همه چیز در مورد تلسکوپ فضایی هابل و نحوه ی عملکرد آن

تلسکوپ فضایی هابل (به انگلیسی: Hubble Space Telescope) با کوته نوشت HST تلسکوپی است که در سال ۱۹۹۰ توسط شاتل دیسکاوری در مدار گردش قرار گرفت. نام این تلسکوپ از نام کیهانشناسی به نام ادوین هابل گرفته شد. اگرچه هابل نخستین تلسکوپ فضایی نبود ولی یکی از بزرگترین و پرکاربردترین ها به شمار می آید. HST یک برنامه مشترک بین ناسا و سازمان فضایی اروپا است. برخی معتقدند که هابل مهم ترین ابزار ساخته شده در کل تاریخ علم است. داده های این تلسکوپ در سال ۲۰۱۹ به نگارش تقریباً هزار مقاله علمی منجر شد و همچنان در خط مقدم اکتشاف است. اخترشناسان پیش از پرتاب آن در سال ۱۹۹۰ عمر دقیق کیهان (۱۰ میلیارد یا ۲۰ میلیارد سال) را نمی دانستند. بررسی ستاره های تپنده توسط هابل این محدوده را کوچک کرد و حالا به دقت می دانیم که جهان ۱۳٫۸ میلیارد سال پیشینه دارد. این رصدخانه نقشی محوری در آشکار کردن انبساط شتاب گیرنده کیهان بازی کرد. کشفی که برای پژوهشگران جایزه نوبل به ارمغان آورد و شواهد قطعی از وجود سیاهچاله های بزرگ در مرکز کهکشان را فاش کرد. هابل تنها تلسکوپی است که از ابتدا به گونه ای طراحی شده که بتواند در فضا توسط فضانوردان برای مأموریت های نگهداری و تداوم کار مورد بازدید و تعمیر قرار گیرد. پنج مأموریت شاتل فضایی سیستم های تلسکوپ را تعمیر، به روز رسانی و جایگزین کرده اند که هر پنج تعمیر ابزار اصلی را شامل بوده است. مأموریت پنجم در ابتدا به دلیل ایمنی (به دنبال پیش آمدن فاجعه کلمبیا (۲۰۰۳)، لغو شد، ولی با تأیید و موافقت مدیر ناسا مایکل دی گریفین، با انجام پنجمین مأموریت تعمیراتی، این کار در سال ۲۰۰۹ با موفقیت اجرا و به پایان رسید. این تلسکوپ در ماه آوریل سال ۲۰۲۰ سی امین سال عملیاتی بودن خود را به پایان رساند که انتظار می رود تا ۲۰۳۰–۲۰۴۰ ادامه داشته باشد. جانشینی برای تلسکوپ هابل، تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) است که قرار است در اواخر سال ۲۰۲۱ پرتاب و راه اندازی شود. از ژوئن ۲۰۲۱، این تلسکوپ به دلیل خرابی هایی در تجهیزات موجود در آن، اطلاعات علمی را جمع آوری نمی کند. ناسا در حال تلاش برای تجزیه و تحلیل و حل مسئله است.

