فوق قوس قزح

كسوف الشمس واكتشافاته

لمشاهدة الكسوف الكلي للشمس، يجب أن يكون القمر في المكان المناسب بين الأرض والشمس وفقًا للراصد. يميل مستوى مدار القمر (وهو المسار الذي يمر به القمر أثناء دورانه حول الأرض) حوالي ٥ درجات مقارنة بمدار الشمس، وهو الاسم الذي نطلقه على مستوى مدار الأرض حول الشمس. فلو كان أحدهما في محاذاة الآخر، لكان بإمكان أي شخص على الأرض رصد حدوث الكسوف الكلي للشمس مرة كل شهر. ولكن في الواقع لا يمر القمر عبر مستوى مدار الأرض حول الشمس، عند وقوعه بينهما، إلا مرتَين في السنة فقط. وثمة عامل آخر يزيد الأمور تعقيدًا وهو مكان وجود القمر في مداره، حيث إن مداره إهليلجي وليس دائريًّا. ولتخيُّل ذلك، حاول مَدَّ إبهامك والنظر إليه بعين واحدة مع غلق الأخرى. عندما تحرك إبهامك بعيدًا عنك، فإنه يحجب مساحة أصغر من الخلفية. وبالمثل، إذا كان القمر في أبعد نقطة من مداره عن الأرض أثناء تحركه أمام الشمس، فسيظهر القمر صغيرًا جدًّا، وبذلك لن يحدث كسوف كلي وتظهر خلف القمر حلقة من النار: وهذا ما يُطلق عليه اسم الكسوف الحلقي.

شكل ١-١: كيفية حدوث ظاهرتَي الكسوف والخسوف. نظرًا إلى الشكل الإهليلجي لمدار القمر ومَيله، نادرًا ما يحدث الكسوف الكلي للشمس، كما هو مُلاحَظ من أي مكان على الأرض.

أصبحت تعقيدات المجموعة الشمسية مفهومة الآن لدرجة أن أجهزة الكمبيوتر يمكنها التنبؤ بالكسوف بهامش خطأ مقداره ثانية واحدة، وهو مستوى دقة من غير المرجَّح أن يتحسَّن. ولا يُعزى هذا الركود في مستوى الدقة إلى الحاجة إلى أجهزة كمبيوتر أفضل، أو إلى وضع نظريات معقدة أخرى، أو إلى وقوف مزيد من الرجال الواجمين على الأسطح. فالمعدل الذي تدور به الأرض، المقدَّر بحوالي ٢٣ ساعة و٥٦ دقيقة و٤ ثوانٍ لكل دورة، يتباطأ بسبب تأثير الكبح الناجم عن قوة جاذبية القمر. وبالتالي، سيصبح اليوم أطول في المستقبل، ولا يمكننا التنبؤ بمقدار الزيادة الحادثة في طول اليوم؛ لأن المعدل يتناقص على نحو عشوائي. وبالنظر إلى بطء وتيرة هذا التغيير، فإن توقعاتنا ستكون صحيحة بهامش خطأ مقداره ثانية واحدة لمدة ١٠٠٠ عام أو نحو ذلك.

من النادر أن يرى أي إنسان كسوف الشمس الكلي، ولذلك فمن غير المستغرب أن نظل نتعامل معه على أنه أمرٌ مثير يسترعي الدهشة والإعجاب، وأن يجوب مطاردو الكسوف أنحاء العالم المختلفة طمعًا في مشاهدته. وينعكس هذا الاهتمام الشديد داخل المجتمع العلمي أيضًا، وإن كان هذا لا يرجع إلى ما يخفيه القمر، بل ما يكشفه.

الأطوال الموجية للضوء

إن الضوء هو الوسيلة الرئيسية التي ندرك من خلالها العالَم، ولكن من الصعب تحديد ماهيته. يمكننا التفكير فيه باعتباره إشعاعًا ينتقل على شكل موجة، والمسافة بين القمم في تلك الموجة تُسمى بالطول الموجي. يشكِّل الضوء سلسلة متصلة من الأطوال الموجية المختلفة التي تسمى الطيف الكهرومغناطيسي.

شكل ١-٢: الطيف الكهرومغناطيسي.

