پرونده ویژه جیمز وب؛ چگونه تاریخ کیهان را بازنویسی خواهد کرد؟
در این گزارش به بررسی تلسکوپ های فضایی ساخته شده تا کنون خواهیم پرداخت.
به گزارش پایگاه اطلاع رسانی ایران رصد به نقل ازکوانتا مگزین تا کمتر از یک هفته دیگر، تلسکوپی به فضا پرتاب خواهد شد که انتظار می‌رود پس از تلسکوپ گالیله و هابل، سومین نقطه عطف بزرگ را در شناخت جهان رقم بزند.
برای نگاه به دوران آغازین کیهان و مشاهده چشمک‌زدن نخستین ستارگان، اول باید آینه‌ای به بزرگی یک خانه بسازید. سطح آن باید چنان صاف باشد که اگر آینه به اندازه قاره بود، هیچ تپه یا دره‌ای بزرگ‌تر از قوزک پا نداشت. فقط آینه‌ای چنین بزرگ و صاف می‌تواند نور ضعیفی را که از دورترین کهکشان‌ها در آسمان می‌آید، جمع‌آوری و متمرکز کند. نوری که مدت‌ها پیش منبع خود را ترک کرد و از این‌رو کهکشان‌ها را هم‌زمان با شکل‌گیری در دوران جوانی جهان نشان می‌دهد. کم‌نورترین و دوردست‌ترین کهکشان‌هایی که خواهیم دید، هنوز در مرحله تولد هستند. وقتی نیروهای اسرارآمیز در تاریکی دست به دست هم دادند و نخستین دانه‌های ستارگان شروع به درخشش کردند.
اما برای خواندن این فصل اولیه از تاریخ جهان، دانستن ماهیت آن نخستین ستارگان احتمالا غول‌پیکر ، دانستن درباره ماده ناپیدایی که گرانش آن، ستارگان اولیه را به‌وجود آورد. و دانستن درباره نقش مغناطیس و تلاطم و چگونگی رشد و راهیابی سیاه‌چاله‌ها به مراکز کهکشان‌ها، داشتن آینه استثنایی کافی نیست.
دلیل اینکه هیچ‌کس دوران تشکیل کهکشان را ندیده، این است که نور ستارگان باستانی پس از سفر چندین میلیارد ساله از میان بافت درحال انبساط فضا و رسیدن به ما، کشیده شده است. نور فرابنفش و مرئی ساطع‌شده از دورترین ستارگان آسمان درطول سفر به اینجا کشیدگی تقریبا ۲۰ برابری را در طول موج تجربه کرده و به تابش فروسرخ تبدیل شده است.
اما نور فروسرخ نوعی نور ناشی از جنبیدن اتم‌ها است که از آن با عنوان گرما یاد می‌کنیم؛ همان گرمایی که از بدن‌هایمان و جو و زمین زیر پایمان ساطع می‌شود. افسوس که این منابع محلی گرما، شعله‌های کم‌فروغ ستارگان اولیه را در خود غرق می‌کنند. برای مشاهده این ستارگان، تلسکوپِ مجهز به آینه بزرگ بی‌نظیر باید بسیار سرد باشد و باید به درون فضا پرتاب شود.
کم‌نورترین و دوردست‌ترین کهکشان‌هایی که خواهیم دید، هنوز در مرحله تولد هستند
نکته این است که آینه هم‌اندازه با خانه، آنقدر بزرگ است که درون فرینگ هیچ موشکی جا نمی‌شود؛ درنتیجه باید امکان تاشدن آن فراهم باشد. آینه فقط در صورتی می‌تواند تا شود که به‌جای سطح واحد غیرمنقطع، مجموعه‌ای شش‌ضلعی از چندین بخش باشد. اما بخش‌های آینه به‌منظور آنکه به‌طور مشترک تصاویر واضح خلق کنند، باید پس از بازشدن به‌طور خودفرمان در فضا در تراز تقریبا بی‌نقص باشند. برای دستیابی به وضوح مناسب، به استفاده از موتورهای فوق‌العاده دقیقی نیاز است که بتوانند هر بخش آینه را با گام‌هایی به اندازه نصف پهنای ویروس به حرکت درآورند تا زمانی که تمامشان در جای خود قرار گیرند.
تلسکوپ مونتاژشده با آینه تاشده در تاسیسات نوثروپ گرومن در کالیفرنیا
توانایی دیدن منابع فروسرخ ضعیف، صرفا امکان دسترسی به فصل سرنوشت‌ساز کیهان (بازه زمانی تقریبا از ۵۰ میلیون تا ۵۰۰ میلیون سال پس از بیگ بنگ) را به شما نمی‌دهد.بلکه این نورها دیگر جنبه‌های احتمالا همان‌قدر مهم کیهان، از مشخصات سیاره‌های زمین‌مانند درحال گردش به دور سایر ستارگان تا سرعت بسیار بحث‌برانگیز انبساط فضا را نیز آشکار می‌کنند. اما برای آنکه تلسکوپ کار کند، فراتر از آینه بی‌نقصی که پس از پرتاب به آسمان فرایند بازشدن و کانون‌یابی را به‌طور خودفرمان اجرا می‌کند، وجود یک عنصر دیگر ضروری است.
