تلسکوپ فضایی هابل

تنها چند سال پس از استقرار تلسکوپ فضایی هابل در فضا،از آن به عنوان یک موفقیت چشم گیر یاد می شد،ابزاری که تصاویری شگفت انگیز با جزئیاتی بی نظیر از اجرام سماوی در ابعاد گوناگون از همسایگان سیاره ای ما تا کهکشان های دور افتاده تهیه کرده و آرزوی داشتن چشمی گردان در آسمان را به بهترین وجه تحقق بخشیده بود.

رویای وجود تلکسوپی که در ماورای جو قرار داشته باشد، نزد منجمان سابقه ای دیرینه دارد.چنین ابزاری دیگر نیاز ندارد نور را از میان جو آشفته زمین دریافت کند،آسمانش همیشه تاریک خواهد بود و هیچ هوای متراکمی در آنجا وجود ندارد تا موجب محو شدن تصاویر شود و همچنین می تواند طول موج های خارج از نور مرئی، فرابنفش و مادون قرمز را هم رصد کند.اگر چه که این آرزو تا قبل از ورود به عصر فضا همچنان به صورت رویایی دست نیافتنی باقی مانده بود.

تلسکوپ فضایی هابل دقیقا چیست،چرا این قدر برای ما مهم است و چگونه چنین تصاویر رویایی و شگفت انگیزی را ارائه می دهد.

در سال 1946 ،یک اختر فیزیک دان به نام دکتر لیمان اسپیتزر(1914-1997) پیشنهاد ساخت تلکسوپی در فضا را مطرح کرد،تلکسوپی که قادر بود تصاویری بهتر و با وضوح بیشتر از اجرام دوردست نسبت به تلسکوپ های زمینی تهیه کند.اما این ایده، غیرقابل اجرا و فراتر از زمان خود بود زیرا تا آن زمان حتی یک موشک هم به ماورای جو زمین پرتاب نشده بود.اما سرانجام در سال 1970 این طرح تصویب و در سال 1977 بودجه ای برای ساخت آن اختصاص یافت و ناسا شرکت هوا-فضا لاک هید مارتین Lockheed Martin) ( را به عنوان اولین پیمانکار برای ساخت و نظارت بر قطعات و ساختار تلسکوپ انتخاب کرد و در سال 1983 تلسکوپ به نام منجم امریکایی ادوین هابل –کسی که با رصد ستارگان متغییر در کهکشان های دوردست تئوری انبساط جهان را تائید کرد – نام گذاری شد.

ساخت تلسکوپ نزدیک به هشت سال طول کشید.این تلسکوپ 50 بار حساس تر و دارای وضوح 10 برابر بیشتر نسبت به تلسکوپ های زمینی است.HST در 24 آوریل سال 1990 توسط شاتل دیسکاوری در مدارش به دور زمین قرار گرفت و تقریبا بلافاصله پس از پرتاب آن منجمان پی بردند که قادر به کانونی نمودن تلسکوپ نیستند و تصاویر حاصل از آن تصاویری تار بودند. تلسکوپ فضایی هابل طوری طراحی شده که در حین گردش مداری اش هم قابل تعمیر و ارتقاست.ابزارهای کمکی ،حسگر های حرکتی،ژیروسکوپ ها،صفحه های خورشیدی و هر چیز دیگری در تلسکوپ قابل تعویض و جا به جایی است؛در واقع تنها چیزی که در تلسکوپ نمی تواند تعویض و جا به جا شود،ساختار پایه ای و آینه ی اصلی آن است.پس دانشمندان چگونه قادر بودند این مشکل را در آینه ی اصلی که نقصی در شکل آن بود(ابیراهی کروی) را رفع کنند. طولی نکشید که دانشمندان با جانشین کردن لنزهای کوستار(Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement  ) برای تصحیح نقص موجود در تلسکوپ اقدام کردند.کوستار شامل چندین آینه ی کوچک بود که جلوی پرتو ورودی به آینه ی معیوب را می گرفت ،نقص آن را تصحیح می کرد و پرتو های تصحیح شده را به ابزارهای علمی برای کانونی نمودن باز پخش می کرد.زمانی که HST بعد از ماموریت تعمیر مورد آزمایش قرار گرفت تصاویر به طور شگفت آوری واضح شده بودند.امروزه همه ی ابزارهایی که بر روی تلسکوپ قرار می گیرند با یک تصحیح کننده ی نوری به منظور رفع نقص موجود در آینه ساخته می شوند بنابراین دیگر نیازی به کوستار نیست.