لقد اعتدنا على استخدام الأطوال الموجية المختلفة للضوء في حياتنا اليومية، ولكننا قد لا ندرك دائمًا أنها ضوء. يُعد الضوء ذو الطول الموجي الطويل للغاية، أو ما يسمى بموجات الراديو اللاسلكية، مفيدًا لنقل المعلومات عبر مسافاتٍ طويلة. على سبيل المثال، تتيح لنا موجات الراديو اللاسلكية الاستماع إلى الأخبار الوطنية عبر المذياع، ربما أثناء استخدامنا لأفران الميكروويف لطهي وجبة غداءٍ سريعة. وإذا سمعنا أخبارًا عن هروب نمر وفتحنا التلفزيون، فقد نشاهد لقطات من مروحيات الشرطة وهي تستخدم الأشعة تحت الحمراء لتعقب النمر أثناء تسلله إلى حديقتنا. وإذا تعرضنا لسقوط شديد أثناء اندفاعنا لإغلاق أبواب الفناء، فإننا نتوقع استخدام الأشعة السينية لفحص أي كسر قد يُشتَبه فيه … وليس فقط من خلال إلقاء نظرة سريعة باستخدام مصباح يصدر ضوءًا مرئيًّا. إن الجزء الصغير من الطيف الذي نشير إليه في الحياة اليومية باسم «الضوء» ما هو إلا الجزء المرئي الذي تكيَّفت أعيننا معه، ونستخدم كلمة «اللون» للتحدث عن الأطوال الموجية المحددة في هذا الجزء الصغير.

قياس درجة حرارة النجوم

لنعد إلى اللوحة التي رسمناها للشمس كي نلوِّنها. إننا غالبًا ما نرسم الشمس باللون الأصفر، ولكن، كما نعلم من إسحاق نيوتن وويليام هيرشل وبينك فلويد، يتألف ضوء الشمس من نطاق كامل من الأطوال الموجية المختلفة. ويمثل نطاق الأطوال الموجية للضوء المنبعث من أحد النجوم رمزًا شريطيًّا فريدًا لذلك النجم، أي طيفًا نجميًّا، وتتميز الأنواع المتماثلة من النجوم بأن لها طيفًا متماثلًا. يوضح الطيف الشمسي أن الشمس تشع نطاقًا من الأطوال الموجية، لكن العين البشرية لا تستطيع أن ترى منه إلا ٤٠٪ فقط. ويصل الطيف الشمسي إلى ذروته في الطول الموجي للونَين الأزرق والأخضر في الطيف الكهرومغناطيسي، ومن ثَمَّ فإن الضوء الأصفر ليس الضوء الأكثر شيوعًا المنبعث من الشمس. ولكننا لا نرى شمسًا خضراء في السماء لسببَين. أولًا، تلك الذروة في اللونَين الأزرق والأخضر ليست الطول الموجي الوحيد المنبعث، والضوء الذي نستقبله هو مزيج من تلك الأطوال الموجية المختلفة، في حركته مقتربًا من الضوء الأبيض. ثانيًا، يشتِّت الغلاف الجوي للأرض الضوءَ مثلما تبعثر ماكينات الألعاب العملاتَ المعدنية، حيث يعيد توجيه الضوء في اتجاهاتٍ عشوائية. وكلما كان الطول الموجي أقصر (أي كلما اقترب الضوء إلى الأزرق)، زاد تشتت الضوء. وفيما يتعلق بأشعة الشمس، يعني هذا أن الغلاف الجوي يشتت الضوء كلما أصبح أزرق في جميع الاتجاهات، مما يجعلنا نراه من جميع الاتجاهات ويجعل السماء تبدو أمامنا زرقاء اللون. ومع تشتت جزء الطيف الأقرب إلى اللون الأزرق، يبقى الجزءان الأحمر والأصفر من ضوء الشمس، مما يجعل الشمس تبدو صفراء أكثر. وعند غروب الشمس، عندما تكون الشمس على مستوًى منخفض، ويقطع الضوء مسافة أطول عبر الغلاف الجوي ويتشتت الضوء الأصفر على نحو ملحوظ، تظهر الشمس باللون البرتقالي المحمر. وبالمثل، يفسِّر تشتت ضوء الشمس في الغلاف الجوي سبب إطلاق اسم «القمر الدموي» أحيانًا على خسوف القمر. فعندما يمر ضوء الشمس عبر الغلاف الجوي للأرض، فإنه يشتت فعليًّا كل الأطوال الموجية الأقصر، تاركًا فقط الأطوال الموجية الحمراء الأطول لتنطلق وتنعكس على القمر وصولًا إلى أعيننا.