حتی در فضای بیرونی، زمین، ماه و خورشید همچنان تلسکوپ را چنان گرم می‌کنند که نمی‌تواند چشمک ضعیف دورترین ساختارهای کیهان را مشاهده کند. مگر آنکه تلسکوپ رهسپار نقطه خاصی به نام لاگرانژی ۲ شود که از مسافت بین زمین و ماه، چهار برابر دورتر است. درآنجا، ماه، زمین و خورشید همگی در یک جهت قرار دارند؛ درنتیجه تلسکوپ می‌تواند با گشودن سپر خورشیدی خود که هم‌اندازه با زمین تنیس است، تابش حرارتی هر سه جرم را به‌طور هم‌زمان مسدود کند. با قرارگیری در سایه بدین شیوه، تلسکوپ سرانجام می‌تواند به سرمایی عمیق وارد شود و بالاخره حرارت کم‌فروغ سپیده‌دم کیهانی را تشخیص دهد.
سپر خورشیدی هم تنها امید تلسکوپ فروسرخ و هم پاشنه آشیل آن محسوب می‌شود. این بخش از تلسکوپ برای آنکه بدون سنگین‌کردن موشک، به اندازه کافی باز شود، باید از ساختار نازک تشکیل شده باشد. به همین ترتیب، کل رصدخانه شامل آینه‌ها، دوربین‌ها و دیگر ابزارها، فرستنده‌ها و منابع انرژی آن باید فقط نزدیک به دو درصد یک تلسکوپ بزرگ زمینی وزن داشته باشد.
ساخت فضاپیمایی غول‌پیکر و درعین‌حال سبک که بتواند تابش فروسرخ را حس کند، از هیچ نظر آسان نیست؛ اما استفاده اجتناب‌ناپذیر از بافت نازک، استقرار سپر خورشیدی را به امری ذاتا خطرناک تبدیل می‌کند. به‌گفته مهندسان، چنین ساختاری «غیرقطعی» و کنترل یا پیش‌بینی بی‌نقص حرکات آن غیرممکن است. اگر سپر خورشیدی حین بازشدن به مشکل بربخورد، کل تلسکوپ به زباله فضایی تبدیل خواهد شد.
درحال‌حاضر، تلسکوپ که به‌طرز باورنکردنی فرایند ساخت را به پایان برده، تا شده و آماده قرارگیری برفراز موشک آریان ۵ است. موشک قرار است ۲۴ دسامبر (۳ دی)، ۳۰ سال پس از آنکه محموله‌اش، تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) برای نخستین‌بار تصور و طرح‌ریزی شد، از گویان فرانسه پرتاب شود. تلسکوپ ۱۴ سال از برنامه عقب و بودجه آن ۲۰ برابر افزایش یافته است.
جان ماتر، اخترفیزیکدان برنده جایزه نوبل که به مدت ۲۵ سال دانشمند ارشد پروژه جیمز وب بوده است، می‌گوید «ما برای جبران تمام اشتباهاتمان و انجام آزمایش و تمرین، تا جایی که توانستیم به سختی کار کردیم.» اکنون ماتر می‌گوید «می‌خواهیم تلسکوپ میلیارد دلاریمان را برفراز توده‌ای از مواد منفجره قرار دهیم» و همه چیز را به دست سرنوشت بسپاریم.
داستان ساخت تلسکوپ فضایی جیمز وب درطول سه دهه گذشته، با پیشرفت خار‌ق‌العاده‌ای که به‌ویژه به لطف پیشینیان جیمز وب در شناخت خود از کیهان به‌دست آورده‌ایم، هم‌زمان شده است.
با تلسکوپ فضایی هابل، آموختیم که ستارگان، کهکشان‌ها و سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم خیلی قبل‌تر از آنچه هرکس انتظار داشت، در تاریخ کیهان وجود داشتند و از آن زمان تاکنون دستخوش تغییرات اساسی شده‌اند. ما آموخته‌ایم که ماده تاریک و انرژی تاریک، کیهان را به وجود آوردند. با تلسکوپ کپلر و دیگر ابزارها، دیده‌ایم که تمام انواع سیاره‌ها، ازجمله میلیاردها جهان بالقوه سکونت‌پذیر صرفا در راه شیری خودمان، کهکشان‌ها را مانند گوی‌های آویزان درختان کریسمس تزئین کرده‌اند.
این اکتشافات موجب برانگیختن پرسش‌هایی شده است که تلسکوپ فضایی جیمز می‌تواند پاسخ دهد. اخترشناسان امید دارند که مانند دیگر تلسکوپ‌ها، مشاهدات جیمز وب نیز پرسش‌های تازه برانگیزد. ماتر می‌گوید «هر زمان که تجهیزات جدیدی می‌سازیم، شگفت‌زده می‌شویم.»
