إقليدس يُلقي الضوء على الكون المعتم

تصفحْ هذا العدد من مجلة سماء الليل BBC Sky at Night Magazine، وانظرْ إلى كثير من صوره التي تلفت الأنظار، واستمتع بجمال الكون. ثم أدركْ أن كل ما يمكننا رؤيته باستخدام التلسكوبات الفلكية من نجوم وسُدم ومجرّات لا يمثل سوى 5% من المحتوى الكلي للكون. أما نسبة الـ 95% المتبقية فهي تتكون من عنصرين غامضين: الطاقة المعتمة Dark energy تلك ”القوة“ الكامنة وراء التوسع المتسارع للكون والمادة المعتمة Dark matter. نحن نعلم بوجودهما، لكن طبيعتهما الحقيقية تتفلت منا وتراوغنا.

وهنا يأتي دور التلسكوب إقليدس Euclid البعثة الفضائية التالية في برنامج علوم الرؤية الكونية Cosmic Vision التابع لوكالة الفضاء الأوروبية (اختصاراً: الوكالة إيسا ESA). من المقرَّر إطلاق هذا التلسكوب الفضائي الطموح إلى الفضاء في النصف الأول من شهر يوليو من مطار كيب كانافيرال في ولاية فلوريدا، ليركز على دراسة الكون المعتم من خلال دراسة ما لا يقل عن بليوني مجرّة ورسم خرائطها. يقول إيفان بولدري Ivan Baldry، عالم إرث إقليدس المستقل، من جامعة ليفربول جون مورس Liverpool John Moores: ”لم يُنجَز شيء مثل هذا من قبل“.

ستكشف أرصاد التلسكوب إقليدس عن تاريخ توسُّع الكون (الذي تسيطر عليه الطاقة المعتمة) والتوزع ثلاثي الأبعاد للكتلة (التي تتكون أساساً من المادة المعتمة). وكمكافأةٍ ستتحقق المهمة مما إذا كانت نظرية النسبية العامة لآلبرت آينشتاين هي الصيغة الصحيحة للجاذبية على المقاييس الكونية. ووفقاً لمدير المشروع جوسيبي راكا Giuseppe Racca في مركز العلوم والتكنولوجيا التابع لإيسا (اختصاراً: المركز ESTEC) في مدينة نوردفايك الهولندية، فـ”هذا المزيج من الأبحاث هو ما يمتاز به إقليدس“.

الطريق إلى منصة الإطلاق
اختيرت مهمة إقليدس في العام 2011، وتبنتها الوكالة إيسا رسمياً في صيف العام 2012. واشتركت الوكالة ناسا في المشروع في أوائل العام 2013. في الوقت الحالي يضم تجمع الأعضاء في مهمة إقليدس نحو 2,000 عضو من 13 دولة أوروبية، إضافةً إلى الولايات المتحدة.

كانت الخطة الأصلية هي إطلاقَ مركبة فضائية من غايانا الفرنسية على متن صاروخ سويوز روسي في أواخر العام 2022، ولكن بعد غزو روسيا لأوكرانيا، عُلِّق التعاون بين وكالتي الفضاء الأوروبية ESA والروسية Roscosmos، ووجد التلسكوب إقليدس نفسه في حاجة إلى صاروخ حامل بديل. ولم يمض وقت طويل، فنظراً إلى التأخيرات المتكررة بسبب أعمال التطوير المستمر لصاروخ آريان 6 الأوروبي، وقع الاختيار على الصاروخ فالكون 9 التجاري من شركة SpaceX التابعة لإيلون ماسك.

