يستعد العلماء أخيرا لإرسال محطة فضائية إلى كوكب پلوتو وحزام كويپر،

الواقعين في آخر منطقة لم تُستكشف بعد من نظامنا الكوكبي.

<A .S.ستيرن>







لا يمكن من الأرض رؤية تفصيلات سطح پلوتو بوضوح، لكن أفضل تخمينات الفلكيين المتعلقة بهذا الكوكب موضحة في هذه الصورة التي تخيلها فنان؛ إذ يُعتقد أن سطح پلوتو مكوَّن من نتروجين وأحادي أكسيد الكربون وغاز الميثان وجليد. ويبدو أن بعض هذه المادة يتسامى إلى جو مخلخل عندما يكون الكوكب في ذلك الجزء من مداره الذي هو أقرب ما يمكن من الشمس [المبيّن في الصفحة المقابلة]. قد ترتفع موجات من الماء الحار من وقت إلى آخر، مطلقة أعمدة من الغاز والجليد إلى ارتفاعات تقدّر بعدة كيلومترات فوق السطح. ويُرى شارون، قمر پلوتو، في الأعلى.




حتى عام 1992 تقريبا، ظل معظم علماء الكواكب يعتبرون أن پلوتو هو مجرد جسم غريب شاذ. فجميع الكواكب الأخرى تنسجم تماما مع ما عرفه الفلكيون عن بنية النظام الشمسي؛ أربعة أجرام صغيرة صخرية تسبح في أفلاك داخلية، وأربعة أجرام غازية عملاقة تطوف في مدارات خارجية، وبين هذه الأجرام وتلك حزام من الكويكبات. لكن پلوتو البعيد كان جسما جليديا غامضا يسير في مدار غريب وراء نپتون. وقد اقترح بعض الباحثين، من أشهرهم الفلكي الأمريكي من أصل هولندي <G.كويپر>، في الأربعينات والخمسينات من القرن العشرين، أن پلوتو ربما لم يكن عالَما منفردا، إنما هو أسطع عنصر



في مجموعة واسعة من الأجرام التي تدور في أفلاكها في نفس المنطقة. وقد أصبح هذا المفهوم، الذي صار يعرف باسم حزام كويپر Kuiper Belt، شائعا في المراجع العلمية طوال عقود. لكن عمليات البحث المتكررة عن هذا الحشد الضخم من العوالم الجليدية لم تسفر عن شيء.



بيد أنه في أواخر الثمانينات من القرن الماضي، توصل العلماء إلى أنه لا بد من وجود شيء شبيه بحزام كويپر لتفسير سبب الاقتراب الشديد لكثير من المذنبات القصيرة الأدوار من مستوى النظام الشمسي. إن هذه البيِّنة على وجود حزام بعيد مكون من أجسام تدور في منطقة پلوتو دفعت الراصدين للرجوع إلى مقاريبهم بحثا عن أجسام باهتة لم تكتشف بعد موجودة وراء نپتون. وبحلول الثمانينات من القرن الماضي، صارت المقاريب مجهزة بمكاشيف ضوئية إلكترونية جعلت عمليات البحث تتميز بمزيد من الحساسية مما كان عليه الحال عندما كان يُستعان بالصفائح الفوتوغرافية سابقا.



في عام 1992، اكتشف الفلكيون في مرصد ماونا كيا بهاواي أول جسم من حزام كويپر (KBO) أصغر بنحو 10 مرات وأبهت بزهاء 000 10 مرة من پلوتو [انظر: «حزام كويپر»، مجلة العلوم ، العددان11/12(1996)، صفحة52]. ومنذ ذلك الوقت، اكتشف الراصدون أكثر من 600 جسم من حزام كويپر، تتراوح أقطارها بين 50 ونحو 1200 كيلومتر. (قطر پلوتو 2400 كيلومتر تقريبا.)



لكن هذا ليس سوى غيض من فيض. فعندما أجرى الباحثون تقديرا استقرائيا لعدد الأجسام في حزام كويپر، بناء على مسحهم لبقعة صغيرة من السماء، توصلوا إلى أن هذا الحزام يحوي نحو 000 100 جسم، قطر كل منها أكثر من 100 كيلومتر. ونتيجة لذلك، صار حزام كويپر الأخ الأكبر لحزام الكويكبات، إذ إنه أكبر كتلة بكثير، وعدد أجسامه أكبر بكثير (وبخاصة ذات الحجوم الكبيرة)، ثم إنه يحوي قدرا أكبر من مادة قديمة جليدية وعضوية بقيت منذ ولادة النظام الشمسي.



من الواضح الآن أن بلوتو ليس كوكبا شاذا، فهو يقع ضمن حشد من الأجسام الصغيرة التي تدور على مسافة من الشمس تمتد بين 5 بلايين وما يزيد على 8 بلايين كيلومتر. ولما كانت هذه المنطقة البعيدة يمكن أن تقدم معلومات مهمة عن التطور المبكر للنظام الشمسي، فإن الفلكيين حريصون على معرفة المزيد عن پلوتو وقمره شارون، وعن الأجسام التي يتكون منها حزام كويپر. ولسوء الحظ، فإن المسافة الشاسعة بين هذه المنطقة من النظام الشمسي وكوكب الأرض تحد من جودة الأرصاد. حتى مقراب هبل الفضائي الشديد الحساسية، فإنه لا يُظهِر سوى بقع غير واضحة المعالم من النور والظلمة على سطح پلوتو. ومع أن السفن الفضائية پايونير وڤويجر وگاليليو قد زودت العلماء بصور رائعة للمشتري وزحل وأورانوس ونپتون، فلم يقم البتة أي مجس فضائي بزيارة لنظام پلوتو ـ شارون أو حزام كويپر.



