السر الذي يساعد تلسكوب جيمس ويب على استكشاف الكون المبكر

(دان تري) - جهاز قادر على رؤية ضوء المجرات التي تشكلت قبل 13 مليار سنة. صُمم تلسكوب جيمس ويب لتحقيق هذه المهمة.

"آلة الزمن" تستكشف الكون المبكر

صورة للسحابة NGC 604، على بعد حوالي 2.7 مليون سنة ضوئية من الأرض، التقطها تلسكوب جيمس ويب الفضائي (الصورة: ناسا/وكالة الفضاء الأوروبية/CSSA/STScl).

منذ إطلاقه في ديسمبر 2021، دار تلسكوب جيمس ويب الفضائي حول الأرض لمسافة تزيد عن مليون ميل، وأرسل صورًا مذهلة للفضاء العميق.

إذن، ما الذي مكّن ويب من "الرؤية" حتى الآن، حتى العودة إلى الوراء في الزمن لاستكشاف الكون المبكر؟

ويكمن السر في نظام الكاميرا القوي الذي يتمتع به ويب، وخاصة قدرته على التقاط الضوء تحت الأحمر - وهو نوع من الضوء لا تستطيع العين البشرية رؤيته.

عندما يلتقط ويب صورة لمجرة بعيدة، فإن علماء الفلك في الواقع يشاهدون تلك المجرة منذ مليارات السنين.

لقد سافر ضوء المجرة عبر الفضاء مليارات السنين ليصل إلى مرآة التلسكوب. يبدو ويب وكأنه "آلة زمن" تلتقط صورًا للكون في مراحله الأولى.

وباستخدام مرآة عملاقة لجمع هذا الضوء القديم، يكشف ويب أسرارًا جديدة حول الكون.

ويب: التلسكوب الذي "يرى" الحرارة

وعلى عكس تلسكوب هابل أو الكاميرات التقليدية، التي تلتقط صورًا للضوء المرئي فقط، تم تصميم ويب لتسجيل الضوء تحت الأحمر.

يتميز ضوء الأشعة تحت الحمراء بأطوال موجية أطول من الضوء المرئي، لذا فهو غير مرئي للعين البشرية. ومع ذلك، يستطيع ويب التقاط هذا النوع من الضوء لدراسة أقدم وأبعد الأجسام في الكون.

تتيح لك كاميرات الأشعة تحت الحمراء، مثل نظارات الرؤية الليلية، رؤية موجات الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من الأجسام الدافئة كالبشر والحيوانات. تُقاس درجة حرارة الصورة بالفهرنهايت (الصورة: ناسا/مختبر الدفع النفاث-معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا).

على الرغم من أن الضوء تحت الأحمر غير مرئي للعين البشرية، إلا أن الأجهزة المتخصصة مثل كاميرات الأشعة تحت الحمراء أو أجهزة الاستشعار الحرارية يمكنها اكتشافه على شكل حرارة.

تُعدّ نظارات الرؤية الليلية، التي تستخدم الأشعة تحت الحمراء لاكتشاف الأجسام الدافئة في الظلام، مثالاً بارزاً على ذلك. كما يُطبّق ويب تقنية مماثلة لدراسة النجوم والمجرات والكواكب.

السبب الذي يجعل ويب يستخدم الضوء تحت الأحمر هو أن الضوء المرئي القادم من المجرات البعيدة عندما يسافر عبر الفضاء، فإنه يتمدد بسبب توسع الكون.

يُحوّل هذا التمدد الضوء المرئي إلى ضوء تحت أحمر. ونتيجةً لذلك، لم تعد المجرات الأبعد في الفضاء تتوهج بالضوء المرئي، بل بضوء تحت أحمر خافت. صُمم ويب خصيصًا لاكتشاف هذا النوع من الضوء.

المرآة الذهبية العملاقة: جمع أضعف الضوء

قبل أن يصل الضوء إلى الكاميرا، يجب التقاطه بواسطة مرآة ويب الذهبية العملاقة، التي يزيد عرضها عن 6.5 متر، وتتكون من 18 مرآة أصغر مرتبة على شكل قرص العسل.

يتم تغطية سطح المرآة بطبقة رقيقة من الذهب، ليس فقط لزيادة الجمالية ولكن أيضًا لأن الذهب يعكس الضوء تحت الأحمر بشكل جيد للغاية.

