جام جهان‌نما در ناسا

احسان سنایی

پیشینیان از پیاله‌ای ساخته به دست حُکما دم می‌زدند که روزنه‌ای به زمان بود و حکم‌رانان اساطیری سرزمین‌های دور از دریچه‌اش هفت‌فلک را زیر نگاه خود داشته‌اند. این جام جهان‌بین و جادویی، گذشته را به حال می‌بُرد و آینده را به پندار پادشاهان پیش‌دادی پیوند می‌داد؛ اما می‌دانیم از این افسانه‌ها دیری گذشته و دیروز و فردا را امروزه نمی‌توان به تصویر کشید.

اما سازمان فضایی بلندپرواز آمریکا (ناسا) این روزها در حال پیش‌برد پروژه‌ی‌ ساخت جام جهان‌نمای عظیمی است که ما را به گذشته‌های دور هستی خواهد برد؛ آن‌چنان دور که حتی هیچ‌گونه تصور ذهنی‌ای از آن نداریم. این جام، آینه‌ی¹ مقعر و فوق‌پیشرفته‌ای به قطر ۶.۵ متر است که قلب تلسکوپ فضایی افسانه‌ای «جیمز وب» را تشکیل خواهد داد.

یکی از قطعات ۱۸‌گانه‌ی آینه‌ی اصلی تلسکوپ فضایی جیمز وب / ناسا

«سر آرتور سی کلارک»، نویسنده‌ی فقید و صاحب‌نام داستان‌های علمی-تخیلی، سال‌ها پیش در جایی گفته بود: «جهان آن‌‌قدر بزرگ نیست که تصورش را می‌کنیم ... جهان آن‌قدر بزرگ است که تصورش را نمی‌توانیم بکنیم». در حقیقت آ‌ن‌‌قدر جهان ما بزرگ است که با سرعت سرسام‌آور نور نیز هیچ‌کس توان سرزدن به تمامی آن را حتی در طول عمر خود ندارد.

اگر این عظمت را به خاطر سپاریم، آن‌گاه سیر در گذشته نیز آن‌چنان دشوار نیست؛ به‌عبارتی کافی است نگاه گذرایی به خورشید انداخته و هشت‌دقیقه در زمان به عقب بروید؛ چراکه خورشید به اندازه‌ی یک‌صد و پنجاه میلیون کیلومتر، یا «هشت‌دقیقه‌ی نوری» از ما فاصله دارد.

از این‌روست که دریچه‌ی تلسکوپ‌مان را هرچه به نقاط دورتری نشانه رویم، در زمان به عقب‌تر رفته‌ایم. دورترین فاصله‌ای که یک انسان عادی با چشم غیرمسلح‌اش قادر به مشاهده است، لکه‌ی مه‌آلودی به نام کهکشان «آندرومدا»ست که به‌آسانی آن را به دور از نور مزاحم شهرها در آسمان شب می‌توان دید.

این لکه، با فاصله‌ی ۲.۵ میلیون سال نوری، نزدیک‌ترین کهکشان به راه شیری است و نوری که از آن دریافت می‌کنیم، زمانی از ستارگان آن خارج شده که هیچ انسان هوش‌مندی پا به عرصه‌ی وجود نگذاشته بود. با این حال از دیدگاه علم ستاره‌شناسی، آندرومدا در حیات‌خلوت کیهانی ماست! برای پاسخ به بنیادی‌ترین سؤالاتی که به ذهن دانشمندان می‌رسد، از این فواصل نزدیک می‌بایست عبور کرد و به ژرف‌ترین حدود ممکن کائنات نگریست.

تا به امروز آن‌چه عمیق‌ترین نگاه نور مرئی بشر لقب گرفته، تصویری است که چندی پیش توسط تلسکوپ فضایی هابل از فاصله‌ی ۱۳ میلیارد سال نوری شکار شد². این نمای سحرآمیز هرچند چاه عمیقی به زمان بود؛ اما جواب‌گوی عطش بی‌پایان دانش‌مندان زمینی نبود.

