LP-Infinity: overcoming limits to the number of lifetime positions in the COS FUV channel

في أعماق تاريخ الكون، يسافر الضوء من المجرات البعيدة عبر مليارات السنين ليصل إلينا، حاملاً معه أسراراً حول كيفية تشكل النجوم والكواكب. وللقراءة هذه الأسرار، يعتمد علماء الفلك على أدوات يمكنها التقاط هذا الضوء الخافت وتفكيكه إلى قوس من الألوان، وهي عملية تسمى المطيافية. ومن أقوى الأدوات لهذه المهمة هو "مِطياف الأصول الكونية" (Cosmic Origins Spectrograph)، وهو جهاز ملحق بتلسكوب هابل الفضائي. ومنذ تركيبه في عام 2009، التقط آلاف الصور للكون، وبالتحديد بالنظر إلى جزء من طيف الضوء يسمى الأشعة فوق البنفسجية البعيدة. هذا الضوء غير المرئي أمر بالغ الأهمية لدراسة النجوم الشابة الساخنة والغاز الموجود بينها، ولكنه أيضاً الجزء الأكثر طاقة وإضراراً بحساسات التلسكوب.

يعمل المستشعر داخل مِطياف الأصول الكونية مثل كاميرا شديدة الحساسية تعدّ الجسيمات الفردية للضوء. ومع ذلك، بمرور الوقت، يؤدي القصف المستمر لهذه الجسيمات إلى إضعاف قدرة المستشعر على الاستجابة، تماماً مثل الإطار الذي يفقد ضغط الهواء ببطء. ومع ضعف المستشعر، تصبح الصور التي ينتجها ضبابية أو تفقد تفاصيلها. ولإصلاح ذلك، طور فريق التلسكوب استراتيجية لنقل الهدف إلى بقعة جديدة وغير مستخدمة على المستشعر كل بضع سنوات. هذا يحافظ على حدة الأداة، لكن عدد البقع المتاحة كان محدوداً بشكل صارم بسبب البرمجيات التي تعمل داخل التلسكوب. الآن، تم ابتكار طريقة جديدة لكسر هذا الحد، مما يضمن استمرار عمل التلسكوب بشكل جيد حتى ثلاثينيات القرن الحالي.

لأكثر من عقد من الزمان، كان مِطياف الأصول الكونية هو "الحصان الرابح" لتلسكوب هابل الفضائي، حيث يلتقط مشاهد تفصيلية للكون في الأشعة فوق البنفسجية. تستخدم الأداة كاشفاً خاصاً يعد الفوتونات، أو جسيمات الضوء، أثناء اصطدامها بالمستشعر. وفي كل مرة يصل فيها فوتون، يسجل الكاشف بالضبط أين هبط ومدى قوة الإشارة. ومع الاستخدام المستمر لسنوات، تتراجع حساسية المستشعر بشكل طبيعي، وهي ظاهرة تُعرف باسم "هبوط الكسب" (gain sag). وعندما يضعف المستشعر في منطقة ما، لا يمكن تمييز الإشارات الخافتة من الأجسام البعيدة عن ضوضاء الخلفية، وتضيع البيانات. وللتعويض عن ذلك، يقوم فريق التلسكوب بتعديل توجيه المرصد، ونقل عرض الهدف إلى قسم مختلف وغير مستخدم من الكاشف. تسمى هذه المواقع المحددة "مواضع العمر" (Lifetime Positions).

منذ تركيب الأداة، نجح الفريق في نقل الملاحظات إلى بقع جديدة على المستشعر عدة مرات. وبحلول عام 2025، كانوا قد حددوا ثمانية من هذه المواضع، مع التخطيط لموقعين آخرين في المستقبل القريب. ومع ذلك، كان هناك حد صارم في برمجيات التلسكوب الموجودة على متنه: حيث يمكنه تخزين تعليمات لثمانية مواضع فقط. ومع استمرار تقادم المستشعر، أدرك الفريق أن ثمانية مواضع لن تكون كافية للحفاظ على جودة الأداة في أفضل حالاتها للعقد القادم. كان الحل الأكثر وضوحاً هو إعادة كتابة البرمجيات للسماح بمزيد من المواضع، ولكن هذا كان سيتطلب عملية إصلاح ضخمة ومحفوفة بالمخاطر لأنظمة كمبيوتر التلسكوب أثناء دورانه حول الأرض. وكان هناك خيار آخر وهو ببساطة إعادة استخدام المواضع القديمة، لكن ذلك كان سيعقد معالجة البيانات ويسبب ارتباكاً في الجدول الزمني للملاحظات.

