۷ پرسش بزرگی که تلسکوپ فضایی جیمز وب به‌زودی پاسخ خواهد داد

تلسکوپ فضایی جیمز وب با انتشار نخستین تصاویر علمی‌اش در اواخر ماه گذشته، آغازگر عصری تازه در دنیای نجوم شد. پس از سال‌ها تأخیر، پرتابی پرتعلیق و ماه‌ها آزمایش، سرانجام قدرتمندترین تلسکوپ فضایی ساخته‌شده تاکنون آماده است تا سرنخ‌هایی تازه درباره‌ی پرسش‌هایی جمع‌آوری کند که پاسخ به آن‌ها با تلسکوپ‌های نسل پیشین صرفاً رویایی دور از دسترس بود.

تلسکوپ فضایی جدید ناسا به‌لطف ترکیب ویژه‌ای از قابلیت‌ها، به ما امکان می‌دهد تا فراتر از قبل به گذشته‌ی دور جهان نگاه کنیم. جیمز وب به‌عنوان تلسکوپی فروسرخ با آینه‌ای عظیم که فراتر از مدار ماه در گردش است، می‌تواند درخشش کم‌نورترین و دورترین ستارگان و کهکشان‌ها را جمع‌آوری کند؛ نوری که پس از پیمودن میلیاردها سال در فضای درحال انبساط، به طول موج‌های فروسرخ کشیده شده است. تلسکوپ به‌لطف وضوح زاویه‌ای بی‌نظیرش، این اجرام را با جزئیات عالی می‌بیند. طیف‌سنج فروسرخ جیمز وب نیز به ما امکان می‌دهد تا مولکول‌هایی را که در جو سیاره‌های فراخورشیدی بالقوه سکونت‌پذیر پنهان شده‌اند، مشخص کنیم.

داده‌هایی که از تلسکوپ فضایی جیمز وب به‌دست می‌آوریم، به ما کمک می‌کنند تا برخی از بزرگ‌ترین اسرار کیهان، از چگونگی شکل‌گیری نخستین ستاره‌ها و کهکشان‌ها و سرعت انبساط جهان تا حیات فرازمینی احتمالی را کشف کنیم. در این مقاله، به بررسی هفت پرسش بزرگی می‌پردازیم که انتظار می‌رود جیمز وب در نخستین چرخه رصد خود، نور تازه بر آن‌ها بتاباند و درک ما از کیهان را دگرگون کند.

پس از بیگ بنگ (مهبانگ) عصر تاریک کیهانی از راه رسید. ماده در این مرحله یا گاز هلیوم و هیدروژن خنثی یا ماده تاریک بود که نه نور ساطع می‌کرد و نه بازتاب می‌داد. سپس درطول چند صد میلیون سال، گاز شروع به درهم‌آمیختگی کرد و با تشکیل ستارگان، چراغ‌ها روشن شد.

تابش این ستارگان اولیه، گاز خنثی اطرافشان را یونیزه کرد. وقتی این دوره‌ی به اصطلاح بازیونیزه‌شدن به پایان رسید، جهان از یک سوپ اولیه‌ی همگن به موجودیتی بسیار ساختارمند با کهکشان‌ها، ستارگان و احتمالاً سیاره‌ها تبدیل شده بود. ما می‌دانیم این اتفاق رخ داده است؛ اما مشاهدات کمی داریم که چگونگی وقوع آن را نشان دهد.

جیهان کارتالتپه، اخترفیزیکدان در مؤسسه فناوری روچستر نیویورک، برای پاسخ به مجموعه‌ی گسترده‌ای از پرسش‌ها درباره‌ی سپیده‌دم کیهانی یادشده، ۲۵۶ ساعت زمان رصد با جیمز وب دراختیار دارد که ازجمله طولانی‌ترین دوره‌ها در نخستین چرخه‌ی رصدی تلسکوپ محسوب می‌شود. نخستین ستارگان از کدام نوع بودند؟ در کدام نوع کهکشان‌ها تشکیل شدند؟ بازیونیزه‌شدن چه زمانی رخ داد و چقدر طول کشید؟

کارتالتپه می‌گوید: «تشخیص [کهکشانی اولیه] با تلسکوپ فضایی هابل، فقط یک لکه در تصویر است و صرفاً می‌توانید میزان روشنایی آن را بگویید و بس. [اما] اکنون قادر خواهیم بود جرم ستاره‌ای آن‌ها را اندازه بگیریم و معمای ساختار را حل کنیم؛ درنتیجه چیزهای بسیار بیشتری درباره‌ی فیزیک یاد خواهیم گرفت.»