إن إدراك العلماء أهمية هذه المنطقة من النظام الشمسي، جعلهم يحثون الوكالة ناسا طوال أكثر من عقد على إدراج پلوتو ضمن جدول أعمالها الذي وضعته لاستكشاف الكواكب. واستجابة لهذا قامت هذه الوكالة الفضائية بتدارس الآراء حول إرسال بعثات تستعمل سفنا فضائية حجومها كبيرة، قد تكون معادلة لحجم مركب نهري معد للسكن (منزل عائم)، تحمل التجهيزات اللازمة، وتشبه مجس كاسيني (الذي هو الآن في طريقه إلى زحل)؛ وقد تكون هذه السفن ذات حجوم قريبة من حجم جرذ، ولا تحمل سوى آلة للتصوير. وفي أواخر التسعينات من القرن الماضي اعتمدت ناسا فكرة سفينة فضائية متوسطة الحجم تسمى پلوتو ـ كويپر إكسپرس Pluto-Kuiper Express يُعهد ببنائها إلى مختبر الدفع النفاث (JPL) في پاسادينا بكاليفورنيا. لكن التكلفة المتوقعة لهذه البعثة ازدادت بسرعة لتبلغ 800 مليون دولار، وهذا مبلغ يتجاوز كثيرا المبلغ الذي كانت ناسا تنوي استثماره. ونتيجة لذلك، أقلعت الوكالة ناسا في خريف عام 2000 عن فكرة بعثة پلوتو ـ كويپر إكسپرس.



لكن إلغاء هذه البعثة لم يرض قطاعات كبيرة من الناس. فقد قام كثير من العلماء ومن دعاة استكشاف الفضاء وطلبة المدارس بإرسال سيل من الطلبات إلى ناسا لتعيد النظر في قرارها. أبدت ناسا اهتمامها بهذه الطلبات، لكن بصورة ملتوية، فبدلا من أن تعود إلى البدء بتنفيذ بعثة پلوتو ـ كويپر العالية التكلفة، توجهت بطلبات إلى الجامعات، ومختبرات البحوث، والشركات الفضائية لتتقدم باقتراحاتها الرامية إلى استكشاف پلوتو وشارون وحزام كويپر بتكلفة أقل. ولم يسبق لناسا قط أن سمحت من قبل للصناعة والجامعات بالتنافس على قيادة بعثة إلى النظام الشمسي الخارجي. وقد أوضحت ناسا أنه إذا لم يحقق أي من الاقتراحات تنفيذ القياسات العلمية المستهدفة بحلول عام 2020، وبتكلفة أقل من 500 مليون دولار، فإنها لن تلتزم باختيار أي منها.



نظرة إجمالية/ نيو هورايزونز(**)

■ منذ وقت قريب عرف الفلكيون أن پلوتو ليس شاذا عن غيره من الكواكب، كما كان يعتقد في وقت من الأوقات، لكنه الكوكب الأشد سطوعا بين مجموعة من الأجسام التي تدور في أفلاكها حول الشمس في منطقة بعيدة تسمى حزام كويپر. ويسعى العلماء إلى استكشاف پلوتو وأجسام حزام كويپر، لأنها قد تحل ألغاز التاريخ المبكر للكواكب.

■ پلوتو وقمره شارون مثيران للاهتمام في حد ذاتهما. فهذان الجرمان متقاربان جدا في حجميهما، لذا فإن الفلكيين يعتبرونهما كوكبا مزدوجا. إضافة إلى ذلك، يحيط بپلوتو جو سريع الإفلات، ثم إن أنماطه الموسمية معقدة.

■ اختارت ناسا فريقا أُطلق عليه نيو هورايزونز(1) لبناء سفينة فضائية لدراسة پلوتو وشارون وعدة أجسام من حزام كويپر من خلال سلسلة من عمليات الطيران المنخفضة فوقها. وإذا وافق الكونگرس على رصد الأموال اللازمة، فقد تُطلَق السفينة الفضائية عام 2006 لتصل إلى پلوتو في وقت مبكر لا يتجاوز عام 2015.