پیشینه و تعمیرات هابل

نخستین طرح تلسکوپ فضایی در سال ۱۹۲۳ تدوین شد. در دهه ۱۹۷۰ (میلادی) روی هابل سرمایه گذاری شد و قرار شد در سال ۱۹۸۳ در مدار قرار گیرد. اما پروژه با تأخیر فنی و مشکل بودجه چند سال عقب افتاد. وقتی در سال ۱۹۹۰ مأموریت آن آغاز شد دانشمندان دریافتند که آینه اصلی آن در جای مناسب خود قرار نگرفته و به شدت کارایی آن را کاهش داده است. با این همه پس از تعمیر در سال ۱۹۹۳ به کیفیت مورد نظر دانشمندان رسید و کار خود را آغاز کرد. هابل نخستین تلسکوپی است که می توان آن را در فضای بیرونی تعمیر کرد و تاکنون نزدیک به ۵ بار روی آن تعمیرات صورت گرفته است. در مأموریت تعمیراتی سال ۲۰۰۲ میلادی با تعویض بخش هایی از تلسکوپ فضایی، کارایی آن به میزان زیادی افزایش یافت. در این مأموریت پنل های خورشیدی تلسکوپ فضایی که آسیب دیده بودند تعویض شدند. منبع تغذیهٔ نیروی الکتریکی که انرژی تلسکوپ را فراهم می کرد به کلی تعویض شد و برای این کار برق تلسکوپ فضایی برای نخستین بار در فضا و ارتباط آن با مرکز کنترل و فرماندهی روی زمین قطع شد. همچنین در این مأموریت، دوربین فروسرخ NICMOS که به دلیل مشکل سامانه خنک کننده بلااستفاده مانده بود تعمیر و راه اندازی شد. علاوه بر همهٔ این اصلاحات مهندسان ناسا دوربین بسیار قوی تازه خود به نام دوربین پیشرفته نقشه برداری را روی تلسکوپ فضایی نصب کردند. عکس های خارق العادهٔ این دوربین، تا مدت ها مورد بحث مجامع علمی جهان بود. تلسکوپ فضایی هابل هم مانند بسیاری از مأموریت های فضایی دیگر بیشتر از آنچه که پیش بینی می شد موفق عمل کرده است. در مورد زمان پایان کار هابل و چگونگی پایان کارش حرفها متفاوت است. اما چیزی که آشکار است این است که تا تلسکوپ فضایی بعدی آمادهٔ رفتن به فضا نباشد این اتفاق نمی افتد. چرخش نماهای هابل، جابجایی و نشانه گیری آن را کنترل می کردند تا بتواند در ثبات کامل، از نقاط مختلف کیهان عکس بگیرد. اما این وسایل گهگاهی از کار می افتند. در ۱۶ مه ۲۰۰۹ تلسکوپ فضایی هابل تعمیر اساسی شد. در این تعمیر، چرخش نما نیز به طور کامل، عوض شدند. این نخستین تعمیر یک شی فضایی است که شامل تعویض برخی باتری های آن و همچنین دوربین اصلی آن است. پس از این تعمیر، این تلسکوپ ۸ سال دیگر نیز کار کرد.

کیفیت تصاویر هابل

گرفتن عکس های رنگی با تلسکوپ فضایی هابل بسیار پیچیده تر از گرفتن این عکس ها با دوربین معمولی است. در نخستین تفاوت آن است که هابل هرگز از فیلم رنگی استفاده نمی کند. بلکه با استفاده از آشکارسازهای الکترونیکی خود نور را از فضا گردآوری و ثبت می کند. این آشکارسازها عکس های کیهانی را به صورت رنگی تولید نمی کنند و عکس ها در مرحله نخست سیاه و سفید هستند. عکس های نهایی از ترکیب چند عکس سیاه و سفید که رنگ آنها در زمان پردازش به آنها اضافه شده است به وجود می آیند. رنگ ها در عکس های هابل، که به دلایل گوناگون به وجود می آیند همواره همان چیزی نیستند که ما از نزدیک می دیدیم (اگر می توانستیم آن اجرام را در سفینه فضایی و از نزدیک ببینیم) ما بعضی مواقع از رنگ به عنوان یک ابزار استفاده می کنیم به این دلیل که یا باعث بهتر دیدن جزئیات می شوند یا تصور و دیدن آنها رنگ ها از عهده چشم انسان خارج است. پنج ابزار دقیق تلسکوپ هابل – دوربین ها، طیف نگارها، و حسگرهای رهنمایی بسیار دقیق، به طور هماهنگ یا مجزا از هم کار می کنند تا عکس های عالی را از دورترین نقاط هستی بسازند. هر کدام از ابزارها برای دیدن جهان از راهی ویژه در نظر گرفته شده اند.

دید هابل و کیفیت آیینه آن

آینه پشتیبان، کداک، پشتیبانی از ساختار درونی آن دیده می شود به دلیل آن است که با یک سطح بازتابنده پوشش داده نشده است. چشم های هابل در حقیقت سامانه هایی هستند که مجموعه نوری تلسکوپ نام دارند. این سامانه از دو آینه تشکیل می شود. سامانه نوری هابل یک طرح درست نوری به نام Ritchey-Chretien گاسگرین است که در آن شکل و طراحی مخصوص دو آینه عکس هایی از بزرگ ترین میدان دید ممکن را کانونی می کنند. آیینه های هابل بسیار صاف هستند و سطحی به دقت شکل داده شده برای بازتاب نور دارند. آنها با تراش شیشه با ساینده ها به وجود آمده اند به طوری که سطحشان بیشتر از یک هشتصد هزارم در یک اینچ از شکل منحنی انحراف ندارد. اگر آینه اصلی هابل قطری هم اندازه با قطر زمین داشت، ارتفاع بزرگ ترین برآمدگی آن تنها شش اینچ می شد.

