المشاريع الضخمة
JWST – تلسكوب جيمس ويب الفضائي
التعمق أكثر في الكون
بعض المشاريع الضخمة تشمل بنى تحتية هائلة، مثل، على سبيل المثال، الدائرة ذات القطر 27 كيلومتر لمسرع الجسيمات في سيرن أو تجربة النيوترينوز بطول 800 ميل لمشروع DUNE.
يمكن اعتبار مشاريع أخرى كضخمة ليس بسبب حجمها بل بسبب تعقّها الهائل، وتكاليفها، ومدى تحولها في فهمنا للكون.
مثال جيد على ذلك هو تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST). هذا التلسكوب القائم على الفضاء ويعمل بالأشعة تحت الحمراء هو الأقوى والأكبر على الإطلاق. سُمي التلسكوب على اسم جيمس إي. ويب، المدير الأسطوري لناسا من 1961 إلى 1968 خلال برامج ميركوري وجيميني وأبولو.
المصدر: NASA
يُعد JWST قويًا لدرجة أنه يمكنه مساعدتنا في رصد أول النجوم التي اشتعلت في الكون واكتشاف كواكب خارجية محتملة الصلاحية للعيش. ولتحقيق هذه النتائج، عمل العلماء والمهندسون على دفع حدود ما يمكن للتلسكوبات تحقيقه.
لماذا وضع تلسكوب في الفضاء؟
أول شيء يجب فهمه حول تلسكوب جيمس ويب الفضائي هو لماذا يحتاج إلى أن يكون في الفضاء أصلاً. فرفع آلات معقدة إلى الفضاء أصعب بكثير من بناء نفس الشيء على الأرض.
بالخروج من الغلاف الجوي، يمكن للتلسكوبات الحصول على رؤية للكون غير متأثرة بتلوث الضوء، والاضطراب الجوي، وبالطبع السحب وأنماط الطقس.
هذا هو السبب في أن تلسكوب هابل الصغير نسبيًا كان يؤدي أداءً جيدًا مقارنةً بالتلسكوبات الأرضية. لكن هذا كان أكثر أهمية لتلسكوب JWST، حيث يقيس ليس الضوء المرئي بل الأشعة تحت الحمراء.
يبخر بخار الماء في غلاف الأرض الجوي الأشعة تحت الحمراء. تُوضع التلسكوبات الأرضية التي تعمل تحت الحمراء عادةً على جبال عالية وفي مناخات جافة لتحسين الرؤية، لكن هذا لا يزال غير مثالي ويخلق حدًا جوهريًا لما يمكنها رصده.
يُعد JWST أحدث وأقوى بكثير في سلسلة من التلسكوبات الفضائية تحت الحمراء، بعد القمر الصناعي الفلكي تحت الأحمر (IRAS)، تلسكوب سبيتزر الفضائي، ومستكشف الأشعة تحت الحمراء واسع المجال (WISE).
أُطلق JWST في عام 2021 على صاروخ أريان 5 الفرنسي، من غويانا الفرنسية. بعد شهر، وصل إلى وجهته، نقطة لاجرانج الشمس-الأرض L2، على بعد حوالي 1.5 مليون كيلومتر (930,000 ميل) من الأرض.
نقاط لاجرانج هي مواضع في الفضاء تبقى ثابتة مقارنةً بالأرض، رغم أنها ليست في مدار الأرض. حاليًا، تُستخدم نقطة لاجرانج أخرى (L1) من قبل DSCOVR: مرصد المناخ في الفضاء العميق.
المصدر: NOAA
موقع JWST يعني أنه يمكنه رصد أي نقطة تقريبًا في السماء طوال العام، طالما أنها ليست في اتجاه الأرض أو الشمس؛ 39٪ من السماء يمكن رؤيتها محتملًا لـ Webb في أي وقت.
لماذا استخدام الملاحظة تحت الحمراء؟
الأجسام البعيدة
بالنسبة للأجسام البعيدة جدًا في الكون، يحدث ظاهرة تُسمى “الانزياح الأحمر”، تنقل ضوءها نحو الأشعة تحت الحمراء. لذا، أي رصد للجزء العميق (والقديم) من الكون يجب أن يتم في نطاق الضوء تحت الأحمر.
