نشأة علم الفلك الراديوي

علم الفلك الراديوي فرع من علم الفلك يدرس الأجرام السماوية عند الترددات الراديوية، فيلتقط ما تصدره هذه الأجرام من إشعاع لا تراه العين المجردة ولا تستقبله المقاريب البصرية المعتادة. ويعتمد هذا الفرع في رصده على المقاريب الراديوية لكشف الموجات الراديوية الصادرة من الأجرام السماوية، وهي أدوات مصممة لالتقاط تلك الموجات وتحويلها إلى بيانات قابلة للدراسة والتحليل. وقد عرّف الاتحاد الفلكي الدولي علم الفلك الراديوي كأحد الفروع الرئيسية لعلم الفلك الرصدي، مما يثبّت مكانته في صلب المنظومة الفلكية الحديثة إلى جانب الفروع الرصدية الأخرى¹. وبهذا التعريف يتحدد موضوع العلم وأداته وموقعه المؤسسي في آن واحد، فلا يُفهم إلا بوصفه رصداً منهجياً للأجرام عند الترددات الراديوية باستخدام مقاريب مخصصة لذلك الغرض..²

ويُستخدم علم الفلك الراديوي لدراسة طائفة واسعة من الأجرام، من الشمس إلى المجرات البعيدة، فيشمل بذلك أجراماً قريبة نسبياً وأخرى تقع على مسافات كونية شاسعة. وتتيح هذه السعة في النطاق دراسة ظواهر متنوعة لا يقتصر رصدها على فئة واحدة من الأجرام، بل يمتد من النجم القريب إلى المجرات النائية. ويسهم هذا التنوع في جعل الرصد الراديوي أداة أساسية لفهم بنية الكون ومكوناته على مستويات متباينة. وقد كشف علم الفلك الراديوي أن الكون مليء بأجرام باعثة للموجات الراديوية، بما في ذلك أنوية المجرات النشطة، مما وسّع تصورنا لما يحتويه الكون من مكونات مضيئة راديوياً..³

ويستمد هذا العلم طبيعته المتميزة من كونه دراسة للأجرام عند الترددات الراديوية تحديداً، لا عند النطاقات البصرية أو غيرها، وهذا التحديد هو ما يميزه عن بقية فروع علم الفلك. وتستطيع المقاريب الراديوية الرصد ليلاً ونهاراً، وهي أقل تأثراً بالطقس من المقاريب البصرية، مما يمنح الرصد الراديوي مرونة زمنية وجوية أوسع. وقد أدّى علم الفلك الراديوي إلى اكتشاف أصناف جديدة من الأجرام، منها النباضات والكوازارات والمجرات الراديوية، وهي أصناف لم تكن معروفة قبل تطور هذا الفرع..⁴

يُعدّ كارل غوته يانسكي فيزيائياً ومهندس راديو أمريكياً، واسمه مرتبط بأول كشف للموجات الراديوية الآتية من خارج الأرض. ففي عام 1932 اكتشف موجات راديوية صادرة من مجرة درب التبانة، وهو اكتشاف يُعتبر نقطة الانطلاق الفعلية لعلم الفلك الراديوي. وقد بُني هذا الكشف على عمل هندسي عملي لا على رصد فلكي مخطط له، إذ كان يانسكي يعمل على مشكلات الاتصالات اللاسلكية عبر المحيط الأطلسي، فوصل إلى نتيجة غيّرت مسار دراسة الكون. وقد نُشر هذا الاكتشاف في العام نفسه في وقائع معهد مهندسي الراديو، مما أتاح توثيقه في الدورية العلمية المتخصصة ³

