مسح الكون المظلم مع مرصد فيرا روبن

على بُعد 15 دقيقة تقريباً إلى الغرب من مدينة فيكونيا Vicuña، في فالي ديل إلكوي Valle del Elqui في شمال تشيلي، يوصل طريق حصوي شديد الانحدار ومتعرج جنوباً من الطريق السريع 41 إلى قمة سيرو باشون Cerro Pachón، على ارتفاع 2,700 متر تقريباً فوق مستوى سطح البحر. منذ أوائل القرن الحادي والعشرين، كانت قمة الجبل موطناً للتلسكوب جيميناي الجنوبي Gemini South Telescope بقطره البالغ 8.1 م، وتلسكوب أبحاث الفيزياء الفلكية الجنوبي Southern Astrophysical Research Telescope، بقطره البالغ 4.1 م. غير أن ما يهيمن على مشهده حالياً هو مبنى أسطواني ضخم مستقبلي، يُؤوي تلسكوباً ثورياً سيكشف عن أحلك أسرار الكون. أهلاً بكم في مرصد فيرا سي روبن Vera C Rubin Observatory.

التلسكوب الرئيس للمرصد لا يشبه أي تلسكوب آخر شُيد على الإطلاق. مرآته التي يبلغ قطرها 8.4 م مزيج جديد من مرآة أساسية تشبه الحلقة تحيط بمرآة ثلاثية منحنية بقوة أكبر بكثير مقطوعة من الزجاج الفارغ ذاته لها مجال رؤية كبير يبلغ º3.5، بقطر يصل إلى سبعة أقمار مكتملة ومتراصفة معاً. وبمعدل مرتين إلى ثلاث مرات في الأسبوع، ستلتقط كاميرا رقمية ضخمة تبلغ دقتها 3.2 غيغابيكسل وهي أكبر كاميرا صُنعت على الإطلاق صورةً شديدة الوضوح وسحيقة العمق كل 30 ثانية، وتغطي كامل سماء الليل المرئية من تشيلي. في غضون 10 سنوات، سيكون كل نجم ومجرّة مرئية في السماء الجنوبية قد رصده تلسكوب روبن 800 مرة على الأقل، ليكون هذا هو أشمل مسح تلسكوبي للكون على الإطلاق.

يقول مدير عمليات المرصد، روبرت بلوم Robert Blum: ”روبن هو مرصد فريد تماماً. ولم يُنفَّذ أي مسح رصدي مثل هذا من قبل“.

كما بدت كاثرين هايمانز Catherine Heymans، وهي عالمة كونيات من المرصد الملكي في إدنبرة Edinburgh والفلكية الملكية في إسكتلندا، مبتهجة بنحو مماثل وهي تقول: ”لقد كان هذا المشروع البصري جزءاً من حياتي الأكاديمية منذ بدأتُ دراستي لنيل درجة الدكتوراه في العام 2000. وقد سرني جداً انضمام المملكة المتحدة إلى مشروع مرصد روبن في العام 2015 لتكون رسمياً جزءاً من هذه المبادرة الجديدة الرائدة. الجميع متحمس لما قد نكتشف“.

تأجل استكمال المرصد الجديد، الذي هو شراكة بين مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية (اختصاراً: مؤسسة NSF) ووزارة الطاقة الأمريكية (اختصاراً: الوزارة DOE)، مدة عامين بسبب جائحة COVID-19، ولكن وفقاً لبلوم، من المتوقع أن يبصر التلسكوب ضوءه الأول في أوائل العام 2024، ومن المقرر أن تبدأ العمليات العلمية الكاملة في وقت لاحق من ذلك العام؛ ويقول: “جميع أنظمة التلسكوب الفرعية ومراياه الرئيسة موجودة في تشيلي، وهي جاهزة تقريباً لإكمال تركيبها”. يجب أن تتم المحاذاة الأولية للنظام، بما في ذلك تثبيت كاميرا أصغر لاختبار التشغيل، بحلول الوقت الذي تقرأ فيه هذا المقال. ويضيف: “نأمل شحن الكاميرا الرئيسة إلى تشيلي في شهر فبراير 2023، تقريباً”.

