مبادئ فيزيائية

فيزياء تلسكوب جيمس ويب الفضائي

اصبح الان للبشرية عين جديدة في السماء، مع مستشعرات الأشعة تحت الحمراء التي ستدرس في أبعد مناطق الكون. وإليك كيف يعمل.

تم إطلاق تلسكوب جيمس ويب الفضائي JAMES WEBB Space Telescope، المعروف أيضًا بالأحرف الأولى بـ JWST، في 25 ديسمبر في رحلته على بعد 930.000 ميل أي ما يقارب مليون ونصف كيلومتر من الأرض. هذا هو الجيل القادم الذي سيحل محل تلسكوب هابل الفضائي الشهير. يلتقط هابل صورًا رائعة منذ أكثر من 30 عامًا، ولكن حان الوقت لشيء أفضل. سيتم تكليف JWST باستخدام مستشعرات الأشعة تحت الحمراء الخاصة به لاستكشاف بعض الأجزاء البعيدة والتي يصعب رؤيتها في السماء، والمساعدة في البحث عن الكواكب الخارجية واستكشاف الأيام الأولى للكون. لذلك يبدو أن هذا هو الوقت المناسب لاستعراض أهم المفاهيم العلمية المتعلقة بالتلسكوبات الفضائية.

فيزياء تلسكوب جيمس ويب الفضائي

اعلانات جوجل

لماذا نضع تلسكوبًا في الفضاء؟

يمكنك رؤية جميع أنواع الأشياء الرائعة، مثل السدم والمذنبات، من الأرض باستخدام بعض المناظير أو تلسكوب شخصي. ولكن إذا كنت تريد صورًا بجودة البحث لمجرات بعيدة، فستواجه مشكلة الهواء. قد تعتقد أن الهواء شفاف، لكن هذا صحيح جزئيًا فقط.

الضوء عبارة عن موجة كهرومغناطيسية، ويمكن أن يكون لها أطوال موجية مختلفة. يمكن للناس فقط رؤية نطاق ضيق من الأطوال الموجية، من 380 نانومتر (1 نانومتر هو 10-9 متر) إلى حوالي 700 نانومتر. تفسر أدمغتنا الأطوال الموجية الأطول على أنها حمراء والأقصر على أنها بنفسجية. هذه الأطوال الموجية قادرة على المرور عبر الغلاف الجوي دون انخفاض كبير في السطوع – لذلك يمكننا القول إن الهواء شفاف للضوء المرئي.

ومع ذلك، بالنسبة للأطوال الموجية الأخرى للضوء التي لا يمكننا اكتشافها بأعيننا، فإن الهواء ليس بهذه الشفافية. إذا أخذنا في الاعتبار منطقة الأشعة تحت الحمراء من الطيف الكهرومغناطيسي (أو أطوال موجية أطول من الأحمر)، فيمكن عندئذٍ امتصاص الكثير من هذا الضوء بواسطة كل من بخار الماء وثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. (نعم، هذا هو نفس الشيء الذي يحدث مع الاحتباس الحراري: عندما يصطدم الضوء المرئي سطح الأرض، تزداد درجة الحرارة ويشع أشعة تحت الحمراء. يمتص ثاني أكسيد الكربون في الهواء بعضًا من هذه الأشعة تحت الحمراء لزيادة درجة حرارة الغلاف الجوي. وهذا يمكن أن يؤدي للأشياء الغير مرغوب فيها للبشر.)

يعد امتصاص الضوء هذا أيضًا مشكلة خاصة لتلسكوب الأشعة تحت الحمراء الأرضي. سيكون الأمر أشبه بمحاولة النظر إلى السماء من خلال الغيوم – لن ينجح الأمر.

أحد الحلول لهذه المشكلة هو وضع التلسكوب حيث لا يوجد هواء في الفضاء. (بالطبع، مع كل حل يأتي المزيد من التحديات. في هذه الحالة، عليك في الواقع وضع أداة علمية فائقة الحساسية على صاروخ وإطلاقه، وهي خطوة جريئة).

