تعريف علم الفلك:
هو الدراسة العلمية للأجرام السماوية (مثل النجوم، والكواكب، والمذنبات، والنيازك، والمجرات) والظواهر التي تحدث خارج نطاق الغلاف الجوي (مثل إشعاع الخلفية الميكروني الكوني). وهو يعني بتطور الأجرام السماوية، الفيزياء، والكيمياء، والحركة، بالإضافة إلى تكون وتطور الكون. ويعد علم الفلك أحد العلوم القديمة.
تاريخ علم الفلك:
أجرى علماء الفلك الأوائل ملاحظات منهجية للسماء في المساء، وأكتشفوا تحف فلكية خلال فترات مبكرة جداً. ومع ذلك، كان من الضروري اختراع التلسكوب قبل أن يتطور علم الفلك ليصبح من العلوم الحديثة. وشمل علم الفلك تخصصات متنوعة على مر التاريخ مثل القياسات الفلكية، والملاحة الفضائية، وعلم الفلك النسبي، ووضع التقاويم، وعلم التنجيم، ولكن علم الفلك الاحترافي يعتبر مرادفاً لعلم الفيزياء الفلكي.
ومنذ بداية القرن العشرين انقسم مجال علم الفلك إلى فرعي علم الفلك الرصدي وعلم الفلك النظري. ويركز علم الفلك الرصدي على استخدام المراصد الموجودة على الأرض والمراصد الفضائية لتجميع صور النجوم والكواكب وتحليل البيانات باستخدام أجهزة للرصد مثل التلسكوبات، كتلسكوب الأشعة تحت الحمراء وتلسكوبات الأشعة السينية وأشعة غاما. بينما يهتم علم الفلك النظري بصياغة نظريات وتطوير نماذج للعمليات الفيزيائية التي تجري في مختلف الأجرام السماوية من نجوم ومجرات وتجمعات المجرات وانفجارات أشعة غاما التي تحدث في بعض النجوم، وحسابها بالحاسب الآلي أو النماذج التحليلية في محاولات للتوفيق بين الحسابات مع ما تؤتي به القياسات لفهم وتفسير مختلف الظواهر الفلكية وتأثيرها على الأرض والإنسان. ويكمل الفرعيين بعضهما البعض، حيث يسعى علم الفلك النظري إلى تفسير النتائج الرصدية والظواهر الفلكية، وتكون المشاهدة العملية التي نحصل عليها من الرصد هي الحاكم على صحة النتائج النظرية.
أهمية دراسة علم الفلك
إن ما يهم الإنسان هو معرفة عمر الكون، وكيف نشأ؟ وكم بلغ عمر الشمس؟ وإلى متى سوف تمدنا الشمس بالحرارة والحياة؟ وكيف تكون نهايتها؟ ومتى؟ وهل سيبقى مدار كوكب الأرض حول الشمس كما هو أم سيتغير مداره في المستقبل؟
ويمدنا الرصد الفلكي لصور آلاف مؤلفة من النجوم التي توجد في مختلف الأعمار، حيث أنها تنشأ ثم تموت، فما هي إلا شموس مثل شمسنا تمدنا صورها بمعلومات للتعرف عليها ودراستها.
علم الفلك وعلم التنجيم
لا يجب الخلط بين علم الفلك القديم وبين علم التنجيم، وهو نظام يعتقد أن هناك علاقة بين الشؤون الإنسانية ومواضع الأجسام السماوية. يختلف «علم التنجيم» و علم الفلك تماماً عن بعضهما البعض على الرغم من أنهما يتشاركان في الأصل، وفي جزء من الوسائل وهو استخدام التقويم الفلكي.
الجسيمات الأولية في الفلك
يساهم الفيزيائيون المختصون بدراسة الجسيمات الأولية، ويساهمون في علم الفلك لأن خواص الجسيمات الأولية تتحكم في نشأة وتطور ومصير الكون.
