تكنولوجيا سبر أغوار الكون

د. محمد الفقي

شغف الإنسان بمعرفة ما في السماء قديم قدم وجود الإنسان على الأرض، وقد بهرته المصابيح التي تزين السماء الدنيا، فراح يتأمل في بهائها. ومن خلال مراقبته لشدة ضوئها، وتغير مواقعها في أثناء حركتها، حاول أن يميز بينها، وأن يتعرف إلى بعضها، وأن يسميها، فهذه كواكب سيارة، وتلك نجوم ثابتة (أو هكذا بدت له). وهذه الشعرى، وهذا سهيل، وذاك الدبران، وتلك رجل الجبار.
ولم تكن هناك من آلات تعينه على مشاهدة ما في صفحة السماء غير عينيه، ومن بين آلاف الأجرام السماوية التي رآها بناظريه؛ جذبه الشمس والقمر، لكبر حجميهما وسطوع أنوارهما. كما جذبه خمس من السيارات التي تدور حول الشمس، هي عطارد والزهرة والمريخ والمشتري وزحل.

وبالعين المجردة رصد قدامى الصينيين والهنود والبابليين والفرس والكلدانيين والفراعنة كسوف الشمس وخسوف القمر، وأدركوا بعض الحقائق المتعلقة بحركة الأجرام السماوية. كما رصد قدامى المصريين الكوكبات النجمية Constellations. واعتنى الفراعنة بدراسة الحركة الظاهرية للشمس على صفحة السماء، حيث تدل آثارهم على معرفتهم الدقيقة بالمسار الظاهري للشمس على صفحة السماء خلال العام، وفي مدرسة الإسكندرية التي أسسها بطليموس، أقيم أول مرصد فلكي لرصد الأجرام السماوية.
ومعظم المعلومات المتعلقة بالأجرام السماوية التي عرفتها الحضارات القديمة لم يتم التعرف إليها إلا من خلال المزج بين المراقبة بالعين المجردة واستخدام علوم الرياضيات كالهندسة وحساب المثلثات.
وأعاد المسلمون قياس ورصد ما جاء عن الأجرام السماوية في كتب الهنود والإغريق. وقد بنى الأمويون أول مرصد فلكي في عهد الدولة الإسلامية في دمشق، ثم انتشر بناء هذه المراصد في مدن العالم الإسلامي، اعتباراً من العصر العباسي.
وفي تلك المراصد كانت تستخدم آلات رصدية متعددة، تماثل ما كان معروفاً عند قدامى اليونان والصين، مثل أنابيب الرصد الصينية. كما ابتكر علماء المسلمين أجهزة قياس فلكية خاصة بهم.

الأسطرلاب والمقاريب
يعد الأسطرلاب من أهم الآلات الفلكية التي استخدمها الفلكيون المسلمون لرصد الأجرام السماوية، وقد وصلت إلينا عدة صور متقنة لأسطرلابات في مخطوطات عربية من أقطار متعددة. والأسطرلاب هو آلةٌ دقيقة تُصوَّر عليها حركة النجوم في السماء حولَ القُطب السماوي. ويَحتوي وجه الأسطرلاب على خريطة القبَّة السماوية، كما يَحتوي على أداةٍ تشير إلى الجزءِ المنظور من القبَّة السماويَّة في وقتٍ معيَّن.
ومع أن اختراع الأسطرلاب يُنسَب إلى العالِم الإغريقي هيباركوس، فإن علماء المسلمين أسهموا إسهامات كبيرة في تطويرِه واستخدامه في إعداد الخرائط الفلكيَّة التي تُصوِّر حركةَ الكواكب، وتحدّد أشكال مداراتها، فضلاً عن قياس محيط الكُرة الأرضيَّة. كما نجح المسلمون في اختراع آلات أخرى لرصد الأجرام السماوية.