پروژه‌ی کارتالتپه دید جامعی از بازیونیزه‌شدن به ما خواهد داد. او می‌گوید: «این فرایند همه‌جا به یک‌باره اتفاق نیفتاد. از نواحی کوچک شروع شد و سپس به این حباب‌های بازیونیزه‌شدن گسترش یافت.»

درهمین‌حال، روهان نایدو، اخترشناس در دانشگاه هاروارد باور دارد که یکی از این نواحی کوچک را به‌عنوان مکانی که آغازگر سپیده‌دم کیهانی بود، شناسایی کرده است و اکنون سرانجام می‌تواند به آن نگاه بیندازد. او می‌گوید: «ما فکر می‌کنیم این‌ها جزو نخستین کهکشان‌هایی هستند که احتمالاً شکل گرفته‌اند.»

ما فاصله‌ی اجرام در اعماق فضا را با نگاه به «انتقال به سرخ» اندازه‌گیری می‌کنیم؛ پدیده‌ای که نمایانگر میزان کشیدگی نور آن‌ها به بخش فروسرخ طیف الکترومغناطیس دراثر میلیاردها سال سفر در جهان درحال انبساط است. عدد انتقال به سرخ نشان می‌دهد که نور چقدر به بخش سرخ منتقل شده و هرچه بزرگ‌تر باشد، جرم قدیمی‌تر است.

تصور می‌شود که سپیده‌دم کیهانی درحدود انتقال به سرخ ۱۰ آغاز شده؛ زمانی که کیهان تقریباً ۵۰۰ میلیون سال سن داشته است. اما نایدو فکر می‌کند می‌توانیم شواهدی را پیدا کنیم که براساس آن‌ها، نخستین ستارگان در حبابی یونیزه که اکنون در انتقال به سرخ ۹ مشاهده می‌کنیم، شکل گرفته‌اند. او می‌گوید: «این بخش مکانی بسیار ویژه محسوب می‌شود؛ زیرا تکه‌ی کوچکی از آسمان شامل یک‌چهارم تمام کهکشان‌های شناخته‌شده‌ی کاندیدای انتقال به سرخ بالا است. آنچه ما درباره‌ی شکل‌گیری ساختار در جهان می‌دانیم، نشان می‌دهد که نخستین ستارگان دقیقاً در چنین مکانی رشد کرده‌اند. من از دیدن این کهکشان‌های به‌شدت منتقل‌شده به سرخ بسیار هیجان‌زده هستم. شاید بتوانیم نخستین ستارگان را ببینیم.»

سیاه‌چاله‌ها مناطقی از فضا زمان با تراکم، خمیدگی و گرانش بسیار بالا هستند که حتی نور هم نمی‌تواند از آن‌ها فرار کند. ما سیاه‌چاله‌های ستاره‌وار داریم که هنگام فروپاشی ستارگان عظیمی به‌وجود می‌آیند که جرمشان از چند برابر تا چند صد برابر خورشید است. در طرف دیگر، سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم با جرم صدهزار تا ده‌ها میلیاد برابر خورشید، در مرکز اغلب کهکشان‌ها وجود دارند. این هیولاها با به‌هم پیوستن یا انباشتن جرم و پرتاب فواره‌های قدرتمندی که می‌توانند هرچیز اطرافشان را متلاشی کنند، تکامل کهکشان‌ها را شکل می‌دهند.

یکی از حیرت‌انگیزترین مشاهدات در اخترفیزیک، دیدن سیاه‌چاله‌های کلان‌جرمی است که وقتی خود جهان زیر یک میلیارد سال سن داشت، میلیاردها برابر خورشید جرم داشتند. حتی اگر این سیاه‌چاله‌ها با بلعیدن ستارگان و گاز به‌طور تصاعدی درحال رشد بودند، باید با جرم هزاران خورشید حیاتشان را آغاز کرده باشند و ما با توجه به مدل‌های کنونی خود از چگونگی شکل‌گیری و رشد سیاه‌چاله‌ها، هیچ ایده‌ای از نحوه‌ی به‌وجود‌آمدن آن‌ها نداریم.

