در 11 جولای، جهان با انتشار ژرف‌ترین تصویر نجومی که توسط تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) به ثبت رسید، شگفت‌زده شد. در پس‌زمینه خوشه‌های کهکشانی به نام SMACS 0723 که تصویر آن مربوط به 4.6 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 چند صد میلیون سال قدمت داشت. درک مسیر این هدف از جمله رسیدن به جزایر کیهانی دوردست و جمع آوری فوتون‌هایی که سفر خود را در نزدیکی بیگ‌بنگ آغاز می‌کنند، بهتر است زمینه‌های ژرف کمک کنند.

منشأ اولین تصویر زمینه‌ی ژرف تلسکوپ جیمز وب به اوایل دهه‌ی ۱۹۹۰ میلادی و پرتاب تلسکوپ فضایی هابل بازمی‌گردد. در آن زمان طرح رصدهای زمینه‌های ژرف هنوز در آغاز راه خود بود. هابل در اصل برای رصدهای هدف طراحی شده بود و بود ستاره‌شناسان از این تلسکوپ برای بخش ویژه ای از آسمان درخشش نور منبع استفاده می‌کنند. اما هابل قابلیت عکسبرداری زمینه‌های ژرف را هم داشت که دقیقاً درمقابل هدف ستاره‌شناسان قرار گرفتند: 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 مؤسسات پژوهش‌های پیشرفته در مقاله‌هایی که در سال ۱۹۹۰ در مجله Science منتشر شد، به این مهم اشاره می‌کنند که زمینه‌های ژرف هابل، کهکشان‌های بسیار بیشتر را نسبت به تلسکوپ‌های زمینی نشان نمی‌دهند. باهکال بیشتر به خاطر راه حلی که برای موضوعی نوترینوهای خورشیدی ارائه داد و محاسباتش درباره پخش ستاره‌ها در اطراف سیاه‌چاله‌های سنگین می‌شود. او در توسعه تلسکوپ هابل از طرح اصلی آن در دهه ۱۹۷۰ تا زمان پرتاب، نقش داشت. باهکال بر این باور بود که زمینه‌های ژرف هابل جمعیت‌هایی از کهکشان‌ها را حال نمی‌کند، بااین‌گونه تصاویر می‌توان به مهر دقیقی بر روی ریخت‌شناسی و اندازه‌گیری کهکشان‌های کم‌نور و آمارروش‌ها تبدیل شد.

مقایسه تصویر زمینه ژرف هابل و جیمز وب

مقایسه‌ی اولین تصویر «زمینه‌ی ژرف» تلسکوپ فضایی هابل که در سال ۱۹۹۵ ثبت شد (چپ) و اولین تصویر مشابه از فضای مجازی جیمز وب (رست) هر دو عکس محدوده نسبتاً یکسانی از آسمان را می‌پوشاند اما جمعیت‌های مختلف را دربرمی‌گیرند. برای مثال تلسکوپ وب زمان کیهانی بیشتر را پوشش می‌دهد و کشان‌های قدیمی را از جهان آغاز می‌کند.

انتظاراتی، مهم عکس‌برداری زمینه‌ی ژرف با هابل را سرکوب کردند. به همین دلیل اولین تلاش برای عکاسی زمینه‌های 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 هدیه‌ای کریسمس خود رسیدند.

تعداد ستاره‌های کهکشان راه شیری در منطقه‌ای مورد نظر بسیار کم بود، بدین‌ترتیب تلسکوپ هابل، درست مانند بیننده‌هایی که به داخل روزنه نگاه می‌کند، به بررسی ژرفای کیهان پرداخت. این تلسکوپ نزدیک به 3000 کهکشان کم‌نور با شکل‌ها و ویژگی‌های مختلف راصد کرد به طوری که برخی از آن‌ها 100 هزار نوری از زمین فاصله دارند. وظیفه هابل تنها کاوش در فضای نبود، بلکه به بررسی زمان و جمع آوری نور ستاره‌هایی می‌پرداختند که میلیاردها سال پیش در عصرهای آغازین کیهانی وجود داشتند. زمینه تصویری ژرف هابل به سرعت به تصویری نمادین تبدیل شد.

اما پرسشی اساسی مطرح می‌شود: آیا منطقه‌ای در تصویر شمال زمینه‌ای ژرف، عادی بود؟ یا ستاره‌شناس‌ها به اندازه کافی خوش‌شانس بودند که تلسکوپ را به سمت نقطه‌های ممؤ می‌کردند؟ 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 نیمکره‌ای آسمان جنوبی بود که در دورترین فاصله‌ها نسبت به اولین نقطه قرار دارد. تصویر جدید ثابت کرد جهان بیش‌‌از تصور، به‌ویژه در نقاط دوردست، مملؤ از کهکشان است. زمینه‌های ژرف هابل علاوه بر ارزش علمی، چالشی فنی را انجام دادند. این تصاویر از ۱۰ هزار کهکشان را پوشش می‌دادند که اولین چالش کلان‌داده‌های ستاره‌شناسان به شمار می‌رفتند.

