تجمع تلسكوبات الفضاء الضوء باستخدام مرايا بعيدة فوق الغلاف الجوي للأرض، والذي قد يشوه الصور ويحجب الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء. يتم بناء المراصد المختلفة لأنواع مختلفة من الضوء - Hubble للضوء المرئي والفوق بنفسجي، و James Webb للأشعة تحت الحمراء، و Chandra للأشعة السينية - وبما أن الضوء يحتاج إلى وقت للسفر، فإن هذه الأدوات تسمح للفلكيين برؤية المجرات كما بدت قبل مليارات السنين.
يقوم كل تلسكوب فضائي بنفس المهمة الأساسية: جمع أكبر قدر من الضوء من مصدر خافت وبعيد وتركيزه على جهاز كشف. تعتمد طريقة جمع الضوء والأطوال الموجية التي يمكن التقاطها على تصميم المرايا وموقع التلسكوب في الفضاء، وفقاً لنظرة NASA العامة لعلم التلسكوبات.
لماذا نضع تلسكوباً في الفضاء على الإطلاق
تنظر التلسكوبات الأرضية عبر الغلاف الجوي للأرض، حيث تشوه جيوب الهواء المتحركة الضوء الوارد - وهو نفس التأثير الذي يجعل النجوم تبدو وكأنها تتلألأ. توضح صفحة برنامج Hubble من NASA أن هذه الحركة تغشي الصور المأخوذة من الأرض وأن الغلاف الجوي يمتص أيضاً معظم الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء قبل أن تصل إلى السطح.
بالدوران حول الأرض على ارتفاع يبلغ حوالي 300 ميل تقريباً، يتجنب Hubble تشويش الغلاف الجوي ويمكنه الكشف عن أجسام أضعف بحوالي عشر مرات مما يمكن للتلسكوبات الأرضية المكافئة، كما تذكر NASA. يمكن لتلسكوبات الفضاء أيضاً أن تراقب بشكل مستمر، دون تدخل الطقس أو ضوء النهار أو تلوث الضوء من المدن.
المرايا، وليس العدسات فقط
استخدمت التلسكوبات المبكرة عدسات زجاجية لثني الضوء، وهو تصميم يسمى الانكسار. تلاحظ صفحة شارح "Telescopes 101" من NASA أن العدسات الكبيرة تصبح ثقيلة وصعبة الإطلاق، لذلك معظم التلسكوبات الحديثة هي تلسكوبات عاكسة تستخدم مرايا منحنية بدلاً من ذلك، حيث يمكن جعل المرايا أرق وأخف وزناً بنفس الحجم.
في التصميم العاكس النموذجي، يضرب الضوء مرآة أساسية كبيرة بشكل القطع المكافئ وينعكس إلى مرآة ثانوية أصغر. بخصوص James Webb Space Telescope تحديداً، توضح وصف NASA لمرايا Webb خطوتين إضافيتين: ينعكس الضوء من المرآة الثانوية إلى مرآة ثالثة مقعرة ثم إلى مرآة توجيه ميكانيكي مسطحة قبل الوصول أخيراً إلى أدوات العلوم.
تلسكوبات مختلفة، ضوء مختلف
يمكن تركيز الضوء المرئي والفوق بنفسجي والأشعة تحت الحمراء بأشكال مرايا متشابهة لكن بطلاءات مختلفة. الأجزاء السادسة عشرية الأساسية الـ 18 من مرآة Webb، المصنوعة من معدن البيريليوم والمغطاة بطبقة من الذهب بسمك 100 نانومتر، يتم ضبطها بشكل خاص لتعكس الأشعة تحت الحمراء بكفاءة، وفقاً لوصف NASA لمرايا Webb. Hubble، في المقابل، تم بناؤه لجمع الأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة، كما تقول NASA.
تتصرف الأشعة السينية بشكل مختلف: إنها ستخترق ببساطة أو يتم امتصاصها بواسطة مرآة عادية، تماماً كما تنغرز الرصاصات في الجدار، كما يوضح مركز Chandra X-ray Center في جامعة Harvard. بدلاً من ذلك، يتم تشكيل مرايا Chandra مثل براميل أسطوانية متداخلة مغطاة بالإيريديوم، وتعكس الأشعة السينية فقط بزاوية ضحلة 'رعية' بدلاً من مواجهة مباشرة، كما يقول المركز. يستخدم Chandra أربع أزواج من المرايا المتداخلة، ثماني مرايا في المجموع، مصقولة وموضوعة بدقة تصل إلى 1.3 ميكرومتر.