نظریه‌پردازان دو مسیر برای شکل‌گیری این سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم پیشنهاد داده‌اند. نخستین راه، فروپاشی ابر گازی عظیمی است که یا به‌طور مستقیم به شکل سیاه‌چاله درمی‌آید یا ابتدا ستاره‌ای کلان‌جرم را شکل می‌دهد که بعدا با فروپاشیدن به سیاه‌چاله تبدیل می‌شود. فرضیه‌ی دوم این است که آن‌ها از خوشه‌های متراکم ستارگانی تشکیل شده‌اند که با ادغام در یکدیگر، بیش از پیش بزرگ‌تر می‌شوند و درنهایت سیاه‌چاله را پدید می‌آورند.

شاوی فن، اخترشناس از دانشگاه آریزونا برای به‌دست‌آوردن اطلاعات بیشتر درباره‌ی سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم، می‌خواهد اختروش‌های دوردست را رصد کند؛ اجرامی بسیار درخشان که وقتی گاز با سرعت بسیار بالا در دام این سیاه‌چاله‌ها می‌افتد، به‌وجود می‌آیند و فوراه‌های عظیم ذرات و تابش را پرتاب می‌کنند. فن و همکارانش با نگاهی دقیق به سه نمونه از دوردست‌ترین اختروش‌هایی که می‌شناسیم، سرعت قرص گاز و غبار را که به درون سیاه‌چاله سقوط می‌کند، اندازه می‌گیرند و بدین طریق به‌طور مستقیم جرم آن‌ها را کشف می‌کنند. با ترکیب این موارد با میزان درخشندگی، می‌توان سرعت برافزودن مواد توسط سیاه‌چاله را به‌دست آورد. این جزئیات، دقیق‌ترین مقادیر را درباره‌ی جرم اولیه‌ی سیاه‌چاله و زمان شکل‌گیری آن در جهان جوان به پژوهشگران می‌دهد.

مشاهدات فن نمی‌تواند ایده‌های مربوط به چگونگی پدید‌آمدن سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم را مردود بدانند. بااین‌حال باید نحوه‌ی رشد آن‌ها و تأثیر رشدشان بر تکامل کهکشان‌ها را آشکار کند. ما می‌دانیم که پرجرم‌ترین سیاه‌چاله‌ها در پرجرم‌ترین کهکشان‌ها قرار دارند؛ اما اینکه کدام یکی اول پدید آمد و آینکه آیا یکی مسئول دیگری است یا خیر، معمای کیهانی مرغ و تخم مرغ محسوب می‌شود. با حساسیت بی‌نظیر جیمز وب، برای نخستین‌بار نور ستاره‌ای را از کهکشان‌های میزبان این سیاه‌چاله‌ها خواهیم دید. مشاهدات فروسرخ بدان معنی است که می‌توانیم سن آن‌ها را مشخص کنیم و درنتیجه دریابیم که تشکیل ستاره و کهکشان نسبت به رشد سیاه‌چاله چه زمانی اتفاق افتاده است.

حتی اگر اخترشناسانی که در نخستین چرخه‌ی رصدی جیمز وب، زمان رصد با تلسکوپ را به‌دست آورده‌اند، دقیقاً بدانند قرار است به چه چیزی نگاه کنند، همچنان از احتمال دیدن چیزی غیرمنتظره ذوق‌زده می‌شوند. وندی فریدمن، اخترشناس دانشگاه شیکاگو می‌گوید: «امیدوارم چیزی را کشف کنیم که انتظارش را نداریم.»

کریستن مک‌کوئین، اخترفیزیکدان از دانشگاه راتگرز در نیوجرسی می‌گوید: «بیش از همه درباره‌ی پرسش‌هایی هیجان‌زده هستم که شناخت کافی برای مطرح‌کردنشان نداریم.» او به زمینه فراژرف هابل اشاره می‌کند؛ تصویری که سال ۲۰۰۴، پس از نشانه‌گیری تلسکوپ فضایی هابل به قسمت غیرنویدبخش کوچکی از آسمان گرفته شد. بسیاری انتظار داشتند که جز سیاهی چیز دیگری در عکس ثبت نشود‌؛ اما نوردهی طولانی‌مدت، هزاران ستاره و کهکشان چشمک‌زن را نشان داد که قدیمی‌تر از تصور هر کس بودند. این عکس فریبنده، درست مانند کشف تصادفی فوتون‌های باقی‌مانده از بیگ بنگ یا همان تابش زمینه کیهانی در دهه‌ی ۱۹۶۰، حوزه‌ی کیهان‌شناسی را دگرگون کرد.

