دوربینی را تصور کنید که آنقدر قدرتمند باشد که بتواند نور کهکشان‌هایی را که بیش از ۱۳ میلیارد سال پیش شکل گرفته‌اند، ببیند. این دقیقاً همان کاری است که تلسکوپ فضایی جیمز وب ناسا برای انجام آن ساخته شده است.
از زمان پرتاب در دسامبر ۲۰۲۱، جیمز وب در فاصله بیش از یک میلیون مایلی از زمین در حال چرخش بوده و تصاویر نفس‌گیری از اعماق فضا ثبت کرده است. اما واقعاً چگونه کار می‌کند؟ و چگونه می‌تواند تا این حد ببیند؟ راز این موضوع در دوربین‌های قدرتمند آن نهفته است - به خصوص دوربین‌هایی که نور را مانند چشمان ما نمی‌بینند.
وقتی وب از یک کهکشان دوردست عکس می‌گیرد، ستاره‌شناسان در واقع می‌بینند که آن کهکشان میلیاردها سال پیش چگونه بوده است. نور آن کهکشان میلیاردها سال طول کشیده تا به آینه تلسکوپ برسد و در فضا سفر کرده است. مثل این است که یک ماشین زمان داشته باشید که از جهان اولیه عکس می‌گیرد. با استفاده از یک آینه غول‌پیکر برای جمع‌آوری نور باستانی، وب اسرار جدیدی را در مورد جهان کشف کرده است.

تلسکوپی که گرما را می‌بیند

برخلاف دوربین‌های معمولی یا حتی تلسکوپ فضایی هابل که از نور مرئی عکس می‌گیرند، وب طوری طراحی شده است که نوعی نور را که برای چشم نامرئی است، ببیند: یعنی نور مادون قرمز. نور مادون قرمز طول موج‌های بلندتری نسبت به نور مرئی دارد، به همین دلیل است که چشمان ما نمی‌تواند آن را تشخیص دهد. اما با ابزارهای مناسب، وب می‌تواند نور مادون قرمز را برای مطالعه برخی از قدیمی‌ترین و دورترین اجرام کیهان ثبت کند.

اگرچه چشم انسان نمی‌تواند آن را ببیند، اما افراد می‌توانند نور مادون قرمز را به عنوان نوعی گرما با استفاده از فناوری‌های تخصصی مانند دوربین‌های مادون قرمز یا حسگرهای حرارتی تشخیص دهند. به عنوان مثال، عینک‌های دید در شب از نور مادون قرمز برای تشخیص اشیاء گرم در تاریکی استفاده می‌کنند. وب از همین ایده برای مطالعه ستارگان، کهکشان‌ها و سیارات استفاده می‌کند.
چرا مادون قرمز؟ وقتی نور مرئی از کهکشان‌های دور در سراسر کیهان حرکت می‌کند، دچار کشیدگی می‌شود. دلیل این امر انبساط کیهان است. این کشیدگی، نور مرئی را به نور مادون قرمز تبدیل می‌کند. بنابراین، دورترین کهکشان‌های فضا دیگر در نور مرئی نمی‌درخشند - آنها در مادون قرمز ضعیف می‌درخشند. این نوری است که وب برای تشخیص آن ساخته شده است.

یک آینه طلایی برای جمع‌آوری کم‌نورترین تابش‌ها

قبل از اینکه نور به دوربین‌ها برسد، ابتدا باید توسط آینه طلایی عظیم تلسکوپ وب جمع‌آوری شود. این آینه بیش از ۶.۵ متر عرض دارد و از ۱۸ قطعه آینه کوچک‌تر ساخته شده است که مانند لانه زنبور در کنار هم قرار می‌گیرند. این آینه با یک لایه نازک از طلای واقعی پوشانده شده است - نه فقط برای اینکه ظاهری زیبا داشته باشد، بلکه به این دلیل که طلا نور مادون قرمز را به خوبی منعکس می‌کند.
این آینه نور را از اعماق فضا جمع‌آوری کرده و آن را به ابزارهای تلسکوپ منعکس می‌کند. هرچه آینه بزرگتر باشد، نور بیشتری می‌تواند جمع‌آوری کند - و می‌تواند دورتر را ببیند. آینه وب بزرگترین آینه‌ای است که تاکنون به فضا پرتاب شده است.

