الفلك بالأشعّة فوق البنفسجيّة

مدخل إلى علم الفلك فوق البنفسجي

منذ فجر الحضارات، نظر الإنسان إلى السماء باحثاً عن أجوبة لأسئلة وجودية عميقة، ولكن ما تراه العين البشرية لا يمثل إلا جزءاً ضئيلاً من الطيف الكهرومغناطيسي. مع تطور العلم والتكنولوجيا، أدرك الفلكيون أن أسرار الكون الأكثر إثارة تكمن في الأطياف غير المرئية، وعلى رأسها الأشعة فوق البنفسجية. هذا الجزء من الطيف يمتد بين الضوء المرئي والأشعة السينية، ويتراوح طوله الموجي تقريباً بين 10 و 400 نانومتر. رغم أن الغلاف الجوي الأرضي يحجب معظم هذه الأشعة، إلا أن استكشافها من خلال المراصد الفضائية مكّن العلماء من فتح نافذة جديدة على “الكون الساخن” — الكون الذي تتجاوز درجات حرارة مكوناته ملايين الدرجات كلفن، حيث تتوهج النجوم الفتية والمجرات النشطة والغازات المؤينة في ظلال غير مرئية للعين.

أهمية الطيف فوق البنفسجي في الفلك

الأشعة فوق البنفسجية تُعد وسيلة رئيسية لرصد الأجسام الفلكية ذات درجات الحرارة العالية جداً، خصوصاً النجوم الشابة العملاقة، وسدم الكواكب، ومناطق تشكل النجوم، والانبعاثات الناتجة عن تصادمات المجرات أو الثقوب السوداء النشطة. فبفضل طاقتها العالية، تمتلك هذه الأشعة القدرة على تأيين الذرات وفصل الإلكترونات عنها، ما يجعلها مؤشراً فعالاً على وجود عمليات فيزيائية نشطة جداً لا يمكن للضوء المرئي أو الأشعة تحت الحمراء أن يكشفها.

التحديات التقنية لرصد الأشعة فوق البنفسجية

الغلاف الجوي للأرض يمتص معظم الأشعة فوق البنفسجية، خصوصاً تلك الأقصر من 300 نانومتر، بسبب وجود الأوزون في طبقة الستراتوسفير. لذلك، لا يمكن إجراء الرصد الفلكي في هذا النطاق إلا من خارج الغلاف الجوي. وقد أدى ذلك إلى تصميم وإطلاق مجموعة من المراصد الفضائية التي تتموضع إما في مدار أرضي منخفض أو في نقاط لاغرانج لتفادي التداخل الأرضي، مثلما هو الحال مع تلسكوب هابل الفضائي الذي يضم أدوات رصد فوق بنفسجية عالية الحساسية مثل جهاز التصوير الطيفي STIS وCOS.

استكشاف النجوم الفتية والسدم

من أبرز الأهداف الفلكية التي تتيح الأشعة فوق البنفسجية دراستها بشكل دقيق، هي النجوم الفتية من النوع OB والتي تبعث بكميات هائلة من الإشعاع فوق البنفسجي. هذا الإشعاع يتفاعل مع الغاز المحيط ليخلق ما يُعرف بـ”فقاعات هيدروجينية مؤينة” HII Regions، حيث يتوهج الهيدروجين نتيجة تأينه. دراسة هذه الفقاعات في الطيف فوق البنفسجي تتيح للعلماء قياس معدل تكون النجوم، وكثافة الغاز، وتركيبه الكيميائي. كما توفر معلومات دقيقة حول الدورة الحياتية للنجوم وتأثيرها على البنية المجهرية للمجرات.

الكون الساخن والمادة بين المجرية

أحد أعظم الإنجازات التي أسهمت فيها دراسة الأشعة فوق البنفسجية هو الكشف عن “المادة المفقودة” في الكون. تشير النماذج الكونية إلى وجود كمية كبيرة من المادة العادية (الباريونية) لم تكن مرصودة في الموجات الراديوية أو تحت الحمراء أو حتى في الأشعة السينية. لكن باستخدام أجهزة الرصد فوق البنفسجية، تمكن الفلكيون من اكتشاف غازات حارة وضعيفة الكثافة بين المجرات، تتراوح حرارتها بين 10⁵ إلى 10⁷ كلفن، وهي ما يعرف بـ”الوسط البينمجرّي الحار” (Warm-Hot Intergalactic Medium – WHIM). هذه المادة تشكل نحو نصف المادة الباريونية في الكون، وقد تم تحديدها من خلال امتصاص الأشعة فوق البنفسجية القادمة من الكوازارات البعيدة.

المراصد الفضائية المتخصصة في الأشعة فوق البنفسجية

1. تلسكوب هابل الفضائي (HST)

رغم أن شهرته الكبرى تعود للصور المذهلة في الطيف المرئي، إلا أن هابل كان أحد أعظم أدوات رصد الطيف فوق البنفسجي. زوِّد بأدوات مثل COS (Cosmic Origins Spectrograph) وSTIS (Space Telescope Imaging Spectrograph)، اللتين سمحتا بتقديم معلومات دقيقة عن خطوط الامتصاص والانبعاث للعناصر المختلفة في الفضاء العميق، وكشفت عن حالات تأين معقدة في الغاز الكوني.