فریدمن می‌گوید: «هروقت ابزاری جدید، پنجره‌ی رصدی تازه‌ای را باز می‌کند، جهانی از احتمالات را به‌وجود می‌آورد» و تلسکوپ فضایی جیمز وب نیز از این قاعده مستثنی نیست. او می‌افزاید: «تقریباً تمام رشته‌های نجوم قرار است چیزهای جدید یاد بگیرند. سپس اکتشافاتی رخ خواهد داد که هیچ‌کس اصلاً انتظارشان را ندارد و آن‌ها گاهی‌اوقات لذت‌بخش‌ترین هستند.»

ماده تاریک شکل اسرارآمیزی از ماده است که وجود آن را فقط از اثرات گرانشی آن می‌توانیم استنباط کنیم. تصور می‌شود که این ماده تقریباً ۸۵ درصد از کل ماده موجود در جهان را تشکیل می‌دهد؛ اما ما نمی‌دانیم ماده تاریک اگر واقعا از ذرات تشکیل شده، از کدام نوع آن‌ها ساخته شده است. درحال‌حاضر فکر می‌کنیم ماده تاریک «سرد» است؛ بدین معنا که به آرامی حرکت می‌کند و این سرعت پایین به توده‌های کوچک امکان می‌دهد تا دراثر گرانش خود گرد هم آیند و به ساختارهای عظیم‌تری به نام «هاله» تبدیل شوند. در بهترین تصویر کنونی ما از چگونگی تکامل جهان، ماده تاریک به تراشیدن پیکره‌ی جهان کمک کرد؛ زیرا هاله‌ها گازی را جذب می‌کردند که با تجمع و فروپاشی، ستارگان و کهکشان‌ها را شکل داد.

هاله‌های ماده تاریک در اندازه‌های مختلف، از یک کوادریلیون جرم خورشید گرفته تا به کوچکی جرم زمین وجود دارند. وقتی هاله‌ها سبک‌تر از ۱۰ میلیون جرم خورشیدی باشند، نمی‌توانند گاز کافی برای تشکیل کهکشان‌ها جذب کنند. براساس درک ما از تکامل کیهانی، آن‌ها به‌عنوان توده‌های نامرئی کوچک ماده تاریک وجود دارند که در این صورت احتمالاً در احاطه‌ی بسیاری از این هاله‌های کوچک‌تر قرار گرفته‌ایم.

آنا نیرنبرگ، فیزیکدان در دانشگاه کالیفرنیا مرسد و همکارانش تلاش خواهند کرد با نگاه‌کردن به اختروش‌ها، فرضیه‌ی یادشده و به تبع آن، ایده‌ی سرد و کند بودن ماده تاریک را آزمایش کنند. در این مورد، نور منتشرشده از اختروش‌‌ها، دراثر گرانش هاله‌ی کوچک و بدون کهکشان ماده تاریک خم و به عدسی تبدیل می‌شود. درنتیجه، نور به‌گونه‌ای می‌شکند که تصاویر تکراری را در تلسکوپ ایجاد خواهد کرد؛ یعنی همان چیزی که نیرنبرگ و همکارانش به‌دنبال آن هستند. او می‌گوید شناسایی هاله‌های کوچک موفقیت بزرگی برای مدل کنونی خواهد بود. از طرف دیگر، «نبود این هاله‌ها بدان معنی خواهد بود که ماده تاریک نمی‌تواند سرد باشد، بلکه باید ماهیتی ناآشناتر داشته باشد.»

سحابی خرچنگ از نگاه تلسکوپ فضایی هابل.

ستارگان خورشیدمانند وقتی می‌میرند، نسبتاً بی‌صدا خاموش می‌شوند. اما ستارگان پرجرم‌تر با ورود به مرحله‌ای از انفجارهای شدید و خیره‌کننده به نام «ابرنواختر هسته نابودگر» به پایان عمرشان می‌رسند. این آتش‌بازی‌های کیهانی مقادیر زیادی انرژی به محیط اطراف خود تزریق و همان‌طور که امواج ضربه‌ای ناشی از انفجار، مواد میان‌ستاره‌ای را گرم و یونیزه می‌کند، موجب شکل‌گیری نسل‌های جدیدی از ستارگان می‌شوند. ابرنواختر همچنین با آزادکردن تمام انواع عناصر شیمیایی، ابرهای گازی را که پدید‌آورنده‌ی سیاره‌های نظیر ما هستند، غنی از مواد تشکیل‌دهنده‌ی ما می‌کند.