يقول راكا مازحاً: ”كان علينا تعوُّد بيئة عمل مختلفة تماماً: في شركة SpaceX، بالكاد قابلت أي شخص أكبر من أولادي“. عُقدت اجتماعات العمل من دون تدوين محاضر مفصلة. وأحدثت تغييرات في استراتيجية الإطلاق لاستيعاب الكتلة المنخفضة نسبياً لإقليدس بين عشية وضحاها تقريباً؛ ومع ذلك فقد مضى كل شيء بسرعة وسلاسة. ويعترف راكا: ”نعم، لقد كنت قلقاً، ولكن واثقاً مع ذلك. فعلى الرغم من كل شيء، لم يتعرض الصاروخ فالكون 9 إلا لإخفاقين اثنين ضمن أكثر من 200 عملية إطلاق“.

مفعول عدسة الجاذبية الضعيفة: خطوة أولى

كيف تجد شيئاً لا يُرى؟ ابحث عن تأثيره الجاذبي في الزمكان

من خلال عدسات الجاذبية الضعيفة، يمكننا تقدير مقدار كتلة الجاذبية بما في ذلك المادة المعتمة الموجودة في منطقة من الفضاء. وذلك لأن هذه الكتلة الأمامية تضخّم قليلاً وتمط صور المجرّات البعيدة والباهتة في الخلفية وراءها. يُخبرك مقدار التشويه الحاصل بمقدار الكتلة التي تنتج مفعول عدسة الجاذبية.

لكن هذا ليس بالسهولة التي يبدو بها. للمجرّات بالفعل أشكال مستطيلة، وذلك بسبب تسطُّحها إجمالاً، ولأننا لا نراها دائماً وجهاً لوجه. ولذلك سيكون من المستحيل في مثال مجرّة واحدة فقط تمييز مقدار تأثير مفعول عدسة الجاذبية الضعيفة على شكلها واتجاهها المرصود. وبدلاً من ذلك يدرس علماء الفلك أكبر عدد ممكن من صور مجرّات الخلفية، بحثاً عن انحراف ضئيل عن التوزع العشوائي المتوقع لاتجاه المجرّات.

إذن ها هي الفكرة العامة: راقبْ المئات (أو الآلاف، أو حتى الملايين) من المجرّات ذات الخلفية الباهتة. تحققْ من انحرافات من اتجاهات عشوائية. استخدم حالات الانحراف هذه لرسم خريطة لقوة تأثير عدسة الجاذبية الضعيفة المسؤول عن التشوهات الدقيقة. ثم استنتج التوزع الكتلي الموافق في الأمامية. و… مرحى، لقد وصلت من فورك إلى خريطة كتلة لجزء من الكون.

يبلغ ارتفاع المركبة الفضائية إقليدس 4.5 م، وقطرها 3.1 م، وكتلة الإطلاق 2 طن تقريباً، واضطلعت ببنائها شركة ثاليس ألينا سبيس Thales Alenia Space في إيطاليا. أما وحدة الحمولة النافعة، التي صنعتها شركة أيرباص آند سبيس Airbus Defense and Space في فرنسا، فتتكون من تلسكوب بطول 1.2 م (بجودة بصرية أفضل من أي شيء مشابه، وفقاً لراكا)، وجهازين علميين: هما كاميرا تعمل بموجات الضوء المرئي (VIS)، ومطياف الأشعة القريبة من تحت الحمراء مع مقياس الضوء (NISP).

ستعمل المهمة مدة 6 سنوات، ستلتقط في أثنائها كاميرا VIS، التي تبلغ دقتها 600 ميغابكسل، صوراً بجودة صور التلسكوب هابل لمساحة تعادل ثلث مساحة السماء، مع مجال رؤية يبلغ نصف درجة مربعة، أي تقريباً ضعف الحجم الظاهري للقمر المكتمل. وفي الوقت ذاته، سيقيس المطياف NISP السطوع والشكل الدقيق لـ 1.5 بليون مجرّة تقريباً ضمن ثلاث حزم للأطوال الموجية للأشعة القريبة من تحت الحمراء، وسيسجل أطيافاً تفصيلية لنحو 25 مليون مجرّة ساطعة.

