الفضاء والكون

كيف ينقذ علماء الفلك علم الفلك من الأقمار الصناعية – في الوقت الحالي


في ديسمبر 2020، وثق علماء الفلك انفجارًا من الضوء النشط للغاية في واحدة من أبعد المجرات التي تم رصدها على الإطلاق. ولكن بعد أقل من عام، ظلت ادعاءات الصحيفة في طي النسيان. وقال علماء آخرون إنه كان مجرد قمر صناعي عابر.

وقال كرزيستوف كامينسكي، عالم الفلك في معهد المرصد الفلكي في بولندا: “لقد شعرت بالحزن بعض الشيء لأن انفجار أشعة جاما تبين أنه مجرد قمر صناعي”. مركبة فضائية.

وقال لينهوا جيانغ، عالم الفلك في جامعة بكين في بكين والذي قاد الاكتشاف الأصلي، إن فريقه متمسك بعملهم، مضيفًا أن احتمال مرور قمر صناعي مباشرة أمام المجرة البعيدة في اللحظة المناسبة تمامًا كان ضئيلًا في أحسن الأحوال.

من المحتمل ألا يكون الخلاف هو المرة الأخيرة التي يتجادل فيها العلماء حول ما إذا كان القمر الصناعي العابر يتم الخلط بينه وبين اكتشاف فلكي.

تمتلئ مدارات الأرض بالأقمار الصناعية بوتيرة مذهلة. يوجد بالفعل أكثر من 9000 قمر صناعي يدور حول الكوكب، وأكثر من 5000 منها تنتمي إلى Starlink، الكوكبة التي بنتها شركة SpaceX لنقل خدمة الإنترنت إلى الأرض. ومن المقرر أن تنضم إليهم آلاف الأقمار الصناعية من شركات وبلدان أخرى في العقود المقبلة.

وكلما زاد عددها، زاد تدخل الأقمار الصناعية في قدرة علم الفلك الأرضي على الإجابة على أسئلة حول الكون، ومكانة البشرية فيه.

ولم ترد شركة SpaceX على طلبات التعليق. لكن علماء الفلك على الأرض قالوا إنهم غير مستعدين للتخلي عن سماء الليل لقطارات الأقمار الصناعية التي تم نشرها حديثًا. إنهم يجمعون بين التقنيات الجديدة والقديمة مع البراعة للتعامل مع العقبات المتزايدة التي تعترض ملاحظاتهم. كما أنهم يعملون أيضًا مع الصناعة لإيجاد إصلاحات لتعتيم الأقمار الصناعية. وهم يحاولون إقناع الهيئات التنظيمية بإيلاء المزيد من الاهتمام لصناعة الأقمار الصناعية المتنامية.

الاستراتيجيات تؤتي ثمارها – في الوقت الراهن. لكن سعي الباحثين للحفاظ على قوة علم الفلك يواجه عيوبًا أساسية. قد يستغرق الأمر عقودًا لبناء تلسكوبات جديدة، في حين يمكن إضافة عشرات الأقمار الصناعية الجديدة إلى سماء الليل كل أسبوع.

قالت ميريديث راولز، عالمة الأبحاث في مرصد فيرا سي روبين، وهو تلسكوب قوي تموله الولايات المتحدة في تشيلي ومن المقرر أن يبدأ العمل في عام 2025: “إن المقاييس الزمنية غير متطابقة للغاية. السرعة التي تصمم بها صناعة الأقمار الصناعية وإطلاق أجهزتهم يتم بسرعة البرق مقارنة بعلم الفلك.

لتصوير السماء ليلاً، قام مشغلو التلسكوبات لأكثر من قرن بالتقاط صور على ألواح زجاجية.

بدأ هذا يتغير مع ظهور أجهزة الكشف عن الأجهزة المقترنة بالشحنة. تم اختراع أجهزة CCD لأول مرة في عام 1969، وهي رقمية، حيث تلتقط الصور بمعدل أسرع بحوالي 100 مرة من كاميرات الأفلام.

في الثمانينيات، ظهرت بعض التلسكوبات الأولى ذات “عيون” CCD الإلكترونية. واليوم، تواصل التلسكوبات حول العالم الاعتماد على هذه التكنولوجيا الحائزة على جائزة نوبل. على الرغم من أن أجهزة CCD ليست أسرع تقنيات الكاميرا المتاحة الآن، إلا أنها الأكثر شيوعًا. كما يستغرق بناء أقوى المراصد الأرضية عقودًا، وقد تم تصميم العديد منها مع الأخذ في الاعتبار مستويات تقنيات التصوير في القرن العشرين.

