چگونه عکس‌برداری از «هیچ» علم نجوم را تغییر داد؟

در ۱۱ جولای، جهان با انتشار ژرف‌ترین تصویر نجومی که توسط تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) به ثبت رسید، شگفت‌زده شد. در پس‌زمینه‌ی خوشه‌ای کهکشانی به نام SMACS 0723 که تصویر آن مربوط به ۴٫۶ میلیارد سال پیش است، هزاران کهکشان با شکل‌ها و اندازه‌های مختلف مانند الماس‌هایی درخشان در تاریکی کیهان می‌درخشند. برخی از این فانوس‌های دوردست زمانی می‌درخشیدند که جهان تنها چندصد میلیون سال قدمت داشت. درک مسیر این دستاورد از جمله رسیدن به جزایر کیهانی دوردست و جمع‌آوری فوتون‌هایی که سفر خود را در نزدیکی بیگ‌بنگ آغاز کردند، به درک بهتر رصدهای زمینه‌ی ژرف کمک می‌کنند.

منشأ اولین تصویر زمینه‌ی ژرف تلسکوپ جیمز وب به اوایل دهه‌ی ۱۹۹۰ میلادی و پرتاب تلسکوپ فضایی هابل بازمی‌گردد. در آن زمان طرح رصدهای زمینه‌ی ژرف هنوز در آغاز راه خود بود. هابل در اصل برای رصدهای هدفمند طراحی شده بود و قرار بود ستاره‌شناس‌ها از این تلسکوپ برای رصد بخش مشخصی از آسمان براساس درخشش نور منبع استفاده کنند؛ اما هابل قابلیت عکس‌برداری زمینه‌ ژرف را هم داشت که دقیقاً درمقابل هدف ستاره‌شناس‌ها قرار می‌گرفت: ستاره‌شناس‌ها برای این نوع رصد، تلسکوپ را به سمت منطقه‌ای از آسمان قرار می‌دهند که هیچ‌گونه منبع نور مرئی ندارد و از زمان نوردهی بسیار طولانی برای رسیدن به اعماق کیهان و رصد منابع کم‌نور استفاده می‌کنند. در آن زمان هابل بهترین ابزار برای تصویربرداری زمینه‌ ژرف بود.

بااین‌حال همه با رصد زمینه‌ی ژرف موافق نبودند. جان باهکال و همکاران او از مؤسسه‌ی پژوهش‌های پیشرفته در مقاله‌ای که در سال ۱۹۹۰ در مجله‌ی Science منتشر کردند، به این مسئله اشاره می‌کنند که تصویر زمینه‌ی ژرف هابل، کهکشان‌های بسیار بیشتری را نسبت به تلسکوپ‌های زمینی نشان نمی‌دهد. باهکال بیشتر به خاطر راه‌حلی که برای مسئله‌ی نوترینوهای خورشیدی ارائه داد و محاسباتش درباره‌ی توزیع ستاره‌ها در اطراف سیاه‌چاله‌ای سنگین شناخته می‌شود. او در توسعه‌ی تلسکوپ هابل از طرح اصلی آن در دهه‌ی ۱۹۷۰ تا زمان پرتاب، نقش داشت. باهکال بر این باور بود که زمینه‌ی ژرف هابل جمعیت‌های جدیدی از کهکشان‌ها را آشکار نمی‌کند، بااین‌حال چنین تصاویری می‌توانند مهر تأییدی بر ریخت‌شناسی و اندازه‌ی کهکشان‌های کم‌نور و آمار اختروش‌ها باشند.

مقایسه‌‌ی اولین تصویر «زمینه‌ی ژرف» تلسکوپ فضایی هابل که در سال ۱۹۹۵ ثبت شد (چپ) و اولین تصویر مشابه از تلسکوپ فضایی جیمز وب (راست). هر دو عکس محدوده‌ی نسبتاً یکسانی از آسمان را پوشش می‌دهند اما جمعیت‌های مختلف کهکشان‌ها را دربرمی‌گیرند. برای مثال تلسکوپ وب، زمان کیهانی بیشتری را پوشش می‌دهد و کهکشان‌های قدیمی‌تر از جهان آغازین را آشکار می‌کند.