سيحتاج التلسكوب إقليدس مدة شهر تقريباً بعد إطلاقه لكي يصل إلى مدار هالة Halo orbit حول نقطة لاغرانج الثانية (L2)، على بعد 1.5 مليون كم من الأرض كما يُرى من الشمس، أي في المنطقة ذاتها من الفضاء مثل التلسكوب جيمس ويب الفضائي. وبمعدل مرة واحدة في اليوم، سيرسل ما يصل إلى 850 غيغابايت من البيانات إلى المحطات الأرضية التابعة لإيسا في الأرجنتين وإسبانيا.

بناء سجل فضائي ثلاثي الأبعاد
ومثلَ نسخة كونية من خرائط غوغل Google Maps، سيوفر إقليدس لعلماء الفلك سجلاً ثلاثي الأبعاد للكون هو الأشمل على الإطلاق. وما حققته مهمة غايا Gaia التابعة للوكالة إيسا (التي أطلقت في العام 2013) مع معظم نجوم مجرّتنا درب التبانة، سيحققه تلسكوب إقليدس لعدد كبير من المجرّات في الكون الأوسع: تحديد مواقعها بدقة على السماء، وأشكالها، ومسافاتها. كيف سيفعل هذا؟ حسناً، يمكن معرفة بُعد المجرّة من خلال معرفة ما يسمى بالانزياح الأحمر Redshift: كلما طالت مدة انتقال الضوء من المجرّة عبر الفضاء المتوسع للوصول إلى تلسكوباتنا، امتدت موجات الضوء إلى أطوال موجية أكثر طولاً، لتتوافق مع لون أكثر احمراراً. وفي مثال أسطع 25 مليون مجرّة سيرصدها إقليدس، يمكن قياس الانزياح الأحمر مباشرة من الأطياف التي حصل عليها المطياف NISP.

وفي مثال الـ 1.5 بليون مجرّة الأكثر خفوتاً وبُعداً، والتي لا تتوافر لها أطياف مفصلة، ستُدمج قياسات إقليدس للأشعة القريبة من تحت الحمراء مع أربعة قياسات سطوع على الأقل بأطوال موجية بصرية مختلفة، أمكن الحصول عليها عبر التلسكوبات الأرضية الكبيرة الموجودة، مثل تلسكوب كندا فرنسا هاواي Canada-France-Hawaii Telescope، وتلسكوب سوبارو Subaru Telescope، وتلسكوب بان ستارز Pan-STARRS (وجميعها في هاواي)، ومرصد فيرا روبن Vera Rubin المستقبلي في تشيلي. ومن توزع الطاقة الطيفية الناتج، يمكن لعلماء الفلك حساب الانزياح الأحمر، وإن كان بدقة أقل من نتائج NISP.

وكما يوضح عالم مشروع إقليدس، رينيه لاورايس René Laureijs من المركز ESTEC، فإن رسم خرائط التوزيع ثلاثي الأبعاد للمجرّات عند انزياحات حمراء مختلفة سيلقي الضوء على تاريخ التوسع الكوني. وفي النهاية، نرى أن البنية الحالية واسعة النطاق للكون قد تطورت من اضطرابات الكثافة البدائية بعد الانفجار الكبير (العظيم) Big bang بمدة مئات قليلة من آلاف السنين، وهي التي استطاعت مهمة بلانك Planck mission التابعة للوكالة إيسا أن ترسمها بالتفصيل (2009-2013).

يقول لاورايس: ”باستخدام التلسكوب إقليدس، سنصنع بصورة أساسية 12 ’خريطة بلانك‘ لعصور كونية مختلفة، وذلك بالنظر إلى شرائح من خريطتنا ثلاثية الأبعاد للمجرّة بدرجات انزياح أحمر مختلفة، تتوافق مع أزمنة سابقة مختلفة“. إن قياس كيفية تغيُّر توزع المجرّات على نطاق واسع بمرور الوقت سيخبر علماء الفلك عما إذا كانت الطاقة المعتمة قد تطورت، وأيضاً كيف تطورت. يقول لاورايس: ”إنها المرة الأولى فعلاً التي نفعل فيها هذا“.

