تلسكوب هابل الفضائي

تلسكوب هابل الفضائي مرصد فضائي كبير يحمل اسم عالم الفلك إدوين هابل، وقد غيّر فهم البشرية للكون منذ إطلاقه ونشره في مداره على متن مكوك الفضاء ديسكفري عام 1990¹. وهو واحد من أكثر مراصد ناسا إحداثاً للتحول؛ فقد غيّرت هندسته وتقنيته وقابليته للصيانة طريقة نظرنا إلى الكون، من تحليل أغلفة الكواكب التي تدور حول نجوم أخرى إلى اكتشاف الطاقة المظلمة². ولم تقتصر بصمته على الأوساط العلمية، بل جعلت صوره المذهلة للنجوم والمجرات هابل مصدر إلهام للناس في أنحاء العالم¹.

يدور هابل فوق سطح الأرض على ارتفاع نحو 300 ميل (483 كم)، متجنّباً التشويش الذي يحدثه الغلاف الجوي، فيحظى برؤية صافية للكون¹. ويمتد نطاق رصده من الأشعة فوق البنفسجية عبر الضوء المرئي إلى الأشعة تحت الحمراء القريبة¹. وهو مشروع تعاون بين وكالة الفضاء الأوروبية وناسا، تُجرى أرصاده في الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء وفوق البنفسجية³. وقد صُنع بحيث يتسع داخل عنبر حمولة المكوك الفضائي، فكانت بعثات الصيانة المأهولة جزءاً من خطته طويلة الأمد⁴.

الرقم الأكثر دلالة على حجم ما أنجزه هابل هو أنه راكم أكثر من 1.7 مليون رصد، ونُشرت أكثر من 23,000 ورقة علمية محكّمة عن اكتشافاته، حتى إن كل كتاب مدرسي حديث في الفلك يتضمن إسهامات المرصد¹. وقد تتبّع هابل أجراماً بينجمية عبرت المجموعة الشمسية، ورصد ارتطام مذنّب بالمشتري، واكتشف أقماراً حول بلوتو¹. ويتلقى معهد علوم التلسكوب الفضائي سنوياً ما بين 700 و1200 مقترح رصد من المجتمع الفلكي العالمي، لا يُجدول منها سوى نحو الخُمس، ما يجعل المنافسة على وقت هابل شديدة⁵.

حين بدأ هابل يرسل بياناته الأولى إلى الأرض، لم ير الفلكيون الصور الحادة الشبيهة بالنقاط التي كانوا ينتظرونها، بل نجوماً تحيط بها هالات ضبابية كبيرة⁶. وسرعان ما أدركوا أن حواف مرآته الرئيسية جُليت مسطّحة أكثر من اللازم بمقدار جزء ضئيل من عرض شعرة الإنسان، بسبب عيب تسلل إلى معدات الاختبار التي قيس بها انحناء المرآة قبل الإطلاق⁶. ويشرح علماء ناسا الخطأ بالزيغ الكروي: فحافة المرآة الخارجية سُطّحت بعمق 2.2 ميكرومتر — أي نحو واحد على خمسين من سماكة شعرة الإنسان — فصار للتلسكوب بؤر متعددة بدل بؤرة واحدة، وبدت صوره ضبابية⁷. وكانت المشكلة مضاعفة لأن المرآة الرئيسية نفسها غير قابلة للاستبدال⁶.

لذلك وُلد الحل داخل أدوات جديدة بدل المرآة: فقد دُمجت في كاميرا المجال الواسع والكواكب 2 مكوّنات بصرية تجمع الضوء في البؤرة وتصحّح عيب المرآة على غرار ما تفعله النظارة الطبية بعيوب البصر⁷. وللأدوات الأخرى صمّم المهندسون جهاز «كوستار»، وهو صندوق بحجم ثلاجة يحمل مرايا بحجم النيكل وربع الدولار تنشر في مسارات الضوء داخل أدوات هابل العلمية لتضبط بؤرتها⁶. وقد صارت كاميرا المجال الواسع والكواكب 2 أكثر أدوات هابل استخداماً لسنوات طويلة، وأنتجت أكثر من 135,000 صورة للكون⁷.