پرتاب جیمز وب، آغازگر مرحله‌ای است که اخترشناسان آن را «۶ ماه اضطراب و نگرانی» می‌نامند
پرتاب جیمز وب، آغازگر مرحله‌ای است که ناتالی باتالها، اخترشناس در دانشگاه کالیفرنیا سانتا کروز آن را «۶ ماه اضطراب و نگرانی» می‌نامد. در این زمان، تلسکوپ فوق‌العاده پیچیده تلاش خواهد کرد تا فرایند بازشدن و کانون‌یابی را در صدها گام اجرا کند. رصدخانه به‌مدت یک ماه درحال پرواز به سمت نقطه لاگرانژی ۲ در فاصله ۱/۵ میلیون کیلومتری از زمین خواهد بود. در طول مسیر، تلسکوپ با تبدیل‌شدن به نیلوفر آبی آسمانی، آینه طلایی چندتکه‌اش را همچون شکوفه‌ای غول‌پیکر برفراز برگ نقره‌ای به مراتب بزرگ‌تری خواهد گشود.
گرانت ترمبلی، اخترفیزیکدان در دانشگاه هاروارد که تجربه فعالیت در کمیته تخصیص زمان تلسکوپ را دارد، پرتاب جیمز وب را لحظه «جسارت انجام کارهای بزرگ» می‌داند. او می‌گوید «جیمز وب قرار است اکتشافات شگفت‌انگیزی انجام دهد. ما در نیویورک تایمز حضور خواهیم یافت تا درباره چگونگی مشاهده تولد ستارگان در مرز زمان صحبت کنیم. این یکی از کهکشان‌های اولیه است؛ این داستان زمین‌های دیگر است.»
از یکدست تا ناهمگون
آخرین بار که ناسا رصدخانه‌ای چنین مهم را پرتاب کرد (تلسکوپ فضایی هابل در سال ۱۹۹۰)، یک فاجعه رقم خورد. ساندرا فابر، اخترشناس کهنه‌کار به کوانتا مگزین می‌گوید پرتاب هابل «کاملا فاجعه‌بار بود.» او عضو تیمی بود که در مرکز پرواز فضایی گادرد ناسا در مریلند مستقر شد تا اختلال هابل را تشخیص دهد.
در یکی از تصاویر هابل، ستاره به شکل حلقه به‌نظر می‌آمد و از این طریق، فابر و همکارانش پی بردند که آینه اصلی تلسکوپ (نمونه معقر بزرگی که نور را به آینه ثانویه‌ای بازتاب می‌دهد که سپس آن را روی لنزهای دوربین می‌تاباند) خمیدگی کاملا مناسب را برای تمرکز نور پیدا نکرده و در اطراف لبه به اندازه نصف طول موج ضخیم‌تر بود.
اگر آینه‌های اصلی و ثانویه با هم پیش از پرتاب آزمایش می‌شدند، این عدم تطابق کانونی مشخص می‌شد؛ اما عجله برای پرتاب تلسکوپی که دچار تاخیرهای طولانی و افزایش بودجه بود، موجب شد این آزمایش هرگز اتفاق نیفتد.
برخی مدیران ناسا خواستار رهاکردن هابل شدند؛ تلسکوپی که از قبل پروژه‌ای بحث‌برانگیز به‌شمار می‌رفت. درعوض، سناتور باربارا میکولسکی از مریلند بودجه برای مأموریت نجات را تأمین کرد.
عملیات تعمیر در فضا امکان‌پذیر بود؛ زیرا هابل به‌عنوان تلسکوپی نوری که به‌جای نور فروسرخ به رنگ‌های رنگین‌کمان حساس است، مجبور نبود میلیون‌ها کیلومتر در اعماق فضا پیشروی کند و می‌توانست از مدار نزدیک زمین در ارتفاع ۵۴۷ کیلومتری، دید واضحی به آسمان داشته باشد. سال ۱۹۹۳، شاتل فضایی به هابل متصل شد و فضانوردان نوعی لنز تماسی روی آن نصب کردند. تلسکوپ سپس توانست نجوم و کیهان‌شناسی را متحول کند.
تصاویر کهکشان مسیه ۱۰۰ که تلسکوپ فضایی هابل پیش و پس از نصب لنز اصلاحی روی آینه اصلی تلسکوپ در دسامبر ۱۹۹۳ ثبت کرد.
شاید مهم‌ترین پرسش درباره جهان در بیش‌ترین سال‌های قرن بیستم، این بود که آیا جهان آغازی داشته یا همیشه همین‌گونه بوده است. جی گالاگر، اخترشناس و استاد برجسته دانشگاه ویسکانسین مدیسن می‌گوید برای فرد هویل، کیهان‌شناس بریتانیایی و دیگر باورمندان به «نظریه حالت پایدار»، «سادگی، منطق قانع‌کننده بود. اینکه در یک نقطه چیزی تغییر کرد و جهان ماده را به‌وجود آورد؛ چرا باید چنین می‌شد؟» هویل به‌عنوان طرفدار نظریه حالت پایدار، اعتقاد رقیبان خود به بیگ‌بنگ را به تأثیر سفر پیدایش در کتاب مقدس نسبت داد.