رسم خريطة الكون

الخرائط الكونية ثلاثية الأبعاد المذهلة التي سيرسمها إقليدس هي أحدث محاولة لرسم خريطة طريق للفضاء

نُشرت أول خريطة ثلاثية الأبعاد للكون، صنعها تلسكوب بقطر 1.5 م في جبل هوبكنز بولاية أريزونا، قبل أكثر من 40 عاماً، في العام 1982. وقد استغرق الأمر من مارك ديفيس Marc Davis وزملائه خمس سنوات لتحديد الانزياحات الحمراء والمسافات الموافقة لـ 2,400 مجرّة، على مسافة 600 مليون سنة ضوئية تقريباً. ثم نُفذ مسحٌ ثانٍ للانزياح الأحمر للجزء ذاته من السماء، بين العامين 1985 و1995، ورسم خرائط ثلاثية الأبعاد لما لا يقل عن 18,000 مجرّة.

بين العامين 1997 و2002، استخدم فريق بقيادة ماثيو كوليس Matthew Colless التحليل الطيفي متعدد الأجرام في التلسكوب الآنغلو أسترالي الذي يبلغ قطره 3.9 م، لتنفيذ عملية مسح الانزياح الأحمر المجرّي بمجال درجتين (2dF). وقد حددوا الانزياح الأحمر لـ 230,000 مجرّة، على مسافة 2.5 بليون سنة ضوئية.

أما مشروع المسح الرقمي Sloan Digital Sky Survey، الذي بدأ في العام 2000 وما زال يعمل، فقد استخدم تلسكوباً متخصصاً بقطر 2.5 م في ولاية نيو مكسيكو. وقد أنتج حتى الآن أكثر من 4 ملايين طيف لكل من النجوم والمجرّات، على مسافات بلايين السنين الضوئية.

وأخيراً من المتوقع لأداة التحليل الطيفي للطاقة المعتمة (اختصاراً: الأداة DESI) في التلسكوب نيكولاس يو مايال Nicholas U Mayall Telescope الذي يبلغ قطره 4 م في مرصد كيت بيك Kitt Peak Observatory في ولاية أريزونا، والذي يُعد متمماً بدرجة كبيرة لمهمة إقليدس الأوروبية، أن تكمل مدة عملها البالغة 5 سنوات لمسح الانزياح الأحمر لعدد يتراوح بين 35 و40 مليون مجرّة، في العام 2026.

ما يكشفه مفعول عدسات الجاذبية
وبالطبع، من أجل دراسة دور الطاقة المعتمة بهذه الطريقة، عليك أن تأخذ بعين الاعتبار وجود المادة المعتمة وتوزعها المكاني أيضاً. وهذا هو المجال الذي تظهر فيه الصور شديدة الوضوح لكاميرا VIS. لا تُصدر المادة المعتمة أي نوع من الإشعاع، لكنها تكشف وجودها من خلال تشويه أشكال مجرّات الخلفية قليلاً بفعل تأثير عملية تُعرف باسم عدسات الجاذبية الضعيفة Weak gravitational lensing (انظر فقرة تأثير عدسات الجاذبية الضعيفة: خطوة أولى، على الصفحة 67).

وفقاً لنظرية النسبية العامة لآلبرت آينشتاين، ينحني مسار أشعة الضوء بتأثير وجود تركيزات للكتلة، سواء كانت مرئية أو معتمة. بمعنى آخر: سيكشف تركيز الكتلة ذاته من خلال مفعول عدسة جاذبية ضعيفة. وإذن فإن التحليل الإحصائي لأشكال الملايين من مجرّات الخلفية على مسافات كونية مختلفة سيجعل من الممكن إعادة بناء خرائط ثلاثية الأبعاد لتوزع الكتل المادية في الكون.

