ملخص
يُعدقياسالمسافاتإلىالمجراتالأخرىجزءًامهمًامنقدرتناعلىفهمآليةعملالكون。يمكنلعلماءالفلكاستخدامماتُسمىبتقلباتالسطوعالسطحي(التيتُسمىاختصارًاSBF)،بجانبلونالمجرةلحسابمدىبعدهاعنالأرض。معظمالمجراتالتيتمقياسهابهذهالطريقةتبعدملايينالسنينالضوئية。
الفضاءالفسيح
يقول道格拉斯·亚当斯فيكتابه،دليلالمسافرإلىالمجرة(银河系漫游指南):“إنالفضاءكبيرجدًاحقًا،فأنتفقطلاتتخيلمدىضخامتهوفساحتهغيرالمعقولة”(1]。
هو لم يكن يمزح أيضًا。فلنتخيلالأمربهذهالطريقة،تصورأنكعلىالطريقالفيدراليالسريع(أوتوبان)بألمانيا。وتقودسيارةفيراري،بسرعةتقتربمن300كيلومترفيالساعة(186ميلًافيالساعة)。إذالمتكنمضطرًاللتوقف،فيمكنكأنتدورحولالأرضفيحوالي133ساعةأو5أيامونصفيوم。تخيلالآنإذاأصبحتسيارتكالفيراريقادرةعلىالسفرإلىالشمسفجأة。قديستغرقالوصولإلىالشمسوقتًايزيدبـ4000مرةتقريبًاعنوقتالقيادةحولالأرض。أي 22000 ألف يوم تقريبًا في الفيراري!أقرب نجم بخلاف الشمس يُدعىرجل القنطور (أو ألفا سنتوري)وللوصولإلىهناك،سيكونذلكيشبهالقيادةإلىالشم300000أسلفمرةتقريبًا。تقع أقرب مجرة، وهي مجرةالمرأة المسلسلة (أندروميدا)،علىمسافةأبعد600000ألفمرةمننجمرجلالقنطور。وتقعأبعدمجراتأتولىقياسمسافاتهاعلىمسافةأبعدبـ100مرةمنمجرةالمرأةالمسلسلة،وللوصولإلىنهايةالكونالمرئي،عليكأنتذهبإلىمسافة150مرةأبعدمنذلكتقريبًا2．وعلىأيحال،إذاكنتترغبفيالقيادةإلىنهايةالكونالمرئيأوإلىأيمكانفيالفضاء،فإنالأمرسيستغرقوقتًاطويلًاللغاية。
قياس الفضاء باستخدام الفرسخ الفلكي
نظرًالاتساعالفضاء،لايُفضلالعديدمنعلماءالفلكتحديدمدىبُعدالأجسامباستخدامالأميالأوالكيلومترات؛ولكن بدلًا من ذلك، نستخدم وحدة قياس تسمىالفرسخالفلكي．هل تتذكر رجل القنطور، أقرب نجم لنا؟1.347يبعدفرسخفلكيأو41560000000000(أو41.56تريليون)كيلومتر。أُفضلاستخدامالفرسخالفلكيلأنهبالنسبةلي،أسهلفيالاستخداموالفهممقارنةبجميعالأصفارالتيتكونموجودةعندمانستخدمالكيلومترات。
مجرات ذات نتوءات
منالرائعأنالفضاءكبيرللغاية،أوعلىالأقلأعتقدذلك。ولكن كيف لنا أن نعرف مدى اتساع الفضاء؟ثمةالعديدمنالطرقالمختلفةلقياسالأجسامفيالفضاء،ولكننيأركزعلىقياسالمسافةإلىالمجراتباستخدامطريقةخاصةللغايةتُسمىتقلبات السطوع السطحي．لشرحالطريقةالتيتعملبهاتقلباتالسطوعالسطحي،فلتلقنظرةعنكثبعلىشاشةالهاتفأوجهازالكمبيوترالذيتقرأعليههذاالمقال。إذاكانتالشاشةقريبةللغايةمنوجهك،فستتمكنمنرؤيةالنقاط الضوئية (البكسلات)أوالأضواءالصغيرةالتيتشكلالصورةالتيتراها،علىالشاشة。والآن،ابتعدقليلًاحتىلاتتمكنمنرؤيةالنقاطالضوئية。