في الشهر11/2001، وبعد عملية اختيار مضنية، اعتمدت ناسا فريقنا، المسمى نيو هورايزونز (الآفاق الجديدة) New Horizons، لتنفيذ بعثة پلوتو ـ حزام كويپر. يقود هذا الفريق المعهد الذي أعمل فيه، وهو معهد بحوث ساوث وست، الموجود في سان أنطونيو بتكساس، ومختبر الفيزياء التطبيقية (APL) التابع لجامعة جونز هوپكنز. ويعكف فريق من العلماء ينتمون إلى أكثر من عشر جامعات، ومراكز أبحاث، ومراكز ناسا على تخطيط الأرصاد العلمية، حيث سيقوم معهد أبحاث ساوث وست بإدارة المشروع، وسيكون مسؤولا عن فريق البعثة وعن تطوير الآلات العلمية. أما مختبر الفيزياء التطبيقية، فهو الذي سيبني ويشغِّل سفينة نيو هورايزونز الفضائية. هذا وستبني المؤسسة بول إيروسپيس ومركز گودارد للطيران الفضائي التابع لناسا وجامعة ستانفورد أجزاء من معدات السفينة الفضائية، وسيكون مختبر الدفع النفاث (JPL) مسؤولا عن تعقب السفينة الفضائية وعمليات الملاحة الفضائية لها.



وبابتكار طرائق أقل تكلفة لبناء وتشغيل السفينة الفضائية لاستكشاف النظام الشمسي الخارجي، تكون السفينة نيو هورايزونز قد حققت شروط ناسا، إذ إن التكلفة الإجمالية للبعثة انخفضت إلى 488 مليون دولار، من ضمنها ميزانية احتياطية تزيد على 80 مليون دولار. كما أن السفينة الفضائية قد تصل إلى پلوتو في وقت مبكر لا يتجاوز صيف عام 2015. إضافة إلى ذلك، ستحمل نيو هورايزونز عددا أكبر من الآلات، وتعود ببيانات رصدية حجمها أكبر بعشر مرات من تلك البيانات التي كانت ستجمعها بعثة پلوتو ـ كويپر إكسپرس، وبتكلفة أقل بكثير.



توجه إلى الخارج(***)

قد تستغرق الرحلة إلى پلوتو أقل من عشر سنوات إذا أُطلقت السفينة الفضائية نيو هورايزونز عام 2006. إن طيران السفينة على طول المسار المخطّط لها (اللون الأحمر)، يجعلها تتجه في البداية لتقوم بطيران منخفض فوق المشتري. عندئذ سيُستفاد من ثقالة الكوكب لقذف السفينة نحو پلوتو (المدار الأصفر). وبعد دراسة المشتري عام 2007 ونظام (پلوتو ـ شارون) عام 2015، سيتوجه المجس لاستطلاع عدة أجسام جليدية في حزام كويپر.






بيد أن إطلاق نيو هورايزونز ليس أمرا محتما بعد. ففي الشهر2/2002 ألغى الرئيس جورج بوش مبلغ ال122 مليون دولار اللازم للبعثة من ميزانية ناسا للسنة المالية 2003. لكنني وزملائي نأمل أن يقوم مجلس الكونگرس، الذي فوض ناسا لاختيار وبدء البعثة إلى پلوتو وحزام كويپر، بإعادة التمويل الكامل لبناء السفينة. وإذا تحقق أملنا، فستكون مهمة نيو هورايزونز أكبر بكثير من كونها مجرد أول بعثة إلى پلوتو. فخلال رحلتها ستطير السفينة الفضائية قريبا من المشتري لتدرسه وأقماره. وبعد اقترابها من نظام پلوتو ـ شارون، ستواصل رحلتها لاستطلاع عدة أجسام في حزام كويپر عن كثب.



العوالم النائية(****)

يولي الفلكيون اهتماما بالغا بالحصول على مناظر عن كثب لپلوتو وقمره شارون، الممثلين هنا بصورة ابتدعها خيال فنان (في الأعلى) يستند فيها إلى معرفتنا الحالية بالجرمين. وبسبب البعد الكبير لنظام پلوتو ـ شارون عن الأرض، فحتى مقراب هبل الفضائي لا يكشف سوى صورتين مشوهتين لهذين الجرمين (في الأسفل).




توضح هذه الصورة الحجمين النسبيين لپلوتو وشارون،لكن المسافة بينهما على الصورة لا تتناسب مع المسافة الحقيقية بينهما.

حقائق أساسية

قطر پلوتو: 2400 كيلومتر

قطر شارون: 1200 كيلومتر

متوسط المسافة بين نظام پلوتو ـ شارون والشمس: 5.9 بليون كيلومتر

الدور المداري حول الشمس: 248 سنة

متوسط المسافة بين پلوتو وشارون: 19.600 كيلومتر

الدور المداري لشارون حول پلوتو: 6.39 يوم

الدور المغزلي (الدوران حول محوره) لكل من پلوتو وشارون: 6.39 يوم

التركيب السطحي لپلوتو: نتروجين، أحادي أكسيد الكربون، ميثان، جليد.

