كيف يستطيع تلسكوب جيمس ويب الفضائي الرؤية حتى الآن؟
كيف يستطيع تلسكوب جيمس ويب الفضائي الرؤية حتى الآن؟
نُشرت هذه المقالة أصلاً في موقع ذا كونفرسيشن، وساهمت في نشرها ضمن قسم "أصوات الخبراء: مقالات رأي ورؤى" على موقع سبيس.كوم .
تخيّل كاميرا قوية جدًا لدرجة أنها تستطيع رؤية ضوء المجرات التي تشكلت قبل أكثر من 13 مليار سنة. هذا بالضبط ما صُمم تلسكوب جيمس ويب الفضائي التابع لناسا من أجله.
في ديسمبر 2021، دار تلسكوب ويب حول الأرض على بُعد أكثر من مليون ميل، ملتقطًا صورًا خلابة للفضاء السحيق. ولكن كيف يعمل هذا التلسكوب؟ وكيف يمكنه الرؤية إلى هذا الحد؟ يكمن السر في كاميراته القوية، وخاصةً تلك التي لا تلتقط الضوء كما تراه أعيننا.
أنا عالم فيزياء فلكية أدرس المجرات والثقوب السوداء الهائلة، وتلسكوب ويب هو أداة مذهلة لمراقبة بعض أقدم المجرات والثقوب السوداء في الكون.
عندما يلتقط ويب صورةً لمجرة بعيدة، فإن علماء الفلك مثلي يرون في الواقع كيف كانت تبدو تلك المجرة قبل مليارات السنين. ظل ضوء تلك المجرة يسافر عبر الفضاء لمليارات السنين ليصل إلى مرآة التلسكوب. يشبه الأمر امتلاك آلة زمن تلتقط صورًا للكون في بداياته.
وباستخدام مرآة عملاقة لجمع الضوء القديم، تمكن ويب من اكتشاف أسرار جديدة حول الكون.
تلسكوب يرى الحرارة
بخلاف الكاميرات العادية أو حتى تلسكوب هابل الفضائي، التي تلتقط صورًا للضوء المرئي، صُمم ويب لرصد نوع من الضوء لا تراه العين: الأشعة تحت الحمراء. تتميز الأشعة تحت الحمراء بأطوال موجية أطول من الضوء المرئي، ولذلك لا تستطيع أعيننا رصدها. ولكن باستخدام الأدوات المناسبة، يستطيع ويب التقاط الأشعة تحت الحمراء لدراسة بعض أقدم وأبعد الأجرام في الكون.
مع أن العين البشرية لا تستطيع رؤيته، إلا أنه يمكن للناس رصد الأشعة تحت الحمراء كنوع من الحرارة باستخدام تقنيات متخصصة، مثل كاميرات الأشعة تحت الحمراء أو أجهزة الاستشعار الحرارية. على سبيل المثال، تستخدم نظارات الرؤية الليلية الأشعة تحت الحمراء لاكتشاف الأجسام الدافئة في الظلام. ويستخدم ويب الفكرة نفسها لدراسة النجوم والمجرات والكواكب.
لماذا الأشعة تحت الحمراء؟ عندما ينتقل الضوء المرئي من المجرات البعيدة عبر الكون، فإنه يتمدد. هذا لأن الكون يتمدد. هذا التمدد يحوّل الضوء المرئي إلى ضوء تحت أحمر. لذا، فإن أبعد المجرات في الفضاء لم تعد تشعّ بالضوء المرئي، بل تتوهج بأشعة تحت حمراء خافتة. هذا هو الضوء الذي صُمم تلسكوب ويب لرصده.
مرآة ذهبية لجمع أضعف ضوء
قبل أن يصل الضوء إلى الكاميرات، يجب أولًا التقاطه بواسطة مرآة تلسكوب ويب الذهبية الضخمة. يبلغ عرض هذه المرآة أكثر من 6.5 أمتار (21 قدمًا)، وهي مصنوعة من 18 قطعة مرآة أصغر تتلاءم معًا كقرص عسل. وهي مطلية بطبقة رقيقة من الذهب الحقيقي – ليس فقط لتبدو أنيقة، بل لأن الذهب يعكس الأشعة تحت الحمراء بشكل ممتاز.
تجمع المرآة الضوء من أعماق الفضاء وتعكسه إلى أجهزة التلسكوب. كلما كبرت المرآة، زادت قدرتها على جمع الضوء، وزادت قدرتها على الرؤية. مرآة ويب هي أكبر مرآة أُطلقت إلى الفضاء على الإطلاق.