يمكنكرؤيةالنقاطالضوئيةعلىالشاشةبوضوحعندماتكونقريبًالأنالشاشةتتكونمنعددكبيرمنالنقاطالضوئية。وبالمثل،فإنالمجراتليستسوىمجموعةمنالنجومالمجتمعةمعًا。لكنالمجرةليست شاشة هاتف، إنما تعمل بطريقة مماثلة。فعندماتكونالمجراتقريبةمنا،نرىنتوءاتأكبرقادمةمنتلكالمجرةبسببالطريقةالتيتتموضعبهاالنجومفيالمجرات。تمامًامثلالشاشة،عندماتكونالمجراتبعيدةللغاية،تمتزجهذهالنجوممعًا،وستبدوالمجرةملساءللغاية،علىنحومماثلللطريقةالتيتمتزجبهاالنقاطالضوئيةعلىالشاشةمعًاعندماتبتعدعنها。فيالشكل1يمكنكأنترىكيفتبدوأقربمجرةبسطحأكثرتعرجًاونتوءاتمنأبعدمجرة。عندمانعرفحجمالنتوءات،بسببطريقةتموضعالنجومفيالمجرة،فإنذلكيساعدعلماءالفلكفيمعرفةعددالنجومالموجودةفيالمجرة。
- شك1 -اللصورةالموجودةإلىاليمينهيللمجرة两个同伴M32،والموجودةبجانبمجرةالمرأةالمسلسلةمباشرةً،والتيتبعد0.77ميجافرسخفلكي،أو770000فرسخفلكي。
- المجرةالموجودةإلىاليمينهيNGC 7768وتبعد120ميجافرسخفلكيأو120000000فرسخفلكي。تبدو两个同伴M32أكثرنتوءًامنNGC 7768،لأنهاأقربلنا。وتأتي كلتا الصورتين من مرصد双子座1．
قياسالنتوءات
”لقياسحجمالنتوءات”فيمجرةبعيدة،نحتاجإلىإزالةالجزءالرئيسيمنالمجرةمنالصورةللتركيزعلىالنتوءات。للقيامبذلك،يُنشئالحاسوبصورةللمجرةتبدوملساءوخاليةمنالنتوءاتحقًاوتشبهتلكالتيالتقطناصورةلها。ثمنأخذالصورةالملساءالتيأنتجهاالحاسوبونطرحهامنالصورةالأصلية،بحيثتتركلنانتوءاتالمجرةفقطكماهوموضحفيالشكل2．
- شكل 2 - تظهر المجرة NGC 0524 إلى اليمين。
- بعدأنيزيلالكمبيوترالجزءالرئيسيمنالمجرةمنالصورة،تتبقىالنتوءاتفقط،التيتظهرإلىاليمين。تعتمدأحجامنتوءاتالمجراتعلىمدىبعدالمجرةعناودرجةحرارتها。تمالتقاطصورةهذهالمجرةباستخدامتليسكوبهابلالفضائي3.．
بمجردحصولناعلىالنتوءاتفقطفيالصورة،يتعينعليناالتعرفعلىشيءيُسمىطيفالقدرة。يعرفناطيفالقدرةعلىعددالنتوءاتالكبيرةالموجودةفيالمجرة،مقارنةبعددالنتوءاتالصغيرةفيها。إذاأخبرناطيفالقدرةأنهناكالكثيرمنالنتوءاتالمفصّلةوالحادةفيالصورة،فقديعنيذلكأنالمجرةأقربإلينا。إذاكانتالمجرةنفسهابعيدة،فسيعرضطيفالقدرةنتوءاتأقلتفصيلًاوتجانسًافيالصورة。إذاكنتتعرفلونتلكالمجرةوعددالنجومالموجودةبها،فيمكنكمعرفةمقدارالضوءالذييجبأنتراهإذاكانتعلىبعدمسافةمعينة。
المجراتالملونة
تخيلأنكجالسمعأصدقائكحولنارالمخيم،وتقومونبشواءبعضحلوىالخطميالشهية。هلتساءلتيومًا،لماذاتكونبعضأجزاءالنارحمراءوبعضهابرتقاليًاوبعضهاأصفروبعضهاأبيض؟يرجعهذاإلىأنالأجزاءالباردةمنالنارتبدوباللونالأحمر،وتبدوالأجزاءالساخنةباللونالبرتقالي،وتبدوالأجزاءالأسخنباللونالأصفر،وتبدوالأجزاءالأكثرسخونةعلىالإطلاقباللونالأبيض。إذاتمكنتمنإشعالالناربدرجةسخونةكافية،فستبدأفيالظهورباللونالأزرق(لكنهاقدتسببلكأيضًاحروقًاشمسيةخطيرةللغاية)。تبدو المجرات بنفس الطريقة。تمامًامثلالنار،عندماتحتويالمجراتعلىنجومأكثربرودة،فإنهاتبدوباللونالأحمر،وعندماتحتويعلىنجومأكثرحرارة،تبدوأكثرزرقة。عندمانعرفلونالمجرة، نعرف درجة حرارة النجوم。ومنلونالمجرةيمكننامعرفةمقدارالضوءالذيتخلقهالنجومفيالمجرة،وبمجردأننعرفمقدارالضوءالذييخلقهكلنجم،وعلىافتراضمعرفتنابإجماليعددالنجومالموجودة،يمكننامعرفةمدىسطوعالمجرةعلىمسافةمعينة。