المصدر: SciTech Daily
بسبب هذه الظاهرة، كان هابل لا يستطيع رؤية أبعد من مسافة معينة والعودة إلى زمن تكوّن أول المجرات. من خلال النظر إلى تحت الحمراء، يستطيع JWST رؤية أبعد في تاريخ الكون إلى أول تكوّن للنجوم.
الكواكب الخارجية
تتمتع الملاحظات تحت الحمراء بميزة أخرى، تتعلق بتحليل الكواكب الخارجية هذه المرة. سيحمل JWST نظامًا يُسمى “كوروناغراف”: سيحجب الضوء القادم من نجم، مما يسمح لنا برؤية الأجسام الأقل سطوعًا التي تدور حوله مثل الكواكب الخارجية الصغيرة.
ستكون صورة الكوكب الخارجي مجرد نقطة، ليست بانوراما واسعة.
المصدر: NASA
مع ذلك، يمكن تحليل الضوء من تلك النقطة عبر طريقة تُسمى التحليل الطيفي، والتي يمكن أن تخبرنا بتركيب غلاف جو هذه الكواكب الخارجية. في أطوال موجية تحت الحمراء، تحتوي جزيئات الغلاف الجوي على أكبر عدد من الميزات الطيفية، لذا سنحصل على معلومات أكثر بكثير مقارنةً باستخدام الضوء المرئي.
من خلال هذه الطريقة، يمكننا ليس فقط تحديد ما إذا كانت الكواكب في أنظمة شمسية أخرى تحتوي على ماء وثاني أكسيد الكربون، بل أيضًا على الميثان، الأمونيا، أو جزيئات معقدة قد تشير إلى حياة فضائية.
مقارنة JWST مع هابل
فيما يتعلق بقدرة الرصد، يركز JWST في المقام الأول على الضوء القريب تحت الأحمر، لكنه يمكنه أيضًا رؤية الضوء البرتقالي والأحمر المرئي، ونطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة، حسب الأداة المستخدمة.
يمكنه اكتشاف أجسام أضعف بـ 100 مرة مقارنةً بما كان هابل يستطيع رصده. وفي كثير من الحالات، يُستخدم للعودة إلى الأجسام التي كشفها هابل في البداية للحصول على رؤى جديدة عنها.
مع ذلك، ستكون حدة الصورة مماثلة لهابل بسبب أن الصور تحت الحمراء بطبيعتها أقل حدة من الضوء المرئي بسبب الأطوال الموجية الأطول.
اختلاف آخر بين التلسكوبين الأيقونيين هو أن JWST يستطيع رؤية خلال سحب الغاز التي تحجب الضوء المرئي، لكن ليس تحت الحمراء. لذا فإن نسخة JWST من صورة “أعمدة الخلق” الشهيرة في سديم النسر، تكشف عن العديد من النجوم داخل وحول الأعمدة.
المصدر: Webb Telescope
مواصفات JWST
يحمل JWST مرآة أساسية بطول 6.5 متر (21 قدم) مغطاة بالذهب ومصنوعة من البيريليوم، مكوّنة من 18 مرآة سداسية منفصلة، ما يمنحه مظهره الأيقوني.
كل واحدة من هذه المرايا تزن 20 كغ (44 رطل). يغطي الطلاء الذهبي بسمك 100 نانومتر الضوء تحت الأحمر ويُغطى بالزجاج لجعله مقاومًا بما فيه الكفاية. هذا يمنحه مساحة جمع ضوء أكبر بـ 6 مرات من هابل. في المجموع، استُخدم فقط 48.25 غ من الذهب (1.7 أونصة).
المصدر: NASA
على عكس هابل، لم يُصمم Webb ليتم صيانته من قبل رواد الفضاء، بسبب بُعده الكبير عن الأرض. نتيجة لذلك، جميع المكونات الفرعية الحرجة مزدوجة، مثل وجود كاميرتين تحت الحمراء، أو صُممت لتدوم لسنوات عديدة مثل المرايا.