درون دوربین‌ها: NIRCam و MIRI

مهم‌ترین «چشم‌های» تلسکوپ، دو ابزار علمی هستند که مانند دوربین عمل می‌کنند: NIRCam و MIRI.
NIRCam مخفف دوربین نزدیک به مادون قرمز است. این دوربین اصلی در تلسکوپ وب است و تصاویر خیره‌کننده‌ای از کهکشان‌ها و ستاره‌ها می‌گیرد. همچنین دارای یک تاج‌نگار (coronagraph) است - دستگاهی که نور ستاره را مسدود می‌کند تا بتواند از اشیاء بسیار کم‌نور نزدیک به منابع روشن، مانند سیاراتی که به دور ستاره‌های روشن می‌چرخند، عکس بگیرد.
NIRCam با تصویربرداری از نور نزدیک به مادون قرمز، نوعی که تقریباً به آنچه چشم انسان می‌تواند ببیند نزدیک است، و تقسیم آن به طول موج‌های مختلف کار می‌کند. این به دانشمندان کمک می‌کند تا نه تنها بفهمند اجسام چه شکلی هستند، بلکه بدانند از چه چیزی ساخته شده است. مواد مختلف در فضا، نور مادون قرمز را در طول موج‌های خاص جذب و منتشر می‌کنند و نوعی اثر انگشت شیمیایی منحصر به فرد ایجاد می‌کنند. دانشمندان با مطالعه این اثر انگشت‌ها می‌توانند خواص ستاره‌ها و کهکشان‌های دور را کشف کنند.
MIRI یا ابزار مادون قرمز میانی، طول موج‌های مادون قرمز بلندتر را تشخیص می‌دهد که به ویژه برای مشاهده اشیاء سردتر و غبارآلودتر، مانند ستاره‌هایی که هنوز در ابرهای گازی در حال شکل‌گیری هستند، مفید است. MIRI حتی می‌تواند به یافتن سرنخ‌هایی در مورد انواع مولکول‌های موجود در جو سیاراتی که ممکن است از حیات پشتیبانی کنند، کمک کند.
هر دو دوربین بسیار حساس‌تر از دوربین‌های استاندارد مورد استفاده در زمین هستند. NIRCam و MIRI می‌توانند کوچکترین مقادیر گرما را از میلیاردها سال نوری دورتر تشخیص دهند. اگر NIRCam تلسکوپ جیمز وب را به عنوان چشم خود داشتید، می‌توانستید گرمای یک زنبور عسل را روی ماه ببینید. حساسیت آن به همین اندازه است.

از آنجایی که وب سعی دارد گرمای ضعیف اجرام دوردست را تشخیص دهد، باید خود را تا حد امکان سرد نگه دارد. به همین دلیل است که یک سپر خورشیدی غول‌پیکر به اندازه یک زمین تنیس حمل می‌کند. این سپر خورشیدی پنج لایه، گرمای خورشید، زمین و حتی ماه را مسدود می‌کند و به وب کمک می‌کند تا فوق‌العاده سرد بماند: حدود منفی۳۷۰ درجه فارنهایت (منفی ۲۲۳ درجه سانتیگراد).
MIRI باید حتی سردتر باشد. این تلسکوپ یخچال مخصوص خود را دارد که کرایوکولر نامیده می‌شود تا آن را تا دمای تقریباً منفی ۴۴۷ درجه فارنهایت (منفی ۲۶۶ درجه سانتیگراد) سرد نگه دارد. اگر وب حتی کمی گرم بود، گرمای خودش سیگنال‌های دوردستی را که سعی در تشخیص آنها دارد، خفه می‌کرد.

تبدیل نور فضا به تصویر

هنگامی که نور به دوربین‌های تلسکوپ وب می‌رسد، به حسگرهایی به نام آشکارساز برخورد می‌کند. این آشکارسازها مانند دوربین تلفن عکس‌های معمولی نمی‌گیرند. در عوض، نور مادون قرمز ورودی را به داده‌های دیجیتال تبدیل می‌کنند. سپس این داده‌ها به زمین ارسال می‌شوند، جایی که دانشمندان آن را به تصاویر تمام رنگی پردازش می‌کنند.
رنگ‌هایی که در تصاویر وب می‌بینیم، همان‌هایی نیستند که دوربین مستقیماً «می‌بیند». از آنجا که نور مادون قرمز نامرئی است، دانشمندان رنگ‌ها را به طول موج‌های مختلف اختصاص می‌دهند تا به ما در درک آنچه در تصویر است کمک کنند. این تصاویر پردازش‌شده به نمایش ساختار، سن و ترکیب کهکشان‌ها، ستاره‌ها و موارد دیگر کمک می‌کنند.
وب با استفاده از یک آینه غول‌پیکر برای جمع‌آوری نور مادون قرمز نامرئی و ارسال آن به دوربین‌های فوق سرد، به ما امکان می‌دهد کهکشان‌هایی را ببینیم که درست پس از آغاز جهان شکل گرفته‌اند.