ما همیشه ابرنواخترها را می‌بینیم و می‌دانیم ستارگانی با جرم دست‌کم هشت برابر خورشید، در این انفجارها به زندگیشان پایان خواهند داد. در مقطعی، هسته‌ی ستاره دیگر قادر به تحمل وزن لایه‌های بیرونی خود نیست و موجب فروپاشی و انفجار ستاره می‌شود. آنچه نمی‌دانیم این است که مکانیسم‌های این انفجار چیست یا به عبارت دیگر، ستارگان عظیم دقیقاً چگونه بدین شکل منفجر می‌شوند.

برای ستارگان کلان‌جرم واقع در حد پایین بازه‌ی جرمی که می‌تواند به ابرنواختر منتهی شود، دو مدل وجود دارد. در مدل «گیراندازی الکترون»، ستاره هسته‌ای متشکل از اکسیژن، نئون و منیزیم دارد که به‌وسیله‌ی فشار الکترون‌های این اتم‌ها نگه داشته می‌شود. این فشار حاصل یک قانون مکانیک کوانتومی است که بیان می‌دارد تمام آن ذرات نمی‌توانند حالت انرژی یکسانی به خود اختصاص دهند.

بااین‌حال، اگر هسته بیش از حد متراکم شود، هسته‌ی اتم‌های نئون و منیزیم می‌توانند در واکنشی که گیراندازی الکترون نامیده می‌شود، الکترون‌هایشان را جذب کنند. این فرایند، فشار را کاهش می‌دهد و به فروپاشی گرانشی لایه‌های بیرونی ستاره و درنهایت انفجار منجر می‌شود.

فرضیه‌ی دیگر، مدل فروپاشی هسته آهنی است. در این وضعیت، هسته‌ای آهنی تشکیل می‌شود و ازآنجاکه آهن عنصری بسیار پایدار است، نمی‌تواند با عناصر دیگر ترکیب شود و انرژی آزاد کند؛ درنتیجه واکنش‌های هسته‌ای دیگر نمی‌توانند گرانش را متعادل کنند و درنهایت فروپاشی و احتراق در پی می‌آید. مشاهده‌ی آنچه در لحظه‌ی انفجار درون ستاره می‌گذرد، غیرممکن است؛ زیرا لایه‌های بیرونی، مانع از دیدن هسته می‌شوند.

اما تی تمیم، اخترفیزیکدان دانشگاه پرینستون برای درک بهتر معما، از تلسکوپ جیمز وب استفاده خواهد کرد تا با نگاهی دقیق‌تر به سحابی خرچنگ، باقی‌مانده‌ی انفجار ابرنواختر ستاره‌ای را در بازه‌ی جرمی ۸ تا ۱۰ برابر خورشید ببیند. این ابرنواختر که در سال ۱۰۵۴ به‌دست اخترشناسان ثبت شد، یکی از بررسی‌شده‌ترین اجرام نجومی در تمام دوران‌ها محسوب می‌شود. بااین‌حال اگر نگاهی نزدیک‌تر به آن بیندازیم، ممکن است بتوانیم به نحوه‌ی انفجارش پی ببریم؛ زیرا هر یک از دو مکانیسم احتمالی انفجار، نشانه‌هایی از خود به جا می‌گذارند: نسبت متفاوت آهن به نیکل پایدار در هر مورد و توزیع متفاوت آهن در موادی که ستاره به بیرون پرتاب می‌کند. تمیم می‌گوید: «[سحابی] خرچنگ ساختار یونیزاسیون بسیار پیچیده‌ای دارد. فقط تلسکوپ فضایی جیمز وب دارای وضوح کافی است تا دو نشانه‌ی احتمالی انفجار ستاره در سحابی را از یکدیگر تشخیص دهد.

ما خوش‌شانس هستیم که سیاره‌مان جهانی سرسبز مملو از دریاچه‌ها، رودخانه‌ها و آبشارها است. بااین‌حال با توجه به درک کنونی‌مان از تاریخ منظومه شمسی، نقطه آبی کم‌رنگمان هنگام شکل‌گیری اصلاً آبی نبود. زمین وقتی تقریباً ۴٫۵ میلیارد سال پیش از گردابی از گاز و غبار به‌وجود آمد، در داخل «خط یخبندان» خورشید قرار داشت؛ محدوده‌ای دور از خورشید که دمای پایین آن، موجب یخ‌زدگی تمام آب‌ها می‌شود.