ولتحديد مصادر التشويش التي كانت تعترض الخدمة الهاتفية اللاسلكية عبر الأطلسي، بنى يانسكي هوائياً دوّاراً عُرف باسم «الدوّامة». وقد مكّنه هذا الجهاز من تتبع الإشارات الغامضة ورصد تغيّرها مع الزمن. ووجد أن الإشعاع يتغير بدورة مدتها 23 ساعة و56 دقيقة، أي طول اليوم النجمي، وهو توقيت مختلف عن دورة الأرض الشمسية، ما دلّ على أن المصدر ليس أرضياً. وقد تحدد مصدر الإشعاع في نهاية المطاف بأنه مركز مجرة درب التبانة في كوكبة القوس، وهو تحديد منح الاكتشاف دلالته الفلكية الكاملة ³

نشر يانسكي نتائجه عام 1933 في وقائع معهد مهندسي الراديو، فاكتمل بذلك الإعلان العلمي عن الظاهرة الجديدة. غير أن عمله لقي تجاهلاً كبيراً حتى ما بعد الحرب العالمية الثانية، حين برز علم الفلك الراديوي كحقل جديد. وهكذا ظلّ الاكتشاف المؤسس دون متابعة واسعة سنوات طويلة، إلى أن تغيّرت الظروف العلمية والتقنية بعد الحرب. ويبقى اسم يانسكي مرتبطاً باللحظة التي انفتح فيها باب السماء على موجات لم تكن معروفة قبلاً ³

كان غروت ريبر مهندساً راديوياً أمريكياً وفلكياً هاوياً، واقترن اسمه ببناء أول مقراب راديوي مخصص في التاريخ، وهو إنجاز جسّد انتقال الرصد الراديوي من هوائيات عابرة إلى أداة فلكية مقصودة. ففي عام 1937 شيّد ريبر طبقاً مكافئاً بقطر 9.5 متر في حديقة منزله في ويتون بولاية إلينوي، ليكون بذلك قد نقل التجربة الراديوية إلى فضاء الرصد المنظم. ولم يكن هذا البناء مجرد مسعى فردي معزول، بل شكّل الخطوة التأسيسية التي مهّدت لبروز علم الفلك الراديوي كحقل قائم بذاته ³

وبحلول عام 1940 كان ريبر قد أنتج أول خريطة راديوية للسماء، أظهرت انبعاثاً راديوياً ساطعاً من درب التبانة، فصارت هذه الخريطة المرجع الأول لرسم ملامح السماء عند الترددات الراديوية. ثم قدّم في عام 1944 بحثاً في المجلة الفيزيائية الفلكية ضمّ أول خرائط راديوية مفصلة للسماء، فكان بذلك قد وثّق ما رصده في صيغة علمية منشورة. وقد دلّت نتائجه على أن السماء ليست صامتة عند هذه الترددات، بل تنطق بإشارات قابلة للرسم والتحليل ³

ويُعدّ مقراب ريبر أول من كشف انبعاثات راديوية من الشمس ودرب التبانة ومصادر أخرى، وهو ما وسّع دائرة الأجرام التي يمكن رصدها راديوياً خارج نطاق الرصد البصري. وقد جاء هذا الكشف ثمرة مباشرة لتصميم المقراب المخصص وقدرته على تتبّع مصادر متمايزة في السماء. وبذلك انتقل الرصد الراديوي من رصد عرضي معزول إلى برنامج بحثي منظم، مهّد لما تلا من اكتشافات في الفيزياء الفلكية الراديوية ³

خلال الحرب العالمية الثانية، وفّر تطوير الرادار حافزاً رئيسياً لعلم الفلك الراديوي؛ إذ أدّى التقدم التقني في منظومات الرادار إلى إتاحة أدوات وأساليب رصدية لم تكن متاحة قبلاً للباحثين ². وفي عام 1942، اكتشف مشغلو الرادار البريطانيون انبعاثات راديوية صادرة من الشمس، وهو كشف أظهر أن الأجرام السماوية يمكن أن تكون مصادر لموجات راديوية يمكن التقاطها بالأجهزة الأرضية ². وقد جاء هذا الاكتشاف في سياق عملياتي مرتبط بالحرب، لكنه فتح الباب أمام سؤال علمي جديد عن طبيعة الإشعاع الراديوي الآتي من الفضاء، وأثار اهتمام المهندسين والعلماء على حد سواء بما يمكن أن تكشفه الموجات الراديوية عن الكون ..²

