تلسكوب «جيمس ويب» الفضائي سيتمكّن قريباً من البحث عن أول الفوتونات في الكون

في عام 1609، وجّه «غاليليو غاليلي» تلسكوباً بعدسة لا يزيد عرضها عن عرض شريحة الخيار إلى السماء لمحاولة فهم سبب امتلاء سطح القمر بالفوهات البركانية. منذ ذلك الحين، أصبحت التلسكوبات أدوات لا تقدر بثمن في فهمنا للكون الشاسع غير المكتشف. أنتجت الأرصاد التي أجريت لسماء الليل نظريات جديدة عن مجرة درب التبانة وغيرها من المجرات القريبة والبعيدة، ولذا طُوّرت أجهزة أفضل لاختبار هذه النظريات. لقد قطعنا شوطاً طويلاً بإضافة مرايا أكبر وطلاءات وبصريات أكثر دقة، وبإرسال تلسكوبات إلى الفضاء.

تقول «كايتلين كيسي»، عالمة الفلك في جامعة تكساس: «علم الفلك هو أحد أقدم المجالات البحثية، ولكن خلال معظم تاريخ هذا العلم، كان العلماء محدودين بما يستطيعون رؤيته بأعينهم في السماء»، وتضيف: «اختراع التلسكوب في القرن السابع عشر كان تحوّلاً حقيقياً، وسمح لنا بالتعمق أكثر فأكثر في الكون. هذا أدى إلى اكتشاف الألغاز الجديدة واحداً تلو الآخر، تمكّنا من إيجاد بعض الإجابات، ولكن هناك المزيد من الأسئلة».

بين التلسكوب الأول والتلسكوب الأكبر: 4 قرون

بعد أكثر من 4 قرون من استخدام غاليليو لتلسكوبه البسيط، حددت وكالة ناسا موعداً لإطلاق أكبر التلسكوبات وأكثرها انتظاراً إلى الفضاء. على مدى 3 عقود، اعتدنا على رؤية الفضاء من خلال تلسكوب هابل الفضائي الذي يدور حول الأرض. سيكون تلسكوب «جيمس ويب الفضائي»، والذي وُصف بأنه خليفة هابل، قادراً على رصد الضوء الذي يعود للكون المبكّر، وهي مرحلة لا نعرف عنها الكثير.

يقول «لي فاينبيرغ»، مدير المكوّنات البصرية لتلسكوب جيمس ويب في مركز «غودارد» لرحلات الفضاء التابع لوكالة ناسا، والذي عمل على الآليات البصرية للتلسكوب خلال العقدين المنصرمين: «إطلاق هذا التلسكوب هو المهمة العلمية الأكثر تعقيداً حتى الآن».

اقرأ أيضاً: السنوات الضوئية ووحدات القياس في الفضاء

تأخر إطلاقه: 14 عاماً فقط!

واجه تلسكوب جيمس ويب العديد من العقبات في طريقه إلى ميناء الفضاء في كورو، غيانا الفرنسية، إذ تأخر إطلاقه 14 عاماً عن الموعد، وكلّف تطويره أكثر من الميزانية المرصودة بـ 20 ضعفاً. (أرجأ الفريق موعد الإطلاق إلى 24 ديسمبر/كانون الأول الأسبوع الماضي بسبب خلل في كابل بيانات، وتم التأجيل يوم نشر هذا المقال إلى 25 ديسمبر/كانون الأول بسبب سوء الأحوال الجوية). لكن بعد أن تغلب أكثر من 100 عالم وفني ومهندس من 14 دولة على التحديات التي واجهتهم في تطوير هذا التلسكوب، أصبح جاهزاً أخيراً للانطلاق بحثاً عن «الضوء الأول» في الكون، ما سيسمح للعلماء بالاقتراب من الانفجار العظيم أكثر من أي وقت مضى.

مرآة عملاقة صُممت للسفر عبر الزمن

مكّنت الإنجازات الحديثة في مجال البصريات وتكنولوجيا التصوير الفلكي العلماء من رصد قدر كبير من تاريخ الكون. ولكن عندما يتعلق الأمر بفهم نشأة الكون، فإن التفاصيل لا تزال غامضة.

حتى الآن، لم تسمح لنا التلسكوبات بالتحديق بعيداً بما يكفي لرؤية الضوء الأول للكون، والذي أصدرته أولى النجوم التي ولدت فيه. مع ذلك، فإن تلسكوب جيمس ويب مزود بأحدث التقنيات المصممة خصيصاً لالتقاط هذا الضوء الخافت والتركيز عليه.