همچنین آن زمان خورشید در مقایسه با امروز، انرژی بیشتری پرتاب می‌کرد و این فشار تابش می‌توانست تمام بخار آب نزدیک به زمین را به پشت خط یخبندان براند. تمام این‌ها یعنی تا آنجا که می‌دانیم، مواد تشکیل‌دهنده‌ی زمین حاوی هیچ آبی نبودند. درنتیجه به‌گفته‌ی ایزابل ربولیدو، اخترفیزیکدان در مؤسسه علوم تلسکوپ فضایی، «آب زمین باید از جایی دیگر آمده باشد.»

دانشمندان سیاره‌شناس بر این باورند که آب احتمالاً بعداً در دوره‌ای به نام «بمباران سنگین پسین» به‌وسیله‌ی سیارک‌ها یا دنباله‌دارها به زمین رسید. تصور می‌شود که تأثیرات غیرمستقیم حرکت سیاره‌های غول گازی در محدوده‌ی بیرونی منظومه شمسی، با راندن بقایای حاوی یخ به داخل، آب را به زمین رسانید و در این میان، بسیاری از دهانه‌های روی ماه را به‌وجود آورد.

ربولیدو از تلسکوپ فضایی جیمز وب استفاده خواهد کرد تا پنج منظومه‌ی سیاره‌ای را بررسی کند که در مرحله‌ی مشابهی از تکامل به‌سر می‌برند؛ یعنی وقتی که غول‌های گازی شکل گرفته‌اند و حرکات آن‌ها، مواد اطراف را به‌هم می‌ریزد. ربولیدو می‌گوید: «یک توضیح احتمالی برای گاز شناسایی‌شده در مناطق داخلی منظومه‌های سیاره‌ای، تبخیر اجسام جامد و یخی فرستاده‌شده از نواحی بیرونی است.» هدف ساده است: به‌دنبال آب در منطقه‌ی میانی باشید. اگر آب آنجا باشد، می‌توان نتیجه گرفت که اجسام یخی واقعاً می‌توانند از نواحی بیرونی منظومه شمسی به سیاره‌های سنگی درون خط یخبندان برسند و به جهان‌های بایر امکان دهند به نقاط آبی کم‌رنگ تبدیل شوند.

چشم‌انداز حیات در سیاره‌های فراتر از زمین از قرن‌ها پیش ما را مجذوب خود کرده است. به‌لطف تلسکوپ فضایی جیمز وب اکنون می‌توانیم حیات بیگانه را با بررسی «آثار زیستی» در جو سیاره‌های فراخورشیدی، جستجو کنیم. اگر ترکیبات خاصی از مولکول‌ها، مثلاً متان و دی‌اکسید کربن در جو وجود داشته باشد، نشانه‌ای از وجود حیات در آنجا است. اما برای شروع، سیاره باید جو داشته باشد.

ما ترکیب شیمیایی جو سیاره‌های فراخورشیدی را با تکنیک گذار مشخص می‌کنیم: وقتی سیاره‌ای از مقابل ستاره‌ی میزبان خود گذر می‌کند، مولکول‌های مختلف جو با نور ستاره برهم‌کنش می‌کنند و تابش فروسرخ را در طول موج‌های خاصی که اثر انگشت آن مولکول‌ها را تشکیل می‌دهند، ساطع یا جذب می‌کنند. طیف‌سنج تلسکوپ جیمز وب به این اثر انگشت‌ها حساس است؛ بدین معنی که می‌تواند تشخیص دهد کدام مولکول‌ها وجود دارند. مگان منسفیلد، اخترشناس از دانشگاه آریزونا می‌گوید: «جیمز وب تلسکوپی کاملاً انقلابی خواهد بود؛ زیرا تلسکوپ‌های هابل و اسپیتزر محدوده‌ی طول موج نسبتاً محدودی داشتند و درنتیجه نمی‌توانستند عناصر چندانی را در جو سیاره‌ها اندازه بگیرند.»

برای آنکه روش گذار کار کند، سیگنال جو سیاره باید دربرابر سیگنال بسیار درخشان‌تر ستاره قابل تشخیص باشد. حتی با وجود توانایی‌های بی‌سابقه‌ی جیمز وب، یافتن آثار زیستی احتمالاً فقط برای سیاره‌هایی که به دور ستاره‌های خنک و کم‌جرم موسوم به کوتوله‌های ام می‌چرخند، امکان‌پذیر خواهد بود. خوشبختانه، گروهی از سیاره‌های فراخورشیدی جذاب درمعرض دید ما قرار دارند. به‌عنوان مثال، منظومه‌ی تراپیست ۱، مجموعه‌ای از هفت سیاره‌ی سنگی که در سال ۲۰۱۶ کشف شد، میزبان جهان‌هایی است که بهتر از هر منظومه‌ی دیگری که می‌شناسیم، قادر به حفظ آب مایع هستند.

