Skip to main content
Global

6.3: أجهزة كشف الضوء المرئي والأدوات

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    197180

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    أهداف التعلم

    في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:

    • وصف الفرق بين لوحات التصوير والأجهزة المقترنة بالشحن
    • وصف الصعوبات الفريدة المرتبطة بملاحظات الأشعة تحت الحمراء وحلولها
    • وصف كيفية عمل مقياس الطيف

    بعد أن يجمع التلسكوب الإشعاع من مصدر فلكي، يجب اكتشاف الإشعاع وقياسه. كان الكاشف الأول المستخدم في الملاحظات الفلكية هو العين البشرية، لكنه يعاني من الاتصال بجهاز تسجيل واسترجاع غير كامل - الدماغ البشري. لقد أزال التصوير الفوتوغرافي وأجهزة الكشف الإلكترونية الحديثة مراوغات الذاكرة البشرية من خلال عمل سجل دائم للمعلومات من الكون.

    تعاني العين أيضًا من وقت تكامل قصير جدًا؛ لا يستغرق الأمر سوى جزء من الثانية لإضافة الطاقة الضوئية معًا قبل إرسال الصورة إلى الدماغ. إحدى المزايا المهمة لأجهزة الكشف الحديثة هي أن الضوء من الأجسام الفلكية يمكن أن يجمعه الكاشف على مدى فترات زمنية أطول؛ وتسمى هذه التقنية «التعرض الطويل». يلزم التعرض لعدة ساعات لاكتشاف الأجسام الباهتة جدًا في الكون.

    قبل وصول الضوء إلى الكاشف، يستخدم علماء الفلك اليوم عادةً نوعًا من الأدوات لفرز الضوء وفقًا لطول الموجة. قد تكون الأداة بسيطة مثل المرشحات الملونة، التي تنقل الضوء ضمن نطاق محدد من الأطوال الموجية. يعد البلاستيك الأحمر الشفاف مثالًا يوميًا على الفلتر الذي ينقل الضوء الأحمر فقط ويمنع الألوان الأخرى. بعد مرور الضوء عبر الفلتر، فإنه يشكل صورة يمكن لعلماء الفلك استخدامها بعد ذلك لقياس السطوع الظاهري ولون الأشياء. سنعرض لك العديد من الأمثلة على هذه الصور في الفصول اللاحقة من هذا الكتاب، وسنوضح ما يمكننا تعلمه منها.

    بدلاً من ذلك، قد تكون الأداة بين التلسكوب والكاشف واحدة من عدة أجهزة تنشر الضوء إلى قوس قزح الكامل من الألوان حتى يتمكن علماء الفلك من قياس الخطوط الفردية في الطيف. هذه الأداة (التي تعلمتها في الفصل الخاص بالإشعاع والطياف) تسمى مقياس الطيف لأنها تسمح لعلماء الفلك بقياس (لقياس) طيف مصدر الإشعاع. سواء كان المرشح أو مقياس الطيف، لا يزال يتعين على كلا النوعين من أدوات فرز الطول الموجي استخدام أجهزة الكشف لتسجيل وقياس خصائص الضوء.

    أجهزة الكشف الفوتوغرافية والإلكترونية

    طوال معظم القرن العشرين، كانت الأفلام الفوتوغرافية أو الألواح الزجاجية بمثابة أجهزة الكشف الفلكية الرئيسية، سواء لتصوير الأطياف أو الصور المباشرة للأجرام السماوية. في لوحة التصوير، يتم تطبيق طلاء كيميائي حساس للضوء على قطعة من الزجاج توفر، عند تطويرها، سجلاً دائمًا للصورة. في المراصد حول العالم، تحافظ مجموعات كبيرة من الصور على شكل السماء خلال المائة عام الماضية. يمثل التصوير الفوتوغرافي تحسنًا كبيرًا مقارنة بالعين البشرية، لكنه لا يزال يعاني من قيود. الأفلام الفوتوغرافية غير فعالة: فقط حوالي 1٪ من الضوء الذي يسقط فعليًا على الفيلم يساهم في التغيير الكيميائي الذي يصنع الصورة؛ الباقي يضيع.

