برخی از قطعات ریز جیمز وب را به آن واگذار کرد که از جمله‌ی این قطعات می‌توان به باس‌های ماهواره‌ای و سپر خورشیدی اشاره کرد. شرکت هوافضایی بال (Ball) نیز وظیفه‌ی ساخت قطعات اپتیکی تلسکوپ یا به‌اختصار قطعات OTE را بر عهده گرفت. OTE شامل یک آینه‌ی اصلی به قطر ۶.۵ متر (تشکیل شده از یک مجموعه‌ی ۱۸ عددی از آینه‌هایی که شش ضلعی هستند)، آینه‌ی دوم دایره‌ای ۷۴ سانتی‌متری، آینه‌ی سوم که هدایت‌کننده‌ و ظریف است و ساختارهای نوری تلسکوپ می‌شود. از سوی دیگر، طراحی و ساخت برج محافظ (DTA) تلسکوپ نیز به نورث‌روپ گرومن واگذار شد. DTA وظیفه‌ی محافظت از سپر خورشیدی و باس‌های ماهواره‌ای به هنگام پرتاب به مدار را بر عهده دارد و ساختار تلسکوپ را تا حد امکان کوچک می‌کند تا بتوان آن را در راکت جای داد. ناسا اعلام کرد که در مرکز پروازهای فضایی گوادارد، پنل‌های خورشیدی پیشرفته‌ای توسعه خواهد داد که وظیفه‌ی تأمین انرژی مورد نیاز سیستم‌ها و تجهیزات تلسکوپ را بر عهده خواهند داشت.

ناسا بعدها در سال ۲۰۰۵ اعلام کرد که تغییراتی در برنامه ایجاد شده است و باید بخشی از تجهیزات تلسکوپ تغییر داده شوند که همین موضوع باعث شد پرتاب تلسکوپ با ۲۲ ماه تأخیر انجام شود و تاریخ پرتاب از سال ۲۰۱۱ به ۲۰۱۳ موکول شد. ناسا همچنین اعلام کرد که فرآیند آزمایش سیستم‌ها در طول موج‌های کم‌تر از ۱.۷ میکرومتر را انجام نخواهد داد تا تمرکز بر سایر بخش‌‌ها معطوف شود. در سال ۲۰۰۶ باز هم برنامه باید بازبینی می‌شد؛ اما این‌ بار قضیه صرفاً در زمینه‌ی فنی نبود، بلکه باید ناسا در زمینه‌ی مالی نیز یک سری تغییرات اعمال می‌کرد تا بودجه‌ای که در اختیار داشت به شکلی صحیح تقسیم شود.

در همان سال، ناسا برآورد کرد که هزینه ساخت و پشتیبانی از تلسکوپ جیمز وب در طول چرخه‌ی حیات، حدود ۴.۵ میلیارد دلار خواهد بود. از این مقدار، ۳.۵ میلیارد دلار صرف طراحی، تولید، پرتاب و قرارگیری در مدار خواهد شد و ۱ میلیارد دلار هزینه‌ی پشتیبانی از تلسکوپ در طول ده‌ها سال مأموریت خواهد شد. آژانس فضایی اروپا اعلام کرد که ۳۰۰ میلیون دلار از این بودجه را تأمین می‌کند و هزینه‌ی پرتاب را نیز قبول خواهد کرد. از سوی دیگر، آژانس فضایی کانادا نیز تأمین ۳۹ میلیون دلار کانادا از این بودجه را بر عهده گرفت. با توجه به این اطلاعات، هزینه‌ی اصلی پروژه بر دوش ناسا افتاد.

ژانویه سال ۲۰۰۷، مهندسان اعلام کردند که از ۱۰ ابزار علمی تلسکوپ، ۹ عدد با موفقیت توانسته‌اند آزمایش‌های بدون محافظ را پشت سر بگذارند. ماه مارس سال ۲۰۰۸ نیز تلسکوپ توانست با موفقیت آزمایش بررسی اولیه‌ی طراحی را پشت سر بگذارد. تا سال ۲۰۱۱، تلسکوپ تمام آزمایش‌ها و بررسی‌ها را با موفقیت پشت سر گذاشت و وارد مرحله‌ی نهایی طراحی ساختار و طراحی بدنه شد. از آن‌جایی که پس از نهایی شدن پروژه و نزدیک شدن زمان پرتاب امکان تغییر در طراحی و ساختار وجود نداشت، مهندسان می‌بایست نهایت دقت خود را به کار می‌گرفتند و با ظرافت کامل، به بررسی ساختار و ابزار می‌پرداختند. از دهه‌ی ۹۰ میلادی که ایده‌ی تلسکوپ مطرح شد، تا سال ۲۰۱۱، دستاوردهای علمی جدیدی حاصل شده بودند که در تلسکوپ به‌ کار گرفته شدند. به‌عنوان مثال، در دهه‌ی ۹۰، دانشمندان نمی‌دانستند چگونه می‌توان تلسکوپی بزرگ با وزن کم طراحی کرد.

متأسفانه اوضاع به‌خوبی پیش نمی‌رفت و ناسا دریافت که هزینه‌ی ساخت تلسکوپ تقریباً دو برابر آن چیزی خواهد بود که در سال ۲۰۰۶ برآورد شده بود. این یعنی هزینه‌ی توسعه و پشتیبانی تلسکوپ، حدود ۸.۸ میلیارد دلار است که این تقریباً دو برابر ۴.۵ میلیارد دلار پیش‌بینی شده در سال ۲۰۰۶ خواهد بود. در این لحظه بود که خطر لغو پروژه هر لحظه وجود داشت و آمریکا به‌تازگی یک بحران اقتصادی را پشت سر گذاشته بود و ناسا برای درخواست بودجه‌ی بیشتر، با مشکلاتی مواجه بود. تا سال ۲۰۱۱، تاریخ پرتاب تلسکوپ ۱۰ بار تغییر پیدا کرد که هر دفعه به دلایل فنی و مالی بود. ناسا در سال ۲۰۱۱ اعلام کرد که تا سال ۲۰۱۸ امکان پرتاب تلسکوپ وجود ندارد و به دلیل هزینه‌ی فوق سنگین پروژه، باید آزمایش‌های بیشتری صورت بگیرد تا امکان خطا تقریباً به صفر برسد.

سال گذشته‌ی میلادی، ناسا باز هم تاریخ پرتاب را تغییر داد و آن را به سال ۲۰۱۹ موکول کرد؛ زیرا برخی ابزارها نیاز دارند تا بیشتر آزمایش شوند و شبیه‌سازی قرارگیری تلسکوپ در راکت نیز به‌طور دقیق انجام شود. در همان زمان اریک اسمیت، مدیر پروژه‌ی جیمز وب، چنین گفت:

فضاپیمای حامل تلسکوپ و محافظ خورشیدی، بزرگ‌تر و پیچیده‌تر از بسیاری از فضاپیماها هستند. فرآیند مونتاژ و یکپارچه‌سازی برخی از بخش‌ها، بیش از آن‌چه برنامه‌ریزی کرده بودیم زمان‌بر است. به‌عنوان مثال، ما بیش از ۱۰۰ دستگاه رهاساز پرده‌های محافظ خورشیدی داریم که باید آزمایش شوند؛ همچنین ما چندی پیش مدت‌زمان انجام آزمایشات ارتعاش را افزایش دادیم و با توجه به اطلاعاتی که از آن به دست آوردیم، باید بگوییم که فرآیند ادغام و آزمایش آن نیز زمان‌بر خواهد بود. با در نظر گرفتن سرمایه‌گذاری هنگفت ناسا روی این پروژه و عملکرد خوب و رضایت‌بخش تا به امروز، ما تصمیم گرفته‌ایم که روی این آزمایش‌ها حساسیت بیشتری به خرج دهیم تا همه چیز برای پرتاب تلسکوپ در بهار سال ۲۰۱۹ آماده باشد.