ويشمل ذلك مرصد فيرا روبين، الذي سمي على اسم عالم فلك لعب دورًا مركزيًا في اكتشاف المادة المظلمة. وتشمل مهمتها اكتشاف الكويكبات التي تقتل الكواكب ودراسة العلاقة بين المادة المظلمة والطاقة المظلمة.

يعتمد التلسكوب على كاشف CCD ضخم يبلغ حجمه نفس حجم السيارة العادية تقريبًا، ولكنه أثقل بعدة آلاف من الجنيهات. إنها أكبر كاميرا رقمية فلكية تم إنشاؤها على الإطلاق. من خلال التقاط مجال واسع من السماء، من المفترض أن يطلع على أسرار الأشياء التي يمكن أن تراها العين البشرية 20 مليون مرة.

ولكن مع ملء السماء بالأقمار الصناعية، يشعر علماء الفلك الذين خططوا للاعتماد على تلسكوب روبين للاكتشافات العلمية بالقلق.

قال الدكتور راولز: “إن الهدف الأساسي من روبن هو فتح هذه النافذة الجديدة على الكون للعثور على أشياء لم نكن نعرف حتى كيف نبحث عنها”. “وبدلاً من ذلك، إذا كنا سننظر من خلال ما يعادل الزجاج الأمامي من الحشرات، فأنت لا تعرف ما الذي لن تراه.”

تقوم بعض التلسكوبات التي تستخدم كاشفات CCD بدراسة شريحة ضيقة من السماء بحيث لا تتداخل الأقمار الصناعية معها. لكن الرؤية الواسعة لتلسكوب روبين تطرح مشاكل فريدة من نوعها. أظهرت إحدى الدراسات أنه خلال أوقات معينة من الليل، تقريبًا كل صورة يتم التقاطها بواسطة التلسكوب سيتم تشويهها بواسطة قمر صناعي واحد على الأقل، إن لم يكن كثيرًا، مما يؤدي إلى ظهور أثر يبلغ عرضه مئات البكسلات.

وضع الدكتور راولز استراتيجيتين للتعامل مع هذا التهديد الذي يواجه التلسكوب: المراوغة والتصحيح.

إذا عرف علماء الفلك مسارات الأقمار الصناعية مسبقًا، فيمكن للتكنولوجيا توقع الأقمار الصناعية و”تفاديها” عن طريق إعادة توجيه التلسكوب مؤقتًا.

قال الدكتور راولز: «نستخدم خوارزمية لتحديد المكان الذي يشير إليه التلسكوب». وأضافت: “الخوارزمية رائعة، ويمكنها أن تأخذ في الاعتبار الكثير من الأوزان المختلفة”، بما في ذلك تجنب أسراب الأقمار الصناعية.

قال الدكتور راولز إن المراوغة يجب أن تزيل حوالي نصف الخطوط من تلسكوب فيرا روبين، اعتمادًا على عدد الأقمار الصناعية الموجودة في المدار.

بالنسبة لاستراتيجية التصحيح، قال الدكتور راولز إن العلماء يطورون خوارزميات لمسح البيانات من الأقمار الصناعية – وهي مهمة أكثر صعوبة بكثير – ولكنها أقل تعطيلًا للملاحظات.

ولكن نظرًا لأن الحلول البرمجية كلها غير كاملة وتمثل تحديًا، فقد اقترح بعض الخبراء أن يفكر صانعو التلسكوبات في تغيير أجهزتهم.

شارك دارين ديبوي، عالم الفلك في جامعة تكساس إيه آند إم، في بعض التلسكوبات الأولى في الثمانينيات التي استخدمت أجهزة CCD. في عام 2018، بدأ في اختبار كاشف أكثر انتشارًا واستخدامه في نهاية المطاف: CMOS، لأشباه الموصلات التكميلية لأكسيد المعدن، وهو نفس النوع الذي من المحتمل أن يكون موجودًا في كاميرا هاتفك الذكي.

قال الدكتور ديبوي: «على الرغم من أن الفيزياء متشابهة جدًا بالنسبة لكاشفات CCD وCMOS، إلا أن كيفية إخراج الإشارة تختلف قليلًا». “بالنسبة لـ CMOS، يمكنك قراءة جميع وحدات البكسل في وقت واحد، بينما يتعين عليك الانتظار لقراءة كل بكسل بشكل تسلسلي على كاشف CCD.”

على سبيل المثال، قال الدكتور ديبوي إنه في حين أن جهاز CCD الحديث قد يتطلب حوالي 10 ثوانٍ لتصوير مجرة ​​باهتة، فإن كاشف CMOS المكافئ سيستغرق ما يقرب من 10 مللي ثانية، أي أسرع بـ 1000 مرة. من خلال التقاط العديد من التعريضات السريعة، يستطيع علماء الفلك استئصال الإطارات التي لطختها الأقمار الصناعية أو الطائرات، ثم متوسط ​​الباقي لإنشاء صورة نهائية نقية.