اعضای داخلی تلسکوپ

همانند هر تلکسوپی،تلسکوپ فضایی هابل هم شامل یک لوله ی بزرگ است که از یک طرف باز و از طرف دیگر بسته است.آینه هایی برای جمع آوری نور و انتقال آن به چشمی های تلسکوپ دارد.دارای چندین نوع چشمی در قالب ابزارهای گوناگون است که به تلسکوپ این امکان را می دهد تا توانایی دیدن انواع نورهای منتشره از آسمان را داشته باشد.

کاربردهای تلسکوپ

اپتیک:آینه ی اولیه،آینه ی ثانویه،تصحیح کننده ی نوری

ابزارهای علمی:

1) WFPC2: دوربین میدان دید باز و سیاره ای شماره 2

2)NICMOS: دوربین مادون قرمز و طیف نمای چند منظوره

3)STIS: طیف نگار تلسکوپ فضایی

4)ACS: دوربین پیشرفته نقشه برداری

5)FGS: حس گرهای هدایت گر دقیق

سیستم سفینه فضایی

1)انرژی 2)ارتباطات 3)هدایت 4)محاسبات 5)ساختار

در ادامه به جزئیات این سیستم ها خواهیم پرداخت.

اپتیک:

آینه های تلسکوپ همگی از جنس شیشه هستند که با لایه هایی از آلومینیوم خالص(با ضخامت 3 میلیونیم در هر اینچ)و منیزیم فلوراید(با ضخامت 1 میلیونیم در هر اینچ) اندود شده اند تا بتوانند باز تابنده ی نور مرئی،مادون قرمز و فرابنفش باشند.نور از طریق دهانه ی تلسکوپ وارد آن می شود و از آینه ی اولیه به آینه ی ثانویه منتقل می شود.آینه ی ثانویه نور را به درون حفره ای در مرکز آینه ی اولیه،به سوی نقطه ی کانونی که در پشت آینه ی اولیه است بازتاب می کند و در نقطه ی کانونی آینه های نیمه باز تابنده،نیمه شفاف و کوچکتر نور را به سمت ابزارهای علمی گوناگون هدایت می کنند.

ابزارهای علمی:

با بررسی طول موج های گوناگون یا طیف های مختلف نور منتشر شده از یک جرم سماوی،می توان ویژگی ها یا خاصیت های جرم را بازگو کرد.به این منظور HST با ابزارهای علمی گوناگون مجهز شده است.

1)WFPC2 : (Wide Field Planetary Camera2)

چشم اصلی تلسکوپ فضایی هابل است.مانند شبکیه چشم شامل چهار تراشه ی CCD برای جذب نور است که تنها یکی از این تراشه ها دارای وضوح بالایی است.تراشه ها به صورت L شکل قرار گرفته اند و تنها تراشه ی با وضوح بالا، در درون این شکل L مانند قرار دارد.هر چهار تراشه همزمان در معرض نور هدف مورد نظر  قرار می گیرند و تصویر بر روی تراشه ی CCD  متمرکز می شود چه تراشه ای با وضوح بالا یا پائین.تصویر مورد نظر در طول موج های مرئی و فرابنفش گرفته می شود.WFPC2 قادر است تصاویری از درون فیلتر های گوناگون(قرمز،سبز،آبی)بگیرد بدین ترتیب تصاویر دارای رنگی طبیعی می گردند مانند این تصویر که از سحابی عقاب (M16) گرفته شده است.

