كيف نقيس المسافات في الفضاء؟

كيف نقيس المسافات في الفضاء؟

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
كيف نعرف مدى بعد الأجسام في الفضاء، وما هي وحدات القياس المستخدمة في علم الفلك لتحديد هذه المسافات؟

وضع العلماء العديد من الأدوات لقياس المسافات في الفضاء، فهناك على سبيل المثال: الشموع المعيارية (Standard Candle)، وهي جرمٌ سماوي قد نعرف لسببٍ ما ضيائيته، وبذلك يمكن لنا بسهولة تحديد المسافة بيننا وبينه بمقارنة لمعانه الحقيقي بلمعانه كما يظهر لنا. ومن بين الشموع المعيارية الأكثر شيوعًا: نوعٌ من النجوم المتفجرة يُسمَّى المستعر الأعظم من النوع (Type 1a supernovae).

فيما يلي بعض الطرق الأكثر فاعلية لمعرفة مدى بُعد الجسم في الفضاء.

طرق قياس المسافات في الفضاء

الرادار (Radar ranging)

(يقيس المسافات حتى 1 مليار كم)

تُستخدم موجات الرادار لقياس المسافات القصيرة داخل النظام الشمسي مثل القمر، حيث يعتمد على إرسال حزمة من الموجات واستقبالها، وكلما طال وقت عودة الموجات إلى الأرض، كان الجسم بعيدًا.

القطب الجنوبي للقمر – Credit: Radarcon 2008

الانزياح (Parallax)

(يقيس ما يصل إلى 10000 سنة ضوئية)

عند النظر إلى أحد النجوم القريبة منا في شهر الصيف، ثم النظر إليه مرةً أخرى في شهر الشتاء، يبدو وكأن موقعه تغير مقارنةً بالنجوم الموجودة في الخلفية.
ومثالٌ على ذلك من أجل التوضيح: ضع إصبعك أمام عينيك، ثم أغلق كل عين بالتناوب، يبدو أن الإصبع يغير مكانه بالنسبة للخلفية. وذلك أيضًا ما يحدث عندما تكون الأرض على جانب واحد من الشمس، فعندما ننظر إلى نجم قريب، سيبدو أنه في موقع واحد بالنسبة للنجوم في الخلفية، ولكن بعد ستة أشهر، عندما تكون الأرض في أقصى الجانب الآخر من الشمس، سيظهر هذا النجم نفسه في موضع مختلف. وكلما كان النجم أقرب إلينا، كان ملحوظًا بشكل أكبر، ولكن بعد 10000 سنة ضوئية، يكون التغيير ضئيلًا جدًّا بحيث لا يمكن قياسه.

Credit: ESA

متغيرات سفيدية  (Cepheid variables)

(تقيس ما يصل إلى 100 مليون سنة ضوئية)

تسطعُ هذه النجوم على شكل نبضات. ومن خلال مراقبة نبض هذه النجوم، يمكن للفلكيين حساب السطوع الفعلي لهذهِ النجوم، وبالتالي معرفة المسافة الّتي تفصلنا عنها من خلال مقارنة السطوع الفعلي بالسطوع الظاهري الّذي نراه من كوكبنا.

RSPuppis Hubble rba1024
النجم (RS Puppis) أحد أشد النجوم لمعانًا من نوع متغير قيفاوي في مجرة درب التبانة، بواسطة تلسكوب هابل Credit: NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team

علاقة تولي-فيشر (Tully-Fisher relation)

(تقيس ما يصل إلى 15 مليون سنة ضوئية)

تدور المجرات الأكثر بريقًا والأكثر ضخامةً بشكلٍ أسرع. نقيس دورانَ مجرةٍ ​​أبعد من خلال تحليل طيف الضوء الخاص بها.
مثل الشموع القياسية، كلما كانت المجرة باهتةً مقارنةً بهذا السطوع الحقيقي، كانت بعيدةً.

potw2101a
جرة الألعاب النارية (NGC 6946)، بواسطة تلسكوب هابل، 4 يناير 2021 CREDIT: ESA/Hubble & NASA, A. Leroy, K.S LONG

الانزياح الأحمر (Redshift)

(يقيس ما يصل إلى 1 مليار سنة ضوئية)

مع تمدد الكون، اكتشف إدوين هابل أن انزياح الضوء الصادر من المجرات للطيف الأحمر يزداد مع المسافة. ولمعرفة مدى بعد المجرات عنا، نقوم فقط بتحليل ضوءها.