الاستدلال على المسافة بالألوان والنتوءات
تخيل أنك تجلس بالقرب من نار المخيم。عندماتكونجالسًاإلىجوارالنارمباشرة،يمكنكأنتشعربدفئهاوقديكونلديكمايكفيمنالضوءلقراءةكتاب。ولكن تخيل أنك بدأت في الابتعاد عن النار。ستشعربالبرودةبشكلٍأسرع،وسرعانماسيكونالظلامحالكًابحيثلنتتمكنمنالقراءةكماترىفيالشكل3．كماستظهرالناربلونواحدفقط،بدلًامنمجموعةمنالألوان。وهذاليسلأنالنارتنطفئ،أولأنهابلونواحدالآن،ولكنلأنكتبعدعنالنار。إذاعقدتمقارنةدقيقةبينشكلالنارعندماتكونإلىجوارهاوشكلهاعندماتبتعدعنها،فيمكنكحسابالمسافةالتيقطعتهاسيرًا。وكماهوالحالمعنارالمخيم،فإننانرىقدرًاأقلمنضوءالمجراتوتفاصيلهاكلماكانتتبتعدعنا。
- شكل 3 - ويُظهر هذا صورتين لنار المخيم。
- الصورةالموجودةإلىاليسارقريبةبدرجةتكفيلرؤيةألوانمختلفة。4إذاكنتتجلسعلىمقربةمنالنار،فقدتشعربحرارتهاحتىأنكقدتتمكنمنشواءبعضحلوىالخطمي。إلىاليمين،ماتزالالنارمرئيةولكنهاخافتة،لأنهاأبعد。تبدوالناروكأنهامنلونواحدولنتتمكنمنالشعوربحرارتها。
تعتمددرجةنتوءالمجرةعلىمدىبعدهاولونها،وهذاهوسببالحاجةإلىكلاالنوعينمنالبيانات。يُخبرنالونالمجرةبدرجةحرارةالنجومومقدارالضوءالذيتنتجه،وبعدمعرفةدرجةحرارةالنجوموحجمنتوءاتالمجرة،يمكننامعرفةعددالنجومالموجودةفيتلكالمجرةومقدارالضوءالذيتنتجهالمجرة。ومنذلك،يمكنلعلماءالفلكأخيرًاحسابالمسافةالتيتبعدهاالمجرةعنالأرض،لأنهميعرفونمدىسطوعالمجرةإذاكانتعلىمسافةمعينة،تمامًابنفسالطريقةالتيتمكنكمنقياسالمسافةالتيقطعتهاعنطريقمقارنةالضوءالقادممنالنار。
لماذا تعد المسافات مهمة؟
ثمةالعديدمنالأسبابالتيتدفعناإلىقياسالمسافاتإلىالمجرات،علىالرغممنأنهذاقديُكبدالعلماءالكثيرمنالعمل。إذالمنكننعرفالمسافةإلىالمجرة،فلننتمكنمنمعرفةحجمالمجرة،ولننعرفحجمالثقبالأسودالموجودبالمجرة،أوعددنجومها،وغيرذلكمنالأمور。وإذالمنكنعلىعلمبالمسافةالتيتفصلبينناوبينالأجرامالسماوية،فسيكونمنالصعبللغايةاختبارنظرياتأخرىرائعةيطرحهاعلماءالفلك؛مثلنظرياتالمادةالمظلمةوالطاقةالمظلمةوغيرذلكمنأسرارالكون。إذا لم نعرف المسافة التي تبعدها الأجسام。وإذالمنتوصلأبدًاإلىالكيفيةالتييمكننابهاقياسالمسافاتفيالفضاء،فلننتمكنمنفهمحقيقةالكونوتركيبهالفعلي。
ولقدسُئلتأيضًا:“لماذامنالمهممعرفةمايبدوعليهالكون؟”منالمهمأننفهمآليةعملالكونلأنهعندمانفعلذلك،سنتمكنمناستخدامهذهالمعرفةلخلقأشياءمذهلةوتنفيذها。قبلأكثرمن300سنة،اكتشفالسيرإسحاقنيوتنالطريقةالتيتدوربهاالكواكبحولالشمس،وكانهذااكتشافًارائعًافيحدذاته،ولكنمالايدركهمعظمالناسهوأنهكانيطورحساب التفاضل والتكامل4أيضًا بهذا الاكتشاف。حسابالتفاضلوالتكاملهوفرعمنفروعالرياضيات،ساعدالبشرعلىاختراعأشياءمثلالأقمارالصناعيةوأجهزةالكمبيوتروالهواتفوالإنترنتوأدواتللأطباءمنأجلإنقاذالأرواح。حتىالطعامالذيتتناولهوالملابسالتيترتديهاموجودةلأنالعلماءاكتشفوااكتشافاترائعةحولالطريقةالتييعملبهاكوننا。