با توجه به این توضیحات، احتمالاً تاریخ اعلام‌شده در سال ۲۰۱۹، قطعی است و تغییری در آن ایجاد نمی‌شود. بدین ترتیب، فرآیند ساخت تلسکوپ فضایی جیمز وب، ۲۳ سال طول کشیده که مدتی بسیار زیاد است. جدول زمانی توسعه‌ی جیمز وب به شرح زیر است:

• سال ۱۹۹۶: ایده‌ی ساخت نسل جدیدی از تلسکوپ فضایی مطرح و طرح مفهومی آن با نام NEXUS ساخته شد.
• سال ۲۰۰۰: پروژه NEXUS‌ لغو شد.
• سال ۲۰۰۲: شرکت TRW اعلام کرد که برای ساخت تلسکوپ NGST حدود ۸۲۴.۸ میلیون دلار بودجه لازم است.
• سپتامبر سال ۲۰۰۲: نام تلسکوپ از NGST‌ به جیمز وب تغییر یافت.
• ژانویه سال ۲۰۰۷: از ۱۰ ابزار علمی، ۹ ابزار توانستند آزمایش‌های بدون محافظ را با موفقیت پشت سر بگذارند.
• آوریل سال ۲۰۱۰: آزمایش بخش‌های فنی و طراحی مهم (آزمایش MCDR) با موفقیت انجام شد.
• جولای سال ۲۰۱۱: خطر لغو شدن به دلیل کمبود بودجه، پروژه را تهدید کرد.
• نوامبر سال ۲۰۱۱: بودجه تأمین شد و توسعه‌ی جیمز وب ادامه یافت.
• سال ۲۰۱۲: قطعه‌ی MIRI‌ (قطعه رصد فروسرخ میانی) توسط آژانس فضایی اروپا به آمریکا آورده شد.
• مارس سال ۲۰۱۳: حسگر هدایت کامل (FGS) و طیف‌سنج فروسرخ نزدیک (NIRISS) روی تلسکوپ نصب شد.
• جولای سال ۲۰۱۳: قطعه‌ی MIRI‌ روی تلسکوپ نصب شد.
• مارس سال ۲۰۱۴: تصویربردار NIRCam و طیف‌سنج NIRSpec روی تلسکوپ نصب شدند.
• ژوئن ۲۰۱۴: تمام این ابزارها در محفظه‌ی برودتی ناسا تحت شرایط شبیه‌سازی شده‌ی فضا آزمایش شدند.
• دسامبر ۲۰۱۴: دولت آمریکا ۶۵۰ میلیون دلار دیگر به بودجه‌ی پروژه اضافه کرد.
• فوریه ۲۰۱۵: بازوهای رباتیک، آینه‌های طلایی شش ضلعی را نصب کردند.
• دسامبر ۲۰۱۵: قرارداد اجاره‌ی سکوی پرتاب گویان فرانسه و راکت آریان ۵ امضا شد.
• مارس ۲۰۱۶: آزمایش برودتی تمام تجهیزات و آینه‌ها با موفقیت به اتمام رسید.
• مارس ۲۰۱۶: آینه‌ی دوم روی مجموعه‌ی OTE نصب شد.
• نوامبر ۲۰۱۶: ساخت تلسکوپ رسماً به پایان رسید؛ اما آزمایش‌های بیشتری نیاز بود.
• ژانویه ۲۰۱۷: جیمز وب پس از تجربه کردن یک ناهنجاری در اثر آزمایش، همچنان سالم بود.
• سال ۲۰۱۸: آزمایش‌های مربوط به رصدخانه انجام می‌شوند.
• اوایل سال ۲۰۱۹: تلسکوپ جیمز وب توسط راکت آریان ۵ به فضا پرتاب می‌شود و عصر جدیدی را در علم ستاره‌شناسی آغاز می‌کند.

طراحی تلسکوپ

بزرگ‌ترین چالش طراحی تلسکوپ‌های فضایی، اندازه‌ی آن‌ها است. یک تلسکوپ فضایی، به وسیله‌ی راکت به فضا پرتاب می‌شود؛ بنابر این طراحان باید به گونه‌ای طراحی را انجام دهند که امکان جمع شدن و قرارگیری تلسکوپ در قسمت بالایی راکت وجود داشته باشد. همچنین این طراحی باید به گونه‌ای باشد که باز شدن آن در فضا به ساده‌ترین شکل ممکن انجام شود.

تلسکوپ فضایی جیمز وب، بسیار بزرگ است. آینه‌ی اصلی این تلسکوپ ۶.۵ متر قطر دارد و هیچ‌یک از تجهیزات فعلی توانایی گنجایش وسیله‌ای با این ابعاد را ندارند. به‌عنوان مثال، آینه‌ی اصلی تلسکوپ فضایی هابل ۲.۵ متر قطر دارد که فرآیند انتقال آن به فضا ساده‌تر انجام شد. ابعادی که برای تلسکوپ جیمز وب پیشنهاد شد، انتقال آن به فضا را غیرممکن می‌کرد؛ اما مهندسان و طراحان باید برای این مشکل چاره‌ای می‌اندیشیدند. آینه‌ی اصلی تلسکوپ هابل، به دلیل قطر کم، یک تکه و به شکل دایره‌ای بود؛ اما از آن‌جایی که آینه‌ی اصلی تلسکوپ جیمز وب ۶.۵ متر قطر دارد، نمی‌شد آن را یک تکه طراحی کرد.

به همین مظور، مهندسان آینه‌‌ی اصلی این تلسکوپ را سه قسمت کردند که به هنگام باز شدن، در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند و آینه‌ای واحد را تشکیل می‌دهند؛ اما این آینه‌ی واحد نمی‌توانست به هر شکلی باشد زیرا باعث ایجاد انحراف نوری می‌شود. وظیفه‌ی طراحی حالت آینه‌ها، بر عهده‌ی مهندسان اُپتیک قرار گرفت. طبق شبیه‌سازی‌های انجام شده، بهترین حالت برای آینه‌ها، این بود که آن‌ها را به صورت مجموعه‌‌ای از آینه‌های کوچک‌تر و شش ضلعی طراحی کنند. آینه‌ی اصلی تلسکوپ جیمز وب در مجموع از ۱۸ آینه‌ی کوچک‌تر شش ضلعی ساخته شده است که به صورت خاصی در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند و در مرکز این آینه نیز یک سوراخ قرار دارد.

این سوراخ که در مرکز آینه‌‌ی مرکزی قرار گرفته است، نقشی بسیار مهم را ایفا می‌کند. تلسکوپ جیمز وب، یک تلسکوپ کُرش (Korsch) است. کُرش، نوعی خاص از طراحی کاسگرین است. وقتی در یک تلسکوپ نیوتنی از آینه‌ی اصلی نسبتاً بزرگ استفاده می‌شود، یک ابیراهی نوری به وجود می‌آید که با نام کُما شناخته می‌شود. در این حالت، نقاط دورتر از محور اُپتیکی، به صورت قطره‌ی اشک دیده می‌شوند. در تلسکوپ‌های کاسگرین،  به شکل چشمگیری این مشکل کاهش می‌یابد. در این تلسکوپ‌ها، آینه‌ یا آینه‌های اصلی که مقعر هستند، نور را از آسمان دریافت می‌کنند و به سمت آینه‌ی ثانویه که دارای سطحی محدب و هذلولی است بازتاب می‌کنند. این نور سپس از آینه‌ی ثانویه بازتابیده می‌شود و به عدسی چشمی می‌رسد. در این تلسکوپ‌ها که به کاسگرین معروف هستند، ابیراهی کُما به شکل چشمگیری کاهش می‌یابد.

تلسکوپ جیمز وب نیز از نوع کاسگرین است و مرکز آینه‌ی اصلی آن سوراخ شده تا آینه‌ی ثانویه، نور بازتاب شده را به سمت چشمی که پشت سوراخ مرکزی قرار گرفته، ارسال کند. طراحی کاسگرین مزایای بسیاری دارد که از جمله‌ی آن می‌توان به جمع و جور بودن تلسکوپ‌هایی که از این طراحی استفاده می‌کنند اشاره کرد. در تلسکوپ‌های کاسگرین، فاصله‌ی کانونی زیاد است و اعوجاج تصویر نیز کاهش می‌یابد. تلسکوپ هابل نیز از این نوع طراحی استفاده می‌کند؛ در واقع، بسیاری از تلسکوپ‌های پژوهشی طراحی مشابهی دارند.