تجمع هذه المرآة الضوء من أعماق الفضاء وتعكسه على أجهزة التلسكوب. كلما كبرت المرآة، زادت كمية الضوء التي تجمعها، واتسع نطاق الرؤية. مرآة ويب هي أكبر مرآة أرسلها البشر إلى الفضاء على الإطلاق.

مرآة ويب الكبيرة، مكونة من 18 مرآة سداسية صغيرة ومطلية بالذهب (الصورة: ناسا).

NIRCam وMIRI: "عيون" ويب فائقة الحساسية

إن أهم جهازين علميين لدى ويب، واللذين يعملان ككاميرات، هما NIRCam وMIRI.

كاميرا الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIRCam) هي الكاميرا الرئيسية في تلسكوب ويب، وتلتقط صورًا مذهلة للمجرات والنجوم. كما أنها مزودة بجهاز "كوروناغراف" (جهاز يحجب ضوء النجوم ليتمكن من التقاط صور للأجسام الخافتة جدًا القريبة من مصادر الضوء الساطعة، مثل الكواكب التي تدور حول النجوم الساطعة).

تعمل كاميرا NIRCam عن طريق التقاط ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة (أقرب أنواع الضوء إلى ما تراه العين البشرية) وتقسيمه إلى أطوال موجية مختلفة. يتيح هذا للعلماء تحديد شكل الجسم وتركيبه أيضًا.

تمتص المواد المختلفة في الفضاء الأشعة تحت الحمراء وتُصدرها بأطوال موجية محددة، مُشكّلةً بذلك "بصمة كيميائية" فريدة. بدراسة هذه البصمات، يُمكن للعلماء التعرّف على خصائص النجوم والمجرات البعيدة.

يكتشف جهاز الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (MIRI) 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 لجهاز 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 أدنى كمية من الحرارة من على بُعد مليارات السنين الضوئية. لو كانت كاميرا ويب NIRCam كعينيك، لتمكنت من رؤية حرارة نحلة على القمر.

أولى صور المجال العميق التي التقطها ويب: صورة MIRI على اليسار وصورة NIRCam على اليمين (الصورة: ناسا).

لاكتشاف الحرارة الخافتة من الأجسام البعيدة، يحتاج تلسكوب ويب إلى أن يكون شديد البرودة. ولذلك يحمل درعًا شمسيًا عملاقًا بحجم ملعب تنس. يحجب هذا الدرع الشمسي المكون من خمس طبقات حرارة الشمس والأرض وحتى القمر، مما يُبقي ويب عند درجة حرارة حوالي 223 درجة مئوية تحت الصفر.

يحتاج مرصد ميري إلى أن يكون أكثر برودة، لذا فهو مزود بثلاجة خاصة تُسمى "مبرد التبريد"، للحفاظ على درجة حرارته قريبة من ٢٦٦ درجة مئوية تحت الصفر. لو كان ويب أدفأ ولو قليلاً، لطغت حرارته على الإشارات الخافتة التي يحاول رصدها.

حوّل ضوء الفضاء إلى صور حية

عندما يصل الضوء إلى كاميرا ويب، فإنه يصطدم بمستشعرات تُسمى الكواشف. هذه الكواشف لا تلتقط صورًا عادية ككاميرا الهاتف.

وبدلاً من ذلك، يقومون بتحويل الضوء تحت الأحمر إلى بيانات رقمية، والتي يتم إرسالها بعد ذلك إلى الأرض، حيث يقوم العلماء بمعالجتها وتحويلها 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 ما في الصورة.

تساعد هذه الصور المعالجة في الكشف عن بنية وعمر وتكوين المجرات والنجوم والمزيد.

باستخدام مرآة عملاقة لجمع الضوء تحت الأحمر غير المرئي وإرساله إلى كاميرات فائقة البرودة، سمح لنا تلسكوب جيمس ويب برؤية المجرات تتشكل منذ بداية الكون، وهذا يعني أننا نرى ما حدث منذ حوالي 14 مليار سنة.

المصدر: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/bi-mat-giup-kinh-vien-vong-james-webb-co-the-kham-pha-vu-tru-so-khai-20250710034510062.htm