أشعات جاما أكثر نشاطاً وتمر مباشرة عبر العدسات التقليدية تماماً. تلاحظ NASA أن تلسكوبات أشعات جاما مثل Fermi تستخدم بدلاً من ذلك كواشف تتتبع الجزيئات الناتجة عندما تضرب أشعات جاما مادة كثيفة مثل التنجستين، وتعيد بناء أصل الشعاع من مسارات الجزيئات تلك بدلاً من تركيز الأشعة بمرآة.
كيف تختلف تلسكوبات الفضاء الرئيسية
التلسكوب
الضوء الأساسي المكتشف
تصميم المرآة
الموقع
Hubble
فوق بنفسجي، مرئي، قريب من الأشعة تحت الحمراء
مرآة عاكسة واحدة
مدار منخفض حول الأرض، حوالي 300 ميل فوق الأرض
James Webb
أشعة تحت الحمراء (0.6–28.8 ميكرون)
18 قطاع سادس عشري من البيريليوم المغطى بالذهب، يبلغ عرضه 6.5 متر
مدار هالة حول نقطة Lagrange الثانية Sun-Earth L2، حوالي 1.5 مليون كم من الأرض
Chandra
أشعة سينية
4 أزواج من المرايا الأسطوانية المتداخلة برعية المدخل مغطاة بالإيريديوم
مدار بيضاوي عالي حول الأرض
Fermi
أشعات جاما
لا توجد مرآة؛ كواشف تتبع الجزيئات مع لوحات التنجستين
مدار منخفض حول الأرض
لماذا يكون الموقع مهماً: مدار Webb البعيد
لا يدور Webb حول الأرض بقرب كما يفعل Hubble. تقول صفحة المهمة من NASA إن Webb يدور حول نقطة Lagrange الثانية Sun-Earth L2، حوالي 1.5 مليون كيلومتر من الأرض، ويكمل دورة واحدة تقريباً كل ستة أشهر. في ذلك الموقع، تبقى الشمس والأرض والقمر على جانب واحد من المركبة الفضائية، مما يسمح لدرع الشمس بحجم ملعب التنس من Webb بحجب حرارتهم وضوءهم بشكل مستمر.
هذا الحماية ضروري لأن Webb يراقب الأشعة تحت الحمراء، والتي هي في الأساس حرارة. تقول NASA أن التلسكوب يعمل في درجات حرارة منخفضة جداً - تقريباً ناقص 370 درجة فهرنهايت، وفقاً لصفحة مدار Webb - بحيث لا تفيض أي حرارة ضالة من الشمس أو الأرض الكواشف بضوضاء الأشعة تحت الحمراء وتطغى على الإشارات الضعيفة من المجرات البعيدة.
رؤية الماضي، وليس فقط البعيد
لأن الضوء يسافر بسرعة ثابتة ومحدودة، فإن النظر إلى أبعد في الفضاء يعني النظر إلى أبعد في الزمن الماضي. تلاحظ نظرة العلوم العامة من NASA عن Webb أن التلسكوب يمكنه الكشف عن الأشعة تحت الحمراء من المجرات على بعد أكثر من 13.5 مليار سنة ضوئية - مما يعني أن الضوء الذي يتم التقاطه اليوم غادر تلك المجرات قبل أكثر من 13.5 مليار سنة، عندما كان الكون صغيراً. مراقبة الضوء، في الواقع، تظهر الجسم كما كان موجوداً في الوقت الذي غادر فيه الضوء، وليس كما يبدو الآن.
يحمل Webb أربع أدوات علمية لتحليل ذلك الضوء القديم: NIRCam و NIRSpec للتصوير الطيفي بالأشعة تحت الحمراء القريبة، و MIRI لملاحظات الأشعة تحت الحمراء المتوسطة، وجهاز توجيه دقيق مقترن مع أداة NIRISS، وفقاً لنظرة التلسكوب العامة من NASA.
تخترق فوتونات الأشعة السينية المرآة بنفس الطريقة التي تنغرز بها الرصاصات في الجدار.
— مركز Chandra X-ray Center، جامعة Harvard
من المرآة إلى الصورة على الأرض
لا تستخدم تلسكوبات الفضاء الحديثة فيلماً فوتوغرافياً. تقول شارحة NASA حول كيفية عمل التلسكوبات أن الضوء المركز بواسطة المرايا يسقط على كواشف إلكترونية، التي تحوله إلى إشارات رقمية. يتم تخزين تلك الإشارات بواسطة أجهزة الكمبيوتر على متنها وتنقل إلى محطات أرضية على الأرض، حيث يعيد العلماء بناء البيانات إلى صور يتم إصدارها للجمهور.