یکی دیگر از چالش‌های پیش‌ روی طراحان، سپر خورشیدی تلسکوپ بود. تلسکوپ جیمز وب می‌تواند نورهای فروسرخ و نزدیک به آن را رصد کند. به‌منظور دریافت و مشاهده‌ی این سیگنال‌های گرمایی، دمای تلسکوپ باید به شدت پایین باشد. برای محافظت از تلسکوپ در برابر منابع نور و گرما (مانند خورشید، زمین، ماه و بدنه‌ی خود رصدخانه)، مهندسان یک سپر خورشیدی ۵ لایه را طراحی کردند که به اندازه‌ی یک زمین تنیس است. این سپر خورشیدی، همچون یک چتر یا سایه‌بان عمل می‌کند تا مانع از رسیدن گرما و نور به تلسکوپ شود. این سپر، دارای طول ۲۱.۱۹۷ متر و عرض ۱۴.۶۲ متر است که بزرگی آن موجب پوشش کامل تلسکوپ می‌شود. این لایه باعث می‌شود که تلسکوپ به‌طور میانگین در محیطی با دمای ۲۲۳- سلسیوس قرار بگیرد.

نکته‌‌ی جالب در طراحی این سپر خورشیدی، چند لایه بودن آن است. دانشمندان می‌توانستند این سپر را به صورت یک لایه‌ی ضخیم تولید کنند؛ اما ۵ لایه بودن آن مزایایی دارد. در این سپر خورشیدی، هر لایه سردتر از لایه‌های بیرونی‌تر است. بین این لایه‌ها فضای خلأ وجود دارد که عایق بسیار مناسبی است؛ بنابر این گرما بین لایه‌ها پخش شده و خارج می‌شود. اگر سپر خورشیدی از یک لایه‌ی ضحیم ساخته شده بود، گرما از بالا تا پایین سپر را فرا می‌گرفت و خروج آن به سختی انجام می‌شد.

طراحی لایه‌های این سپر خورشیدی می‌توانست به هر شکلی باشد؛ اما مهندسان دریافتند که بهترین طراحی، طراحی کایت شکل است. این طراحی خاص و همچنین تعداد لایه‌های سپر خورشیدی، نقشی کلیدی را در تلسکوپ ایفا می‌کنند. فاصله‌ی این لایه‌های کایت شکل نیز با دقت و ظرافت بالایی تعیین شده است تا بهترین عملکرد را در زمینه‌ی خنک‌سازی داشته باشند. طراحی کایت شکل لایه‌ها باعث می‌شود که حرارت، به طرفین هدایت شود و بخش باقیمانده نیز به میان لایه‌ها منتقل می‌شود تا این‌که سرانجام از بین لایه‌ها نیز خارج می‌شود. این طراحی منحصربه‌فرد باعث می‌شود که گرمای باس‌های ماهواره‌ای فوراً توسط لایه‌ها انتقال یابد تا به تجهیزات نوری نرسد.

تجهیزات نصب شده روی تلسکوپ

تجهیزات اصلی نصب شده روی تلسکوپ، به صورت یکپارچه هستند و روی یک ماژول قرار گرفته‌اند. این ماژول که با نام «ماژول یکپارچه‌ی تجهیزات علمی» یا به‌اختصار ISIM شناخته می‌شود، در واقع یک ساختار داربست شکل یک‌تکه است که مهندسان به آن قلب تلسکوپ می‌گویند؛ زیرا تقریباً تمام ابزارهای علمی تلسکوپ، روی این شاسی نصب شده‌اند. ۴ عدد از ابزارهای علمی تلسکوپ، روی این ISIM نصب شده‌اند و به صورت یکپارچه کار می‌کنند. قرار دادن این تجهیزات روی یک شاسی، کاری بسیار دشوار است و مهندسان برای ساده کردن کار، ISIM را به سه ناحیه‌ی اصلی تقسیم کرده‌اند.

در ناحیه‌ی ۱، ابزار خنک‌سازی قرار گرفته است که وظیفه‌ی تنظیم دمای حسگرها را بر عهده دارد. این خنک‌سازها، باید همواره دمای حسگرها را روی ۳۹ درجه کلوین یا ۲۳۴- سلسیوس نگه دارند. انجام این کار بسیار ضروری است؛ زیرا خنک‌سازی باعث می‌شود که گرمای بدنه‌ی تلسکوپ با نور فروسرخی که حاصل از حرارت منابع کیهانی دوردست است، تداخل نداشته باشد. سیستم مدیریت دمای ISIM و قطعات نوری نیز باعث می‌شود که دما پایین‌تر آید تا حسگرها بیشتر خنک شوند.

در ناحیه ۲، محفظه‌ی تجهیزات الکترونیکی قرار گرفته است. این محفظه، بدنه‌ای برجسته دارد که قطعات الکترونیکی درون آن قرار گرفته‌اند. دمای این محفظه با دمای خارجی متفاوت بوده و محیطی مناسب برای تجهیزات الکترونیکی است. دمای کنترل شده‌ی این قسمت باعث می‌شود که تجهیزات الکترونیکی به بهترین شکل ممکن کار کنند و عمر مفید آن‌ها نیز افزایش یابد.

ناحیه‌ی سوم، در واقع در باس ماهواره‌ای قرار گرفته است. در این ناحیه، واحد فرمان و پردازش داده‌ی تلسکوپ قرار گرفته است؛ همچنین نرم‌افزار یکپارچه‌ی پرواز و تجهیزات الکترونیکی مربوط به کنترل نیز در این ناحیه قرار گرفته‌اند.

همان‌طوری که گفته شد، ۴ عدد از ابزارهای علمی تلسکوپ در این قسمت قرار گرفته‌اند که در ادامه به معرفی و بررسی آن‌ها می‌پردازیم.

دوربین رصد فروسرخ نزدیک یا NIRCam

NIRCam یک تصویربردار بسیار دقیق و پیشرفته است که توسط دانشگاه آریزونا طراحی شده و روی ماژول ISIM نصب می‌شود. این قطعه‌ی بسیار مهم، دو وظیفه‌ی اصلی دارد: نخست، باید از نورهای طیف ۰.۶ تا ۵ میکرون تصویربرداری کند و دوم، به‌عنوان یک حسگر هماهنگ کننده عمل کند تا بتواند هر ۱۸ آینه‌ را به گونه‌ای تنظیم کند که بتوانند به‌عنوان آینه‌ای واحد عمل کنند. NIRCam یک دوربین فروسرخ است که ۱۰ آرایه شناساگر جیوه-کادمیم-تلورید یا HgCdTe (یکی از آلیاژهای کادمیم تلورید است که در شناساگرهای سریع و حساس در سنسور فروسرخ به کار برده می‌شود) دارد و هر یک از این آرایه‌ها دارای رزولوشن ۲۰۴۸×۲۰۴۸ هستند و خود دوربین فروسرخ نیز دارای میدان دید ۲.۲×۲.۲ آرک دقیقه است که در طول موج ۲ میکرون، رزولوشن زاویه‌ای ۰.۰۷ آرک ثانیه دارد و به همین دلیل به‌عنوان برترین دوربین حال حاضر شناخته می‌شود.

در کنار NIRCam یک کرونوگراف (تصویربردار از تاج ستاره‌ای) نیز قرار گرفته است که به صورت یکپارچه با NIRCam کار می‌کند. کرونوگراف می‌تواند در جمع‌آوری داده‌های مربوط به سیاره‌های فراخورشیدی کمک شایانی کند و می‌تواند از هر چیزی که در نزدیکی جرمی بسیار نورانی قرار گرفته، تصویربرداری کند؛ زیرا می‌تواند نور اجرام را به‌طور کامل حذف کند تا اجرام اطراف آن‌ها مشخص شوند. دوربین NIRCam تنها در دمای ۲۳۶- کلوین کار می‌کند.