وقال الدكتور ديبوي إن أجهزة الكشف الصغيرة CMOS تحظى بشعبية كبيرة بالفعل بين علماء الفلك الهواة الذين يمتلكون تلسكوبات هواية. يجد صعوبة في تخيل أن CMOS ليس المستقبل. لكنه، في الوقت الحالي، يقدر أن أقل من 10 تلسكوبات أكبر تستخدم هذه التكنولوجيا.

ويرجع جزء من هذا الاحتضان البطيء إلى أن القصور الذاتي أرخص.

وقال ريتشارد جرين، عالم الفلك في جامعة أريزونا والمدير المؤقت لمركز حماية السماء المظلمة والهادئة من تداخل كوكبة الأقمار الصناعية، إن شراء ودمج أجهزة الكشف الكبيرة CMOS لا يزال مكلفًا مقارنة باستخدام أجهزة الكشف CCD الموجودة. التي ترعى البحوث حول هذا الموضوع.

لاحظت الدكتورة راولز هذه المشكلة عندما سُئلت عما إذا كان بإمكان تلسكوب روبن استخدام تقنية CMOS.

وقالت: “إن مفهوم تغييره الآن مثير للضحك”. “لأن هذا يبدو كما لو كنت تقوم ببناء منزل وهم على وشك تركيب النوافذ فيه، فيقول أحدهم: “مرحبًا، هل يجب أن نستخدم أساسًا مختلفًا؟””

تدعم حكومة الولايات المتحدة تسويق الفضاء وترعى التلسكوبات مثل مرصد روبن. ولهذا السبب، قال الدكتور جرين إن الأمر متروك للحكومة للتعامل مع التأثيرات على علم الفلك، ربما عن طريق فرض رسوم على الشركات لدفع تكاليف تحديث التلسكوب.

وقال: “إذا قالت الحكومة إننا سنفعل ذلك من خلال فرض رسوم على مشغلي الأقمار الصناعية، فهذا أمر رائع”. “يجب أن يساعدنا شخص ما في الحكومة في التعامل مع التداعيات.”

ولم تتحرك الحكومة حتى الآن لإجبار مشغلي الأقمار الصناعية على المساعدة في دفع تكاليف تحديث التلسكوب. لكن بعض الشركات تحاول معالجة جوانب المشكلة.

ورفضت شركة SpaceX التعليق عندما سُئلت عن عمل الشركة لتقليل تأثيرات أقمارها الصناعية على العلوم. لكن علماء الفلك المطلعين على جهودها وصفوا بعضًا من العمل.

وعندما واجه مؤسس SpaceX، إيلون ماسك، انتقادات في عام 2019 بعد إطلاق أول أقمار ستارلينك الصناعية، قال على تويتر إنه “أرسلت ملاحظة“للمهندسين، مطالبينهم بتقليل انعكاسات ضوء الشمس من مركبات الشركة المدارية.

قال كاليب هنري، مدير الأبحاث في شركة Quilty Space، التي توفر تحليلات صناعة الفضاء: “تضم شركة SpaceX جحافل من المهووسين بعلم الفلك بين صفوفها، لذا فإن أهمية حماية هذا المجال العلمي لا تضيع عليهم”.

تضمنت المحاولة الأولى طلاءً ممتصًا للضوء أدى إلى تعتيم الأقمار الصناعية. ظهر نموذج أولي يسمى DarkSat في عام 2020، وفقًا لجوناثان ماكدويل، عالم الفلك في مركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية.

وقال: “كانت المشكلة في ذلك هي ارتفاع درجة حرارة المعدات بالداخل”. فشل القمر الصناعي.

قال الدكتور ماكدويل إن الخطوة التالية لشركة SpaceX هي تركيب مظلات على أقمارها الصناعية، وهي فكرة تم إلغاؤها بسرعة لأن الظلال لم تفعل سوى القليل لتعتيم الأقمار الصناعية فحسب، بل إنها منعت وصلات الليزر المتقاطعة التي كانت SpaceX تطورها لتمكين أقمارها الصناعية من التواصل مع بعض.

تضمنت أحدث محاولة للشركة طلاء فيلم عازل. وخلافا للتوقعات، فإن هذا جعل الأقمار الصناعية أكثر لمعانا. ولكن بدلاً من عكس ضوء الشمس إلى سطح الأرض، قامت المادة بإرجاعه إلى الفضاء، مما أدى إلى تخفيف شدة أي خطوط. وقالت شركة SpaceX إنها ستشارك هذه الطلاءات مع شركات تصنيع الأقمار الصناعية الأخرى.