بدلاً من محاربة حد البرمجيات، وجد الباحثون طريقة ذكية للالتفاف حوله. فقد طوروا استراتيجية جديدة، يسمونها LP-Infinity، تسمح للتلسكوب باستخدام عدد غير محدود من المواضع دون تغيير كود الكمبيوتر الموجود على متنه. تعمل الطريقة من خلال تحديث التعليمات لملاحظة واحدة مؤقتاً قبل بدئها مباشرة. تخيل أن كمبيوتر التلسكوب لديه دفتر ملاحظات صغير بثماني صفحات، كل منها مخصص لموقع معين. بدلاً من إضافة المزيد من الصفحات إلى الدفتر، يقوم الفريق الآن بتغيير محتوى الصفحة الأخيرة قبل كل ملاحظة جديدة. إنهم يستبدلون التعليمات القديمة بالموقع الجديد، ويلتقطون الصورة، ثم يصبح النظام جاهزاً للملاحظة التالية. يتم هذا "الترقيع الديناميكي" بسرعة كبيرة لدرجة أن التلسكوب يتصرف كما لو كان لديه عدد غير محدود من المواضع المتاحة.

لم يتطلب هذا النهج أي تغييرات مادية في تلسكوب هابل الفضائي نفسه، ولكنه تطلب تحديثاً كبيراً للأنظمة الأرضية التي ترسل الأوامر إلى القمر الصناعي. كان على الفريق التأكد من إرسال التعليمات الجديدة بشكل صحيح ومن أن برمجيات التلسكوب يمكنها التعامل مع التغييرات السريعة دون خطأ. تم تنفيذ النظام الجديد بسرعة، حيث تمت أولى الملاحظات باستخدام هذه الطريقة في أواخر عام 2025. ومن خلال تخطي الرقم ثمانية في التسلسل والبدء في السلسلة الجديدة عند الرقم عشرة، تجنب الفريق أي ارتباك بين المواضع القديمة الثابتة والمواضع الجديدة المرنة. يسمح هذا التغيير لهم بتحديد مواضع جديدة بناءً على الاحتياجات المحددة لكل ملاحظة، مثل نوع الضوء المدروس أو حالة المستشعر في تلك اللحظة.

إن فوائد هذا الابتكار كبيرة للغاية. فهو يمنح الفريق الحرية لنقل رؤية التلسكوب إلى أفضل بقعة ممكنة على المستشعور لكل ملاحظة، بدلاً من أن يكون مجبراً على استخدام قائمة مواقع محددة مسبقاً. يمكنهم الآن وضع رؤية الهدف في بقعة تمتلك القدر المناسب من الحساسية لطول موجي محدد، أو تجنب المناطق التي ظهرت فيها عيوب في المستشعر. تعني هذه المرونة أن مِطياف الأصول الكونية يمكنه الاستمرار في إنتاج بيانات عالية الجودة حتى مع استمرار تقادم المستشعر. لقد رسم الفريق بالفعل خطة لاستخدام هذه المواقف الجديدة خلال ثلاثينيات القرن الحالي، مما يضمن بقاء الأداة وسيلة حيوية لعلم الفلك لفترة طويلة بعد انتهاء عمر تصميمها الأصلي المحدد بخمس سنوات.

يعتمد نجاح هذا المشروع على فهم عميق لكيفية تدهور المستشعر بمرور الوقت وكيفية تفاعل بصريات التلسكوب مع أجزاء مختلفة من الكاشف. استخدم الباحثون نماذج مفصلة للتنبؤ بالمكان الذي سيظل فيه المستشعر قوياً بما يكفي لالتقاط صور واضحة والمكان الذي قد يفشل فيه. كما توجب عليهم مراعاة القيود المادية، مثل النطاق الميكانيكي لفتحة التلسكوب ووجود "بقع ساخنة" أو مناطق ميتة على المستشعر لا يمكن استخدامها. ومن خلال اختيار مواضع جديدة بعناية تتجنب مناطق المشاكل هذه، يضمن الفريق بقاء البيانات المجموعة موثوقة. كما تتيح الطريقة الجديدة تحديد مواضع متعددة لنفس الهدف، اعتماداً على نوع الشبكة أو المرشح المستخدم، مما يوفر مستوى من التحكم كان مستحيلاً في السابق.

وبالنظر إلى المستقبل، من المتوقع أن يعمل مِطياف الأصول الكاسية بشكل جيد خلال العقد القادم، مما يوفر تدفقاً مستمراً من البيانات التي ستسد الفجوة بين تلسكوب هابل الفضائي وخليفته المستقبلي، مرصد العوالم الصالحة للسكن (Habitable Worlds Observatory). تضمن استراتيجية LP-Infinity أن الكاشف لن يكون العامل المحدد في الحصول على أطياف عالية الجودة في الأشعة فوق البنفسجية. ومع استمرار تقادم المستشعر، سيواصل الفريق تحسين نماذجه وتعديل المواضع حسب الحاجة، مما يبقي الأداة في طليعة الاكتشافات الفلكية. يوضح هذا العمل أنه حتى مع وجود أجهزة قديمة، يمكن للهندسة الإبداعية والحلول البرمجية إطالة عمر وقدرة التلسكوبات الفضائية، مما يسمح لنا بالاستمرار في النظر بعمق أكبر في الكون من أي وقت مضى.