دوربین NIRCam می‌تواند طی یک تصویربرداری با نوردهی ۱۰۰۰۰ ثانیه‌ای (۲.۸ ساعت) از اجرامی با قدر ظاهری ۲۹+ با وضوح بالایی تصویربرداری کند. این دوربین می‌تواند هم‌زمان مشاهده و تصویربرداری کند و آینه‌ها را نیز کنترل کند. تمام مشاهدات این دوربین بین طول‌ موج‌های ۶۰۰ نانومتر تا ۵۰۰۰ نانومتر انجام می‌شوند. دقت حسگرهایی که آینه‌های تلسکوپ را هماهنگ می‌کنند، بسیار بالا است به گونه‌ای که می‌توانند آینه‌ها را به اندازه‌ی کمتر از ضحامت موی انسان، تکان دهند. به عبارت دیگر، دقت حرکت این حسگرها دست‌کم ۹۳ نانومتر است؛ اما در جریان آزمایش‌ها این دقت به ۵۲ و ۳۲ نانومتر نیز رسید که بسیار شگفت‌انگیز است.

حسگرهای NIRCam به‌طور کلی از قسمت‌های زیر تشکیل شده‌اند:

• حسگر جدا از هم هارتمَن (اندازه‌گیر جبهه موج)
• GRISM (ترکیب منشور و توری پراش)
• لنزهای ضعیف

بخش NIRCam نیز به‌طور جداگانه از قسمت‌های زیر تشکیل شده است:

• کِشنده آینه‌ها
• کرونوگراف
• نخستین آینه بازتابنده
• لنزهای کولیماتور (موازی کننده)
• تفکیک کننده پرتو دیوکروی
• چرخ‌های فیلترکننده طول موج بلند (فرکانس کم‌تر از ۳۰۰ کیلوهرتز)
• گروه لنزهای دوربین تصویربردار طول موج بلند
• صفحه کانونی طول موج بلند
• چرخ‌های فیلترکننده طول موج کوتاه
• گروه لنزهای دوربین تصویربردار طول موج کوتاه
• آینه بازتابنده طول موج‌های کوتاه
• لنز تصویربردار مردمکی
• صفحه کانونی طول موج کوتاه

دوربین NIRCam دارای دو سیستم نوری مجزا و کامل است که برای دقت در تصویربرداری استفاده می‌شوند. این دو سیستم می‌توانند به‌طور هم‌زمان با یکدیگر کار کنند و دو مسیر متفاوت از آسمان را مشاهده کنند. این دو بخش با نام بخش‌های A‌ و B شناخته می‌شوند. لنزهایی که در قسمت‌های داخلی این بخش‌ها به کار رفته‌اند، عدسی‌های نورشکن سه‌گانه هستند. این لنزها به ترتیب از لیتیم فلوراید، باریم فلوراید و سلنید روی ساخته شده‌اند. این سه لنز، موازی کننده هستند و بزرگ‌ترین آن‌ها دارای دیافراگم ۹۰ میلی‌متری است. NIRCam وظایف مهمی بر عهده دارد که برای علم بسیار با ارزش‌ هستند. این دوربین با کاوش در عالم اولیه، چگونگی شکل‌گیری و تکامل نخستین اجرام نورانی جهان را بررسی خواهد کرد تا تاریخ یونیزه شدن مجدد جهان را بازگو کند. این دوربین می‌تواند پیش‌بینی کند که کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی که به‌طور مستقیم می‌بینیم، در عالم امروزی چه شکلی دارند؛ زیرا آسمانی که ما می‌بینیم متعلق به زمان حال نیست، بلکه گذشته است. به‌عنوان مثال، اگر ستاره‌ای در آسمان می‌بینید که هزار سال نوری از زمین فاصله دارد، در واقع شما تصویری از هزار سال گذشته‌ی ستاره را می‌بینید؛ نه زمان حال! دوربین NIRCam می‌تواند با بررسی اجرام دور و نزدیک، شکل امروزی آن‌ها را به‌طور دقیق پیش‌بینی کند. یکی دیگر از وظایف مهم این دوربین، بررسی شرایط فیزیکی و شیمیایی اجرامی است که در منظومه‌ی شمسی قرار دارند. با این‌کار جیمز وب می‌تواند در زمینه‌ی فهم ریشه‌ی حیات زمینی به دانشمندان کمک کند.

طیف‌سنج فروسرخ نزدیک یا NIRSpec

NIRSpec یک طیف‌سنج چند جرمی است که توسط آژانس فضایی اروپا طراحی شده و روی ISIM نصب می‌شود. این طیف‌سنج پیشرفته می‌تواند به‌طور هم‌زمان طیف فروسرخ نزدیک ۱۰۰ جرم (مانند کهکشان‌ها، ستاره‌ها و…) را با رزولوشن پایین، متوسط و بالا اندازه‌گیری کند که چنین کاری بی‌سابقه است. میدان رصد این طیف‌سنج ۳ آرک دقیقه در ۳ آرک دقیقه است و طول موج‌های بین ۰.۶ میکرومتر تا ۵ میکرومتر را می‌بیند. این طیف‌سنج دارای یک سری گشادگی‌های منحصربه‌فرد است که می‌تواند از اجرام به صورت تک‌تک طیف‌نگاری کند. همچنین یک واحد میدان یکپارچه به نام IFU نیز دارد که برای طیف‌نگاری سه‌بعدی استفاده می‌شود. آژانس فضایی اروپا مسئول نصب این قطعه روی شاسی ISIM بوده است.

دانشمندان در نظر دارند که به کمک NIRSpec نخستین نور عالم و دوره‌ی یونیزه شدن مجدد را مشاهده کنند. بررسی چگونگی ساخته شدن کهکشان‌ها و تولد ستاره‌ها و منظومه‌های نیاسیاره‌ای نیز از جمله اهداف توسعه‌ی این قطعه است. دانشمندان می‌خواهند به کمک NIRSpec منظومه‌های سیاره‌ای را بررسی کنند تا شاید نشانه‌هایی از منشأ حیات بیابند.

طیف‌سنج NIRSpec فقط در دمای ۲۳۵- درجه‌ی سلسیوس کار می‌کند و وظیفه‌ی متعادل نگه داشتن این دما بر عهده‌ی خنک کننده‌های تلسکوپ است که روی ماژول ISIM نصب شده‌اند. پایه آینه‌های این قسمت و همچنین صفحه‌ی تجهیزات نوری، از سرامیک سیلیکون کرباید SIC100 ساخته شده است که برای نخستین‌بار در پروژه‌ی فضایی آریان به‌کار گرفته شد. دیسک ترمز خودروی مک‌لارن پی‌ ۱ نیز از جنس همین سرامیک است که تا پیش از آن استفاده در خودروها سابقه نداشته است. طیف‌سنج NIRSpec دارای طول ۱۹۰۰ میلی‌متری، عرض ۱۴۰۰ میلی‌متری و ارتفاع ۷۰۰ میلی‌متری است؛ وزن این مجموعه نیز ۱۹۶ کیلوگرم است که از این مقدار، ۱۰۰ کیلوگرم فقط سیلیکون کرباید است. چهار جعبه‌ی الکترونیکی وظیفه‌ی کنترل این طیف‌سنج را بر عهده دارند.

طیف‌سنج NIRSpec چهار سازوکار اصلی دارد که عبارتند از:

• چرخ فیلتر کننده‌ی طیف
• مکانیزم فوکوس مجدد روی سوژه (RMA) که دو آینه دارد
• تجهیزات میکروشاتر (MSA) که برای طیف‌سنجی چند جرمی به کار می‌رود
• چرخ توری پراش (GWA) که دارای ۸ موقعیت است. همچنین ۶ توری پراش، یک منشور و یک آینه نیز در این قسمت واقع شده‌اند.

همان‌طوری که گفته شد، این طیف‌سنج وظیفه دارد که نخستین‌ نور جهان پس از پایان دوره‌ی تاریکی و همچنین دوره‌ی یونیزه شدن مجدد را مشاهده کند. طیف‌سنج نزدیک به فروسرخ NIRS در رزولوشن طیفی بین ۱۰۰ و ۱۰۰۰ به بررسی نخستین منابع نوری در عالم (مانند ستاره‌ها، کهکشان‌ها و سحابی‌های فعال) می‌پردازد. این نورها، نشان دهنده‌ی آغاز دوره‌ی یونیزه شدن مجدد جهان هستند. به کمک طیف‌سنج چند جرمی (اجرامی با انقال به سرخ بین ۱ تا ۷) در رزولوشن طیفی ۱۰۰۰، رصدهایی از تعداد زیادی کهکشان انجام می‌شود تا بتواند اطلاعات بیشتری را از اجرام کوچک‌تر در عالم اولیه، در اختیار دانشمندان بگذارد.