اختراع المقاريب
أما أن فكرة تصميم أول مقراب فجاءت مصادفة للهولندي هانز ليبرشي Hans Lippershey، أحد صناع عدسات النظارات، وذلك في عام 1608. وفي العام التالي، قام العالم الإيطالي الشهير غاليليو غاليلي Galileo Galilei بتصنيع أول مقراب فلكي. وقد استفاد غاليليو من بحوث من سبقوه في مجال العدسات.
ومن خلال المقراب، تمكّن غاليليو من رؤية جبال القمر، واكتشف أن للمشتري أقماراً تدور حوله، وأن للشمس بقعاً مظلمة، وأن للزهرة أطواراً كما للقمر. وعقب ذلك توالت التحسينات تدريجياً على المقاريب.
وفي عام 1668 اخترع إسحاق نيوتن مقراباً عاكساً لا يشتمل على عدسات، بل على مرايا. وكانت الصور الناتجة بهذا المقراب واضحة وخالية من الحافات اللونية التي كانت تعانيها المقاريب الكاسرة. وتنتمي المقاريب الفلكية العظمى (بما فيها مقراب هابل) في أيامنا هذه إلى هذا النوع.
وهناك نوع ثالث من المقاريب يجمع بين استخدام العدسات والمرايا، أي إنه يجمع كــــــلا التصميمين الكاسر والعاكس، ولذلك يسمى بالمقاريب المزدوجــــــة
Catadrioptic. ولما كانت جميع أنواع هذه المقاريب تُستخدَم من على سطح الأرض، فإنها تسمى بالمقاريب السطحية.
ولما كانت تعتمد على رصد حركة الضوء الآتي من الأجرام السماوية إليها فإنها تسمى أيضاً بالمقاريب الضوئية أو المقاريب البصرية. وعادة، ما توضع هذه المقاريب على أعالي الجبال، كما في مقرابي مرصد مونا كيا Mauna Kea بهاواي، والمقراب العظيم VLT الموجود في صحراء أتاكاما بشيلي، والمقاريب المنتشرة في مراصد سوبارو، ولاسيلا، وبالومار.
ومع أنَّ أي نجم بعيد جداً عنا يبدو لنا في أكبر المقاريب الضوئية الحديثة وأفضلها في شكل نقطة ضوئية، فإنَّ هذه النقطة الضوئية تزودنا بالكثير من المعلومات، كلون النجم، ومقدار بعده عنا، وطبيعة تكوينه من حيث هو نجم مفرد أو ثنائي أو رباعي. وشهدت المقاريب السطحية في السنوات الأخيرة تطوراً عظيماً، إذ بلغ قطر بعضها أكثر من 10 أمتار.

المقاريب الراديوية
تصدر الأجرام السماوية أشعة في نطاق الضوء المرئي وأشعة أخرى لا تراها العين مثل الأشعة الراديوية وأشعة غاما والأشعة السينية والأشعة تحت الحمراء. لذلك يجب عند سبر الفضاء إجراء الرصد الفلكي لكل تلك الأنواع من الأشعة، وعدم الاكتفاء بنطاق الضوء المرئي فقط. ومن هذا المنطلق، ابتكر العلماء مقاريب الأشعة الراديوية.
وتستخدم هذه المقاريب صحناً معدنياً مقعراً لالتقاط الأمواج الراديوية من الفضاء. ويقوم هذا الصحن بعكس هذه الأمواج إلى هوائي، يرسلها بدوره إلى مضخم في جهاز الاستقبال، حيث يتم تضخيم الإشارة الواصلة إليه، ثم تستخدم حواسيب خاصة لتحويل تلك الإشارة إلى صور ومعلومات يمكن تحليلها ودراستها ومعرفة مصادرها من قبل فلكيين متخصصين.
ولمَّا كانت طاقة الأمواج الراديوية أقل من طاقة الأمواج الضوئية، فإنه يتم التغلب على هذه المشكلة من خلال بناء صحون كبيرة جداً لجمع ما يكفي من الأمواج الراديوية. ويتم وصل العديد من هذه الصحون معاً لتشكيل صف منها، ومن ثم تجميع المعلومات المستقاة منها ودمجها لتشكيل صورة راديوية واحدة للجرم السماوي الذي يتم رصده.
ويستطيع المقراب الراديوي سبر أعماق الكون لمسافات تصل إلى 16 مليار سنة ضوئية، وهي أطول مسافة يمكن أن تصلنا منها أمواج لاسلكية تُصدرها أجسام في الفضاء.
وقد تمكّن غروت ريبير Grote Reber من بناء أوَّل مقراب راديوي في أواخر عقد الثلاثينيات. وفي عام 1957 بنى الفلكي البريطاني السير برنارد لوفيل Bernard Lovell أول مقراب راديوي ضخم، حيث بلغ قطر عاكسه 76 متراً. وثمة مقراب راديوي في نيومكسيكو بالولايات المتحدة الأمريكية يتألَّف من 27 عاكساً، يبلغ قطر كلٍّ منها 25 متراً. وفي عقد الستينيات تم بناء مقراب راديوي في مرصد أريسيبو في بورتوريكو بلغ قطر صحنه 305 أمتار. و بدأت الصين ببناء أكبر مقراب راديوي بقطر 500 متر، وسيكون هذا المقراب قادراً على التقاط أقل الترددات خفوتاً، وهي التي تسمى بالضوضاء البيضاء white noise.
وتتسم المقاريب الراديوية الكبيرة بقدرتها على التقاط الأمواج الراديوية القادمة من أعماق الكون، فضلاً عن إمكانية سبر آفاق السماء ومتابعة أجرامها ليلاً ونهاراً.
وتندرج المقاريب الضوئية والمقاريب الراديوية تحت مسمى المقاريب الأرضية.