چنین انتظاراتی، ضرورت عکس‌برداری زمینه‌ی ژرف با هابل را سرکوب کردند. به همین دلیل اولین تلاش برای عکاسی زمینه‌ی ژرف در حوالی تعطیلات زمستانی ۱۹۹۵ پس از تعمیر اپتیکی تلسکوپ صورت گرفت. تلسکوپ زمان نوردهی ۱۰ روزه را برای بخش کوچکی از آسمان در صورت فلکی دب اکبر اختصاص داد. پس از هفته‌ها، ستاره‌شناس‌ها با دیدن تصویر نهایی موسوم به زمینه‌ی ژرف شمال به هدیه‌ی کریسمس خود رسیدند.

تعداد ستاره‌های کهکشان راه شیری در منطقه‌ی موردنظر بسیار کم بود بدین‌ترتیب تلسکوپ هابل، درست مانند بیننده‌ای که به داخل روزنه نگاه می‌کند، به بررسی ژرفای کیهان پرداخت. این تلسکوپ نزدیک به ۳۰۰۰ کهکشان کم‌نور با شکل‌ها و ابعاد مختلف را رصد کرد به‌طوری‌که برخی از آن‌ها ۱۲ میلیارد سال نوری از زمین فاصله داشتند. وظیفه‌ی هابل تنها کاوش در فضا نبود، بلکه به بررسی زمان و جمع‌آوری نور ستاره‌هایی می‌پرداخت که میلیاردها سال پیش در عصرهای آغازین کیهانی وجود داشتند. تصویر زمینه‌ی ژرف هابل به سرعت به تصویری نمادین تبدیل شد.

اما پرسشی اساسی مطرح شد: آیا منطقه‌ی مملؤ از کهکشان در تصویر شمال زمینه‌ی ژرف، عادی بود؟ یا ستاره‌شناس‌ها به اندازه‌ی کافی خوش‌شانس بودند که تلسکوپ را به سمت نقطه‌ای مملؤ از کهکشان قرار دادند؟ تلسکوپ هابل در سال ۱۹۹۸ تصویر جنوب زمینه‌ی ژرف را ثبت کرد. نوردهی این عکس هم مشابه تصویر قبلی بود با این تفاوت که تلسکوپ این بار به سمت نیم‌کره‌ی جنوبی آسمان قرار داشت که در دورترین فاصله‌ی ممکن نسبت به اولین نقطه قرار دارد. تصویر جدید ثابت کرد جهان بیش‌ از حد تصور، به‌ویژه در نقاط دوردست، مملؤ از کهکشان است. زمینه‌های ژرف هابل علاوه بر ارزش علمی، چالشی فنی را آشکار کردند؛ این تصاویر بیش از ۱۰ هزار کهکشان را پوشش می‌دادند که اولین چالش کلان‌داده‌ای ستاره‌شناسان به شمار می‌رفت.

تلسکوپ فضایی هابل از نگاه شاتل فضایی در مدار پائین زمین (بالا) تصویر سازی تلسکوپ فضایی جیمز‌وب (پائین) در فاصله‌ی بیش از ۱٫۵ میلیون کیلومتری از زمین.

تصویربرداری زمینه‌ی ژرف محدود به حوزه‌ی طیف مرئی نیست. با آغاز هزاره‌ی سوم، جهان خود را برای اولین تصویر زمینه‌ی ژرف پرانرژی تلسکوپ اشعه‌ی ایکس چاندرا آماده می‌کرد. تلسکوپ انقلابی ناسا که در جولای ۱۹۹۹ پرتاب شد و تا امروز به فعالیت خود ادامه داده است. تصویر جنوب زمینه‌ی ژرف چاندرا با زمان نوردهی تقریبی یک میلیون ثانیه روی بخشی از آسمان در حفره‌ی لاکمن ثبت شد که پنجره‌ای خالی از ابرهای هیدروژنی و غبار در راه شیری است. تصویر جنوب زمینه‌ی ژرف چاندرا، جهانی عجیب را آشکار کرد: صدها سیاه‌چاله که برخی در دوردست‌ها قرار دادند. گرچه این تصویر به اندازه‌ی تصاویر هابل چشم‌نواز نبود، اطلاعات علمی زیادی را در خود داشت. این زمینه مجدداً توسط چاندرا با نوردهی کلی هفت میلیون ثانیه عکس‌برداری شد و بدین‌ترتیب ژرف‌ترین زمینه‌ در طیف اشعه‌ی ایکس به دست آمد. در سال ۲۰۰۳، تصویر شمال زمینه‌ی ژرف چاندرا منتشر شد که بیش از ۵۰۰ منبع پرتوی ایکس را دربرداشت.