التركيب السطحي لشارون: جليد، وربما مركبات أخرى








تنقيب عن الآثار في الفضاء(*****)

تُرى، ما سبب اهتمام الفلكيين البالغ بدراسة پلوتو ـ شارون وحزام كويپر؟ يمكنني أن أسرد بإيجاز بضعة أسباب لهذا. أولها، إن حجم حزام كويپر وشكله وكتلته وبنيته العامة تبدو شبيهة جدا بأحزمة الحطام المحيطة بنجوم قريبة أخرى، مثل النسر الواقع vega وفم الحوت formalhaut. لقد قام باحثون، ومن ضمنهم مؤلف المقالة، باستخدام تقنيات النمذجة الحاسوبية لمحاكاة تكوّن أجسام حزام كويپر قبل نحو خمسة بلايين سنة، حين كان النظام الكوكبي يتكوّن من قرص من الغاز والغبار يدوّم بسرعة. ووجدنا أن حزام كويپر القديم لا بد أنه كان أضخم في كتلته بنحو 100 مرة مما هو عليه الآن، وذلك كي يسمح بنشوء نظام پلوتو ـ شارون وأجسام حزام كويپر التي نراها. وبعبارة أخرى كان يوجد، في وقت من الأوقات، ما يكفي من المادة الصلبة لتكوين كوكب آخر بحجم أورانوس أو نپتون في حزام كويپر.



وكشفت أيضا المحاكيات نفسها عن أن الكواكب الكبيرة مثل نپتون، كان لها أن تنشأ بطريقة طبيعية من أجسام حزام كويپر في وقت قصير جدا لو أن شيئا ما لم يقم بإحداث اضطراب في المنطقة. فمن الواضح أن اضطرابا ما مزّق حزام كويپر في الوقت نفسه تقريبا الذي تكوّن فيه پلوتو، لكننا لا نعرف حتى الآن سبب هذا الاضطراب. وربما كان السبب هو تكوّن نپتون قرب الحدود الداخلية للحزام. تُرى، هل أعاق التأثير التثاقلي للكوكب، بطريقة ما، تكوّن عملاق غازي آخر جهة الخارج؟ وإذا حدث ذلك، فلماذا لم يبطل تكون أورانوس ولادة نپتون بنفس الطريقة؟ من المحتمل، بدلا من ذلك، أن يكون السبب هو التأثير التثاقلي لحشد ضخم من الأجنة الكوكبية ـ وهي أجسام صخرية تقدر أقطارها بآلاف الكيلومترات ـ كانت تتحرك بسرعة عبر حزام كويپر قبل بلايين السنين بعد أن قذفها أورانوس ونپتون من المناطق التي تولدت فيها. أو ربما كان ثمة شيء آخر مختلف تماما. وأيا كان السبب، فإن حزام كويپر فقد معظم كتلته، كما أن تكوّن الأجسام فيه توقَّف فجأة.



إن أجسام حزام كويپر هي مخلّفات العملية القديمة التي تمخضت عن تكوّن الكواكب، ومن ثم فهي توفر مفاتيح مهمة جدا لحل ألغاز تكوّن النظام الشمسي الخارجي. إن استكشاف پلوتو وحزام كويپر يعادل في أهميته التنقيب عن الآثار في تاريخ النظام الشمسي الخارجي ـ وهو موقع يسمح للفلكيين بإلقاء نظرة سريعة قيّمة على عصر تكوّن الكواكب الذي ولى وانقضى قبل أمد بعيد.



يضاف إلى ذلك أنه على الرغم من معرفتنا الضئيلة بپلوتو وشارون، فإن ما نعرفه عنهما يشير إلى أنهما يمثلان عالما عجيبا في حد ذاته. السبب الأول هو أن شارون كبير جدا ـ فقطره يعادل 1200 كيلومتر، أو نحو نصف قطر پلوتو. ولما كان الجرمان متقاربين جدا في الحجم، فإن نظام پلوتو ـ شارون يمكن اعتباره كوكبا مزدوجا. هذا ولا يوجد في نظامنا الشمسي أي كوكب آخر من هذا الصنف ـ إذ إن أقطار معظم السواتل (التوابع) لا تتجاوز بضعة أجزاء في المئة من أقطار الكواكب التي تدور حولها. بيد أنه بسبب اكتشاف الفلكيين في السنوات القليلة الماضية كثيرا من الكويكبات المضاعفة ومن أجسام ثنائية في حزام كويپر، فهناك قليل من الشك الآن في أن الأجرام المزدوجة، مثل پلوتو ـ شارون، شائعة في نظامنا الشمسي، وعلى الأرجح في نظم نجمية أخرى. لكننا لم نزر قط عالما ثنائيا.



ونحن متشوقون لمعرفة كيف يمكن لنظام، مثل نظام پلوتو ـ شارون، أن يتكوّن. إن النظرية السائدة هي أن پلوتو اصطدم بجسم كبير آخر في الماضي البعيد، وأن معظم الحطام الناجم عن هذا الاصطدام سار في مدار حول پلوتو وتجمَّع في نهاية المطاف مكونا شارون. ونظرا لما يبدو من أن اصطداما مشابها أسفر عن نشوء قمر الأرض، فمن المتوقع أن تساعد دراسة پلوتو وشارون على تسليط بعض الضوء على موضوع نشوء القمر أيضا.