من المتوقع أن يدوم JWST على الأقل 5 سنوات، مع هدف 10 سنوات من العمليات. ومع ذلك، لديه ما يكفي من الوقود (للبقاء في نقطة لاجرانج) لإجمالي 20 سنة، لذا قد يدوم أطول إذا لم يتعطل أي جزء أساسي.
ميزانية JWST
في المجموع، تكلفة تلسكوب جيمس ويب الفضائي تجاوزت 11 مليار دولار، أكثر من 10 أضعاف التقدير الأولي لناسا لهذا المشروع. أدى هذا الانفجار في السعر إلى تهديد جدوى المشروع في العقد 2010، حيث ارتفعت الميزانية آنذاك إلى “فقط” 6.5 مليار دولار.
أُضيف تأخير الإطلاق المخطط له في البداية لعام 2014، والذي تأخر في النهاية 7 سنوات، إلى الانتقادات.
“السبب الجذري الأساسي للمشكلة هو أنه في وقت (الموافقة الرسمية للبرنامج)، الذي يعود إلى يوليو 2008، كانت الميزانية التي قدمتها لناسا من قبل مكتب المشروع أساسًا معيبة”، قال ذلك للصحفيين في مؤتمر هاتف بعد الظهر.
الميزانية ببساطة لم تتضمن المحتوى الذي كان المشروع يعرفه في ذلك الوقت. وبالتالي من منظور المال، كانت غير كافية للقيام بالعمل.
جون كاساني، مدير مشروع محترم في مختبر الدفع النفاث لناسا
على الرغم من أن المشروع استغرق ما يقرب من عقدين من التصميم والبناء، إلا أنه لم يتجاوز أبدًا 3٪ من ميزانية NASA السنوية. ومع ذلك، استهلك ثلث ميزانية قسم الفيزياء الفلكية في NASA بين 2003-2021.
والآن بعد أن أصبح JWST أحد أكثر البرامج تاريخيًا إبهارًا ونجاحًا في علم الفلك، تُنسى معظم هذه النقاشات.
الهندسة المذهلة لـ JWST
فقدان بعض الوزن
كانت المشكلة الأولى التي واجهها المصممون هي أن مرآة بهذا الحجم ستكون ثقيلة جدًا. إذا كانوا قد أعادوا استخدام تصميم هابل، لكانت ثقيلة جدًا لإطلاقها إلى الفضاء.
لهذا تم اختيار البيريليوم، الذي يجمع بين القوة والخفة. عامل آخر كان درجة الحرارة القصوى للفضاء العميق، التي يمكن أن تشوه الشكل الدقيق للمرآة.
كان البيريليوم خيارًا جيدًا أيضًا لأنه لا يغير شكله عندما يكون باردًا جدًا. لذا صُنعت المرايا بزاوية “خاطئة”، بحيث تنحني إلى الشكل النهائي المقصود عندما تتعرض لبرودة الفضاء (-233°C/-388°F).
المصدر: JWST
ستُمحاذَ كل مرآة في النهاية بدقة تعادل 1/10,000 من سمك شعرة الإنسان.
تم اختيار مواد فائقة الخفة مثل المركبات للهيكل العظمي للتلسكوب، مما وفر وزنًا إضافيًا.
المصدر: NASA
الطي
مشكلة أخرى كبرى كانت أن الحجم الهائل لمرآة التلسكوب المطلوبة بهذا التصميم لن يتسع في أي صاروخ متاح.
لذلك تقرر في البداية فكّ المكوّنات هيكليًا قطعةً بقطعة، بما في ذلك درع الشمس والمرآة. كان لا يزال هناك قلق حول كيفية طيّ كل ذلك بكفاءة وضمان فتحه بشكل موثوق.
استلهم علماء ناسا الفكرة من الأوريغامي، فن الفن الياباني لطي الورق، واختاروا نمطًا سداسيًا للأوريغامي.
كان هذا قرارًا عالي المخاطر لفريق تصميم جيمس ويب، حيث لم يُجرَ أي طي معقد من قبل. وأي فشل كان سيقضي على المشروع بأكمله.