لماذا ينظر JWST إلى ضوء الأشعة تحت الحمراء؟

ينظر JWST في الواقع إلى نطاقي من ضوء الأشعة تحت الحمراء: الأشعة تحت الحمراء القريبة والأشعة تحت الحمراء المتوسطة. الأشعة تحت الحمراء القريبة هي ضوء ذو أطوال موجية قريبة جدًا من الضوء الأحمر المرئي. إنه الطول الموجي الذي يستخدمه جهاز التحكم عن بعد في التلفزيون.

غالبًا ما ترتبط الأشعة تحت الحمراء متوسطة المدى بالحرارة، وهذا صحيح في الغالب. اتضح أن كل شيء ينتج الضوء. نعم، وأنت جالس هناك ينبعث منك ضوء. يعتمد الطول الموجي للضوء الذي يبعثه الجسم على درجة حرارته. كلما زادت سخونة، كلما كان الطول الموجي للضوء أقصر. لذلك، بينما لا يمكنك رؤية الضوء المنبعث في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة، يمكنك الشعور به في بعض الأحيان.

جرب هذا: قم بتشغيل الموقد في مطبخك، وامسك يدك فوق الموقد ولكن لا تلمسه. عندما يسخن العنصر، فإنه ينتج ضوء الأشعة تحت الحمراء. لا يمكنك رؤية هذا الضوء، ولكن عندما يلامس يدك، يمكنك أن تشعر به كحرارة.

على الرغم من أنه لا يمكنك رؤية هذا النوع من الضوء، إلا أن كاميرا الأشعة تحت الحمراء يمكنها ذلك. تحقق من هذه الصورة بالأشعة تحت الحمراء لي وأنا أسكب فنجانًا ساخنًا من القهوة.

اعلانات جوجل

فيزياء تلسكوب جيمس ويب الفضائي

هذه صورة ذات لون خاطئ. بشكل أساسي، ترسم الكاميرا الألوان – من الأصفر إلى الأرجواني – على أطوال موجية مختلفة من ضوء الأشعة تحت الحمراء. تمثل الأجزاء الصفراء الأكثر سطوعًا (مثل وعاء القهوة) الأشياء الأكثر سخونة والأجزاء الأرجوانية الداكنة أكثر برودة. بالطبع، الواقع أكثر تعقيدًا من هذا (يمكنك أيضًا أن تعكس ضوء الأشعة تحت الحمراء).

والان، لماذا ينظر JWST إلى ضوء الأشعة تحت الحمراء؟ السبب هو تأثير دوبلر.

أنت تعرف بالفعل عن تأثير دوبلر. يمكنك سماعه عندما يتحرك قطار أو سيارة أمامك بسرعة عالية: يغير الصوت التردد لأن المصدر يتحرك نحوك أولاً، ثم بعيدًا عنك لاحقًا. صوت السيارة له طول موجي أقصر، وبالتالي نغمة أعلى، بينما يتجه نحوك، ثم طول موجي أطول ونغمة أقل عندما تتحرك بعيدًا.

يحدث أنه يمكنك أيضًا الحصول على تأثير دوبلر في الضوء – ولكن نظرًا لأن سرعة الضوء فائقة السرعة (3 × 108 م/ث)، فإن التأثير لا يمكن ملاحظته في العديد من المواقف. ومع ذلك، وبسبب توسع الكون، فإن كل المجرات التي نراها من الأرض تبتعد عنا. بالنسبة لنا، يبدو أن ضوءهم له طول موجي أطول. نسمي هذا انزياحًا نحو الأحمر، بمعنى أن الأطوال الموجية أكثر حمراء لأنها أطول. بالنسبة للأجسام البعيدة جدًا، يكون هذا الانزياح الأحمر كبيرًا جدًا لدرجة أن الأشياء المثيرة للاهتمام موجودة في طيف الأشعة تحت الحمراء.