ولا تكفي معرفتنا عن البروتونات والنيوترونات والجسيمات التي نعرفها لتفسير تطور الكون، ولذلك يبحث الفيزيائيون في طرق التاثر بين الجسيمات، أي محاولة فهم القوى التي تتحكم في سلوكها مع بعضها البعض، كما يبحثون عن جسيمات ربما لا زلنا لا نعرفها مستخدمين لذلك معجلات للجسيمات عالية الطاقة مثل مكشاف مصادم فيرميلاب ومصادم الهادرونات الكبير.
وتظهر في المعجلات جسيمات غريبة تظهر وتختفي في أجزاء قصيرة جدا من الثانية، ولكنها تنتمي بالطبع إلى «الموجودات» في الكون، وربما لعبت في الماضي دورا مهما في نشأة الكون.
وهنا يتعاون الفيزيائيون من علماء الجسيمات مع الفيزيائيين من علماء الفلك.
أصل كلمة «astronomy»
وتعني كلمة astronomy «قانون النجوم» أو «ثقافة النجوم).
وهي مشتقة من الكلمة اليونانية αστρονομία، astronomia، من الكلمتين: άστρον astron وتعني «نجمة» وνόμος nomos وتعني «قانون أو ثقافة».
استخدام مصطلحي «علم الفلك» و «الفيزياء الفلكية»
وعادةً يمكن استخدام مصطلح «علم الفلك» أو «الفيزياء الفلكية» للإشارة لهذا العلم.
ويشير «علم الفلك» إلى «دراسة الأجسام والمواد الموجودة خارج الغلاف الجوي ودراسة خصائصهم الفيزيائية والكيميائية»، بينما تشير «الفيزياء الفلكية» إلى فرع من فروع علم الفلك الذي يهتم
بـ «الخصائص الفيزيائية والسلوكية والعمليات الديناميكية للأجسام والظواهر السماوية».
وفي بعض الحالات، يمكن استخدام «علم الفلك» لوصف الدراسة النوعية للموضوع، بينما يمكن أن تشير «الفيزياء الفلكية» إلى نسخة الموضوع الفيزيائية، كما هو الحال في مقدمة كتاب الكون الفيزيائي بقلم فرانك شو.
وحيث أن معظم الأبحاث الفلكية الحديثة تتعامل مع مواضيع فيزيائية، يمكن أن يطلق على علم الفلك الحديث بالفيزياء الفلكية.
ويمكن أن تستخدم العديد من الأقسام الباحثة في هذا الموضوع مصطلحي «علم الفلك» و «الفيزياء الفلكية»، وذلك يعتمد جزئياً على ما إذا كان القسم مرتبط تاريخياً بقسم الفيزياء، ونجد أن هناك كثير من الفلكيين المحترفين قد حصلوا على درجات علمية في علم الفيزياء، وتعد مجلة الفلك والفيزياء الفلكية من المجلات العلمية الرائدة في هذا المجال.
وتكون علم الفلك في العصور المبكرة من الملاحظات والتنبؤات حول حركة الأجسام التي يمكن رؤيتها بالعين المجردة.
جمَّعت الثقافات القديمة قطع أثرية ضخمة ذات أغراض فلكية، وذلك في بعض الأماكن مثل ستونهينج. ويمكن توظيف تلك النقاط الرصدية لتحديد الفصول، بالإضافة إلى الاستخدامات الاحتفالية.
وهو عامل مهم لمعرفة متى يمكن زراعة المحاصيل، وفهم طول العام.
وقبل اختراع التليسكوب، كانت الدراسات المبكرة للنجوم تجرى من خلال أماكن الرصد المتاحة في ذلك الوقت، مثل المباني والأراضي المرتفعة باستخدام العين المجردة. ومع تطور الحضارات، تم تجميع نقاط الرصد الفلكية في كل من العراق القديمة، واليونان، ومصر القديمة، وبلاد فارس، وحضارة المايا في أمريكا الجنوبية، والهند، والصين، والنوبة، بالإضافة إلى إن الفلكيون طرحوا أفكارا حول طبيعة الكون، وشملت معظم علوم الفلك المبكرة رسم الخرائط لمواقع النجوم والكواكب، وهو علم يطلق عليه علم القياسات الفلكية، ومن خلال هذه الملاحظات، تم تكوين أفكار مبدئية حول تحركات الكواكب، بالإضافة إلى الأفكار الفلسفية لطبيعة الشمس، والقمر، وكوكب الأرض في الكون.