ويسعى الباحثون أيضا إلى معرفة سبب الاختلاف بين مظهري پلوتو وشارون. إذ تُبين الأرصاد التي تجريها مقاريب أرضية ومقراب هبل الفضائي أن لپلوتو سطحا ذا عاكسية عالية يحوي علامات واضحة على احتوائه قلنسوتين (قبّعتين) قطبيتين واسعتين. وبالمقابل، فإن لسطح شارون عاكسية أقل بكثير، ولا يحوي علامات فارقة. وفي حين أنه يوجد لپلوتو جو، فمن الواضح عدم وجود جو لشارون. تُرى، هل هذا التباين الحاد بين هذين العالَمين المتجاورين يعود إلى تطور تباعدي، ربما بسبب اختلاف حجميهما وتركيبيهما، أم أنه نتيجة للطريقة التي تكوّنا بها أصلا؟ الله أعلم.



من المثير للفضول أيضا أن كثافة پلوتو وحجمه وتركيب سطحه تماثل بشكل لافت للنظر نظيراتها في أكبر أقمار نپتون، وهو تريتون. ومن أكبر المفاجآت التي حققها ارتياد السفينة ڤويجر 2 لنظام نپتون هو كشفها لنشاط بركاني عنيف ومستمر على تريتون. تُرى هل يوجد على پلوتو نشاط مماثل أيضا؟ وهل ينطبق هذا على أجسام حزام كويپر؟ إن معرفتنا الحالية بالعمليات الكوكبية توحي بأنها ليست كذلك، لكن نشاط تريتون لم يكن متوقعا أيضا. ومن الجائز أن تريتون يُظهر لنا أننا لم نفهم بعد طبيعة العوالم الصغيرة. وباستكشاف پلوتو وأجسام حزام كويپر، فإننا نتوقع التوصل إلى فهم أفضل لهذه الطائفة الرائعة من الأجسام.



ولاتزال هناك سمات مثيرة أخرى لپلوتو، ومنها جوه الغريب. فمع أن جوه أقل كثافة بنحو 000 30 مرة من كثافة جو الأرض، فإنه يوفر رؤى فريدة لمجريات الأمور في الأجواء الكوكبية. ففي حين لا يحتوي جو الأرض إلا على غاز فقط (بخار ماء) يخضع بانتظام لتحولات طورية بين الحالتين الصلبة والغازية، فإن جو پلوتو يحوي ثلاثة غازات: النتروجين وأحادي أكسيد الكربون والميثان. إضافة إلى ذلك، تتفاوت درجة الحرارة الحالية على پلوتو بنسبة 50 في المئة تقريبا عبر سطحه ـ من زهاء 40 إلى قرابة 60 درجة كلڤن. وقد وصل پلوتو إلى أكبر اقتراب له من الشمس عام 1989. ومع ابتعاد الكوكب عن الشمس بقدر أكبر، فإن معظم الفلكيين يعتقدون أن متوسط درجة حرارة سطحه سينخفض، وأن معظم الجو سيتكثف ويتساقط ثلجا. ويبدو أن پلوتو يمتلك بالفعل أكثر الأنماط الفصلية إثارة بين كواكب النظام الشمسي.



إضافة إلى ذلك، فإن جو پلوتو ينزف مادته في الفضاء بمعدل يعادل نزيف مذنب. ومعظم الجزيئات في الجو العلوي للكوكب لها ما يكفي من الطاقة الحرارية لتفلت من ثقالة الكوكب، ويسمى هذا التسرب السريع الإفلات الهدروديناميكي hydrodynamic escape. ومع أن هذه الظاهرة لا تُرى على أي كوكب آخر في هذه الأيام، فقد تكون مسؤولة عن الفقدان السريع للهدروجين من جو الأرض في وقت مبكر من تاريخ كوكبنا. وبهذه الطريقة، ربما يكون الإفلات الهدروديناميكي قد ساعد على جعل الأرض صالحة للحياة. وپلوتو هو الآن الكوكب الوحيد في النظام الشمسي الذي يمكن أن تدرس فيه هذه الظاهرة.



ثمة صلة مهمة بين پلوتو وأصل الحياة على الأرض وهي وجود المركبات العضوية مثل الميثان المتجمد على سطح پلوتو وجليد الماء في داخله. وتبين الأرصاد الحديثة لأجسام حزام كويپر أنها هي أيضا ربما تؤوي مقادير كبيرة من الجليد والمواد العضوية. ويُعتقد أنه خلال بلايين السنين الماضية كانت هذه الأجسام تتجه روتينيا إلى الجزء الداخلي من النظام الشمسي، وساعدت بذلك على تزويد الأرض الفتية بالمواد الأولية اللازمة للحياة.



إنها حقا جولة واسعة(******)

نظرا لتوافر الدوافع العلمية الملحة والكثيرة جدا، فليس من الصعب فهم سبب رغبة مجتمع الأبحاث الكوكبية في إرسال سفينة فضائية إلى پلوتو وحزام كويپر. وإذا أدخلنا في اعتبارنا الرومانسية وحب المغامرة في استكشاف عوالم مازالت مجهولة، فليس من المفاجئ أن تتملك الإثارة عددا كبيرا من المواطنين وطلبة المدارس فيما يتعلق بهذه البعثة المتجهة إلى تخوم جديدة.