لذافنحننعلمأهميةفهمالمسافاتفيالفضاء،لأنهذهالمعلوماتستساعدنافيمعرفةآليةعملالكون。ولكن ما سبب أهمية استخدام تقلبات السطوع السطحي؟إذاكنتتتذكرحجمالفضاءالكبير،وكيفأنكلالأجسامتقععلىبعدمسافاتكبيرةللغاية،فمنالصعبحقًاقياسالمسافاتإلىالمجراتالبعيدة。نحننعلمكمتبعدبعضالمجرات،ولكنبشكلٍعام،فإنالمجراتالمعروفةلناقريبةحقًامنالأرض。إذاأردناقياسالمسافةإلىإحدىالمجراتالبعيدة،فيمكننامقارنةلونهاونتوءاتهابصفاتالمجراتالأقربلنا،ثمإجراءقياسللمسافةمنخلالهذهالبيانات。لذا،يمكنلتقلباتالسطوعالسطحيإعطائناالمسافةإلىمجرةماكنالنتمكنمنقياسهابطريقةأخرى。
إذن، ما الخطوة التالية؟
نظرًالأنالأمريتطلبالكثيرمنالعمل،فإناستخدامتقلباتالسطوعالسطحيلميتمإلاعلىبعضالمجرات。سيكونهناكالعديدمنالتليسكوباتالجديدةفيالمستقبل،تلتقطالكثيرمنالصور،وبذلكسيكونلديناصورأكثرممالديناالآن。وأناأعملعلىتطويربرامجحاسوبيةستجعلتحليلهذهالصوروإجراءقياساتالمسافةمنخلالهاأسرعبكثير،حتىيتمكنعلماءالفلكمنقياسالمسافاتإلىأكبرعددممكنمنالمجرات。
مسردللمصطلحات
رجل القنطور(半人马座阿尔法星)：↑أقربنجمإلىنظامناالشمسي،ويبعدعنالأرضمسافةتبلغحوال1.37فيرسخفلكيأو41.53تريليونكيلومتر。
مجرة المرأة المسلسلة(仙女座星系)：↑واحدةمنأقربالمجراتإلىمجرتنا،مجرةدربالتبانة。
الفرسخ الفلكي(秒差)：↑طريقة يصف بها علماء الفلك المسافات في الفضاء。يساوي الفرسخ الفلكي الواحد 30.86 تريليون كيلومتر。
تقلباتالسطوعالسطحي表面亮度波动(SBF)：↑الطريقةالتييظهربهاالضوءالمهتزفيصورةمجرةمنمكانإلىآخر。وهذا هو ما نقيسه للمساعدة في تحديد مسافة المجرة。
النقطة الضوئية/البكسل(像素)：↑ضوء صغير للغاية يمثل جزءًا واحدًا من الشاشة。يتكونالتلفازمنالعديدمنالنقاطالضوئيةالمجمعةمعًا。
المجرة(星系)：↑مجموعةمنالنجوم،وربماتريليوناتمنالنجومالتيتتجمعمعًاوتكونفيمدارحولبعضهاالبعض。
طيف القدرة(功率谱)：↑يعطيناهذاالطيفمعلوماتعنأحجامجميعالنتوءاتالتينراهافيصورةإحدىالمجرات。
لون المجرة(银河颜色)：↑يُخبرنالونالمجرةدرجةحرارةالنجومفيتلكالمجرة。
حساب التفاضل والتكامل(微积分)：↑هوفرعمفيدللغايةمنفروععلمالرياضةاخترعهإسحاقنيوتنواستخدمهفيالتعاملمععلمالفلك。
إقرار تضارب المصالح
يعلنالمؤلفونأنالبحثقدأُجريفيغيابأيعلاقاتتجاريةأوماليةيمكنتفسيرهاعلىأنهاتضاربمحتملفيالمصالح。
الحواشي
1↑”http://www.gemini.edu/“موقعإلكترونيحيثيمكنكمعرفةالمزيدمنالمعلوماتحولتليسكوب双子座。
2↑حصلت على جميع الأرقام من هذا الموقع الإلكتروني:https://www.wolframalpha.com/ماعليكسوىكتابةاسمالنجمةأوالمجرةالتيتريدمعرفةالمزيدمنالمعلوماتعنها。
3.↑يمكنلهذاالموقعالإلكترونيأنيقدملكالمزيدمنالمعلوماتحولهابل:http://hubblesite.org/
4↑https://web.physics.wustl.edu/alford/general/newton.html
المراجع
[1]↑亚当斯，1980年。银河系漫游指南，第1版。纽约，纽约州:和谐图书。