با اضافه شدن ابزارهایی مثل دوربین پیشرفته‌ی نقشه‌برداری به هابل، تصویر زمینه‌ی فراژرف هابل در سال ۲۰۰۶ منتشر شد. این تصویر تاریخ‌ساز شامل هزاران کهکشان بود و قدمت برخی از آن‌ها به زمانی بازمی‌گشت که کمتر از یک میلیارد سال از عمر جهان گذشته بود. زمینه‌ی فراژرف، جزئیات بی‌سابقه‌ای از تاریخ شکل‌گیری کهکشان‌ها را ارائه داد؛ کهکشان‌های دوردست به نظر کوچک‌تر و نامنظم‌تر از کهکشان‌های نزدیک‌تر می‌رسیدند و این رصد به پشتوانه‌ای برای نظریه‌های تکامل کهکشانی تبدیل شد.

زمینه‌ی فراژرف، ژرف‌ترین تصویری است که می‌توان در طول موج‌های مرئی ثبت کرد. در صورتی که کهکشانی بیش‌ازاندازه دور باشد، نور مرئی آن به خارج از طیف مرئی و به داخل طیف فروسرخ منتقل می‌شود؛ این پدیده حاصل اثر انتقال به سرخ کیهانی است که براساس آن انبساط جهان باعث کشیده شدن طول موج‌های نوری می‌شود که فواصل عظیم بین کهکشانی را طی می‌کنند.

در نهایت کمپین Frontier Fields هابل، قابلیت تصویربرداری جدید زمینه‌ی ژرف را ارائه کرد که به مقدمه‌ای برای اولین تصویر زمینه‌ی ژرف جیمز وب تبدیل شد. هابل در طول این کمپین رصد که در سال ۲۰۱۷ به پایان رسید، به سمت شش تراکم بزرگ از کهکشان‌ها قرار داشت. براساس نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین، تراکم جرمی می‌تواند در راستای مسیر نور خم شود و بدین‌ترتیب نور دریافتی از منبع پس‌زمینه را با اثری به نام لنز گرانشی تقویت کند؛ بنابراین این خوشه‌های کهکشانی به‌عنوان ذره‌بینی برای رصد دوردست‌ها به کار رفتند.

در کنار تصاویر مملؤ از کهکشان، تصاویر Frontier Fields دارای قوس‌های عجیب نوری هستند که تصاویر تقویت‌شده یا کشیده‌شده‌ی کهکشان‌های پس‌زمینه‌ی بسیار دورتر از خوشه را نشان می‌دهند. این کهکشان‌ها به‌قدری کم‌نور هستند که امکان رصد مستقیم آن‌ها با هابل وجود ندارد. در این تصاویر برخی از دوردست‌ترین کهکشان‌ها و اولین ابرنواختر تبدیل‌شده به لنز گرانشی دیده می‌شوند.

نزدیک به ۲۰۰ سال از زمان ظهور عکاسی می‌گذرد. در آن زمان انسان برای اولین بار توانست فوتون‌ها را برای ثبت تصاویر به دام بیندازد. امروزه دوربین‌های بسیار پیچیده روی تلسکوپ‌های فضایی در میلیون‌های کیلومتر آن سوی زمین، مرزهای دانش ما نسبت به جهان را جابه‌جا می‌کنند و پنجره‌های جدیدی را به سمت فضا و زمان می‌گشایند. بازه‌ی زمانی نسبتاً کوتاهی بین این دو اختراع وجود دارد اما هر دو با یک هدف طراحی شده‌اند: رسیدن به درکی از طبیعت با نگاه کردن به آنچه برای چشم انسان قابل دیدن نیست.