عند دراسة تأثير عدسة الجاذبية الضعيفة، سيرسم التلسكوب إقليدس في واقع الأمر انحرافات موضعية ناتجة عن الهندسة العادية واسعة النطاق للكون؛ ولذلك من المناسب تماماً أن تسمى البعثة باسم إقليدس الإسكندري Euclid of Alexandria، ”أبو“ الهندسة، الذي عاش في القرن الثالث قبل الميلاد.

وإضافةً إلى رسم خرائط توزُّع المادة المعتمة والكشف عن تاريخ توسُّع الكون، سيقيس التلسكوب إقليدس أيضاً عاملاً يُعرف باسم غاما Gamma، يصف نمو بنى مثل العناقيد المجرّية. إذا كان هذا العامل لا يتطابق مع تنبؤات النسبيّة العامة، فإن ذلك سيدعم نظريات الجاذبية البديلة، مثل الديناميكيات النيوتونية المعدلة Modified Newtonian Dynamics (اختصاراً MOND).

سبرٌ أعمق
قد تكشف دراسة ثروة بيانات التصوير من كلتا أداتي التلسكوب إقليدس أيضاً عن أعداد هائلة من النجوم القزمة بنية اللون، إضافة إلى المجرّات ذات السطوع السطحي المنخفض، وقد يكون كلا هذين النوعين أكثر عدداً مما هو معروف حالياً. من المتوقع إنجاز كثير من الاكتشافات الإضافية في ”حقول إقليدس البعيدة“ الثلاثة أو الأربعة (التي تزيد من مساحة الدراسة إلى أكثر من 50 درجة مربعة)، وهذه مناطق سيصورها التلسكوب إقليدس مراراً وتكراراً بحساسية تفوق بمئات المرات درجة حساسية المسح الرئيس.

”هذا التصوير عالي الدقة لثلث السماء بأطوال موجية بصرية وقريبة من الأشعة تحت الحمراء هو مجال بحث جديد تماماً“

يقول بولدري: ”هذا التصوير عالي الدقة لثلث السماء بكاملها بأطوال موجية بصرية وقريبة من الأشعة تحت الحمراء هو مجال جديد تماماً. في السنوات المقبلة، ستُستخدم البيانات المؤرشفة لدى عديد من العلماء، وسيكون لها كثير من التأثير الباقي“.

لا أحد يعرف على وجه اليقين ما إذا كان التلسكوب إقليدس سيكون قادراً فعلاً على اكتشاف الطبيعة الحقيقية للمادة المعتمة والطاقة المعتمة أو لا، مع أن علماء الفلك سيتعلمون بالتأكيد مزيداً عن توزعها المكاني وسلوكها بمرور الوقت. يقول راكا: ”يعتمد الأمر أيضاً على ما تقصده بالضبط بـ‘طبيعة هذا الشيء’. ولكن حتى إذا ظلت هذه العناصر الكونية المحيّرة غامضة، فإن مهمة إقليدس التي ستعمل مدة 6 سنوات ستُحدث ثورة في معرفتنا الدقيقة للكون“.

أما بالنسبة إلى الصور المذهلة: فالمادة المعتمة لا يمكن رؤيتها، والطاقة المعتمة لا يمكن تصويرها؛ لكن إقليدس سيلتقط صوراً مذهلة تماماً للكون، بذات دقة صور تلسكوب هابل الفضائي تقريباً (عُشر ثانية قوسية)، ولكن مع مجال رؤية أوسع بكثير. ومن المحتمل قبل نهاية العام، أن تزين صور إقليدس صفحات هذه المجلة. تابعوا معنا! 

غوفرت شيلينغ Govert Schilling: كاتب في علوم الفلك، ومؤلف كتاب
الفيل في الكون The Elephant in the Universe.