آیا تلسکوپ فضایی جیمز وب به ما دروغ می‌گوید؟

اخترشناسان به‌قدری مشتاق استفاده از تلسکوپ فضایی جیمز وب بوده‌اند که برخی‌شان تا حدی بی‌گدار به آب زده‌اند. بسیاری از پژوهشگران بلافاصله پس از انتشار نخستین مجموعه از تصاویر جیمز وب در ۲۱ تیر، تجزیه‌وتحلیل داد‌های تلسکوپ را شروع کردند و نتایجشان را به سرعت در پایگاه‌های داده پیش‌انتشار دردسترس قرار دادند؛ اما آن‌طور که نیچر گزارش می‌دهد، اکنون باید به سراغ بازنگری در آن‌ها بروند. زمانی که نخستین داده‌ها منتشر شدند، آشکارسازهای تلسکوپ به‌طور کامل کالیبره نشده بودند و این واقعیت، برخی اخترشناسان هیجان‌زده را به لغزش انداخت.

فعلاً به‌نظر نمی‌آید که بازنگری‌ها، بسیاری از نتایج هیجان‌انگیز اولیه مانند کشف تعدادی از کاندیداهای دورترین کهکشان‌های دیده‌شده تاکنون را به‌طرز چشمگیر تغییر دهند. بااین‌حال روند ادامه‌دار کالیبراسیون، اخترشناسان را مجبور می‌کند تا محدودیت‌های داده‌های اولیه جیمز وب را مد نظر قرار دهند.

مارکو کاستلانو، اخترشناس مؤسسه ملی اخترفیزیک ایتالیا در رم، می‌گوید فهمیدن اینکه چگونه نتایج را اصلاح کنیم، پردردسر و ناخوشایند است. گارث ایلینگورث، اخترشناس در دانشگاه کالیفرنیا سانتاکروز عقیده دارد که «سرخوردگی زیادی وجود دارد.» گویدو رابرتز بورسانی، اخترشناس در دانشگاه کالیفرنیا لس‌آنجلس نیز می‌افزاید: «فکر نمی‌کنم هیچ‌کس واقعاً انتظار داشت که این مسئله به مشکلی بزرگ تبدیل شود.»

کالیبراسیون به‌ویژه برای پروژه‌هایی که به اندازه‌گیری دقیق روشنایی اجرام نجومی، مانند کهکشان‌های کم‌نور دور نیاز دارند، چالش‌برانگیز است. به‌مدت چندین هفته، برخی از اخترشناسان راهکارهایی را با هم ترکیب کرده‌اند تا بتوانند به تحلیل‌هایشان ادامه دهند. انتظار می‌رود دور رسمی بعدی به‌روزرسانی‌ها برای کالیبراسیون جیمز وب، میله‌های خطا در کالیبراسیون تلسکوپ را از ده‌ها درصدی که اخترشناسان را در برخی نواحی به اشتباه انداخته‌اند، به فقط چند درصد کاهش دهند. با تداوم تلاش‌ها برای کالیبراسیون در ماه‌های آینده، دقت داده‌ها همچنان بهبود می‌یابد.

نخستین تصویر علمی تلسکوپ فضایی جیمز وب که ۲۱ تیر به‌طور عمومی منتشر شد، برخی از دورترین کهکشان‌های جهان را نشان می‌دهد.

جین ریگبی، دانشمند پروژه عملیات‌های جیمز وب در مرکز پرواز فضایی گادرد ناسا در مریلند می‌گوید مؤسسه علوم تلسکوپ فضایی (STScI) که اداره‌کننده جیمز وب است، اذعان کرده که کالیبراسیون‌های اولیه تلسکوپ غیردقیق بوده است. بخش عمده این مشکل از این واقعیت ناشی می‌شود که جیمز وب، تلسکوپ جدیدی است که جزئیاتش هنوز به‌طور کامل درک نشده است. ریگبی می‌افزاید از آخرین باری که جامعه نجوم تلسکوپی کاملاً جدید و نمونه‌ای بزرگ مانند جیمز وب با چنین توانایی‌های واقعاً متحول‌کننده‌ای در فضا داشته است، مدت زیادی می‌گذرد.

مارتا بویر، اخترشناس در مؤسسه علوم تلسکوپ فضایی که به هدایت تلاش‌ها برای کالیبراسیون جیمز وب کمک می‌کند، می‌گوید: «می‌دانستیم که تلسکوپ از همان ابتدا به‌طور کامل آماده نخواهد بود.»