جرت مهمة الصيانة الأولى في الفترة من 2 إلى 13 ديسمبر 1993، وكانت أول فرصة لتنفيذ صيانة مخططة على التلسكوب، إذ ثبّت الرواد أدوات جديدة بينها تجهيزات عالجت عيب المرآة الرئيسية⁸. وبلغت خرَجات السير خمساً متتالية امتدت في مجموعها 35 ساعة و28 دقيقة⁷، وفي الرابعة منها ثبّتت الرائدة كاثي ثورنتون والرائد توم أكرز جهاز «كوستار»⁸. وفي 18 ديسمبر 1993 تجمّع الفلكيون حول شاشة في معهد علوم التلسكوب الفضائي وهتفوا عند ظهور أول صورة من الكاميرا الجديدة خالية من الضبابية التي لازمَت الصور السابقة⁶. وبذلك عاد هابل إلى أفضل حالاته، وبدأ يلتقط الصور الخلابة التي اعتادها العالم من بعده⁶.

لم تكن الصيانة حلاً ارتجالياً، بل أتاحت هندسة هابل للرواد إصلاح الأجزاء واستبدالها وترقية التقنيات بأدوات جديدة وهو في مداره⁷. وقد صُنع التلسكوب بحيث يتسع داخل عنبر المكوك الفضائي، فباتت رحلات الالتقاط والإصلاح وإعادة الإطلاق جزءاً من خطته طويلة الأمد⁴. وعلى مدى أكثر من 36 سنة من التشغيل، تنامت قدرات هابل بدل أن تتقادم: فقد أضافت بعثات الصيانة المأهولة الخمس أدوات علمية جديدة واستبدلت أجزاءً متقادمة، فمدّدت عمر التلسكوب مدّاً كبيراً¹.

توالت الزيارات تباعاً: فمهمة الصيانة الأولى عام 1993 صحّحت البصريات وأضافت أدوات جديدة⁸. ومهمة الصيانة الثانية (11–21 فبراير 1997) ثبّتت أداتين جديدتين وسّعتا مدى الأطوال الموجية التي يراها هابل ورفعتا كفاءة المرصد وأداءه⁸. ومهمة الصيانة 3A (ديسمبر 1999) استبدلت وحدات استشعار المعدل الثلاث — وفي كل وحدة جيروسكوبان — وثبّتت حاسوباً أسرع 20 مرة من القديم⁸. ومهمة الصيانة 3B (مارس 2002) استبدلت الألواح الشمسية وثبّتت كاميرا المسح المتقدم التي حلّت محل كاميرا الأجرام الخافتة، آخر أدوات التلسكوب الأصلية⁸. وقد أُلغيت مهمة الصيانة الرابعة في يناير 2004 لدواعٍ أمنية بعد فقدان مكوك الفضاء كولومبيا⁸.

لكن الزيارة الخامسة والأخيرة جرت في الفترة من 11 إلى 24 مايو 2009، فثبّت الرواد أداتين علميتين جديدتين هما مقياس الطيف «أصول الكون» وكاميرا المجال الواسع 3، وأعادوا أداتين معطلتين إلى الحياة بإصلاحات جرت في المدار للمرة الأولى، واستبدلوا البطاريات والجيروسكوبات وحاسوب العلوم⁶. وقد تركت هذه المهمة، خامسة مهام الصيانة وآخرها، المرصد في ذروة قدرته العلمية ومهّدت له سنوات إضافية حافلة بالاكتشافات⁸. وعلى امتداد القصة كلها بلغ عدد الرحلات المكوكية إلى هابل ست رحلات — رحلة إطلاق وخمس بعثات صيانة — شارك فيها 32 رائداً قضوا 23 يوماً من السير في الفضاء بلغت في مجموعها 171 ساعة و3 دقائق⁹. أما اليوم فقد تقاعد المكوك الفضائي، ولم تعد هناك قدرة على صيانة هابل ببعثات مأهولة أو آلية مخططة¹⁰.

