حيلة من الساعات الذرية، مصوّبة نحو الشمس
للعثور على توأم للأرض حول نجم آخر، يراقب الفلكيون تمايل النجم. فكوكب بكتلة الأرض يدور حول نجم شبيه بالشمس على مسافة الأرض لا يحرّكه إلا بـ8.9 سنتيمترات في الثانية، على مدى عام أو أكثر. وهذه الحركة الضئيلة تُزيح الخطوط الطيفية للنجم ببضعة أجزاء من عشرة مليارات.
وتقترب أفضل أدوات البحث عن الكواكب من ذلك بنشر ضوء النجم على محزّزات كبيرة وأخذ متوسط إزاحات مئات الخطوط أو آلافها دفعة واحدة. وحتى عند معايرتها بأمشاط ترددات ليزرية، فإنها لا تزال تقيس موضع سقوط الضوء على الكاشف، أي طولًا موجيًا لا ترددًا.
استعارة من الساعات الذرية
تعمل الساعات البصرية، وهي أدق أدوات قياس الزمن، بطريقة مختلفة. فهي تثبّت ليزرًا على انتقال ذري وتَعُدّ تردّده بمشط ترددات، وهو ليزر يشكّل ضوؤه مسطرةً من ترددات متساوية التباعد. لكن ثمة عقبة: فهي تحتاج إلى ضوء ليزر مختبري نظيف، لا إلى التوهج الحراري الفوضوي لنجم.
وقد طبّق كونور فريدريك ورايان ك. كول وزملاؤهما في جامعة كولورادو في بولدر والمعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا (NIST)، بقيادة سكوت ديدامز للمشروع، وصفة الساعات هذه الآن على ضوء الشمس. ويسمّون النتيجة ساعة بصرية شمسية.
خط واحد، وليزر واحد
- يغذّي متتبّع شمسي صغير على سطح المبنى ليفًا بصريًا أحادي النمط بالضوء القادم من قرص الشمس كله، فتُرى الشمس كما لو كانت نجمًا بعيدًا.
- في المختبر، يُمزج ضوء الشمس مع ليزر على كاشف. ويُهزّ تردد الليزر جيئةً وذهابًا، فينتج عن ذلك إشارة تنعدم تمامًا عند مركز خط امتصاص للحديد قرب 1565.28 نانومترًا، وهو خط عرضه نحو 4.3 غيغاهرتز. وهذا العرض ليس عيبًا في الجهاز: فالاضطراب الحراري وحمل غازات الشمس يوسّعان الخط، وعلى المرء أن يجد المركز داخل هذا النطاق الضبابي.
- وتُبقي حلقة تغذية راجعة الليزر مثبّتًا هناك. وفي الأثناء، يَعُدّ مشط ترددات مرتبط بـمِيزر هيدروجيني — أي ساعة ذرية هيدروجينية بالغة الثبات على مدى ساعات قليلة، تُستخدم هنا مرجعًا للزمن — ومعايَر لدى NIST تردد الليزر باستمرار، وهي صلة مباشرة بالتعريف الرسمي للثانية.
جزء من مليار من التردد
في ثانية واحدة، يحدّد الليزر مركز الخط بدقة نحو 3 ميغاهرتز، أي واحد من ألف وأربعمئة من عرض الخط. وبلغة السرعة، هذا 4.7 أمتار في الثانية: فمفعول دوبلر يُزيح تردد الضوء بالتناسب مع سرعة المصدر، وعند هذا الطول الموجي يساوي المتر في الثانية نحو 0.64 ميغاهرتز. وأخذ المتوسط على مدى بضعة آلاف من الثواني يخفض ذلك إلى نحو 200 كيلوهرتز، أي نحو 30 سنتيمترًا في الثانية، أو جزء من مليار من تردد الضوء.
وتتبع هذه الدقة عن قرب الحدّ الكمومي المتوقع من الوصول العشوائي للفوتونات في هذا النوع من القياس: فلا يُضاف إليها أي ضجيج من الجهاز بشكل ظاهر في أزمنة المتوسط المقيسة. ومقارنةً بالجهاز السابق للفريق، الذي يمسح الخط ببطء، فإن الليزر المثبّت أدق بنحو عشر مرات.
(أ) قياسات مركز الخط على مدى 5000 ثانية بالليزر المثبّت (الأزرق الداكن) والجهاز الماسح (الأزرق الفاتح)؛ (ب) تظهر تذبذبات الشمس في صورة قمة قرب 5.5 دقائق؛ (ج) تتحسّن الدقة مع زمن أخذ المتوسط، نحو الحدّ الكمومي (الخط المتقطع). — الشكل 4، فريدريك وكول وآخرون (2026)، arXiv:2610.28485.
الشمس تتنفّس، والقمر يعبر
تكشف القياسات حركة الشمس نفسها. فقمة واضحة عند 5.5 دقائق تُظهر التذبذبات الصوتية لسطحها، وهي موجات صوتية تسبر باطنها. وهي أيضًا مصدر إزعاج: إذ لا تتحسّن الدقة تحسّنًا حادًا إلا حين يمتد المتوسط على دورتها البالغة خمس دقائق.
في 8 أبريل 2024، رصد الفريق الكسوف الجزئي للشمس من بولدر، حيث غطّى القمر نحو 80% من الشمس. ولأن الشمس تدور، فإن إحدى حافتيها تتحرك نحونا والأخرى تبتعد عنا. ومع حجب القمر إحدى الحافتين ثم الأخرى، انزاح خط الحديد بما يصل إلى نحو 500 متر في الثانية، وهذا هو أثر روسيتر-ماكلولين (Rossiter-McLaughlin effect)، البصمة نفسها المستخدمة لدراسة الكواكب العابرة أمام نجومها.
كسوف 8 أبريل 2024 كما رآه الجهازان: (أ) ينزاح الخط في اتجاه ثم في الاتجاه الآخر بينما يعبر القمر قرص الشمس؛ (ب، ج) تشتّت الليزر المثبّت (الأزرق الداكن) أقل بكثير من تشتّت الجهاز الماسح (الأزرق الفاتح). — الشكل 5، فريدريك وكول وآخرون (2026)، arXiv:2610.28485.
من الشمس إلى نجوم أخرى
يقدّر المؤلفون أن تلسكوبًا قطره بين 25 و40 مترًا مزوّدًا بالبصريات التكيّفية، وهو نطاق تلسكوب ماجلان العملاق والتلسكوب الكبير جدًا قيد الإنشاء، يمكن أن يبلغ بهذه الدقة أحادية الخط أقرب النجوم الشبيهة بالشمس في بضع ساعات. ويمكن لتعديل أدقّ، ومتوسطات أطول، وقياس عدة خطوط معًا أن يدفع الدقة نحو 10 سنتيمترات في الثانية.
وللنجوم حدّها الخاص. فسطحها الفائر، أي التحبّب، يضيف ضجيجًا بعدة عشرات من السنتيمترات في الثانية حتى على مدى ساعة. وقياس الخطوط واحدًا واحدًا، كلٌّ منها حسّاس على طريقته للمغناطيسية وللعمق، هو بالضبط ما قد يساعد على تمييز اضطراب النجم من جذب كوكب غير مرئي.