طريقة جديدة تكشف كواكب مخفية بتلسكوب جيمس ويب
اكتشف فريق بحثي من جامعة نورثويسترن كوكب 51 Eridani b باستخدام طريقة FLIP الجديدة لمعالجة صور تلسكوب جيمس ويب التي تزيد الحساسية 15 مرة وتزيل وهج النجم بدقة، ما يمهد الطريق لرصد كواكب شبيهة بالأرض عبر تقنيات متطورة في وورلد برس عربي.
أظهر فريق من جامعة نورثويسترن أن بيانات تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) تحتوي على كوكب لم تستطع الطرق المعتادة إظهاره، وأن البرمجيات وحدها كانت كافية لكشفه. الكوكب هو 51 Eridani b، وقد ظهر في الصور عند الطول الموجي 4.3 ميكرومتر بفضل طريقة جديدة لمعالجة الصور تحمل اسم FLIP، وهي اختصار «التعلّم القائم على الفيزياء لتصوير الكواكب» (Physics-based Learning for Imaging Planets). ونشرت الدراسة في مجلة Nature، وقادها طالب الدراسات العليا Rodrigo Ferrer-Chavez من قسم الفيزياء والفلك في الجامعة الواقعة في ولاية إيلينوي. ويشاركه فيها Jason Wang، الأستاذ المساعد في كلية واينبرغ للآداب والعلوم بالجامعة نفسها.
وبحسب الباحثين، بلغت حساسية الطريقة من 2 إلى 15 ضعف حساسية التقنيات المعيارية. ويرون في ذلك خطوة نحو تصوير كواكب شبيهة بالأرض يوماً ما.
لماذا يصعب تصوير كوكب يدور حول نجم؟
يقول مؤلفو الدراسة إن تصوير الكواكب خارج المجموعة الشمسية هو الوسيلة الرئيسية لوصف الكواكب التي تدور على بُعد يتجاوز وحدة فلكية واحدة (1 au) وصفاً مفصّلاً. غير أن ذلك، على حدّ قولهم، «يتطلب كبح وهج النجم الساطع حتى يمكن رؤية ضوء الكوكب الخافت».
وحجم المشكلة يوضّحه Ferrer-Chavez بقوله: «الكواكب أخفت من نجومها بمليون مرة». ويضيف: «ولذلك نحتاج إلى إزالة هذا الوهج لتصوير الكواكب خارج المجموعة الشمسية. وهذه مشكلة بالغة الدقة، لأن أصغر التغيرات في التلسكوب قد تؤثر في شكل الوهج. فالإزاحات أو الميلان الطفيف، حتى على مقياس بضعة نانومترات فقط، قد يغيّر نمط الضوء».
ويستعين JWST بالكورونوغراف (Coronagraph)، وهو جهاز يحجب ضوء النجم ليتيح رؤية الأجرام الخافتة المحيطة به. وتوجد أجهزة كهذه في كاميرا الأشعة تحت الحمراء القريبة NIRCam وفي جهاز الأشعة تحت الحمراء المتوسطة MIRI، وهي تساعد في رصد أقراص الحطام وأشباه النجوم (الكوازارات) الساطعة. لكن هذه الأجهزة لها حدودها. ويقول المؤلفون إن التجهيزات المتطورة لا تكفي، فإلى جانبها «لا بد من معالجة فعّالة للصور من أجل كبح ضوء النجم، وما زال ذلك يشكّل قيداً كبيراً».
ما الذي يحدّ من ثبات التلسكوب؟
يتأثر وضوح الصور في JWST بتقلبات ميكانيكية وحرارية وبصرية تحول دون الحصول على صورة صافية. وقد رفعت أجهزة الاستشعار الدقيقة للتوجيه (Fine Guidance Sensor) وواقي الشمس المؤلف من 5 طبقات عتبة الثبات التي يبلغها التلسكوب، لكنهما لم يلغيا المشكلة.
ويقول Wang: «نحاول أن نجعل التلسكوبات شديدة الثبات، لكن هناك تحديات هندسية بالغة لم نحلّها تماماً بعد».
ويشرح مصادر عدم الثبات قائلاً: «هناك أسباب معروفة لعدم الثبات وأخرى مجهولة. فالتغيرات الحرارية الصغيرة قد تجعل المرآة تتمدد أو تنكمش بمقدار بيكومتر واحد. وتحتوي تلسكوبات مثل JWST على مبرّدات لإبقاء الأجهزة شديدة البرودة، وفي هذه المبرّدات محركات صغيرة قد تتسبب في اهتزاز المرايا. فهناك مشكلات من هذا النوع، وهناك أيضاً مشكلات لا نزال لا نفهمها ونحن نتعلم كيف نبني هذه التلسكوبات المعقدة».
كيف كان العلماء يزيلون وهج النجم، وما الذي تغيّر؟
يقول Wang: «على مدى السنوات العشرين الماضية، عالج الفلكيون هذه المشكلة برصد نجم آخر واستخدام صورته مرجعاً». ويضيف: «ثم يطرحون صورة المرجع هذه من الرصد الأصلي لإزالة الوهج غير المرغوب فيه، فتظهر الكواكب الخافتة التي ربما كانت ستبقى مخفية».
لكن الانتقال بين صور المرجع وصور الهدف يُدخل بدوره اضطرابات التلسكوب في الحسابات، فتتأثر النتيجة.
وتتجاوز FLIP هذا الأسلوب. فهي تجمع بين النمذجة القائمة على الفيزياء وأفكار من التعلّم الآلي وبيانات استشعار جبهة الموجة، أي القياسات التي تكشف انحرافات الضوء داخل التلسكوب. وتحاكي الطريقة بصريات JWST، بما فيها العيوب النانوية والإزاحات والتشوهات الدقيقة.