    يمتلك علماء الفلك اليوم أجهزة كشف إلكترونية أكثر كفاءة لتسجيل الصور الفلكية. غالبًا ما تكون هذه الأجهزة مقترنة بالشحن (CCD)، والتي تشبه أجهزة الكشف المستخدمة في كاميرات الفيديو أو في الكاميرات الرقمية (مثل تلك الموجودة لدى المزيد والمزيد من الطلاب على هواتفهم المحمولة) (الشكل\(\PageIndex{1}\)). في CCD، تولد فوتونات الإشعاع التي تضرب أي جزء من الكاشف تيارًا من الجسيمات المشحونة (الإلكترونات) التي يتم تخزينها وعددها في نهاية التعرض. يُطلق على كل مكان يتم فيه حساب الإشعاع اسم البكسل (عنصر الصورة)، ويمكن لأجهزة الكشف الحديثة حساب الفوتونات بملايين البكسل (ميجابكسل أو MPs).

    بديل
    الشكل\(\PageIndex{1}\): الأجهزة المقترنة بالشحن (CCD). (أ) يبلغ سمك جهاز CCD هذا 300 ميكرومتر فقط (أرق من شعر الإنسان) ولكنه يحمل أكثر من 21 مليون بكسل. (ب) تخدم هذه المصفوفة المكونة من 42 قرصًا مضغوطًا مقراب كيبلر. (الائتمان أ: تعديل العمل من قبل وزارة الطاقة الأمريكية؛ الائتمان ب: تعديل العمل من قبل وكالة ناسا وشركة Ball Aerospace)

    نظرًا لأن أجهزة CCD عادةً ما تسجل ما يصل إلى 60-70٪ من جميع الفوتونات التي تصيبها، وتتجاوز أفضل أجهزة CCD المصنوعة من السيليكون والأشعة تحت الحمراء حساسية 90٪، يمكننا اكتشاف الأجسام الخافتة كثيرًا. ومن بين هذه الأقمار الصغيرة حول الكواكب الخارجية والكواكب القزمية الجليدية وراء بلوتو والمجرات القزمية للنجوم. توفر أجهزة CCD أيضًا قياسات أكثر دقة لسطوع الأجسام الفلكية مقارنة بالتصوير الفوتوغرافي، وتكون مخرجاتها رقمية - في شكل أرقام يمكن أن تنتقل مباشرة إلى الكمبيوتر للتحليل.

    ملاحظات الأشعة تحت الحمراء

    تمثل مراقبة الكون في نطاق الأشعة تحت الحمراء للطيف بعض التحديات الإضافية. تمتد منطقة الأشعة تحت الحمراء من أطوال موجية قريبة من 1 ميكرومتر (ميكرومتر)، وهو ما يقرب من حد حساسية الطول الموجي الطويل لكل من CCD والتصوير الفوتوغرافي، إلى 100 ميكرومتر أو أكثر. تذكر من المناقشة حول الإشعاع والأطياف أن الأشعة تحت الحمراء هي «إشعاع حراري» (ينطلق في درجات حرارة نشعر نحن البشر بالراحة معها). يتمثل التحدي الرئيسي الذي يواجه علماء الفلك الذين يستخدمون الأشعة تحت الحمراء في التمييز بين الكمية الضئيلة من الإشعاع الحراري الذي يصل إلى الأرض من النجوم والمجرات، والحرارة الأكبر بكثير التي يشعها التلسكوب نفسه والغلاف الجوي لكوكبنا.

    تقترب درجات الحرارة النموذجية على سطح الأرض من 300 كلفن، والغلاف الجوي الذي يتم من خلاله إجراء الملاحظات يكون أكثر برودة قليلاً. وفقًا لقانون فيينا (من الفصل الخاص بالإشعاع والطياف)، يقوم التلسكوب والمرصد وحتى السماء بإشعاع طاقة الأشعة تحت الحمراء بطول موجة ذروة يبلغ حوالي 10 ميكرومتر. بالنسبة للعيون التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء، كل شيء على الأرض يتوهج بشكل ساطع - بما في ذلك التلسكوب والكاميرا (الشكل\(\PageIndex{2}\)). التحدي هو اكتشاف المصادر الكونية الخافتة ضد هذا البحر من ضوء الأشعة تحت الحمراء. هناك طريقة أخرى للنظر إلى هذا وهي أن عالم الفلك الذي يستخدم الأشعة تحت الحمراء يجب أن يتعامل دائمًا مع الموقف الذي قد يواجهه مراقب الضوء المرئي إذا كان يعمل في وضح النهار باستخدام تلسكوب وبصريات مبطنة بأضواء الفلورسنت الساطعة.

    بديل
    الشكل\(\PageIndex{2}\): عيون الأشعة تحت الحمراء. يمكن لموجات الأشعة تحت الحمراء اختراق أماكن في الكون يتم حجب الضوء منها، كما هو موضح في صورة الأشعة تحت الحمراء هذه حيث يحجب الكيس البلاستيكي الضوء المرئي ولكن ليس الأشعة تحت الحمراء.

