تلسكوب سبيتزر الفضائي: مسح السماء بالأشعة تحت الحمراء

صورة لوكالة ناسا

يحدق تلسكوب سبيتزر التابع لناسا عبر الغبار في الكون لرؤية سماء الأشعة تحت الحمراء. (رصيد الصورة: مركز سبيتزر للعلوم)



لاحظ تلسكوب سبيتزر الفضائي التابع لناسا الكون في ضوء الأشعة تحت الحمراء لأكثر من 16 عامًا ، من بعد وقت قصير من إطلاقه في عام 2003 حتى تم إغلاق مهمته الطويلة الممتدة من قبل وحدات التحكم في الطيران في عام 2020. كان سبيتزر آخر مراصد ناسا الكبرى ، التي شهدت أربعة تلسكوبات متخصصة (بما في ذلك تلسكوب هابل الفضائي ) تم إطلاقه بين عامي 1990 و 2003. يستمر Spitzer في الدوران حول الشمس ، على الرغم من أنه لم يعد يعمل.



كان الهدف من المراصد الكبرى هو مراقبة الكون بأطوال موجية تكميلية من الضوء. تم تصميم Spitzer لأطوال موجات الأشعة تحت الحمراء ، والتي عادةً ما تمثل الإشعاع الحراري من الأجسام. نظرت المراصد الأخرى في الضوء المرئي (هابل ، لا يزال يعمل) ، وأشعة غاما (مرصد كومبتون لأشعة غاما ، لم يعد يعمل) والأشعة السينية (مرصد شاندرا للأشعة السينية ، لا يزال يعمل.)

متعلق ب: شاهد مجرة ​​الدوامة من خلال عيون `` المراصد الكبرى '' التابعة لوكالة ناسا



تسمح أدوات سبيتزر شديدة الحساسية للعلماء بالتعمق في المناطق الكونية المخفية عن التلسكوبات البصرية ، بما في ذلك المشاتل النجمية المتربة ومراكز المجرات وأنظمة الكواكب حديثة التكوين. ناسا كتبت على موقع سبيتزر . كما تسمح عيون سبيتزر بالأشعة تحت الحمراء لعلماء الفلك برؤية أجسام أكثر برودة في الفضاء ، مثل النجوم الفاشلة (الأقزام البنية) ، والكواكب خارج المجموعة الشمسية ، والسحب الجزيئية العملاقة ، والجزيئات العضوية التي قد تحمل سر الحياة على الكواكب الأخرى.

ينبعث ضوء الأشعة تحت الحمراء من أي جسم تزيد درجة حرارته عن الصفر المطلق (صفر كلفن ، تقريبًا ناقص 460 درجة فهرنهايت ، أو ناقص 273 درجة مئوية). لكن سمائنا تقوم بتصفية العديد من الأطوال الموجية للأشعة تحت الحمراء ، مما يدفع علماء الفلك إلى البحث عن فرص لإرسال تلسكوبات فضائية لالتقاط الباقي.

سمي التلسكوب بعد ليمان سبيتزر جونيور ، عالم فيزياء فلكية قدم ، وفقًا لسيرة ناسا ، مساهمات كبيرة في مجالات الديناميات النجمية وفيزياء البلازما والاندماج الحراري وعلم الفلك الفضائي. كان سبيتزر أول من اقترح فكرة وضع تلسكوب كبير في الفضاء وكان القوة الدافعة وراء تطوير تلسكوب هابل الفضائي.



صالة عرض: عالم الأشعة تحت الحمراء الذي تراه سبيتزر تلسكوب

مونتاج للصور التي التقطتها وكالة ناسا

مونتاج للصور التي التقطها تلسكوب سبيتزر الفضائي التابع لناسا على مر السنين.(رصيد الصورة: NASA / JPL-Caltech)



الطريق الطويل إلى منصة الإطلاق

حلقت أول تلسكوبات تعمل بالأشعة تحت الحمراء على مركبات مثل طائرات Lear النفاثة وصواريخ السبر في رحلات قصيرة تجاوزت معظم الغلاف الجوي ، وفقًا لموقع Spitzer التابع لناسا . في عام 1979 ، اقترحت ناسا منشأة تلسكوب فضائية تعمل بالأشعة تحت الحمراء (SIRTF) يمكن أن تطير على مكوك الفضاء. في ذلك الوقت ، كان من المفترض أن تستمر مهام المكوك 30 يومًا وأن الرحلات الجوية ستتم كل أسبوع ، وهو توقع متفائل يتجاوز بكثير ما حققه البرنامج. في وقت لاحق ، تم اكتشاف أن أبخرة المكوك ستتداخل مع عمليات التلسكوب.