سپس در سال ۱۹۶۴، صدای خش‌خش در آنتن رادیو در آزمایشگاه بل در نیوجرسی به گوش رسید. طبق پیش‌بینی نظریه بیگ‌بنگ، این صدا را ریزموج‌هایی ایجاد کرده بودند که از هر نقطه آسمان از راه می‌رسند. کشف «تابش زمینه کیهانی»، بلافاصله به بحث‌ها پایان نداد. دانشمندان طرفدار حالت پایدار نظیر هویل به تفسیر صدای خش‌خش بی‌اعتماد بودند و برای چندین دهه دیگر به نظریه خود پایبند ماندند.
اما برای دیگرانی که به‌محض دیدن پس‌تاب بیگ‌بنگ آن را تأیید کردند، تابش زمینه کیهانی یک معما به‌وجود آورد. یکنواختی تقریبا بی‌نقص ریزموج‌ها که از تمام قسمت‌های آسمان می‌آیند، نشان داد که جهان تازه‌متولدشده به‌طرز شگفت‌آور یکدست است. فابر که در اواخر دهه ۱۹۶۰ درباره کهکشان‌ها مطالعه می‌کرد، می‌گوید «معما این است که ما امروزه جهان را بسیار ناهمگون می‌بینیم. درنتیجه چالش نخست در درک کهکشان‌ها این است که بفهمیم جهان چگونه از توده‌ای یکدست به ناهمگون تبدیل شد.»
کیهان‌شناس‌ها می‌دانستند که اتم‌ها باید به تدریج دراثر گرانش در کنار هم جمع شده و درنهایت ساختارهایی نظیر ستارگان و کهکشان‌ها را به‌وجود آورده باشند. اما روی کاغذ، به‌نظر می‌آمد که رشد ساختارها فوق‌العاده کند بوده است. نه‌تنها ماده درابتدا توزیعی یکنواخت داشت و از این‌رو توسط گرانش به هیچ جهت خاصی کشیده نمی‌شد، بلکه انبساط فضا و فشار ایجادشده دراثر خود نور، هردو در پراکندگی ماده تأثیرگذار بود و کشش گرانشی ضعیف آن را خنثی می‌کرد.
در دهه ۱۹۷۰، ورا رابین، اخترشناس از مؤسسه کارنگی در واشنگتن مشاهده کرد که بخش‌های بیرونی کهکشان‌ها گویی دراثر یک منبع گرانش اضافی و ناپیدا، بسیار سریع‌تر از حد انتظار می‌چرخند. این مدرک که از وجود حجم چشمگیری ماده گمشده در و اطراف کهکشان‌ها به نام «ماده تاریک» حکایت می‌کرد، با مشاهدات فریتس تسوئیکی، اخترشناس سوئیسی در دهه ۱۹۳۰ مطابقت داشت.
تسوئیکی نتیجه گرفته بود که کهکشان‌ها فراتر از آن چیزی که صرفا براساس ماده نورانی انتظار می‌رود، یکدیگر را جذب می‌کنند. همچنین در دهه ۱۹۷۰، جیم پیبلس و جری اوستریکر از دانشگاه پرینستون محاسبه کردند که قرص‌های کهکشان‌های چرخانی که فقط از ستارگان، گاز و گردوغبار تشکیل شده‌اند، باید ناپایدار و به شکل کره متورم شوند. آن‌ها فرض کردند که ماده نامرئی باید چاه گرانشی قدرتمندتری ایجاد کرده باشد که قرص مرئی درون آن می‌چرخد. سال ۱۹۷۹، فابر و گالاگر با نگارش مقاله‌ای تأثیرگذار، تمام شواهد برای ماده تاریک را گرد‌آوری کردند و تقریبا ۹۰ درصد از کل ماده موجود در جهان را از این نوع دانستند. (برآورد کنونی تقریبا ۸۵ درصد است.)
پژوهشگران یادشده دریافتند که ماده تاریک با گرانش چشمگیر و نفوذناپذیری‌اش در برابر فشار نور، می‌توانست در جهان اولیه نسبتا سریع انباشته شود. پیبلس که سال ۲۰۱۹ نیمی از جایزه نوبل فیزیک را به پاس پژوهش‌هایش در کیهان‌شناسی به‌دست آورد، تصویری کیفی رسم کرد که در آن ذرات ماده تاریک یکدیگر را به صورت توده‌هایی معروف به هاله درمی‌آورند و سپس به توده‌های به مراتب بزرگ‌تر تبدیل می‌شوند.
سیمون وایت، اخترشناس بریتانیایی این فرایند «خوشه‌بندی سلسله‌مراتبی» را در شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای اولیه در دهه ۱۹۸۰ نشان داد. هرچند ماده مرئی در آن زمان برای شبیه‌سازی بیش از حد پیچیده بود، پژوهشگران حدس زدند که ماده تاریک فشرده‌شده، ماده نورانی را با نقش جزئی همراه خود آورده است: اتم‌ها با جمع‌شدن درون هاله‌های ماده تاریک درنهایت با یکدیگر برخورد کردند، گرم شدند، به سمت مرکز فرو رفتند و درنهایت ازنظر گرانشی درون ستارگان و کهکشان‌های قرصی‌شکل فروپاشیدند.
