التلسكوب الضخم للغاية (ELT): أعظم معجزة في علم الفلك

التلسكوب الضخم للغاية سيكسر الأرقام القياسية الفلكية

يتماشى تقدم علم الفلك إلى حد كبير مع التقدم التقني في تصنيع التلسكوبات. من النماذج الأولية المصنوعة يدوياً بواسطة جاليليو، إلى القوة التقنية الناتجة عن التعاون الدولي اليوم، لا يزال هذا صحيحاً.

خطوة أخرى كانت نقل التلسكوبات من الأرض إلى الفضاء، مثل تلسكوب هابل ومؤخراً مع James Webb space telescope (اتبع الرابط للحصول على تحليل مفصل لهذا المشروع العلمي الضخم).

سبب فعالية التلسكوبات الفضائية هو أنها محصنة من تداخل الغلاف الجوي للأرض والطقس، مما قد يقلل من جودة الصورة.

مع ذلك، لا تزال التلسكوبات الأرضية تتمتع ببعض المزايا مقارنةً بالتلسكوبات الفضائية. وعلى وجه الخصوص، حجمها المحتمل، إذ إن رفع معدات ضخمة إلى المدار لا يزال مهمة معقدة ومكلفة للغاية.

إمداد الطاقة، الصيانة، والترقيات التقنية أيضاً أسهل بكثير على الأرض، بينما من الصعب تقريباً إصلاح أو تعديل التلسكوبات الفضائية لاحقاً، خاصةً تلك التي تبعد ملايين الكيلومترات عن الأرض، مثل تلسكوب جيمس ويب الفضائي.

ما زال قيد الإنشاء، مشروع يُدعى Extremely Large Telescope (ELT) يُظهر إمكانات التلسكوبات الأرضية. يقع في تشيلي، وسيكون أكبر تلسكوب في العالم تم بناؤه على الإطلاق، أكبر بعدة مرات من الرقم القياسي السابق، ويُعدّ أعجوبة هندسية.

سلسلة طويلة من التلسكوبات الضخمة في تشيلي

التلسكوب الضخم للغاية هو أحدث مشروع للمجتمع الدولي من الفلكيين لفك أسرار الكون.

في نفس المنطقة التي يقع فيها ELT، يوجد مرصد بارانال، الذي تديره المرصد الأوروبي الجنوبي (ESO)، وعلى بعد 23 كيلومتراً (14 ميلاً) من موقع بناء ELT.

المصدر: ESO

بارانال هو موقع التلسكوب الضخم جداً (VLT)، سلف التلسكوب الضخم للغاية (ELT)، وهو الآن قيد الإنشاء. يُدار VLT منذ عام 1998 من قبل ESO، واستخدم آنذاك مرآة أولية ضخمة قياسية بقطر 8.2 متر (27 قدم).

ELT سيتفوق على VLT، بمرآة أولية مقسمة بقطر 39.3 متر (130 قدم).

لماذا تشيلي؟

نفس الموقع التشيليني يُستخدم من قبل مرصد فيرا سي. روبن، وهو تلسكوب مسح يراقب السماء المرئية بأكملها دفعة واحدة، ويستخدم الذكاء الاصطناعي المتقدم لاكتشاف التغييرات في نشاط النجوم.

سيُقَام ELT أيضاً في تشيلي، التي تتمتع بأحد أفضل الظروف لعلم الفلك.

الموقع المختار يتمتع بمتوسط 270 ليلة صافية سنوياً.

فيرا سي. روبن، VLT، وقريباً ELT، كلها تقع على ارتفاع عالٍ، حيث يُبنى ELT على ارتفاع 3,046 م (9,993 قدم) فوق مستوى سطح البحر.

كان جبل سيرو أرمازونس يرتفع 10,052 قدم (3,064 م) فوق مستوى سطح البحر، لكن في يونيو 2014، تم تفجير القمة لتسوية القمة لأغراض البناء، مما خفض ارتفاعه بمقدار 60 قدم (18 م) وإزالة حوالي 220,000 م³ من الصخر (263,000 ياردة مربعة).

