كيف يقيس الفلكيون المسافات

لماذا يصعب قياس المسافة

حين تنظر إلى سماء الليل يبدو كل نجم على المسافة نفسها، كأنه مرسوم على قبة. وقد يكون نجم خافت باهتًا لأنه بعيد، أو لأنه صغير. ومن دون معرفة المسافات لا يمكننا أن نعرف كم هو كبير أو ساطع أي جسم في الحقيقة.

حلّ الفلكيون هذه المشكلة خطوة بخطوة. فالطرق التي تصلح للمسافات القريبة تُستخدم لمعايرة طرق تصل أبعد، فيُبنى ما يسمى سُلّم المسافات الكوني. يشرح دليلنا عن السنة الضوئية الوحدات، وهنا ننظر في كيفية عمل كل درجة.

الرادار والليزر: المجموعة الشمسية

أكثر طرق قياس المسافة مباشرةً هي إرسال إشارة وتوقيت صداها. فمنذ ستينيات القرن العشرين ترسل التلسكوبات الراديوية موجات الرادار لترتد عن الزهرة والمريخ والكويكبات. ولأن موجات الراديو تسير بسرعة الضوء، فإن زمن الذهاب والإياب يعطي المسافة.

حددت هذه القياسات الوحدة الفلكية، أي متوسط المسافة بين الأرض والشمس. وفي عام 2012 ثبّتها الاتحاد الفلكي الدولي عند 149,597,870.7 كم بالضبط.

أما القمر فيطلق العلماء أشعة الليزر نحو عاكسات تركها روّاد أبولو والمركبات السوفيتية الجوالة. ويقيس توقيت الضوء العائد مسافة القمر بدقة تقارب 2.5 سم.

التزيح: النجوم القريبة

ارفع إصبعًا أمام وجهك وأغمض عينًا ثم الأخرى. سيقفز إصبعك أمام الخلفية. هذه الإزاحة هي التزيح، وكلما اقترب الجسم كبرت القفزة.

يفعل الفلكيون الشيء نفسه مستعينين بمدار الأرض. فهم يرصدون نجمًا بفاصل ستة أشهر، حين تكون الأرض على جانبين متقابلين من الشمس، ويقيسون مقدار إزاحته أمام نجوم أبعد. ثم تعطي الهندسة البسيطة المسافة. والنجم الذي يُزاح بمقدار ثانية قوسية واحدة يبعد فرسخًا فلكيًا واحدًا، أي نحو 3.26 سنة ضوئية.

الإزاحات ضئيلة جدًا، فحتى أقرب نجم يُزاح بأقل من ثانية قوسية واحدة. وكان فريدريش بيسل أول من قاس تزيحًا نجميًا عام 1838. أما مسبار غايا التابع لوكالة الفضاء الأوروبية، الذي أنهى أرصاده عام 2025، فقد قاس مواقع وتزيحات نحو ملياري نجم، فقدّم أدق خريطة ثلاثية الأبعاد لمجرتنا.

الشموع القياسية: النجوم القيفاوية

يفقد التزيح فاعليته خارج مجرتنا، فيلجأ الفلكيون إلى الشموع القياسية، وهي أجسام معروف سطوعها الحقيقي. وبمقارنته بسطوعها الظاهري نحصل على المسافة، تمامًا كما يبدو مصباح الشارع أخفت كلما ابتعد.

النجوم القيفاوية المتغيرة عمالقة نابضة يزداد سطوعها ويخفت بإيقاع منتظم. وفي عام 1912 اكتشفت هنرييتا سوان ليفيت أنه كلما طالت دورة النجم القيفاوي ازداد سطوعه الحقيقي. فإذا قسنا الدورة عرفنا سطوعه الفعلي.

وفي عشرينيات القرن العشرين استخدم إدوين هابل النجوم القيفاوية في مجرة المرأة المسلسلة ليبيّن أنها تقع بعيدًا خارج درب التبانة. واليوم يقيس تلسكوبا هابل وجيمس ويب الفضائيان نجومًا قيفاوية في مجرات على بُعد نحو 100 مليون سنة ضوئية.

المستعرات العظمى من النوع Ia والانزياح نحو الأحمر

للوصول أبعد يحتاج الفلكيون إلى شمعة أسطع. والمستعر الأعظم من النوع Ia هو انفجار قزم أبيض، وقد يفوق في ذروته سطوع مجرة كاملة. وتبلغ هذه الانفجارات سطوعًا أقصى متقاربًا، يمكن معايرته باستخدام مجرات تحتوي أيضًا على نجوم قيفاوية.

يمكن رؤية المستعرات العظمى من النوع Ia على بُعد مليارات السنين الضوئية. وفي عام 1998 استخدمها فريقان ليكتشفا أن تمدد الكون يتسارع، وهو عمل نال جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2011.

ولأبعد المجرات يعتمد الفلكيون على الانزياح نحو الأحمر. فمع تمدد الفضاء يتمطط الضوء الذي يعبره إلى أطوال موجية أطول وأكثر احمرارًا. وقد وجد هابل أن المجرات الأبعد لها انزياحات أكبر، لذا فإن قياس انزياح مجرة، مع نموذج للتمدد الكوني، يعطي مسافتها. وقد تمطط ضوء أبعد المجرات التي رصدها تلسكوب ويب أكثر من عشر مرات.

سُلّم يحمل لغزًا

كل درجة تعتمد على التي تحتها. فالرادار يحدد الوحدة الفلكية، والوحدة الفلكية تحدد التزيح، والتزيح يعاير النجوم القيفاوية، والقيفاويات تعاير المستعرات العظمى، والمستعرات العظمى تصل بعيدًا بما يكفي لقياس ثابت هابل، أي معدل تمدد الكون.

حتى عام 2026 يوجد تعارض عنيد يسمى توتر هابل. فقياسات سُلّم المسافات تعطي نحو 73 كم/ث لكل ميغافرسخ، بينما تعطي التنبؤات المبنية على الوهج المتبقي من الكون المبكر نحو 67. ويختبر العلماء شموعًا قياسية أخرى، مثل ألمع العمالقة الحمراء، ليعرفوا هل الفجوة خطأ في القياس أم علامة على فيزياء جديدة.

يمكنك تجربة التزيح بنفسك: صوّر جسمًا قريبًا أمام أفق مدينة بعيد من موضعين تعرف المسافة بينهما، ثم احسب بُعده. إنها الهندسة نفسها التي يستخدمها الفلكيون، لكن على نطاق أصغر بكثير.