حجم التلسكوب هو عامل ضروري. سيستخدم هذا المرصد المداري مرآة ضخمة وخفيفة للغاية مصنوعة من البريليوم، والتي قُرر استخدامها لأنها تحافظ على شكلها في درجات حرارة شديدة البرودة. يُجمّع المعدن والزجاج على شكل مسدّس يبلغ عرضه أكثر من 6.4 متراً، ويتألّف من 18 مرآة سداسية قابلة للطي وتعتبر فعالة للغاية في جمع الضوء. تقول «مارسيا ريكي» من مرصد «ستيوارد» في جامعة أريزونا، والتي كانت عضواً في مجموعة العمل لمشروع تلسكوب جيمس ويب منذ أواخر التسعينيات: «حتى بالمقارنة مع معايير التلسكوبات الأرضية، يعتبر تلسكوب جيمس ويب كبيراً».

مثل تلسكوب هابل الفضائي، والذي يدور حول الأرض منذ 31 عاماً، فإن جيمس ويب هو تلسكوب من نوع «كاسيغرين العاكس». يحتوي هذا التلسكوب على مرآة أساسية لتجميع الضوء وتركيزه على مرآة ثانوية، ما يعيد عكس الطاقة على الأدوات الـ 4 الحديثة الموجودة لإنشاء صورة، ومنها 3 كاميرات فائقة الحساسية. تشرح ريكي أنه كلما كانت مساحة المرآة أكبر، زاد مقدار الضوء الذي يمكن أن تجمعه لرصد الأجسام الباهتة بدقة أكبر، يمكنك أن تفكّر في الأمر وكأنه مثل زيادة فتحة الكاميرا. عندما يستعيد علماء الفلك البيانات من هوائي التلسكوب المواجه للأرض بدءاً من صيف عام 2022، ستكون الصور أفضل من تلك التي التقطها هابل والتلسكوبات الموجودة الأخرى في الفضاء الخارجي.

اقرأ أيضاً: ما الذي يجب أن تبحث عنه عند شراء تلسكوب؟

تلسكوب جيمس ويب الفضائي الخليفة الرسمي لهابل

صُمم تلسكوب جيمس ويب لملء الفراغ الذي سيتركه تلسكوب هابل، ولأن يؤدي عمله بشكل أفضل. يمكن أن يرصد هابل 13.3 مليار سنة في الماضي، أي بعد فترة وجيزة من تشكل كوننا. أما جيمس ويب فسيتمكّن من التقاط الضوء القادم من نقاط أبعد، وسحب أكثر من 6 أضعاف كمية الضوء مقارنة بهابل، كما أنه يتمتّع بقوة تكبير تفوق نظيرتها لدى سابقه بـ 100 مرة. يتمتع تلسكوب جيمس ويب أيضاً بمجال رؤية أوسع بـ 15 مرة في كاميرته مقارنة بتلسكوب هابل. (كان مجال رؤية تلسكوب غاليليو ضيق للغاية لدرجة أن القمر كان يملأه بالكامل).

رصد الكون بالأشعة ذات الأطوال الموجية المتوسطة

يلتقط تلسكوب جيمس ويب الفضائي ضوء الأشعة تحت الحمراء الموجود خارج نطاق الطيف المرئي للعين البشرية. هناك سبب وجيه لذلك: بسبب توسع الكون، تتمدد الموجات الضوئية الآتية من الأجسام البعيدة إلى أطوال أكبر نحو الطرف الأكثر احمراراً من الطيف الضوئي. علاوة على ذلك، يغطّي الغبار النجوم والكواكب حديثة التشكّل، ويمتص الضوء المرئي الذي تصدره هذه الأجسام. سيتمكّن تلسكوب جيمس ويب بقدرته على تحسس الأشعة تحت الحمراء من اختراق هذا الغبار، وكشف ما وراءه.

تغطّي 3 من أدوات الكشف الـ 4 الخاصة بتلسكوب جيمس ويب (كاميرا تصوير ومطيافان مختلفان للأشعة تحت الحمراء القريبة) مجال الأطوال الموجية للأشعة تحت الحمراء بالكامل ( 0.6-28.8 ميكرون). ساعدت ريكي في تصميم كاميرا الأشعة تحت الحمراء القريبة للتلسكوب، وستكون المشرفة الرئيسية عند إطلاقه. سيتمكّن تلسكوب جيمس ويب باستخدام هذه الكاميرا من التقاط صور أوضح من زوايا جديدة في الكون، والتقاط الضوء من المجرات الأقدم من مجرة درب التبانة.