هذه الكاميرا العملاقة، التي صممها المختبر SLAC الوطني للمسرعات التابع لوزارة الطاقة في كاليفورنيا، والتي تزن أكثر من 3 أطنان، هي أعجوبة هندسية بذاتها. يبلغ قُطر مستواها البؤري 25 بوصة، ويغطيها 189 جهاز كشف CCD، كل واحد منها بدقة 16 مليون بكسل. وقد جرى تبريد المصفوفة إلى درجة حرارة º100س للحصول على حساسية أفضل، ولتلتقط صور النجوم الخافتة بسطوع mag. 25 بتعريض طوله 30 ثانية فقط عبر واحد من ستة مرشحات (فلاتر) واسعة النطاق. بعد كل تعريض، سيلتفت التلسكوب الصغير جداً والصلب إلى موضعه التالي في غضون خمس ثوانٍ فقط، ليلة بعد ليلة صافية. كما سيلتقط المشروع، الذي يعرف باسم مسح إرث المكان والزمن Legacy Survey of Space and Time (اختصاراً: المسح LSST)، عدداً هائلاً يبلغ 200,000 صورة سنوياً، ويتوقع أن يبلغ معدل البيانات حجم 10 20 تيرابايت في كل ليلة.

أكبر، وأوسع، وأعمق

لن يكون المشروع LSST هو أول مسح كوني عميق. يقول ستيفن ريتز Steven Ritz، عالم مشروع الكاميرا من جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز: ”كانت هناك بعض المشروعات الرائعة من قبل، ولكن الجمع بين العمق ومجال الرؤية الكبير للمرصد فيرا سي روبن سيقدم فعلاً شيئاً جديداً تماماً“.

تشير هايمانز إلى أن المرصد روبن سيغطي ما يقرب من 700 ضعف مساحة مشروع المسح العميق Hyper Suprime-Cam (اختصاراً: المشروع HSC) على التلسكوب سوبارو Subaru الياباني بقطر مرآتِه البالغ 8.2 م في هاواي (والذي يتمتع بحساسية قابلة للمقارنة إلى حد ما)، في حين ينتج صوراً أعمق بكثير من مشروع مسح الطاقة المعتمة (اختصاراً: المشروع DES) على تلسكوب فيكتور إم بلانكو القريب، بقطر مرآته البالغ 4 م في مرصد سيرو تولولو إنترأمريكان، والذي غطى مساحة من السماء تقل بمقدار 3.6 مرة عن التي يغطيها المرصد روبن.

ومثل مشروع DES ومشروع HSC الأصغر، فإن مشروع LSST هو تجربة طاقة معتمة. الطاقة المعتمة هي طاقة نظرية تدفع بتوسع الكون، وقد جرى افتراضها لتفسير سبب تسارع التوسع الكوني. يتمثل أحد أهداف مرصد روبن باكتشاف كيف تطورت هذه الخاصية الغامضة عبر الزمن الكوني، وكيف أثرت في نمو البنى الكبيرة مثل العناقيد والعناقيد الفائقة Superclusters. يمكن تحقيق ذلك من خلال رسم خرائط دقيقة للتوزع ثلاثي البعد لبلايين المجرّات.

إضافة إلى ذلك، سيكون المشروع قادراً على دراسة التشوهات الدقيقة في صور المجرّات التي تنتج عن ظاهرة تُعرف باسم عدسات الجاذبية الضعيفة Weak gravitational lensing والتي يمكن أن تقيس مباشرة كيفية توزيع الكتلة في الفضاء، بما في ذلك المادة المعتمة غير المرئية التي يُعتقد أنها تكوِّن 85% من كل المادة الجاذبة في الكون.

يثق علماء الفلك بأن الطاقة المعتمة والمادة المعتمة تؤديان دوراً محورياً في تطوُّر الكون، لكن ما بحوزتهم من أدلة على الطبيعة الحقيقية لهذين المكونين الغامضين هو قليل. تقول هايمانز: “مع سيل البيانات الذي سيصدرها مرصد روبن، سنواجه مجموعة واسعة من النظريات التقليدية والغريبة عن الجانب المعتم لكوننا”.

وفضلاً عن النجوم والمجرّات الثابتة، سيكتشف المرصد روبن أيضاً ملايين الأجرام المتحركة، مثل المذنّبات البعيدة، والكويكبات، وأجرام حزام كايبر Kuiper Belt (التي تقع خارج مدار كوكب نبتون)، والأجرام القريبة من الأرض التي قد تهدد كوكبنا الأم، وربما يكتشف حتى الكوكب التاسع الافتراضي في المناطق البعيدة من المجموعة الشمسية. يقول بلوم: ”ستكون ثروة أجرام المجموعة الشمسية الجديدة التي سنكتشفها مثيرة جداً“.