 

Thebiggertheshiftthefasterthelightsourceismoving.
كلما ابتعدت المجرة، انزاح ضوؤها إلى أطوال موجية أطول – وهو تأثير يُعرف باسم الانزياح الأحمر.

حد شاندراسيخار (The Chandrasekhar Limit)

بالعودة إلى الثلاثينيات من القرن الماضي، كان الفيزيائي (سوبراهمانيان شاندراسيخار-Subrahmanyan Chandrasekhar) مسافرًا من الهند للدراسة في أوروبا. وخلال رحلته التي استغرقت ثلاثة أسابيع، قضى الوقت في التفكير في الأقزام البيضاء (التي تتشكل عندما تموت نجوم مثل الشمس). حسب شاندراسيخار أن هناك حدًّا لمدى ثقل القزم الأبيض يعادل 1.4 مرة كتلة شمسنا، ويعرف هذا حاليًّا باسم (حد شاندراسيخار). وإذا تخطى النجم هذا الحد، فإنه ينفجر مخلفًا مستعرًا أعظم من النوع a1. ويحدث هذا عندما يندمج قزم أبيض مع نجم مجاور عملاق، فيسرق الغاز من النجمِ المرافق له عن طريق جاذبيته القوية. وعندما يجمع القزم الأبيض ما يكفي من الغازات على سطحه، يحدث اشتعالٌ بسيط بين ذرّات الغاز، مما يسبِّب حدوث انفجارٍ على سطح النجم، فيزداد لمعان النجم حتى ملايين المرات عن المعتاد لفترة قصيرة من الزمن.

كيف يحدث المستعر الأعظم من النوع a1؟

يحدث المستعر الأعظم 1a في النظام النجمي الثنائي، عندما يدور قزم أبيض مع عملاق أحمر، يسحب القزم الأبيض الغازات من النجم المرافق له وتزداد كتلته مع ذلك ومع اقترابه من حد شاندراسيخار، يتقلص النجم تحت وزن المادة المتزايدة. ومع ارتفاع الضغط ودرجة الحرارة؛ يندمج الكربون والأكسجين في الحديد؛ وسرعان ما يؤدي هذا إلى انفجاره مكونًا مستعرًا أعظم 1a شديد السطوع لدرجة تفوقه على المجرة المتواجد فيها بأكملها لفترة وجيزة.

بعد الانفجار، سيتلاشى المستعر الأعظم على مدى أيام إلى أسابيع. يسمح لنا الانحلال الإشعاعي للمواد المقذوفة بمعرفة الفرق بين المستعر الأعظم من النوع 1a والشموع الأخرى غير القياسية.

INTEGRAL SN 2014J scenario 565
Credit: ESA/ATG medialab

 

وحدات قياس المسافات في الفضاء

سعى العلماء لوضع وحدات قياس كبيرة مخصصة للفضاء، نظرًا لأن المسافات بين الأجرام السماوية شاسعةٌ بشكلٍ مذهل. فمثلًا، إذا أردنا التعبير بالوحدات العادية كالميل عن المسافة من الأرض إلى حافة الكون المرئي، ينتج رقمٌ ضخم جدًا 270.000.000.000.000.000.000.000 يصعب تذكره.
فما هي الوحدات المختلفة لقياس المسافة في الفضاء؟

وحدة فلكية (Astronomical Unit)

الوحدة الفلكية الواحدة (AU) تساوي نصف قطر مدار الأرض حول الشمس أو بشكل أكثر دقة متوسط ​​نصف القطر، نظرًا لأن مدار الأرض بيضاوي الشكل.

قام الاتحاد الفلكي الدولي (IAU) في عام 2012، بتعريف الوحدة الفلكية بأنها تساوي 149.597.870.700 متر أو 93 مليون ميل.

حاول علماء الفلك حساب المسافة من الأرض إلى الشمس منذ ذلك الحين. في القرن الثالث قبل الميلاد، قدَّر أرخميدس أن نصف قطرها يقارب 10000 ضعف نصف قطر الأرض (63.710.000 كيلومتر)، لذا فقد كان في منتصف الطريق تقريبًا. ولكن ليس ذلك سيئًا بالنسبة لشخص عاش قبل 2000 عام من اختراع التلسكوب. لم يكن حتى عام 1695 عندما قام كريستيان هيغنز بعمل أول تخمين قريب لـ 24000 نصف قطر أرضي (152.904000 كيلومتر) على الرغم من أن بعض مؤرخي العلوم يرفضون حساباته باعتبارها حظًّا أكثر من الحكم، مفضلين الاستشهاد بـ(جان ريتشر وجيوفاني دومينيكو كاسيني) بأنها تساوي 22000 نصف قطر أرضي (140.162.000 كيلومتر) كأول تقدير معقول علميًا.