2. المرصد الفلكي الدولي للأشعة فوق البنفسجية (IUE)

كان من أوائل المراصد الفضائية المتخصصة في رصد الطيف فوق البنفسجي، وقد أُطلق عام 1978 كنتاج تعاون بين وكالة ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية ESA. استمر في العمل لأكثر من 18 عاماً، ووفر قاعدة بيانات ضخمة أصبحت مرجعاً للعديد من الدراسات حول النجوم والمجرات والنجوم الثنائية والسدم الكوكبية.

3. بعثة GALEX (Galaxy Evolution Explorer)

أُطلقت عام 2003، وكانت مخصصة لدراسة تطور المجرات من خلال رصد الانبعاثات فوق البنفسجية القادمة من النجوم الفتية. ساهمت هذه البعثة في رسم خريطة شاملة للسماء في الأشعة فوق البنفسجية، وكشفت عن ملايين المجرات، بعضها في مراحل تشكلها الأولى، وبعضها الآخر في نهاية دورتها النجمية.

علم الأطياف فوق البنفسجية وفهم التركيب الكيميائي للكون

علم الأطياف، وتحديداً في المجال فوق البنفسجي، يمكّن العلماء من تحليل الضوء الآتي من الأجرام السماوية وتفكيكه إلى مكوناته، ليحددوا طبيعة العناصر الكيميائية الموجودة، حالاتها التأينية، وكثافتها ودرجة حرارتها. تعتبر الأشعة فوق البنفسجية غنية بخطوط الامتصاص والانبعاث الخاصة بعناصر مثل الكربون والنيتروجين والأوكسجين والسيليكون، والتي لا يمكن كشفها بوضوح في أطوال موجية أخرى. هذا سمح بإعادة تقييم نماذج تطور العناصر الثقيلة في الكون، وقياس معدلات الإنتاج النجمي بدقة عالية.

دور الأشعة فوق البنفسجية في دراسة المجرات النشطة والثقوب السوداء

المجرات النشطة (AGN) التي تحتوي على نوى فائقة النشاط، عادة ما ترتبط بوجود ثقوب سوداء فائقة الكتلة في مراكزها، تحيط بها أقراص غازية عالية الطاقة. هذه الأقراص تبعث أشعة فوق بنفسجية كثيفة جداً نتيجة تسخين الغاز بفعل الجاذبية الهائلة للثقب الأسود. عبر تحليل هذا الإشعاع، يتمكن الفلكيون من تقدير سرعة دوران الغاز، وقياس كتل الثقوب السوداء، ومعرفة طبيعة آليات التغذية والنشاط في قلب المجرة. كما تساعد هذه الأشعة في تتبع الرياح الفلكية الخارجة من النواة النشطة، وتأثيرها على تكوين النجوم في مناطق أخرى من المجرة.

دراسة الكواكب الخارجية والغلاف الجوي للكواكب

في العقدين الأخيرين، توسعت تطبيقات الأشعة فوق البنفسجية لتشمل الكواكب خارج النظام الشمسي، من خلال تحليل الغلاف الجوي لهذه الكواكب عند عبورها أمام نجومها المضيفة. فعند مرور الكوكب، تمتص طبقاته الجوية جزءاً من الأشعة فوق البنفسجية القادمة من النجم، وتظهر هذه الامتصاصات في بيانات التلسكوبات الفضائية. هذا ساعد في تحديد وجود غازات مثل الهيدروجين، والأوكسجين، وحتى آثار للماء أو الأوزون، مما يفتح آفاقاً في البحث عن ظروف الحياة خارج الأرض.

مقارنة خصائص الأشعة فوق البنفسجية مع أنواع أخرى من الإشعاع

تطورات مستقبلية في رصد الأشعة فوق البنفسجية

يشهد هذا المجال اهتماماً متزايداً في الخطط المستقبلية لوكالات الفضاء. من بين المشاريع المقترحة:

• بعثة LUVOIR (Large UV Optical Infrared Surveyor): مشروع طموح من ناسا يهدف إلى بناء تلسكوب فائق الحساسية بمرآة يصل قطرها إلى 15 متراً، ليغطي نطاقاً واسعاً يشمل الطيف فوق البنفسجي والمرئي وتحت الأحمر.

• بعثة WSO-UV (World Space Observatory – Ultraviolet): مشروع روسي-أوروبي يستهدف ملء الفراغ المتوقع بعد انتهاء عمر تلسكوب هابل، ويقدم تغطية مخصصة للمجال فوق البنفسجي بدقة طيفية عالية.

خاتمة

لقد فتح علم الفلك بالأشعة فوق البنفسجية آفاقاً لا حدود لها لفهم الكون الديناميكي والنشط، وساعد على حل ألغاز لطالما استعصت على التفسير في أطوال موجية أخرى. من النجوم الفتية إلى المجرات النشطة، ومن الرياح النجمية إلى المادة المفقودة في الكون، استطاعت هذه التقنية أن توفّر أدق المعلومات وأكثرها حساسية. ومع التطورات المستمرة في تقنيات الرصد والتحليل، يزداد الأمل في استكشاف المزيد من أسرار “الكون الساخن” وفهم آلياته العميقة التي تشكل النسيج الكوني الذي ننتمي إليه.

المراجع:

1. Moos, H.W., et al. (2000). The Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer Mission. The Astrophysical Journal Letters.

2. Tumlinson, J., et al. (2011). The COS-Halos Survey: Rationale, Design, and a Census of Circumgalactic Neutral Hydrogen. The Astrophysical Journal.