عام مع التلسكوب ويب
للاحتفال بالسنة الأولى من عمل التلسكوب ويب، تلقي جيني ويندر Jenny Winder نظرة على بعض أبرز اكتشافاته العلمية في الاثني عشر شهراً الماضية
يُعد التلسكوب جيمس ويب الفضائي JWST أداة جميلة بذاته بفضل مرآة أساسية قطرها 6.6 م، صُنعت من 18 قطعة مطلية بالذهب. ومع أن هذه الأعجوبة التكنولوجية قد تكون مذهلة فعلاً، إلّا أنها لا تُقارَن بالبيانات الرائعة التي اكتشفها في عامه الماضي.
أطلق التلسكوب ويب في 25 ديسمبر 2021، ليصل بعد شهر إلى مداره التشغيلي عند نقطة لاغرانج الثانية، على مسافة 1.5 مليون كم من الأرض. وبعد عدة أشهر أخرى من معايرة أجهزته العلمية، صار جاهزاً أخيراً ليحدِّق بنظره في الكون.
كُلِّف التلسكوب ويب بالتحقيق في أربعة أهداف علمية رئيسة: الكون المبكر والمجرّات الأولى؛ ونمو المجرّات وتطورها بمرور الوقت؛ دورة حياة النجوم؛ ودراسة عوالم (كواكب) أخرى.
التلسكوب الجديد مناسب بنحو فريد لتحري هذه الأهداف، مع قدرته على الرصد بالأشعة تحت الحمراء. يمكن لهذه الأشعة أن تمر عبر سحب الغاز والغبار، لتكشف عن أجسام حارة لا تسطع في مجال أطوال موجات الضوء المرئي، وهذا ما يعني أنه يمكنه التحديق في زوايا الكون التي كانت خفية قبله عن المشاهدة.
بدأ التلسكوب ويب بإعادة أول نتائجه العلمية الرائعة في يوليو 2022. وسنلقي هنا نظرة على بعض الإنجازات المهمة التي حققها في عامه الأول.
أولى المجرّات في الكون
يستطلع المسح المجري العميق المتقدم على متن التلسكوب ويب المجرّات في زمن طفولتها
يتمثل أحد العناصر الرئيسة في مهمة التلسكوب ويب باستخدام عيونه العاملة بالأشعة تحت الحمراء للتحديق عبر سحب الغاز والغبار إلى حقبة عصور الكون الأولى. هنا، سيساعد التلسكوب ويب في اكتشاف آلية تكوُّن النجوم والمجرّات الأولى، وكذلك الكشف عن وجود أدلة جديدة على المادة المعتمة.
خُصِّصت عملية المسح المجرّي العميق المتقدم JWST’s Advanced Deep Extragalactic Survey (اختصاراً: المسح JADES) على متن التلسكوب ويب بمدة شهر من وقت التلسكوب الرصدي، وزعت على مدة عامين، وهي تفيد من حساسية التلسكوب غير المسبوقة لاستكشاف أقدم المجرّات بتفاصيل ودقة أكثر من أي وقت سابق.
في ديسمبر، 2022، اكتشف التلسكوب ويب المجرّات الأبعد، أي الأقدم، التي عُثر عليها على الإطلاق على الأقل حتى تلك اللحظة. انطلق ضوء تلك المجرّات عندما كان كوننا بعمر 2% فقط من عمره الحالي، واستغرق وصوله إلينا 13.4 بليون سنة.
ركزت عملية المسح JADES التلسكوب ويب على المنطقة السماوية ذاتها، مثل حقل هابل العميق جداً، الذي يوجد في عنقود الكور Fornax Cluster. وبينما وجد التلسكوب هابل 10,000 مجرّة رائعة في هذه المنطقة، فإن صورة التلسكوب ويب لهذه المنطقة ذاتها كانت أكبر بمقدار 15 مرة، وأظهرت عدداً مذهلاً من المجرّات بلغ 100,000 مجرّة.