یکی از طیف‌نگارهای NIRSpec، با کنتراست بالا تصویربرداری می‌کند و می‌تواند با رزولوشن طیفی ۱۰۰ تا چند هزار، به رصد اجرام بپردازد تا بتواند تصویر کامل و دقیقی از شکل‌گیری و تکامل ستاره‌ها و منظومه‌های ستاره‌ای به دانشمندان ارائه دهد. از دیگر وظایف این طیف‌نگار، بررسی اجرام منظومه‌ی شمسی در کنتراست بالا و رزولوشن طیفی متوسط است. سیاره‌ها، قمرها، دنباله‌دارها و اجرام کمربند سیارکی کویپر توسط این طیف‌نگار بررسی می‌شوند تا دانشمندان بتوانند در مورد ریشه‌های حیات اطلاعات بیشتری به دست آورند.

ادوات طیف‌سنج فروسرخ میانه یا MIRI

MIRI ‌یک طیف‌سنج فوق پیشرفته است که به صورت مشترک توسط آژانس فضایی اروپا و آزمایشگاه پیش‌رانش جت ناسا طراحی شده است. MIRI در واقع از یک دوربین و یک طیف‌سنج که فروسرخ میانه را بین ۵ میکرون تا ۲۸ میکرون رصد می‌کند، تشکیل شده است. MIRI‌ یک کرونوگراف نیز دارد که به صورت ویژه برای مشاهده‌ی سیاره‌های فراخورشیدی به‌کار می‌رود. بیشتر تجهیزات تلسکوپ جیمز وب، طیف‌های فروسرخ نزدیک یا برخی از طول موج‌های نور مرئی را مشاهده می‌کنند؛ اما MIRI می‌تواند طول موج‌های بلندتر نور را مشاهده کند و سایر تجهیزات نمی‌توانند این کار را انجام دهند. MIRI‌ برای انجام رصد در طول موج‌های بلند، از آرایه‌هایی سیلیکونی که توسط آرسنیک آلاییده شده‌اند، استفاده می‌کند. تصویربردار MIRI به گونه‌ای طراحی شده تا میدان دید وسیعی داشته باشد؛ اما طیف‌نگار MIRI این‌گونه نیست و میدان دید محدودی دارد.

از آن‌جایی که MIRI طول موج‌های بلندتری را مشاهده می‌کند؛ بنابر این نیاز دارد که خنک‌تر از سایر تجهیزات باشد. به همین منظور، مهندسان برای این قسمت یک سیستم خنک کننده‌ی ویژه را در نظر گرفته‌اند که شامل یک لوله پالسی پیش خنک‌کننده و یک حلقه ژول-تامسون به‌عنوان مبدل حرارتی است. این تجهیزات باعث می‌شوند که دمای MIRI به هنگام کار در فضا تا ۷ درجه‌ی کلوین یا ۲۶۶- درجه‌ی سلسیوس پایین بیاید.

در واقع طیف‌نگار نصب شده در MIRI می‌تواند طول موج‌های بین ۴.۶ و ۲۸.۶ میکرون را رصد کند و چهار کانال مجزا دارد و هر کدام از این کانال‌ها، توری پراش و ابزار برش تصویر مخصوص خود را دارند. میدان دید این طیف‌نگار ۳.۵ آرک ثانیه در ۳.۵ آرک ثانیه است. اوایل سال ۲۰۱۴ میلادی بود که ادوات MIRI‌ روی ماژول ISIM نصب شدند و یکپارچگی آن‌ها نیز آزمایش شد. MIRI توسط یک ساختار هگزاپاد پلاستیکی و پایه‌هایی از جنس فیبرکربن روی ISIM و در کنار باس‌های ماهواره‌ای نصب شده است؛ اما ایزوله شده تا دمای مشخص و ثابتی داشته باشد و از دمای محیط اطراف و باس‌هایی که به شدت گرم می‌شوند، تأثیر نپذیرد.

بخش‌های اصلی MIRI عبارتند از:

• تجهیزات نوری طیف‌نگار (شامل طیف‌نگارهای اصلی و پیش‌نیاز)
• آرایه‌های صفحات کانونی
• ماژول کالیبراسیون نورهای ورودی (شامل آینه‌ها، منبع کالیبراسیون تصویربردار و پوشش کنترل آلودگی)
• هگزاپاد پلاستیکی و پایه‌های فیبرکربن
• تصویربردار اصلی
• ابزارهای برش تصویر
• صفحه اصلی که تجهیزات روی آن قرار دارند

بیشتر قسمت‌های MIRI در ساختار اصلی ISIM قرار گرفته‌اند؛ اما خنک‌کننده در ناحیه‌ی ۳ قرار گرفته که در نزدیکی باس‌های ماهواره‌ای است. تصویربردار اصلی MIRI یک طیف‌نگار ویژه با رزولوشن پایین داردکه می‌تواند طیف‌سنجی بدون برش را بین طول موج‌های ۵ تا ۱۲ میکرون انجام دهد. جنس منشورهای این طیف‌نگار از فلز ژرمانیم و سولفید روی است تا باعث پاشش بیشتر نور شود.

حسگرهای شناسایی MIRI می‌توانند انتقال به سرخ کهکشان‌های دوردست، ستاره‌های تازه متولد شده، دنباله‌دارهای کم‌نور و اجرام موجود در کمربند سیارکی کویپر را مشاهده کنند. طیف‌نگار می‌تواند با رزولوشن متوسط نیز تصویربرداری کند که اطلاعات تازه‌ای از اجرام دوردست را در اختیار دانشمندان می‌گذارد؛ اطلاعاتی که هابل قادر به جمع‌آوری آن‌ها نیست.

حسگر هدایت کامل / تصویربردار فروسرخ نزدیک و طیف‌سنج بی‌لغزش (FGS/NIRISS)

FGS/NIRISS یکی دیگر از ابزارهای علمی نصب شده روی ماژول ISIM است که توسط آژانس فضایی کانادا طراحی و توسعه داده شده است. این ادوات در واقع ترکیبی از یک حسگر هدایت کامل و یک تصویربردار و طیف‌سنج فروسرخ نزدیک است. FGS/NIRISS می‌تواند طول موج‌های بین ۰.۸ تا ۵ میکرون را مشاهده کند. این ادوات می‌تواند رصدها را با چهار حالت متفاوت انجام دهد. از نظر فیزیکی، FGS و NIRISS با یکدیگر ترکیب شده‌اند و در یک محفظه قرار گرفته‌اند؛ اما واقعیت این است که آن‌ها دو کار کاملاً متفاوت را انجام می‌دهند. NIRISS از FGS استفاده می‌کند تا تلسکوپ را روی سوژه‌ی مورد نظر ثابت نگه دارد و رصدها را انجام دهد و به همین دلیل است که به آن FGS یا حسگر هدایت کامل می‌گویند. طیف‌سنج فروسرخ نزدیک دارای یک حالت طیف‌نگاری ویژه است که فقط برای رصد سیاره‌های فراخورشیدی استفاده می‌شود. شناساگر NIRISS دارای آرایه شناساگری از جنس جیوه-کادمیم-تلورید یا HgCdTe است و رزولوشنی برابر با ۲۰۴۸×۲۰۴۸ پیکسل و میدان دید ۲.۲ آرک دقیقه در ۲.۲ آرک دقیقه دارد. حسگر هدایت دقیق کمک می‌کند تا تلسکوپ روی سوژه‌ی مورد نظر ثابت بماند؛ همچنین FGS داده‌های لازم را به واحد کنترل حالت ارسال می‌کند تا خیلی راحت تلسکوپ روی سوژه‌ها فوکوس کند و یا به اطراف چرخش کند.