المصدر: ELT

هذا الارتفاع العالي يساعد على تقليل اضطراب الغلاف الجوي، ويُعزّزه انخفاض رطوبة الصحراء، كما يوفر موقعًا معزولًا بعيدًا عن تلوث الضوء في المدن الكبيرة.

موقع سيرو أرمازونس في صحراء تشيلي الجافة وعلى ارتفاع عالٍ يجعله مثالياً للمراقبة الفلكية.

ارتفاع الموقع فوق مستوى سطح البحر لا يسبب مشاكل لوجستية للعمليات، مع تلبية متطلبات العلم من حيث انخفاض بخار الماء القابل للترسيب ودرجات الحرارة التشغيلية المنخفضة.

متوسط هطول الأمطار في السنة حوالي 100 مم، مع قيمة رطوبة نسبية متوسطة تبلغ 15٪.

نظرة عامة على ELT

البناء

تمت مناقشة المشروع منذ عام 2005، وبدأ مشروع ELT في عام 2010، عندما تم النظر في عدة مواقع في تشيلي ودول أخرى (الأرجنتين، جزر الكناري، المغرب، القارة القطبية الجنوبية) في البداية، قبل اختيار قمة جبل سيرو أرمازونس، جزئياً بسبب قربها من البنية التحتية القائمة لمرصد بارانال.

المصدر: ELT

في عام 2012، تمت الموافقة على المشروع من قبل مجلس ESO، وبدأت أعمال البناء في عام 2014.

في البداية كان يُسمى التلسكوب الأوروبي الضخم للغاية (E-ELT)، وتم اختصار الاسم إلى ELT في عام 2017.

وصل البناء إلى علامة 50٪ في عام 2023، وبدأ أول جزء من المرآة يصل إلى تشيلي في عام 2024، ومن المتوقع أن تُستكمل المرآة الثانوية في عام 2025.

من المتوقع تحقيق مزيد من التقدم في عام 2026 مع الانتهاء النهائي للهيكل، وفي عام 2027 مع إكمال المرايا الثلاثية وM4 وM5، بالإضافة إلى المرآة الأولية الرئيسية.

من المتوقع أن يحصل ELT على “الضوء الأول” في عام 2029 وأول ملاحظات علمية في عام 2030. يجب أن يعمل لأكثر من 30 سنة من تلك النقطة.

المصدر: Cosmos Magazine

بشكل عام، فإن البناء بأكمله ضخم، تقريباً بارتفاع وحجم أكبر من تمثال الحرية.

المصدر: Space.com

خلال هذه المرحلة الأولية، نوقشت خيارات التصميم من قبل العلماء ودول الشركاء في المشروع.

تم تفضيل التصميم الحالي على مفهوم أكثر طموحاً لكن أقل واقعية، وهو التلسكوب الضخم للغاية (Overwhelmingly Large Telescope)، بمرآة ضخمة بقطر 100 م (328 قدم)، والذي كان يُعتبر مكلفاً للغاية ومعقداً للبناء.

بينما تم حل معظم القضايا التقنية الآن، كان ذلك مسعىً معقداً، جمع عمل أكثر من 170 عالماً، منظمين في عدة مجموعات عمل، لإنشاء محاكاة للتلسكوب المستقبلي وكيفية تحسين قدرة توليد الصور.

المصدر: ELT

في المجموع، من المتوقع أن تبلغ تكلفة ELT حوالي 1.45 مليار يورو، وقد تم تأمين ميزانيته بالكامل بالفعل.

أهداف ELT

تم تصميم التلسكوب الضخم للغاية للإجابة على بعض أكبر أسئلة علم الفلك. تشمل أهدافه العلمية الرئيسية ما يلي:

1. النظام الشمسي

دراسة أجواء الكواكب الغازية، النشاط البركاني على أقمار المشتري وزحل، حزام الكويكبات، والأجسام المتجمدة في حزام كويبر.

2. الكواكب الخارجية

تصوير مباشر للكواكب الصخرية في المناطق القابلة للحياة وتحليل أجوائها للبحث عن بخار الماء، الأكسجين، والميثان باستخدام ANDES spectrograph.