وما زال علماء الفلك ينقبون في هذا الطوفان المجرّي البعيد بحثاً عن أبعد المجرّات فيه. تتمثل إحدى الطرق ”السهلة“ لاختيار العناصر المرشحة البعيدة في استخدام حقيقة أن غاز الهيدروجين يمتص كل الضوء تقريباً بأطوال موجية أقصر من 91 نانومتراً، وهو طول يسمى حد ليمان Lyman limit. ونظراً إلى أن المجرّات غنية بغاز الهيدروجين، فإن هذا يصنع ”عتبة“ Step حادة في انبعاثات الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية منها. ومع ذلك، فعندما ينتقل الضوء عبر الفضاء نجد أن موجاته تمتط (أو تنزاح نحو الطرف الأحمر Redshifted في الطيف) بسبب توسُّع الكون. وكلما طالت مدة انتقاله، زاد امتطاط Stretches موجته، إلى أن تنتقل هذه الخطوة في الانبعاثات إلى المجال المرئي. يمكن لعلماء الفلك استخدام موضع ”انقطاع ليمان“ Lyman break هذا، لمعرفة مدى بُعد المجرّة.
وطوال مدة 28 ساعة امتدت على مدى 3 أيام، جمع التلسكوب ويب أضعف أطياف الأشعة تحت الحمراء على الإطلاق المأخوذة من 250 مجرّة مرشحة، وكشف عن الموقع الدقيق لانقطاع ليمان في كل مجرّة. أكد هذا أن 4 مجرّات كان لها انزياح أحمر أعلى من قيمة 10، فسجل بذلك أرقاماً قياسية جديدة للمسافات الكونية، منها اثنتان لهما انزياح أحمر بمقدار 13.
ستدرس عملية المسح JADES الآن منطقة حقل هابل العميق، وهي منطقة صغيرة في كوكبة الدب الأكبر Ursa Major، قبل العودة إلى الحقل العميق جداً، ولهذا يمكننا أن نتوقع تأكيد وجود كثير من ”أبعد المجرّات“ مستقبلاً.
مجرّات تكبر بأناقة
أدت غزارة عمليات تشكُّل النجوم إلى نشوء المجرّات وتطورها في بدايات الكون
كان الكون المبكر مكاناً أكثر ازدحاماً ونشاطاً مما هو عليه حالياً. قبل 10 بلايين سنة، كان معدل ولادة النجوم وتصادم المجرّات أعلى بـ 10 مرات. يهدف التلسكوب ويب إلى تقصي سبب القوة الدافعة وراء ذلك النشاط إضافة إلى كشف سبب تراجعه الكبير من خلال تتبع المجرّات بمرور الوقت لمعرفة كيف تطورت. التلسكوب ويب قادر على دراسة المناطق التي كانت خفية سابقاً عن الأنظار، والبدء بكشف كيف يمكن لتشكل النجوم التي هي بعض أصغر أجرام الكون، بالمقاييس الفلكية أن يؤثر في بنية بعض المجرّات وتطورها، التي هي بعض أكبر الأجرام في الكون.
تمثل مهمة المسح الفيزيائي عالي الدقة الزاويّة للمجرّات القريبة Physics at High Angular resolution in Nearby Galaxies Survey (اختصاراً: المسح PHANGS) أكبر عملية مسح للمجرّات القريبة في السنة الأولى من عمليات ويب العلمية. يدرس فريقها الدولي المكوّن من 100 باحث 19 مجرّة حلزونية متنوعة، وقد تمكنوا فعلاً من رصد 5 من أهدافهم، بما في ذلك المجرّة الحلزونية NGC 1433.
تقع المجرّة NGC 1433 على بعد 46 مليون سنة ضوئية من الأرض، في كوكبة الساعة Horologium التي تُرى من نصف الكرة الجنوبي. تحتوي المجرّة على نواة صغيرة وساطعة تظهر حلقة مزدوجة فريدة من الأذرع الحلزونية الملتفة بدقة، وتنحني ضمن بنية بيضاوية على طول ضلعها المركزي.
كشفت حساسية التلسكوب ويب للأشعة تحت الحمراء عن شبكة تجاويف وفقاعات ضخمة من الغاز تبطن الأذرع الحلزونية للمجرّة، والتي كانت خفية في السابق خلف سحب الغبار في المجرّة. تتشكل التجاويف بفعل النجوم الفتية التي تتفاعل مع الغاز من حولها، ومن ثم فهي ستساعد بإعطاء رؤى أساسية عن آلية عمل النجوم في تشكيل المجرّات النامية.
سيتواصل عمل بعثة PHANGS في مسح المجرّات مع التلسكوب ويب، ودمج هذه الأرصاد مع البيانات التي جمعتها سابقاً تلسكوبات أخرى لإجراء إحصاء كامل لعمليات نشوء النجوم في المجرّات القريبة، خارج المجموعة المجرّية المحلية، للكشف عن كيفية تسبيب تشكُّل النجوم في عملية بناء، أو إعاقة، تشكل الجيل التالي من النجوم في مراحل مبكرة من تطور الكون.