2)NICMOS: (Near Infrared Camera and Multi Object Spectrometer)

بیشتر اوقات گاز و غبار های میان ستاره ای مانعی برای دیدن نور مرئی اجرام آسمانی می شوند؛اگرچه این امکان وجود دارد که نور مادون قرمز یا گرمای ساطع شده از اجرام آسمانی را که در میان گاز و غبارها پنهان شده است را مشاهده کرد، برای دیدن نور مادون قرمز،HST شامل سه دوربین حساس است که سازنده ی NICMOS می باشند.NICMOS قادر است که از میان گاز و غبار های میان ستاره ای،نور مرئی ساطع شده از اجرام را ببیند،همان طور که در تصویر زیر از سحابی جبار نشان داده شده است،در تصویر نور مرئی (WFPC2)، ما تنها ابرهایی از غبار را بدون هیچ گونه جزئیات دیگری می بینیم.در حالیکه در تصویر مادون قرمز(NICMOS) قادریم تعداد بی شماری ستاره را بدون مزاحمت هیچ ابری مشاهده کنیم.

          تصویر NICMOS  (راست) و WFPC2 (چپ) از سحابی جبار

به این دلیل که NICMOS نسبت به گرما بسیار حساس است حس گرهای آن باید در یک ترموس بزرگ با دمایی در حدود 321- درجه فارنهایت (77 درجه کلوین) نگهداری شود.در روزهای نخستین NICMOS توسط قالب های نیتروژن یخ زده 104 کیلوگرمی سرد می شد اما امروزه NICMOS به طور دائم توسط ماشینی که مانند یک فریزر کار می کند،سرد می شود.

3)STIS: (Space Telescope Imaging Spectrograph)

رنگ ها و طیف های گوناگونی که از اجرام آسمانی به دست می آید حکم یک اثر انگشت را برای آن جرم دارد.رنگ های مشخصی، نوع عناصر، و میزان کثرت رنگ ها،مقدار آن عنصر را برای ما آشکار می کند.STIS با تجزیه شعاع نور ورودی به طیف نمایی جرم می پردازد.طیف نمایی علاوه بر ترکیبات شیمیایی،می تواند اطلاعاتی هم درباره ی دمای جسم و تغییرات حرکتی آن به ما ارائه کند.اگر جرم در حال حرکت باشد،اثر انگشت شیمیایی جرم به انتهای آبی طیف (در حال حرکت به سمت ما)یا به انتهای سرخ طیف(در حال دور شدن از ما) منتقل می شود.به مثال زیر توجه کنید:STIS به طرف مرکز کهکشان M84 متمرکز شده است(چهار ضلعی سمت چپ)اگر هیچ حرکتی وجود نداشته باشد طیف همواره در خطی سراسری بدون جهش خاصی دیده می شود اما نور در مرکز این خط دارای انتقال به آبی و سرخ است و این نشان دهنده ی آن است که این ناحیه ی مشخص (تقریبا با فاصله ی 26 سال نوری از هسته)در حال چرخیدن با سرعتی برابر با 800000 متر بر ثانیه به دور خودش است.اختر شناسان معتقدند که دلیل این چنین چرخشی با این سرعت بالا،باید سیاه چاله ای پرجرم(تقریبا 300 میلیون برابر جرم خورشید) در مرکز کهکشان باشد. 

4)ACS: (Advance Camera for Surveys)

دوربین پیشرفته نقشه برداری در مارس 2002 جایگزین FOC (Faint Object Camera) دوربین اجرام کم نور هابل شد.این دوربین جدید با سه کانال ورودی مجزا می تواند طول موج های 115 تا 1050 نانومتر را ثبت کند.میدان دید این دوربین 2 برابر میدان دید دوربین اصلی و 10 برابر وضوح بیشتری نسبت به FOC دارد.این ابزار در اصل برای جستجوی سیارات فرا خورشیدی و جو سیارات منظومه شمسی طراحی شده است.

