تلسكوب جيمس ويب و 8 مفاتيح لكيفية إحداث ثورة العلوم في عام 2022

جيمس ويب يعتبره المجتمع العلمي تقدما لهذا العام ، ولا يزال يذهل علماء الفلك والهواة للجودة العالية لصوره والبيانات التي يوفرها عن العوالم البعيدة.

كهدية عيد ميلاد جميلة ومذهلة ، يصادف غدا مرور عام على إطلاق تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) ، المرصد الذي أحدث ثورة في علم الفلك والعلوم.

تم تصنيفه من قبل العلماء ، وكذلك من قبل المتخصصين في مجلة العلوم ، باعتباره الاختراق العلمي لهذا العام ، ترك جيمس ويب وراءه مهمة انحراف الكويكب DART التاريخية التابعة لناسا.

بعد نشر 18 مرآة بقياس 6.5 متر ومظلة بحجم ملعب تنس ، تم وضع التلسكوب الذي تبلغ تكلفته 10 مليارات دولار ، والذي استغرق بناؤه 20 عاما ، في نقطة L2 Lagrange ، على أبعد جانب من الأرض عن الشمس ، لبدء التقاط صور مذهلة للكون. التي تدهش العلماء والإنسانية.

حتى بعد أقل من ستة أشهر من الملاحظات ، فإن هذه البيانات تحويلية وقد استخدمها العلماء بالفعل لإجراء العديد من الاكتشافات المهمة وغير المسبوقة. تم وصف JWST بأنه تلسكوب ثوري قبل إطلاقه. والآن بعد أن تم تشغيله ، فإنه يؤكد ما سبق.

السبب الرئيسي وراء أداء JWST بشكل جيد هو البصريات الفائقة ، والتي يمكن أن تصل إلى أقصى دقة محتملة لمعظم الأطوال الموجية للأشعة تحت الحمراء التي يراقبها التلسكوب. هذا النجاح يعني أن الصور التي تلتقطها تتمتع بوضوح لم يكن بعيد المنال بواسطة تلسكوب هابل الفضائي التابع لناسا وتلسكوب سبيتزر الفضائي المتقاعد ، أو التلسكوبات الأكبر على الأرض مثل تلك الموجودة في مرصد كيك في هاواي ، والتي تشوش رؤيتها بسبب الغلاف الجوي للأرض.

ولكن مع JWST ، يمكن الآن حل النجوم الفردية القريبة جدا من بعضها البعض والتي كان لا يمكن تمييزها في يوم من الأيام. هياكل المجرات البعيدة جدا يمكن تمييزها الآن. وحتى شيء قريب مثل حلقات البوب نبتون مع معظم التفاصيل التي شوهدت منذ عقود. هنا ، نلقي نظرة على بعض الطرق العديدة التي تنجح بها بالفعل في تحويل علم الفلك.

1- انظر أكثر في الماضي

لرؤية الفوتونات النادرة الثمينة من أبعد المجرات في الكون ، كلما كان التلسكوب أكبر ، كان ذلك أفضل. كلما ابتعدت المجرة عنا ، زادت سرعة ابتعادها عنا بسبب توسع الكون ، لذلك كلما امتد ضوءها ، حولها إلى أطوال موجية أكثر احمرارا. المجرات الأكثر بعدا، وهي أيضا أقدم المجرات التي يمكننا رؤيتها، تنبعث منها ضوء يتغير تماما إلى أطوال موجية قريبة من الأشعة تحت الحمراء عندما يصل إلى الأرض. هذا الانزياح الأحمر هو الذي دفع العلماء إلى تصميم JWST للتخصص في ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة والمتوسطة.

سمح الجمع بين المرآة الكبيرة ورؤية الأشعة تحت الحمراء ل JWST برؤية مجرات أبعد في وقت أبكر مما لاحظه علماء الفلك من قبل ، مما يعد بتغيير فهمنا لكيفية تشكل هذه المجرات. السعر عند إطلاق JWST ، كانت أبعد مجرة معروفة هي تلك التي تسمى GN-z11 ، والتي لديها انزياح أحمر يبلغ 11.1. وهو ما يتوافق مع رؤية المجرة كما كانت قبل 13.4 مليار سنة ، بعد 400 مليون سنة فقط من الانفجار العظيم. كان هذا هو الحد المطلق لما يمكن أن تكتشفه التلسكوبات السابقة.

