كيف ترى النجوم حقًا

والفرق الرئيسي الوحيد بين الشمس والنجوم التي نراها في الليل هو أن الشمس تكون قريبة منا، وهو أمر مفيد، على افتراض أنك تستمتع بالحياة.

يستمتع علماء الفلك بهذا أيضًا، لكن لديهم سببًا آخر للابتهاج بقرب الشمس: وهذا يسمح لنا برؤيتها كقرص. والشمس بالطبع ثلاثية الأبعاد. لكن من بعيد نراه كدائرة مملوءة في السماء، وهذا يعني أنه يمكننا دراسة سطحه بشيء من التفصيل، والكشف عن بقعه الشمسية، ووجهه، وحبيباته، وغيرها من الميزات المذهلة.

النجوم في سماء الليل هي أ قليل أبعد؛ أقرب واحد إلينا، بروكسيما سنتوري، يبعد عن الشمس بحوالي 280 ألف مرة! وهذا يجعلها تبدو أصغر حجمًا من خلال التلسكوب – أصغر بشكل متناهٍ، في الواقع، تظهر كنقطة ضوء فقط. عندما يظهر كائن بهذه الطريقة، نقول أنه لم يتم حله؛ عندما تكون كبيرة بما يكفي لإظهار الشكل الفعلي، يتم حل المشكلة.

حول دعم الصحافة العلمية

إذا كنت تستمتع بهذا المقال، ففكر في دعم صحافتنا الحائزة على جوائز من خلال الاشتراك. من خلال شراء اشتراك، فإنك تساعد على ضمان مستقبل القصص المؤثرة حول الاكتشافات والأفكار التي تشكل عالمنا اليوم.

هل من الممكن رؤية أي نجوم أخرى بنفس الطريقة التي نرى بها شمسنا، مكتملة بكل (أو على الأقل بعض) مجدها؟

حسنًا، من الناحية الفنية، نعم. لكن من الناحية العملية، الأمر صعب.

تعتمد حدة البصر في التلسكوب على حجم فتحة تجميع الضوء، والتي عادة ما تكون مرآة أو عدسة. إذا قمنا بتحليل الأرقام، فسنجد أن هناك عددًا لا بأس به من النجوم التي تبدو كبيرة بما يكفي في السماء بحيث يمكن اكتشافها بواسطة أكبر التلسكوبات لدينا. ولكن لا تزال هناك مشكلة: غلافنا الجوي المضطرب يشوه تفاصيل الأجسام الفلكية.

يؤدي هذا إلى تعيين حد من الأنواع لأصغر التفاصيل التي يمكنك رؤيتها للأشياء الموجودة في السماء. لكن التقنيات الذكية يمكنها التغلب على هذا القصور، بما في ذلك البصريات التكيفية، التي تعيد تشكيل مرآة التلسكوب بسرعة لمواجهة حركة الهواء المغطي. والطريقة الأخرى هي تصوير البقع، والذي يستخدم تسلسلات من التعريضات القصيرة للغاية لتجميد نفس الحركة. في سبعينيات القرن العشرين، استخدم علماء الفلك شكلًا مختلفًا من هذه التقنية للحصول على صور واضحة للعديد من النجوم الكبيرة القريبة، بما في ذلك نجم قلب العقرب في برج العقرب والمستعر الأعظم المفضل لدى الجميع، منكب الجوزاء في أوريون. مع الأخذ في الاعتبار، على الرغم من أن هذه النجوم كبيرة جسديًا، إلا أنها تظهر بعيدًا جدًا صغير، عرضه أقل من 0.00002 درجة، وهو نفس حجم الربع الأمريكي تقريبًا من مسافة 100 كيلومتر. وللمقارنة، يبلغ حجم الشمس نصف درجة، أي أكبر منها بأكثر من 30 ألف مرة.

وعلى الرغم من ذكاء هذه التقنيات، إلا أنها لا تزال تواجه العقبة الأساسية المتمثلة في حجم الفتحة الذي يحدد دقة التلسكوب. إن بناء تلسكوبات أرضية أكبر من شأنه أن يساعد، ولكنه يقدم عوائد متناقصة: عند حجم معين – حول ما لدينا بالفعل اليوم – تصبح المهمة صعبة ومكلفة إلى حد كبير.

ولكن هناك تقنية أخرى يمكنها التحايل حتى على هذا القيد! يطلق عليه قياس التداخل، ويعتمد على حقيقة أن الضوء عبارة عن موجة.

من الناحية الفنية، الضوء عبارة عن تذبذب للمجالات الكهربائية والمغناطيسية، لكنه لا يزال يتصرف، في معظم الظروف، تمامًا مثل الموجة. يحتوي شعاع الضوء على قمم وقيعان، وعندما يمر شعاعان عبر بعضهما البعض، يمكن أن يحدثا تداخلًا. تتجمع القمم والقيعان معًا، وتشكل في بعض الأحيان قممًا أعلى وقيعانًا أقل أو تلغي بعضها البعض في بعض الأحيان.