يمكنك مشاهدة كيفية عمل الفتح خطوة بخطوة في هذا الفيديو القصير لـ JWST:
درع الشمس
نظرًا لأن التلسكوب يراقب أهدافه تحت الحمراء، كان حمايةه من حرارة الشمس أمرًا أساسيًا بقدر ما كان جعل المرايا خفيفة ومفتوحة بشكل صحيح.
يحافظ درع الشمس الخاص بـ JWST على الفرق بين الجانب الساخن والبارد من التلسكوب عند حوالي 315°C/600°F، بفضل عزل من 5 طبقات.
درع الشمس بحجم ملعب تنس ومصنوع من طبقات من كابتون E (فيلم بوليميد) مع طلاءات من الألمنيوم والسيليكون المدمج لعكس حرارة الشمس إلى الفضاء.
الاتصالات
ينقل JWST بياناته ويستقبل التعليمات من الأرض عبر شبكة الفضاء العميق التابعة لناسا. تمر عبر محطات أرضية في كانبيرا، مدريد، وجولدستون.
يمكن لـ Webb تنزيل ما لا يقل عن 57.2 جيجابايت من البيانات العلمية المسجلة كل يوم، بأقصى معدل نقل بيانات يبلغ 28 ميغابت في الثانية.
المصدر: Webb Telescope
مكونات أخرى
بقية التلسكوب لم تكن أقل تقنية وأداءً. يمكن الإشارة إلى بعض المعدات على النحو التالي:
- Cryocooler: تحتاج مستشعرات الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (MIRI) في JWST إلى العمل عند -266.15°C/-447°F، أبرد من أعماق الفضاء نفسها. لذا أضيف نظام تبريد إضافي لتبريد الجهاز.
- Backplane: الهيكل العظمي للتلسكوب يزن 2.4 طن (5,300 رطل) ويوفر الوضع الثابت المطلق اللازم للتلسكوب لالتقاط صور حادة. صُنع ليكون ثابتًا حتى 32 نانومتر، وهو ما يعادل 1/10,000 قطر شعرة الإنسان.
- Micro-shutters: هذه الشبكة التي تتألف من 248,000 باب صغير يمكن فتحها وإغلاقها فرديًا لنقل أو حجب الضوء. يتيح ذلك لـ JWST رصد مئات الأجسام الفردية في حقل من النجوم أو المجرات في آن واحد. نتيجة لذلك، يمكن لـ JWST إجراء عدد أكبر بكثير من الملاحظات خلال فترة زمنية معينة.
إنجازات JWST
على الرغم من تشغيله لعدة سنوات قليلة فقط، غيّر JWST تمامًا طريقة فهم الفلكيين للكون. لذا، رغم صعوبة سرد كل ما أنجزه، هناك بعض القصص التي تستحق الإبراز.
انتشار الكربون المشكل حديثًا
حدد JWST نجمتين مسؤولتين عن توليد غبار غني بالكربون على بعد 5,000 سنة ضوئية فقط في مجرتنا درب التبانة. رصد أصدافًا كروية متحدة المركز تشكلت نتيجة تصادم رياح شمسية من النجمتين، مما يوزع الكربون المشكل حديثًا في المجرة.
المصدر: Webb Telescope
كل صَدفة تتسارع بعيدًا عن النجمتين بسرعة تزيد عن 1,600 ميل في الثانية (2,600 كيلومتر في الثانية)، أي ما يقرب من 1٪ من سرعة الضوء. في هذا النظام، يُظهر المرصد أن أصداف الغبار تتوسع من سنة إلى أخرى.
اكتشفت الصور تحت الحمراء المتوسطة للتلسكوب أصدافًا استمرت لأكثر من 130 سنة. الأصداف الأقدم تلاشت إلى درجة أنها أصبحت خافتة جدًا لدرجة عدم إمكانية اكتشافها.
جينيفر هوفمان، مشاركة مؤلفة وأستاذة بجامعة دنفر
الأجسام النشطة عند حافة نظامنا الشمسي
يكشف JWST عن انبعاث غاز من “سنتور 29P/شواسمان-واخمان”، جسم شبيه بالمذنب في محيط نبتون.
اكتشفوا نفثًا جديدًا من أول أكسيد الكربون (CO) ونفثات غير مرئية سابقًا من ثاني أكسيد الكربون (CO2)، مما يقدّم أدلة جديدة حول طبيعة نواة هذا الجسم النجمي.