تُبطَّن مرايا التلسكوب أيضاً بطبقة مجهرية من الذهب تعكس ضوء الأشعة تحت الحمراء بشكل أفضل من أي معدن آخر تقريباً. يمنح هذا المرايا انعكاسية بنسبة 98% (مقارنة بنسبة الانعكاسية النموذجية للمرايا القياسية، والتي تبلغ 85%)، ما يعني أن المرايا ستتمكن من التقاط جميع الفوتونات الواردة تقريباً. يقول فاينبيرغ: «لقد اخترنا الذهب لأسباب تقنية للغاية، ولكنه يبدو جميلاً [أيضاً]».

تضيف ريكي أن تلسكوب جيمس ويب هو تلسكوب كاشف عن الحرارة بشكل أساسي. ولكن لأداء وظيفته والتقاط الضوء القادم من أخفت المجرات، يجب أن تكون بعض أجزاء التلسكوب شديدة البرودة، وإلا سيكون كل ما قد يتحسسه هو إشعاعه الخاص. يُزوّد التلسكوب بواقٍ شمسي بمساحة ملعب التنس، وهو هيكل من 5 طبقات على شكل ماسة مصنوع من مادة تسمى «الكابتون» تعزل التلسكوب عن أشعة الشمس، وتسمح له بالحفاظ على درجة حرارة تبلغ 244 درجة مئوية تحت الصفر. عند هذه الدرجة من البرودة، يصدر التلسكوب كمية قليلة من الإشعاع لا تتداخل مع عمل كاميرات وأجهزة الاستشعار التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء.

على الرغم من أن تلسكوب جيمس ويب يشار إليه بأنه خليفة هابل غالباً، إلا أن ريكي تقول إن هذا التلسكوب هو بالحقيقة شقيق أكبر وأكثر حساسية لتلسكوب «سبيتزر» الفضائي، الذي يمتلك ميزات الرصد بالأشعة تحت الحمراء أيضاً. كان لا بد من إيقاف عمل تلسكوب سبيتزر في يناير/كانون الثاني من عام 2020 لأنه ابتعد لمسافة لا تسمح له بإرسال الصور إلى الأرض. التلسكوبان هما خلفين لـ «القمر الاصطناعي الفلكي الذي يعمل بالأشعة تحت الحمراء»، والذي كان في عام 1983 أول تلسكوب يعمل بالأشعة تحت الحمراء يتم إرساله إلى الفضاء.

اقرأ أيضاً: إلى أي مدى يمكنك الرجوع بالزمن إلى الوراء عندما تنظر إلى السماء؟

بماذا يختلف تلسكوب جيمس ويب الفضائي عن تلسكوب هابل؟

يختلف تلسكوب هابل بأنه يلتقط في الغالب نفس النوع من الضوء الذي يمكن للبشر رؤيته، كما أنه حساس فقط لجزء صغير من طيف الأشعة تحت الحمراء. تقول كيسي: «لقد عمل تلسكوب هابل بلا كلل للعثور على المزيد والمزيد من المجرات البعيدة»، وتضيف: «لكنه محدود حقاً لأنه لا يستطيع تحسس الأمواج الأكبر طولاً»، وعندما ينتج صوراً بالأشعة تحت الحمراء، فإنها غالباً ما تكون مشوبة بالإشعاع الخاص بالتلسكوب.

الأداة الأكثر فعالية في علم الفلك

سيكون أمام تلسكوب جيمس ويب الكثير من العمل فور وصوله إلى موقعه الدائم الذي يبعد نحو 1,609,344 كيلومتراً عن الأرض.

تقدّم أكثر من 100 فريق من علماء الفلك من جميع أنحاء العالم بطلبات لاستخدام تلسكوب جيمس ويب خلال السنة الأولى من عمله، لكن كان مشروع تعمل عليه كيسي جنباً إلى جنب مع «جيهان كارتالتيب» من معهد «روشستر» للتكنولوجيا، من بين الـ 286 عرضاً الذين تمت الموافقة على استخدامهم له في السنة الأولى من الأرصاد. على الرغم من منح معظم المجموعات حوالي 6 ساعات من الرصد، إلا أن فريق كيسي وكارتالتيب، والمكون من نحو 50 شخصاً من جميع أنحاء العالم، مُنح 218 ساعة لإجراء مسح باسم «كوزموس-ويب» يهدف إلى جمع صور نصف مليون مجرة شابة تشكّلت بعد فترة وجيزة من الانفجار العظيم. بينما تركّز بعض المسوح على جزء من السماء بحجم نقطة، تقول كيسي إن فريقها سيرصد رقعة من السماء بحجم 3 أقمار كاملة كل ليلة.