شكل ١-٣: سلسلة الطيف الشمسي المتصلة. من خلال مقارنة شكل الأطياف النجمية بمنحنيات درجة حرارة الجسم الأسود المختلفة، يمكننا تقدير درجة حرارة سطح نجم.

خطوط امتصاص الكورونيوم

شكل ١-٤: انبعاث خطوط الامتصاص. لا تمتص الذرات سوى الفوتونات (يُشار إليها عادةً بالرمز γ) المكافئة في طاقاتها لمستويات طاقة الإلكترونات الخاصة بها (بالأعلى)، مما يؤدي إلى انبعاث خطوط امتصاص مميزة في الطيف (بالأسفل).

يبدو الطيف الشمسي أثناء الكسوف مختلفًا تمامًا، ولأن القرص الرئيسي للشمس محجوب، فإننا لا نرى سوى الضوء الصادر من الإكليل. عندما نظر العلماء لأول مرة إلى الطيف الإكليلي أثناء كسوف الشمس في ٧ أغسطس ١٨٦٩، وجدوا خط امتصاص قويًّا بطول موجي يبلغ ٥٣٠٫٣ نانومتر، لا يتوافق مع أي من التجارب التي أجروها على الأرض: لم يُنتِج أيُّ عنصر معروف خط امتصاص بهذا الطول الموجي. وفي نهاية المطاف، كان من المفترض أن يشير هذا إلى عنصر جديد في الغلاف الجوي للشمس، أطلقوا عليه اسم «كورونيوم». استمرت الأبحاث على هذا العنصر لعقود من الزمن، وكان هذا هو أحد الأسباب التي جعلت ألفين بيترسون يقف على قمة المنطاد في عام ١٩٢٥، حيث تجمدت أصابعه، من أجل أن يعزز فهمنا لهذا العنصر الجديد. ولم يُكتشَف حتى ثلاثينيات القرن العشرين أن ظهور خط الامتصاص هذا لم يكن يُعزى إلى وجود عنصر جديد على الإطلاق، ولكنه كان شكلًا مختلفًا من عنصر الحديد المعروف سلفًا. يحتوي الحديد عادةً على ٢٦ إلكترونًا ويرتبط بمجموعة معروفة من خطوط الامتصاص. إذا انتزعنا بعضًا من تلك الإلكترونات (حيث نكون بصدد تأيين الحديد)، حينها ستتغير خطوط الامتصاص تلك. كان خط الامتصاص المرتبط بعنصر الكورونيوم الوهمي مطابقًا لخط الامتصاص الذي تنتجه ذرة الحديد التي انتزِع منها ١٣ إلكترونًا. إن انتزاع الإلكترونات ليس مهمة سهلة ويتطلَّب درجات حرارة عالية جدًّا لتوليد تصادمات عالية الطاقة لها القدرة على طرد الإلكترونات. يتطلب انتزاع ١٣ إلكترونًا درجات حرارة عالية جدًّا، مما يشير إلى أن درجة حرارة الإكليل تبلغ ملايين الكلفن مقارنة بدرجة حرارة الغلاف الضوئي البارد نسبيًّا التي تبلغ ٥٨٠٠ كلفن. ومن ثَمَّ تزداد درجة حرارة الشمس بالفعل عند المغامرة والاقتراب من الإكليل، وهو وضع غير بديهي على الإطلاق. وربما تكون درجات الحرارة المرتفعة ناتجة عن مجالات مغناطيسية معقدة تقذف بعنف جسيمات مشحونة من الغلاف الضوئي إلى الإكليل، أو ربما انفجارات تشبه القنابل تسمى التوهجات النانوية تقذف الحرارة إلى الغلاف الجوي. وعلى الرغم من تقليص عدد النظريات، فما زالت مشكلة ارتفاع درجة حرارة الإكليل معضلة غير محسومة.