قطعه از آینه‌ی اصلی جیمز وب، که برای قرارگیری در معرض دمای ۲۳۸- درجه‌ی سلسیوس در محفظه‌ی خلأ پای‌گاه فضایی مارشال ناسا در هانتسویل آلاباما آمده می‌شوند / امت گیونز – ناسا

گردآوری کورسوی کهکشان‌های نخستین از اعماق تونل زمان آن‌چنان دشوار است که تلسکوپ هابل حداقل دو هفته از وقت ارزش‌مند خود را صرف تهیه‌ی تصاویری از این‌دست می‌کند و این به‌ سبب محدودیت ابعاد آینه‌ی اصلی تلسکوپ است. آینه‌ی اصلی هابل با قطر ۲.۷ متر، نسبت به تلسکوپ‌های غول‌پیکر زمینی آن‌چنان از جای‌گاه مطلوبی برخوردار نیست؛ اما تنها حضورش در ورای جو متلاطم و مزاحم زمین کافی‌ست تا در ردیف رقبای خودش منحصربه‌فرد باشد.

آینه‌ی تلسکوپ‌ها، مشابه‌ی ظروفی است که زیر باران قرار داده شده‌اند؛ هرچه ابعاد ظرف بزرگ‌تر باشد، آب بیش‌تری نیز به دست خواهد آمد. برای صید کورسوی نخستین فانوس‌های کیهانی نیز قاعدتاً به آینه‌ی غول‌آسایی نیاز است. این آرزو چندی است که رنگ و بویی از حقیقت به خود گرفته و جهان علم انتظار ساخت «جیمز وب»؛ جانشین هابل را می‌کشد.

فرآیند ساخت قطعات ۱۸‌گانه‌ی آینه‌ی این تلسکوپ غول‌آسا هم‌اکنون در جریان است. در ادامه، نگاهی داریم به راه پرسنگ‌لاخ ساخت و توسعه‌ی این جام جهان‌نمای منحصربه‌فرد.

آینه‌ی جیمز وب، بر خلاف هابل یک‌پارچه نیست و از ۱۸ قطعه‌ی شش‌ضلعی با آرایش لانه‌زنبوری که مجموعاً مساحتی به ابعاد ۲۵ متر مربع را اشغال می‌کنند، تشکیل شده است. سیاحت گام‌به‌گام این آینه از استخراج مواد خام گرفته تا پرتاب به فضا، در هفت ایالت آمریکا صورت می‌پذیرد. این سفر از معدن «بریلیوم» ایالات یوتا آغاز می‌شود.

بریلیوم از سبک‌ترین عناصر جدول تناوبی با عدد اتمی چهار و دومین فلز سبک طبیعت است. وزن اندک و مقاومت بسیار بالا در قبال اِعمال فشار، آن را هدف مطلوب و مناسبی برای ساخت آینه‌های ظریف و حساس تلسکوپ‌های فضایی ساخته است. این عنصر هرچند در قیاس با شیشه‌های پیرکسی – که اغلب به منظور ساخت آینه‌ی تلسکوپ‌های کوچک‌تر استفاده می‌شود – گران‌بهاست؛ اما انتقال حجم مشابهی از دو آینه‌ی پیرکسی و بریلیومی به فضا، خود نشان می‌دهد عامل وزن تا چه حد در صرفه‌جویی هزینه‌های پرتاب به فضا مؤثر است.

مقایسه‌ی ابعاد یک انسان، آینه‌ی تلسکوپ هابل (وسط) و آینه‌ی تلسکوپ جیمز وب. وجود حفره در میانه‌ی آینه‌ها به سبب آن است که نور بازتاب‌شده از آینه‌ی ثانویه (که در کانون آینه‌ی اصلی قرار می‌گیرد)، از طریق آن به سمت ابزارآلات علمی مستقر در پشت تلسکوپ هدایت شود