داخل الكاميرات: NIRCam وMIRI
إن "عيون" التلسكوب الأكثر أهمية هي أداتان علميتان تعملان مثل الكاميرات: NIRCam وMIRI.
NIRCam اختصار لـ "كاميرا الأشعة تحت الحمراء القريبة". وهي الكاميرا الرئيسية على تلسكوب ويب، وتلتقط صورًا مذهلة للمجرات والنجوم. كما أنها مزودة بجهاز "كوروناغراف" (جهاز يحجب ضوء النجوم ليتمكن من تصوير أجسام خافتة جدًا بالقرب من مصادر الضوء الساطعة، مثل الكواكب التي تدور حول نجوم ساطعة).
يعمل جهاز NIRCam على تصوير ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة، وهو النوع الأقرب إلى ما تراه العين البشرية تقريبًا، وتقسيمه إلى أطوال موجية مختلفة. يساعد هذا العلماء ليس فقط على معرفة شكل الشيء، بل أيضًا على معرفة مكوناته. تمتص المواد المختلفة في الفضاء وتُصدر ضوء الأشعة تحت الحمراء بأطوال موجية محددة، مما يُكوّن نوعًا من البصمة الكيميائية الفريدة. ومن خلال دراسة هذه البصمات، يُمكن للعلماء اكتشاف خصائص النجوم والمجرات البعيدة.
يكتشف جهاز الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (MIRI)، أو جهاز الأشعة تحت الحمراء المتوسطة، أطوالًا موجية أطول للأشعة تحت الحمراء، وهي مفيدة بشكل خاص في رصد الأجسام الباردة والغبارية، مثل النجوم التي لا تزال تتشكل داخل سحب الغاز. كما يمكن لـ MIRI المساعدة في العثور على أدلة حول أنواع الجزيئات في أغلفة الكواكب الجوية التي قد تدعم الحياة.
كلتا الكاميرتين أكثر حساسية بكثير من الكاميرات القياسية المستخدمة على الأرض. تستطيع كاميرا NIRCam وMIRI رصد أدقّ كميات الحرارة من على بُعد مليارات السنين الضوئية. لو كانت كاميرا ويب NIRCam كعينيك، لرأيت حرارة نحلة طنانة على القمر. هذا يدل على مدى حساسيتها.
لأن تلسكوب ويب يحاول رصد الحرارة الخافتة من الأجرام البعيدة، فإنه يحتاج إلى الحفاظ على برودة جسمه قدر الإمكان. لهذا السبب، يحمل درعًا شمسيًا عملاقًا بحجم ملعب تنس تقريبًا. يحجب هذا الدرع الشمسي المكون من خمس طبقات حرارة الشمس والأرض وحتى القمر، مما يساعد ويب على البقاء باردًا للغاية: حوالي -223 درجة مئوية (-370 درجة فهرنهايت).
يحتاج تلسكوب ميري (MIRI) إلى أن يكون أكثر برودة. فهو مزود بثلاجة خاصة تُسمى "مبرد التبريد" (cryocoler)، للحفاظ على برودته عند حوالي -447 درجة فهرنهايت (-266 درجة مئوية). لو كان ويب دافئًا ولو قليلًا، لطغت حرارته على الإشارات البعيدة التي يحاول التقاطها.
تحويل ضوء الفضاء إلى صور
بمجرد وصول الضوء إلى كاميرات تلسكوب ويب، يصطدم بمستشعرات تُسمى الكواشف. لا تلتقط هذه الكواشف صورًا عادية ككاميرات الهواتف، بل تُحوّل الضوء تحت الأحمر الوارد إلى بيانات رقمية. تُرسل هذه البيانات بعد ذلك إلى الأرض، حيث يُعالجها العلماء لتحويلها إلى صور ملونة بالكامل.
الألوان التي نراها في صور ويب ليست ما تراه الكاميرا مباشرةً. ولأن ضوء الأشعة تحت الحمراء غير مرئي، يُخصص العلماء ألوانًا لأطوال موجية مختلفة لمساعدتنا على فهم محتوى الصورة. تُساعد هذه الصور المُعالجة في توضيح بنية المجرات والنجوم وغيرها، وعمرها، وتكوينها.
وباستخدام مرآة عملاقة لجمع الضوء تحت الأحمر غير المرئي وإرساله إلى كاميرات فائقة البرودة، يسمح لنا ويب برؤية المجرات التي تشكلت بعد نشأة الكون مباشرة.
أُعيد نشر هذه المقالة من موقع The Conversation بموجب رخصة المشاع الإبداعي. اقرأ المقال الأصلي .