المقاريب الفضائية
إلى جانب الضوء المرئي، يصدر الكثير من الأجرام السماوية أنواعاً مختلفة من الأشعة، مثل الأشعة السينية وأشعة غاما، وهي أشعة لا تستطيع العين البشرية رؤيتها.
ولكي يتم رصد هذه الأشعة تستخدم مقاريب خاصة توضع على أقمار صنعية تدور حول الأرض في أفلاك فوق الغلاف الجوي. ويطلق على هذه المقاريب اسم المقاريب الفضائية. ويوجد نوعان للرصد الفلكي بالأقمار الصنعية بحسب تصميم المقراب المبني عليها؛ فثمة نوع ذو زاوية واسعة للرؤية يقوم بالمسح الفلكي، أي يصور مساحة واسعة من السماء. وهناك نوع آخر ذو زاوية ضيقة للرؤية، يركز على جرم سماوي واحد ويدرسه بالتفصيل.
وتنقسم المقاريب الفضائية بحسب نوع الأشعة التي تسجلها. وأنى كان نوع المقراب الفضائي، فإنَّ نظرية عمل جميع الأنواع واحدة، حيث يعمل المقراب على جمع أكبر كمية من الأشعة من الجرم السماوي البعيد المراد مراقبته، وتستخدم في ذلك إما عدسة كبيرة أو مرآة مقعرة كبيرة. وتتجمع الأشعة في بؤرة العدسة أو المرآة مكونة صورة حقيقية مصغرة مقلوبة للجسم، ويتم تكبيرها ورؤيتها أو تسجيلها على فيلم حساس أو نقلها كهروضوئياً إلى شاشة تلفازية.
ومن أشهر المقاريب الفضائية التي ترصد الأشعة السينية: مقراب شاندرا التابع لوكالة الفضاء الأمريكية ناسا. أما أهم المقاريب التي ترصد الأشعة فوق البنفسجية فهي: مقراب ستيريو التابعان لوكالة الفضاء الأمريكية ناسا. ومن المقاريب التي ترصد أشعة غاما: مقراب مرصد سويفت الفضائي. ولعل أهم المقاريب الفضائية التي ترصد الأشعة تحت الحمراء هي مقراب هرشل.
وثمة مقاريب تقيس أكثر من نوع من الإشعاع. كما أن بعض المقاريب تقيس الضوء المرئي وإشعاعات أخرى فضائية. ومن هذا النمط: مقراب هابل الفضائي، فهو يقيس كلاً من الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء، بالإضافة إلى أشعة الضوء المرئي التي تصل إليه.

