6.5: ملاحظات خارج الغلاف الجوي للأرض

Last updated

Nov 1, 2022
Page ID
197172
Save as PDF
- 6.4: التلسكوبات الراديوية
- 6.6: مستقبل التلسكوبات الكبيرة

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}$

أهداف التعلم

في نهاية القسم، ستكون قادرًا على:

ضع قائمة بمزايا عمل ملاحظات فلكية من الفضاء
شرح أهمية تلسكوب هابل الفضائي
وصف بعض المراصد الفضائية الرئيسية التي يستخدمها علماء الفلك

يحجب الغلاف الجوي للأرض معظم الإشعاع بأطوال موجية أقصر من الضوء المرئي، لذلك يمكننا فقط إجراء ملاحظات مباشرة بالأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية وأشعة جاما من الفضاء (على الرغم من أنه يمكن إجراء ملاحظات أشعة جاما غير مباشرة من الأرض). يعد تجاوز التأثيرات المشوهة للغلاف الجوي ميزة أيضًا في الأطوال الموجية المرئية والأشعة تحت الحمراء. لا «تتلألأ» النجوم في الفضاء، لذا فإن كمية التفاصيل التي يمكنك ملاحظتها محدودة فقط بحجم جهازك. من ناحية أخرى، يعد وضع التلسكوبات في الفضاء أمرًا مكلفًا، ويمكن أن تمثل الإصلاحات تحديًا كبيرًا. هذا هو السبب في أن علماء الفلك يواصلون بناء التلسكوبات لاستخدامها على الأرض وكذلك للإطلاق إلى الفضاء.

التلسكوبات المحمولة جواً والفضائية بالأشعة

يتركز بخار الماء، المصدر الرئيسي للتداخل الجوي لإجراء ملاحظات الأشعة تحت الحمراء، في الجزء السفلي من الغلاف الجوي للأرض. لهذا السبب، يمكن أن يؤدي اكتساب حتى بضع مئات من الأمتار في الارتفاع إلى إحداث فرق مهم في جودة موقع مرصد الأشعة تحت الحمراء. نظرًا للقيود المفروضة على الجبال العالية، التي يجذب معظمها السحب والعواصف العنيفة، وحقيقة أن قدرة البشر على أداء المهام المعقدة تتدهور على ارتفاعات عالية، كان من الطبيعي أن يبحث علماء الفلك في إمكانية مراقبة موجات الأشعة تحت الحمراء من الطائرات وفي النهاية من الفضاء.

تم إجراء عمليات رصد بالأشعة تحت الحمراء من الطائرات منذ الستينيات، بدءًا من تلسكوب يبلغ طوله 15 سنتيمترًا على متن طائرة Learjet. من عام 1974 حتى عام 1995، قامت وكالة ناسا بتشغيل تلسكوب محمول جواً بطول 0.9 متر يطير بانتظام خارج مركز أبحاث أميس جنوب سان فرانسيسكو. وبالرصد من ارتفاع 12 كيلومترًا، كان التلسكوب فوق 99٪ من بخار الماء في الغلاف الجوي. في الآونة الأخيرة، قامت وكالة ناسا (بالشراكة مع مركز الفضاء الألماني) ببناء تلسكوب أكبر بكثير يبلغ طوله 2.5 متر، يسمى مرصد الستراتوسفير لعلم الفلك بالأشعة تحت الحمراء (SOFIA)، والذي يطير في طائرة بوينج 747SP المعدلة (الشكل $\PageIndex{1}$ ).

بديل — الشكل: مرصد $\PageIndex{1}$ الستراتوسفير لعلم الفلك بالأشعة تحت الحمراء (صوفيا). تسمح SOFIA بإجراء الملاحظات فوق معظم بخار الماء في الغلاف الجوي للأرض.

لمعرفة المزيد عن SOFIA، شاهد هذا الفيديو المقدم من مركز أبحاث الطيران Armstrong التابع لناسا.