المصدر: Webb Telescope
صورة لكواكب خارجية قريبة
التقط JWST صورة مباشرة لكوكب خارجي على بعد 12 سنة ضوئية فقط منا، إبسيلون إندي أب. الكوكب يزن عدة أضعاف كتلة المشتري، يدور حول نجم يشبه شمسنا إلى حد ما.
إنه أحد أبرد الكواكب الخارجية التي تم اكتشافها مباشرة، مع متوسط درجة حرارة مقدرة بـ 2°C/35°F (للمقارنة، متوسط درجة حرارة الأرض 15°C (59°F)).
“الكواكب الباردة ضعيفة جدًا، ومعظم انبعاثها يكون في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة.
إنه أكثر دفئًا قليلًا وأكثر كتلة، لكنه يشبه المشتري أكثر من أي كوكب آخر تم تصويره حتى الآن.
إليزابيث ماثيوز من معهد ماكس بلانك للفلك في ألمانيا
جزيئات معقدة في الكواكب المتكونة
في قرص بروتوبلانتي يتشكل حول نجم يبعد 1,350 سنة ضوئية في سديم أوريون، رصد JWST أيون الميثيل (CH3+).
في الوقت نفسه، قد يكون الكوكب الخارجي K2-18 b كوكبًا “هايشيان”، أي أنه قد يمتلك غلافًا جويًا غنيًا بالهيدروجين وسطحًا مغطى بالمياه.
الكواكب الخارجية مثل K2-18 b، التي تتراوح أحجامها بين الأرض ونبتون، لا تشبه أي شيء في نظامنا الشمسي. تؤكد نتائجنا أهمية النظر في بيئات صالحة للحياة متنوعة في البحث عن حياة خارجية.
نيكو مدهسودان، عالم فلك في جامعة كامبريدج
وجد JWST أيضًا عدة مركبات كربونية، وحتى ثنائي كبريتيد الميثيل في غلاف الكوكب.
المصدر: NASA
اكتشف JWST لأول مرة خارج نظامنا الشمسي الإيثان (C2H6)، بالإضافة إلى الإيثيلين (C2H4)، البروبين (C3H4)، وجذر الميثيل CH3 حول نجم شاب.
كما قام بأول اكتشاف لعناصر ثقيلة من اندماج نجمي، مما أدى إلى ثاني أقوى انفجار أشعة غاما تم اكتشافه على الإطلاق، أو كيلونوفا. اكتشف علماء JWST التيلوريوم في بقايا الانفجار.
أبعد (قديم) ثقب أسود تم اكتشافه على الإطلاق
بالتعاون مع مرصد تشاندرا للأشعة السينية التابع لناسا، رصد JWST ثقبًا أسودًا ينمو قبل 470 مليون سنة من الانفجار العظيم. وجد JWST المجرة، ووجد تشاندرا الثقب الأسود نفسه.
المصدر: NASA
نعتقد أن هذا هو أول اكتشاف لـ “ثقب أسود ضخم” تشكل مباشرةً من انهيار سحابة غاز هائلة.
لأول مرة، نرى مرحلة قصيرة حيث يزن الثقب الأسود الضخم ما يعادل وزن نجوم مجرته قبل أن ينهار.
بريامفادا ناتارجان من جامعة ييل
مستقبل JWST
بعد العثور على الكواكب الخارجية وتحليلها، يتجه JWST للبحث عن أقمار خارجية. نعلم أن هذه الأجسام الكوكبية، التي قد تكون أكبر من الأرض في بعض الحالات، يجب أن توجد، لكن لم يكن لدينا أداة حساسة بما يكفي لاكتشافها. الكواكب العملاقة الغازية مثل المشتري هي مرشحات رئيسية.
سيفحص JWST أيضًا الثقوب السوداء الضخمة والكوواركات، التي تنفث من أقطابها مادة بكمية تعادل نجومًا. سيركز التلسكوب على عينات مبكرة جدًا من هذه الظواهر النجمية.