به‌طور کلی، NIRISS طراحی شده تا کارهای زیر را انجام دهد:

• تصویربرداری فروسرخ نزدیک
• طیف‌نگاری بی‌لغزش با میدان عریض
• طیف‌نگاری بی‌لغزش از یک جرم خاص
• تداخل‌سنجی پوششی دهانه‌ای

حالت تداخل‌سنجی پوششی دهانه‌ای از یک صفحه‌ی پوششی دهانه‌ای ۷ سوراخه استفاده می‌کند که می‌تواند به شناسایی سیاره‌هایی فراخورشیدی که در طیف‌های اصلی نور هستند و در اطراف ستاره‌های شناخته شده گردش می‌کنند، کمک کند. واحد FGS ‌به گونه‌ای طراحی شده تا بتواند تلسکوپ را روی ستاره‌های از پیش تعیین شده متمرکز کند که همین موضوع باعث می‌شود اهداف، همواره ارزش مطالعه کردن را داشته باشند. عمل تغییر جهت تلسکوپ توسط دیگر قسمت‌ها، مانند سیستم‌های موجود در باس‌های ماهواره‌ای و آینه‌های تلسکوپ انجام می‌شود.

باس‌های ماهواره‌ای

باس‌های ماهواره‌ای، آخرین قطعاتی بودند که روی تلسکوپ نصب شدند. همان‌طوری که پیش‌تر نیز گفته شد، بخشی از ناحیه ۳ ماژول ISIM نیز درون باس‌های ماهواره‌ای قرار گرفته است. باس‌های ماهواره‌ای تلسکوپ جیمز وب شامل کامپیوترها، سیستم‌های قدرت، نیرومحرکه و… می‌شوند که برای کنترل تلسکوپ در فضا مورد نیاز هستند. ساختار باس ماهواره‌ای این تلسکوپ ۳۵۰ کیلوگرم وزن دارد و می‌تواند وزن ۶.۵ تُنی تلسکوپ را تحمل کند. ساختار باس ماهواره‌ای، از کامپوزیت گرافیت ساخته شده است که در سال ۲۰۱۵ و در ایالت کالیفرنیا، سرهم شد. باس ماهواره‌ای می‌تواند دقت تنظیم جهت را تا ۱ آرک ثانیه کاهش دهد و لرزش را نیز تا ۲ میلی آرک ثانیه پایین آورد.

باس‌های ماهواره‌ای در قسمت گرم‌تر تلسکوپ که روبه خورشید است قرار گرفته‌اند و در دمای ۲۷ درجه‌ی سلسیوس کار می‌کنند. هر تجهیزاتی که در سمت گرم‌تر تلسکوپ قرار گرفته، باید توانایی تحمل تابش دائمی خورشید و همچنین هاله‌ای از گرما که توسط سپر خورشیدی تلسکوپ تولید می‌شود را داشته باشد. یکی از قسمت‌های اصلی باس ماهواره‌ای تلسکوپ، واحد محاسبه‌گر مرکزی، حافظه و تجهیزات ارتباطی است. پردازنده و نرم‌افزار تلسکوپ، می‌توانند داده‌ها را مستقیماً به تجهیزات ارسال و ا آن‌ها دریافت کرده و به واحد حافظه جامد ارسال کنند. سپس سیستم‌های ارتباطی و رادیویی، می‌توانند داده‌ها را به زمین ارسال کرده یا دریافت کنند. رایانه مرکزی، وظیفه‌ی کنترل موقعیت‌یابی لحظه‌ای تلسکوپ را نیز بر عهده دارد و داده‌ها را از ژیروسکوپ‌ها دریافت می‌کند و اطلاعات ضروری را به پیشرانه‌ها و چرخ‌ها ارسال می‌کند.

باس ماهواره‌ای به همراه یک سری تجهیزات مهم دیگر، درون یک جعبه از جنس فیبر کربن قرار گرفته است. پیش از پرتاب، پنل‌های خورشیدی نیز در این جعبه قرار می‌گیرند تا در فضا باز شوند. خنک کننده‌ی MIRI ‌و برخی از تجهیزات الکترونیکی ISIM نیز درون این جعبه قرار دارند. همان‌طوری که گفته شد، در قسمت پردازش رایانه‌ای، یک حافظه‌ی جامد قرار دارد. ظرفیت این حافظه، ۵۹.۹ گیگابایت است که با نام SSR شناخته می‌شود. یک دیش ماهواره‌ای کوچک نیز در زیر باس قرار گرفته است که وظیفه‌ی ارسال و دریافت اطلاعات را بر عهده دارد. تلسکوپ به گونه‌ای طراحی شده تا بتواند با شبکه‌ی ارتباطی اعماق فضای ناسا ارتباط برقرار کند. مرکز اصلی ارتباطات تلسکوپ، در مریلند آمریکا واقع شده است.

آینه‌های تلسکوپ

نخستین چیزی که باید بدانید این است که آینه‌های تلسکوپ، بزرگ‌تر از چیزی هستند که به نظر می‌رسند. ۱۸ آینه‌ی شش ضلعی برای تشکیل آینه‌ی اصلی استفاده شده است که هرکدام از آن‌ها ۱.۳۲ متر قطر دارند. این آینه‌ها پیش از پرتاب جمع می‌شوند تا درون راکت قرار گیرند. پس از پرتاب و قرارگیری در فضا، باز می‌شوند و یک آینه‌ی واحد را تشکیل می‌دهند. الگوی قرارگیری این آینه‌ها در کنار یکدیگر، از ساختار کندوی عسل الهام گرفته شده است. آینه‌ی اصلی این تلسکوپ ۶.۵ متر قطر دارد که ۷ برابر بزرگ‌تر از آینه‌ی اصلی تلسکوپ هابل است. تلسکوپ جیمز وب قرار است که در فاصله‌ی ۱.۵ میلیون کیلومتری از زمین قرار بگیرد و به دور خورشید گردش کند.

آینه‌های تلسکوپ جیمز وب بسیار خاص هستند. آن‌ها طلایی هستند و شاید با خود فکر کنید که کاملاً از طلا ساخته شده‌اند؛ اما شما کاملاً در اشتباه هستید! طلا به همراه نقره و مس، از رساناترین مواد هستند که باعث افزایش دمای تلسکوپ می‌شوند؛ بنابر این باید این ۱۸ آینه از ماده‌ای ساخته شوند که کم‌ترین تغییر دما در آن‌ها رخ دهد. این آینه‌ها به‌طور کامل از طلا ساخته نشده‌اند؛ بلکه این بریلیم است که درصد بالایی از مواد این آینه‌ها را تشکیل داده است. هر آینه، یک شمش بریلیم (شمش‌های بریلیم به شکل استوانه‌ای تولید می‌شوند) بوده است که به وسیله‌ی تجهیزات خاص، در اندازه‌های مناسب و به شکل شش ضلعی برش خورده‌اند. هر شمش بریلیم ۲۵۰ کیلوگرم وزن دارد؛ اما پس از برش و تغییر شکل، این وزن به ۲۱ کیلوگرم کاهش یافت. به‌طور کلی، تلسکوپ جیمز وب بسیار سبک‌تر از هابل است (۴۵ درصد سبک‌تر است).

این آینه‌ها باید در مرحله‌ی اول، به‌خوبی طی سطوح و مراحل مختلفی پولیش داده شوند؛ زیرا گرانش زمین باعث خمیدگی آن‌ها می‌شود و در دماهای مختلف، عملکرد متفاوتی دارند. ابتدا باید یک مرحله پولیش انجام شود، سپس آینه‌ها به اتاق فریزر فرستاده شوند و مدتی را در آن‌جا بمانند و مجدداً بیرون بیایند و پولیش داده شوند. باید به هنگام قرارگیری در دماهای پایین، سطح آینه‌ها همچنان براق بماند تا نهایت کارایی را داشته باشند؛ بنابر این باید آینه‌ها بارها و در دماهای مختلف پولیش بخورند تا به براقی قابل قبولی دست یابند و بتوانند در دمای پایین فضا، همچان حالت اولیه‌ی خود را حفظ کنند. وقتی که بریلیم به‌طور کامل پولیش خورد و براق شد، آن‌گاه باید پوشش طلا به آن اضافه شود.