    لحل هذه المشكلة، يجب على علماء الفلك حماية كاشف الأشعة تحت الحمراء من الإشعاع القريب، تمامًا كما تفعل مع فيلم التصوير الفوتوغرافي من ضوء النهار الساطع. نظرًا لأن أي شيء دافئ يشع طاقة الأشعة تحت الحمراء، يجب عزل الكاشف في بيئة شديدة البرودة؛ غالبًا ما يتم الاحتفاظ به بالقرب من الصفر المطلق (من 1 إلى 3 K) عن طريق غمره في الهيليوم السائل. الخطوة الثانية هي تقليل الإشعاع المنبعث من هيكل التلسكوب والبصريات، ومنع هذه الحرارة من الوصول إلى كاشف الأشعة تحت الحمراء.

    تحقق من حديقة حيوانات الأشعة تحت الحمراء للتعرف على شكل الأشياء المألوفة مع الأشعة تحت الحمراء. حرك شريط التمرير لتغيير الطول الموجي للإشعاع للصورة، وانقر فوق السهم لرؤية الحيوانات الأخرى.

    التحليل الطيفي

    يعد التحليل الطيفي أحد أقوى أدوات عالم الفلك، حيث يوفر معلومات حول تكوين الأجسام السماوية ودرجة حرارتها وحركتها وخصائصها الأخرى. يتم استخدام أكثر من نصف الوقت المستغرق في معظم التلسكوبات الكبيرة للتحليل الطيفي.

    يمكن فصل الأطوال الموجية المختلفة الموجودة في الضوء عن طريق تمريرها عبر مقياس الطيف لتشكيل طيف. يوضح الشكل تصميم مطياف بسيط\(\PageIndex{3}\). يدخل الضوء من المصدر (في الواقع، صورة المصدر الذي ينتجه التلسكوب) إلى الجهاز من خلال ثقب صغير أو شق ضيق، ويتم موازنته (تحويله إلى شعاع من الأشعة المتوازية) بواسطة عدسة. ثم يمر الضوء عبر المنشور، مما ينتج طيفًا: تترك الأطوال الموجية المختلفة المنشور في اتجاهات مختلفة لأن كل طول موجة ينحني بمقدار مختلف عندما يدخل المنشور ويغادره. تقوم العدسة الثانية الموضوعة خلف المنشور بتركيز العديد من الصور المختلفة للشق أو فتحة المدخل على CCD أو أي جهاز كشف آخر. هذه المجموعة من الصور (المنتشرة حسب اللون) هي الطيف الذي يمكن لعلماء الفلك تحليله في وقت لاحق. نظرًا لأن التحليل الطيفي ينشر الضوء إلى المزيد والمزيد من صناديق التجميع، يدخل عدد أقل من الفوتونات في كل صندوق، لذلك إما أن تكون هناك حاجة إلى تلسكوب أكبر أو يجب زيادة وقت التكامل بشكل كبير - عادةً ما يكون كلاهما.

    بديل
    الشكل: مطياف\(\PageIndex{3}\) المنشور. يتركز الضوء المنبعث من التلسكوب على الشق. يقوم المنشور (أو المشبك) بتشتيت الضوء إلى طيف، ثم يتم تصويره أو تسجيله إلكترونيًا.

    من الناحية العملية، من المرجح أن يستخدم علماء الفلك اليوم جهازًا مختلفًا، يسمى المشبك، لتفريق الطيف. المشبك عبارة عن قطعة من المواد تحتوي على آلاف الأخاديد على سطحها. في حين أنه يعمل بشكل مختلف تمامًا، فإن المشبك، مثل المنشور، ينشر الضوء أيضًا إلى الطيف.

    ملخص

    تشمل أجهزة الكشف عن الضوء المرئي العين البشرية والأفلام الفوتوغرافية والأجهزة المقترنة بالشحن (CCD). يجب تبريد أجهزة الكشف الحساسة للأشعة تحت الحمراء إلى درجات حرارة منخفضة جدًا لأن كل شيء في التلسكوب وبالقرب منه يصدر موجات الأشعة تحت الحمراء. يقوم مقياس الطيف بتشتيت الضوء إلى طيف ليتم تسجيله للتحليل التفصيلي.

    مسرد المصطلحات

    جهاز مقترن بالشحن (CCD)
    مجموعة من أجهزة الكشف الإلكترونية عالية الحساسية للإشعاع الكهرومغناطيسي، وتستخدم في بؤرة التلسكوب (أو عدسة الكاميرا) لتسجيل صورة أو طيف