وفي الوقت نفسه ، تعاونت وكالة ناسا والمملكة المتحدة وهولندا على تلسكوب يعمل بالأشعة تحت الحمراء يسمى القمر الصناعي الفلكي بالأشعة تحت الحمراء (IRAS) ، والذي طار لمدة 10 أشهر في عام 1983 وحقق نجاحًا كبيرًا وأثار دعوات لمهمة متابعة. قررت ناسا تغيير SIRTF إلى مفهوم الطيران الحر ، وغيرت الاسم إلى مرفق تلسكوب الأشعة تحت الحمراء الفضائية (مع الحفاظ على الاختصار كما هو).

يدور القمر الصناعي الفلكي الذي يعمل بالأشعة تحت الحمراء (IRAS) حول الأرض في هذا الرسم التوضيحي.

يدور القمر الصناعي الفلكي بالأشعة تحت الحمراء (IRAS) حول الأرض في هذا الرسم التوضيحي.(رصيد الصورة: ناسا)

في عام 1991 ، وصف تقرير المجلس القومي الأمريكي للبحوث التسعينيات بأنها 'عقد الأشعة تحت الحمراء' في علم الفلك. أوصى المجلس ناسا ببناء ثلاثة تلسكوبات تعمل بالأشعة تحت الحمراء: SIRTF؛ تلسكوب قائم على الطائرة يسمى صوفيا ؛ وتلسكوب أرضي يعمل بالأشعة تحت الحمراء لـ Mauna Kea ، هاواي. بعد هذا التقرير ، تم تخفيض ميزانية ناسا. ونتيجة لذلك ، خضع تصميم SIRTF لمراجعين رئيسيين ، حيث تم تغييره من مرصد 2.2 مليار دولار إلى مرصد تكلف بناؤه حوالي نصف مليار دولار.

عندما تم بناؤه أخيرًا ، يبلغ طول تلسكوب سبيتزر الفضائي حوالي 13 قدمًا (4 أمتار) ويزن حوالي 1900 رطل. (865 كجم). القلب البصري للأداة عبارة عن تلسكوب به مرآة رئيسية بعرض 33.5 بوصة (0.85 م). أثناء الطيران ، تم التحكم في اتجاه المركبة الفضائية لإبقاء التلسكوب في ظل الألواح الشمسية الكبيرة للمركبة الفضائية.

الدفع هذه الصورة من تلسكوب هابل ، أعيد النظر فيها بالأشعة تحت الحمراء.

على الرغم من التخفيضات في الميزانية وإعادة التصميم الدراماتيكية ، إلا أن سلسلة من القرارات الهندسية المبتكرة أنقذت النزاهة العلمية لسبيتزر ، وفقًا لوكالة ناسا . وكان من بين تلك القرارات الإطلاق الدافئ لأجهزة Spitzer المبردة والمدار الفريد.

ترتبط فكرة 'الإطلاق الدافئ' بالمتطلب الأساسي لتلسكوب الأشعة تحت الحمراء: يجب أن يكون باردًا قدر الإمكان ، حتى لا تغرق قياساته وصوره بالأشعة تحت الحمراء من هيكل التلسكوب نفسه. خلال مهمتها الأساسية ، تم الاحتفاظ بأدوات سبيتزر حوالي 5 درجات فوق الصفر المطلق (-450 درجة فهرنهايت ، أو -268 درجة مئوية) عن طريق إمدادها بالهيليوم السائل. ولكن ، في خطوة اقتصرت على تكاليف عمليات الإطلاق ، لم يبدأ نظام الهيليوم في تبريد التلسكوب بشكل نشط حتى قضى سبيتزر عدة أشهر في الفضاء ، ويبرد `` بشكل سلبي '' قدر الإمكان عن طريق إشعاع الحرارة ببطء إلى الفضاء.

مدار سبيتزر الفريد هو مسار تتبع الأرض يدور حول الشمس وليس حول الأرض. على مر السنين ، سُمح لسبيتزر بالانجراف أبعد وأبعد عن الأرض ، لذا فإن الأشعة تحت الحمراء من الأرض لن تتداخل مع الملاحظات الحساسة.