أسئلة
لماذا لا يمكن للتلسكوبات الأرضية أن تفعل كل شيء تلسكوبات الفضاء؟
يشوه الغلاف الجوي للأرض الضوء الوارد، مما يسبب التلألؤ الذي يغشي الصور الأرضية، كما أنه يمتص معظم الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء قبل أن تصل إلى السطح، وفقاً لـ NASA. تدور تلسكوبات الفضاء فوق هذا التدخل، مما يوفر صور أوضح والوصول إلى الأطوال الموجية التي لا تستطيع التلسكوبات الأرضية رؤيتها.
لماذا يستخدم Webb الأشعة تحت الحمراء بدلاً من الضوء المرئي مثل Hubble؟
تخترق الأشعة تحت الحمراء سحب الغبار التي تحجب الضوء المرئي وتحمل أيضاً الضوء 'المنزاح للأحمر' الممدود من أقدم وأبعد المجرات، والتي تقول NASA أن Webb يمكنها الكشف عنها من أجسام على بعد أكثر من 13.5 مليار سنة ضوئية. Hubble، في المقابل، تم بناؤه في الأساس للأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة.
لماذا تكون مرآة Webb مصنوعة من البيريليوم ومغطاة بالذهب؟
تقول NASA أن البيريليوم قوي بالنسبة لوزنه ويحافظ على شكله في درجات الحرارة المنخفضة جداً التي يعمل بها Webb، بينما طلاء رقيق من الذهب بسمك 100 نانومتر يحسن انعكاس المرآة للأشعة تحت الحمراء بشكل خاص.
لماذا يدور Webb بعيداً جداً عن الأرض بدلاً من أن يكون قريباً مثل Hubble؟
يدور Webb حول نقطة Sun-Earth L2، على بعد حوالي 1.5 مليون كيلومتر، بحيث يمكن لدرعه الشمسي أن يحجب بشكل مستمر الحرارة والضوء من الشمس والأرض والقمر على جانب واحد، مما يحافظ على أدواته تحت الحمراء في برودة شديدة، وفقاً لصفحة مدار مهمة NASA.
كيف تركز تلسكوبات الأشعة السينية مثل Chandra الأشعة السينية إذا كانت المرايا لا تستطيع عكسها بشكل طبيعي؟
يتم تشكيل مرايا Chandra كأسطوانات برميل متداخلة مغطاة بالإيريديوم، وتنعكس الأشعة السينية فقط بزاوية 'رعية' ضحلة بدلاً من أن تركز بشكل مباشر، وفقاً لمركز Chandra X-ray Center في جامعة Harvard.
تدريب رواد الفضاء عملية متعددة السنوات تبدأ بفحص اختياري للتعليم والخبرة واللياقة البدنية، ثم تنتقل إلى سنوات من التدريب الأرضي قبل أي رحلة. وفقاً لوكالة ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية (ESA)، يتعلم المرشحون أنظمة المركبات الفضائية ويمارسون المشي في الفضاء تحت الماء، وأيضاً يدرس مرشحو وكالة الفضاء الأوروبية اللغة الروسية، بينما تعمل الحياة على محطة الفضاء الدولية (ISS) وفقاً لجدول يومي ثابت يتضمن العمل والتمارين والنوم.
الثقب الأسود هو منطقة في الفضاء تكون الجاذبية فيها قوية جداً بحيث لا يستطيع أي شيء، حتى الضوء، الهروب بمجرد عبوره الأفق الحدثي. معظمها يتشكل عندما تنفد الوقود النووي لنجم ضخم ويحدث انهيار في نواته؛ وتنمو النسخ الفائقة في مراكز المجرات على مدى مليارات السنين. قد أكدت الصور المباشرة وكشوفات الموجات الثقالية وجودها واختبرت النسبية العامة لأينشتاين.
تتغير أطوار القمر لأن ضوء الشمس يضرب أجزاء مختلفة من سطحه مع دورانه حول الأرض، وليس بسبب ظل الأرض؛ دورة كاملة واحدة من الأطوار، تسمى الشهر الاقتراني، يبلغ متوسطها 29.5 يوم. القمر نفسه يسحب أيضاً محيطات الأرض بقوة جاذبية غير متساوية، مما يخلق مدين عاليين ومدين منخفضين تقريباً كل 24 ساعة و50 دقيقة، حيث تقوي الشمس أو تضعف هذا السحب مرتين في الشهر.
الانفجارات الراديوية السريعة (FRBs) هي وميضات قصيرة من الطاقة الراديوية من مجرات بعيدة، تم تحديدها لأول مرة في عام 2007 ولم يتم شرحها بالكامل حتى الآن. ارتفع الاهتمام بعد أن استخدم الفلكيون تلسكوب MeerKAT وتلسكوب جيمس ويب الفضائي لتتبع أبعد انفجار راديوي سريع حتى الآن، وهي إشارة قطعت أكثر من 10 مليارات سنة لتصل إلى الأرض.