3. النجوم

التحقق من كيفية تكوّن النجوم وتطورها عبر بيئات مختلفة.

4. الثقوب السوداء

متابعة النجوم التي تدور قريباً من Sagittarius A* لفهم أفضل للثقب الأسود الفائق الكتلة في مركز مجرة درب التبانة.

5. المجرات

تحديد المجرات البعيدة جداً وتوسيع الاكتشافات التي حققها تلسكوب جيمس ويب الفضائي.

6. المادة المظلمة

استكشاف الصلة بين المادة المظلمة وانفجارات أشعة غاما.

7. الفيزياء الأساسية

اختبار ما إذا كانت ثوابت الطبيعة، مثل سرعة الضوء ونسبة كتلة البروتون إلى الإلكترون، قد تغيرت عبر الزمن الكوني.

8. مفاجآت قادمة

مثل اكتشاف هابل غير المتوقع للطاقة المظلمة في عام 1998، قد يكشف ELT عن ظواهر جديدة تماماً.

المواصفات التقنية لـ ELT

اسحب للتمرير →

ستُبنى المرآة الرئيسية لـ ELT، بقطر 39.3 متر (128 قدم)، باستخدام 798 قطعة مرآة سداسية، مما ينتج مساحة جمع ضوء قدرها 978 متر مربع (10,527 قدم مربع).

معاً، ستستهلك جميع المرايا في ELT 140 طنًا من الزيرودور (زجاج-سيراميك ليثيوم-ألومينوسيليكات) في مرايا التلسكوب، وهو منتج تملكه الشركة الألمانية Schott AG، التابعة لمؤسسة كارل زيس، وخبيرة في تقنية صهر الزجاج الدقيق.

المصدر: ELT

تم تصميم هذا التلسكوب لالتقاط وتحليل الضوء المرئي والقريب من الأشعة تحت الحمراء. سيلتقط ضوءًا أكثر بـ 20 مرة من وحدة VLT، و8,000,000 مرة أكثر من تلسكوب جاليليو، و100 مليون مرة أكثر من العين البشرية.

• اُستخدم 30 مليون مسمار في هيكل القبة، التي تزن 6,100 طن.
• الهيكل الرئيسي يزن ما يعادل 3,700 طن، وسيُستخدم ما مجموعه 10,000 طن من الفولاذ.
• تستخدم التلسكوبات والأنظمة المرتبطة بها 500 كلم (310 ميل) من الكابلات الكهربائية و1,500 كلم (930 ميل) من الألياف الضوئية.

المصدر: ELT

مرايا ELT

سيستخدم ELT تصميمًا من 5 مرايا سيُكَبِّر صور النجوم عبر نظام معقد، وفي النهاية ينعكس الصورة في نقطة معينة.

تلتقط مرآة M1 ضوء النجوم، ثم تعيد توجيهه إلى المرآة المحدبة M2، وهي أكبر مرآة ثانوية تم استخدامها على الإطلاق في تلسكوب، والتي تنعكس الصورة على M3.

ثم تُرسل الصورة إلى المرآة المسطحة المتكيفة (M4) أعلاها، التي ستعدل شكلها ألف مرة في الثانية لتصحيح التشوهات الناجمة عن اضطراب الغلاف الجوي.

أخيراً، تُرسل الصورة إلى M5، مرآة مسطحة قابلة للإمالة ستُثبِّت الصورة وتُرسلها إلى أدوات ELT.

M1

هذه المرآة، التي تتألف من 798 قطعة سداسية فردية، كل واحدة بطول 1.4 متر. كل مكوّن يزن 250 كغ ويبلغ سمكه حوالي 5 سنتيمترات (2 بوصة).

المصدر: ELT

نظرًا لأن كل مكوّن يحتاج إلى العمل كمرآة موحدة، يجب التحكم في موقعه بدقة شديدة. يجب أن يحافظوا على دقة بمقاييس عشرات النانومتر (ألفا مرة أرق من شعر الإنسان) عبر كامل القطر البالغ 39 مترًا.