عند الإطلاق ، كان التلسكوب يحتوي على ثلاثة أدوات: كاميرا مصفوفة الأشعة تحت الحمراء (IRAC) ، وجهاز قياس الطيف بالأشعة تحت الحمراء ، ومقياس ضوئي متعدد النطاقات.

رسم بياني يوضح كيف ناسا

رسم بياني يوضح كيفية عمل تلسكوب سبيتزر الفضائي التابع لناسا مع التلسكوبات الأرضية للعثور على الكواكب الخارجية البعيدة ، باستخدام تقنية تسمى العدسة الدقيقة.(رصيد الصورة: NASA / JPL-Caltech)

وظائف سبيتزر الثلاث

تم إطلاق سبيتزر على صاروخ دلتا (وليس مكوك فضائي) في 25 أغسطس 2003. تمت إعادة تسمية التلسكوب رسميًا من SIRTF الأكثر تقنية إلى تلسكوب Spitzer Space Telescope بعد أربعة أشهر من الإطلاق ، عندما تبين أنه يعمل بشكل صحيح.

اتضح أن الحياة الملاحظة لسبيتزر تتكون من ثلاث مراحل: المرحلة 'المبردة' (الباردة) ، عندما يتم تبريد الأجهزة بواسطة الهيليوم السائل كما تم تصميمه في الأصل ؛ المرحلة 'الدافئة' ، التي تبدأ في عام 2009 بعد نفاد الهيليوم السائل ؛ ومرحلة 'ما بعد' ، من 2016 إلى 2020.

كان من المتوقع في الأصل أن تستمر البعثة لمدة عامين ونصف مع عمل الأجهزة المبردة. باستخدام مبرد الهيليوم السائل اقتصاديًا ، قام المهندسون بتمديد المرحلة المبردة إلى خمس سنوات ونصف.

لو استمرت عامين ونصف فقط لكنا قد حققنا أهداف مهمتنا. قال شون كاري ، مدير مركز سبيتزر للعلوم ، 'كنا نشعر بسعادة غامرة بخمسة أشخاص' القراءة العامة .

نفد الهيليوم السائل أخيرًا في مايو 2009. عاد سبيتزر إلى التبريد السلبي. ارتفعت درجات حرارة الجهاز بضع درجات ، لتصل إلى حوالي 30 درجة كلفن (243 درجة تحت الصفر في درجة مئوية ، و 406 درجة أدناه بالفهرنهايت). ولكن حتى في حالة `` الدفء '' ، لا يزال بإمكان سبيتزر استخدام قناتين من كاميرته التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء لمراقبة أهداف مثل الكويكبات في نظامنا الشمسي ، والنجوم المتربة ، والأقراص المكونة للكواكب ، والكواكب الغازية العملاقة ، والمجرات البعيدة ، وفقًا لـ بيان صحفي لوكالة ناسا صدر عندما بدأت المرحلة الدافئة. بالإضافة إلى ذلك ، كان سبيتزر لا يزال قادرًا على الرؤية من خلال الغبار الذي يخترق مجرتنا ويمنع رؤية الضوء المرئي.

في عام 2016 ، منحت ناسا سبيتزر تمديد مهمة أخرى لمدة عامين ونصف ، بداية ما كان يسمى بمرحلة 'ما بعد'. مع وجود سبيتزر الآن بعيدًا عن الأرض في مداره ، كان لابد من إدارة التلسكوب بزوايا جديدة للحفاظ على ضوء الشمس الكافي على الألواح الشمسية مع الحفاظ على الاتصالات مع الأرض والحفاظ على الأجهزة باردة قدر الإمكان. تطلب هذا الموقف من المهندسين إعادة كتابة إجراءات السلامة المصممة أصلاً لحماية Spitzer من حرارة الشمس. خلال هذه المرحلة ، وجه علماء الفلك سبيتزر إلى أهداف لم تكن مصممة أصلاً لدراستها ، مثل الثقب الأسود في مركز مجرة ​​درب التبانة ، والمجرات في الكون المبكر ، والكواكب الخارجية.