هرچند تصویر یادشده اغلب کیهان‌شناسان را متقاعد کرد، یک پرسش بزرگ این بود که تغییرات در چگالی ماده چگونه درابتدا ایجاد شد و فرایند خوشه‌بندی گرانشی را به راه انداخت. وایت که اکنون بازنشست شده و در آلمان زندگی می‌کند، به کوانتا مگزین گفت «افراد درباره شرایط اولیه معقول در مورد تشکیل ساختار کیهانی هیچ ایده‌ای نداشتند. شما می‌توانستید این شبیه‌سازی‌ها را اجرا کنید؛ اما نمی‌دانستید چه چیز را باید در ابتدا وارد کنید.»
الن گوت، کیهان‌شناس آمریکایی در سال ۱۹۷۹ با عجله عبارت «درک شگفت‌انگیز» را در دفترچه یادداشت خود نوشت. او حساب کرده بود که اگر فضا در آغاز بیگ‌بنگ مانند سطح بالون به‌طور ناگهانی منفجر شده باشد، آنگاه می‌توان توضیح داد که جهان چگونه چنین بزرگ، یکدست و مسطح شد. «تورم کیهانی»، عبارتی که گوت از آن برای نامیدن جهش رشد آغازین استفاده کرد، به سرعت به‌عنوان ضمیمه‌ای برای بیگ‌بنگ محبوب شد.
کیهان‌شناسان کمی بعد اشاره کردند که درجریان تورم، نوسانات کوانتومی در بافت فضا با انفجار فضا منجمد شدند و تغییرات چگالی ظریف را در سرتاسر جهان به‌وجود آوردند. نقاط متراکم احتمالی که دراثر تورم ایجاد شدند، ممکن است به‌عنوان بذرهای ساختارهای آتی به‌کار رفته باشند.
سال ۱۹۷۹، الن گوت دریافت که انفجار انبساط نمایی در آغاز بیگ‌بنگ، چندین خصوصیت ابهام‌آمیز جهان را توضیح خواهد داد.
اوایل دهه ۱۹۹۰، این تغییرات چگالی جزئی در تابش زمینه کیهانی اندازه‌گیری شد؛ دستاوردی که جایزه نوبل را برای جان ماتر، دانشمند ارشد تلسکوپ جیمز وب به ارمغان آورد. اما حتی پیش از این موفقیت، افرادی نظیر فابر نقاط متراکم را به نقشه افزودند. سال ۱۹۸۴، او و سه همکارش مقاله‌ای در نشریه نیچر منتشر کردند که همه‌چیز را به یکدیگر ارتباط می‌داد.
فابر می‌گوید مقاله آن‌ها «نخستین توصیف کلی این مسئله است که تورم چگونه می‌تواند نوسانات را به‌وجود آورد و نوسانات بعدا برای تشکیل کهکشان‌ها چه کاری انجام می‌دهند.»
اما داستان از ابتدا تا انتها حدس و گمان بود و حتی اگر به‌طور گسترده صحت داشت، تاریخ‌ها و جزئیات مهم ناشناخته بود.
یکی از تاثیرگذارترین اکتشافات تلسکوپ هابل و انگیزه‌بخش اصلی برای ساخت وب، جانشین آن در سال ۱۹۹۵، دو سال پس از نصب لنز اصلاحی به‌وقوع پیوست. باب ویلیامز که در آن زمان مدیر مؤسسه علوم تلسکوپ فضایی در بالتیمور، مرکز عملیات‌های هابل بود، به پیشنهاد برخی از پژوهشگران پسادکترا تصمیم گرفت تمام صد ساعت زمان اختیاری خود را که با آن می‌توانست هابل را به هر نقطه دلخواه نشانه بگیرد، صرف نشانه‌گیری به سمت هیچ کند؛ بخشی تاریک و کوچک و فاقد هیچ‌گونه ویژگی خاص از آسمان که باریک‌تر از ماه کوچک بود. هدف از انجام این کار، جستجوی هرگونه جرم دوردست فوق‌العاده کم‌نور بود که امکان داشت از چشم تلسکوپ‌های کمتر حساس پنهان شده باشد.
همکاران ویلیامز باور داشتند که نشانه‌گیری تلسکوپ به سمت هیچ بیهوده است. بااین‌حال، درجریان ۱۰۰ ساعت نورگیری، در گنجینه گشوده شد: مستطیلی کوچک و درخشان از فضا با هزاران کهکشان در اشکال، اندازه‌ها و رنگ‌های مختلف. اخترشناسان شگفت‌زده شدند.
تصویر زمینه ژرف هابل که درطول ۱۰ روز در دسامبر ۱۹۹۵ گرفته شد، نزدیک به ۳ هزار کهکشان را درون بخشی از آسمان به اندازه تقریبا یک‌دوازدهم پهنای ماه نمایان کرد.
کهکشان‌های دورتر در تصویر «زمینه ژرف هابل»، قرمزتر به‌نظر می‌آیند؛ زیرا نور آن‌ها مسافتی طولانی‌تر را از طریق فضای درحال انبساط پیموده و از این‌رو به طول موج‌های بلندتر فروسرخ منتقل شده است.
