مطالب آموزشی مهندسی

تلسكوپ فضايي هابل دقيقا چيست؟ چرا به اين اندازه استثنايي است؟ چگونه اين چنين عكس هاي شگفت انگيزي مي گيرد وما كجا مي توانيم آنها را ببينيم؟ما به طور دقيق به بررسي اين وسيله اي كه انقلابي را در ستاره شناسي و نجوم پيش آورد مي پردازيم.

مشكل بزرگ تلسكوپ هاي مستقر در زمين اين بود كه مشاهده ي نور ستاره هاي دور دست قبل از اينكه از اتمسفر زمين بگذرند ممكن نبود-از كنار ابر ها و آب و هوا-و اتمسفر زمين كه مكان غليان است-با گرد و غبار وهواي گرمي كه جريان دارد و به بالا صعود مي كندو هواي سرد با نزول به سمت زمين مي آيد و آب ها بخار مي شوند.

همه ي اين عوامل باعث مي شوند كه عكس هاي ستارگان تيره و غير دقيق از آب در بيايند و فوايد تلسكوپ هاي زميني را محدود كنند.

در سال 1946يك متخصص فيزيك نجومي با نام دكتر لمن اسپيتزر(1997-1914)پيشنهاد داد كه تلسكوپي در فضا مي تواندعكس هاي واضح تري را از چيز هاي دورتربگيرد كه تلسكوپ هاي زميني قادر به آن نمي باشند.اين يك ايده ي عصباني كننده بود با توجه به اين كه هنوز هيچ موشكي به فضاي خارجي پرتاب نشده بود.به عنوان مثال برنامه هاي فضايي ايلات متحده ي آمريكا در سالهاي بين 1960 و 1970 توسعه يافت و برتري پيدا كرد.اسپيتزر در ناسا و همايش توسعه دادن تلسكوپ هاي فضايي سخن راني كرد.در سال 1975 آژانس فضايي اروپاو ناسا شروع به توسعه دادن تلسكوپ هاي فضايي كردند.در سال1997مجلس براي تلسكوپ هاي فضايي بودجه اي را تصويب كردو ناسا با يك شركت درجه يك قرار داد بست و پيمان كاري براي سركشي كردن به ساختمان آنها انتخاب كرد.

در سال 1983 تلسكوپ فضايي به نام ستاره شناس آمريكائي ادوين هابل نام گذاري شد.هابل كسي بود كه با مشاهداتي بر روي ستاره هاي متغيير در كهكشان هاي ديگر مطمئن شد كه جهان در حال انبساط و بزرگ شدن است كه نظيريه ي مهبانگ يا انفجار اوليه در عالم را تائيد مي كرد.ساخت تلسكوپ فضايي هابل 8سال به طول انجاميد.

اين تلسكوپ بيش از چهار صد هزار قطعه داردو بالغ بر بيست و شش هزار مايل سيم كشي الكتريكي دارد.

تلسكوپ فضايي هابل 50 بار حساس تر از تلسكوپ هاي زميني است و همچنين 10 بار دقيق تر و تفكيك پذير تر از تلسكوپ هاي زميني است.بعد از تاخيري طولاني وبدهي- تلسكوپ فضايي هابل در سال 1990 در مدارش قرار گرفت.

لسكوپ فضايي هابل (hst) از بسياري جهات توانمندترين تلسكوپ اپتيكي است كه تا كنون ساخته شده است. اين تلسكوپ بزرگترين تلسكوپ نيست، آينه اصلي آن با قطر 2.4 متر در مقايسه با تلسكوپ كك در هاوايي كه 10 متر قطر دارد كوچكتر است. ولي اين تلسكوپ ، كه در مداري به فاصله 500 كيلومتري سطح زمين قرار دارد، از اثرات مختل كننده جو زمين به دور است. اين امر امكان مي‌دهد تا جزئيات دقيقتري نسبت به تلسكوپهاي مستقر در زمين ديده شوند و نيز طول موجهايي مثل فرابنفش كه به سطح زمين نمي‌رسند قابل مشاده باشند.

تاريخچه تلسكوپ فضايي هابل

اين تلسكوپ به نام اختر شناس آمريكايي ، اووين هابل كه در دهه 1920 به دو كشف عمده در اختر شناسي نايل آمد. نام گذاري و عملا تمام كهكشهانها در حال دور شدن از ما هستند (يعني عالم در حال انبساط است). كشف اخير به مفهوم مهبانگ به عنوان سرآغاز انبساط عالم منجر شد. در طرح اصلي كه به درستي براي hst1 در نظر گرفته شده‌اند، عبارتند از مطالعه كهكشانها و مطالعه مهبانگ.