خلف هذه الأرقام يقف نظام توجيه يعد من أدق أنظمة التوجيه بين المركبات الفضائية¹¹. ولتغيير اتجاه التوجيه يدير هابل أربع عجلات تفاعل داخلية تزن الواحدة نحو 100 رطل (45 كغ)، فيلفّ القانون الثالث لنيوتن المركبة في الاتجاه المعاكس¹⁰. ويحمل كل جيروسكوب من جيروسكوباته الستة عجلة تدور بسرعة ثابتة تبلغ 19,200 دورة في الدقيقة، وقياس ميل محور العجلة يخبر التلسكوب بسرعة دورانه واتجاهه¹¹. ولأن هابل قريب جداً من الأرض، فإنه يعبر يومياً عشرة مدارات متتالية عبر «شذوذ جنوب الأطلسي» — انخفاض في المجال المغناطيسي الأرضي يجمع الجسيمات المشحونة — أي نحو 15 في المئة من وقته⁴.

سبقت فكرة هابل عصر الفضاء نفسه: ففي عام 1923 ذكر هيرمان أوبرت، أحد مؤسسي علم الصواريخ الحديث، في كتابه «الصاروخ إلى الفضاء الكوكبي» كيف يمكن دفع تلسكوب إلى مدار حول الأرض بواسطة صاروخ⁶. وفي عام 1946 كتب عالم الفيزياء الفلكية في برينستون ليمان سبيتزر عن الفوائد العلمية لتلسكوب يعمل في الفضاء فوق غلاف الأرض المضطرب⁶. وفي عام 1969 منحت الأكاديمية الوطنية للعلوم موافقتها على مشروع «التلسكوب الفضائي الكبير» الذي صار لاحقاً تلسكوب هابل⁶. وقد ألزمت قيود الميزانية أثناء التخطيط المشروعَ بتقليص مرآته الرئيسية من 120 بوصة إلى 94 بوصة⁶.

وفي عام 1975 انضمت وكالة الفضاء الأوروبية إلى المشروع، فسدّدت 15 في المئة من التمويل عبر كاميرا الأجرام الخافتة والألواح الشمسية، مقابل ضمان ناسا للفلكيين الأوروبيين 15 في المئة على الأقل من وقت الرصد⁶. وفي عام 1977 أقرّ الكونغرس تمويل بناء التلسكوب⁶. ثم سُمّي المشروع «تلسكوب هابل الفضائي» تكريماً لإدوين هابل، العالم الذي أثبت وجود مجرات خارج مجرتنا ووضع تصنيفاً للمجرات بحسب أشكالها⁶.

لكن الطريق إلى المدار تعثّر: ففي عام 1986 أجبرت حادثة تشالنجر ناسا على إيقاف أسطول المكوكات سنتين، واستغل مشروع هابل تلك الفترة في أعمال إضافية على التلسكوب، من تحسين الألواح الشمسية إلى تسهيل استبدال الأدوات في مؤخرته وترقية الحواسيب وأنظمة الاتصال⁶. وأخيراً انطلق هابل في مهمة STS-31 على متن مكوك الفضاء ديسكفري في 24 أبريل 1990⁶. وحملت الرحلة طاقماً من خمسة رواد انطلقوا من مركز كنيدي للفضاء، وفي اليوم التالي أُفرج عن التلسكوب في مدار أرضي منخفض فاتحاً عيناً جديدة على الكون كان لها أثر تحويلي في حضارتنا¹³.

في ديسمبر 1995 وجّه هابل نظره إلى رقعة سماء تبدو خالية قرب مقبض بنات نعش الكبرى، فجمع على مدى عشرة أيام 342 تعريضاً منفصلاً التقطت نحو 3000 مجرة بعيدة في مراحل تطور متفاوتة¹⁴. ولم يكن حجم تلك الرقعة يتجاوز ما يعادل رأس دبوس ممسوك بطول الذراع¹⁴. وكان معظم هذه المجرات أخفت بأربعة مليارات مرة مما تراه العين البشرية، حتى إنها لم تُرصد قبلاً حتى بأكبر التلسكوبات¹⁴. ولم تُغيّر أي صورة فهمنا للكون بمقدار ما غيّرته هذه الصورة¹⁴. وقد وُلدت هذه النظرة من رصيد الوقت التقديري: فعشرة في المئة من وقت رصد هابل محجوزة لقرار مدير المرصد، ومن هذا الرصيد جاءت الحقول العميقة وحقول الحدود¹⁰.

