چرا سیاره مشتری یکی از نخستین اهداف تلسکوپ فضایی جیمز وب است؟

ستاره‌شناسان در سراسر جهان مشتاقانه در انتظار آغاز به کار جیمز وب، قدرتمندترین تلسکوپ فضایی جهان هستند. تلسکوپ که در ۴ دی ۱۴۰۰ پرتاب شد، فرایند گشودن خود را تا آخرین مرحله پیش برد، به مدار نهایی اطراف خورشید رسید و آینه‌هایش را با دوربین اصلی‌اش تراز کرد اما هنوز مراحلی مثل کالیبره‌سازی ابزار برای استفاده‌ی علمی باقی‌ مانده‌ است.

در تابستان جاری رصدهای علمی جیمز وب آغاز خواهند شد. در این مرحله است که همه چیز هیجان‌انگیزتر می‌شود؛ چراکه حساسیت بالای تلسکوپ و قابلیت‌های فروسرخ آن، امکان رصد اجرام دوردست به‌ویژه نمونه‌های کم‌نورتر را که رصد آن‌ها با تلسکوپ‌های فضایی فعلی مثل هابل دشوارتر است، فراهم می‌کند. همچنین جیمز وب عصری جدید را در زمینه‌ی رصدهای نجومی رقم خواهد زد و به بررسی مباحثی مثل شکل‌گیری اولین کهکشان‌ها و جو سیاره‌های فراخورشیدی کمک خواهد کرد.

تکنیسین‌های ناسا جیمز وب را با استفاده از یک جرثقیل بالا می‌برند و آن را در اتاق تمیز مرکز فضایی گادرد ناسا در گرینبلت مریلند قرار می‌دهند. جیمز وب قدرتمند‌ترین تلسکوپی است که تاکنون ساخته شده است.

۱۳ پروژه برای تست قابلیت‌های تلسکوپ جیمز وب در پنج ماهه‌ی اول عملیات آن انتخاب شده‌اند و همان‌طور که حدس می‌زنید رقابت بر سر اولین پروژه‌ها شدید بود. اغلب پروژه‌ها به بررسی اجرام دوردست مثل سیاه‌چاله‌ها و کهکشان‌ها اختصاص دارند؛ اما یکی از پروژه‌ها هدفی نزدیک‌تر را انتخاب کرده است: سیاره مشتری؛ اما چرا پژوهشگرها این غول گازی را انتخاب کردند؟

در مقایسه با سیاره‌های فراخورشیدی دوردست و حتی دورترین غول‌های یخی منظومه شمسی، ستاره‌شناس‌ها نکات زیادی را درباره‌ی مشتری می‌دانند. همچنین به لطف رصدهای تلسکوپ‌های زمینی و مأموریت‌های فضایی مثل گالیله که تا سال ۲۰۰۳ در مدار مشتری بود و کاوشگر جونو که هنوز در مدار این سیاره است، گنجینه‌ای از اطلاعات را درباره‌ی بزرگ‌ترین جهان منظومه شمسی دراختیار داریم. اما مانند هر پژوهش علمی، هر داده‌ای که درباره‌ی مشتری به دست بیاوریم می‌تواند به پاسخ‌های بیشتری بینجامد. به گفته‌ی ایمکه دیپاتر، ستاره‌شناس برکلی و سرپرست تیم رصدهای مشتری:

تاکنون با چند کاوشگر به مشتری سفر کردیم. همچنین این سیاره را با تلسکوپ فضایی هابل و تعداد زیادی از تلسکوپ‌های زمینی در طول موج‌های مختلف طیف الکترومغناطیسی (از فرابنفش تا طول موج‌های نوری) بررسی کردیم؛ درنتیجه نکات زیادی را درباره‌ی این سیاره، جو آن، ساختار داخلی و همچنین قمرها و حلقه‌های آن آموختیم؛ اما هرچه که داده‌های بیشتری را به دست آورید بازهم چیزهای بیشتری برای یاد گرفتن وجود دارند.

تلسکوپ جیمز وب پس از پرتاب.