تصویر زمینه ژرف از طریق این کدگذاری رنگی، نمایی سه‌بعدی از کیهان و جدول زمانی تکامل کهکشان‌ها را ارائه می‌دهد. کهکشان‌ها در تمام سنین و مراحل رشد نمایان شده‌اند؛ مدرکی که نشان می‌دهد جهان درطول زمان به‌طور اساسی تغییر کرده است. فابر می‌گوید «نظریه حالت پایدار از بین رفت. دیگر قرار نیست درباره آن بشنویم. این یک کشف فکری بسیار بزرگ بود؛ اینکه می‌توانید یک تصویر با تلسکوپ بگیرید، می‌توانید به گذشته نگاه بیندازید و ببینید که جهان قبلا هیولایی متفاوت بود.»
تصویر معروف هابل نشان داد که اجرام روشن بسیار سریع‌تر از آنچه اغلب متخصصان انتظار داشتند، در جهان شکل گرفتند. درنتیجه این نظریه تقویت شد که آن‌ها نه به تنهایی با قدرت گرانش خود، بلکه به پشتوانه هاله‌های ماده تاریک پا به هستی گذاشتند.
کهکشان‌های دوران باستان ظاهر عجیب، کوچک و آشفته داشتند؛ مانند بچه اردک‌های زشتی که میلیاردها سال طول می‌کشد تا به قو تبدیل شوند. فابر می‌گوید جهان زیبا با کهکشان‌های مارپیچ و بیضوی زیبای امروز درواقع نوعی رشد اخیر است و این موضوع در تصویر نیز قابل مشاهده بود. برخی از کهکشان‌های جوجه اردکی درحال تصادم و ادغام و پشتیبانی از نظریه خوشه‌بندی سلسله‌مراتبی در رشد ساختار کیهانی بودند. توده‌های ستارگان در کهکشان‌های قدیمی درخشندگی شگفت‌انگیزی داشتند که نشان می‌دهد آن ستارگان، پرجرم‌تر و درخشان‌تر از ستارگان خورشیدمانند امروزی بودند.
فرایند شکل‌گیری کهکشان‌ها و پی‌ریزی ستارگان، دورتر و کم‌نورتر از آن است که هابل بتواند تشخیص دهد
براساس مشاهدات اخترشناسان، اغلب کهکشان‌هایی که به اوج درخشندگی رسیدند، ستارگان را سریع‌تر در محدوده «انتقال به سرخ ۲» شکل می‌دهند؛ مسافتی که نور تا زمان رسیدن به اینجا به اندازه دو برابر طول موج ساطع‌شده‌اش کشیده شده است. این فاصله با تقریبا دو میلیارد سال پس از بیگ‌بنگ برابر است. پس از آن، به دلایلی که اکنون تصور می‌شود به سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم درحال رشد در مراکز کهکشان‌ها مربوط است، اغلب کهکشان‌ها کم‌نور شدند.
برجسته‌ترین نکته درباره جدول زمانی تکامل کهکشان‌ها در تصویر زمینه ژرف هابل، این است که هیچ آغازی دیده نمی‌شود. تا جایی که چشم شیشه‌ای هابل کار می‌کند، کهکشان دیده می‌شود. فضانوردان بعدا دوربین‌های ارتقایافته روی تلسکوپ نصب کردند.اما حتی در تصاویر زمینه عمیق‌تر آن‌ها نیز لکه‌های نور احتمالا تا انتقال به سرخ ۱۰ مشاهده شدند؛ محدوده‌ای که با تقریبا ۵۰۰ میلیون سال پس از بیگ‌بنگ برابر است.
درحال‌حاضر تصور می‌شود که ساختارها احتمالا صدها میلیون سال قبل از آن شروع به شکل‌گیری کردند.
اما فرایند شکل‌گیری کهکشان‌ها و پی‌ریزی ستارگان، دورتر و کم‌نورتر از آن است که هابل بتواند تشخیص دهد. نور ساطع‌شده از این کهکشان‌ها از بخش مرئی طیف الکترومغناطیس خارج و به قسمت فروسرخ وارد شده است.
برای دیدن آن‌ها، به تلسکوپ بزرگ‌تری نیاز داریم که بتواند نور فروسرخ را حس کند. نتا باکل، اخترفیزیکدان دانشگاه پرینستون به کوانتا مگزین گفت «آنچه هابل با تصویر زمینه ژرف هابل موفق به انجامش شد، این یافته بود که کهکشان‌های واقع در انتقال به سرخ‌ها بسیار بیشتر از حد تصور هستند. یک پرسش برای جیمز وب این است که انتقال به سرخ چه زمانی و چگونه اینقدر زود آغاز شد.»
جهان‌های بیگانه
اکتبر ۱۹۹۵، دو ماه پیش از آنکه هابل به سیاهی خیره شود و نگاهی اجمالی به تاریخچه زمان بیندازد، میشل مایور، اخترشناس سوئیسی در کنفرانسی در فلورانس ایتالیا از کشف بزرگی دیگر خبر داد: او به همراه دیدیه کلاز، دانشجوی خود سیاره‌ای را در حال چرخش به دور ستاره‌ای دیگر مشاهده کرد.