تلسکوپی هابل و جیمز وب

تلسکوپ فضایی هابل از نگاه شاتل فضایی در مدار پائین زمین (بالا) تصویرسازی تلسکوپ فضایی جیمز‌وب (پائین) در فاصله بیش از 1.5 میلیون کیلومتری از زمین.

تصویربرداری زمینه‌های ژرف محدود به حوزه‌های مختلف مرئی نیست. با آغاز هزاره‌ی سوم، جهان خود را برای اولین زمینه تصویری ژرف پرانرژی تلسکوپ اشعه ایکس چاندرا آماده می‌کرد. تلسکوپی 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 زمین روی بخشی از آسمان در حفره‌ای لاکمن ثبت شد که پنجره‌های خالی از ابرهای هیدروژنی و غبار در راه شیری است. تصویر جنوب زمینه‌ی چاندرا، جهانی عجیب را ژرف کرد: صدها سیاه‌اله که برخی در دوردست‌ها قرار گرفتند. گرچه این تصویر به اندازه‌ی تصاویر هابل چشم‌نواز نبود، اطلاعات علمی بسیاری را در خود داشت. این زمینه مجدداً توسط چاندرا با نوردهی کلی هفت میلیون عکسبرداری شد و بدین ترتیب ژرف‌ترین زمینه‌ها در ساخت اشعه 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 مانند دوربین پیشرفته نقشه برداری به هابل، زمینه تصویری فراژرف هابل در سال ۲۰۰۶ منتشر شد. این تصویر تاریخ‌ساز هزاران کهکشان بود و قدمت برخی از آن‌ها به زمانی بازمی‌گرد که کمتر از یک میلیون سال از عمر جهان گذشته بود. زمینه‌های فراژرف، جزئیات تاریخ بیسقه‌های شکل‌گیری کهکشان‌ها را ارائه کردند. کهکشانهای دوردست به نظر کوچکتر و نامنظمتر از کسانی که نزدیکتر می‌رسند و این رصد به پشتوانه‌های نظریه‌های توسعه‌ای تبدیل می‌شود.

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

مقالات مرتبط:

با این حساب دوربین فروسرخ برای رصد فواصل دورتر در فضا و زمان نیاز داشت. با اضافه شدن دوربین فروسرخ نزدیک به تلسکوپ هابل، زمینه‌ای فراژرف فروسرخ در سال ۲۰۰۹ منتشر شد. این تصویر کهکشان‌هایی را می‌کند که تنها ۶۰۰ میلیون سال از بیگ‌بنگ می‌درخشیدند. یک دهه بعد در سال ۲۰۱۹، زمینه‌ی ژرف دیگری توسط تلسکوپ فضایی فروسرخ اسپیتز ناسا منتشر شد. هر دو تصویر نتایج پرثمری برای کشف کهکشان ها در کشف کیهانی هستند.

در نهایت کمپین Frontier Fields هابل، قابلیت تصویربرداری جدید زمینه‌ی ژرف را ارائه کرد که به مقدمه‌ای برای اولین زمینه تصویری 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. نظریه نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین، تراکم جرمی می‌تواند در جهت نور خم شود و بدین‌ترتیب نور دریافتی از منبع پسزم را با اثری به نام لنز گرانشی تقویت کند. بنابراین این خوشه‌های کهکشانی به‌عنوان ذره‌بینی برای رصد دوردست‌ها به کار رفتند.

در کنار تصاویر مملکت از کهکشان، تصاویر Frontier Fields دارای قوس های عجیب نوری هستند که تصاویر تقویت شده یا کشیده شده کهکشان های پسزمینه بسیار دورتر از خوشه ها را نشان می دهند. 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 عکس ها را برای ثبت تصاویر به دام بیندازد. دوربین‌های بسیار پیچیده روی تلس‌های فضایی در میلیون‌کوپه‌های کیلومتری آن سوی زمین، مرزهای دانش ما نسبت به جهان را جابه‌جا می‌سازند و پنجره‌های فضایی را به سمت فضا و زمان می‌گشایند. بازه‌ای نسبتاً بین این دو اختراع کوتاه 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.

اگر دوست داشتی امتیاز دادن یادت نره!