ولكن بعد وقت قصير جدا من إصدار بيانات JWST الأولى ، تم كسر هذا السجل. استفاد علماء الفلك من مجموعات المجرات الأمامية مثل Abell 2744 التي تعمل كعدسة جاذبية: الأجسام عالية الكتلة ، مثل مجموعات المجرات ، تشوه الفضاء بجاذبيتها ، مما يخلق تأثير عدسة مكبرة يضخم الضوء من الأجسام البعيدة. بدأ علماء الفلك في العثور على بقع حمراء باهتة في الجزء السفلي من هذه العدسات ، وتبين أن هذه البقع هي أبعد المجرات التي شوهدت على الإطلاق.

أولا كانت مجرة ذات انزياح أحمر يبلغ 12.5 ، تسمى GLASS-z12 (GLASS هو اسم برنامج دراسة محدد ، “مسح Grism Lens-Amplified Survey من الفضاء”). وهكذا ، نرى هذه المجرة كما كانت موجودة قبل 13.45 مليار سنة ، أو بعد 350 مليون سنة من الانفجار العظيم ، حسب علماء الفلك.

وسرعان ما تبعتها مجرات ذات انزياح أحمر أكبر. تبدو إحداها ، التي يطلق عليها اسم مجرة مايسي ، كما كانت موجودة بعد 280 مليون سنة فقط من الانفجار العظيم ، مع انزياح أحمر يبلغ 14.3 ، في حين أن أخرى ، مع انزياح أحمر يبلغ 16.7 ، تبدو بعد 250 مليون سنة فقط من الانفجار العظيم. حتى أن هناك ادعاءات بوجود مجرة ذات انزياح أحمر مفاجئ يبلغ 20 ، والتي ، إذا تم تأكيدها ، كانت موجودة بعد 200 مليون سنة فقط من الانفجار العظيم. تعمل JWST أيضا على تأكيد هذه النتائج ، باستخدام أداة ثانية لتقسيم الضوء على الطول الموجي. أكد علماء الفلك بالفعل وجود مجرة ذات انزياح أحمر يبلغ 13.2 ، والتي نراها كما كانت عندما كان عمر الكون 325 مليون سنة فقط.

2- اكتشف ما أضاء الكون

بعد الانفجار العظيم ، ولكن قبل تشكل النجوم والمجرات ، كان الكون مظلما ومحاطا بضباب من غاز الهيدروجين المحايد. في النهاية ، أدى الضوء ، وخاصة الأشعة فوق البنفسجية ، إلى تأين هذا الضباب. ولكن من أين جاء هذا الضوء في البداية لإنهاء العصور الكونية المظلمة؟

يعتقد علماء الفلك أن الضوء جاء من المجرات الشابة المليئة بالنجوم أو الثقوب السوداء النشطة فائقة الكتلة ، والتي تحيط بها أقراص تراكم من الغاز الساخن ببراعة والتي تطلق نفاثات قوية إلى الفضاء. السؤال الذي جاء أولا ، المجرات أو ثقوبها السوداء ، هو أحد أعظم ألغاز علم الكونيات ، وهو نوع من سؤال “الدجاجة أو البيضة”.

اكتشف JWST بالفعل أن المجرات الأولى التي يكتشفها أكثر إشراقا وأكثر تنظيما مما كان متوقعا ، مع وجود أقراص مميزة حول نوى منتفخة مليئة بالفعل بالنجوم. تشير هذه الميزة إلى أن المجرات المشكلة بالكامل ظهرت بسرعة على الساحة ، ولكن يبقى أن نرى ما إذا كانت تحتوي بالفعل على ثقوب سوداء فائقة الكتلة. لحسن الحظ ، تم تصميم JWST للإجابة على هذا السؤال ، وعندما يحدث ذلك ، فإنه سيوفر قطعة كبيرة من اللغز لفهم الكون المبكر.