در پشت تالار سخنرانی مایور، ناتالی باتالها که در آن زمان در دانشگاه کالیفرنیا تحصیل می‌کرد، نتوانست اهمیت آنچه را که تازه شنیده بود، درک کند. او گفت «خنده‌دار است که چگونه این اتفاقات رخ داد؛ زیرا با نگاه به گذشته، لحظه‌ای بسیار مهم محسوب می‌شد. این لحظه، طلوع عصری تازه از اکتشافات سیاره‌های فراخورشیدی بود؛ اما درعین‌حال لحظه‌ای تحول‌آفرین در زندگی من به‌شمار می‌رفت و هنوز آن را نمی‌دانستم.»
دیدیه کلاز (چپ) و میشل مایور در سال ۱۹۹۵، اندکی پس از آنکه با انتشار مقاله‌ای در نیچر، کشف سیاره فراخورشیدی دیمیدیوم را اعلام کردند.
در آن زمان، جستجو برای یافتن سیاره فراخورشیدی یک اقدام کم‌اهمیت علمی بود و روش مایور و کلاز همچون تیری در تاریکی به‌نظر می‌آمد. آن‌ها با استفاده از طیف‌سنج (اسپکتروگراف) که نور ستاره را به اجزای رنگی خود تقسیم می‌کند. بیش از ۱۰۰ ستاره خورشیدمانند را تحت نظر قرار دادند تا اثر دوپلر را شناسایی کنند. جایی که جرم هنگام نزدیک‌شدن یا دورشدن به‌ترتیب آبی‌تر یا قرمزتر می‌شود.
این روش می‌تواند لرزیدن ستاره را دراثر گرانش سیاره درحال چرخش به دورش نشان دهد. تکنیک طیف‌سنجی غیرممکن به‌نظر می‌رسید؛ زیرا سیاره باید به‌طرز غیرمنطقی سنگین و نزدیک به ستاره میزبانش باشد تا لرزش آن برای بهترین طیف‌سنج‌های موجود رویت‌پذیر شود. بااین‌حال وقتی مایور و کلاز به ۵۱ پگاسی، ستاره‌ای خورشیدمانند در فاصله ۵۰ سال نوری از زمین نگاه کردند، لرزش بزرگی را دیدند. آن‌ها با حذف دیگر احتمالات، نتیجه گرفتند که سیاره‌ای به اندازه مشتری هر ۴/۲ روز یک‌بار به دور ستاره می‌چرخد؛ هشت برابر نزدیک‌تر از فاصله عطارد از خورشیدمان
نه‌تنها مایور و کلاز سیاره‌ای فراخورشیدی پیدا کردند (و درنهایت نیمی از جایزه نوبل فیزیک را در سال ۲۰۱۹ به‌دست آوردند)، بلکه خود سیاره با نام ۵۱ پگاسی بی (دیمیدیوم) به‌تنهایی درک کتاب‌های درسی از منظومه‌های خورشیدی را دگرگون کرد. همان‌طور که هایدی همل، دانشمند سیاره‌ای می‌گوید «درباره چگونگی تشکیل منظومه شمسی‌مان، افسانه‌ای جذاب به ما یاد داده بودند». داستانی که طراحی شده بود تا توضیح دهد چرا سیاره‌های سنگی، نزدیک به ستاره قرار می‌گیرند. درحالی‌که غول‌های گازی و سیاره‌های یخی در فواصل دورتر تشکیل می‌شوند. پس ۵۱ پگاسی بی به‌عنوان یک مشتری داغ چگونه اینقدر به ستاره‌اش نزدیک بود؟
باتالها واکنش حضار را به ارائه مایور در فلورانس به یاد می‌آورد: سکوت. بااین‌حال اندکی بعد، شک و تردید جای خود را به کشف مشتری‌های داغ بیشتر داد و با بهبود تلسکوپ‌ها و تکنیک‌ها، دیگر سیاره‌های فراخورشیدی نیز ظاهر شدند.۱۶ سال پس از آن روز مهم در فلورانس، باتالها عهده‌دار مدیریت تیمی در ناسا شد که نخستین سیاره فراخورشیدی سنگی تأییدشده را کشف کرد: کپلر ۱۰بی.
ناتالی باتالها، اخترشناس در دانشگاه کالیفرنیا سانتا کروز، مدیریت تیمی را برعهده داشت که نخستین سیاره فراخورشیدی سنگی را کشف کرد. او نظارت بر برخی از اولین مشاهدات سیاره فراخوشیدی جیمز وب را برعهده خواهد داشت.
وقتی میشل بایور خبر کشف بزرگ خود را اعلام کرد، باتالها چندان فکر خود را مشغول مشتری داغ تازه‌یافت‌شده نکرد و به مطالعه لکه‌های ستاره‌ای در سانتا کروز ادامه داد. سپس یک سال بعد یا بیشتر، او با دانشمندی به نام بیل بوروکی در مرکز تحقیقات ایمز ناسا در سیلیکون ولی آشنا شد. بوروکی مصمم به ساخت تلسکوپی بود که بتواند نه فقط غول‌های گازی، بلکه سیاره‌های فراخورشیدی سنگی و زمین‌مانند را شناسایی کند.
