تلسكوب جيمس ويب الفضائي

نظرة عامة

مقراب جيمس ويب الفضائي (اختصارا لـ James Webb Space Telescope) تم تصنيفه في عام 1996 على أنه الجيل الجديد من المقرابات الفضائية. في عام 2002 تم تسميته بهذا الاسم تكريماً للرئيس السابق لناسا جيمس ويب خلال الفترة (1961-1968) وذلك لدوره الهام في برنامج أبولو، وإطلاق الأبحاث العلمية لتكون هي العمليات الأساسية لناسا. مشروع مقراب ويب الفضائي هو مشروع وكالة الفضاء الأمريكية المسماة بالإدارة الوطنية للملاحة الفضائية والفضاء والتي تعرف باسم ناسا، بالإضافة إلى مشاركات فعالة من وكالات دولية مثل وكالة الفضاء الأوروبية ووكالة الفضاء الكندية.
يتوقع للمقراب أن يزن نصف كتلة المقراب هابل ، لكن مرآته الرئيسة (ذات القطر 6.5 متر والمغطاة ببريليوم مذهب كعاكس) ستكون مساحتها لإلتقاط الأشعة تحت الحمراء حوالي خمسة مرات أكبر من مقراب هابل (25 متر مربع مقارنة بـ 4.5 متر مربع لهابل). وهو حساس لقياس الأشعة تحت الحمراء القريبة، لكنه يستطيع أيضاً أن يرصد الضوء المرئي الأحمر والبرتقالي، بالإضافة إلى منطقة الأشعة تحت الحمراء المتوسطة ، وذلك اعتماداً على الأداة المستخدمة ؛ المقراب سيركز على الأشعة تحت الحمراء المتوسطة لثلاثة أسباب أساسية وهي: الانزياح الأحمر الكبير المميز للأجرام السماوية شديدة البعد عنا، حيث أن ضوئها المرئي يتحول إلى أشعة تحت حمراء (وذلك كلما بعدت المسافة)، الأجرام الباردة كالركام القرصي و الكواكب حيث تشع بالأشعة تحت الحمراء غالباً، وأخيراً بسبب أن هذه الأجرام البعيدة التي نشأت مبكرا بعد الإنفجار العظيم يصعب دراستها بواسطة مقرابات موجودة على سطح الأرض أو من مقرابات موجودة في الفضاء مثل هابل، حيث تحجبها عادة سحب غبارية تقلل من تباين صورها.
المقراب سيعمل في النقطة الثانية من نقاط لاغرانج حوالي 1.800.000 كيلو متر عن الأرض (هابل على بعد 600 كيلو متر فقط). التلسكوب في هذه النقطة يمكنه أن يتخذ مداراً حول الشمس بالتزامن مع الأرض ؛ وبالتالي يكون المقراب على مسافة ثابتة دوما من الأرض. لرصد الأشعة تحت الحمراء بدقة يلزم تبريد المقراب وأجهزته إلى نحو 220 درجة تحت الصفر. في موقعه في نقطة لاجرانج L2 سيتعرض الحاجب الحراري للمقراب إلى أشعة الشمس ويحجبها عن المقراب، وترتفع درجة حرارة الحاجب إلى نحو 100 درجة مئوية. يتكون الحاجب من خمس رقائق فوق بعضها البعض وتفصل بينها فراغات بارتفاع 12 بوصة. بهذا يحجب الحاجب الأشعة الشمسية وحرارتها عن مرآة المقراب وأجهزته، فتبقى درجة حرارتهم نحو 220 درجة مئوية تحت الصفر. بذلك يستطيع المقراب تصوير أجرام نشأت عند مولد الكون، أي نحو 200 مليون سنة فقط من بعد الانفجار العظيم. والصور التي يقوم المقراب بالحصول عليها لا تمثل شكل الأجرام في الحاضر، بل هي صور لتلك الأجرام قبل نحو 13.6 مليار سنة (حدث الانفجار العظيم قبل نحو 13.8 مليار سنة).
موعد الاطلاق مجدول في 2020 عن طريق صاروخ أريان 5 والمدة المتوقعة للمهمة هي خمس سنوات وهدف العلماء لمدها إلى عشر سنوات  (بسبب الكمية المحدودة للمادة التي تصحح مدار المقراب)، والمقاول الرئيس لهذه المهمة هو نورثروب غرومان.