3- قياس الغلاف الجوي لكوكب خارج المجموعة الشمسية

وجد علماء الفلك الآن أكثر من 5000 كوكب خارجي وما زال العدد في ازدياد. ولكن على الرغم من هذه الرحلة الرائعة ، ما زلنا لا نعرف شيئا تقريبا عن العديد منهم. يتمثل أحد الأهداف الرئيسية للتلسكوب في اكتشاف تكوين الأغلفة الجوية للكواكب الخارجية باستخدام تقنية تسمى التحليل الطيفي للإرسال.

عندما يمر كوكب أمام نجمه ، يترشح بعض ضوء النجم عبر الغلاف الجوي للكوكب ، ويمكن للجزيئات الموجودة في الغلاف الجوي امتصاص بعض ضوء النجوم هذا ، مما يخلق خطوطا داكنة في طيف النجم ، وهو انهيار للضوء حسب الطول الموجي مشابه للرمز الشريطي. إن معرفة ما يوجد في الغلاف الجوي للكوكب، أو حتى ما إذا كان له غلاف جوي، يمكن أن يعلم علماء الفلك كيف يمكن أن يكون الكوكب قد تشكل وتطور، وما هي ظروفه، وما هي العمليات الكيميائية التي تحدث في هذا الغلاف الجوي.

كانت أول نتيجة لكوكب خارج المجموعة الشمسية نشرتها JWST هي طيف إرسال WASP-39b ، وهو “كوكب المشتري الساخن” يدور حول نجم شبيه بالشمس يقع على بعد 700 سنة ضوئية. اكتشف التلسكوب ثاني أكسيد الكربون في غلافه الجوي ، وهذه هي المرة الأولى التي يتم فيها تسجيل الغاز على كوكب خارج المجموعة الشمسية.

وشملت الغازات الأخرى الموجودة أول أكسيد الكربون والبوتاسيوم والصوديوم وبخار الماء وثاني أكسيد الكبريت ، والتي لا يمكن إنشاؤها إلا من خلال الكيمياء الضوئية عندما تتفاعل غازات الغلاف الجوي مع الأشعة فوق البنفسجية من نجم الكوكب. حتى أن الطيف أظهر أن هناك كمية أكبر بكثير من الأكسجين في الغلاف الجوي للكوكب من الكربون ، وكذلك الكثير من الكبريت.

يعتقد العلماء أن الكبريت يجب أن يكون قد جاء من العديد من الاصطدامات التي شهدها WASP-39b مع الكواكب الأصغر عندما كان يتشكل ، مما يعطينا أدلة حول تطور الكوكب يمكن أن تلمح أيضا إلى كيفية تشكل عمالقة الغاز في نظامنا الشمسي: المشتري وزحل. بالإضافة إلى ذلك ، فإن وجود ثاني أكسيد الكبريت هو المثال الأول لمنتج الكيمياء الضوئية على كوكب خارج النظام الشمسي ، حيث يتشكل المركب عندما يتفاعل الضوء فوق البنفسجي من نجم مع جزيئات في جو كوكبي.

4-ابحث عن علامات الحياة والسكن

في حين أن دراسات الكواكب مثل WASP-39b تذهل البشرية ، فإن أحد “الكؤوس المقدسة” لعلم الكواكب الخارجية هو العثور على كوكب آخر صالح للسكن ، مثل الأرض. و JWST في وضع جيد لتوصيف عوالم خارج كوكب الأرض.

تبشر الملاحظات المذكورة أعلاه ل WASP-39b بالخير للدراسات القادمة للكواكب في نظام TRAPPIST-1 ، والذي يتكون من سبعة كواكب صخرية تدور حول نجم قزم أحمر يقع على بعد 40.7 سنة ضوئية من الأرض. تقع أربعة من هذه العوالم في المنطقة الصالحة للسكن المفترضة للنجم ، حيث تسمح درجات الحرارة باستمرار الماء السائل على السطح. وإذا ما توفرت الظروف المناسبة، يمكن أن تكون صالحة للسكن بدرجات متفاوتة.