يُظهر هذا المنظر الجديد سديم كارينا الذي رأته وكالة ناسا

سديم كارينا الذي شاهده تلسكوب سبيتزر الفضائي التابع لناسا. النجم اللامع في مركز السديم هو إيتا كارينا ، أحد أضخم النجوم في المجرة. وهجها المثير للعمى هو نحت وتدمير السديم المحيط. تم إصدار الصورة في 23 أغسطس 2013.(رصيد الصورة: NASA / JPL-Caltech)

قال كاري خلال مرحلة 'ما بعد': 'إن العلم الآن أفضل من بعض النواحي لأن أفكار الناس أفضل ، لأننا نتعلم المزيد كل عام عن الكون'.

خططت ناسا في الأصل لإنهاء مهمة سبيتزر في عام 2018 ، متوقعة إطلاق تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST). كان من الممكن أن يمثل هذا الجهاز قفزة إلى الأمام في تكنولوجيا مراقبة الأشعة تحت الحمراء. عندما تم تأجيل JWST ، تم تمديد سبيتزر ، لكنه وصل أخيرًا إلى نقطة اعتبرها المدراء أنها أبعد مما تم تصميمه للقيام به. أنهى فريق البعثة العمليات العلمية ووضع المركبة الفضائية في حالة سبات دائم في 30 يناير 2020.

الاكتشافات الكبرى

امتدت ملاحظات سبيتزر من داخل نظامنا الشمسي إلى ما يقرب من حدود الكون المرئي.

في وقت مبكر من مهمته ، شاهد سبيتزر المذنب تمبل 1 بينما تم تحطيم مسبار فضائي تابع لوكالة ناسا يسمى Deep Impact في المذنب. أدى الاصطدام إلى إلقاء مادة مذنب في الفضاء ، وقامت أجهزة سبيتزر بتحليل تركيبها. كشفت الضربة عن مزيج مذهل من الطين والكربونات والسيليكات المتبلورة ، بحسب أ 2005 بيان صحفي من وكالة ناسا . نظرًا لأنه يُعتقد أن هذه المواد الكيميائية قد تشكلت في بيئات دافئة ، مثل تلك الموجودة بالقرب من الشمس ، فإن وجودها في مذنب بارد كان غير متوقع ، وربما كان نتيجة اختلاط النظام الشمسي المبكر.

تم التقاط هذه الصورة بواسطة مركبة الفضاء Deep Impact flyby التابعة لناسا بعد 67 ثانية من اصطدام مسبار الارتطام بالبعثة بالمذنب تمبل 1 في 4 يوليو 2005.

تم التقاط هذه الصورة بواسطة مركبة الفضاء Deep Impact flyby التابعة لناسا بعد 67 ثانية من اصطدام مسبار الارتطام بالبعثة بالمذنب تمبل 1 في 4 يوليو 2005.(رصيد الصورة: NASA / JPL-Caltech / UMD)

في عام 2009 ، اكتشف سبيتزر حلقة هائلة حول زحل ظلت مخفية قبل ذلك الوقت. لا تعكس الحلقة ما يكفي من الضوء المرئي الذي يمكن رؤيته من الأرض ، لكنها دافئة بما يكفي لرؤيتها كاشفات سبيتزر بالأشعة تحت الحمراء. تملأ جزيئات الحلقة منطقة تمتد من 3.7 مليون إلى 7.4 مليون ميل (6 ملايين إلى 12 مليون كيلومتر) من الكوكب ، ومن المحتمل أن تأتي من قمر صغير بعيد من زحل يسمى فيبي ، وفقًا لوكالة ناسا.

كان أحد أجمل منتجات سبيتزر هو صورة بانورامية متعددة الجيجابايت لمجرة درب التبانة تم إصدارها في عام 2014. يُظهر الشريط الضيق ، الذي يغطي النطاق الكامل لمجرة درب التبانة حول السماء ، مناطق مغبرة لتشكيل النجوم منظمًا على شكل محلاق وفقاعات. بما أن كاميرا Spitzer التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء يمكنها النظر من خلال سحب الغبار لرؤية النجوم ، فإن الصورة تتضمن أكثر من نصف جميع النجوم في مجرة ​​درب التبانة ، بما في ذلك النجوم الموجودة على الجانب الآخر من المجرة ، حسبما ذكرت وكالة ناسا في تقرير مصاحب. خبر صحفى . يتكون العرض بزاوية 360 درجة من أكثر من مليوني لقطة التقطها Spitzer على مدار عشر سنوات ، بدءًا من عام 2003.