5)FGS: (Fine Guidance Sensors)

برای هدف یابی تلسکوپ،تعیین فاصله ی ستارگان از زمین،سنجش دقیق مکان ستارگان،میزان جدایی ستارگان دوتایی و تعیین قطر ستارگان به کار می رود.تلسکوپ هابل شامل سه FGS است که دو تای آنها برای هدف یابی،هدایت و تنظیم بر روی هدف با جستجو و پیدا کردن ستارگان راهنما در زمینه ی HST در نزدیکی هدف به کار می روند.هرگاه،هر یک ازFGS ها یک  ستاره ی راهنما پیدا می کند،بر روی آن قفل می شود و اطلاعات را به سیستم هدایت تلسکوپ می فرستد تا سیستم آن ستاره راهنما را همچنان در زمینه ی خود نگه دارد.این دو FGS در حالی کار هدایت تلسکوپ را بر عهده دارند که FGS دیگر در حال نقشه برداری و مکان یابی ستارگان است.این کار برای پیدا کردن سیارات فرا خورشیدی اهمیت زیادی دارد زیرا چرخش سیارات در طول دور مداریشان باعث می شود که ستاره ی مادر،در آسمان دچار نوسانات نوری شود.

سیستم فضاپیما

تلسکوپ فضایی هابل در عین حال یک فضاپیما هم هست بنابراین مانند هر فضاپیمای دیگری باید توانایی تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز،ارتباط با زمین و تغییر مسیر را داشته باشد.

1)انرژی

تمامی ابزارها و کامپیوتر هایی که بر روی تلسکوپ فضایی هابل نصب شده اند نیاز به الکتریسیته دارند.این انرژی الکتریکی توسط دو صفحه ی خورشیدی بزرگ تامین می شود،هر صفحه در حدود 12.2متر است.این صفحه های خورشیدی نیرویی برابر با 2400 وات را تهیه می کنند که برابر با 60 لامپ 40 ولتی است.هنگامی که تلسکوپ در سایه ی زمین قرار دارد این انرژی الکتریکی توسط 6 باتری نیکل-هیدروژنی فراهم می شود که توان ذخیره ی این باتری ها برابر با توان ذخیره ی 20 باتری ماشین است.این باتری ها توسط صفحه های خورشیدی زمانی که تلسکوپ بار دیگر در معرض نور خورشید قرار می گیرد،شارژ می شوند.

2)ارتباطات

تلسکوپ باید این توانایی را داشته باشد که با کنترل کننده های زمینی ارتباط برقرار کند تا بتواند اطلاعات گرفته شده از جرم مورد رصد را برای آنها بفرستد و همچنین فرمان هایی را برای هدف بعدی دریافت کند.به این منظور HST از یک سری ماهواره های ارتباطی به نامTDRSS (Tracking and Data Relay Satellite  System) استفاده می کند.این سیستم دقیقا همان سیستمی است که ایستگاه فضایی بین المللی(ISS) برای ایجاد ارتباط از آن استفاده می کند.

 1)نورهای ساطع شده از یک جرم سماوی توسطHST دریافت می شود 2)تبدیل به داده های دیجیتالی می شوند.این داده ها به ماهواره های در حال حرکت فرستاده می شود 3)سپس به پایگاه های دریافت زمینی درWhite Sands,N.M. منتقل می شوند4) White Sands,N.Mاین داده ها را به سهولت به مرکز کنترل پروازهای فضایی گدارد(Goddard ) در ناسا می فرستد 5)جایی که گردانندگانHST مستقر هستند.این داده ها توسط دانشمندان در انستیتو علوم تلسکوپ فضایی STSI(Space Telescope Science Institute) در بالتیمور مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد 6)اغلب اوقات،دستورات بهHST پیش از آنکه موعد رصد فرا رسیده باشد،فرستاده می شود با چنین کاری دستورات لازم در زمان واقعی در دسترس است.