•••

ربما يخيب ظنك عندما تعلم أنني لم أتمكن من حل مشكلة ارتفاع درجة حرارة الإكليل على نحو فعَّال ومُرْضٍ. فمن المزعج حقًّا عدم معرفة الإجابة. بل إنه أمر مثير للدهشة أيضًا بالنظر إلى الموارد التي نمتلكها. فقد طوَّرنا مسابير سافرت إلى الفضاء الخارجي، ويستطيع تلسكوب هابل أن يرصد جيدًا ما هو أبعد من مجرة درب التبانة وحتى العديد من المجرات الأخرى. نعي كيف تطوَّر كوننا، بدءًا من نظرية نشوئه الراسخة، وهي الانفجار العظيم. ومع ذلك، ما زلنا نبذل قصارى جهدنا للاستفادة من كل مفهوم من المفاهيم العلمية التي نستطيع الحصول عليها من كسوف كلي مدته سبع دقائق وكأننا في سباق مع الزمن، تمامًا مثلما كان يفعل العلماء في عام ١٩٢٥، وإن كان ذلك يحدث الآن بوسائل تكنولوجية أكثر تقدمًا. فمن ناحية، نثري معرفتنا (حيث اكتشفنا أن الإكليل لا يحتوي على عنصر غير مألوف؛ بل كل ما في الأمر أنه ساخن جدًّا!)، ومن ثَمَّ تزداد أسئلتنا من ناحية أخرى (انتظر، كيف ترتفع درجة حرارته إلى هذه الدرجة؟!). سأعترف بأن مشكلة ارتفاع درجة حرارة الإكليل كانت جديدة إلى حد ما بالنسبة إليَّ في وقت الكسوف الأمريكي العظيم. ولكوني عالمة فيزياء فلكية أدرس النجوم الأولى، لم يخطر ببالي مطلقًا أن أُولي اهتمامًا كبيرًا بأقرب نجم، وهو الشمس، التي نراها من الأرض والتي يمكن إخضاعها للتنبؤ. فقد اعتبرتُ أنه أمر مفروغ منه أن نكون قد أمطنا اللثام عن كل ما يتعلق بها نظرًا إلى قربها. وانبهرتُ وسعدتُ باكتشاف أنه لا تزال هناك أسرار دفعتنا إلى الاستفادة من ظاهرتَي المصادفة المطلقة لمجموعتنا الشمسية: وهما الكسوف والخسوف.

إنها مصادفة مذهلة أن يغطي القمر قرص الشمس، مثل غطاء العدسة، خلال كسوف الشمس الكلي. وبمحض المصادفة يتساوى الحجم الزاوي للشمس والقمر في السماء. فالحجم الزاوي لجسم ما يعتمد على حجم الشيء ومدى بُعده. تخيَّل أننا ننظر إلى أبقار. إذا لاحظنا أن البقرة اللُّعبة، الأصغر بعشر مراتٍ من البقرة الحقيقية، تبدو بحجم البقرة الحقيقية نفسه، فإننا نعلم أن البقرة الحقيقية يجب أن تكون عشر مراتٍ أبعد. وفي حالتنا، نلاحظ أن الشمس والقمر متماثلان في الحجم الزاوي. لكن الشمس أبعد من القمر بحوالي ٤٠٠ مرة، ولكنها أيضًا أكبر من القمر بحوالي ٤٠٠ مرة، لذا يبدو وكأن لهما الحجم الزاوي نفسه. وما يزيد من أهمية الكسوف والخسوف هو أن لهما تاريخ انتهاء. فقد ذكرتُ سابقًا أن قوة جاذبية القمر تُعرِّض الأرض لتأثير الكبح. ويؤثر هذا في قدرتنا على التنبؤ بالكسوف والخسوف؛ لأنه يبطئ معدل دوران الأرض على نحو غير متوقع مع مرور الوقت. والتأثير الآخر لهذا هو ابتعاد القمر عن الأرض بحوالي ٤سم (٥,١ بوصة) سنويًّا … أي إن البقرة اللُّعبة تبتعد، مما يفسد وهم تماثل الحجم. ولذا فإن الكسوف الكلي للشمس الذي نستمتع به اليوم لن يستمر إلى الأبد، وإذا تواجد أي بشر بعد حوالي ٦٥٠ مليون سنة من الآن، فلن يشاهدوا سوى الكسوف الجزئي. ولكن، ما زال ذلك احتمالًا بعيدًا، فبالنظر إلى أن أسلافنا البشر لم يظهروا على الأرض إلا منذ بضعة ملايين من السنين فقط، فربما تتطوَّر قدرتنا على رؤية الأشعة السينية وبهذا سنرى الكون بطريقة تجعل الكسوف أمرًا غير ذي أهمية.