نجومٌ تفجِّر فقاعات
رؤى جديدة في التفاعلات المعقدة بين النجوم والغبار في حاضنة نجمية
تبدأ النجوم حياتها ضمن سحب كثيفة من الغاز والغبار تحجبها، لكن قدرات رصد الأشعة تحت الحمراء عالية الدقة على متن التلسكوب ويب يمكنها اختراق هذه السحب، والكشف عن نجوم تكبر في حواضنها الكونية.
إحدى الصور الأولى التي أنتجها التلسكوب ويب في يوليو 2022، كانت لـ NGC 3372، وهي منطقة نشوء نجوم فتية تبعد مسافة 7,600 سنة ضوئية، في الركن الشمالي الغربي من سديم القاعدة Carina Nebula, NGC 3372.
كشفت أجهزة الأشعة تحت الحمراء على متن التلسكوب ويب عن حافة تجويف غازي عملاق فقاعة ضخمة نتجت عن الإشعاع الشديد والرياح النجمية الصادرة من نجوم فتية ضخمة وحارة وقريبة، يُطلق عليها اسم جروف كونية Cosmic Cliffs.
عندما تندفع الحافة المؤينة للفقاعة إلى الغاز والغبار في السديم، يمكن لتغيُّر الضغط أن يسبب إما حدوث قفزة في نشوء النجوم وإما إخفاق العملية فإما أن تنهار المادة بفعل الجاذبية لتصنع نجوماً جديدة، وإما أنها تذوي بعيداً، ليمنع هذا عملية نشوء النجوم. تصنع السحب الكثيفة نجوماً أكبر وأضخم، وهذه بدورها تدفع الغاز إلى فجوات ومناطق أكثر كثافة حيث تتشكل نجومٌ أقل كتلة.
عندما تسحب النجوم المتنامية مادة إلى داخلها، تنطلق من أقطابها نفاثات عالية السرعة من الغاز والغبار. تظهر هذه النفاثات فترة وجيزة فقط، في أثناء فترات النمو النشطة، لكن علماء الفلك استطاعوا مع ذلك العثور على 24 من هذه الانبعاثات. وبدلاً من انبعاث ثابت فإن هذه التدفقات هي سلاسل من كتل كثيفة وسريعة الحركة، وهو ما يشير إلى أن عملية النمو تحدث ضمن سلسلة من الاندفاعات القوية والوجيزة.
تسمح مراقبة هذه الانبعاثات الصادرة لعلماء الفلك بتقدير مدى سرعة تحركها، وكمية الكتلة التي تحملها وتأثيرها في النجوم والكواكب المتنامية.
يكشف التلسكوب ويب الملامح الكيميائية لكواكب مجهولة
نحن نعرف الآن آلاف الكواكب خارج مجموعتنا الشمسية، ولكن في حين قد نعرف أحجام هذه العوالم وكتلها ومداراتها، فقد ثبت لنا أن معرفة وفهم أغلفتها الجوية هو شيء صعب المنال. فسواء كان الكوكب من نوع ”مشتري حار“، أو كوكب صخري صغير، فإن معرفة ما فوقه تمنح رؤى أساسية عن بنيته وتشكله وتطوره. ومع ذلك يمكن للأدوات الحساسة على متن التلسكوب ويب أن تميّز مجالاً أوسع بكثير من الجزيئات المكونة للأغلفة الجوية أكثر من أي وقت مضى.
في أغسطس 2022 حقق التلسكوب ويب ثلاثة إنجازات تتحقق لأول مرة، عندما أنجز رصداً علمياً لكوكب نجمي، وتمكن أيضاً من التقاط أول طيف تفصيلي لكوكب نجمي بالأشعة القريبة من تحت الحمراء، واكتشافه أول دليل لا خلاف فيه على وجود ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي لكوكب نجمي.
كان الكوكب النجمي المعني هو WASP-39b، وهو عملاق غازي حار يبعد مسافة 700 سنة ضوئية، واكتُشف في العام 2011. لهذا الكوكب كتلة كوكب زحل تقريباً، لكنه أكبر قطراً بـ 1.3 مرة من قطر المشتري. ويدور حول نجمه الأم على مسافة أقرب بـ 8 مرات من مسافة عطارد عن الشمس، مما يمنحه حرارة سطحية تبلغ 900°س.