منسفیلد می‌گوید نکته‌ی مهم این است که ما نمی‌دانیم سیاره‌های تراپیست یا هر جهان دیگری که به دور کوتوله‌های ام می‌چرخد، می‌تواند جو خود را به‌مدت کافی حفظ کند تا حیات به‌وجود آید یا خیر. ازآنجاکه کوتوله‌های ام بسیار فعال‌تر از ستارگانی مانند خورشید هستند و مقادیر زیادی تابش‌های پرانرژی منتشر می‌کنند، می‌توانند جو را از سیاره‌هایشان دور کنند.

یکی از سودمندترین کارهایی که تلسکوپ فضایی جیمز وب می‌تواند برای جستجوی حیات فرازمینی انجام دهد، این است که مشخص کند آیا سیاره‌های فراخورشیدی اطراف کوتوله‌های ام اصلاً جو دارند یا خیر. کوین استیونسن، اخترشناس از دانشگاه جانز هاپکینز در مریلند، پنج سیاره فراخورشیدی چرخان به‌دور نزدیک‌ترین کوتوله‌های ام ازجمله یکی از جهان‌های منظومه تراپیست را رصد خواهد کرد. جو سایر سیاره‌های تراپیست به‌عنوان بخشی از دیگر پروژه‌های جیمز وب رصد خواهد شد. استیونسن می‌گوید: «اگر هیچ کدام از این پنج سیاره جو نداشته باشند، می‌فهمیم که جو در سیاره‌های اطراف کوتوله ام نادر است و باید بررسی سیاره‌های پیرامون اطراف دیگر ستاره‌ها را آغاز کنیم.»

از سوی دیگر، اگر موفق به شناسایی جو شویم، کاندیداهای خوبی برای بررسی‌های بیشتر خواهیم داشت. حتی در این صورت، اینکه قادر باشیم نشانه‌های ضعیفی از حیات بیگانه را با جیمز وب تشخیص دهیم یا خیر. نامعلوم خواهد بود. استیونسن می‌گوید: «نمی‌دانم در ۱۰ سال آینده به آنجا خواهیم رسید یا خیر؛ اما تلاش خودمان را خواهیم کرد.»

آر اس پاپیس، یکی از درخشان‌ترین ستارگان قیفاووسی در راه شیری از نگاه تلسکوپ فضایی هابل.

ما در جهانی درحال انبساط زندگی می‌کنیم؛ جایی که کهکشان‌ها با سرعتی به نام ثابت هابل از یکدیگر دور می‌شوند. این مسئله را می‌توان به‌طور مستقیم، با تعیین فواصل تا اجرام نجومی دوردست یا به‌طور غیرمستقیم، با ترکیب مشاهدات از جهان اولیه با بهترین نظریه‌ی ما درباره‌ی چگونگی تکامل کهکشان، اندازه‌گیری کرد. اما مشکل این است که این دو اندازه‌گیری ناسازگار هستند.

مدل کیهان‌شناسی کنونی ما فرض می‌گیرد که جهان از تابش، ماده (شامل ماده تاریک سرد) و انرژی تاریک تشکیل شده است؛ شکلی اسرارآمیز از انرژی که تصور می‌شود مسئول انبساطی است که مشاهده می‌کنیم. کیهان‌شناسان با ثبت داده‌ها از تابش باقی‌مانده از بیگ بنگ که با عنوان «تابش زمینه کیهانی» شناخته می‌شود، تخمین می‌زنند که جهان با سرعت ۶۷ کیلومتر بر ثانیه در هر مگاپارسک منبسط می‌شود. (مگاپارسک مسافتی برابر با ۳٫۲۶ میلیون سال نوری است.) بااین‌حال وقتی اخترشناسان، ثابت هابل را از رصد اجرام دور اندازه می‌گیرند، به مقدار ۷۳ کیلومتر بر ثانیه در هر مگاپارسک دست می‌یابند.

این اختلاف که با عنوان «تنش هابل» شناخته می‌شود، می‌تواند نشان دهد که در درک ما از تکامل کیهانی، یک چیز به‌طور جدی اشتباه است. بااین‌حال مدل استاندارد کیهان‌شناختی بسیار موفق است و تمام انواع مشاهدات را دربرمی‌گیرد؛ درنتیجه برای کنارگذاشتن آن به دلیل بسیار خوبی نیاز خواهیم داشت.