لمنع انحنائها أو تأثرها بالتمدد الحراري، يُدعم كل قطاع على شجرة 27 نقطة (27-point whiffletree)، وهو آلية لتوزيع الدعم بالتساوي عبر الجزء الخلفي من القطاع باستخدام 27 نقطة اتصال عبر سطحه.

في المجموع، تستخدم المرآة 2,500 مشغل تموضع (PACTs) و9,000 حسّاس حافة للحفاظ على محاذاة عناصر المرآة بشكل مثالي.

M2 و M3

تُستخدم هاتان المرآتان المنحنيتان لتكوين صورة صالحة من الضوء الذي جمعته مرآة M1.

M2 هي مرآة بقطر 4.25 متر، أكبر مرآة ثانوية بصرية تم استخدامها على الإطلاق في تلسكوب.

M3 هي مرآة بقطر 4 أمتار، وتزن كل منهما ما يصل إلى 3 أطنان.

المصدر: ELT

كان من الصعوبات الإضافية تعليق M2 مقلوبة فوق M1، على ارتفاع 60 مترًا فوق الأرض.

لضبط مرآة M2، سيتم تحريك التجميع بأكمله باستخدام ستة مشغلات تموضع (hexapods). الدقة النسبية لهذا الـ hexapod، الذي سيتحرك كل بضع دقائق، هي في نطاق أقل من الميكرو متر.

M4

M4 هي أكبر مرآة متكيفة تم بناؤها على الإطلاق وستصحح اضطراب الغلاف الجوي والاهتزاز المتبقي للتلسكوب نفسه.

تعني “المرآة المتكيفة” أن سطحها يمكن تشويهُه، بفضل أكثر من 5000 مشغل يغيّر شكل المرآة حتى 1000 مرة في الثانية.

تستخدم مرآة M4 نفس مبدأ مكبر الصوت؛ فالمرآة مصنوعة من غلاف رقيق يطفو على بعد 90 ميكرون من سطحها المرجعي (ما يعادل سمك ورقة A4 القياسية)، وتعمل كغشاء يتشوه تحت تأثير حوالي 5000 مشغل لفة صوتية.

يبلغ قطر M4 2.4 متر (8 أقدام). سيتكون من ستة مرايا قطاعية رقيقة، كل واحدة بسماكة 1.95 ملليمتر (0.1 بوصة) ومصنوعة من زجاج سيراميك.

لتحديد التصحيحات المطلوبة، سيُنشئ التلسكوب “نجومًا صناعية في السماء” باستخدام ليزر قوي لتشجيع ذرات الصوديوم في الغلاف الجوي العلوي للأرض وقياس تشوشها. كلما زادت قوة الليزر، زاد عدد ذرات الصوديوم التي يُشجعها، مما يجعل النجم الصناعي أكثر سطوعًا ويحسّن تصحيح الاضطراب.

المصدر: ELT

M5

هذه المرآة هي المسؤولة عن إرسال الصورة النهائية، التي تم تصحيحها من تشويش M4، إلى الكاميرا الرقمية التي تسجل الصورة الملتقطة.

ستكون M5 مرآة مسطحة بيضاوية أبعادها 2.7 × 2.2 متر، مُصنّعة من ستة قطاعات خفيفة من كربيد السيليكون ملحومة معًا.

تُثبِّت الوحدة أيضاً حركات الصورة، التي تُسببها آليات التلسكوب واهتزازات الرياح، عن طريق ضبط زاوية ميلان المرآة بدقة تصل إلى بضعة عشرات من الميلي أركث.

شركاء ELT

لإدارة إنتاج هذه الآليات التحكمية فائقة الدقة و”الزجاج” المتخصص بالمثل، كان الشركاء الصناعيون، معظمهم من الشركات الأوروبية، أساسيين للمشروع.

من بين الأكثر فاعلية، المفتاح في إنتاج الزجاج ثم صقله إلى الدقة المطلوبة، كانت على التوالي الشركة الألمانية Schott AG، والشركة الفرنسية Safran. شركة VDL ETG Projects B.V. في هولندا مسؤولة عن إنتاج واختبار دعائم القطاعات، التي تشكل العمود الفقري للمرآة.