یک آینه‌ی دایروی ۱متری از جنس بریلیوم، تنها ۲۲ کیلوگرم وزن خواهد داشت و این در حالی‌ست که آینه‌ی هابل، به‌تنهایی ۲ تن وزن دارد! به‌علاوه، استحکام بالای بریلیوم (در حدود ۶ برابر شیشه‌ی معمولی)، نه‌تنها عملیات تراش و تصحیح تعقر آینه را بسیار آسان می‌سازد؛ بل‌که اطمینان دانش‌مندان از پرتاب سازه‌ای این‌چنین ظریف آن‌هم در ارتعاشات شکننده‌ی موشک هنگام پرتاب را تا حد بالایی ارتقا می‌بخشد. از این‌روست که نیزه‌ی مستقر در نوک موشک‌های بالستیک و هواپیماهای مافوق صوت را اغلب از جنس بریلیوم می‌سازند.

پس از عملیات استخراج مواد خام و انتقال آن به ایالت اوهایو؛ متخصصین به تصفیه و نرم‌سازی سنگ بریلیوم تا حد پودر پرداخته و با اعمال دما و فشار بسیار بالا به آن با هدف تخلیه‌ی کامل حباب‌های گاز به دام افتاده میان ذرات، ساختار یک‌پارچه‌ای موسوم به «شمش آینه» را می‌سازند.

این شمش، پس از کسب استحکام کافی با اسید شستشو داده می‌شود تا کوچک‌ترین آثار فولاد ضدزنگی که در ساختمان ظرف حاوی پودر به کار رفته بود، از آن پاک‌سازی گردد. پس از این مرحله، شمش از میانه به دو لایه‌ هم‌چون بیسکویت کر‌م‌دار بریده شده و به ایالت آلاباما منتقل می‌شود. ذکر این نکته ضروری است که بریلیوم عنصری شدیداً سمی بوده و استشمام بخار آن مرگ‌بار است. به همین دلیل از کامیون‌های ویژه‌ای به منظور حمل و نقل این جام جهان‌نمای زهرآلود استفاده می‌‌گردد.

در هانتسویل آلاباما، شمش مربوطه با ابزارهای ویژه‌ای به شکل کندوی عسل متخلخل ‌می‌شود تا بدون کوچک‌ترین تغییری در استحکام شمش، تا ۹۲ درصد از وزن اولیه‌اش کاسته شود. قدم بعدی، صیقل و آزمون آینه در دمای اتاق است، که این امر توسط تأسیسات ویژه‌ی مستقر در ایالت کالیفرینا صورت می‌پذیرد.

تراش آینه امر خطیری است؛ چراکه هیچ‌کس خاطره‌ی تلخ دریافت نخستین تصاویر هابل را از یاد نبرده است. آینه‌ی هابل، تنها به میزان یک‌پنجاهم از قطر موی انسان بیشتر تراشیده شده بود و این نقیصه پس از انتقال تلسکوپ به فضا و دریافت اولین تصاویر محو و نامشخص اهداف رصدی، مشخص گردید.

نتیجه آن‌که ناسا با صرف میلیون‌ها دلار هزینه و انتقال فضانوردان مجرب به فضا در سال ۱۹۹۳، آرایه‌ای از آینه‌های تصحیح‌کننده را در ساختار اپتیکی تلسکوپ مستقر ساخت تا چنین اشتباه به‌ظاهر ساده‌ای را جبران نماید. محل استقرار جیمز وب آن‌چنان از زمین دور است که امکان تصحیح هرگونه خطای احتمالی پس از استقرار در فضا، منتفی است. از این‌رو به‌کارگیری نهایت دقت در این عملیات الزامی است.