والغاية هي نمذجة دالة انتشار النقطة (PSF)، وهي الوصف الرياضي للطريقة التي يشوّه بها التلسكوب الضوء الذي يلتقطه أو يحرفه. وتشوّه هذه الدالة قد يحجب المصادر الخافتة، ومنها الكواكب، داخل وهج النجم. وقد ضُبطت FLIP لتعيد إنتاج رصدات JWST الفعلية، بما فيها الضوء النجمي الملوِّث.
ويقول الباحثون إن الطريقة «تعتمد استراتيجية تحسين متعددة المراحل مع نموذج فيزيائي مرن تسترشد فيه ببيانات استشعار جبهة الموجة، لبلوغ دقة دالة انتشار النقطة اللازمة للبيانات الحقيقية». ويصف Ferrer-Chavez الفكرة بقوله: «تنمذج طريقتنا مسار الضوء عبر التلسكوب وتأخذ في الحساب تلك التغيرات الدقيقة، ما يتيح لنا إزالة الوهج بدقة أكبر بكثير».
ماذا حدث حين اختُبرت على كوكب معروف؟
اختار الفريق اختبار FLIP على 51 Eridani b (نبذة عن الكوكب)، وهو كوكب اكتُشف سابقاً بتلسكوبات أرضية. وحدّد الباحثون الطول الموجي الذي يرصد به JWST ثاني أكسيد الكربون، لأنه مهم للتلسكوب ويلائم قدراته. وعند هذا الطول الموجي لم تستطع المعالجة المعيارية إظهار الكوكب. أما FLIP فكشفته عند 4.3 ميكرومتر.
ويقول مؤلفو الدراسة: «حققنا حساسية تفوق التقنيات المعيارية بما بين 2 و15 مرة، بما في ذلك أول رصد للكوكب 51 Eridani b عند 4.3 ميكرومتر». ويضيفون: «هذه هي المرة الأولى، بحسب علمنا، التي تُظهر فيها مقاربة كهذه تحسناً كبيراً في الحساسية على تصوير كورونوغرافي حقيقي من السماء». وخلصوا إلى أنهم أظهروا حساسية «تتجاوز حد الثبات في كاميرا NIRCam التابعة لـ JWST».
ويصف Wang النتيجة بقوله: «أثبتنا أننا نستطيع فعلاً استعادة كوكب لم يكن الناس قادرين على رؤيته من قبل». ويضيف: «هذه بيانات حقيقية في وضع حقيقي. كان هذا علماً متروكاً على الطاولة لأننا لم نكن نملك الأدوات المناسبة لتحليل البيانات على النحو الأمثل».
هل تقرّبنا FLIP من تصوير كواكب شبيهة بالأرض؟
الدراسة لا تدّعي ذلك بعد، لكنها تشير إلى الاتجاه. فتصوير الكواكب الأرضية المحتملة مباشرة يتطلب ثباتاً بالغاً في المراصد المقبلة. وقد يستعين مرصد العوالم الصالحة للسكن (Habitable Worlds Observatory) المقترح بـ FLIP لتصوير هذه الكواكب.
ويقول المؤلفون: «إذا أمكن توسيع هذا النهج ليبلغ مستويات التباين المطلوبة لهذا المرصد، فقد يخفَّف جزئياً شرط الثبات الفائق للمنظومة، ويتقلص هامش الخطأ المخصص لمعالجة الصور لاحقاً، وبذلك قد يصبح تصميم المرصد أيسر تنفيذاً». ويرون أن معالجة هذا التحدي «ستزيد عدد الكواكب القابلة للتصوير المباشر، وستكون خطوة مهمة نحو تصوير كواكب شبيهة بالأرض بمراصد المستقبل».
والمقصود بذلك أن البرمجيات قد تخفف جزءاً من العبء الذي يقع على الهندسة وحدها. أما حدود ما أُثبت حتى الآن فواضحة: الاختبار جرى على كوكب واحد معروف وبكاميرا واحدة هي NIRCam، ولا يزال بلوغ مستويات تباين المرصد المقترح مشروطاً بإمكان التوسيع، كما ورد في عبارة الباحثين.
ما الذي ننتظره من كواكب جديدة؟
يقول Ferrer-Chavez: «لا نعرف أي كواكب حول نجوم أخرى تشبه كواكب مجموعتنا الشمسية». ويتابع: «لا يعني ذلك أنها غير موجودة، بل إننا لا نستطيع رؤيتها. وفي كل مرة نحسّن تقنياتنا نكتشف أنواعاً جديدة من الكواكب. ومن خلال العثور على مزيد من الكواكب، يمكننا أن نفهم على نحو أفضل كيف تتشكل الأنظمة الكوكبية وتتطور، وفي النهاية إلى أي حد تُعدّ مجموعتنا الشمسية نموذجاً شائعاً».
ويبقى السؤال المفتوح هو مدى ما ستحققه FLIP حين تُطبَّق على كواكب أخفت وعلى مستويات تباين أصعب. ويمكن الاطلاع على الدراسة كاملة في Nature.
أخبار ذات صلة
رائدا الفضاء ينهيان تركيب الألواح الشمسية الجديدة على محطة الفضاء الدولية
الأشكال الغريبة للكويكبات تعقّد مهمة تحويل مسارها
جاذبية الأرض تأسر قمراً صغيراً جديداً لكنه لن يبقى طويلاً