وسيكون هناك كثير من فرص الاكتشاف الأخرى، لا سيما في مجال علم الفلك الزمني Time-domain astronomy: القدرة على دراسة كيفية تغيُّر السماء بكاملها على مدى واسع من المجالات الزمنية، التي تشير إليها هايمانز باسم ”علم فلك الانفجار الخاطف“ Whoosh-flash-bang astronomy.

يقول ريتز: ”هناك كثير من الأمور التي لم ندركها بعد“.

دفقٌ من البيانات… على الطريق
ستؤدي أرصاد روبن المتكررة للمناطق ذاتها من السماء إلى إعطاء مئات ”التنبيهات“ في الثانية تشير إلى حيث يوجد شيءٌ ما قد تغيّر: عدد لا يحصى من النجوم المتغيّرة، والتوهجات النجمية، وانفجارات النوفا والسوبرنوفا، وكذلك ما يناظر أحداث الأجرام البصرية، من تلك الأحداث ذات الطبيعة الانفجارية، مثل: انبعاثات أشعة غاما، والانبعاثات الراديوية الخاطفة، وأحداث الاضطرابات المدِّية Tidal disruption events، ومصادر موجات الجاذبية.

يقول بلوم: ”أنا متحمس جداً لرؤية كيفية عمل فرق علمائنا مع انطلاق تيار التنبيهات. كما أنني متشوق أيضاً لمعرفة حجم نجاحنا في إنشاء شبكة من التلسكوبات لمتابعة عمليات الرصد“.

سيستغرق المرصد فيرا سي روبن الذي يديره كل من المختبر NSF الوطني لأبحاث علم الفلك البصري والأشعة تحت الحمراء National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory (اختصاراً: المختبر NOIRLab) والمختبر SLAC، مدة 10 سنوات لإكمال المشروع LSST. في الوقت الحالي، لا أحد يعرف ما الذي سيأتي به.

يقول ريتز: ”لقد تعلمتُ عدم التكهن“. كثيراً ما يقدم العلم مفاجآت، وهذا شيء عظيم. ”نريد حقاً أن نرى الشيء الذي لا يناسب توقعاتنا، لأن ذلك غالباً ما يكون هو الخطوة الأولى نحو اكتشاف عظيم“.

وبالنسبة إلى الألغاز الكونية التي يواجهها العلماء، ترى هايمانز سيناريوهَين محتملين. الأول هو ما يعتقده كثير من علماء الفلك بالفعل: أن الطاقة المعتمة لا تتغير بمرور الوقت. يقول بلوم: ”أخشى ألا يقودنا هذا إلى أبعد من ذلك في رحلتنا لفهم أصل الكون المعتم فعلاً“.

والسيناريو الثاني هو أن نجد دليلاً على أن الطاقة المعتمة تتطور وتتغير بمرور الزمن أو تغير المكان. سيسمح ذلك بوجود حقل قوة جديد، يمكن أن يكون مقترناً بحقل الجاذبية.

”من يدري ماذا سنجد ولكن مع المرصد روبن، فإن إمكانات الاكتشاف لا حصر لها“. 

غوفرت شيلنغ Govert Schilling:
ألَّف غوفرت شيلنغ Govert Schilling كتاب الفيل في الكون The Elephant in the Universe، وأصدرته مطبعة هارفارد

المشهد من الفضاء
سيعمل تلسكوبا فضاءٍ جديدان مع روبن قريباً لفهم الكون غير المرئي

في العام 2023، وحتى قبل أن يبدأ المرصد فيرا روبن مسحَه الشامل غير المسبوق للكون البعيد، ستطلق وكالة الفضاء الأوروبية esa التلسكوب إقليدس Euclid الفضائي، بقطره البالغ 1.2م، والذي سيسعى إلى تحقيق أهداف مشابهة جداً: دراسة الطاقة المعتمة والمادة المعتمة من خلال رسم خرائط وتصوير دقيق لبلايين المجرّات. بعد أربع سنوات، ستحذو ناسا حذوها مع التلسكوب نانسي غريس رومان الفضائي Nancy Grace Roman Space Telescope بقطر 2.4 م. فكيف يمكن مقارنة هذه المشروعات الثلاثة؟ وفقاً لكاثرين هايمانز، من المرصد الملكي في إدنبرة، فإن المرصد روبن سيقزِّم التلسكوبان إقليدس ورومان من حيث الحساسية Sensitivity، وذلك بسبب مرآته الرئيسة الأكبر حجماً. لكنها تضيف أن المرصد روبن يوجد تحت الغلاف الجوي للأرض، ولن يكون قادراً على الحصول على صور واضحة مثل تلك التي سيلتقطها التلسكوبان الفضائيان. وتقول: ”السر الذي تندر مناقشته علناً هو أن هذه التلسكوبات تحتاج إلى العمل بعضُها مع بعض من أجل تحقيق أهدافها العلمية فعلاً. يحتاج التلسكوب إقليدس إلى تصوير روبن متعدد الألوان، ويمكن لروبن الاستفادة من البيانات عالية الدقة [من الفضاء] لفك تشابك عديد من صور المجرّات المختلطة التي سيراها“. تقول هايمانز إن الكيفية الدقيقة لدمج بيانات هذه التلسكوبات ما زالت موضوع نقاش ساخن، ولكن من خلال عملها معاً فهي ستكون قادرة على معالجة مجال واسع من الأهداف العلمية المختلفة.