برخی از بزرگ‌ترین پرسش‌ها در رابطه با مشتری به جو آن مربوط می‌شوند. برای مثال، چگونه گرما بین لایه‌های مختلف جوی منتقل می‌شود و چگونه جو این سیاره با مگنتوسفر آن برهم‌کنش دارد. پژوهشگرها جزئیاتی مثل لکه‌ی سرخ بزرگ (طوفان متلاطم و وسیعی که به شکل نقطه‌ی بزرگ و هم‌اندازه با کل زمین دیده می‌شود) و قطب جنوب این سیاره (همراه با شفق‌های قطبی برجسته) را رصد می‌کنند. همچنین به بررسی منظومه‌ی قمری مشتری ازجمله حلقه‌ها و قمرهای آیو و گانیمد می‌پردازند.

هر کدام از اهداف یادشده به نوبه‌ی خود جذابیت زیادی دارند. برای مثال، آیو آتشفشانی‌ترین نقطه‌ی منظومه شمسی است و گانیمد تنها قمر شناخته‌شده برای تولید مگنتوسفر خود است. به‌طور کلی منظومه‌ی مشتری موقعیت ایده‌آلی برای آزمایش محدودیت‌ها و قابلیت‌های تلسکوپ جیمز وب است.

گروه دی پاتر، برای کمک به یادگیری درباره‌ی مباحث پیچیده از قابلیت‌های فروسرخ تلسکوپ وب استفاده می‌کنند که به پژوهشگرها امکان می‌دهد نگاه عمیق‌تری به جو سیاره مشتری داشته باشند. این قابلیت‌ها امکان بررسی جو مشتری را فراتر از طیف نور مرئی فراهم می‌کنند. به گفته‌ی دی پاتر:

در طیف نور مرئی می‌توان ابرها را دید؛ اما در طیف فروسرخ می‌توان قسمت بالای ابرها و زیر ابرها را هم براساس طول موج بررسی کرد. در طول‌ موج‌های مختلف می‌توان ارتفاعات مختلف جو را براساس شفافیت جو ببینید. برای مثال مقدار نور جذب‌شده در طول موجی مشخص نشان می‌دهد که تا چه عمقی می‌توان به سیاره نفوذ کرد.

طول موج‌های فروسرخ به‌ویژه برای پژوهش سودمند هستند و می‌توان با ابزار فروسرخ میانی یا MIRI وب به رصد آن‌ها پرداخت. به گفته‌ی دی پاتر:

طول موج‌های فروسرخ میانی بیشترین مزیت را دارند. می‌توانیم در برخی از این طول موج‌ها از زمین به رصد بپردازیم اما جو زمین به قدری متلاطم است که نمی‌توانیم به رصدهای خوبی برسیم.

رصدهای زمینی فروسرخ با مشکلاتی مثل موانع جوی همراه است؛ اما با تلسکوپ فضایی مثل جیمز وب هیچ مانعی وجود ندارد و پرتوهای پس‌زمینه کمتر هستند؛ درنتیجه داده‌های جمع‌آوری‌شده دقت بیشتری خواهند داشت. علاوه بر این تلسکوپ وب دارای ثباتی استثنایی است و به لطف موقعیت‌یابی دقیق در فضا می‌تواند بدون نوسان به یک هدف مشخص اشاره کند. تمام این موارد به این معنی هستند که این تلسکوپ می‌تواند دقیق‌ترین داده‌های مربوط به مشتری را جمع‌آوری کند.

به گفته‌ی دیپاتر، در ارزیابی طرح‌های پیشنهادی برای استفاده از تلسکوپ جیمز وب، کمیته درباره‌ی اولویت پروژه‌ها و کاربرد تلسکوپ تصمیم‌گیری می‌کند. به گفته‌ی دیپاتر:«آن‌ها به‌دنبال پروژه‌هایی برای استفاده از حداکثر توان جیمز وب هستند.»