إن الحصول على أعلى وإجراء الملاحظات من الفضاء نفسه لهما مزايا مهمة لعلم الفلك بالأشعة تحت الحمراء. الأول هو القضاء على جميع التدخلات من الغلاف الجوي. بنفس القدر من الأهمية هي فرصة تبريد النظام البصري بأكمله للأداة من أجل القضاء تقريبًا على الأشعة تحت الحمراء من التلسكوب نفسه. إذا حاولنا تبريد التلسكوب داخل الغلاف الجوي، فسوف يصبح سريعًا مغطى ببخار الماء المكثف والغازات الأخرى، مما يجعله عديم الفائدة. فقط في فراغ الفضاء يمكن تبريد العناصر البصرية إلى مئات الدرجات تحت درجة التجمد وتظل تعمل.

كان أول مرصد مداري للأشعة تحت الحمراء، تم إطلاقه في عام 1983، هو القمر الصناعي الفلكي بالأشعة تحت الحمراء (IRAS)، الذي تم بناؤه كمشروع مشترك بين الولايات المتحدة وهولندا وبريطانيا. تم تجهيز IRAS بمقراب طوله 0.6 متر تم تبريده إلى درجة حرارة أقل من 10 K. وللمرة الأولى، يمكن رؤية السماء تحت الحمراء كما لو كانت ليلية، وليس من خلال مقدمة مشرقة لانبعاثات الغلاف الجوي والتلسكوب. أجرت IRAS مسحًا سريعًا ولكن شاملاً لسماء الأشعة تحت الحمراء بأكملها على مدى فترة 10 أشهر، حيث قامت بفهرسة حوالي 350,000 مصدر من مصادر الأشعة تحت الحمراء. منذ ذلك الحين، تم تشغيل العديد من التلسكوبات الأخرى التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء في الفضاء بحساسية ودقة أفضل بكثير بسبب التحسينات في أجهزة الكشف عن الأشعة تحت الحمراء. أقوى هذه التلسكوبات التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء هو تلسكوب سبيتزر الفضائي الذي يبلغ طوله 0.85 مترًا، والذي تم إطلاقه في عام 2003. يتم عرض عدد قليل من ملاحظاتها في الشكل $\PageIndex{2}$ . باستخدام الملاحظات بالأشعة تحت الحمراء، يمكن لعلماء الفلك اكتشاف الأجزاء الأكثر برودة من الأجسام الكونية، مثل سحب الغبار حول مشاتل النجوم وبقايا النجوم المحتضرة، التي لا تكشفها صور الضوء المرئي.

مقراب هابل الفضائي

في أبريل 1990، تم تحقيق قفزة كبيرة إلى الأمام في علم الفلك مع إطلاق تلسكوب هابل الفضائي (HST). مع فتحة تبلغ 2.4 متر، يعد هذا أكبر تلسكوب تم وضعه في الفضاء حتى الآن. (كانت فتحته محدودة بحجم فتحة الحمولة في مكوك الفضاء الذي كان بمثابة مركبة الإطلاق.) تم تسميته باسم إدوين هابل، عالم الفلك الذي اكتشف توسع الكون في عشرينيات القرن الماضي (الذي سنناقش عمله في الفصول الخاصة بالمجرات).

يتم تشغيل HST بشكل مشترك من قبل مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا ومعهد علوم التلسكوب الفضائي في بالتيمور. كان أول مرصد مداري مصمم لخدمته من قبل رواد الفضاء المكوك، وعلى مر السنين منذ إطلاقه، قاموا بعدة زيارات لتحسين أو استبدال أدواته الأولية وإصلاح بعض الأنظمة التي تشغل المركبة الفضائية (شكل الفصل) - على الرغم من أن برنامج الإصلاح هذا موجود الآن تم إيقافه، ولن يتم إجراء المزيد من الزيارات أو التحسينات.

مع هابل، حصل علماء الفلك على بعض الصور الأكثر تفصيلاً للأجسام الفلكية من النظام الشمسي إلى الخارج إلى المجرات البعيدة. من بين العديد من الإنجازات العظيمة التي حققتها هابل Ultra-Deep Field، وهي صورة لمنطقة صغيرة من السماء تمت ملاحظتها لمدة 100 ساعة تقريبًا. يحتوي على مناظر لحوالي 10000 مجرة، بعضها تشكل عندما كان الكون مجرد نسبة قليلة من عمره الحالي (الشكل $\PageIndex{3}$ ).