بعد الحرب العالمية الثانية، أُعيد توجيه العديد من مهندسي الرادار ومعداته إلى أبحاث علم الفلك الراديوي، فانتقلت خبرات تقنية راكمتها الحرب إلى مختبرات ومراصد علمية ². وقد كان عمل كارل غوته يانسكي، الذي اكتشف عام 1932 موجات راديوية صادرة من مجرة درب التبانة، قد لقي تجاهلاً كبيراً حتى ما بعد الحرب العالمية الثانية، حين برز علم الفلك الراديوي كحقل جديد ³. وفي هذه المرحلة الانتقالية، تحوّل ما كان أداة عسكرية إلى وسيلة لاستكشاف الكون، وتأسست البنية الأولى لهذا العلم على يد باحثين جمعوا بين المعرفة الهندسية والرصد الفلكي، مما مهد لظهور تخصص علمي مستقل له أدواته ومنهجياته الخاصة ..³

شهد منتصف الأربعينيات من القرن العشرين انطلاقة مؤسسية حقيقية لعلم الفلك الراديوي، إذ أُسس مرصد جودريل بانك في عام 1945 على يد برنارد لوفيل في جامعة مانشستر، ليصبح أحد أبرز المراكز الرائدة في هذا الحقل الناشئ. وقد تجسد هذا التوجه في بناء مقراب لوفيل البالغ قطره 76 متراً، والذي اكتمل عام 1957، فصار أداة محورية في المتابعة الراديوية للأجرام السماوية. ولم يقتصر دور المرصد على الأرصاد الخالصة، بل استُخدم أيضاً لتتبع أول المسابير الفضائية السوفييتية والأمريكية، ما يعكس تداخل العلم مع السياق الجيوسياسي لتلك الحقبة. وعلى المدى البعيد، أُدرج مرصد جودريل بانك ضمن مواقع التراث العالمي لليونسكو منذ عام 2019.⁵

وفي الوقت نفسه تقريباً، تبلورت في الولايات المتحدة مؤسسات مماثلة أرست البنية التحتية للبحث الراديوي. فقد أُسس مرصد غرين بانك في فرجينيا الغربية عام 1956، وأُسس المرصد الوطني لعلم الفلك الراديوي في الولايات المتحدة في العام ذاته، ما وفّر قاعدتين رصديتين دائمتيْن للباحثين. وقد انتهى هذا المسار التوسعي لاحقاً إلى إنجازات كبرى، من بينها المصفوف الكبير جداً في نيو مكسيكو الذي افتُتح عام 1980. وعلى الجانب الأوروبي الموازي، أُسس مرصد مولارد لعلم الفلك الراديوي قرب كامبريدج عام 1957، ممثلاً ركيزة أكاديمية أخرى لهذا العلم.⁶

وإلى جانب هذه المراصد الوطنية والأكاديمية، كان للبعد المؤسسي الدولي دور حاسم في تنظيم البحث الفلكي وتنسيقه. فقد أُسس الاتحاد الفلكي الدولي عام 1919، وتولى منذ ذلك الحين مهمة تنسيق الأبحاث الفلكية على مستوى العالم، ما أتاح تبادل النتائج والمعايير بين المراكز الراديوية المتنامية. وقد عرّف هذا الاتحاد علم الفلك الراديوي كأحد الفروع الرئيسية لعلم الفلك الرصدي، مؤكداً مكانته العلمية. وبذلك تكاملت المراصد الوطنية مع الأطر الدولية لتوفير بيئة منظمة أفضت إلى ارتقاء الفلك الراديوي من ميدان هامشي إلى فرع رصدي راسخ.¹

