“آلات الزمن الكونية”: كيف حولت التلسكوبات الفضائية قدرتنا على فهم الكون | فضاء

أناإذا أذهلتك صورة من الفضاء الخارجي، فمن المؤكد أنها التقطتها مركبة فضائية. وهذا ليس مفاجئًا إذا كنا نتحدث عن كواكب نظامنا الشمسي، حيث ترسل المجسات صورًا قريبة مذهلة منذ الستينيات. ولكن ماذا عن كل تلك السدم والمجموعات النجمية والمجرات الأبعد بكثير؟ بالنسبة للتصوير الفلكي المذهل، لا شيء يمكن أن يتفوق على تلسكوب هابل الفضائي التابع لناسا، أو خليفته الضخم الجديد، تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST). يطلق عليها اسم التلسكوبات الفضائية ليس فقط لأنها ترصد الفضاء، ولكن لأنها تقع في مكانها في فضاء.

على سبيل المثال، يبعد تلسكوب جيمس ويب الفضائي حوالي 930 ألف ميل (1.5 مليون كيلومتر)، أي ما يقرب من أربعة أضعاف بعد القمر وبعيد بما يكفي بحيث تستغرق الإشارات الراديوية المرسلة من الأرض، والتي تنتقل بسرعة الضوء، حوالي خمس ثوانٍ للوصول إليه. بمعنى آخر، يبعد تلسكوب جيمس ويب الفضائي حوالي خمس ثوانٍ ضوئية عن الأرض. لكن العديد من المجرات التي صورتها تبعد مئات الملايين، أو حتى مليارات، السنين الضوئية. من الواضح أن سبب تحديد موقع تلسكوب جيمس ويب الفضائي وتلسكوب هابل الذي سبقه في الفضاء لا علاقة له بالحصول على صور قريبة. إنهم ليسوا أقرب إلى الأشياء التي يشاهدونها من التلسكوبات هنا على الأرض. فلماذا يتكبد علماء الفلك كل هذا العناء والنفقات لوضع التلسكوبات في الفضاء؟

فوق الغلاف الجوي

أحد الأسباب هو الحصول على رؤية أوضح. من الواضح أن التلسكوب الفضائي لن يتأثر بالسحب أو الضباب، ولكن هناك تأثيرًا جويًا آخر مألوفًا جدًا هنا على الأرض لدرجة أننا نعتبره أمرًا مفروغًا منه. إنها الطريقة التي تتلألأ بها النجوم، بدلاً من الظهور كنقاط ضوء ثابتة. يحدث هذا لأن أشعة ضوء النجوم تهتز باستمرار بسبب الاضطرابات الجوية، وهذا يعني أنه بغض النظر عن مدى جودة التلسكوب من الناحية النظرية، فإنه لا يمكنه أبدًا تكوين صورة واضحة تمامًا إذا كان موجودًا على سطح الأرض. فكرة إطلاق تلسكوب إلى الفضاء للتغلب على هذه المشكلة كانت أول من اقترحها الفيزيائي الأمريكي ليمان سبيتزر في عام 1946.

كان ذلك بالطبع قبل وقت طويل من أن يصبح السفر إلى الفضاء حقيقة عملية. لم يكن الأمر كذلك حتى عام 1990، وبعد الكثير من الضغط من قبل علماء الفلك، أطلقت وكالة ناسا أخيرًا هابل إلى المدار. من حيث التصميم، فهو مشابه لتلسكوب أرضي متوسط ​​الحجم، لكن موقعه الفريد في المدار جعله أقوى بكثير من أي أداة على سطح الأرض.

وكانت النتيجة الأكثر وضوحًا هي تدفق الصور الرائعة ذات الألوان الكاملة التي نعرفها جميعًا، ولكن – ربما من المدهش – أن هذه الصور لا علاقة لها بمهمة هابل الأساسية. إنها في الأساس “توعية” تهدف إلى جلب عجائب علم الفلك إلى عامة الناس ونأمل في إلهام أجيال جديدة من الطلاب لمتابعة وظائف في العلوم الفيزيائية. وعلى الرغم من أهمية ذلك، فهو مجرد هامش لهدف هابل الرئيسي، وهو العلوم المتطورة. وعلى مدار ثلاثة عقود، تم نشر نتائجها في أكثر من 20 ألف ورقة علمية خاضعة لمراجعة النظراء، والعديد منها بدون أي صور فوتوغرافية. بالنسبة لعلماء الفلك، تعد القياسات عالية الدقة – على سبيل المثال، شدة الضوء أو الأطياف الكيميائية – هي الشيء الأكثر أهمية، وهذا هو ما تم تصميم أجهزة جمع البيانات الخاصة بهبل من أجله.