عندما أعلنت ناسا عن رغبتها في تلقي العروض لبعثة پلوتو ـ حزام كويپر، حددت ثلاث أولويات رئيسية للأرصاد العلمية. أولا، أن ترسم السفينة الفضائية خرائط لسطحي پلوتو وشارون بميز resolution معدله كيلومتر واحد في المتوسط (وعلى النقيض، لا يستطيع مقراب هبل الفضائي أن يحقق ميزا أفضل من نحو 500 كيلومتر حين يرصد پلوتو وشارون). ثانيا، يجب أن يرسم المجس خرائط للتركيب السطحي عبر المناطق الجيولوجية المختلفة للجرمين. ثالثا، يتعين على السفينة الفضائية أن تحدد تركيب وبنية جو پلوتو، ومعدل إفلاته escape rate من الكوكب. ووضعت ناسا أيضا قائمة بأولويات ثانوية (أقل إلحاحا)، تتضمن قياس درجات الحرارة السطحية، والبحث عن سواتل أو حلقات إضافية حول پلوتو. واشترطت ناسا أيضا أن تنفذ السفينة الفضائية المهمات نفسها على واحد على الأقل من أجسام حزام كويپر وراء پلوتو.



السفينة الفضائية نيو هورايزونز (*******)




معلومات عامة

■صُمِّمت السفينة الفضائية لتكون كتلتها 416 كيلوغراما، وليكون حجمها قريبا من حجم قارب نجاة صغير.

■ خلال الرحلة إلى پلوتو، سيبلغ المجس سرعة قصوى قدرها000 70 كيلومتر/ ساعة.

■ ستكون حواسيب السفينة قادرة على تخزين 48 جيگابتة من البيانات، ونقل المعلومات من پلوتو إلى الأرض بمعدل770بتة في الثانية [000 16بتة في الثانية من المشتري].



حين وقع اختيار ناسا على عرضنا في أواخر عام 2001، ذَكَرَت أن بعثة نيو هورايزونز الجديدة توفر أحسن مردود علمي، وأقل مجازفة في حدوث تأخيرات في المواعيد المحددة، وفي تجاوز التكلفة المقدرة لها. وهذا يعود، جزئيا، إلى الإمكانات الجبارة للسفينة الفضائية التي اقترحناها، وإلى خبرة المعاهد التي ينتمي إليها فريقنا في دقة التقيد بمواعيد البعثات الفضائية التي أشرفت عليها وفي حدود التكلفة المرصودة لها، أو بأقل منها.



إن السفينة الفضائية نيوهورايزونز التي صممناها نحيفة، فالكتلة المقدرة لها 416 كيلوغراما فقط (917 پاوندا) ـ فهي أثقل من باكورة المجسات من نوع پايونير Pioneer، لكنها أخف من سفن ڤويجر الفضائية. وتتضمن هذه الكتلة دواسر (دافعات) propellants الهايدرازين اللازمة للمناورة، التي تُستعمل لتعديل مسار السفينة خلال طيرانها. إن معظم النظم الفرعية للسفينة الفضائية، مثل حواسيبها ونظام التحكم في دفعها، تعتمد على تصميمات استُعملت في مجس CONTOUR Comet Nucleus Tour الذي أشرف عليه مختبر الفيزياء التطبيقية APL لإطلاقه في بعثة تتضمن عدة رحلات بالقرب من المذنبات. إن استخدام تصميمات CONTOUR يخفض من تكاليف نيو هورايزونز، ويقلل من المجازفة في كل من المشكلات التقنية ومشكلات الخطة الزمنية.



وتحوي النظم الفرعية لجميع سفننا الفضائية تقريبا تجهيزات احتياطية لزيادة الوثوقية في الرحلة الطويلة إلى پلوتو وحزام كويپر.



وستحمل السفينة الفضائية أربعة نظم من الأجهزة. أولها، منظومة لرسم الخرائط والتحليل الطيفي لاستكشاف المكونات (PERSI)، ومهمتها إجراء أرصاد في النُّطق المرئية وفوق البنفسجية وتحت الحمراء من الطيف. وسيكون مطياف PERSI للتصوير في الأشعة تحت الحمراء أساسيا لتحديد التركيب والحالة الفيزيائية (بما فيها درجة الحرارة) للجليد المتكون على سطحي پلوتو وشارون. والثانية، آلة علمية راديوية، تدعى REX، ستقوم باستكشاف بنية جو پلوتو ومعايرة متوسط درجات الحرارة السطحية لپلوتو وشارون (في كل من القسم النهاري والقسم الليلي من هذين الجرمين)، وذلك بقياس كثافة الإشعاع الميكروي الموجة الذي يلتقطه الصحن الراديوي للسفينة الذي قطره 2.5 متر. والآلة الثالثة تدعى PAM، وهي تحوي مكاشيف للجسيمات المشحونة مصممة لتحديد المادة الهاربة من جو پلوتو، ولتعيين معدل إفلاتها منه. أما الآلة الرابعة، LORRI، فهي آلة تصوير عالية الميز سوف تزيد من قدرات التصوير الهائلة لPERSI. فعند أكبر اقتراب للسفينة الفضائية من هدفها، سيكون لصور PERSI الشاملة لنظام پلوتو ـ شارون وأجسام حزام كويپر ميز قدره كيلومتر واحد في المتوسط. ولكن LORRI، التي ستصور مناطق مختارة، ستكون قادرة على كشف معالم أصغر من ذلك بعشرين مرة!