کالیبراسیون بحث‌برانگیز

تمام تلسکوپ‌ها باید کالیبره شوند. این کار معمولاً با رصد جرمی کاملاً شناخته‌شده مانند کرکس نشسته (نسر واقع) که ستاره‌ای برجسته در آسمان شب است، انجام می‌شود. اخترشناسان به داده‌های جمع‌آوری‌شده به‌وسیله ابزارهای مختلف تلسکوپ (مانند روشنایی ستاره در طول موج‌های مختلف نور) نگاه می‌اندازند و آن‌ها را با اندازه‌گیری‌ها از همان ستاره به‌وسیله دیگر تلسکوپ‌ها و استانداردهای آزمایشگاهی مقایسه می‌کنند.

کار با داده‌های جیمز وب چندین نوع کالیبراسیون را دربرمی‌گیرد؛ اما بحث کنونی، درباره یکی از ابزارهای اصلی تلسکوپ به نام دوربین فروسرخ نزدیک (NIRCam) است. درطول ۶ ماه پس از پرتاب جیمز وب، پژوهشگران مؤسسه علوم تلسکوپ فضایی تلاش کردند تا نیرکم را کالیبره کنند؛ اما با توجه به الزامات تلسکوپ، آن‌ها فقط فرصت داشتند تا تلسکوپ را به سمت یک یا دو ستاره کالیبراسیون نشانه بگیرند و از بین ۱۰ آشکارساز نیرکم، فقط از یکی برای جمع‌آوری داده استفاده کنند. پژوهشگران سپس کالیبراسیون ۹ آشکارساز دیگر را تخمین زدند. بویر می‌گوید: «مشکل همین‌جا است. [عملکرد] هر آشکارساز کمی متفاوت خواهد بود.»

ناتان آدامز، اخترشناس دانشگاه منچستر بریتانیا که به همراه همکارانش در مقاله‌ای پیش‌انتشار که در اواخر ژوئیه منتشر شد، به مشکل کالیبراسیون اشاره کردند، می‌گوید: «این مسئله موجب ایجاد کمی وحشت شد. برای کسانی ازجمله من که در دو هفته اول مقاله نوشتیم، وضعیت این‌گونه بود که «اوه نه، آیا تمام کارهایی که انجام داده‌ایم، اشتباه است. آیا باید همه چیز را در سطل زباله بیندازیم؟»

تلسکوپ جوان

به‌منظور استانداردسازی تمام اندازه‌گیری‌ها، مؤسسه علوم تلسکوپ فضایی روی برنامه‌ای دقیق کار می‌کند تا جیمز وب را به سمت چندین نوع ستاره کاملاً شناخته‌شده نشانه بگیرد و آن‌ها را با تمام آشکارسازهای هر ابزار موجود روی تلسکوپ و در هر حالت رصد کند. کارل گوردون، اخترشناس در STScI که به هدایت این برنامه کمک می‌کند، تکمیل آن را قدری زمان‌بر می‌داند.

دراین‌میان، اخترشناسان مشغول بازنویسی مقاله‌هایی هستند که دورترین کهکشان‌ها را براساس داده‌های جیمز وب توصیف کرده‌اند. آدامز می‌گوید: «همه به عقب برگشته‌اند و [به کارهایشان] نگاه دوباره انداخته‌اند و آنقدرها هم فکر می‌کردیم، بد نیست.» به‌نظر می‌آید بسیاری از هیجان‌انگیزترین کاندیداهای کهکشان‌های دوردست همچنان در فاصله‌ای هستند که در ابتدا تخمین زده شد یا نزدیک به آن هستند. بااین‌حال سایر مطالعات اولیه، مانند آن‌هایی که با مقایسه شمار زیاد کهکشان‌های کم‌نور به نتیجه‌گیری درباره جهان اولیه پرداختند، ممکن است بی‌اعتبار شوند.

گابریل آدامز، اخترشناس دانشگاه کپنهاگ که مستقل از STScI مشغول پیشبرد تلاش‌ها در زمینه کالیبراسیون جیمز وب است، می‌گوید: «ما دریافته‌ایم که صرفاً ازآنجاکه جیمز وب تلسکوپی بسیار جدید و جوان محسوب می‌شود، پردازش داده‌ها تا چه حد فرایندی مداوم و درحال پیشرفت است.»

در دراز مدت، اخترشناسان قطعاً مسئله کالیبراسیون را حل‌وفصل می‌کنند و از نتیجه‌گیری‌هایشان مطمئن‌تر می‌شوند. اما درحال‌حاضر بویر باور دارد که پژوهشگران باید درباره نتایج جیمز وب محتاط باشند. او می‌گوید: «هر نتیجه‌ای که ممکن است امروز به‌دست آورید، احتمال دارد در ۶ ماه آینده، وقتی اطلاعات بیشتری دراختیار داریم، کاملاً درست نباشد.»