Astronomical unit
متوسط المسافة من الأرض إلى الشمس هو وحدة فلكية واحدة.   Credit: Image Source / Getty Images

سنوات ضوئية (Lightyears)

إحدى الطرق الشائعة لقياس المسافة في الفضاء، وهي المسافة التي يقطعها الضوء في عام واحد، وتبلغ نحو 9.5 تريليون كيلومتر. إذا كنت تريد أن تكون دقيقًا، فإن الاتحاد الفلكي الدولي تعتبر العام 365.25 يومًا وعلى هذا الأساس يجعل السنة الضوئية 9.460.730.472.580.800 متر.

أول من تمكن من إدخال هذه الوحدة هو فريدريش بيسل، حيث تمكن في عام 1838 بأول قياس للمسافة إلى نجم خارج نظامنا الشمسي (61 Cygni). في النتائج التي توصل إليها ذكر أن الضوء يستغرق 10.3 سنوات للسفر من هذا النجم  إلى الأرض. لم يكن يطرح بجدية فكرة السنة الضوئية كوحدة واحدة لسببٍ واحد وهو أنه لم تحسب سرعة الضوء في ذلك الوقت بدقة. ومع ذلك، كان هذا المفهوم مغريًا للغاية بحيث لا يمكن تجاهله، وبحلول نهاية القرن التاسع عشر، كان يُستخدم بشكلٍ عام.

فلماذا السنة الضوئية مفيدة؟

خذ أقرب نجم خارج المجموعة الشمسية، بروكسيما سنتوري، وبدلًا من التعبير عن المسافة بالأميال (38.624.256.000.000) أو بالوحدات الفلكية (258.064.516) يمكننا القول إنها تبعد 4.25 سنة ضوئية.
أقرب مجرة ​​مجاورة لنا، المرأة المسلسلة أو أندروميدا، تبعد أكثر من مليوني سنة ضوئية.

heic1717c 724dbcf
المجرة العدسية (NGC 4993)، تبعد حوالي 130 مليون سنة ضوئية عن الأرض، مما يعني أن ضوءها يستغرق 130 مليون سنة للوصول إلينا. عندما نلاحظ ذلك، فإننا ننظر إلى الماضي. Credit: NASA and ESA

فرسخ (parsecs)

يبلغ طول الفرسخ نحو 30 تريليون كيلومتر، وما يزيد قليلًا على ثلاث سنوات ضوئية، 1 فرسخ فلكي يساوي زاوية تزيح ثانية قوسية واحدة (1/3600 درجة).
لتوضيح ذلك، يعتمد الفرسخ على رؤية المنظر. على سبيل المثال، ضع إصبعك أمام عينيك، ثم أغلق كل عين بالتناوب، يبدو أن الإصبع يتحرك. تخيل الآن هذا على نطاقٍ كوني. إذا كانت الأرض على جانبٍ واحدٍ من الشمس، فعندما ننظر إلى نجم قريب، سيبدو أنه في موقعٍ واحد بالنسبة للنجوم في الخلفية. بعد ستة أشهر، عندما تكون الأرض في أقصى الجانب الآخر من الشمس، سيظهر هذا النجم نفسه في وضع مختلف قليلاً عن خلفيته. نحن نتحدث عن قدر ضئيل من الاختلاف، يُقاس بالثواني القوسية. هذا يجعل بروكسيما سنتوري على بعد 1.3 فرسخ فلكي عنا، ومجرة أندروميدا نحو 800 كيلو فرسخ.

إلا أنه على مسافة قدرها 150 سنة ضوئية تصبح زاوية الانزياح صغيرة جدًا ولا يمكن رصدها.

 

Parrallax bd7fe5d
رسم تخطيطي يوضح الإزاحة. يُظهر A و B اختلاف موقع النجم عندما تكون الأرض في مواقع مختلفة، C= 1 AU،
حيث D هي زاوية اختلاف المنظر بمقدار ثانية واحدة قوسية، وE هو فرسخ فلكي.

كيلو فرسخ (Kiloparsecs)

حتى الفرسخ ليس ضخمًا بما يكفي لبعض المقاييس، لذا فقد تمت ترقيتها إلى كيلو فرسخ وميجا فرسخ وجيجا فرسخ. مما يعني أنه يمكننا الآن إبلاغك أن حافة الكون المرئي تبعد 14 جيجا فرسخ دون إهلاك مفتاح الصفر على لوحة المفاتيح الخاصة بنا.