شهد النصف الثاني من القرن العشرين توسعاً مطرداً في أقطار المقاريب الراديوية المفردة وقدراتها التوجيهية، فاكتمل بناء مقراب لوفيل البالغ قطره 76 متراً في جودريل بانك عام 1957، وهو المقراب الذي جرى استخدامه لتتبع أول المسابير الفضائية السوفييتية والأمريكية ⁵. وعلى الضفة الأخرى من الأطلسي، أُسس مرصد غرين بانك في فرجينيا الغربية عام 1956، ثم صار مقراب غرين بانك ذو القطر 100 متر أكبر مقراب راديوي قابل للتوجيه بالكامل في العالم ⁷. ولم يكن مرصد باركس في أستراليا، الذي افتُتح عام 1961، أقل شأناً، إذ أدّى دوراً محورياً في اكتشاف العديد من المصادر الراديوية ⁸. وقد استُخدم مقراب باركس الراديوي ذو القطر 64 متراً في مهمة أبولو 11 لاستقبال إشارات التلفزة من القمر ..⁸

وعلى النقيض من المقاريب المفردة، اتجهت المنشآت الراديوية الكبرى نحو تجميع عدة هوائيات في مصفوفات متكاملة تتوزع على رقعات جغرافية شاسعة. وفي هذا السياق افتُتح المصفوف الكبير جداً (VLA) في نيو مكسيكو عام 1980 ⁷، كما يتألف المصفوف القاعدي الطويل جداً (VLBA) من عشرة مقاريب راديوية موزعة في أنحاء الولايات المتحدة ⁷. ولم تقتصر هذه المقاريب على النطاقات الموجية التي تعمل عندها المقاريب البصرية فحسب، بل إن الموجات الراديوية يمكنها أن تخترق الغبار والغاز بين النجمي، مما يتيح رصد مناطق لا تراها المقاريب البصرية ..¹

ثم خطا علم الفلك الراديوي خطوة إضافية نحو الأطوال الموجية القصيرة والمشروعات الدولية العابرة للقارات. فقد بدأ مصفوف أتاكاما الكبير للمليمترات وما دون المليمترات (ALMA) في تشيلي عملياته عام 2013 ⁷، ويُعدّ مصفوف الكيلومتر المربع (SKA) مشروعاً دولياً لمقراب راديوي سيُنشأ في أستراليا وجنوب أفريقيا ⁸. وتكشف هذه المنشآت المتعاقبة أن الكون مليء بأجرام باعثة للموجات الراديوية، بما في ذلك أنوية المجرات النشطة ³. كما أن الأرصاد الراديوية أدّت إلى اكتشاف أول عدسة جاذبية في عام 1979، وهو ما يعزز مكانة هذه المقاريب في الكشف عن الظواهر الكونية البعيدة ..⁹

يُعدّ التوليف الفتحي من أبرز الإنجازات التقنية في تاريخ علم الفلك الراديوي، إذ طوّره مارتن رايل فنال عنه جائزة نوبل في الفيزياء عام 1974. وتقوم هذه التقنية على مبدأ جوهري مفاده أن عدة مقاريب صغيرة قادرة على محاكاة مقراب واحد أكبر منها بكثير، مما يتيح تحقيق دقة رصدية تتجاوز حدود الفتحات المنفردة. وقد تجسّد هذا المبدأ عملياً في مقراب كامبريدج ذو الميل الواحد، الذي اكتمل عام 1964 وعُدّ من أوائل مصفوفات التوليف الفتحي. وبذلك انتقل الرصد الراديوي من الاعتماد على الأطباق المنفردة الضخمة إلى منظومات متكاملة من الهوائيات المترابطة. ⁶

واصلت مصفوفات التوليف الفتحي تطورها الجغرافي والتقني بعد ذلك. في المملكة المتحدة، يُدار مصفوف ميرلين بواسطة جودريل بانك، وهو يوفّر صوراً راديوية عالية الدقة. وفي أستراليا، يقع المصفوف الأسترالي المدمج في نيو ساوث ويلز، ليشكّل امتداداً جنوبياً لهذه المنظومات. وعلى الجانب الأمريكي، يبرز المصفوف الكبير جداً للجيل القادم كمقراب راديوي مقترح لخلافة المصفوف الكبير جداً، في مؤشر على استمرار الحاجة إلى قدرات رصدية أوسع وأدق. وتجتمع هذه المشاريع على هدف واحد هو رفع حساسية الرصد ومدى تغطيته. ⁸