التعرض لفترات طويلة للغاية

وللجو تأثير ضار آخر إلى جانب ضبابية الصور الفلكية. إن ظاهرة “التوهج السماوي”، أو تشتت الضوء داخل الغلاف الجوي، تعني أنه لا يصبح مظلمًا تمامًا، مما يحد من قدرة التلسكوبات الأرضية على رؤية الأجسام الخافتة للغاية. أما في الفضاء، فإن خلفية السماء سوداء بالكامل، مما يجعل من الممكن تمييز حتى أضعف الأجسام عند تعرضها لفترة كافية.

في حالة هابل، تسمى أطول صور التعريض الضوئي – التي تم التقاطها عن طريق الإشارة بشكل متكرر إلى نفس البقعة من السماء وإضافة النتيجة على مدار عدة أيام – صور “المجال العميق” لأنها تسبر أعماق الكون أكثر من أي صور أرضية. يمكن للتلسكوب. ولأن الضوء ينتقل بسرعة محدودة، فإن صور المجال العميق تسبر أغوار الماضي أيضًا. ببساطة، كلما كان الجسم بعيدًا، كلما مضى وقت أطول على بدء ضوءه في رحلته إلينا.

وهذا ما يجعل هابل أشبه بآلة زمنية كونية، مع أعمق صوره العميقة التي تحفر خلال 97% من عمر الكون البالغ 13.8 مليار سنة، ليُظهر لنا كيف بدا بعد 400 مليون سنة فقط من الانفجار الأعظم. وهذه فقط البداية؛ ويأمل علماء الفلك أن يرى تلسكوب جيمس ويب الفضائي أبعد من ذلك، وصولاً إلى مرحلة تكوين النجوم والمجرات الأولى.

البحث عن الكواكب الخارجية

من بين العديد من الأهداف العلمية التي يسعى علماء الفلك اليوم إلى تحقيقها، يمكن لبعضها أن يجذب نفس القدر من الانبهار لعامة الناس. إن التحقق من ولادة الكون، كما تفعل صور المجال العميق التي التقطها هابل، هو أحد الأمثلة، والبحث عن حياة خارج كوكب الأرض هو مثال آخر. إذا كنا نتحدث عن حياة في مرحلة مماثلة من التعقيد التي نعيشها، فمن غير المرجح أن نجدها هنا في نظامنا الشمسي؛ علينا حقًا أن ننظر إلى الكواكب الخارجية التي تدور حول نجوم غير شمسنا. وتبين أن هذا مجال آخر تتمتع فيه التلسكوبات الفضائية بمزايا هائلة مقارنة بالنماذج الأرضية.

هناك عدة طرق لاكتشاف الكواكب الخارجية الجديدة، ولكن هناك طريقة واحدة على وجه الخصوص يمكن إجراؤها على نطاق صناعي، طالما أنك تستخدم تلسكوبًا فضائيًا مصممًا خصيصًا. يطلق عليها اسم “طريقة العبور”، وهي تستغل حقيقة أنه عندما يمر كوكب يدور حول نجم بعيد عبر وجه ذلك النجم من منظورنا، فسيتم حجب نسبة صغيرة من ضوء النجم. ومن أجل اكتشاف الكوكب، يتعين على علماء الفلك فقط مراقبة هذا الانخفاض المميز في السطوع. حتى الان جيدة جدا؛ إن مراقبة سطوع النجم مع مرور الوقت – “منحنى الضوء” – هو جزء راسخ من علم الفلك. ومع ذلك، يتم استخدامه تقليديًا للبحث عن التقلبات الكبيرة والمتكررة نسبيًا، وليس التقلبات الصغيرة التي قد ينتجها كوكب خارجي عابر مرة كل بضع سنوات.