أخيرًا، قد يخلق دراسة المجرات والهياكل الضخمة للكون في مراحله المبكرة رؤى جديدة حول طبيعة المادة المظلمة والطاقة المظلمة التي لا تزال تتفادى العلماء منذ عقود.
المقاول الخاص الرئيسي لـ JWST
نورتروب غرامان أنظمة الفضاء الجوي
(NOC )
مشروع مثل JWST هو في الغالب نتيجة لتعاون دولي، مع مشاركة في هذه الحالة لناسا، ESA، والوكالة الكندية للفضاء.
كما شارك فيه العديد من المقاولين من القطاع الخاص، وكان أبرزهم شركة الفضاء والدفاع نورتروب غرامان.
نورتروب غرامان مشهورة بإنشاء قاذفة B-2 الاستراتيجية الشبحية، كل واحدة منها تكلف ما يقرب من مليار دولار. هذا التصميم الذي يزيد عمره عن 20 عامًا سيتم استبداله بـ B-21، الذي لا يزال قيد التطوير.
الشركة أيضًا في طليعة تكنولوجيا الفضاء كما يتضح من عملها على تلسكوب جيمس ويب الفضائي المتقدم. تستمد الشركة معظم إيراداتها من أنظمة الفضاء والطيران.
المصدر: Northrop
قسم أنظمة المهمات هو قطاع كبير آخر، يغطي مجموعة واسعة من المستشعرات، وبرمجيات الدفاع السيبراني، والاتصالات المؤمنة، وC4ISR (القيادة، التحكم، الاتصالات، الحواسيب، الاستخبارات، المراقبة والاستطلاع).
كما أنها منتج رائد للذخائر، من العيارات الصغيرة إلى القذائف الموجهة والعيارات الكبيرة.
نورتروب غرامان تتطلع إلى موقعها كمورد لأنظمة الأسلحة المتقدمة، مع تطوير ونشر أنظمة الأسلحة الذاتية:
- X-47B، طائرة بدون طيار بحجم مقاتل ضربة.
- الطائرة بدون طيار المروحية Fire Scout.
- طائرات المراقبة Global Hawk وMQ-4C Triton.
- طائرات بحرية Manta Ray وAQS-24B/C Minehunting System.
- Bat Unmanned Aircraft System (UAS)، أنظمة طائرات بدون طيار متعددة المهام، مستمرة، وميسورة التكلفة.
المصدر: Northrop
الشركة في طليعة تطوير الأسلحة ذات الطاقة المباشرة (الليزر)، الحرب الإلكترونية، أنظمة مكافحة الطائرات بدون طيار، وصواريخ بالستية بين القارات.
من منظور الاستثمار والمالية، زادت نورتروب غرامان أرباحها بنسبة 12٪ CAGR منذ 2014، مع تقليل عدد الأسهم بنسبة 31٪. نتج عن ذلك 2.6 مليار دولار من الأرباح وإعادة شراء الأسهم في 2023، بينما حققت الشركة تدفق نقدي حر بقيمة 2.1 مليار دولار.
نورتروب غرامان تستمد إيراداتها تقريبًا بالكامل من ميزانية الدفاع الأمريكية، حيث تمثل ناسا 3٪ من الإيرادات والمبيعات الدولية 12٪.
المصدر: Northrop
بينما توفر شركات مثل RTX ولوكهد الجزء الأكبر من قوة سلاح القوات الجوية الأمريكية (طائرات مقاتلة، صواريخ، دفاع جوي)، توفر نورتروب غرامان القدرة الأكثر تقدمًا، من الفضاء إلى القيادة المتكاملة والقاذفات الشبحية الثقيلة.
وربما قريبًا جزء كبير من الطائرات بدون طيار المتقدمة، والحرب الإلكترونية، والأسلحة الطاقية أيضًا.
مع تزايد أهمية الطائرات بدون طيار والحرب الإلكترونية، من المرجح أن تصبح نورتروب غرامان محورًا متزايدًا لقدرات الولايات المتحدة الهجومية والدفاعية على حدٍ سواء. وستكون قاذفاتها الشبحية الجديدة عاملًا رئيسيًا في مواكبة الخصوم من روسيا والصين، الذين لا تزال التوترات معهم مرتفعة جدًا.