ثم وثّق «الحقل العميق الجنوبي» سماء نصف الكرة الجنوبي في عام 1998¹⁴. وفي عام 2004 التقط هابل تعريضاً استمر مليون ثانية احتوى 10,000 مجرة — هو حقل هابل العميق الفائق — فرصد أوائل المجرات الخارجة من «العصور المظلمة» بعد الانفجار العظيم¹⁴. وفي عام 2009 رصد هابل ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة في منطقة الحقل العميق الفائق نفسها، فكشف مجرات تشكّلت بعد الانفجار العظيم بنحو 600 مليون سنة فقط¹⁴. وجمع «الحقل العميق الأقصى» الذي صدر عام 2012 صوراً التُقطت على مدى عشر سنوات لمنطقة في قلب الحقل العميق الفائق، وأظهر رغم ذلك 5500 مجرة¹⁴. وجاءت حملة «حقول الحدود» التي بدأت عام 2013 ليتعاون فيها هابل وسبيتزر وتشاندرا على تقديم 12 صورة جديدة لحقول عميقة ورصد مجرات أخفت 100 مرة من مجرات الحقل العميق الفائق¹⁴.

وتُجمع هذه الأرصاد اليوم في «حقل الإرث»: نحو 7500 تعريض تمثل 16 سنة من الرصد و265,000 مجرة و13.3 مليار سنة، وهي أكبر مجموعة مجرات وثّقها هابل¹⁴. وتكمن قيمة هذه الحقول في أنها تعمل بمنزلة «عيّنة لُبّية» من تاريخ الكون الممتد، لا مجرد صور مبهرة عابرة¹⁴. وفي خلفية المشهد يبقى سؤال طرحه روبرت ويليامز في تلك الأيام العشرة الأولى: هل كنا نرى أصولنا ذاتها في كل هذا؟¹⁴.

ليس ثابت هابل مجرد رقم في معادلة، بل خلاصة عقود من قياس معدل تمدد الكون. اكتشف إدوين هابل توسّع الكون عام 1929 حين لاحظ أن المجرة الأبعد عن الأرض تبدو مبتعدة أسرع¹⁵. وتقوم أهم قياسات هابل الحديثة على سلّم مسافة يبدأ من القيفاويات في سحابة ماجلان الكبرى ثم يرتقي إلى المستعرات العظمى في مجرات بعيدة¹⁶. وبهذه الأدوات حددت أرصاد هابل قيمة ثابت هابل بدقة تقارب واحداً في المئة، فنقلت تقدير عمر الكون من نطاق بين 9.7 و19.5 مليار سنة إلى 13.8 مليار سنة¹⁵.

وما زال توتر هابل لغزاً قائماً، وربما كان خللاً في فهمنا للكون المبكر؛ فمن التفسيرات المطروحة جسيمات غريبة ونظريات بديلة للجاذبية وأشكال مبكرة من الطاقة المظلمة¹⁵. وفي عام 2023 استُخدم تلسكوب جيمس ويب الفضائي لاختبار نتائج هابل الخاصة بالتوسع سعياً إلى استبعاد احتمال أخطاء القياس، فأكّدت الأرصاد الجديدة تلك النتائج، ما دفع بعض العلماء إلى القول إن شيئاً آخر غير أخطاء القياس يؤثر في معدل التوسع²⁰.

كشفت أرصاد هابل، إلى جانب أرصاد مراصد أرضية، أن الكون لا يتمدد فحسب بل إن تمدده يتسارع، وكان ذلك مفاجأة كبرى نال عنها هذا الاكتشاف جائزة نوبل في الفيزياء عام 2011²⁰.

ومن هذه الأرصاد يقدّر العلماء أن الطاقة المظلمة تشكّل نحو 68 في المئة من الكون، والمادة المظلمة نحو 27 في المئة، بينما لا تمثّل المادة والطاقة العاديتان سوى نحو 5 في المئة²⁰. وبعد أكثر من ثلاثة عقود من الأرصاد، قاست الفرق العاملة على هابل معدل التوسع بدقة تتجاوز 1 في المئة بقليل — أدق بنحو ثمانية أضعاف مما كان متوقعاً في البداية — ما يضع عمر الكون عند نحو 13.8 مليار سنة²⁰.