محطات الفضاء
في العقود الأخيرة لجأت الدول المتقدمة تكنولوجياً إلى إنشاء محطات الفضاء، ووضعها في مدارات حول الأرض. والهدف من ذلك هو استخدام هذه المحطات كقاعدة للقيام بنشاطات سبر الفضاء الخارجي لكوكبنا الأرضي، ومراقبة الأجرام السماوية الفضائية. ويقوم بتشغيل تلك المحطات وإدارتها فنيون وعلماء متخصصون، يتم نقلهم إليها للعمل فيها مدة من الزمن ثم العودة منها إلى الأرض.
وتتميّز محطة الفضاء عن غيرها من المركبات الفضائية المأهولة بعدم وجود نظام دفع رئيسي لها، فهي تُنقَل من سطح الأرض إلى مواقعها عن طريق استخدام صواريخ حاملة كبيرة، تقوم بتوصيلها إلى المدار الذي ستوضع به لتدور حول الأرض.
وتحتاج تلك المحطات إلى كبسولات خاصة، مهمتها نقل علماء الأبحاث الذين يعملون عليها، ثم إعادتهم إلى الأرض عند انتهاء الفترة المحددة لإقامتهم فيها. وإلى جانب ذلك، تقوم تلك الكبسولات بتموين المحطة الفضائية، إذ تزود مَن هم على متنها بالغذاء والماء والأجهزة اللازمة لإجراء أبحاثهم المختلفة التي تتم في حالة انعدام الجاذبية.
ومن أشهر المحطات الفضائية سلسلة محطات ساليوت الروسية (من ساليوت 1 إلى ساليوت 7)، ومختبر الفضاء سكايلاب Skylab، ومحطة الفضاء الروسية مير MIR، والمحطة الفضائية الدولية International Space Station التي يطلق عليها اختصارا: ISS.
وقد كانت محطة الفضاء ساليوت 1 هي باكورة سلسلة محطات ساليوت الروسية. وقد أطلقت عام 1971، ثم تتابع إطلاق سائر المحطات، إلى أن كان إطلاق ساليوت7 عام 1982.
كما كانت محطة سكايلاب أولى المحطات الفضائية الأمريكية، حيث أطلقها الصاروخ ساتورن5 في المدار، في 14 مايو 1973. وأطلق الروس المحطة الفضائية مير في 20 فبراير 1986، واستمرت في الخدمة 12 عاماً.
أما محطة الفضاء الدولية فقد تم إطلاقها في 20 نوفمبر 1998، بموجب تعاون دولي بين الولايات المتحدة وروسيا وتمويل من كندا واليابان و10 دول أوروبية، وبلغت تكلفتها 100 مليار يورو. وقد أطلقت للقيام بمهمات المحطة الفضائية الروسية مير. وهي تدور على ارتفاع 390 كيلومتراً حول سطح كوكب الأرض وبسرعة 28 ألف كم في الساعة.
وتشكل المحطة المشروع العلمي والتكنولوجي الأكثر تعقيداً على الإطلاق في تاريخ استكشاف الفضاء. وستؤدي قدرات مختبرات المحطة إلى اكتشافات تفيد في المهمات التي يتم القيام بها في أمكنة أبعد في الفضاء، حاضراً ومستقبلاً.