3)هدایت

تلسکوپ زمانی که از یک جرم عکس می گیرد باید بر روی آن ساعت های طولانی با توجه به ابزار به کار گرفته شده ثابت بماند. با توجه به دور مداری تلسکوپ که در هر 97 دقیقه یک بار صورت می گیرد،این کار  مانند این است که جرمی کوچک را در ساحل از عرشه ی کشتی دنبال کنید در حالی که کشتی از ساحل دور می شود و دائما بر روی امواج بالا و پایین می شود.

تلسکوپ برای اینکه بتواند بر روی یک جسم ساکن باقی بماند دارای سه سیستم همراه است:

ژیروسکوپ ها که حرکات کوچک و بزرگ را زیر نظر دارند،چرخ های واکنشی که تلسکوپ را حرکت می دهند  و FGS ها که حرکات ریز و حساس را زیر نظر دارند.

ژیروسکوپ ها حیطه ی حرکتی تلسکوپ را زیر نظر دارند،مانند یک قطب نما حرکات تلسکوپ را حس می کنند،به کامپیوتر های پرواز می گویند که تلسکوپ در مسیر اشتباهی قرار دارد و از هدف در حال دور شدن است،سپس کامپیوتر پرواز،میزان جا به جایی و جهت آن را برای اینکه بر روی هدف باقی بماند را حساب می کند و پس از آن به چرخ های واکنشی دستور جا به جایی و حرکت تلسکوپ را می دهد.

تلسکوپ فضایی هابل نمی تواند مانند ماهواره ها برای هدایت از موتور های موشکی بهره ببرد زیرا گازهای خروجی از موتور در اطراف تلسکوپ جمع خواهند شد و مانع دید تلسکوپ می شوند.اما به جای آن، تلسکوپ از چرخ های واکنشی که در سه جهت z,y,x می چرخند،استفاده می کند.زمانی که تلسکوپ نیاز به جا به جایی پیدا می کند کامپیوتر پرواز به یک یا چند چرخ فرمان می دهد که در چه جهتی و با چه سرعتی بچرخند،بدین ترتیب نیروی کنش لازم برای حرکت فراهم می شود.طبق قانون سوم حرکت نیوتن (برای هر کنشی،واکنشی برابر اما در جهت مخالف وجود دارد) تلسکوپ در جهت مخالف چرخ ها برای رسیدن به هدفش می چرخد.

همان طور که قبلا ذکر شد،FGS ها تلسکوپ را بر روی هدفش با نشانه روی به سمت ستاره های راهنما نگه می دارند،دو تا از سه FGS ستاره های راهنمای اطراف هدف را در میدان دید مربوطه پیدا می کنند و زمانی که پیدا شد بر روی ستاره های راهنما قفل می شوند و اطلاعات را به کامپیوتر های پرواز می فرستند تا این ستاره ها را در میدان دید خود نگه دارند.FGS ها بسیار حساس تر از ژیروسکوپ ها هستند اما تنها ترکیب ژیروسکوپ ها و FGS ها است که می تواند تلسکوپ فضایی هابل را بدون توجه به حرکت مداریش ساعت ها بر روی هدف متمرکز کند.

محاسبات

تلسکوپ فضایی هابل دارای دو کامپیوتر اصلی است که در اطراف لوله ی تلسکوپ و بالای ابزارهای علمی قرار دارند.یکی از این کامپیوتر ها برای فرستادن داده ها و دریافت فرمان با زمین در ارتباط است و کامپیوتر دیگر مسئول هدایت HST است،تعدادی کامپیوتر پشتیبان هم برای اتفاقات پیش بینی نشده وجود دارند.هر ابزاری که بر روی تلسکوپ قرار دارد دارای تعدادی ریز پردازنده است که برای جا به جایی چرخ ها،فیلتر،کنترل دریچه ی شاتر،جمع آوری داده ها و برقراری ارتباط با کامپیوتر های اصلی ساخته شده اند.

