يعتمد التحليل الطيفي في علم الفيزياء الفلكية على تحويل الضوء القادم من الأجرام السماوية إلى طيف رقمي ومقارنته بالبيانات الطيفية لمواد كيميائية مختلفة ومعروفة عند البشر، وتساعد هذه التقنية العلماء على تحديد كيمياء الجرم السماوي الذي انطلق منه هذا الضوء.
في سبتمبر من العام 2020 سرق كوكب في نظامنا الشمسي الأضواء من كوكب المريخ، ولفت انتباه المجتمع العلمي ووسائل الإعلام بعد أن أعلن فريق بحث دولي اكتشاف غاز الفوسفين في الغلاف الجوي لكوكب الزهرة، وأثار تقرير الفريق الذي نُشر في مجلة علم الفلك الطبيعي- nature astronomy جدلًا واسعًا حول احتمال وجود الحياة على هذا الكوكب، ويرجع ذلك أساسًا إلى أن الأنظمة البيئية اللا هوائية -التي لا تحتاج هواء ولا أكسجين- تنتج الفوسفين.
مع ذلك، وبصرف النظر عن وجود حياة على الزهرة من عدمها، فإن هذا الاكتشاف يثير أسئلة أخرى لا تقل أهمية، منها: كيف تمكن العلماء من معرفة كيمياء كوكب الزهرة من هنا على الأرض؟
لحسن الحظ، يترك الضوء الذي تلتقطه تليسكوباتنا بصمة خاصة به تحمل معلومات دقيقة حول الأجسام السماوية التي انطلق منها، ويستخدم العلماء أداة خاصة لمعالجة هذه المعلومات، تُسمى التحليل الطيفي الفلكي.
بدايات علم الفلك:
يرجع فضول البشر بالكون وافتتانهم بأجرامه إلى قديم الزمان، إذ ترك أسلافنا الأوائل رسومات كثيرة على جدران الكهوف تُشير إلى اهتمامهم البالغ بعلم الفلك وقضائهم أوقاتًا كبيرة في مشاهدة سماء الليل وتسجيل ملاحظات فلكية، مثل التنبؤ بالكسوف باستخدام الرياضيات، وتحديد الأبراج بالعين المجردة. بكل بساطة، لقد فتننا سحر النجوم دومًا.
كان الاعتماد على العين المجردة لمراقبة السماء هو الخيار الوحيد حتى القرن السابع عشر، عندما بدأ جاليليو في استخدام المنظار -التلسكوب المُبكّر- في علم الفلك. كان الهولندي هانز ليبرشاي -صانع زجاج النظارات- أول من صنع التلسكوب المنكسر، بينما كان جاليليو أول من استخدمه في علم الفلك، الذي سمح له برؤية أشياء مذهلة في نظامنا الشمسي، مثل الحفر على سطح القمر، والبقع المظلمة على سطح الشمس، وحلقات زحل، وأقمار كوكب المشتري. لم يكن جاليليو يعلم وهو يحدق من خلال منظاره إلى السماء أن البشرية في يوم من الأيام ستكون قادرة ليست فقط على التحديق في السماء والتقاط الصور، بل وتحليل كيمياء الكون من داخل كوكبنا المريح والدافئ.
في عام 1814، ابتكر اختصاصي البصريات جوزيف فون فراونهوفر منظار التحليل الطيفي- spectroscope، وهو تلسكوب تم تعديله باستخدام المزواة أو التيودوليت -جهاز بصري يستخدم لقياس الزوايا- وبذلك أصبح فون فراونهوفر أول عالم فلكي يدرس الطيف الضوئي القادم من الأجرام السماوية المختلفة، مثل القمر والشمس والكواكب الأخرى والنجوم.
مع ذلك، فإن أول من أسّس لعلم التحليل الطيفي الحديث هما الكيميائيان روبرت كيرشوف وروبرت بنزن، إذ سبقا غيرهما من العلماء في ربط الخطوط الطيفية بكيمياء جسم ما، ولم تقتصر أعمالهم على تحديد الطبيعة التنبؤية للأطياف الضوئية، بل اكتشفا أيضًا باستخدام تقنيتهم عنصرين جديدين: الروبيديوم والسيزيوم.