تركز الملاحظات الأولية مع JWST على TRAPPIST-1c ، وهو الأسهل في الملاحظة. تتنبأ النماذج بأنه سيكون له جو مشابه لكوكب الزهرة ، مع الكثير من ثاني أكسيد الكربون. في حين أن TRAPPIST-1c ربما يكون حارا جدا بحيث لا يكون صالحا للسكن ، فإن تحديد ما إذا كان له غلاف جوي ، وإذا كان الأمر كذلك ، ما إذا كان هذا الغلاف الجوي يحتوي على ثاني أكسيد الكربون سيكون خطوة كبيرة نحو توصيف عوالم بحجم الأرض. ستكون أيضا مهمة كبيرة ، تتطلب 100 ساعة من وقت المراقبة مع JWST ، والتي تصل إلى حوالي 10000 ساعة من الملاحظات خلال عامها الأول.

5- دراسة الكيمياء الكونية وتطور المجرات

يعرف علماء الفلك أن بعض النجوم تعيش لمليارات السنين ، لكن البعض الآخر موجود لفترة قصيرة قبل أن ينفجر في مستعر أعظم أو يتوسع إلى عملاق أحمر ، والذي يقذف بعد ذلك طبقاته الخارجية إلى الفضاء السحيق. في كلتا الحالتين ، ينثرون كميات كبيرة من الغبار الكوني ، المكون من عناصر أثقل من الهيدروجين والهيليوم ، عبر الفضاء.

اتضح أن هناك علاقة بين كتلة المجرة ومعدل تكوين النجوم ووفرة المواد الكيميائية. يمكن أن تشير الانحرافات عن هذه العلاقة مع الانزياح الأحمر العالي إلى أن المجرات تطورت بشكل مختلف في الكون المبكر. قبل JWST ، كان بإمكان علماء الفلك فقط قياس وفرة العناصر المختلفة في المجرات بشكل موثوق وصولا إلى انزياح أحمر قدره 3.3. بمعنى آخر ، المجرات التي كانت موجودة منذ حوالي 11.5 مليار سنة. لكن مدى وفرة هذه العناصر الثقيلة في المجرات قبل هذه المجرة هو لغز وأرض خصبة ل JWST لإحداث ثورة حقيقية في فهمنا.

أظهرت نتائج JWST المبكرة أن العلاقة بين تكوين النجوم والكتلة تنطبق على المجرات ذات الانزياح الأحمر حتى 8 ، لكن وفرة العناصر الأثقل فيها أقل بثلاث مرات مما كان متوقعا. يشير هذا التناقض إلى أن النجوم والمجرات تشكلت بشكل أسرع مما كنا نعتقد ، قبل أن تتاح لأجيال كافية من النجوم فرصة للموت وتشتيت عناصرها في الكون.

6- ابحث في نظامنا الشمسي

على الرغم من أن JWST تم تصميمه لاستكشاف الفضاء السحيق ، فقد ثبت أيضا أنه يراقب أقرب جيراننا ، وكانت النتائج مفاجئة سارة. لم يكن علماء الفلك متأكدين مما يمكن توقعه عندما أشار JWST إلى كوكب المشتري بسبب مدى سرعة تحركه ومدى سطوع الكوكب ، مقارنة بالمجرات البعيدة الخافتة التي يلاحظها هذا التلسكوب عادة.

كان العلماء قلقين من أن كوكب المشتري قد يفرط في تحميل أجهزة الكشف الحساسة ل JWST أو يمحو الميزات الأضعف الخافتة بتوهجه ، لكن النتائج كانت أفضل مما يمكن تخيله. وأظهرت الصور حلقات العملاق الخافتة وبعض أقماره الصغيرة، بالإضافة إلى نطاقات الغلاف الجوي للكوكب والشفق القطبي.

من خلال المراقبة في ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة والمتوسطة، مع الدقة العالية التي توفرها مرآة JWST العملاقة، يمكن لعلماء الفلك النظر بشكل أعمق في الغلاف الجوي للمشتري لمعرفة ما يحدث تحت الغيوم ومعرفة مدى عمق انتشار السحب. التقط هذا التلسكوب أيضا صورا لنبتون البعيد وقمر زحل تيتان والمريخ.

في حين أن صورة JWST للكوكب الأحمر قد لا تكون ممتعة من الناحية الجمالية ، إلا أنها تظهر تغيرات في درجات الحرارة على سطح المريخ وامتصاص ثاني أكسيد الكربون في غلافه الجوي. في المستقبل ، سيراقب التلسكوب المريخ لتتبع الغازات الخافتة ، مثل أعمدة الميثان الموسمية الغامضة التي يمكن أن تنشأ من النشاط الجيولوجي أو البيولوجي.