وفقاً لكارتالتيب، سيبحث الفريق عن فقاعات توضح مكان تأين الجيوب الأولى للكون المبكر، وهذا يعني عندما مزق الضوء من النجوم والمجرات الأولى ذرات الهيدروجين التي ملأت الكون في النهاية. يقول كارتالتيب: «نطلق على هذا 'الضوء الأول'، وهو ضوء النجوم الأولى التي كانت قادرة على إصدار الفوتونات، والتي تمكنت بعد ذلك من إرسال [جسيمات الطاقة هذه] عبر الكون إلى حيث يمكننا رؤيتها»، مضيفاً أنه قد أُطلق على تلسكوب جيمس ويب في الأصل اسم «آلة الضوء الأول». سيساعد هذا التلسكوب أيضاً على رسم خريطة للمواد الأولى في الكون، ومنها المادة المظلمة التي لا تزال غامضة ومراوغة.

سيحصل فريق كيسي وكارتالتيب في النهاية على مجال رؤية عميق من خلال رصد بقع قريبة من السماء بشكل متكرر، وتجميع صور أوسع للتاريخ الكوني المبكر. في النهاية، سوف يستكشفون توزع النجوم والمجرات والمادة المظلمة وأصل الكون. سيجعل فريق كوزموس-ويب أيضاً البيانات التي سيجمعها متاحة للباحثين الآخرين.

نظراً لأن تلسكوب جيمس ويب يعمل ضمن مجال الأشعة تحت الحمراء، فإنه سيسبر أيضاً الأغلفة الجوية للكواكب التي تدور حول النجوم الأخرى بحثاً عن جزيئات مثل الماء والميثان وثاني أكسيد الكربون. يستطيع مطياف الأشعة تحت الحمراء القريبة الخاص بالتلسكوب تفكيك الضوء الآتي من 100 مجرة في المرة الواحدة إلى أطوال موجية فردية باستخدام غالِقات صغيرة، كل منها بعرض شعرة الإنسان، تسمح فقط بدخول الفوتونات الآتية من الهدف وتحجب كل شيء آخر. تحلل الأداة الضوء إلى طيفه الكامل مثل المنشور، ما يسمح للباحثين بالتنقيب في بيئات العوالم البعيدة وتحديد قابليتها المحتملة لإيواء الحياة.

اقرأ أيضاً: الألوان المتغيرة للكون

المحطة التالية: الفضاء

الآن تأتي واحدة من أكثر المراحل خطورة في تطوير التلسكوب: الإطلاق من الميناء الفضائي في كورو، غيانا الفرنسية.

نظراً لأن تلسكوب جيمس ويب الفضائي كبير جداً، كان لا بد من طي أجزائه المختلفة مثل الأوريغامي ليتّسع لها صاروخ «آريان 5» الذي يبلغ طوله 52 متراً وعرضه 5.4 متراً. على عكس تلسكوب هابل، لن يستقر تلسكوب جيمس ويب في مدار منخفض، إذ أنه بمجرد إطلاقه إلى الفضاء، سيستغرق وصوله إلى موقعه الجديد 30 يوماً قبل أن يُفرد مجدداً وتُوجّه مراياه إلى المجرات البعيدة. ستلتقط كاميرا موجودة على التلسكوب المراحل المختلفة لهذه العملية، ما سيسمح لفريق على الأرض إجراء تعديلات تبلغ جزءاً من المليار من المتر. يقول فاينبيرغ: «يجب ألا يتجاوز الارتياب في موقع [الحساسات] جزءاً من طول موجة الضوء»، ويضيف: «لقد انتظرنا وقتاً طويلاً جداً للقيام بذلك». ستستغرق عملية المحاذاة حوالي 6 أشهر، وبعد ذلك، سيبدأ التلسكوب في جمع البيانات.

ستبدأ أفضل الصور التي سيلتقطها تلسكوب جيمس ويب في الوصول في منتصف عام 2022، ويقترب موعد رحلة التلسكوب المرتقبة للغاية. ستستمر مهمة التلسكوب 5-10 سنوات، ويقتضي بعد موقع التلسكوب أنه لا يمكن إصلاحه إذا حصل خطأ ما. لذلك، يجب أن يعمل التلسكوب بشكل مثالي من البداية. بعد عقد من التحديق بعيداً في النجوم، سينفد وقود التلسكوب ولن يصبح أكثر من قطعة نفايات فضائية تقدّر بمليارات الدولارات، ولكن ليس قبل أن يغير نظرتنا لمكاننا في الكون للأبد.

تقول كيسي: «بدأ مشروع هذا التلسكوب عندما كنت في المدرسة الابتدائية»، وتضيف: «إنه لأمر هائل حقاً أن نتمكن كنوع محدود بكوكبه من النظر بعيداً في أرجاء الكون لنرى نشأته. هذا عميق جداً».