كانت مرآة HST مطحونة ومصقولة بدرجة ملحوظة من الدقة. إذا أردنا توسيع مرآتها التي يبلغ طولها 2.4 مترًا إلى حجم الولايات المتحدة القارية بأكملها، فلن يكون هناك تل أو وادي أكبر من حوالي 6 سنتيمترات في سطحه الأملس. لسوء الحظ، بعد إطلاقها، اكتشف العلماء أن المرآة الأولية بها خطأ بسيط في شكلها، يساوي حوالي 1/50 من عرض شعر الإنسان. على الرغم من صغر حجم هذا الصوت، كان ذلك كافيًا لضمان عدم تركيز الكثير من الضوء الداخل إلى التلسكوب بشكل واضح وأن جميع الصور كانت ضبابية. (في محاولة غير مناسبة لتوفير المال، لم يتم إجراء اختبار كامل للنظام البصري قبل الإطلاق، لذلك لم يتم اكتشاف الخطأ حتى أصبح HST في المدار.)

كان الحل هو القيام بشيء مشابه جدًا لما نقوم به لطلاب علم الفلك ذوي الرؤية الضبابية: وضع البصريات التصحيحية أمام أعينهم. في ديسمبر 1993، في واحدة من أكثر المهمات الفضائية إثارة وصعوبة على الإطلاق، التقط رواد الفضاء التلسكوب المداري وأعادوه إلى خليج حمولة المكوك. هناك قاموا بتثبيت حزمة تحتوي على بصريات تعويضية بالإضافة إلى كاميرا جديدة ومحسّنة قبل إطلاق HST مرة أخرى إلى المدار. يعمل التلسكوب الآن كما كان مقصودًا له، وتمكنت بعثات أخرى إليه من تثبيت أدوات أكثر تقدمًا للاستفادة من قدراته.

مراصد عالية الطاقة

لا يمكن إجراء ملاحظات الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية وأشعة جاما المباشرة (الموجة الكهرومغناطيسية عالية الطاقة) إلا من الفضاء. أصبحت هذه الملاحظات ممكنة لأول مرة في عام 1946، مع صواريخ V2 التي تم الاستيلاء عليها من ألمانيا بعد الحرب العالمية الثانية. وضع مختبر الأبحاث البحرية الأمريكية أدوات على هذه الصواريخ لسلسلة من الرحلات الرائدة، والتي استخدمت في البداية للكشف عن الأشعة فوق البنفسجية من الشمس. ومنذ ذلك الحين، تم إطلاق العديد من الصواريخ الأخرى لإجراء عمليات رصد بالأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية للشمس، ولاحقًا للأجرام السماوية الأخرى.

بدءًا من الستينيات، تم إطلاق تيار مستمر من المراصد عالية الطاقة إلى المدار للكشف عن الكون واستكشافه بأطوال موجية قصيرة. من بين التلسكوبات الحديثة للأشعة السينية مرصد شاندرا للأشعة السينية، الذي تم إطلاقه في عام 1999 (الشكل $\PageIndex{4}$ ). إنها تنتج صورًا بالأشعة السينية بدقة وحساسية غير مسبوقة. يعد تصميم الأدوات التي يمكنها جمع وتركيز الإشعاع النشط مثل الأشعة السينية وأشعة جاما تحديًا تقنيًا هائلاً. تم منح جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2002 لريكاردو جياكوني، الرائد في مجال بناء وإطلاق أدوات الأشعة السينية المتطورة. في عام 2008، أطلقت وكالة ناسا تلسكوب فيرمي الفضائي لأشعة جاما، المصمم لقياس أشعة جاما الكونية بطاقة أكبر من أي تلسكوب سابق، وبالتالي فهو قادر على جمع الإشعاع من بعض الأحداث الأكثر نشاطًا في الكون.