لعبة الأسماء
أُطلق على المرصد اسم عالمة الفلك الرائدة فيرا سي. روبين

في الأصل أُطلق على التلسكوب الثوري (الجديد) تحت الإنشاء في سيرو باشون اسم تلسكوب المسح الشامل الكبير Large Synoptic Survey Telescope، ولكن في أوائل العام 2020 أُعلنت تسميةُ المرصد الجديد باسم عالمة الفلك الأمريكية فيرا سي. روبن (1928 2016). ومنذ أواخر ستينات القرن العشرين، بدأت روبن، جنباً إلى جنب مع زميلها كنت فورد Kent Ford، في معهد كارنيغي في واشنطن، تقيس الخصائص الدورانية لمجرّة المرأة المسلسلة Andromeda وعددٍ من المجرّات الحلزونية القريبة الأخرى، ووجدت أدلة مقنعة على وجود مادة معتمة غير مرئية في أطراف هذه الأنظمة النجمية. إن مفهوم المادة المعتمة هو أقدم بكثير، وقد أنجز علماء الفلك الراديوي أرصاداً مماثلة من قبل، لكن الكونغرس الأمريكي قرر تغيير اسم المرصد من أجل تكريم عمل روبن الرائد في مجال أبحاث المادة المعتمة، وكذلك من أجل التغلب على التمييز القائم على الجنس، مما يمهد طريقاً لنساء أخريات في علم الفلك. يُعرَف الآن تلسكوب المرصد الذي يبلغ قطره 8.4 م رسمياً باسم التلسكوب سيموني الماسح Simonyi Survey Telescope، على اسم المتبرع المهم. وفي الوقت ذاته، احتفظ بالاسم المختصر الأصلي LSST: فهو يشير الآن إلى مسح إرث المكان والزمن.

مقابلة مع ج. آنتوني تايسن
في العام 1996 اقترح تايسن أول مرة بناء المرصد الذي سيكون المرصد روبن، وأدار المشروع مدة 15 عاماً، وهو الآن كبير علمائه

ما الاختلافات بين الاقتراح الأصلي لتلسكوب المادة المعتمة والمرصد النهائي؟
ليس كثيراً. تحدد الفتحة الكبيرة والحاجة الموافقة لكاميرا بقدرة غيغابكسل بحسب معدل الإنتاجية المطلوب لإجراء مسح شامل واحد لأعماق السماء. لذلك لم يحدث هنا تغيير. الاختلاف الرئيس هو الجهد الهائل الذي بذلناه في أمور إدارة البيانات وتطوير البرامج.

كيف أثر اكتشاف الطاقة المعتمة في العام 1998 في الحالة العلمية للمشروع؟
أضاف اكتشاف الطاقة المعتمة، باستخدام كاميرا سابقة صنعناها، وتسمى كاميرا الإنتاجية الكبيرة Big Throughput Camera، دافعاً علمياً جديداً مهماً لما كان يُطلق عليه في الأصل تلسكوب المسح الشامل الكبير [أعيدت تسميته الآن باسم مسح إرث المكان والزمن]. غير أن التطور الأهم تمثل بنمو علم الفلك في النطاق الزمني. وخير مثال على ذلك هو انبعاثات موجات الجاذبية، التي سيتابعها المرصد روبن.

ما النتائج التي تتطلع إليها أكثر من سواها؟
اهتمامي الرئيس هو علم الكوزمولوجيا (الكونيات)؛ الفيزياء ”الجديدة“ للمادة المعتمة والطاقة المعتمة. هناك عدة مسابير لذلك مع مشروع المسح المقبل. لكنني متحمس جداً لاكتشاف ما هو غير متوقع.