تاريخ التطوير

التطوير المبكر للمقراب هابل في الفترة مابين 1989 و 1994 ونتيجة للخبرات المتراكمة فقد تم ترسيخ مبدأ Hi-Z ، حيث يكون هناك مقراب ذو مرآة قطرها 4 أمتار تعمل بالأشعة تحت الحمراء وتبعد ثلاث وحدات فلكية ، المسافة ستمنح المقراب قدرات عالية لتجنب التلوث الضوئي من الضوء البروجي ، وأيضا قادت هذه الخبرات لمشاريع أخرى دعيت NEXUS وهي مشاريع أخرى واعدة.
وفي عصر السرعة والكفاءة العالية والرخص في منتصف التسعينات ، دفع قادة ناسا لمشروع مقراب أقل تكلفة ، نتج عن ذلك المقرابات الفضائية من الجيل القادم بمرآة تبلغ 8 أمتار وتقع في L2 من نقاط لاغرانج وبتكلفة تقدر بـ500 مليون دولار، في 1997 عملت ناسا مع مركز جودارد للطيران الفضائي  و بول ايروسبيس  و TRW ، وذلك لكي تقوم بالتوفيق بين المتطلبات التقنية ودراسة التكلفة ، وفي عام 1990 تم إختيار لوكهيد مارتن  و TRW لإنشاء التصميم المبدئي ، في 2002 أرست ناسا مشروع المقراب من الجيل الجديد بتكلفة 824 مليون دولار للمقاول TRW وقد سمي الآن مقراب جيمس ويب الفضائي ، التصميم كان بمرآة 6.1 متر وبموعد إطلاق 2010 ، لاحقاً في ذلك العام أصبح المقاولون وهم نورثروب غرومان و بول ايروسبيس.
مقارنات
بالمقارنة مع مشاريع أخرى مقترحة للرصد، أغلبها قد تم الغاؤها أو وضعها في طور التعليق، يشمل ذلك المقراب مكتشف الكواكب الأرضية في 2011، مهمة الفضاء المتداخل في 2010، الهوائي الفضائي الليزري مكتشف التداخل في 2011 ، مرصد الأشعة السينية الدولي في 2011.
جيوست هو آخر مهمة لفيزياء الفضاء كبيرة قد تم الشروع بها من قبل ناسا في نفس الجيل.
تأخيرات المقراب وتكاليفه الإضافية يمكن مقارنتها بهابل ، حيث بدأ هذا الأخير كمشروع مقراب فضائي في 1972 ثم عرف فيما بعد بهذا الاسم وقدرت تكاليفه بحوالي 300 مليون دولار (أو حوالي مليار دولار مقارنة بسعر 2006) لكن حتى الوقت الذي تم إرساله فيه إلى الفضاء كلف المشروع أربعة أضعاف المبلغ المقدر ، ومنذ إرساله إلى الفضاء وحتى العام 2006 بلغت تكاليف المشروع 9 مليارات دولار وذلك بسبب الأدوات الجديدة وعمليات الصيانة.
في مقال لعام 2006 بدورية نيتشر تم التنويه لدراسة في عام 1984 من قبل مجلس الفضاء العلمي حيث تم تقدير التكلفة لتلسكوب الجيل الجديد بحوالي 4 مليار دولار (حوالي 7 مليار مقارنة بدولار 2006).