راقب التلسكوب ويب هذا الكوكب وهو يعبر أمام نجمه، واكتشف ضوء النجم الذي يخترق الغلاف الجوي للكوكب. امتصت جزيئات مختلفة في الغلاف الجوي أطوالاً موجية معينة من الضوء، وتركت خلفها ”بصمات“ في أطياف النجم التي تمكّن التلسكوب ويب من التقاطها.
كانت أرصاد سابقة قد وجدت جزيئات معزولة من بخار الماء والصوديوم والبوتاسيوم. أما حساسية التلسكوب ويب للأشعة تحت الحمراء فقد أضافت إلى القائمة ثاني أكسيد الكبريت، وأول أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون. قد يكون هذا الأخير مؤشراً مهماً لاحتمال قدرة كوكب ما على دعم الحياة، وهذا ما يُظهر دور التلسكوب ويب في البحث عن عوالم شبيهة بالأرض وصالحة للحياة.
نظرة جديدة على كوكب المشتري
تعطي صور الأشعة تحت الحمراء مظهراً جديداً لأكبر كوكب في مجموعتنا الشمسية
سيلقي التلسكوب ويب أيضاً نظرة من قُرب على الكواكب في مجموعتنا الشمسية، وقد حوّل عيونه بالفعل إلى عدة كواكب مجاورة لنا. ونظراً إلى أن الكواكب تسطع فقط من انعكاس ضوء النجوم عنها، فهي لا تصدر كثيراً من الطاقة أو الضوء المرئي، ومع ذلك فهي تظل تشع في الأشعة تحت الحمراء، مما يجعلها مرشحة للدراسة باستخدام للتلسكوب ويب.
يمكن لحساسية الأشعة القريبة من تحت الحمراء، وتحت الحمراء المتوسطة، على متن ويب أن تنظر عبر الغلاف الجوي إلى أعماق مختلفة، لتسلط الضوء على تطور البنية السحابية والعواصف بتفاصيل أدق من أي مرة سابقة.
وجهت ثلاثة مُرشِّحات (فلاتر) خاصة بالأشعة تحت الحمراء على كاميرا الأشعة القريبة من تحت الحمراء Near- infrared camera (نيركام NIRCam) على متن التلسكوب ويب أنظارها نحو كوكب المشتري، أكبر كوكب في المجموعة الشمسية. يجري تخصيص لون لكل مُرشِّح أحمر، أصفر/أخضر، أو أزرق للسماح لعلماء الفلك بتحويل الأشعة تحت الحمراء غير المرئية إلى شيء نراه. الصورة الناتجة هي صورة مركبة، حيث يجعل الدوران السريع للمشتري حول نفسه (دورة محورية واحدة كل 10 ساعات) محاذاة الصور المنفصلة تحدياً نظراً إلى أن معالم سطح الكوكب تتحرك في أثناء وقت التقاط الصور.
وبينما تُظهر الصورة في الأسفل ضوءَ شفقٍ عالٍ فوق قطبي المشتري، يُبرز كل مُرشِّح جانباً مختلفاً من الغلاف الجوي للكوكب. يُبرز المُرشِّح الأحمر السحب السفلية والضباب في الأعلى. ويُظهر المُرشِّح الأصفر/الأخضر أيضاً ضباباً حول القطبين، في حين يُظهر المُرشِّح الأزرق السحابة الرئيسة الأعمق. يمثل سطوع المعالم ارتفاعها. يبدو بعض السحب، إضافة إلى البقعة الحمراء العظيمة الشهيرة، بلون أبيض شديد السطوع، وذلك بسبب قمم السحب المرتفعة جداً من العواصف المكثفة التي تعكس قدراً كبيراً من ضوء الشمس. وفي هذه الأثناء تبدو السحب على ارتفاعات عالية في الحزم الواقعة شمال خط استواء الكوكب داكنةً.
لا يقتصر الأمر على الكوكب نفسه الذي ينظر إليه التلسكوب. يُظهر مشهد واسع المجال الحلقةَ الباهتة للمشتري واثنين من أقماره الصغيرة، آمالثيا Amalthea وإيدريستيا Adrastea. في المستقبل، سيلتفت التلسكوب ويب إلى أكبر أقمار المشتري، غانيميد Ganymede، لدراسة المحيط المحتمل المختبئ تحت سطحه، كما سيبحث عن البراكين التي لم تكتشف من قبل على القمر آيو Io.
جيني ويندر كاتبة علمية مستقلة وعالمة فلك ومذيعة