ربما تكون على دراية بهذه الظاهرة بالفعل، والتي تنطبق على أنواع أخرى من الموجات أيضًا. إذا كنت تجلس في حوض استحمام مملوء بالماء وتتحرك ذهابًا وإيابًا بطريقة إيقاعية، فإنك تخلق موجات تتحرك لأعلى ولأسفل على طول الحوض. عندما تمر قمتي موجتين ببعضهما البعض، يمكن أن تصبحا طويلتين لدرجة أنهما ترشان الماء من الحوض. تهانينا! لقد قمت بفيزياء معقدة في وقت الاستحمام.

يمكن للضوء الصادر من النجم أن يتصرف بهذه الطريقة أيضًا. عادةً لا يكون التداخل بسيطًا مثل أزواج القمم أو القيعان المتفاعلة؛ يمتلك ضوء النجم أطوال موجية متعددة، والنمط الناتج الذي يشكله في أي تلسكوب معقد للغاية. لكن تلك البنية، التي تسمى نمط التداخل أو النمط الهامشي، تقوم بتشفير معلومات حول مصدرها النجمي، بما في ذلك الحجم والشكل وتوزيع السطوع (أي أي أجزاء منه أكثر سطوعًا أو باهتة من الأجزاء الأخرى).

هنا جداً الجزء الذكي: إذا كان لديك تلسكوبين تفصل بينهما مسافة ما، فيمكن إرسال الضوء الصادر عن كليهما إلى جهاز يجمعهما معًا لإنشاء أنماط تداخل يمكن تحليلها وفك تشفيرها ثم استخدامها لإنشاء صورة للكائن الذي يرسم تفاصيله. لكن بشكل حاسم، يتم تحديد دقة هذه التلسكوبات من خلال فصلها، ليس حجمها. من حيث المبدأ، يمكن لتلسكوبين متواضعين، تفصل بينهما مسافة 100 متر، رؤية قدر كبير من التفاصيل مثل تلسكوب بعرض ملعب كرة قدم!

وتسمى هذه التقنية قياس التداخل. وقد أثبت علماء الفلك ذلك باستخدام التلسكوبات الراديوية في الأربعينيات والخمسينيات من القرن الماضي، وهو الآن روتيني في عمليات الرصد الراديوي. ومع ذلك، يصبح قياس التداخل أكثر صعوبة، مع قصر الطول الموجي للضوء. فالأطوال الموجية “البصرية” للضوء المرئي، على سبيل المثال، أقصر بكثير من موجات الراديو، لذا فإن الجمع بينها أكثر تعقيدًا. ومع ذلك، على مر السنين، تم تطوير قياس التداخل البصري بنجاح كبير.

أحد أكبر التلسكوبات في العالم، التلسكوب الكبير جدًا (VLT)، يتكون من أربعة تلسكوبات قطر كل منها 8.2 متر (بالإضافة إلى أربعة تلسكوبات أصغر) تغطي مسافة تزيد عن 100 متر، مما يمنحها دقة استثنائية. لكن حتى هذا ليس الأكبر: يحتوي مركز علم الفلك عالي الدقة الزاوي (CHARA) على ستة تلسكوبات يبلغ قطرها مترًا واحدًا ويفصل بينها ما يصل إلى 330 مترًا. يتمتع CHARA بدقة أفضل من جزء من المليون من الدرجة، وهو أكثر من كافٍ لرؤية الميزات في عينة مناسبة من النجوم. في الواقع، معظم الصور التي تم حلها لدينا للنجوم هي من CHARA.

كشفت الصور فائقة الدقة للنجوم عن العديد من الهياكل المدهشة والغريبة بصراحة. أطل VLT على العملاق الأحمر π¹ ووجد جرويس أن به فقاعات ضخمة من الغاز الساخن تتصاعد من داخله. نظرت CHARA إلى النجم اللامع Altair ورأت أنه على شكل بيضة بشكل واضح نتيجة لدورانه السريع للغاية. أظهرت ملاحظات CHARA للعملاق الضخم RW Cephei أن شكله غير منتظم ومتغير، مما يشير إلى أنه فجر سحابة غبار ضخمة خانقة لضوء النجوم في عام 2022، كما فعل منكب الجوزاء في عام 2019.

أما بالنسبة لمنكب الجوزاء نفسه، فقد كان في بؤرة اهتمام مقاييس التداخل عدة مرات. لقد تغير حجمه على مر السنين، ووُجد أن سطحه معقد، ومشوه بفقاعات ضخمة من الغاز الساخن مثل تلك الموجودة في π.¹ جرويس. تخلق العمالقة الحمراء الضخمة مثل منكب الجوزاء الكثير من الغبار الذي نراه منتشرًا في جميع أنحاء المجرة، لكن الآلية ليست مفهومة جيدًا. يمكن أن تساعد عمليات الرصد التداخلية علماء الفلك على التحقيق في كيفية حدوث ذلك.

دقة قياس التداخل البصري محدودة فقط بهندستنا والسرعة التي يمكن بها لأجهزة الكمبيوتر معالجة البيانات. لا يمكن لأحد أن يخمن حجم هذا التلسكوب الافتراضي – في الواقع، فإن تلسكوب أفق الحدث، الذي ربط التلسكوبات الراديوية حول العالم لالتقاط صور للمجالات المغناطيسية حول الثقب الأسود المركزي في درب التبانة، هو في الواقع كبير مثل الأرض! مع تقدم تقنيتنا وتحسنها، قد نتمكن من رؤية وجوه عدد أكبر بكثير من النجوم ونتعلم منها كما تعلمنا من شمسنا.