تكمن الميزة العملية لهذه التقنيات في ظروف الرصد التي تتيحها. فالمقاريب الراديوية قادرة على الرصد ليلاً ونهاراً، وهي أقل تأثراً بالطقس من المقاريب البصرية، ما يمنح الراصدين مرونة زمنية واسعة. ويضاف إلى ذلك قدرة الموجات الراديوية على اختراق الغبار والغاز بين النجمي، مما يتيح رصد مناطق لا تراها المقاريب البصرية. وبهذه الخصائص مجتمعة، فتح علم الفلك الراديوي نوافذ رصدية كانت مستحيلة في السابق، وجعل من أعماق المجرات وبيئاتها المليئة بالغبار مجالاً قابلاً للدراسة المنهجية. ¹

شكّل اكتشاف النباضات منعطفاً حاسماً في علم الفلك الراديوي، إذ إنه في عام 1967 اكتشفت جوسلين بيل بورنيل أول نباض راديوي عُرف باسم PSR B1919+21، وذلك في سياق الأرصاد الراديوية التي كانت تُجرى في ذلك الحين ⁶. وقد كشف مقراب لوفيل أول نباض معروف في العام نفسه، مؤكداً وجوده بوصفه جرساً راديوياً نابضاً ينبض على نحو منتظم ⁵. ومثّل هذا الكشف أول دليل رصدي مباشر على النجوم النيوترونية، تلك الأجرام البالغة الكثافة التي كانت حتى ذلك الحين حبراً على ورق في النظريات الفيزيائية الفلكية . وهكذا انتقلت النباضات من مجرد إشارات غامضة إلى أجرام سماوية حقيقية تُرصد وتُدرس.⁶

وفي عام 1968 أُعلن اكتشاف النباضات في مجلة نيتشر من قبل هويش وزملائه، فدخل الاكتشاف السجل العلمي الرسمي وأصبح محط أنظار الباحثين في الفيزياء الفلكية الراديوية ⁹. وقد اتضح لاحقاً أن النباضات ليست سوى نجوم نيوترونية سريعة الدوران تبث حزماً من الموجات الراديوية، تنطلق كمنارة كونية مع كل دورة محورية لها . وهذا التفسير الفيزيائي جعل النباضات مختبراً طبيعياً لدراسة المادة في أقصى حالات الكثافة والتجاذب، حيث تتحد قوانين الفيزياء النووية مع ديناميكا الأجرام المغناطيسية فائقة القوة. وبذلك تحول اكتشاف عرضي إلى نافذة رصدية على أعمق أسرار المادة الكونية.⁴

ولم يقتصر أثر هذا الاكتشاف على الجانب الرصدي فحسب، بل امتد إلى التقدير العالمي للجهود البحثية في الفيزياء الفلكية الراديوية. ففي عام 1974 مُنح أنتوني هويش جائزة نوبل في الفيزياء مع مارتن رايل لأعمالهما في الفيزياء الفلكية الراديوية ⁶. وقد تقاسم مارتن رايل وأنتوني هويش جائزة نوبل في الفيزياء عام 1974 لأبحاثهما الرائدة في الفيزياء الفلكية الراديوية . ويعكس هذا التتويج المكانة التي بلغها علم الفلك الراديوي في منتصف القرن العشرين، حيث انتقل من كونه فرعاً هامشياً إلى واحد من أعمدة الفيزياء الفلكية الحديثة. وهكذا ارتبط اسم النباضات وأسماؤهما في ذاكرة العلم.⁶