سيحقق الطيران المنخفض للسفينة الفضائية نيو هورايزونز فوق پلوتو أكبر اقتراب من الكوكب، وذلك حين تكون السفينة على مسافة من سطحه لا تتجاوز بضعة آلاف من الكيلومترات. ويوضح هذا الشكل، هذا الطيران المنخفض كما يبدو من موقع فلك حول پلوتو وأعلى قليلا من المستوى المداري لشارون.




إذا سارت الأمور كما هو مخطط لها، فستُطلق السفينة الفضائية في الشهر1/2006 لتقوم أولا بطيران منخفض فوق كوكب المشتري، الذي سيستعمل ثقالته كمقلاع يقذف بالسفينة نحو پلوتو [انظر الشكل في الصفحة 21]. وخلال طيران السفينة نيو هورايزونز قريبا من المشتري، ستقوم بدراسة مستفيضة مدتها أربعة أشهر لنظام الكوكب المثير للفضول الذي يحوي أكثر من 20 قمرا، فضلا عن شفقيه auroras وجوّه وغلافه المغنطيسي. وبفضل الدعم التثاقلي للمشتري، يمكن للسفينة الفضائية الوصول إلى نظام پلوتو ـ شارون بحلول عام 2015. (يتوقف الموعد الدقيق لوصولها على مركبة الإطلاق التي ستُعدها ناسا وعلى تحديد اليوم من الشهر 1/2006 الذي ستطلق فيه السفينة.)



وفي الجزء الأكبر من رحلتها الطويلة من المشتري إلى پلوتو، ستكون نيو هورايزونز في حالة سبات إلكتروني. إن عدم تشغيل النظم التي لا حاجة إليها والإقلال من الاتصالات بالسفينة يخفضان من احتمال تعطل تجهيزاتها، ويقللان كثيرا من تكاليف عمليات البعثة. وخلال مدة السبات هذه، ستواصل السفينة بث إشارات مميزة إلى الأرض لتحديد أحوالها ومواقعها؛ وإذا ما طرأت مشكلة غير متوقعة، فإن فريق التحكم الأرضي سيتعامل معها. وسيجري إيقاظ السفينة من سباتها الإلكتروني لمدة 50 يوما تقريبا مرة كل عام لإجراء اختبار دقيق للنظم، والقيام بتصحيحات على مسارها، ومعايرة آلاتها العلمية.



وخلافا للخطط السابقة للقيام بطيران منخفض سريع فوق نظام پلوتو ـ شارون، فإن نيو هورايزونز ستبدأ دراستها لهذا النظام قبل ستة أشهر من أكبر اقتراب لها من پلوتو. وعندما تصبح السفينة على مسافة 100 مليون كيلومتر تقريبا من پلوتو ـ قبل نحو75 يوما من أكبر اقتراب لها منه ـ ستكون الصور التي تأخذها للكوكب أفضل من تلك التي حصل عليها مقراب هبل الفضائي، وستتحسن النتائج في كل يوم عما كانت عليه في اليوم السابق. وفي الأسابيع التي تسبق أكبر اقتراب لها من الكوكب، سيكون فريق بعثتنا قادرا على رسم خريطة پلوتو ـ شارون بتفصيل يتزايد يوما بعد آخر، وسيراقب بعض الظواهر مثل طقس پلوتو، وذلك بمقارنة صور الكوكب التي تؤخذ في أوقات مختلفة. وباستعمال قدرات LORRI في التصوير العالي الميز، فإننا سنحصل على مناظر تفصيلية لپلوتو وشارون من خلال عدسة زوم (متغيرة المحرق) تساعدنا على تحديد تلك السمات الجيولوجية التي تستحق منا إخضاعها لفحص متمعن. وخلال اليوم الذي تصبح فيه نيو هورايزونز أقرب ما يمكن من پلوتو ـ عندما تصبح المسافة التي تفصلهما بضعة آلاف فقط من الكيلومترات ـ ستحصل PERSI على أفضل صور تلتقطها لكامل وجهي پلوتو وشارون المضاءين بضوء الشمس. في نفس الوقت، ستركز LORRI قدراتها لإنتاج خرائط عالية الميز لعشرات من البقاع الصغيرة من هذين الجرمين.



وما إن تتجاوز السفينة پلوتو حتى تنعطف في مسارها لترسم خريطة لجانبه الليلي، الذي سيكون مضاء بنور باهت ناشئ عن انعكاس ضوء القمر على شارون. ثم إن هوائي السفينة الفضائية سيستقبل حزمة راديوية قوية من الأرض مارة عبر جو پلوتو. وبقياس انكسار هذه الحزمة الراديوية، سنكون قادرين على تحديد توزع درجات الحرارة والكثافة في جو پلوتو بدءا من الارتفاعات العالية ووصولا إلى سطحه.



وبعد اللقاء مع نظام پلوتو ـ شارون، سوف تجري نيوهورايزونز في الغالب مناورات فورية من المؤمل أن تسفر عن ثلاث عمليات طيران منخفض أو أكثر فوق أجسام حزام كويپر القديمة، وسيستمر هذا الطيران طوال السنوات الخمس التالية. ويتوقف العدد الدقيق لهذه اللقاءات بطبيعة الحال على كمية وقود الدفع المتبقي في السفينة الفضائية بعد إتمام عملية الطيران المنخفض فوق پلوتو.