تلسکوپ فضایی جیمز وب سرانجام می‌تواند معما را حل کند. اخترشناسان برای به‌دست‌آوردن مقدار ثابت هابل، «نردبان فاصله کیهانی» را به‌کار می‌گیرند؛ مجموعه‌ای از روش‌ها که شامل استفاده از ستاره‌هایی به نام «قیفاووسی‌ها» است. این ستارگان که روشنایی‌شان با سرعتی مرتبط با قدر مطلق آن‌ها در نوسان است، به امکان می‌دهند تا فاصله‌شان از خود را اندازه‌گیری کنیم. سپس با استفاده از دیگر «شمع‌های استاندارد» مانند ابرنواخترها به پله‌ی بعدی نردبان می‌رویم تا فاصله تا کهکشان‌های نزدیک و درنهایت تا لبه‌ی جهان مشاهده‌پذیر را محاسبه کنیم.

برای اطمینان از دقیق‌بودن این اندازه‌گیری‌ها، باید عدم قطعیت را در هر مرحله کاهش دهیم. برای درک این عدم قطعیت‌ها، وندی فریدمن، اخترشناس از دانشگاه شیکاگو قصد دارد فاصله تا کهکشان‌های مشابه را با به‌کارگیری انواع شمع‌های استاندارد اندازه‌گیری کند. به‌عنوان مثال، قیفاووسی‌ها اغلب در احاطه‌ی دیگر ستارگان جوان هستند. تصاویر واضح‌تر ارائه‌شده با تلسکوپ فضایی جیمز وب به تشخیص سهم نور اندازه‌گیری‌شده‌ی قیفاووسی‌ها نسبت به همسایگانشان کمک می‌کند. علاوه‌براین، حساسیت بالاتر به ما امکان می‌دهد تا قیفاووسی‌ها را در کهکشان‌های دورتر ببینیم. فریدمن اندازه‌گیری‌های قیفاووسی را با دیگر روش‌های مخصوص اندازه‌گیری فاصله تا سایر کهکشان‌ها ترکیب خواهد کرد تا بهتر دریابیم که محاسباتمان برای ثابت هابل را تا چه حد دقیق می‌توانیم درنظر بگیریم.

به‌منظور پرداختن به همین موضوع، شری سویو، اخترفیزیکدان دانشگاه فنی مونیخ، درعوض به چشمک‌زدن اختروش‌ها نگاه می‌کند. وقتی جرمی عظیم مانند کهکشانی دیگر بین ما و اختروش وجود دارد، گرانش آن می‌تواند مانند عدسی عمل کند و به تشکیل تصاویر متعدد از اختروش در تلسکوپ‌های ما منجر شود. در رسیدن چشمک اختروش به تصاویر مختلف، تأخیر وجود دارد؛ زیرا هر کدام دراثر پدیده‌ی «همگرایی گرانشی»، مسیر نوری متفاوتی دارند. این تاخیرها نه‌تنها به فاصله‌ی اختروش، بلکه به پتانسیل گرانشی کهکشان عدسی نیز مربوط می‌شوند. سویو با اندازه‌گیری سرعت ستارگان در کهکشان عدسی به‌وسیله‌ی جیمز وب، می‌تواند توزیع جرم آن را درک کند و درنتیجه هنگام برآورد ثابت هابل از تاخیرهای زمانی چشمک اختروش، پتانسیل گرانشی کهکشان را بهتر اصلاح کند.

اگر این روش‌های مستقل برای تعیین فاصله، به مقدار یکسان برای ثابت هابل برسند، خواهیم فهمید که اندازه‌گیری نجومی قدرتمند است. در صورتی که دانشمندان با مقدار هابل از مدل کیهان‌شناسی به توافق برسند، تنش هابل ناپدید می‌شود. فریدمن می‌گوید: «اگر واقعاً نشان دهیم که مدل استاندارد کار می‌کند، به نتیجه‌ای بسیار مهم دست خواهیم یافت.» بااین‌حال اگر معیارهای نجومی با مدل کیهان‌شناسی متفاوت باشد، چه؟ سویو می‌گوید: «در صورتی که معلوم شود این فیزیک جدیدی است، واقعاً جالب خواهد بود. اگر چنین شود، می‌خواهم مطمئن شوم که حق با ما است.»