سرعة الضوء المحدودة

شكل ١-٥: سرعة الضوء المحدودة. نسخة معدَّلة لشكل مستقى من أبحاث رومر عام ١٦٧٦‏،²² يوضح أنه كلما ازداد طول المسار الذي يجتازه الضوء، فإنه يستغرق زمنًا أطول في اجتيازه. يستغرق الضوء زمنًا أطول للانتقال من القمر آيو في موضع ظهوره عند النقطة (ﺟ) إلى الأرض عند النقطة (ب) أثناء دورانها حول الشمس، وذلك مقارنةً بالزمن الذي يستغرقه لاجتياز المسار نفسه انطلاقًا من النقطة (أ).

نحن في الواقع على دراية بهذا المفهوم لأنه يحدث في حياتنا العادية. ففي كل مرة تسمع فيها صوتَ الرعد في إحدى ليالي الصيف الحارة، ما تسمعه يكون حدثًا وقع بالفعل قبل ثوانٍ في الغلاف الجوي. وعندما تكون السحابة الرعدية فوقك مباشرة، فقد يبدو وكأنك تسمع صوت الرعد في الوقت نفسه الذي ترى فيه البرق. ومع ابتعاد السحابة، تصبح المسافة التي يقطعها الصوت والضوء أطول، لكن الضوء يكون أسرع بمليون مرة تقريبًا، لذلك هناك تأخير متزايد بين رؤية البرق وسماع الرعد. يمكننا أيضًا أن نتساءل عما كان سيحدث لو كانت سرعة الضوء أبطأ بكثير. إذا غطى الضوء مترًا واحدًا فقط (حوالي ٣ أقدام) في بضع ثوانٍ، فيمكننا أن ننظر إلى القمر الآن ونرى نيل أرمسترونج وهو يخطو خطواته الأولى عليه من أجل البشرية. قد يبدو الأمر ضربًا من الخيال، ولكننا نستفيد من هذه الخاصية بالمقاييس الكونية. ونبني تلسكوبًا لرصد الإشارات التي استغرقت ١٣ مليار سنة للوصول إلى الأرض. وتعتبر هذه إحدى الطرق التي نقتفي بها أثر النجوم الأولى، من خلال العودة بالزمن إلى الوراء، لمشاهدتها وهي تتشكَّل وتعيش وتموت.

•••

يتمحوَّر هذا الفصل مثلما اتضح حول الضوء وغيابه. تشكِّل أنواعُ الضوء العديدة الطيفَ الكهرومغناطيسي، وهو سلسلة متصلة من الأطوال الموجية بدءًا من أشعة الراديو اللاسلكية، مرورًا بالأشعة المرئية، ووصولًا إلى أشعة جاما. يمكن استخدام هذه الأطوال الموجية المختلفة للضوء للكشف عن عناصر الكون المختلفة، تمامًا كما تُستخدمَ الأشعة السينية للكشف عمَّا بداخل الإنسان. ويمكن الكشف عما يدور بباطن النجوم من خلال نمط الضوء الذي تصدره، أي طيفها النجمي. وتكشف شدة الطيف عن درجة حرارة النجوم. كما يكشف النمط الطيفي للخطوط المظلمة عن العناصر الكيميائية التي تمتص الفوتونات في الغلاف الجوي النجمي، مما ينتج عنه وجود خطوط امتصاص مظلمة في الأطياف. قد تبدو السرعة التي ينتقل بها الضوء كبيرة، ولكن في المسافات الفلكية، تؤدي هذه السرعة المحدودة إلى تأخير في الوقت. فالشمس التي نراها هي الشمس كما كانت منذ ثماني دقائق. ومن ثَمَّ، لرؤية النجوم الأولى، قد نحتاج إلى النظر لمسافاتٍ بعيدة جدًّا يستغرق الضوء ١٣ مليار سنة للوصول إلينا. وهذا يتطلَّب إلقاء نظرة على مناطق بعيدة حجمها أكبر بكثير من حجم مجموعتنا الشمسية، بعيدًا عن أطراف مجرتنا، بل أبعد من المجموعة المحلية من المجرات، انطلاقًا إلى أعماق الكون.

هوامش