كيف تعمل التلسكوبات: شرح التلسكوبات البصرية والراديوية والمراصد الفضائية

الوظيفة الأساسية للتلسكوب هي جمع المزيد من الإشعاع الكهرومغناطيسي مما تستطيع العين البشرية تجميعه وتركيزه. يحدد قطر المرآة الرئيسية أو العدسة أو هوائي التلسكوب — فتحته — شيئين: مقدار الضوء الخافت الذي يمكنه جمعه، ومدى دقة فصل التفاصيل، وفقاً لمرصد الراديو الفلكي الوطني الأمريكي (NRAO). تعني الفتحة الأكبر أن الأجسام الخافتة والبعيدة تصبح مرئية والهياكل الأدق تصبح في المجال.

التلسكوبات البصرية: العدسات والمرايا ومشكلة الغلاف الجوي

تجمع التلسكوبات البصرية الكلاسيكية الضوء المرئي باستخدام إما العدسات (الكاسرة) أو المرايا (العاكسة). تلسكوب هابل الفضائي، على سبيل المثال، يستخدم تصميماً عاكساً: يصطدم الضوء بمرآة أساسية مقعرة بقطر 2.4 متر، ينعكس إلى مرآة ثانوية أصغر بحوالي 0.3 متر، ويعود عبر فتحة في المرآة الأساسية للوصول إلى أدوات العلم، وفقاً لمركز Goddard لرحلات الفضاء التابع لـ NASA. يسمى هذا التكوين ثنائي المرآة تصميم Ritchey-Chrétien، وهو مبني للحفاظ على حدة الصور عبر حقل رؤية واسع.

على الأرض، حتى أفضل المواقع تعاني من الاضطراب الجوي، الذي يجعل النجوم تلمع ويشوش التفاصيل الدقيقة، وفقاً للمرصد الأوروبي الجنوبي (ESO)، الذي يدير تلسكوب الصفيف الكبير جداً في تشيلي. حل ESO هو البصريات التكيفية: يقيس مستشعر الجبهة الموجية كيف تم تشويه ضوء النجم، ومرآة قابلة للتشوه يتحكم فيها الكمبيوتر تصحح التشويه في الوقت الفعلي. عندما لا يوجد نجم طبيعي مشرق بالقرب من الهدف، تطلق ESO ليزراً قوياً في الغلاف الجوي العلوي لإنشاء نجم مرجعي اصطناعي. تقول ESO أن هذا التصحيح يمكن أن يجعل الصور الأرضية عند الأطوال الموجية المرئية حادة تقريباً مثل صور تلسكوبات الفضاء، بجزء من تكلفة تلسكوب فضائي.

لماذا يجب على بعض التلسكوبات مغادرة الأرض

الغلاف الجوي للأرض لا يقتصر على تشويش الصور — إنه يحجب الأطوال الموجية بأكملها. وفقاً لموقع تعليم الفلك Las Cumbres Observatory، يمتص الغلاف الجوي أو يعكس معظم الضوء فوق البنفسجي وأشعة إكس وأشعة جاما ومعظم الإشعاع تحت الحمراء، ويسمح بمرور الضوء المرئي بشكل أساسي، وبعض الأشعة تحت الحمراء، وأجزاء من طيف الراديو. هذا هو السبب في أن المراصد المبنية لدراسة تلك الأطوال الموجية المحجوبة — مثل مرصد Chandra الموجه للأشعة السينية، ومرصد Fermi Space Telescope الموجه لأشعة جاما، والمهام تحت الحمراء مثل Spitzer و Herschel — يجب أن تدور فوق الغلاف الجوي بدلاً من الجلوس على قمة الجبل.

تحتاج التلسكوبات ذات الأشعة السينية أيضاً إلى تصميم بصري مختلف تماماً عن تلك الموجهة للضوء المرئي. وفقاً لمركز Chandra للأشعة السينية في مركز Harvard-Smithsonian للفيزياء الفلكية، فوتونات الأشعة السينية قوية جداً بحيث تمر مباشرة عبر مرآة تقليدية موجهة إليها مباشرة، تماماً كما ستخترق رصاصة جداراً. الحل الذي اختارته Chandra هو إمالة مراياها بحيث تضرب الأشعة السينية بزاوية حادة ضحلة وترتد إلى البؤرة، مشابهة لحجر ينزلق على الماء. تستخدم Chandra أربعة أزواج مرايا على شكل براميل مصقولة بنعومة بضع ذرات ومغطاة بالإيريديوم، محاذاة ضمن حوالي 1.3 ميكروميتر — جزء صغير من عرض شعرة الإنسان، وفقاً لمركز Chandra للأشعة السينية.