درس سبيتزر العديد من المجرات خارج مجرة ​​درب التبانة. من بين النقاط البارزة وجهة نظر جديدة ملفتة للنظر القرص في مجرة ​​'سومبريرو' الأيقونية ، ومع تلسكوب هابل الفضائي ، رصد GN-z11 ، أبعد مجرة ​​تم اكتشافها حتى الآن ، يُرى من خلال الضوء المنبعث عندما كان الكون ثلاثة بالمائة فقط من عمره الحالي.

لم يتم تصميم سبيتزر للنظر في الكواكب خارج المجموعة الشمسية ، ولكن اتضح أن التلسكوب كان مفيدًا أيضًا في السماح لنا بالنظر إلى أنظمة شمسية غير مجموعتنا.

اقرأ أكثر: أعظم اكتشافات سبيتزر للكواكب الخارجية.

ناسا: كان التلسكوب أول من اكتشف الضوء القادم من كوكب خارج نظامنا الشمسي ، وهو إنجاز غير موجود في التصميم الأصلي للبعثة. كتب في بيان صحفي 2013 . مع دراسات سبيتزر المستمرة لهذه العوالم الغريبة ، تمكن علماء الفلك من التحقيق في تكوينها ودينامياتها وغير ذلك ، مما أحدث ثورة في دراسة الغلاف الجوي للكواكب الخارجية.

وهذا يشمل أيضًا رسم خرائط لأنماط المناخ على أ أصغر كوكب الأرض ، وهو اكتشاف أعلن عنه فريق Spitzer في عام 2016. ما هو أكثر من ذلك ، أكد Spitzer a كوكب صخري قريب جدا - على بعد 21 سنة ضوئية فقط - في عام 2015 ، أظهر مرة أخرى مدى القدرات التي يستطيع التلسكوب القيام بها.

المجرة شبه المنحرفة NGC 5746 محجوبة جزئيًا في صور الضوء المرئي ، مما يجعل التصنيف الدقيق مستحيلًا. تكشف هذه الصورة من تلسكوب سبيتزر الفضائي المجرة

المجرة شبه المنحرفة NGC 5746 محجوبة جزئيًا في صور الضوء المرئي ، مما يجعل التصنيف الدقيق مستحيلًا. تكشف هذه الصورة من تلسكوب سبيتزر الفضائي الطبيعة الحقيقية للمجرة ، حيث تُظهر حلقة مثيرة من الغبار الدافئ المحيط بنواة المجرة اللامعة.(مصدر الصورة: ناسا / سبيتزر ، مركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية)

نظرًا لأن سبيتزر كان بعيدًا عن الأرض ، كانت إحدى نقاط قوته هي القدرة على التحديق في هدف واحد لعدة ساعات دون أن تحجبه الأرض. ساعد هذا في فهم نظام الكواكب الخارجية المسمى TRAPPIST-1 ، حيث عثرت التلسكوبات الأرضية بالفعل على ثلاثة كواكب. من خلال مشاهدة نظام 500 ساعة على مدار 21 يومًا ، تمكن سبيتزر من جمع بيانات كافية لإظهار أن النظام لا يحتوي فقط على ثلاثة كواكب بل سبعة. من خلال توقيت مدارات الكواكب بدقة ، يمكن لسبيتزر قياس كتلها وكثافتها ، مما يعطي أدلة على تكوينها. قال Varoujan Gorjian ، عالم أبحاث Spitzer في مختبر الدفع النفاث في محاضرة في نهاية البعثة .

الدفع ما نعرفه عن نظام TRAPPIST-1 .

على الرغم من انتهاء أيام المراقبة الخاصة بسبيتزر ، يواصل علماء الفلك الإعلان عن اكتشافات جديدة بناءً على البيانات التي جمعها. على سبيل المثال ، في أكتوبر 2020 ، أعلنت وكالة ناسا أن ملاحظات سبيتزر قد استخدمت لقياس درجة حرارة وتكوين الغلاف الجوي لكوكب خارج المجموعة الشمسية LTT9779b ، وهو نوع نادر يُطلق عليه اسم 'نبتون الساخن' ، والذي تم اكتشافه مؤخرًا بواسطة تلسكوب فضائي آخر ، وهو ساتل مسح الكواكب الخارجية العابر (TESS) التابع لناسا.

مصادر إضافية:

تم تحديث هذه المقالة في 3 نوفمبر 2020 بواسطة ستيف فينتريس المساهم في موقع ProfoundSpace.org.