تفسیر اشتباه

در مسیر تولید نتایج صحیح از جیمز وب، کالیبراسیون تنها مانع پیش‌رو نیست. جیمز وب علاوه‌بر دیدن ژرفای کیهان، جامع‌ترین نما از اجرام واقع در کهکشان خودمان، یعنی برخی از پنج هزار سیاره فراخورشیدی کشف‌شده در راه شیری را نیز ارائه می‌دهد. اخترشناسان از دقت بالای تلسکوپ در تجزیه نور برای رمزگشایی از جو اطراف برخی از این جهان‌های نزدیک بهره می‌برند. ویژگی‌های جو این سیاره‌ها می‌تواند سرنخ‌هایی از چگونگی شکل‌گیری سیاره و نشانه‌های حیات احتمالی موجود در آن دراختیارمان قرار دهد.

بااین‌حال براساس مطالعه‌ای از پژوهشگران ام‌آی‌تی، ابزارهایی که اخترشناسان معمولاً برای رمزگشایی سیگنال‌های مبتنی بر نور استفاده می‌کنند، ممکن است برای تفسیر دقیق داده‌های جیمز وب به اندازه کافی خوب نباشند. به‌طور خاص، پژوهشگران می‌گویند مدل‌های کِدِری یا ابزارهایی که نحوه برهم‌کنش نور با ماده را به‌عنوان تابعی از ویژگی‌های ماده مدل‌سازی می‌کنند، ممکن است برای مطابقت با دقت داده‌های جیمز وب به بازتنظیم چشمگیر نیاز داشته باشند.

پژوهشگران پیش‌بینی می‌کنند که درصورت اصلاح‌نشدن این مدل‌ها، ویژگی‌های جو سیاره‌ها، مانند دما، فشار و ترکیب عناصر آن‌ها ممکن است تا ده برابر کمتر از مقدار واقعی شود. جولیان دو ویت، یکی از نویسندگان مقاله و استادیار دانشکده علوم زمین، جوی و سیاره‌ای در ام‌آی‌تی (EAPS) می‌گوید: «از نظر علمی تفاوت معناداری میان ترکیبی مانند آب در ۵ درصد درمقابل ۲۵ درصد وجود دارد که مدل‌های کنونی نمی‌توانند آن‌ها را متمایز کنند.»

پراجوال نیراولا، دانش‌آموخته EAPS می‌افزاید: «درحال‌حاضر، مدلی که ما برای رمزگشایی اطلاعات طیفی استفاده می‌کنیم، با دقت و کیفیت داده‌هایی که از تلسکوپ جیمز وب دراختیار داریم، مطابقت ندارد. باید کیفیت مدلمان را بهبود دهیم و به همراه یکدیگر مشکل کدری را حل کنیم.»

دو ویت، نیراولا و همکارانشان مطالعه خود را ماه گذشته در نشریه نیچر استر‌ونومی منتشر کردند. نویسندگان همکار پژوهش شامل یولی گوردون، رابرت هارگریوز، کلارا سوسا سیلوا و رومن کوچانوف، متخصصان طیف‌سنجی از مرکز اخترفیزیک هاروارد-اسمیتسونین هستند.

بهبود کیفیت مدل

در این تصویر مفهومی، تلسکوپ جیمز وب نور را از اطراف سیاره‌ای تازه‌کشف‌شده (در سمت چپ) می‌گیرد. بااین‌حال، وقتی دانشمندان این داده‌ها را تجزیه‌وتحلیل می‌کنند، محدودیت‌ها در مدل‌های کدری می‌توانند نتایجی اشتباه را ارائه دهند (سه سیاره احتمالی در سمت راست).

کدری معیاری است که نشان می‌دهد فوتون‌ها تا چه حد راحت از ماده عبور می‌کنند. فوتون‌های طول موج‌های مشخص می‌توانند مستقیم از ماده عبور کنند، جذب یا بسته به چگونگی برهم‌کنش با مولکول‌های خاص موجود در ماده بازتابیده شوند. این برهم‌کنش همچنین به دما و فشار ماده بستگی دارد.

مدل کدری براساس فرضیات مختلف درباره نحوه برهم‌کنش نور با ماده کار می‌کند. اخترشناسان با توجه به طیف نوری که ماده ساطع می‌کند، از مدل‌های کدری برای به‌دست‌آوردن ویژگی‌های خاصی از ماده استفاده می‌کنند. در زمینه سیاره‌ها، مدل کدری می‌تواند نوع و فراوانی مواد شیمیایی موجود در جو سیاره را براساس نوری که تلسکوپ از سیاره می‌گیرد، رمزگشایی کند.