هناك في الواقع سبب وجيه آخر لاستخدام ضوء الأشعة تحت الحمراء لـ JWST: من الصعب الحصول على رؤية خالية من العوائق للأجرام السماوية البعيدة بسبب الغاز والغبار اللذين يمثلان بقايا النجوم القديمة. هذه يمكن أن تشتت الضوء المرئي بسهولة أكبر مما يمكن أن تفعله أطوال موجات الأشعة تحت الحمراء. في الأساس، تستطيع أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء الرؤية من خلال هذه السحب بشكل أفضل مما تستطيع تلسكوبات الضوء المرئي.

نظرًا لأن JWST يراقب في طيف الأشعة تحت الحمراء، سيحتاج العلماء إلى أن يكون كل شيء مظلمًا قدر الإمكان حول التلسكوب. هذا يعني أن التلسكوب نفسه يحتاج إلى البرودة الشديدة لتجنب انبعاث الأشعة تحت الحمراء الخاصة به. هذا هو أحد أسباب وجود حاجب الشمس. ستحجب أشعة الشمس عن الأدوات الرئيسية حتى تبقى باردة. سيساعد أيضًا في حجب الضوء الزائد حتى يتمكن التلسكوب من التقاط الضوء الخافت نسبيًا من الكواكب الخارجية أثناء دورانها حول نجومها المضيفة الأكثر سطوعًا. (بخلاف ذلك، سيكون الأمر أشبه بمحاولة الرؤية في الظلام بينما يضيء شخص ما مصباحًا يدويًا في وجهك).

اعلانات جوجل

كيف ينظر JWST إلى الزمن الماضي؟

الضوء عبارة عن موجة تنتقل بسرعة كبيرة جدًا. في غضون ثانية فقط، يمكن للضوء أن يدور حول محيط الأرض أكثر من سبع مرات.

عند مشاهدة الأجرام السماوية، علينا أن نأخذ في الاعتبار الوقت الذي يستغرقه الضوء للانتقال من الجسم إلى التلسكوب أو العين. على سبيل المثال، يستغرق الضوء القادم من نظام نجمي Alpha Centauri القريب 4.37 سنة للوصول إلى الأرض. لذلك إذا رأيته في السماء، فأنت تنظر حرفياً إلى 4.37 سنة في الماضي.

(في الواقع، كل ما تراه هو في الماضي. ترى القمر في حوالي 1.3 ثانية في الماضي. عندما رُصد بالقرب من الأرض، يكون المريخ في الماضي بثلاث دقائق).

الفكرة هي أن يكون JWST قادرًا على رؤية أكثر من 13 مليار سنة في الماضي، حيث نقطة تطور الكون عندما تم تشكيل النجوم الأولى. هذا رائع، إذا فكرت في الأمر.

اعلانات جوجل

ما هي نقطة لاجرانج؟

يقع تلسكوب هابل الفضائي في مدار أرضي منخفض، وهو أمر رائع لأنه كان من الممكن لرواد الفضاء الوصول له عند الحاجة. لكن JWST سيكون بعيدًا جدًا، عند نقطة تعرف بـ L2 Lagrange. ولكن ما هو هيك نقطة لاجرانج تلك؟

لنفكر في أن هابل يدور حول الأرض. لأي جسم يتحرك في دائرة، يجب أن تكون هناك قوة جذب مركزية، أو قوة تسحبه باتجاه مركز الدائرة. إذا قمت بتأرجح كرة على خيط حول رأسك، فإن القوة التي تسحبها نحو المركز هي قوة الشد في الخيط. بالنسبة إلى هابل، فإن قوة الجاذبية المركزية هذه هي قوة الجاذبية الناتجة عن تفاعلها مع الأرض.