وكان يعتقد بأن كوكب الأرض هو مركز الكون، وأن الشمس والقمر والنجوم تدور حوله.
ويعرف ذلك الاعتقاد بالنموذج الهندسي لمركزية الأرض.
وظهرت العديد من الاكتشافات الفلكية المهمة قبل تطبيق استخدام التليسكوب. فعلى سبيل المثال، قدر علماء الفلك الصينيون انحراف مسار الشمس في عام 1000 قبل الميلاد. واكتشف علم الفلك البابلي الكلدانيون أن الخسوف القمري يحدث داخل دائرة متكررة تسمى دورة الخسوف بدائرة الخسوف.وفي القرن الثاني قبل الميلاد، قدر هيبارخوس حجم القمر والمسافة بينه وبين كوكب الأرض.
جهاز المعداد
يعتبر جهاز المعداد (آلة العداد Antikythera mechanism) أكثر الأجهزة الفلكية شهرةً في العصور المبكرة، وهو آلة يونانية قديمة يستخدم لحساب حركة الكواكب التي يرجع تاريخها إلى حوالى 150-80 قبل الميلاد، بالإضافة إلى أنه أقدم حاسوب فلكي تناظري، وقام الفلكيون العرب بإنشاء أجهزة حاسوب فلكية تناظرية كالأصْطُرلاب، وهو آلة فلكية قديمة وأطلق عليه العرب ذات الصفائح، وقاس العالم الفلكي أبو الريحان البيروني محيط الكرة الأرضية، كما حدد أوقات الخسوف والكسوف، وحدد علماء العرب منازل القمر وبينوا مواضع الكواكب حول الشمس وطبيعة النجوم واختلافها عن الكواكب في مخطوطات عدة.
كما طور أبو الريحان البيروني معادلة رياضية لاستخراج محيط الأرض بطريقة علمية بسيطة، وهذه المعادلة لحساب محيط الأرض لا تزال مستعملة حتى يومنا هذا، وعرفت عند علماء الغرب والشرق بقاعدة البيروني لحساب نصف قطر الأرض.
وخلال العصور الوسطى، ظل علم الفلك الرصدي ثابتاً في أوروبا حتى القرن الثالث عشر على الأقل.
ثورة علمية
تشير استكشافات غاليليو وملاحظاته حول القمر إلى أن السطح كان جبلياً، وخلال عصر النهضة، قدم نيكولاس كوبرنيكس نموذج مركزية الشمس للمجموعة الشمسية. ثم جاء غاليليو غاليلي ويوهانس كيبلر مدافعين عن عمل كوبرنيكوس، ثم قاموا بتوسيعه وتصحيحه. وواصل غاليليو ابتكاراته مستخدماً التلسكوب لتعزيز ملاحظاته.
ويعد كبلر أول من وضع نظام لوصف تفاصيل حركة الكواكب مع الشمس في المركز بشكل صحيح. وجاء اختراع نيوتن للميكانيكا السماوية وابتكار قانون الجاذبية ليفسر حركة الكواكب. كما طور نيوتن التلسكوب العاكس.
وجاءت المزيد من الاكتشافات متزامنة مع تحسينات في حجم وجودة التليسكوب.
كما أنتج لاكايل المزيد من القوائم النجمية. وقام عالم الفلك وليم هرشل بعمل قائمة مفصلة حول الضبابية والتكتلات، كما اكتشف كوكب أورانوس في عام 1781، وهو أول كوكب جديد يُكتشف. تم تحديد أول مسافة لنجم في عام 1838 عندما قام فريدريش بسل بقياس تزيح النجم الثنائي 61 Cygni.