خلال ساعات الشفق الحاسمة، حيث يتم إجراء العديد من عمليات الرصد الفلكية، بدأت شركة SpaceX أيضًا في تحريك أقمارها الصناعية لتوجيه ألواحها الشمسية بعيدًا عن الأرض. وللتعويض عن الخسارة في الطاقة الشمسية، قامت بتكبير حجم الألواح الشمسية للأقمار الصناعية، وهي تكلفة إضافية.

وقال الدكتور ماكدويل: “على جانب شركة SpaceX، فقد حققوا نجاحات حقيقية من أجل محاولة استيعابنا”.

تشير البيانات الأولية إلى أن التدخلات قد تكون ناجحة. وفي دراسة لم تخضع بعد لمراجعة النظراء، أفاد علماء الفلك أن أقمار ستارلينك الأحدث بدت أكثر قتامة بسبب انخفاض انعكاس ضوء الشمس على السطح.

وقال آشلي فاندرلي، أحد كبار المستشارين هناك، إن هذا العمل الذي قامت به SpaceX تم بالتنسيق مع مؤسسة العلوم الوطنية على أساس تطوعي.

على الرغم من أن حكومة الولايات المتحدة طلبت منذ فترة طويلة من مشغلي الأقمار الصناعية التنسيق مع مشغلي التلسكوبات الراديوية بشأن تقاسم عرض النطاق الترددي، إلا أنه لا توجد قواعد فيدرالية توفر الحماية لعلماء الفلك البصري. لكن القواعد التي ساعدت علماء الفلك الراديوي وفرت أساسًا لعلماء الفلك البصري لإجراء مناقشات مع شركات مثل SpaceX وAmazon.

قال الدكتور فاندرلي: “هذا هو المكان الذي كانت فيه أقدامنا على الباب لبدء التنسيق”.

قال الدكتور فاندرلي إن ما كان عبارة عن محادثات طوعية أصبح إلزاميًا في ديسمبر 2022، عندما طلبت لجنة الاتصالات الفيدرالية رسميًا من شركة SpaceX سلسلة من الإجراءات. وبينما ركزت العديد من المتطلبات على العمليات الآمنة في المدار، قالت الوكالة أيضًا إنه يجب على SpaceX التنسيق مع NSF “لتخفيف تأثير أقمارها الصناعية على علم الفلك البصري الأرضي”.

وكانت هناك حاجة إلى اتخاذ تدابير مماثلة بالنسبة لشركة أمازون كويبر. وقال تيم كيلبرايد، المتحدث باسم مشروع كويبر، إنه تشاور مع NSF، بالإضافة إلى مشاورات مع الاتحاد الفلكي الدولي.

بعد ذلك، بعد طلب من SpaceX، قامت لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC) بتوسيع المتطلبات لتشمل بعض شركات الأقمار الصناعية الأخرى في أغسطس 2023. كما شددت لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC) أيضًا متطلبات تخفيف الحطام لكوكبة SpaceX الضخمة، والتي استجابت لها الشركة من خلال مطالبة المنظمين بتمرير الإجراءات الأكثر صرامة لـ SpaceX. “أي كوكبة مكونة من 25 قمرًا صناعيًا أو أكثر.”

وصف الدكتور فاندرلي مفاوضات NSF المستمرة مع SpaceX بأنها مثمرة والطريقة الوحيدة للنجاح. ولكن بينما يتعاون علماء الفلك مع مشغلي الأقمار الصناعية حول هذه القواعد، فقد يتم الوصول إلى نقطة عندما تصبح محاولة الحد من تأثير الأقمار الصناعية غير مجدية، كما يقول الخبراء.

في الوقت الحالي، تمثل الأقمار الصناعية مصدر إزعاج – وهو ما وصفه الدكتور راولز بـ “الحاجب الأمامي للحشرات” – وليس تهديدًا حقيقيًا للعلم. ولكن ماذا يحدث عندما يصل عدد الأقمار الصناعية إلى مئات الآلاف أو أكثر، كما تتوقع بعض التوقعات، مع انضمام شركات أخرى والصين وروسيا والدول الأوروبية إلى الصراع المداري؟

قال الدكتور ماكدويل: “إنه لأمر رائع أن نتحدث عن عمليات التخفيف، ولكن تأتي نقطة حيث لا شيء يساعد حقًا، لذلك أعتقد أنك بحاجة إلى تقييد عدد الأقمار الصناعية على المدى الطويل”.





المصدر

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

زر الذهاب إلى الأعلى