نحوه ی کار کردن تلسکوپ هابل

تلسکوپ هابل به ستاره ها، سیارات یا کهکشان ها سفر نمی کند. از آنها عکس می گیرد زیرا در حدود 17،000 مایل در ساعت در اطراف زمین می چرخد. هابل بیش از 4 میلیارد مایل را در امتداد مدار دایره ای زمین می چرخد که در حال حاضر در حدود 340 مایل در ارتفاع آن قرار دارد. هابل فاقد فشار است. برای تغییر زاویه ها، از قانون سوم نیوتن با چرخاندن چرخ های خود در جهت مخالف استفاده می کند. با سرعت عقربه های دقیقه در یک ساعت می چرخد ​​و 15 دقیقه طول می کشد تا 90 درجه بچرخد. آینه و سیستم نوری به عنوان یکی از مهمترین قسمت های طراحی تلسکوپ بودند و خصوصاً الزامات دقیق به آنها تحمیل می شد. به طور معمول، آینه های تلسکوپ با تحمل حدود یک دهم از طول موج نور مرئی ساخته می شوند، اما از آنجا که قرار بود تلسکوپ فضایی از دامنه ماوراء بنفش تا تقریبا مادون قرمز باشد، و وضوح تصویر باید ده برابر بیشتر از دستگاه های مبتنی بر زمین، تحمل تولید آینه اصلی آن برابر با 1/20 از طول موج نور مرئی، یا حدود 30 نانومتر بود. تلسکوپ هابل دارای یک آینه 2.4 متری (7.9 فوت) است و چهار ابزار اصلی آن در مناطق ماوراء بنفش، قابل رویت و نزدیک مناطق مادون قرمز طیف الکترومغناطیسی مشاهده می کنند. مدار هابل خارج از اتمسفر زمین به آن اجازه می دهد تا تصاویر با وضوح بسیار بالا با نور پس زمینه قابل ملاحظه ای پایین تر از تلسکوپ های زمینی ضبط کند. برخی از دقیق ترین تصاویر نوری قابل مشاهده را ضبط کرده است که امکان مشاهده عمیق به فضا را فراهم می کند. بسیاری از مشاهدات هابل به پیشرفت هایی در اخترفیزیک منجر شده اند ، مانند تعیین میزان گسترش جهان. تلسکوپ هابل توسط آژانس فضایی ایالات متحده ناسا با کمک آژانس فضایی اروپا ساخته شده است. علوم تلسکوپ فضایی موسسه (مؤسسه علوم تلسکوپ فضایی) انتخاب اهداف هابل و پردازش داده ها و در نتیجه، در حالی که مرکز پرواز فضایی گودارد فضاپیما را کنترل می کند. یکی از مشکلات مهندسی دشوار ایجاد دستگاه حامل برای تلسکوپ و سایر ابزارها بود. نیازهای اصلی محافظت از تجهیزات در برابر تغییر دما در هنگام گرم شدن از نور مستقیم خورشید و خنک شدن در سایه زمین و جهت گیری دقیق تلسکوپ. این تلسکوپ درون یک کپسول سبک وزن آلومینیومی نصب شده است که با یک استحکام کپسول و چسبندگی ابزارها توسط قاب فضای داخلی فیبر کربن تأمین می شود. آینه اصلی موجود در تلسکوپ نور را به طور مستقیم به داخل ابزارهای متعدد علمی درون خود هدایت می کند. هابل یک تلسکوپ از نوع بازتابنده ی کاسگرین است. نور با بازتاب از آینه اولیه یا اصلی تلسکوپ، به آینه دوم منتقل می شود. آینۀ دوم نیز این نور بازتاب شده را دوباره به سمت آینۀ اصلی منعکس می کند. نوری که دوباره توسط آینه دوم برگشت داده شده از داخل حفره ای که در مرکز آینۀ اول وجود دارد گذشته و به حسگرهای تشخیص آن می رسد.

همه چیز در مورد خورشید گرفتگی