اعلانات جوجل

عندما يتحرك الجسم بعيدًا عن الأرض، تنخفض قوة الجاذبية هذه. لذلك، إذا تحرك التلسكوب إلى مدار أعلى (نصف قطر دائري أكبر)، فإن قوة الجاذبية المركزية ستنخفض. من أجل البقاء في مدار دائري، سيتعين على هابل أن يستغرق وقتًا أطول للدوران. (يمكننا القول إن سرعة الزاوية أقل.)

يدور JWST حول الشمس بدلاً من الأرض — ولكن نفس الفكرة تنطبق. كلما زادت المسافة المدارية، زاد الوقت المستغرق لإكمال المدار. ولكن ماذا لو كنت تريد أن يكون JWST بعيدًا عن الشمس ويكمل مدارًا شمسيًا في نفس الوقت مثل الأرض؟ (لتسهيل التحكم، يجب أن يظل التلسكوب أيضًا في نفس الموضع بالنسبة إلى الأرض.) من أجل تحقيق ذلك، تحتاج إلى اللجوء إلى خدعة.

هذه الخدعة هي نقطة لاغرانج، موقع في الفضاء حيث كلا من الأرض والشمس تمارسان قوة الجاذبية في نفس الاتجاه. جسم ما عند هذه النقطة له قوتان جاذبيتان تسحبهما لجعله يتحرك في دائرة. هذا يسمح لها بالدوران حول الشمس بسرعة زاوية أعلى. كما أنه يبقيها عند نقطة ثابتة بالنسبة لكوكبنا.

فيزياء تلسكوب جيمس ويب الفضائي

هناك خمس نقاط لاغرانج لنظام الأرض والشمس. (إذا كان هناك L2، فيجب أن يكون هناك L1 على الأقل – أليس كذلك؟) تقع نقطة L2 Lagrange على بعد حوالي 1.5 مليون كيلومتر من الأرض، وهي أبعد قليلاً من 400 كيلومتر من المدار الأرضي المنخفض.

فيما يلي نقاط لاغرانج الأربعة الأخرى لنظام الأرض والشمس (غير موضح بالمقياس).

في الواقع، لن يبقى JWST عند النقطة L2. بدلا من ذلك، سيكون في مدار بطيء للغاية. أعلم أنه يبدو من الغريب أن جسمًا ما يمكن أن يدور حيث لا يوجد شيء – لكن تذكر أن التلسكوب لن يدور في الواقع حول النقطة L2؛ سيكون يدور حول الشمس. سيبدو فقط وكأنه يدور حول L2 من النقطة المرجعية الدوارة هنا على الأرض.

لماذا يجب على البشر إنفاق المليارات على JWST؟

كلف التلسكوب حوالي 8.8 مليار دولار، بالإضافة إلى مليار آخر مخطط له لتكاليف تشغيله. قد يقول بعض الناس إنها مجرد أموال كثيرة. في الواقع، يمكنك إقناعي بأن هناك عددًا كبيرًا من المشاريع التي من الأفضل إنفاق الكثير من المليارات عليها.

لكن JWST لا تزال فكرة جيدة. إنه استثمار في العلوم الأساسية. العلم، مثل الفن أو الأدب أو الرياضة، هو أحد الأشياء التي تجعلنا بشرًا. جزء من الطبيعة البشرية هو فضولنا حول الكون من حولنا. باستخدام التلسكوب، ربما سنكتشف كيف كان الكون بعد فترة وجيزة من الانفجار العظيم. سنكون قادرين على العثور على المزيد من الكواكب حول النجوم الأخرى وحتى البحث عن بصمات الحياة. سنتعلم كيف كانت المجرات الأولى وكيف تشكلت. لكني أعتقد أن أفضل شيء يمكن أن نأمله من تلسكوب جيمس ويب الفضائي هو الإجابات على الأسئلة التي لم يتم طرحها بعد.

 

الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر – غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

زر الذهاب إلى الأعلى