بالعودة الآن إلى حاضرنا، نعتمد على قوة التلسكوبات والتحليل الطيفي لدراسة التركيبة الكيميائية للأجرام السماوية، حتى تلك الكائنة خارج مجرتنا درب التبانة.
لكن قبل أن نتكلم عن التحليل الطيفي، قد يكون من الأحسن أن نستعرض ولو بسرعة بعض خصائص الضوء.
الضوء شكل من أشكال الطاقة ينتقل كموجة. إنه شكل من أشكال الطيف الكهرومغناطيسي، والذي يتراوح من موجات الراديو إلى أشعة جاما، ونحن لا يمكننا رؤية سوى الجزء الأوسط من هذه الأشعة، يُسمى الضوء المرئي، ويتم التفريق بين أنواع الطيف الكهرومغناطيسي بناءً على طول الموجة وترددها.
الطيف الكهرومغناطيسي
ما هو الطيف؟
عند مرور الضوء وتفاعله مع جسم ما يتكون طيف كهرومغناطيسي خاص به يميزه عن غيره، مثل بصمة أصبع الإنسان.
على سبيل المثال يتكون طيف قوس قزح حين يتفاعل ضوء الشمس مع قطرات المطر، وتتمايز الأطياف الضوئية بناءًا على خواص المواد التي تتفاعل معها، فإذا تحصلنا على معلومات كافية حول الطيف ونوع الضوء المنبعث تمكّنا بسهولة من استنتاج ماهية المادة التي تفاعل معها. هذا بالضبط ما يمكننا القيام به بالتحليل الطيفي: دراسة وتحليل الأطياف الضوئية واستنتاج المادة التي تفاعلت وانطلقت منها.
كيف ينشأ الطيف ؟
على الرغم من عدم وضوح كيفية نشوء الطيف للعين المجردة، فإن كل شيء في الكون يتحرك بإيقاع خاص على المستوى الذري؛ والأشياء كلها تتكون من ذرات، والذرات لها إلكترونات تهتز وتتذبذب باستمرار مثل الموجة، وعندما يسقط الضوء عليها تتفاعل بطرق فريدة.
تميل الإلكترونات الموجودة في ذرات مستقرة إلى البقاء في حالتها الاعتيادية، لكن عندما تُثار وتتفاعل مع مصدر طاقة خارجي -الضوء أو الحرارة مثلًا- فإنها تمتص هذه الطاقة حتى تصل لحالة التهيج والإثارة، لكنها في آخر المطاف تعود دائمًا إلى وضعها الاعتيادي بإصدار تلك الطاقة التي امتصتها في المقام الأول، وتؤدي عملية امتصاص الضوء وانبعاثه إلى تشكل أنواع مختلفة من الأطياف.
ما هو التحليل الطيفي ؟
تكون الطاقة الممتصة أو المنبعثة عند تهيج الإلكترون أو استقراره فريدة من نوعها بالنسبة للتركيب الجزيئي للمادة. على سبيل المثال، تكون ترددات الضوء الممتص من قبل إلكترونات ذرة الصوديوم مختلفة تمامًا عن ترددات الضوء الممتص من قبل الكربون. ومن ثمّ فإن الضوء المنبعث من الأكسجين سيكون مختلفًا تمامًا عن الضوء المنبعث من الفوسفين.
الطيف المرئي المنبعث من ذرة الصوديوم
الطيف المرئي المنبعث من ذرة الكربون
مثلما تترك أصبع الإنسان بصمتها الخاصة على الأشياء التي تلمسها كذلك يترك الضوء بصمته الكيميائية الخاصة على المواد التي يتفاعل معها (الامتصاص والانبعاث)، وتُسمى دراسة هذه البصمات أو الأنماط “التحليل الطيفي”.
التحليل الطيفي الفلكي
تلتقط عدسات تلسكوباتنا الضوء القادم من الأجرام السماوية، ويمر هذا الضوء من خلال فتحة صغيرة ليدخل المطياف الذي بداخله مرآة موازية -مرآة مكافئة تحول الضوء الداخل إلى أشعة متوازية- ويصطدم هذا الضوء بمرآة تحتوي على محزوز الحيود -أداة تستخدم لفصل وتفريق الضوء إلى مكوناته اللونية أو الاطوال الموجية المكونة له- وهذا يؤدي في النهاية إلى تشكل طيف على مرآة أخرى، ومن ثمّ يُلتقط هذا الضوء بواسطة جهاز خاص حساس للضوء ويُحوّل إلى طيف رقمي.