7- تعليم تكوين النجوم

نتذكر جميعا واحدة من أكثر الصور شهرة لتلسكوب هابل الفضائي ، والتي كانت صورة أعمدة الخلق: أعمدة من الغاز الجزيئي منذ سنوات ضوئية عديدة وجدت في سديم النسر. هذه الأعمدة هي مشاتل كونية حيث تولد النجوم. هذا العام ، لاحظت JWST أيضا أعمدة الخلق ، والصور الناتجة في ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة والمتوسطة خاصة مثل النسخ الأصلية. لكن المشاهد الجديدة هي أيضا أكثر من مجرد “صور” جميلة.

إن رؤية الأشعة تحت الحمراء ل JWST قادرة على اختراق غبار الأعمدة للحصول على رؤية أفضل لتكوين النجوم الذي يحدث في الداخل ، مما يظهر عقدة من الغاز الجزيئي على وشك الانهيار إلى نجوم ناشئة. عندما يبلغ عمر هذه النجوم بضع مئات الآلاف من السنين فقط ، فإنها تبدأ في إطلاق نفاثات تؤدي إلى تآكل حواف الأعمدة.

في مكان آخر ، قدمت JWST واحدة من أكثر النظرات تفصيلا على مثل هذا النجم الأولي ، المعروف باسم L1527 ، وكيف يتفاعل مع الغاز الجزيئي المتراكم فوقه ، مما يؤدي إلى رشقات نارية تنظف تجويفين في سديم على شكل فراشة. قبل JWST ، كانت الملاحظات البصرية للنجوم الشابة محدودة ، لأن الغبار حجب ضوءها. يمكن للملاحظات الراديوية ودون المليمترية اكتشاف بعض ما يحدث ، ويمكن لتلسكوبات الأشعة تحت الحمراء السابقة رؤية آثار عامة ولكن لا شيء مفصل. تقدم JWST الآن الدقة اللازمة للكشف عن أسرار تكوين النجوم بتفصيل أكثر بكثير من أي وقت مضى.

8- تغيير طريقة بناء التلسكوبات الفضائية

استغرق JWST الكثير من المتاعب والمال للوصول أخيرا إلى المدار. سنوات من التأخير ومليارات الدولارات فوق الميزانية. ومع ذلك ، فقد فتح تصميمه الثوري مسارا جديدا للتلسكوبات الفضائية. على وجه الخصوص ، كانت مرآتها الأساسية الذهبية الضخمة ، التي تشكلت من خلال الكشف عن 18 قطعة سداسية ، هندسة جديدة تماما للسماح بإطلاق تلسكوب بهذا الحجم الكبير إلى الفضاء.

في المستقبل ، سيتم مكافأة الجهد المبذول لتصميم وبناء JWST ليس فقط على الاكتشافات العلمية الثورية التي ستحققها ، ولكن أيضا على كيفية إلهامها لتصميم الجيل القادم من التلسكوبات الفضائية الكبيرة.

أوصى تقرير الأكاديميات الوطنية لمدة عشر سنوات حول أولويات الفيزياء الفلكية على مدى السنوات ال 10 المقبلة كمشروع ذو أولوية قصوى بتطوير تلسكوب بصري كبير وفوق بنفسجي ليحل محل هابل في وقت ما في 2040s. سيكون لهذا التلسكوب قطر مرآة لا يقل عن 8 أمتار ، وهو إنجاز لا يمكن تحقيقه إلا من خلال التصميم المجزأ الذي ابتكرته JWST.

لكن هذا ليس كل شيء ، لأن حجم الصاروخ لا يحد من أبعاد تلسكوبه. إذا لم يكن مناسبا داخل الصاروخ ، فيمكن طيه ، تماما مثل JWST. بغض النظر عن الاكتشافات التي تقوم بها هذه التلسكوبات الفضائية المستقبلية ، سيكون لدينا ويب لنشكره على ذلك.

المصادر / infobae / الرسوم البيانية: مارسيلو ريغالادو