الآن ـ وإلا فلا(********)

من المؤمل أن تحدث بعثة نيوهورايزونز ثورة في معارفنا المتعلقة بنظام پلوتو ـ شارون وحزام كويپر. بيد أن الإمكانات المرجوة من هذا الاستكشاف لن تتحقق إذا لم يجر الإطلاق عام 2006. فبسبب التراصف alignment المتغير للكواكب لن تستطيع السفينة الفضائية بعد عام 2006 أن تتسارع باتجاه پلوتو بعد اقترابها من المشتري. فإذا لم تنفذ البعثة في موعدها، فإنه يتعين على الوكالة ناسا الانتظار إلى عام 2018 كي يكون المشتري في الموقع الصحيح ثانية، وهذا يؤخر اللقاء المنشود إلى منتصف العشرينات من هذا القرن على الأقل.



وبحلول ذلك الوقت سيكون پلوتو أبعد عن الشمس بمئات ملايين الكيلومترات، ويصبح أبرد بكثير مما هو في هذه الأيام. وبسبب الميل المداري الشديد لپلوتو وحركته حول الشمس، فإن أكثر من أربعة ملايين كيلومتر من تضاريسه ـ وهذا جزء كبير من نصف الكرة الجنوبي للكوكب ـ ستكون مغطاة بظل قطبي عاتم، مما سيحول دون رصدها. إضافة إلى ذلك، فإنه من المحتمل أن يكون كل جو الكوكب قد تكثف بحلول ذلك الوقت، وهذا يسد الطريق في وجه أي فرصة لدراسته قبل حلول القرن الثالث والعشرين، حين يتعين على جو الكوكب الارتفاع مرة ثانية خلال عملية اقتراب الكوكب من الشمس.



تمثل بعثة نيو هورايزونز عودة إلى الكشوف الأولى المثيرة التي جرت ضمن برنامج ناسا الكوكبي: فللمرة الأولى منذ عام 1989، حين طارت السفينة الفضائية ڤويجر 2 قريبا من نپتون، تقوم سفينة فضائية بتوجيه آلاتها إلى عالَم جديد. إن هذه البعثة تمثل إضافة مهمة إلى تاريخ ناسا الحافل بالاستكشافات. وباختيار بعثة نيو هورايزونز من خلال مجموعة من العروض التنافسية، خفضت ناسا بذلك التكاليف إلى مبلغ زهيد مقارنة بتكاليف البعثات الفضائية الحديثة إلى النظام الشمسي الخارجي.



وإذا ما صادق الكونگرس على التمويل اللازم لإكمال السفينة الفضائية نيو هورايزونز، فإن استكشاف پلوتو ـ شارون وحزام كويپر سيبدأ بسلسلة من التحليقات على ارتفاعات منخفضة فوق هذه الأجرام، تنفذ في صيف عام 2015. وبدعم الولايات المتحدة لهذا المشروع، فإنها تكون قد أتمت أخيرا القسم الأساسي من عملية استطلاع نظامنا الشمسي، التي بدأتها في الستينات من القرن العشرين بإرسال البعثات التاريخية مارينر Mariner إلى كوكبي الزهرة والمريخ.




--------------------------------------------------------------------------------

المؤلف

S. Alan Stern

عالم متخصص في الكواكب، وهو الباحث الرئيسي في بعثة نيو هورايزونز إلى پلوتو وحزام كويپر بإشراف ناسا. قاد ستيرن وشارك في عدة تجارب وطيرانات فضائية على متن NASA F-18s ومتن طائرات أخرى عالية الأداء لإجراء بحوث فلكية على ارتفاعات عالية. حصل على الدكتوراه في علوم الكواكب والفيزياء الفلكية من جامعة كولورادو عام 1989. وهو الآن مدير قسم الدراسات الفضائية التابع لمعهد بحوث ساوث وست في بولدر بكولورادو.




--------------------------------------------------------------------------------

مراجع للاستزادة

Pluto. Richard P. Binzel in Scientific American, Vol. 262, No. 6, pages 26-33; June 1990.

Pluto and Charon: Ice Worlds on the Ragged Edge of the Solar System. S. Alan Stern and Jacqueline Mitton. John Wiley & Sons, 1999.

Beyond Pluto: Exploring the Outer Limits of the Solar System. John Davies. Cambridge University Press, 2001.

Information about Pluto and Charon is available at

sads.lpl.arizona.edu/nineplanets/nineplanets/pluto.html

Details of the New Horizons mission are available at pluto.jhuapl.edu and at www.plutomission.com

Scientific American, May 2002


--------------------------------------------------------------------------------

(*) JOURNEY TO THE FARTHEST PLANET

(**) Overview/ New Horizons

(***) Outward Bound

(****) Distant Worlds

(*****) An Archaeological Dig in Space

(******) A Grand Tour Indeed

(*******) New Horizons Spacecraft

(********) Now - or Never?