دو ویت می‌گوید پیشرفته‌ترین مدل کدری کنونی که او آن را به ابزار ترجمه زبان کلاسیک تشبیه می‌کند، در رمزگشایی داده‌های طیفی گرفته‌شده به‌وسیله ابزارهایی مانند نمونه‌های نصب‌شده روی تلسکوپ فضایی هابل، عملکرد مناسبی داشته است. او می‌افزاید: «تا به امروز این سنگ روزتا (اشاره به سنگ‌نبشته‌ای معروف از دوران مصر باستان) خوب کار کرده است؛ اما اکنون که با دقت بالای جیمز وب به سطح بعدی می‌رویم، فرایند ترجمه‌مان، ما را از درک پیچیدگی‌های مهم مانند موارد اثرگذار در تعیین سکونت‌پذیری یا سکونت‌ناپذیری یک سیاره، بازخواهد داشت.

مدل برهم‌خورده

دو ویت و همکارانش در مطالعه‌شان متداول‌ترین مدل کدری را در بوته آزمایش گذاشتند. پژوهشگران به‌دنبال آن بودند تا دریابند اگر این مدل به‌گونه‌ای تنظیم شود که محدودیت‌های خاص در درک ما از نحوه برهم‌کنش نور و ماده را درنظربگیرد، کدام ویژگی‌های جوی را به‌دست خواهد آورد. آن‌ها بدین منظور هشت مدل «برهم‌خورده» این‌چنینی ایجاد کردند و سپس به هر مدل ازجمله نسخه واقعی، «طیف‌های مصنوعی» یا الگوهای نور شبیه‌سازی‌شده و مشابه با دقت الگوهایی که جیمز وب می‌بیند، خوراندند.

پژوهشگران دریافتند که هر مدل برهم‌خورده با تکیه بر طیف‌های نوری یکسان، پیش‌بینی‌های متنوعی برای ویژگی‌های جو سیاره ارائه می‌دهد. تیم پژوهشی براساس تجزیه‌وتحلیل خود بدین نتیجه رسید که اگر مدل‌های کدری موجود روی طیف‌های نور گرفته‌شده به‌وسیله تلسکوپ جیمز وب اعمال شود، به «حصار دقت» برخورد خواهند کرد؛ بدین معنا که به اندازه کافی حساس نخواهند بود تا دریابند دمای جو یک سیاره ۳۰۰ کلوین است یا ۶۰۰ کلوین یا اینکه گاز خاصی ۵ درصد یا ۲۵ درصد از یک لایه از جو را تشکیل می‌دهد. نیراولا می‌گوید: «به‌منظور اینکه بتوانیم سازوکارهای تشکیل سیاره‌ای را محدود و آثار زیستی را به‌طور مطمئن شناسایی کنیم، این تفاوت اهمیت دارد.»

تیم پژوهشی همچنین دریافت که هر مدل یک نتیجه مناسب نیز از داده‌ها تولید می‌کند؛ بدین معنا که حتی اگر یک مدل برهم‌خورده، ترکیبی شیمیایی را تولید می‌کرد که پژوهشگران می‌دانستند نادرست است، از آن ترکیب شیمیایی یک طیف نوری را نیز به‌وجود می‌آورد که به اندازه کافی نزدیک یا مطابق با طیف اصلی بود. دو ویت می‌گوید: «ما دریافتیم که پارامترهای کافی، حتی برای اصلاح مدل اشتباه وجود دارد تا همچنان نتیجه مناسب به‌دست آوریم.»

دو ویت و همکارانش ایده‌هایی را برای بهبود مدل‌های کدری موجود، ازجمله نیاز به اندازه‌گیری‌های آزمایشگاهی و محاسبات نظری بیشتر برای اصلاح مفروضات مدل‌ها درباره نحوه برهم‌کنش نور و مولکول‌های مختلف و همچنین همکاری بین رشته‌ای به‌ویژه میان نجوم و طیف‌سنجی مطرح کردند.

یولی گوردون، فیزیکدان مرکز اخترفیزیک هاروارد-اسمیتسونین و از نویسندگان مطالعه می‌گوید: «به‌منظور تفسیر مطمئن طیف‌های جوی سیاره‌های فراخورشیدی متنوع، به کارزاری گسترده برای اندازه‌گیری‌ها و محاسبات دقیق جدید پارامترهای طیف‌سنجی مولکولی مربوطه نیاز داریم. این پارامترها باید به موقع در پایگاه‌های داده طیف‌سنجی مرجع و درنتیجه مدل‌های مورد استفاده اخترشناسان به‌کار گرفته شوند.»

نیراولا می‌افزاید: «اگر به خوبی بدانیم نور و ماده چگونه برهم‌کنش می‌کنند، کارهای زیادی می‌توان انجام داد. ما این موضوع را در مورد شرایط زمین به اندازه کافی می‌دانیم؛ اما به محض اینکه به سراغ انواع مختلف جوها برویم، وضعیت تغییر می‌کند. از آنجا داده‌های فراوانی با کیفیت رو به افزایش داریم که درمعرض خطر تفسیر اشتباه قرار دارند.»