كيف فتح الطيف الكهرومغناطيسي أعيننا على الكون

وفيما يلي مقتطف من لدينا فقدت في الزمكان النشرة الإخبارية. كل شهر، نتعمق في أفكار رائعة من جميع أنحاء الكون. يمكنك الاشتراك في فقدت في الزمكان هنا.

أول لقاء لي مع الضوء غير المرئي كان في سنواتي الأولى، واعتقدت أنه كان سحرًا. ملأت أجهزة الراديو كل غرفة في منزل طفولتي: المطبخ، وغرف النوم، وحتى الردهة. كنت أدير القرص ببطء على الأجهزة القديمة، وأستمع إلى الموسيقى والأصوات التي تخرج من السكون قبل أن تتلاشى مرة أخرى عندما أتصفح موجات الراديو. قبل وقت طويل من فهمي أنني كنت أضبط جزءًا من الطيف الكهرومغناطيسي، شعرت بعجب استشعار شيء لا تستطيع عيناي رؤيته.

تطورت عيون الإنسان بحيث لا تكتشف سوى نطاق ضيق من الضوء – وهو ما يكفي للتنقل في المناظر الطبيعية والتعرف على الخطر – ولكن الكون يضيء عبر طيف واسع يمتد من أشعة جاما إلى موجات الراديو. تتفاعل الأطوال الموجية المختلفة للضوء مع المادة بطرق مختلفة، مما يعني أن كل منها يكشف عن جانب مختلف من العالم والكون من حولنا. نواجه هذه الخصائص باستمرار في حياتنا اليومية. على سبيل المثال، تعد أجهزة الميكروويف هي الطاقة المناسبة لإثارة جزيئات الماء، وهي مثالية للتطبيق النبيل المتمثل في إعادة تسخين بقايا طعام الليلة الماضية. وفي الوقت نفسه، تحتوي الأشعة السينية على ما يكفي من الطاقة للمرور عبر الأنسجة الرخوة، ولكن يتم امتصاصها بواسطة العظام، مما يسمح للأطباء بتصوير هياكلنا العظمية.

الضوء الراديوي هو أطول طول موجي وأقل ضوء طاقة في الطيف الكهرومغناطيسي، وهو قادر على السفر لمسافات هائلة دون عوائق إلى حد كبير، ويمر بسهولة نسبيًا عبر الغلاف الجوي للأرض. وهذا يجعل موجات الراديو وسيلة قوية للاتصال على الأرض، كما خبرتها عندما كنت طفلاً، ولكنها أيضًا رسول مثالي من المناطق البعيدة للمكان والزمان. بعد سنوات، عندما تحولت اهتماماتي نحو علم الكونيات، شعرت أنه من المناسب أن ينتهي بي الأمر باستخدام التلسكوبات الراديوية لدراسة النجوم والمجرات الأولى في الكون.

إن الطيف الكهرومغناطيسي كما نعرفه اليوم يأتي بعد قرون من الاكتشافات العلمية، حيث اكتشف الباحثون تدريجيا أن الكون يمتد إلى ما هو أبعد من حدود الرؤية البشرية. بدأ الأمر بقوس قزح في عام 1665، عندما استخدم إسحاق نيوتن المنشورات الزجاجية لإظهار إمكانية تقسيم الضوء الأبيض إلى طيف من الألوان، من الأحمر إلى البنفسجي. بحلول عام 1800، اكتشف عالم الفلك ويليام هيرشل ضوء الأشعة تحت الحمراء، مرة أخرى باستخدام منشور، عن طريق قياس درجة حرارة ألوان مختلفة من الضوء وملاحظة أن مقياس الحرارة الخاص به ارتفع إلى ما بعد الطرف الأحمر من الطيف. بحلول نهاية القرن التاسع عشر، كشف التقدم في الكهرومغناطيسية وتكنولوجيا المختبرات عن موجات الراديو، وأشعة الميكروويف، والأشعة السينية، وأشعة جاما، مما أكمل رؤيتنا الحديثة للطيف.

غير مرئية أصبحت مرئية

إن علم الفلك البصري قديم قدم الحضارة نفسها، وقد ولد من حقيقة بسيطة وهي أننا وصلنا إلى هذا العالم مجهزين بالفعل لرؤية ضوء الشمس أو ضوء النجوم. وتتطلب مناطق أخرى من الطيف أدوات إضافية: هوائيات وأطباق لموجات الراديو وأجهزة الميكروويف، وأجهزة كشف متخصصة للأشعة السينية والأشعة تحت الحمراء. يمكننا أن نفكر في كل فئة من هذه الفئات الفرعية باعتبارها لغات حيث، لفهم الكون، نحتاج إلى القدرة على الترجمة إلى الضوء البصري الذي تفهمه أعيننا بشكل طبيعي أو، في حالة أجهزة الراديو المنزلية، إلى الأصوات التي يمكن لآذاننا أن تقدرها. عندها فقط تتم مكافأتنا بعالم كامل من الرسائل غير المرئية والتواريخ المخفية.

نحن بحاجة إلى الطيف بأكمله لإلقاء الضوء على الكون بشكل كامل. على سبيل المثال، يتتبع الضوء فوق البنفسجي أعمدة الماء المنبعثة من سطح أصغر أقمار كوكب المشتري الجليلية، أوروبا. وتتفاعل المجالات المغناطيسية القوية التي تغلف الكوكب العملاق مع الغلاف الجوي للقمر الذي يدور حوله، مما يؤدي إلى توليد الشفق القطبي الذي يتألق بشكل ساطع في الأطوال الموجية فوق البنفسجية. ومع ارتفاع بخار الماء من الأعمدة إلى الغلاف الجوي، فإنه يغير سطوع الشفق القطبي مؤقتًا. تسمح مراقبة ذلك لعلماء الفلك باستنتاج وجود وتكوين المواد المنبعثة من المحيط الذي يحتمل أن يكون صالحًا للسكن أسفل السطح الجليدي لأوروبا.