دلیل استفاده از طلا، درصد بالای بازتابندگی آن است و می‌تواند وقتی که تلسکوپ در نور فروسرخ است، نهایت بازتابندگی را داشته باشد. این پوشش طلا، باید به اندازه‌ای ضخامت داشته باشد که بتواند تمام سطح آینه را پوشش دهد؛ اما در عین حال باید به اندازه‌ای نازک باشد که به آینه‌های بریلیمی اصلی، آسیبی وارد نکند. فرآیند قرار دادن پوشش طلا روی آینه‌ها، با نام «انجام پوشش بخاری در خلأ» شناخته می‌شود. طی این فرآیند، آینه‌ها را در یک محفظه‌ی خلأ قرار می‌دهند و سپس تمام هوای موجود در محفظه را تخلیه می‌کنند تا فضای خلأ ایجاد شود. سپس مقدار بسیار اندکی از طلا را در شرایط خاصی تبخیر کرده و آن را به دورن محفظه تزریق می‌کنند. لایه‌های پشتی آینه که قرار نیست توسط طلا پوشش داده شوند، توسط لایه‌هایی محافظت می‌شوند تا آسیبی نبینند. پس از تزریق طلای تبخیر شده به درون محفظه، اتم‌های طلا به آرامی روی سطح‌های براق آینه‌های بریلیمی می‌نشینند و این فرآیند تا زمانی ادامه می‌یابد که ضحامت لایه پوششی طلا، به ۱۰۰ نانومتر برسد.

طلا بسیار نرم و انعطاف پذیر است و یک لایه پوششی بسیار نازک از آن، همچون شیشه شفاف عمل می‌کند تا از سطح بسیار ظریف بریلیمی محافظت کند و سطحی به شدت بازتابنده را فراهم آورد.

پرتاب تلسکوپ

همان‌طوری که در ابتدای مطلب نیز گفته شد، پرتاب این تلسکوپ تا کنون ۱۰ بار به تعویق افتاده و تاریخ نهایی پرتاب، اوایل سال ۲۰۱۹ بین ماه‌های مارس تا ژوئن اعلام شده است. تلسکوپ فضایی جیمز وب بسیار حساس است و باید به وسیله‌ی راکتی قابل اعتماد به فضا پرتاب شود. آژانس فضایی اروپا اعلام کرد که هزینه‌ی پرتاب این تلسکوپ را بر عهده می‌گیرد و آن را به وسیله‌ی راکت آریان ۵ به فضا پرتاب می‌کند. آریان ۵، یکی از موفق‌ترین و قابل اعتمادترین راکت‌های حال حاضر جهان است و شرکت‌های مختلف از آن برای انتقال محموله‌های فضایی خود به مدار زمین استفاده می‌کنند. ناسا نیز پذیرفته است که تلسکوپ فضایی جیمز وب را به وسیله‌ی این راکت و از ایستگاه گویان فرانسه به فضا پرتاب کند.

آریان ۵ تا به امروز ۸۰ پرتاب موفق داشته است و گزینه‌ای مناسب و ایمن برای پرتاب جیمز وب به‌شمار می‌رود. سکوی پرتابی که ناسا اجرا کرده، ELA-3 است. این سکوی پرتاب در گویان فرانسه (واقع در آمریکای جنوبی) قرار گرفته و به خط استوا نزدیک است که مزایایی دارد. در نزدیکی استوا، چرخش زمین می‌تواند نیروی پیش‌برنده‌ی بیشتری را ایجاد کند و راکت سریع‌تر و راحت‌تر به فضا پرتاب شود. سرعت چرخش زمین در خط استوا، ۱۶۷۰ کیلومتر بر ساعت است.

برای آن‌که تلسکوپ بتواند در قسمت بالایی راکت جای بگیرد، باید جمع شود. در تصویر زیر می‌توانید چگونگی قرار گرفتن تلسکوپ در قسمت بالایی راکت را مشاهده کنید.

پس از پرتاب و خارج شدن از زمین، تلسکوپ یک سفر ۳۰ روزه را آغاز می‌کند تا به فاصله‌ی ۱.۵ میلیون کیلومتری زمین برسد. این نقطه، به نقطه‌ی لانگرانژی L2 معروف است. نقاط لانگرانژی، پنج نقطه بین دو جرم هستند که در این نقاط، نیروی جاذبه میان دو جرم خنثی می‌شود. زمین و خورشید نیز ۵ نقطه لانگرانژی دارند که ماهواره‌ها و تلسکوپ‌های فضایی را در این نقاط قرار می‌دهند. نقطه لانگرانژی L2 یک ویژگی جالب دارد. اگر هر جرمی در این نقطه قرار بگیرد، با زمین در راستا خواهد بود و به همراه زمین، به دور خورشید گردش می‌کند. قرار گرفتن جیمز وب در این نقطه، باعث می‌شود که سپر خورشیدی بتواند گرما و نور خورشید، زمین و ماه را به راحتی دفع کند و از نظر موقعیت آن‌ها، مشکلی نخواهد داشت.

گرانش خورشید و زمین در نقطه‌ی L2 خنثی می‌شود؛ بنابر این حتی اگر تلسکوپ نیروی پیشرانش اندکی نیز داشته باشد، می‌تواند همواره خود را در این نقطه حفظ کرده و به همراه زمین به دور خورشید گردش کند. نکته جالب این است که تلسکوپ جیمز وب، حول نقطه‌ی L2 در یک مدار خاص گردش خواهد کرد و یک‌جا ثابت نمی‌ماند. مداری که جیمز وب در آن قرار می‌گیرد و به دور L2 گردش می‌کند، به اندازه‌ی مدار ماه به دور زمین است! گردش در این مدار باعث می‌شود که تلسکوپ دائماً از سایه زمین و ماه به دور باشد.

از نظر ارتباطی نیز قرارگیری در نقطه L2 مزایایی دارد. از آن‌جایی که تلسکوپ هم‌زمان با زمین به دور خورشید گردش می‌کند؛ ارتباط با آن ساده خواهد بود و هیچ‌گاه از نقطه راداری خارج نمی‌شود. سه آنتن زمینی در استرالیا، کالیفرنیا و اسپانیا هستند که با جیمز وب ارتباط برقرار می‌کنند. تلسکوپ هابل این چنین نیست و هر ۹۰ دقیقه یک‌بار، در قسمت سایه زمین قرار می‌گیرد و امکان ارتباط با آن به صورت دائمی وجود ندارد؛ اما تلسکوپ جیمز وب همواره در دسترس است. جدول زمانی رویدادهای پس از پرتاب به شرح زیر است.

نخستین ساعت

در این لحظه، عملیات پرتاب انجام شده است و راکت آریان ۵ به مدت ۸ دقیقه می‌تواند نیروی پیشرانش ایجاد کند تا تلسکوپ وارد مدار شود. پس از خارج شدن از زمین، سیستم‌های باقیمانده‌ی راکت از تلسکوپ جدا می‌شوند و پنل‌های خورشیدی به آهستگی باز می‌شوند.

نخستین روز

دو ساعت پس از پرواز، آنتن بزرگ تلسکوپ جهت برقراری ارتباط باز می‌شود و با زمین ارتباط برقرار می‌کند. حدود ۱۰ ساعت و ۳۰ دقیقه پس از پرتاب، تلسکوپ از مدار ماه عبور می‌کند و یک چهارم مسیر خود تا نقطه‌ی L2 را می‌پیماید. ۱۲ ساعت پس از پرتاب، راکت‌های کوچکی که روی تلسکوپ هستند فعال می‌شوند تا یک مانور سریع انجام دهند تا تلسکوپ در مسیر درست قرار بگیرد.

نخستین هفته

۲.۵ روز پس از پرتاب، راکت‌ها مجدداً فعال می‌شوند تا یک مانور دیگر را انجام دهند. پس از انجام این کار، نخستین تجهیزات تلسکوپ باز خواهند شد. سپرهای خورشیدی زیرین از جمله نخستین تجهیزاتی هستند که باز می‌شوند و برخی از سیستم‌های دیگر را نیز فعال و باز می‌کنند. پس از این‌ها، نوبت به ساختار اصلی تلسکوپ می‌رسد تا باز شود. در این لحظه، باس‌ها و تلسکوپ در کنار یکدیگر هستند؛ اما به هنگام باز شدن، ۲ متر از یکدیگر فاصله خواهند داشت. پس از این، فرآیند باز شدن آخرین لایه از سپر خورشیدی آغاز خواهد شد. روز ششم، پس از باز شدن آینه‌های اصلی، دومین آینه نیز باز می‌شود.