المهمة

مهمة المقراب الرئيسة هي بحث المجالات الأربعة الآتية وهي: أولاً البحث عن الضوء المنبعث من النجوم والمجرات الأولى بعد الانفجار العظيم ، ثانياً دراسة وبحث نشأة وتكوين المجرات وسلسلة تطورها، ثالثاً دراسة نشأة النجوم ونشأة الكواكب، رابعاً دراسة الكواكب وأصل الحياة.
هذه الأهداف يمكن تحقيقها بشكل أكثر كفاءةً عند استخدام الأشعة تحت الحمراء في الرصد عوضا عن الضوء في الجزء المرئي من الطيف ، لهذا السبب المقراب لن يستخدم الضوء المرئي أو الأشعة فوق البنفسجية كما هو الحال مع مقراب هابل، بل ستكون له خصائص فريدة وعالية وقدرات متقدمة في مجال فلك الأشعة تحت الحمراء.
المقراب سيكون حساس للموجات الطويلة بمدى يتراوح بين 0.6 (الضوء البرتقالي) وحتى 28 ميكرومتر (الأشعة تحت الحمراء) البعيدة عند حوالي 100 كلفن (170 C° تحت الصفر).
علم فلك الأشعة تحت الحمراء
المقراب يعد وريثاً لمقراب هابل وحيث أن هدفه الأساس هو رصد الأشعة تحت الحمراء القادمة من أجرام ومجرات في أعماق الكون البعيد. وهو يعد أيضاُ وريثاً لمقراب سبيتزر ، المقراب سيتجاوز بكثير قدرات كلاهما حيث سيتمكن من رصد مجرات ونجوم قديمة نشأت نحو 200 مليون سنة بعد الانفجار العظيم، ورصد الأشعة تحت الحمراء هو المفتاح لسبر أغوار تلك الأجرام القديمة شديدة البعد، وذلك بسبب القدرات الاستثنائية لهذه الأشعة باختراق الغازات والغبار الكوني التي تكون معترضة الفضاء بين الأرض وتلك الأجرام، وبالتالي ستتاح الفرصة لرصد الأهداف الأكثر برودة.
وعلى قدر أهمية الانزياح الأحمر الكوني فإن بخار الماء وأكسيد الكربون في غلاف الأرض يقومان بإمتصاص أغلب هذه الأشعة، المحطات الأرضية المخصصة لرصد الأشعة تحت الحمراء وبسبب هذا الإمتصاص فإن قدراتها محدودة بمجالات معينة للموجات الطولية، بالإضافة إلى أن الغلاف الجوي نفسه يكون مشعاً في الأشعة تحت الحمراء مما يغمر الضوء القادم من الأهداف خارج الكرة الأرضية التي تكون تحت الرصد، هذا يجعل الفضاء هو المكان الأنسب لوضع المقاريب خصوصاً التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء.
المسافة الكونية
كلما كان الهدف بعيداً كلما بدا لنا عمره أصغر، وذلك بسبب أن الضوء يستغرق وقتاً أطول لكي يبلُغنا، نتيجة لتوسع الكون.
أثناء مضي الضوء في الفضاء يصدر منه انزياح أحمر، وبالتالي هذه الأهداف يكون رصدها أكثر سهولة عبر الأشعة تحت الحمراء، قدرات المقراب بهذه الأشعة ستقوده لرؤية كامل الأفق حتى المجرات الأولى المتشكلة بعد الانفجار العظيم بمئات السنين فقط.
اختراق الغبار
الأشعة تحت الحمراء تمتلك خصائص ممتازة للعبور بسهولة بين الغبار الكوني والغازات على عكس الطيف المرئي الذي يحجب بسبب هذا الغبار.
هذه الصورتين في اليسار هي لسديم القاعدة وقد تم التقاطها من قبل مقراب هابل، الصورة بالأعلى تم التقاطها عبر الطيف المرئي المعتاد بينما الصورة في الأسفل تم التقاطها باستخدام معدات للأشعة تحت الحمراء من نفس المقراب هابل، ويلاحظ أن نجوما أكثر تبدو أكثر وضوحاً في الصورة بالأسفل.
الرصد بالأشعة تحت الحمراء يتيح دراسة أهداف ومناطق في الفضاء كانت محجوبة من قبل الغبار الكوني أو الغازات وذلك عند استخدام الطيف المرئي مثل : السحابات الجزيئية حيث تنشأ النجوم ، والقرص النجمي الدوار حيث تنشأ الكواكب، ونواة المجرات النشطة.
الأهداف الباردة
وهي برودة نسبية حيث تكون درجة الحرارة أقل من عدة الاف مئوية، وبالتالي هذه الأهداف تبعث أشعتها بشكل رئيس عبر الأشعة تحت الحمراء، كما تم وصفها من قبل قانون بلانك ، وكنتيجة لذلك أغلب الأهداف التي تكون أقل حرارة من النجوم من الأفضل رصدها ودراستها عبر الأشعة تحت الحمراء، وهذا يشمل السحاب البين نجمي، والنجوم الفاشلة المدعوة قزم بني، والكواكب سواء في مجموعتنا الشمسية أو في مجموعة شمسية أخرى، وكذلك المذنبات والأهداف في حزام كيبر.