وخلال القرن التاسع عشر، أدي اهتمام ويلر، وكليروت، ودالمبرت بمشكلة الجسم الثلاثي، إلى وجود تنبؤات أكثر دقة حول حركة القمر والكواكب. وقام لاغرانج وولابلاس بتلقيح هذا العمل، مما سمح بتقدير كتلة الأقمار والكواكب.
منظار التحليل الطيفي
ظهر تقدم كبير في مجال علم الفلك مع إدخال التكنولوجيا الجديدة، بما في ذلك منظار التحليل الطيفي، والفُوتُوغْرافِيَا. واكتشف فراونهوفر حوالي 600 مجموعة من الألوان داخل طيف الشمس في 1814-15، والتي أرجعها كيرشوف في عام 1859 إلى وجود عناصر مختلفة. وثبت أن النجوم مشابهة للشمس الأرضية، ولكن مع اختلاف كبير في درجة الحرارة، والكتلة، والحجم.
ولم يثبت وجود مجرة كوكب الأرض، مجرة درب التبانة، باعتبارها مجموعة منفصلة من النجوم إلا في القرن العشرين، بالإضافة إلى المجرات «الخارجية»، والتوسع الكوني الملحوظ في تراجع معظم المجرات عنا.
واكتشف علم الفلك الحديث العديد من الأجسام الغريبة مثل النجوم الزائفة، والنباض، والمتوهجات، والمجرات الراديوية، كما استخدم تلك الاكتشافات لتطوير النظريات الفيزيائية التي تصف بعض هذه الأجسام بالتساوي مع الأجسام الغريبة مثل الثقوب السوداء، والنجوم النيوترونية. وتقدم علم الكونيات الفيزيائي خلال القرن العشرين، من خلال نموذج الانفجار الكبير والذي دعمته أدلة من علم الفلك والفيزياء مثل إشعاع الخلفية الميكروني الكوني، وقانون هابل، والتوافر الكوني للعناصر.
علم الفلك الرصدي
نحصل على المعلومات في علم الفلك عادةً من خلال تحديد وتحليل الضوء المرئي أو أي نوع آخر من الإشعاع الكهرومغناطيسي.
ويمكن أن ينقسم علم الفلك الرصدي طبقا لمنطقة الطيف الكهرومغناطيسي.
ويمكن مشاهدة بعض أجزاء الطيف من على سطح كوكب الأرض، بينما لا يمكن مشاهدة البعض الآخر إلا من مرتفعات شاهقة أو من الفضاء.
ونورد معلومات محددة حول هذه الحقول الفرعية أدناه.
علم الفلك الراديوي
يدرس علم الفلك الراديوي الإشعاع ذات طول موجي أكبر من ملليمتر واحد تقريبا. ويختلف علم الفلك الراديوي عن معظم أنواع علم الفلك الرصدي الأخرى، حيث أنه يمكن التعامل مع الموجات الرادوية باعتبارها موجات بدلاً من اعتبارها فوتونات منفصلة. وبالتالى، يعد من السهل نسبياً قياس سعة وفترة الموجات الراديوية، بينما لا يمكن القيام بذلك مع الموجات ذات طول موجي أقصر.
وعلى الرغم من إنتاج بعض الموجات الراديوية في شكل إشعاع حراري من قبل الأجسام الفلكية، تأخذ معظم الانبعاثات الرادوية التي تم مشاهدتها من كوكب الأرض شكل الإشعاعات السنكروترونية، والتي تنتج عندما يتأرجح الإلكترون حول المجالات المغناطيسية. وبالإضافة إلى ذلك، تنتج غازات بين النجوم عدد من الخطوط الطيفية، ولا سيما الخط الطيفي لذرة الهيدروجين والذي يبلغ طوله 21 سم، ويمكن مشاهدة تلك الخطوط عند الموجات الراديوية.
ويمكن مشاهدة مجموعة متنوعة من الأجسام ذات الأطوال الموجية الرادوية، بما في ذلك المستعر الأعظم، وغازات بين النجوم، والنجوم النابضة، والنوى المجرية النشطة.