شكّل الكشف عن إشعاع الخلفية الميكروية الكونية منعطفاً حاسماً في تاريخ علم الفلك الراديوي وفي فهم بنية الكون على أوسع النطاقات. ففي عام 1965 اكتشف أرنو بنزياس وروبرت ويلسون هذا الإشعاع، وهو اكتشاف فتح باباً جديداً لدراسة الكون بالوسائل الراديوية. وقد قدّم هذا الاكتشاف دليلاً قوياً على نظرية الانفجار العظيم، إذ أضحى الإشعاع الميكروي الكوني أحد أركان النموذج الكوني الحديث. ولم يقتصر أثره على الجانب النظري، بل أرسى قاعدة رصدية صلبة انطلقت منها أجيال متلاحقة من المسابر والبعثات التي تخصصت في رسم خرائط هذا الإشعاع وتحليل تبايناته بدقة متزايدة عبر العقود.¹⁰

واصلت المسابر الفضائية هذا المسار الرصدي عبر قياس طيف الخلفية الميكروية الكونية ومتابعة تبايناته بدرجات عالية من الإحكام. ففي عام 1990 قاس القمر الصناعي مستكشف الخلفية الكونية هذا الطيف، مما وفّر قياساً مرجعياً معتمداً لخصائص الإشعاع. وتلا ذلك أن رسم مسبار ويلكينسون لتباين الميكروويف خريطة إشعاع الخلفية الميكروية الكونية في الفترة الممتدة من 2001 إلى 2010، فأصبحت هذه الخريطة أساساً لدراسة البنية الواسعة النطاق للكون. وقد تعزز بذلك التحليل الكوني الذي يستند إلى معطيات راديوية دقيقة، وانتقل علم الكونيات إلى طور جديد من القياس الكمي المنهجي لخصائص الإشعاع الكوني.¹⁰

لم يقتصر عطاء علم الفلك الراديوي على الإسهام في علم الكونيات، بل أدى إلى اكتشاف أصناف جديدة من الأجرام كان من أبرزها النباضات والكوازارات والمجرات الراديوية. وبهذا الكشف توسعت حدود التصنيف الفلكي، وصارت السماء الراديوية ساحة لرصد أجسام لم تكن معروفة قبلاً بالوسائل البصرية وحدها. ويعكس هذا الإسهام التحول العميق الذي أحدثته المقاريب الراديوية في رؤية الفلكيين للكون، إذ وفّرت معطيات لا نظير لها عن الأجرام شديدة الطاقة والبعيدة، ومهّدت لمسارات بحثية متعددة ما زالت تتوالد حتى اليوم على الصعيدين الرصدي والنظري معاً.⁴

كان لعلم الفلك الراديوي إسهام كبير في اكتشاف أشباه النجوم (الكوازارات) خلال الستينيات، إذ فتحت الأرصاد الراديوية آفاقاً جديدة أمام فهم الأجرام البعيدة. وقد كان أول مصدر راديوي ارتبط بجرم بصري هو Cygnus A، الذي تبيّن أنه مرتبط بمجرة بعيدة، ما مثّل نقطة تحوّل في الربط بين الانبعاثات الراديوية والأجرام المرئية بصرياً. وفي هذا السياق، أدّى مرصد باركس في أستراليا، الذي افتُتح عام 1961، دوراً محورياً في اكتشاف العديد من المصادر الراديوية، فوسّع خريطة السماء الراديوية وأتاح رصداً منصفاً للنصف الجنوبي منها. وبذلك أظهرت هذه الاكتشافات المتلاحقة أن الكون مليء بأجرام باعثة للموجات الراديوية، بما في ذلك أنوية المجرات النشطة ³

وفي مسار موازٍ، أحدث اكتشاف خط الهيدروجين عند 21 سم في عام 1951 ثورة في علم الفلك الراديوي، إذ أتاح رصداً طيفياً لوسط لم يكن ممكناً سبره بالوسائل البصرية. وقد صار هذا الخط أداة أساسية لرسم توزيع الهيدروجين المتعادل في المجرات، فكشف عن بنيتها الواسعة وحركتها. ولم يقتصر أثر الأرصاد الراديوية على ذلك، بل أدّت إلى اكتشاف أول عدسة جاذبية في عام 1979، وهو اكتشاف ربط بين التنبؤ النظري والرصد العملي.⁹