العديد من الشركاء الصناعيين والأكاديميين الآخرين لـ ELT قدموا التصميم، الشحن، البناء، المعدات الخاصة، أدوات القياس، الأدوات الميكانيكية، المبادلات الحرارية، الكاميرات، إلخ.

المصدر: ELT

أدوات ELT

إلى جانب المرآة التي تلتقط ضوء الكواكب والنجوم البعيدة، ستقوم العديد من الأدوات بتحليل هذا الضوء لتمكين العلماء من دراسته. أهم أداة لـ ELT ستكون:

• MORFEO (Multiconjugate adaptive Optics Relay For ELT Observations): هذه الأداة لن تلتقط صورة بحد ذاتها، بل ستساعد في تعويض تشوه الضوء الناجم عن اضطراب الغلاف الجوي للأرض الذي يجعل الصور الفلكية غير واضحة.
• HARMONI (High Angular Resolution Monolithic Optical and Near-infrared Integral field Spectrograph): يمكن لهذه الأداة تفكيك صورة بدقة عالية إلى أقسام منفصلة، وتحليل كل منها للأطوال الموجية الفردية باستخدام مطياف قوي، كاشفةً تركيبة الكواكب والنجوم.
• MICADO (Multi-AO Imaging Camera for Deep Observations): ستلتقط صورًا عالية الدقة للكون بأطوال موجية قريبة من الأشعة تحت الحمراء، مما يساعد على تحديد الكواكب الخارجية، وتمييز النجوم الفردية في مجرات أخرى، والتحقق من المركز الغامض لمجرة درب التبانة.
• METIS (Mid-infrared ELT Imager and Spectrograph): مُصوّر ومطياف يعمل في نطاق الأطوال الموجية المتوسطة تحت الحمراء. دوره هو تحليل الخصائص الفيزيائية والكيميائية للأجسام النجمية المتنوعة مثل الكواكب الخارجية، النظام الشمسي، الأقراص المحيطة بالنجوم ومناطق تكوّن النجوم، الأقزام البنية، مركز مجرة درب التبانة، بيئة النجوم المتقدمة، والنوى النشطة للمجرات.
• ANDES (ArmazoNes high Dispersion Echelle Spectrograph): مطياف عالي الدقة قوي سيُستخدم لاكتشاف علامات الحياة على الكواكب الخارجية الشبيهة بالأرض، والبحث عن أقدم النجوم في الكون، واختبار احتمالية تغير الثوابت الأساسية للفيزياء، والكشف المباشر لتسارع توسع الكون.
• MOSAIC: هذا المطياف متعدد الأجسام يمكنه دراسة ما يصل إلى 100 هدف في آن واحد، وسيُستخدم لتتبع نمو المجرات وتوزيع المادة من الانفجار العظيم إلى الوقت الحاضر. سيوفر أيضاً تآزراً مع المرافق المتعددة الأطوال الموجية القادمة (بما في ذلك Euclid، Rubin، Roman، SKAO).

ماذا يعني ELT لعلم الفلك

سيصبح ELT أكبر تلسكوب في العالم، وربما يظل كذلك لمدة لا تقل عن عقد من الزمن، مع تأخر المشاريع المنافسة.

سيجعله ذلك أحد أهم الأدوات الفلكية، ومن المحتمل أن يكون مصدرًا لفهم الكواكب الصخرية الخارجية، وما ينقص نماذجنا الكونية، وفهم أعمق بكثير لنظامنا الشمسي، مثل الأقمار الغامضة (لكن النشطة جيولوجيًا) لكوكبي زحل والمشتري.

هذا أيضاً إنجاز تقني ملحوظ، يدفع حدود ما هو ممكن تقنياً ويظهر القيمة العلمية لطرق التصنيع فائقة الدقة، والزجاج المتخصص، وأدوات القياس على مستوى النانومتر.

كل هذه الأمور مهمة بنفس القدر لتطوير حواسيب فوتونية وكمومية متفوقة، والليزر، والطابعات ثلاثية الأبعاد، إلخ.