لكي يكون لدينا أي أمل في النجاح، نحتاج إلى مراقبة الآلاف من منحنيات الضوء في وقت واحد – وبشكل مستمر على مدى عدة سنوات – بحثًا عن الانخفاضات في السطوع بمقدار بضعة أجزاء فقط في المليون. وهذا تحدٍ هندسي هائل لا يمكن تحقيقه في نهاية المطاف إلا من خلال التلسكوبات الفضائية المصممة خصيصًا. تم إطلاق أولها، كيبلر التابع لناسا، في عام 2009، وبحلول نهاية حياته العملية في عام 2018، كان قد اكتشف ما لا يقل عن 2700 كوكب خارجي جديد، أي أكثر من ثلثي جميع الكواكب المعروفة في ذلك الوقت. وتتشكل مهمة المتابعة التابعة لوكالة ناسا، وهي القمر الصناعي العابر لمسح الكواكب الخارجية، لتكون غزيرة الإنتاج بالقدر نفسه.

ما وراء الطيف المرئي

إن الأطوال الموجية للضوء التي يمكن لأعيننا رؤيتها تمتد لجزء صغير من النطاق الكامل للموجات الكهرومغناطيسية (EM)، مما يشبه مفتاحًا واحدًا في منتصف لوحة مفاتيح البيانو. تحمل كل تلك الأطوال الموجية “غير المرئية” على جانبي النطاق الموجي المرئي معلومات ذات أهمية محتملة لعلماء الفلك، لكن الكثير منها يفشل في اجتياز الغلاف الجوي للأرض (أحد أسباب تطور أعيننا لاستخدام مثل هذا الطيف الضيق).

في بحثه التنبؤي لعام 1946، أشار سبيتزر إلى أن وضع تلسكوب في الفضاء من شأنه أن يفتح تلك الأجزاء من طيف الموجات الكهرومغناطيسية التي عادة ما يحجبها الغلاف الجوي. وفي الواقع، فإن بعض التلسكوبات الفضائية الأولى، قبل عقود من تلسكوب هابل، ركزت على نطاقات الطول الموجي الأقصر مثل الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية. عند الأطوال الموجية الأطول، تكون الأشعة تحت الحمراء مفيدة بشكل خاص لاختراق سحب الغبار المحيطة بمناطق تشكل النجوم ولرؤية الأجسام الخافتة والباردة مثل الكواكب الخارجية – وليس من قبيل الصدفة أن تمتد تغطية تلسكوب جيمس ويب الفضائي من النطاق المرئي إلى هذا الجزء من الطيف.

حتى الأطوال الموجية التي تصل إلى سطح الأرض مثل الراديو قد يكون من الأسهل مراقبتها من الفضاء في بعض الأحيان. وخير مثال على ذلك هو إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، وهو الإشعاع البدائي الذي تغلغل في الكون بعد نحو 380 ألف سنة من الانفجار الأعظم. إنه خافت للغاية لدرجة أن التلسكوبات الأرضية تكافح من أجل اكتشافه في مواجهة المنافسة من المصادر البشرية ذات الطول الموجي المماثل، مثل الهواتف المحمولة والواي فاي – لكن التلسكوبات الفضائية مثل بلانك، من وكالة الفضاء الأوروبية (Esa)، قامت برسم خرائط تفصيلية له.

المستقبل

من الانفجار الكبير إلى الكواكب الخارجية، لعبت التلسكوبات الفضائية دورًا رئيسيًا في بناء فهمنا الحالي للكون. ولكن مقابل كل اكتشاف يتم التوصل إليه، هناك أسئلة جديدة يجب الإجابة عليها، لذا فمن المؤكد أن علماء الفلك سيطالبون دائمًا بتلسكوبات فضائية أكبر وأفضل. ومن بين الوافدين الجدد إلى هذا المجال، مسبار إقليدس الذي أطلقته وكالة الفضاء الأوروبية العام الماضي والذي شرع للتو في المهمة الطموحة المتمثلة في رسم خرائط لتوزيع مليارات المجرات على مسافة 10 مليارات سنة ضوئية في محاولة لكشف أسرار الطاقة المظلمة (الطاقة الموجودة في الفضاء الفارغ). الفضاء الذي يتسبب في تسارع الكون المتوسع) والمادة المظلمة (التي تشكل حوالي 85٪ من كتلة الكون).