وبالنسبة للأشعة تحت الحمراء، لدينا تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST)، الذي يقع على بعد 1.5 مليون كيلومتر من الأرض، ومحمي من الشمس بواسطة مظلة بحجم ملعب تنس. من خلال الرؤية الأكثر وضوحًا وبرودة للكون على الإطلاق، أعاد تلسكوب جيمس ويب الفضائي كتابة ما اعتقدنا أننا نعرفه عن كيفية تشكل النجوم والمجرات الأولى.

مع توسع الكون، ينزاح الضوء من المجرات المبكرة إلى أطوال موجية أطول للأشعة تحت الحمراء – يتحرك نحو الطرف الأحمر من الطيف، لذلك نقول إنه منزاح نحو الأحمر – والذي يتم التقاطه ببراعة بواسطة تلسكوب جيمس ويب الفضائي. من خلال ترجمة بسيطة، وتمييز الأطوال الموجية للأشعة تحت الحمراء بالألوان البصرية كما لو كنا نكمل عملية طلاء بالأرقام، فإننا نرى المجرات تمامًا كما كانت بعد بضع مئات الملايين من السنين من الانفجار الأعظم. أمر رائع بالتأكيد، ولكن هناك مشكلة. تبدو الكثير من هذه المجرات في منتصف العمر أكثر من كونها أكثر شبابًا، فهي ببساطة أكبر من أن يمكن تفسيرها بتكوين النجوم وتطور المجرات كما اعتقدنا أننا نفهمها. كيف نموا بهذه السرعة؟

للإجابة على هذا السؤال، يقوم علماء الفلك بجمع الضوء الأقدم الذي تم تحويله إلى أطوال موجية أطول: موجات الراديو التي سافرت لمسافات أبعد، لفترة أطول. سيتألف مصفوفة الكيلومتر المربع (SKA)، التي يقع مقرها الرئيسي في مرصد جودريل بانك في المملكة المتحدة، من أكثر من 100.000 هوائي منتشرة عبر المناطق النائية في غرب أستراليا في مرصد راديوي واحد ضخم، قادر على سماع أضعف الهمسات من بضع عشرات الملايين من السنين بعد الانفجار الأعظم. من خلال الكشف عن الإشارات الخافتة من غاز الهيدروجين الذي كان يحوم حول الكون البدائي، يهدف SKA إلى ترجمة الرسائل من الحضارة الأولى للنجوم والثقوب السوداء الناشئة. ومع ذلك، فإن هذا ليس سوى تطبيق علمي واحد لـ SKA. وسوف يراقب عددًا كبيرًا من الظواهر السماوية، مثل رسم خرائط للأذرع الأبعد لمجرة درب التبانة، والاستماع إلى علامات الذكاء خارج كوكب الأرض.

إن البحث عن حياة خارج كوكب الأرض (SETI) هو مجال بحثي يذهلني بشكل خاص، لأنه يوضح بشكل جميل الطبيعة التكاملية للملاحظات عند أطوال موجية مختلفة. باستخدام التلسكوبات البصرية، مثل القمر الصناعي لمسح الكواكب الخارجية العابرة (TESS)، نقوم بفهرسة آلاف الكواكب خارج نظامنا الشمسي، عن طريق قياس الانخفاض المتناهي الصغر في السطوع الذي نلاحظه عندما يمر كوكب أمام النجم الذي يدور حوله. بعد ذلك، باستخدام التلسكوبات التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء مثل تلسكوب جيمس ويب الفضائي، يمكننا قياس تكوين الغلاف الجوي للكواكب الخارجية، وتحديده على أنه يحتمل أن يكون صالحًا للسكن. أخيرًا، باستخدام التلسكوبات الراديوية، يمكننا استهداف القائمة المختصرة للكواكب الواعدة لاستضافة الحياة والاستماع إلى الرسائل خارج كوكب الأرض، سواء كانت تحية متعمدة، أو تسرب غير مقصود للاتصالات الراديوية مثل البث التلفزيوني. ففي نهاية المطاف، تنطبق قوانين الفيزياء على الكواكب الخارجية بقدر ما تنطبق على الأرض، مما يجعل الراديو الوسيلة الأكثر وضوحًا للاتصالات. ربما في يوم من الأيام، بينما نتصفح موجات الراديو من أنظمة نجمية أخرى، سيخرج صوت غريب تمامًا من الساكنة.

لقد ولدنا ولا نتقن سوى لغة ضوئية واحدة، ومع ذلك فإن الكون متعدد اللغات بشكل عميق. الطيف الكهرومغناطيسي هو بمثابة حجر رشيد، مما يسمح لتلسكوباتنا بترجمة القصص غير المرئية المكتوبة بنصوص غير مرئية. عند قراءتها معًا، تسمح لنا هذه القصص بالتناغم مع عالم أكثر ثراءً بكثير من ذلك الذي يمكن أن تراه أعيننا وحدها.

إيما تشابمان هي عالمة فيزياء فلكية بجامعة نوتنغهام بالمملكة المتحدة، ومؤلفة كتاب Radio Universe: How to Explore Space دون مغادرة الأرض (جون موراي، 2026).