او بدین منظور قصد داشت از روش گذر استفاده کند. بدین معنی که به‌جای ردیابی تغییرات در رنگ نور ستاره، مانند آنچه مایور و کلاز انجام دادند، به دنبال افت نورهایی در شدت نور ستاره باشد. که به‌صورت دوره‌ای دراثر گذر سیاره درحال عبور از مقابل ستاره رخ می‌دهند.
باتالها فکر نمی‌کرد که تکنیک گذر جواب بدهد. لکه‌های ستاره‌ای که از قضا آن‌ها را می‌شناخت، تقریبا هم‌اندازه زمین هستند. درنتیجه او فکر کرد که یک سیاره درحال گذر کوچک، از لکه ستاره‌ای روی ستاره چرخان تمایزپذیر نیست. او درباره این مشکل برای بوروکی نوشت. بوروکی در پاسخ گفت ناسا طرح پیشنهادی او را تا حدی به همین دلیل رد کرده است. وی از باتالها خواست برای فهمیدن تفاوت بین لکه‌های ستاره‌ای و جهان‌های سنگی، با او در مرکز ایمز همکاری کند.
یافته‌های تلسکوپ کپلر نشان داد که صرفا راه شیری خودمان میلیاردها سیاره سنگی و آبی بالقوه سکونت‌پذیر دارد
باتالها پذیرفت و همکاری آن‌ها آغاز شد. دفعه بعد، ناسا به طرح پیشنهادی بوروکی چراغ سبز داد و باتالها به دانشمند پروژه تبدیل شد. تلسکوپ فضایی کپلر که به‌دست بوروکی طراحی شد، در مارس ۲۰۰۹ زمین را ترک کرد و تیم او به امید یافتن افت نور‌های ناشی از گذر سیاره‌ها، به‌طور مستمر مشغول نظارت بر روشنایی تقریبا ۱۵۰ هزار ستاره شد.
کپلر سیاره‌های هم‌اندازه زمین را کشف کرد. باتالها گفت «کپلر ۱۰بی در ده روز نخستی که از فضاپیما داده گرفتیم، شناسایی شد.» وقتی آن‌ها درخشندگی ستاره میزبان را در طول زمان ثبت کردند، افت نور برای چشم قابل مشاهده بود. مشاهدات بعدی از زمین تأیید کرد که جرم تحت نظر سیاره‌ای واقعی است و براساس جرم و شعاعش باید جهانی سنگی باشد.
باتالها در ژانویه ۲۰۱۱ پس از آنکه اخترشناسان اروپایی مدعی کشف سیاره‌ای فراخورشیدی به نام کوروت- ۷بی شدند، کشف قطعی خود را ارائه داد. بااین‌حال کپلر ۱۰بی و کوروت- ۷بی، هیچ‌کدام عنوان مطلوب «زمین‌مانند» را به‌دست نیاوردند؛ زیرا به‌جای «کمربند حیات»، محدوده‌ای که آب در آن مایع است، در نزدیکی ستاره والدشان درحال چرخش بودند. (نخستین سیاره سنگی، آبی و بالقوه زمین‌مانند با نام کپلر ۱۸۶اف، در سال ۲۰۱۴ خبرساز شد؛ اما باتالها به‌طور رسمی در این کشف مشارکت نداشت.)
تلسکوپ کپلر قبل از آنکه به دلیل خرابی موتور پیش از موعد از کار بیفتد ، بیش از ۲۶۰۰ سیاره فراخورشیدی کشف کرد. در کل بیش از ۴۵۰۰ مورد شمارش شده است؛ عددی کافی برای اخترشناسان تا خصوصیات آماری آن‌ها را مطالعه کنند. همان‌طور که ۵۱ پگاسی بی نشان داده بود، منظومه شمسی ما غیرمعمولی است. به‌عنوان مثال، متداول‌ترین نوع سیاره در کهکشان، اندازه‌ای بین سیاره‌های سنگی و غول‌های گازی دارد؛ درحالی‌که محله کیهانی ما فاقد آن است. دانشمندان سیاره‌ای هنوز بیشتر بودن این به اصطلاح ابرزمین‌ها یا زیرنپتون‌ها، خصوصیات این سیاره‌های متوسط یا چگونگی تشکیل آن‌ها را درک نکرده‌اند.
برای توضیح وجود آن‌ها به اصول جدیدی از شکل‌گیری و تکامل سیاره‌ای نیاز است.
پژوهشگران با برون‌یابی داده‌های کنونی، به این نتیجه رسیده‌اند که کهکشان ما میلیاردها سیاره سنگی و آبی دارد. یافته‌ای که نشان می‌دهد حیات نیز ممکن است رایج باشد. بااین‌حال تا زمانی که واقعا شواهد از حیات را در جهانی دیگر پیدا نکنیم، این ایده محتمل باقی می‌ماند که ظهور حیات روی زمین اتفاقی بود و ما تنها هستیم.
خوشبختانه، تلسکوپ جیمز وب برای کاوش جو و اقلیم دیگر زمین‌ها و حتی اگر خوش‌شانس باشیم. یافتن شواهد از یک زیست‌کره (بیوسفر) واقعی بیگانه به اندازه کافی قدرتمند است. باتالها می‌گوید «فروسرخ برای سیاره‌های فراخورشیدی فوق‌العاده است.»