نخستین ماه

به دلیل باز بودن سپر خورشیدی، دمای تلسکوپ کاهش می‌یابد. در این لحظه، تجهیزات الکترونیکی روشن می‌شوند و نرم‌افزار پرواز نیز بازگذاری می‌شود. اواخر ماه اول، یک تصحیح‌سازی مسیر انجام می‌شود تا دانشمندان مطمئن شوند تلسکوپ به مدار اطراف نقطه‌ی L2 نزدیک شده است. در این لحظه دمای تلسکوپ به پایین‌ترین حد ممکن می‌رسد تا سیستم‌ها بتوانند به درستی کار کنند. ماژول ISIM نیز در این لحظه به دلیل گرمای الکتریکی، گرم شده است.

دومین ماه

۳۳ روز پس از پرتاب، حسگر هدایت کامل یا همان FGS فعال می‌شود و پس از آن نیز NIRCam و NIRSpec فعال می‌شوند. نخستین تصویری که NIRCam ثبت می‌کند باید از ستاره‌های بسیار درخشان باشد تا دانشمندان مطمئن شوند نور به درستی از تلسکوپ عبور می‌کند و به ادوات می‌رسد. از آن‌جایی که هنوز آینه‌های اصلی با یکدیگر تراز نیستند؛ بنابر این این تصویر فوکوس نخواهد داشت و تار است. ۴۴ روز پس از پرتاب، فرآیند تراز کردن آینه اصلی آغاز می‌شود و به وسیله‌ی ثبت یک تصویر از ستاره‌ای نورانی، آن را آزمایش می‌کنند.

سومین ماه

بین ۶۰ تا ۹۰ روز پس از پرتاب، آینه اصلی تراز شده و به صورت یک آینه‌ی واحد درآمده است. در این لحظه، MIRI نیز روشن و فعال می‌شود. اواخر سومین ماه، دانشمندان می‌توانند نخستین تصویر با کیفیت و علمی را از اجرام آسمانی ثبت کنند. در همین زمان، جیمز وب نخستین گردش خود به دور مدار L2 را کامل می‌کند.

ماه‌های چهارم، پنجم و ششم

اکنون بیش از ۸۵ روز از پرتاب می‌گذرد و فرآیند باز شدن و بهینه‌سازی تلسکوپ کامل شده است و نخستین تصویر با کیفیت با NIRCam ثبت خواهد شد. یک ماه و نیم بعد، با سایر تجهیزات نیز تصویربرداری می‌شود تا بهینه شوند. با مشاهده‌ی اهداف از پیش تعیین شده، تجهیزات به مرور زمان کالیبره خواهند شد.

پس از شش ماه

مأموریت تلسکوپ جیمز وب اکنون رسماً آغاز می‌شود تا کارهای لازم علمی انجام شوند و عصر جدیدی در علم ستاره‌شناسی آغاز شود.

اهداف جیمز وب

همان‌طوری که گفته شد، جیمز وب قرار است که جانشین هابل شود؛ بنابر این هر آن‌چه تا به امروز از هابل دیده‌اید، باید از جیمز وب نیز انتظار داشته باشید به علاوه‌ی موارد بی‌شمار دیگر. جیمز وب تلسکوپی بسیار قدرتمند است که می‌تواند نورهای عالم اولیه را رصد کند و به ما در فهم این دوره‌ی مهم کمک شایانی کند. دانشمندان در حال حاضر اهدافی را برای جیمز وب تعیین کرده‌اند که بر سایرین اولویت دارند. این اهداف عبارتند از: سیاره‌های فراخورشیدی، سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم، نیاکهکشان‌ها (کهکشان‌هایی قدیمی که کهکشان‌های جدیدتر را به وجود آورده‌اند)، اختروش‌ها، سیاره‌های زمین‌سان دارای آب، عالم نخستین و دوره‌ی یونیزه شدن مجدد جهان، مشتری و قمرهای مهم آن، دنباله‌دارها، سیاره‌های فراکهکشانی و اجرام کمربند کویپر.

یکی از اهدافی که دانشمندان قصد دارند در اولین اقدام مشاهده کنند، منظومه‌ی TRAPPIST-1 است. این منظومه دارای چندین سیاره‌ی زمین‌سان است و تلسکوپ جیمز وب می‌تواند به وضوح آن را مشاهده کرده و اطلاعات مفیدی را در اختیار دانشمندان بگذارد. این منظومه اهمیت ویژه‌ای دارد؛ حتی اگر هیچ یک از سیاره‌های آن قابل سکونت نباشند، دانشمندان می‌توانند اطلاعات ارزنده‌ای از آن‌ها به دست آورند که به ما در یافتن سیاره‌های دیگر کمک خواهند کرد.

بررسی سیاره‌های منظومه‌ی شمسی نیز در دستور کار دانشمندان قرار دارد. دانشمندان می‌توانند با بررسی این سیاره‌ها، احتمالاً به اطلاعات ارزنده‌ای در خصوص منشأ حیات دست یابند. جیمز وب در نور فروسرخ نیز رصد را انجام می‌دهد؛ بنابر این باید انتظار داشته باشیم که سیاره‌های فراخورشیدی و فراکهکشانی جدیدی را کشف کند. به دلیل قدرت بالا و بزرگ بودن آینه‌ی اصلی تلسکوپ، طی چند سال آینده شاهد انتشار تصاویر بی‌نظیری از کهکشان‌ها و اجرام سماوی خواهیم بود که نظیر آن‌ها را تا به امروز مشاهده نکرده‌ایم.

جمع‌بندی

تلسکوپ فضایی جیمز وب، قدرت‌مندترین تلسکوپ فضایی ساخته‌ی دست بشر خواهد بود. ناسا، آژانس فضایی اروپا، آژانس فضایی کانادا و تعدادی از دانشگاه‌های ایالتی آمریکا، در توسعه‌ی این پروژه نقش داشته‌اند و تلاش‌های بی‌شماری برای پیشرفت آن انجام داده‌اند و هزینه‌های بسیاری را متحمل شده‌اند. این تلسکوپ تجهیزات پیشرفته‌ای دارد از NIRCam و NIRSpec گرفته تا باس‌های ماهواره‌ای و سپر خورشیدی؛ همگی از جمله‌ی این تجهیزات هستند. بیش از ۸.۸ میلیارد دلار برای این پروژه هزینه شده است که مبلغ هنگفتی است. ناسا در مورد این تلسکوپ جای هیچ اشتباهی ندارد و باید به طرز شگفت‌انگیزی خطا را به صفر برساند؛ زیرا در صورت وقوع یک اشتباه بسیار ناچیز، امکان جبران وجود نخواهد داشت.

وقتی که تلسکوپ هابل به فضا پرتاب شد و نخستین تصویر را ثبت کرد، آن تصویر بسیار تار بود و تلسکوپ نمی‌توانست روی سوژه فوکوس کند؛ بنابر این ناسا فضانوردانی را به فضا فرستاد تا تلسکوپ را تعمیر کنند؛ اما جیمز وب تفاوت دارد. این تلسکوپ در فاصله‌ی ۱.۵ میلیون کیلومتری از زمین قرار می‌گیرد و امکان ارسال فضانورد به آن‌جا وجود ندارد. اگر اشتباهی مشابه هابل رخ دهد، تلسکوپ برای همیشه از دست خواهد رفت. با توجه به این موضوع، ناسا و مهندسانی که در توسعه‌ی این پروژه نقش داشته‌اند، باید در چند ماهی که به پرتاب باقی مانده، نهایت دقت خود را به‌کار ببرند تا هیچ اشتباهی رخ ندهد.

به‌طور کلی، این تلسکوپ می‌تواند علم ستاره‌شناسی را دگرگون کند و عصر جدیدی در این علم آغاز کرده و شناخت ما از کیهان را افزایش دهد. با مشاهده‌ی کهکشان‌های عالم اولیه و نخستین نورها، به ما بگوید که منشأ وجود ما کجاست و سیاره‌ها چگونه طی این مدت شکل گرفته‌اند. می‌تواند به ما در یافتن سیاره‌های فراخورشیدی که امکان زندگی در آن‌ها وجود دارد کمک کند و شاید منشأ حیات زمینی را نیز مشخص کند.