دانشمندان از تمام چهار ابزار تلسکوپ وب در ترکیب‌های متفاوت برای اهداف مختلف در منظومه مشتری استفاده می‌کنند تا بتوانند ویژگی‌هایی مثل آتشفشان‌ها، حلقه‌ها و لایه‌های جوی سیاره را بررسی کنند. طرح اصلی رصد مشتری، بررسی حلقه‌ها و قمر‌های آیو و گانیمد بود؛ اما چند سال پس از تأیید طرح اولیه، مشکل غیرمنتظره‌ای رخ داد. حساسیت تلسکوپ برای بخش زیادی از برنامه‌ریزی‌های مربوط به مشتری بیش از اندازه زیاد بود.اما پژوهشگرها برای دستیابی به داده‌های ارزشمند امیدوار بودند؛ به‌همین‌دلیل، راه‌‌حل‌هایی را پیدا کردند. آن‌ها معیارهایی مثل فیلترهای قابل استفاده را تغییر دادند و به زاویه‌های دید کوچک‌تر رسیدند.

مسئله‌ی حساسیت بیش از اندازه‌ی تلسکوپ شاید به نظر غیرمنطقی برسد؛ اما می‌توان آن را به عکس گرفتن رو به نور خورشید تشبیه کرد. در این حالت تمام رنگ‌ها از بین می‌رود و همه چیز سفید به نظر می‌رسد به‌طوری‌که دیدن جزئیات دشوار است. نور دریافتی از خورشید بسیار درخشان است و تصویری با نورپردازی شدید را به وجود می‌آورد.

همین مسئله هنگام مطالعه‌ی اجرام نجومی رخ می‌دهد. سیاره‌ها در مقایسه با ستاره‌ها نور زیادی را منتشر نمی‌کنند؛ چراکه نوری از خود ندارند بلکه نور ستاره‌هایشان را بازتاب می‌دهند. بدین‌ترتیب سیاره‌ها در حالت کلی، کم‌نورتر از ستاره‌ها هستند؛ اما وقتی به جزئیات کوچک نگاه کنید یا حتی به‌دنبال اجرام کوچک‌تری مثل قمرها و حلقه‌ها بروید، نور سیاره می‌تواند مزاحم جمع‌آوری داده‌ها باشد.

استفاده از تلسکوپ وب برای بررسی مشتری تنها راه آزمایش قابلیت‌های این تلسکوپ جدید نیست؛ چراکه بررسی سیاره‌ها در منظومه شمسی می‌تواند به درک سیاره‌های خارج از منظومه شمسی یا سیاره‌های فراخورشیدی کمک کند. یکی از اهداف بزرگ علمی در زمینه‌ی شناخت سیاره‌ی فراخورشیدی، فرارفتن از صرفاً شناسایی سیاره و تخمین اندازه یا جرم آن و رسیدن به درکی کامل‌تر از ویژگی‌های جوی سیاره است. همچنین درک سیاره‌ها در منظومه‌های دوردست به درک سیاره‌های منظومه شمسی کمک می‌کند. تلسکوپ وب به بررسی جو غول‌های گازی دوردست خواهد پرداخت و آنگاه می‌توانیم این داده‌ها را با دانسته‌هایمان از جو سیاره زحل و مشتری مقایسه کنیم.

علاوه بر این، با استفاده از تلسکوپ وب برای بررسی مشتری، تیم دی پاتر به توسعه‌ی مجموعه‌ ابزاری می‌پردازند که دیگر اعضای جامعه‌ی نجوم می‌توانند از آن‌ها برای بررسی دیگر سیاره‌های منظومه شمسی استفاده کنند. همچنین چشم‌اندازی از قابلیت‌های وب مثل بررسی سیاره‌های دورتر از جمله اورانوس و نپتون فراهم می‌کنند. به گفته‌ی دی پاتر:

تیم ما در حال توسعه‌ی نرم‌افزاری است که بتوانیم از آن نه‌تنها برای منظومه‌ی مشتری بلکه برای اورانوس و نپتون هم استفاده کنیم. همچنین می‌توانیم انتظارات را براساس رصدها نشان دهیم. قطعاً این یافته‌ها راهگشا خواهند بود.