ويتمثل أحد التحديات الرئيسية في تصميم «المرايا» لتعكس الإشعاع المخترق مثل الأشعة السينية وأشعة جاما، التي تمر عادة مباشرة عبر المادة. ومع ذلك، على الرغم من أن التفاصيل الفنية للتصميم أكثر تعقيدًا، فإن المكونات الأساسية الثلاثة لنظام المراقبة، كما أوضحنا سابقًا في هذا الفصل، هي نفسها في جميع الأطوال الموجية: تلسكوب لجمع الإشعاع أو المرشحات أو الأدوات لفرز الإشعاع وفقًا لطول الموجة، و طريقة ما للكشف عن الملاحظات وعمل سجل دائم لها. $\PageIndex{1}$ يسرد الجدول بعض أهم المراصد الفضائية النشطة التي أطلقتها البشرية.

يمكن أيضًا إجراء اكتشافات أشعة جاما من سطح الأرض باستخدام الغلاف الجوي ككاشف أساسي. عندما تضرب أشعة جاما غلافنا الجوي، فإنها تسرع الجسيمات المشحونة (معظمها إلكترونات) في الغلاف الجوي. تصطدم هذه الجسيمات النشطة بجزيئات أخرى في الغلاف الجوي وتصدر إشعاعها الخاص. التأثير هو سلسلة من الضوء والطاقة يمكن اكتشافها على الأرض. وتعد مصفوفة فيريتاس في أريزونا ومصفوفة HE.S.S. في ناميبيا اثنين من هذه المراصد الأرضية لأشعة جاما.

الشكل $\PageIndex{1}$ : المراصد الحديثة في الفضاء
مرصد	تاريخ بدء العملية	نطاقات الطيف	ملاحظات	الموقع الإلكتروني
مقراب هابل الفضائي (HST)	1990	مرئي، فوق بنفسجي، أشعة تحت الحمراء	مرآة مقاس 2.4 م؛ صور وأطياف	www.hubblesite.org
مرصد شاندرا للأشعة السينية	1999	الأشعة السينية	صور الأشعة السينية والأطياف	www.chandra.si.edu
إكس إم نيوتن	1999	الأشعة السينية	التحليل الطيفي للأشعة السينية	http://www.cosmos.esa.int/web/xmm-newton
المختبر الدولي للفيزياء الفلكية لأشعة جاما (INTEGRAL)	2002	الأشعة السينية وأشعة جاما	صور أشعة جاما عالية الدقة	http://sci.esa.int/integral/
مقراب سبيتزر الفضائي	2003	الجو	تلسكوب بطول 0.85-م	www.spitzer.caltech.edu
مقراب فيرمي الفضائي لأشعة جاما	2008	أشعة جاما	أول ملاحظات أشعة جاما عالية الطاقة	fermi.gsfc.nasa.gov
كيبلر	2009	ضوء مرئي	مكتشف الكواكب	kepler.nasa.gov
مستكشف مسح الأشعة تحت الحمراء واسع المجال (WISE)	2009	الجو	خريطة السماء الكاملة وعمليات البحث عن الكويكبات	www.nasa.gov/mission_pages/wis
ربة الارض	2013	ضوء مرئي	خريطة دقيقة لدرب التبانة	http://sci.esa.int/gaia/
القمر الصناعي العابر لمسح الكواكب الخارجية (TESS)	2018	ضوء مرئي	مكتشف الكواكب	http://tess.mit.edu

ملخص

يتم إجراء الملاحظات بالأشعة تحت الحمراء باستخدام التلسكوبات على متن الطائرات وفي الفضاء، وكذلك من المرافق الأرضية على قمم الجبال الجافة. يجب إجراء الملاحظات فوق البنفسجية والأشعة السينية وأشعة جاما من فوق الغلاف الجوي. تم نقل العديد من المراصد المدارية للمراقبة في هذه النطاقات من الطيف في العقود القليلة الماضية. التلسكوب ذو الفتحة الأكبر في الفضاء هو تلسكوب هابل الفضائي (HST)، وأهم تلسكوب الأشعة تحت الحمراء هو سبيتزر، وتشاندرا وفيرمي هما المراصد الرئيسية للأشعة السينية وأشعة جاما، على التوالي.