الاستثمار في البصريات المتقدمة

Corning Incorporated

مع دفع التلسكوبات حدود التصنيع الدقيق في الزجاج المتقدم، يفتح ذلك أيضًا العديد من الفرص الصناعية في قطاعات متنوعة مثل السيارات، أشباه الموصلات، الذكاء الاصطناعي، الدفاع، التكنولوجيا الحيوية، والرعاية الصحية. سوق البصريات المتقدمة هو سوق بقيمة 310 مليار دولار، من المتوقع أن ينمو بنسبة 9.2٪ CAGR حتى عام 2032.

Corning هي شركة زجاج وبصريات موجودة منذ 170 عامًا. عبر تاريخها، أنتجت أول مصابيح زجاجية لمصباح توماس إديسون الكهربائي، أول ألياف بصرية منخفضة الفقد، الركائز الخلوية التي تمكّن محولات الحفاز، وأول زجاج غطاء مقاوم للضرر للأجهزة المحمولة.

المصدر: Corning

اليوم، تركز الشركة على التقنيات الأساسية المتعلقة بتصنيع الزجاج والسيراميك، بالإضافة إلى تقنيات الفيزياء البصرية، التي تشترك في عمليات تصنيع وأسواق نهائية مشتركة.

المصدر: Corning

يسمح هذا الترابط بين التقنيات للشركة بمشاركة قدرات التصنيع والبحث والهندسة المشتركة بين خطوط منتجاتها المختلفة. مع أكثر من 52,000 موظف، وأكثر من 77 موقع تصنيع حول العالم، وأكثر من 10 مرافق للبحث والتطوير، تُعد الشركة لاعبًا كبيرًا في مجال تخصصها.

المصدر: Corning

تستفيد الشركة من ازدهار الذكاء الاصطناعي وبناء مراكز البيانات (الألياف الضوئية)، وكذلك الاستهلاك العام للزجاج المتخصص في الشاشات والتكنولوجيا الحيوية.

من غير المرجح أن تتأثر Corning كثيرًا بالتعريفات الجمركية، حيث يأتي 90٪ من إيراداتها في الولايات المتحدة من منتجات ذات أصل أمريكي. القليل جدًا من المبيعات التي تُجرى في الصين نشأت من مرافق أمريكية، حيث تُجرى 80٪ من مبيعات الصين داخل الصين.

قد تساعد التعريفات حتى، حيث تدخل Corning سوق الألواح الشمسية، مع السيطرة الاستراتيجية على Hemlock Solar، لإنتاج ألواح صُنعت في الولايات المتحدة، بينما تُفرض تعريفات رباعية الأرقام على الألواح الشمسية الآسيوية (ليس الصينية فقط). تم تأمين 80٪ من القدرة بالفعل من خلال التزامات العملاء.

تُعد الطاقة الشمسية منطقية جدًا للشركة، حيث تُعَدّ السيليكون جزءًا أساسيًا من خبرتها التصنيعية، فقد أنتجت بوليسيليكون منذ 60 عامًا، بما في ذلك سيليكون فائق النقاء (نقاء 99.9999999999٪) وتطلق الآن إنتاج رقاقة السيليكون، وهو منتج يُستورد بنسبة 100٪ في الولايات المتحدة.

المصدر: Corning

تبحث الشركة أيضًا عن تقنيات متقدمة أخرى يمكن لخبرتها في الزجاج والسيراميك أن تمنحها ميزة قوية، بما في ذلك الزجاج القابل للانحناء، والواقع المعزز (AR)، واحتجاز الكربون، وغيرها.

المصدر: Corning

بشكل عام، تُعد Corning شركة تقنية عالية مع تصنيع محلي لا ينبغي أن يتأثر بالعولمة العكسية. كما أنها تتبنى أسواقًا جديدة تتماشى مع كفاءاتها الأساسية، لا سيما الطاقة الشمسية والاتصالات البصرية / بنية تحتية للذكاء الاصطناعي. وهذا يجعلها شركة محافظة نسبيًا، تغوص أعمق في تخصصها، لكنها أيضًا سهم نمو محتمل في الأسواق التقنية العالية.

أحدث أخبار وتطورات أسهم Corning Incorporated (GLW)