طريقة عمل العدسات الطيفية الدقيقة
بعدها يُقارن هذا الطيف الرقمي بالبيانات الطيفية لمواد كيميائية مختلفة معروفة لدى العلماء، ويساعدهم هذا التحليل الطيفي على تحديد كيمياء المصدر السماوي الذي أطلق هذا الضوء، ولا تمدنا البيانات الطيفية بمعلومات حول التركيب الكيميائي للأجرام السماوية فحسب، بل توفر لنا أيضًا معلومات حول نوعها ومحيطها ونوع حركتها.
إذا رُصِد الضوء مباشرة من مصدر حار، مثل نجم أو كوكب أو سديم، فإننا سنرى طيفًا مستمرًا. لكن معظم الكواكب أو النجوم محاطة بغلاف جوي من الغازات التي تكون عادة أكثر برودة من المصدر الذي ينبعث منه الضوء. وتمتص الغازات الباردة بعض ترددات الضوء المنبعث من مصدره، وعندما تلتقطه عدساتنا، تظهر هذه الترددات الممتصة أكثر قتامة على الطيف المُتولد، وتُعرف هذه الأنواع من الأطياف بالامتصاص أو أطياف الخط المظلم.
من ناحية أخرى، إذا راقبنا الغازات المحيطة بدلاً من المصدر، فإننا سنرى تلك الترددات الممتصة تنبعث مرة أخرى كخطوط لامعة متولدة في الطيف، وتُعرف هذه الأنواع من الأطياف باسم أطياف الانبعاث أو الخطوط المضيئة.
أنواع الأطياف
نعرف كلنا أن الكون يتوسع باستمرار، وهذا يعني أن بعض الأشياء تبتعد عنا، بينما يقترب بعضها. ويُمكن تحديد هذه الحركة من خلال دراسة التحولات الطارئة على الطيف. على سبيل المثال، قارن العلماء الخطوط الطيفية المنبعثة من الهيدروجين من نجم يُعتبر ثابتًا بالنسبة إلى الأرض بأطياف أخرى لنفس الذرة مُنبعثة من أجرام سماوية أخرى.
وخلص العلماء إلى أن الخطوط الطيفية لذرة الهيدروجين الصادرة من الجسم الذي يتحرك مبتعدًا عنا تتحول إلى اللون الأحمر، أي منطقة الطول الموجي الأطول من الطيف، وتُسمى هذه الظاهرة الانزياح نحو الأحمر Red shift، أما الخطوط الطيفية للجسم الذي يقترب منا تتحول نحو اللون الأزرق، أي الطول الموجي الأقصر من الطيف، وهو ما يُسمى الانزياح نحو الأزرق blue shift. ويُطلق العلماء على هذه التحولات الملحوظة في الأطوال الموجية اسم انزياح دوبلر – Doppler Shift.
أنواع الأطياف
تمدنا الخطوط الطيفية بكثير من المعلومات حول الأجسام السماوية المختلفة، مثل درجة حرارتها وكثافتها ومجالاتها المغناطيسية.
خاتمة:
لطالما كان الجنس البشري مفتونًا بسماء الليل والتحديق في نجومها المتلألئة، لكن الفارق الآن أننا انتقلنا من التحديق بالعين المجردة إلى التحديق باستخدام تلسكوب هابل والحصول على صورة مجرة أندروميدا التي تبعد عنّا 2.5 مليون سنة ضوئية، وكل يوم نتعمق أكثر في فضاء هذا الكون ونحاول أن نفهمه بشكل أفضل ونكشف عن الأسرار المُخبأة في صمت خارج كوكبنا، مثلما قال عالم الفلك كارل ساغان: «هناك في مكانٍ ما شيءٌ مذهلٌ ينتظر أن يُكتشف».
اقرأ أيضًا:
ما هو الإشعاع الكهرومغناطيسي ؟
كل ما تود معرفته عن وجود الحياة على كوكب الزهرة
ترجمة: رضوان بوجريدة
تدقيق: جعفر الجزيري