رحلات الفضاء
كان إطلاق القمر الصنعي سبوتنيك1 في عام 1957 إشارة إلى بدء سباق الفضاء. وقد حمل سبوتنيك1 عدداً قليلاً من أجهزة القياس وأجهزة الإرسال، ولكنه مهد الطريق للمسابير (المجسات) المتطورة التي ستقوم لاحقًا باستكشاف الفضاء.
ولسبر الفضاء لجأت الولايات المتحدة وروسيا إلى القيام برحلات فضائية. وأول من قام برحلة فضائية ودار بعربته حول مداري الأرض والقمر كان السوفييتي يوري غاغارين عام 1961. أما الأمريكيان أرمسترونغ وآلدرين فهما أول من سارا على سطح القمر عام 1969 بواسطة أبولو 11، وقد عادا منه حاملين صخوراً قمرية وصوراً حية ساعدت العلماء على تفسير كثير من ألغاز القمر.
وبعد توقف برنامج أبولو بدأت الولايات المتحدة وروسيا بإرسال مركبات غير مأهولة إلى الفضاء الخارجي. وتعرف المركبة غير المأهولة باسم المسبار أو المجس الفضائي. ففي عام 1970 أطلقت روسيا فينيرا7، أول مسبار يبث معلومات من سطح كوكب الزهرة. وفي عام 1975 أطلقت الولايات المتحدة المسبارين فايكنغ1 وفايكنغ2 لكوكب المريخ، حيث هبطا عليه في عام 1976 وأرسلا صوراً ومعلومات عنه.
وفي عام 1985 أطلقت وكالة الفضاء الأوروبية المسبار جيوتو، الذي اجتاز المذنب هالي في 14 مارس 1986، وصوّر نواة المذنب وأرسل معلومات عنه إلى الأرض. وفي عام 1989 أطلقت الولايات المتحدة المسبار غاليليو الذي وصل إلى كوكب المشتري عام 1995.
وفي عام 1990دار مسبار الفضاء الأمريكي ماجلان حول كوكب الزهرة وأرسل للأرض خرائط رادارية لسطح الزهرة. وفي عام 1997 أطلقت الولايات المتحدة المسبار كاسيني إلى كوكب زحل.
وتعد سفينة الفضاء مارينر 10، التي أطلقت عام 1973 أول مسبار فضائي من قبل وكالة ناسا يحلق فوق عطارد والزهرة.
وأطلقت الوكالة الأوروبية للفضاء المركبة الفضائية مارس إكسبريس في الثاني من يونيو 2003، ووصلت إلى مدار المريخ في 25 ديسمبر 2003، وقامت المركبة بإرسال صور وبيانات عن سطح المريخ وعن غلافه الجوي.

أجهزة الحاسوب
ثمة أجرام سماوية تم اكتشافها عن طريق إجراء الحسابات الفلكية باستخدام الحاسوب. فمثلاً، دلت هذه الحسابات على وجود كويكب زينا الذي يبعد عن الشمس بمقدار 10 مليارات كيلومتر. وأعلن عن هذا الاكتشاف رسمياً في عام 2005، وتبين أنه يقع بعد بلوتو.

ماذا عن المستقبل؟
إن التقنيات التي استخدمها الإنسان في المئة سنة الأخيرة أثمرت كثيراً بصورة تفوق ما تم إنجازه عبر تاريخ البشرية الطويل.
ولو استمر التطوير بالمعدل الذي يجري حالياً، فليس من المستبعد أن نقف على أسرار جديدة وعديدة في أعماق الكون، وليس من المستبعد أيضاً أن نغير كثيراً من مفاهيمنا حول الكون، وحول تاريخه ومكوناته وأبعاده.
وإذا كنا نعيش الآن في العصر الذي بدأ فيه البشر الإبحار في أعماق الفضاء، فإن السفن الحديثة التي تنطلق من الأرض إلى الكواكب المجاورة ليست مأهولة، وهي مصنوعة بشكل جميل ويقودها رجال آليون أذكياء يعملون في استكشاف العوالم اﻟﻤﺠهولة. فهل نستطيع غداً إدارتها ببشر عاديين؟
إنَّ مركبتي الفضاء (فواياجير1) و(فواياجير 2) اللتين تسيران بين النجوم هما أسرع المركبات التي أطلقت حتى الآن من الأرض، وهما تتحركان الآن بسرعة تساوي جزءاً من عشرة آلاف جزء من سرعة الضوء. وسوف تحتاجان إلى 40 ألف سنة أرضية لتصلا إلى أقرب نجم إلينا بعد الشمس، أعني: نجم القنطور الأقرب Proxima Centauri الذي يبعد عن الأرض بنحو 4.2 سنة ضوئية.
فهل لدينا أمل في مغادرة الأرض وقطع المسافات الواسعة ولو إلى هذا النجم في فترات زمنية ملائمة? وهل يمكن لسفننا الفضائية الاقتراب من سرعة الضوء? وهل يمكننا في يوم ما أن نسير بسرعة أكبر من سرعة الضوء.