ساختار

HST شامل اسکلتی برای نگهداری ابزارهای اپتیکی،ابزارهای علمی و سیستم فضا پیمایی آن است.برای نگهداری ابزارهای اپتیکی،تلسکوپ شامل یک سیستم پایه است که این سیستم از گرافیت و فناوری مورد استفاده در ساخت راکت های تنیس و چوب گلف،ساخته شده است.سیستم پایه دارای 5.3 متر طول و 2.9 متر عرض و114 کیلوگرم وزن است.لوله ای که ابزارهای اپتیکی و علمی را نگهداری می کند از آلومینیوم ساخته شده که با لایه های عایقی بسیاری پوشانده شده است.این عایق ها تلسکوپ را از تغییرات ناگهانی حرارت بین نور خورشید و سایه زمین محافظت می کند.

محدودیت ها

تلسکوپ فضایی هابل با وجود کارایی ها و امکاناتی که دارد،شامل یک سری محدودیت ها هم می شود.به عنوان مثال HST نمی تواند خورشید را به خاطر نور و گرمای زیاد آن که موجب از کار افتادن ابزارهای حساس آن می شود رصد کند.به همین دلیل تلسکوپ همیشه از نشانه روی به سوی خورشید دوری می کند.به همین دلیل قادر نیست که سیارات عطارد و ناهید را هم به خاطر فاصله ی نزدیک آنها به خورشید رصد کند.ستارگان اصلی آسمان شب هم به خاطر روشنایی زیاد آنها برای بعضی ابزارهای تلسکوپ قابل رصد نیستند.محدودیت قدر قابل دید، توسط نوع ابزاری که مورد استفاده قرار می گیرد،تغییر می کند.علاوه بر روشنایی اجرام،چرخش مداری تلسکوپ هم آنچه را که می توان دید،محدود می کند.بعضی اوقات خود زمین مانع دیدن اهداف در طول چرخش مداری تلسکوپ می شود و این مسئله هم زمان صرف شده برای رصد یک جرم را محدود می کند.تلسکوپ از درون بخشی از کمربندهای تشعشعی وان آلن -جایی که ذرات پر انرژی به جا مانده از باد های خورشیدی که توسط میدان مغناطیسی زمین گیر افتاده اند،قرار دارد - عبور می کند.این رویارویی ها باعث تشعشع های زیادی می شود که موجب تداخل در جوینده های ابزار های علمی تلسکوپ می شود،بنابراین در طول این دوره هیچ رصدی انجام نخواهد شد.

با وجود عیب ها و کاستی هایی که در دوران اولیه ی پرتاب این تلسکوپ به وجود آمد،تلسکوپ فضایی هابل ماموریتش را به خوبی انجام داد و داده های علمی و تصاویر زیبای بسیاری را ارائه کرد.

عصر تلسکوپ های فضایی باHST تلسکوپ فضایی هابل،که انقلابی در علم اختر شناسی به وجود آورد شروع شد.موفقیت چشم گیر هابل این سوال را در ذهن ما پرورش می دهد که تلسکوپ های بعدی چگونه خواهند بود.در واقع تلسکوپ هابل با آینه ی 2.4 متری اش در برابر تلسکوپ بازتابی 10 متری کک در موناکی هاوایی ابزاری بسیار کوچک به شمار می آید.تلاش هایی که در ساخت نسل جدید تلسکوپ هایی با قطر دهانه ی بزرگتر صورت می گیرد،آینده ی تلسکوپ های فضایی را روشنتر و دید ما را از جهان ژرف تر خواهد ساخت. 

منبع ۱: سایت www.parssky.com

منبع ۲ :سایتhttp://www.senmerv.com

در سایت زیر فهرستی از عکسهای بسیار جالب تهیه شده توسط این تلسکوپ آمده است:

http://heritage.stsci.edu/gallery/galindex.html