نمایی از طرح تکمیل‌شده‌ی تلسکوپ فضایی جیمز وب. این تلسکوپ، به دلیل محدودیت‌های فضای کلاهک موشک‌های موجود، فاقد لوله است و تنها چندین لایه سایه‌بان آن را در مقابل تابش خیره‌کننده‌ی آفتاب حفاظت می‌کند. آینه‌ی ثانویه توسط یه بازو به در کانون آینه‌ی اصلی قرار داده می‌شود و نور پس از گذر از حفره‌ی میان آینه‌ی اصلی به تجهیزات علمی و نهایتاً آنتن‌های ارتباطی هدایت می‌شود

با این حال، محیط کار جیمز وب هم‌چون اتاق ما نیست! این آینه‌ها با هدف گردآوردی ضعیف‌ترین پرتوهای مادون قرمز از اعماق گیتی به فضا می‌روند و به‌منظور عدم ایجاد کوچک‌ترین اختلالی توسط پرتوهای گرمایی گسیل‌شده از بدنه‌ی تلسکوپ، دمای کاری مطلوب تلسکوپ، ۲۳۸- درجه‌ی سلسیوس خواهد بود!

آزمون میزان انعطاف‌پذیری آینه‌ها در این شرایط دمایی سخت، در «تأسیسات سردسازی و پرتو-ایکس» پای‌گاه فضایی مارشال ناسا در ایالت آلاباما انجام می‌شود. مقاومت بالای بریلیوم در مقابل تغییرات شدید دمایی نیز از ویژگی‌های منحصربه‌فردی است که متخصصین ساخت را به روی‌آوردن به چنین عنصری در ساخت آینه‌ی جیمز وب واداشت.

هم‌اکنون که به خواندن این مقاله مشغولید، ۶ عدد از قطعات آینه‌ی اصلی، مراحل گوناگون آزمون تحمل‌پذیری دمایی را در این تأسیسات سپری می‌کنند. در صورت مشاهده‌ی کوچک‌ترین اعوجاجی در این دما، آینه به‌منظور تصحیح تعقر به کالیفرنیا بازگردانده می‌شود.

پس از اتمام این مراحل، آینه‌ها با قرارگیری در معرض بخار طلا، پوشش فوق‌نازکی از این فلز گران‌بها را به تن می‌کنند تا درصد بازتابندگی‌شان در پرتوهای مرئی و مادون قرمز افزایش یابد. انتقال قطعات ۱۸‌گانه به پای‌گاه فضایی گادرد ناسا در مریلند و استقرار‌شان بر سکویی یگانه، گام بعدی است و آخرین گام، آزمون نهایی تحمل ارتعاشات موشک هنگام پرتاب، در اتاق خلأ پای‌گاه فضایی جانسون ناسا در ایالت تگزاس است.

این آینه‌ی غول‌آسا به‌هم‌راه دیگر ابزارآلات جانبی جیمز وب هم‌چون آینه‌ی ثانویه‌، تجهیزات علمی و عایق‌های تابشی و حرارتی، به‌صورت تاشده در کلاهک موشک سنگین‌ آریان-۵ آرام خواهند گرفت، تا پیش از ژوئیه‌ی ۲۰۱۴ از پای‌گاه فضایی گویان فرانسه به فضا پرتاب شده و در فاصله‌ی ۱.۵ میلیون کیلومتری از زمین، به تماشای شکوه تشکیل کهکشان‌های نخستین نشسته و گذشته‌ی دور کائنات را به تصویر کشند؛ گذشته‌ای بسیار دور.

پانوشت‌ها:

۱. معمولاً اغلب مردم از ساختار یک تلسکوپ معمولی، انتظار ردیفی از عدسی‌های خوش‌تراش را دارند که به بزرگ‌نمایی‌ اجرام آسمانی می‌پردازند. اما این تنها یک نوع از تلسکوپ‌ها موسوم به «تلسکوپ‌های شکستی» یا «انکساری» است. نوع فراوان‌تر و بهینه‌تر تلسکوپ‌ها، انواع «بازتابی» یا «انعکاسی» آن است که در آن‌ها به جای استفاده از عدسی شیئی برای کانونی‌ساختن نور؛ از یک آینه‌‌ی مقعر ساده استفاده می‌شود. بزرگ‌ترین تلسکوپ‌های موجود در جهان از انواع بازتابی است و ساخت تلسکوپ‌های شکستی غول‌پیکر به سبب دشواری‌های فراوان تراش و قالب‌گیری عدسی‌های شیئی، منسوخ شده است.

۲. این‌جا