ليس ويب بديلاً عن هابل بل شريكاً له: فالتلسكوبان ذوا قدرات مختلفة، والهدف أن يعملا في الوقت نفسه وينفذا أرصاداً مشتركة لسنوات عديدة¹⁰. ويجمع ويب بمرآته الأكبر ضوءاً أشد انزياحاً نحو الأحمر وخفتاً، فيرصد أجراماً أخفت بما يصل إلى 100 مرة مما يراه هابل⁴. ورغم حجمه الأكبر، يقدّم ويب في الأشعة تحت الحمراء القريبة دقة فصل تماثل تقريباً ما يحققه هابل في الضوء المرئي⁴. وبهذا يمكن للمرصدين معاً، بين مدى هابل من فوق البنفسجية إلى تحت الحمراء القريبة ومدى ويب الأحمر، أن يتعاملا مع مدى واسع من الأطوال الموجية لا يقدر أي منهما وحده على تغطيته⁴.

في 24 مايو 2024 دخل هابل وضع الأمان لأن أحد جيروسكوباته ظل يرسل قراءات خاطئة على مدى ستة أشهر، الأمر الذي أوقف عمليات العلم مرات عدة خلال تلك الفترة¹². فانتقل الفريق من نمط التشغيل بثلاثة جيروسكوبات إلى الرصد بجيروسكوب واحد، مع إبقاء جيروسكوب عامل آخر احتياطاً للاستخدام المستقبلي¹². وقد نجحت ناسا في نقل عمليات هابل إلى هذا النمط البديل وعادت المركبة إلى عمليات علمية يومية، بينما ظل التلسكوب وأدواته مستقرين ويعملون طبيعياً¹². ومنذ يونيو 2024 يعمل هابل بنمط الجيروسكوب الواحد¹².

كيف يعمل التوجيه بجيروسكوب واحد؟ تحلّ المغناطيسيات ومجسّات الشمس ومتتبعات النجوم محل الجيروسكوبات المعطلة، فتوجّه هابل إلى هدفه تدريجياً عبر عملية متعددة الخطوات¹¹. ولنمط الجيروسكوب الواحد تكلفة: فهو يكلّف نحو 12 في المئة من الكفاءة بسبب الوقت الإضافي اللازم لتوجيه التلسكوب وتثبيته على الهدف، ويتراوح مجموع الانخفاض في الإنتاجية بين 20 و25 في المئة¹¹. كما لا يستطيع هابل في هذا النمط تتبع أجسام متحركة أقرب إلى الأرض من مدار المريخ، لأن حركتها أسرع من أن يتابعها من دون العدد الكامل من الجيروسكوبات¹¹. وتتعطل الجيروسكوبات مع الزمن لأن أسلاكاً معدنية أدقّ من الشعرة تتآكل وتنقطع؛ وقد تعطّل ثمانية من 22 جيروسكوباً خلال 33 سنة من تاريخ هابل لهذا السبب¹¹.

وعند إطلاقه عام 1990 كان العمر المتوقع لهابل نحو 15 سنة، لكن بعثات الصيانة الناجحة أبقت تقنيته متطورة وجعلته ما يزال منتجاً علمياً حتى اليوم، وكل المؤشرات تدل على أنه سيواصل العمل في العقد المقبل¹⁰. ولا توجد اليوم أي قدرة على صيانته مع تقاعد المكوك الفضائي¹⁰. ومن غير المتوقع أن يعود إلى الغلاف الجوي قبل منتصف ثلاثينيات القرن على أبعد تقدير، لأن قوة تسمى السحب الجوي تخفض مداره تدريجياً؛ وستُوصل به في النهاية وحدة دفع لتوجيه دخوله فوق جنوب المحيط الهادئ أو لرفعه إلى مدار أعلى بكثير¹⁰. وفي الأثناء يستمر التعاون: الهدف أن يعمل هابل وويب في الوقت نفسه وينفذا أرصاداً مشتركة لسنوات عديدة¹⁰.

تجمع هذه الشهادات ثلاثة أصوات صنعت هابل وأرصدته: مؤسس الفكرة، ورائد الصيانة، وشاهد أعمق صوره⁶. وتبقى خلاصتها أن هابل ليس مجرد قمر اصطناعي، بل رمز لسعي البشرية إلى المعرفة¹.