عمالقة الأشعة تحت الحمراء: الرؤية عبر الغبار والعودة إلى الزمن الماضي

تم بناء تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) للكشف عن الضوء من الأحمر المرئي عبر أطوال الموجات تحت الحمراء المتوسطة، وتغطي تقريباً 0.6 إلى 28.8 ميكرون، وفقاً لـ NASA. تمتد مرآته الأساسية 6.6 متر عبر 18 قطاعاً سداسياً مطلياً بالذهب، مما يعطيها منطقة جمع حوالي 5.6 مرات أكبر من هابل. تم اختيار الذهب لأنه يعكس الضوء الأحمر إلى تحت الحمراء المتوسطة بشكل خاص. تقول NASA أن هذا الجمع بين الحجم ومدى الطول الموجي يسمح لـ Webb بالكشف عن الضوء تحت الحمراء الخافت من المجرات على بعد أكثر من 13.5 مليار سنة ضوئية، وأن الضوء تحت الحمراء يمكنه أن يمر عبر سحب الغبار الكثيفة التي تحجب معظم الضوء المرئي الذي يمكن لأدوات هابل كشفه. تدور Webb حول نقطة Sun-Earth L2، على بعد حوالي 1.5 مليون كيلومتر من الأرض، حيث تبقى خالية من التأثيرات الدافئة وتشتيت الضوء لكل من الشمس والأرض.

تلسكوبات الراديو: الأطباق التي تتصرف كعين عملاقة واحدة

تجمع تلسكوبات الراديو أطول الأطوال الموجية التي يستخدمها الفلكيون، من حوالي 1 ميليمتر إلى أكثر من 10 متر، وفقاً لـ NRAO. يحتوي كل هوائي على طبق مكافئ يركز الموجات الراديوية الواردة على جهاز استقبال، الذي يضخم الإشارة للتحليل — عملية تصفها NRAO على أنها تعمل تماماً مثل تلسكوب بصري لكن مضبوط للموجات الأضعف والأطول بكثير. تلاحظ NRAO أن الإشارات الراديوية المدروسة ضعيفة بشكل استثنائي — وفقاً لتقديراتها، إشارة هاتف محمول نموذجية أقوى تقريباً مليار مليار مرة من الموجات الراديوية الكونية التي تكتشفها هذه التلسكوبات.

يواجه طبق واحد مشكلة الدقة: لأن الدقة الزاويية تعتمد على طول الموجة مقسوماً على قطر الهوائي، ولأن الأطوال الموجية للراديو طويلة جداً، حتى طبق كبير مثل Green Bank Telescope لا يمكنه مطابقة التفاصيل الدقيقة لتلسكوب بصري وحده، وفقاً لـ NRAO. الحل هو التداخل — ربط العديد من الأطباق الموزعة على مسافات طويلة بحيث تتصرف كتلسكوب واحد أكبر بكثير. تستشهد NRAO بـ Very Large Array، التي تحتوي على 27 طبقاً نشطاً (بالإضافة إلى طبق احتياطي واحد) في نيو مكسيكو يمكن نشرها عبر تكوينات باستخدام حوالي 40 ميل من مسار السكك الحديدية، و Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA)، التي تربط 66 طبقاً في تشيلي، كأمثلة على هذا النهج، المستخدم لرسم خرائط المجرات واكتشاف الثقوب السوداء ودراسة أقدم الهياكل الكونية.

ما الذي تكشفه الأطوال الموجية المختلفة

• تلتقط تلسكوبات الضوء المرئي، الأرضية أو الفضائية، النجوم والمجرات والسدم الأقرب إلى ما ستراه العين البشرية.
• تري التلسكوبات تحت الحمراء مثل Webb عبر سحب الغبار ويمكنها الوصول إلى بعض أبعد المجرات الأقدم المعروفة، وفقاً لـ NASA.
• تم بناء تلسكوبات الأشعة السينية مثل Chandra لدراسة النجوم المنفجرة وعناقيد المجرات والمادة التي تدور حول الثقوب السوداء.
• تخطط مصفوفات تلسكوبات الراديو مثل VLA و ALMA الغاز البارد والمجرات البعيدة وبيئات الثقوب السوداء من خلال دمج العديد من الأطباق في أداة فعالة واحدة، وفقاً لـ NRAO.