مشخصات تلسكوپ فضايي هابل

تلسكوپ hst تقريبا 14 متر طول 5 متر و 11500 كيلوگرم وزن دارد. اين تلسكوپ طوري طراحي شده است كه از تمام ظرفيت سفينه فضايي كه آن را در 25 آوريل 1990 در مدار قرار داد استفاده كند. صفحه‌هاي خورشيدي كه در مدار برافراشته شده‌اند و 10 متر طول دارند، توسط آژانش فضايي اروپا فراهم شدند. نوري كه لوله تلسكوپ را بپيمايد و به آينه اصلي برخورد كند كه بازتابيده مي‌شود و به آينه كوچك دومي كه در مركز لوله قرار دارد بر مي‌گردد.

اين آينه نور را به طرف آينه اصلي بر مي‌گرداند و از سوراخي كه در مركز آن قرار مي‌گذارند. اين طرح اپتيكي را تلسكوپ كاسگريني نوع ريچي - كرتن مي‌نامند. در پشت سوراخ چهار سنجش افزار علمي عمده قرار دارند كه عبارتند از دو دوربين عكاسي و دو طيف نگار ، هر دو دوربين عكاسي مي‌توانند تصويرهايي مرئي و فرابنفش گرفته ، دوربينها طوري طراحي شده‌اند كه تفكيك بسيار بهتري نسبت به آنجه بر روي زمين قابل دستيابي است بدست مي‌دهند.

دهانه ورودي طيف نگارها بسيار كوچك است و اين امر امكان مي‌دهد كه hst تفكيك خوبي داشته باشد و طيف نمايي اجسام منفرد در ميدانهاي شلوغي مثل مركز خوشه‌هاي ستاره‌اي كروي مسير شود، در حالي كه چنين مشاهداتي از روي زمين غير ممكن هستند و همچنين طيف نگارها مي توانند نسبت به سيگنال به نوفه بسيار بزرگتر و تفكيك طيفي بهتري نسبت به تلسكوپهاي فرابنفش قبلي در حال چرخش مدار بدست دهند و اندازه گيري وي‍ژگيهاي طيفي ضعيفي را كه قبلا هرگز ديده نشده است امكان پذير كنند.

تعميرات تلسكوپ هابل

كمي پس از پرتاب معلوم شد كه آينه اصلي hst داراي ابيراهي كروي است و اين نقصي است كه باعث مي‌شود كه تصويرها حاوي 15 درصد نور متمركز شده باشند و باقي به صورت نامشخص پخش شود. اين نقص ، در نهايت با تجهيزات آزمايشي معيوبي مرتبط مي‌شد كه سالها قبل از پرتاب موقع ساختن آينه بكار رفته بود. اگر چه پردازش شديد رابانه‌اي توانسته بود بيشتر مشكلات تصويرها را بر طرف كند و مشاهدات طيف نوري را همچنان به انجام برساند، توانايي تلسكوپ در ايجاد تصوير اجسام ضعيف نسل آنهايي كه در لبه عالم قرار دارند از بين رفته بود.

فضانوردان سفينه فضايي در دسامبر 1993 بيشتر از ده تعمير عمده روي تلسكوپ انجام دادند. و از جمله ژپروسكوپهاي جديد ، صفحه‌هاي خورشيدي ، آينه‌هاي تصحيح كننده بسيار دقيق و كوچكي روي آن نصب كردند و تلسكوپ را به كارآيي اپتيكي طرح اوليه بازگرداند. نصب دستگاههاي اپتيكي تصحيح كننده مستلزم اين بود كه يكي از پنج سنجش افزار اصلي hst ، يعني نورسنج خيلي سريع را بردارند. اكنون ، توان تفكيك در اين دستگاه نزديك به حدي است كه از خواص موجي نور انتظار مي‌رود.

شرايط استفاده از تلسكوپ هابل

استفاده از hst مستلزم كارهاي تداركاتي دقيق است. قبل از پرتاب ، همه آسمان نقشه برداري شد و نزديك به 20 ميليون ستاره راهنما مشخص شدند. اين نقشه خيلي كاملتر از جامع‌ترين كاتالوگ ستاره‌هاست كه تا آن زمان تهيه شده بود. هر اختر شناسي كه شخصا خواهان استفاده از اين تلسكوپ باشد (همه منجمان جهان واجد شرايط هستند) ، از حدود يك سال جلوتر با مشخص كردن پرسش علمي مورد نظرش و مشاهدات پيشنهادي‌اش مي‌تواند متقاضي استفاده از hst شود.

براي استفاده از hst معمولا 800 تقاضا در هر سال دريافت مي‌شود. گروههاي شش تا هفت نفري اختر شناسايي كه نماينده عرصه‌هاي مختلف تخصصي‌اند. يك هفته را صرف رده بندي پيشنهادها و تعيين زمان استفاده از تلسكوپ مي‌كنند. در برنامه پذيرفته شده متوسط ممكن است بيست و پنج ساعت وقت استفاده از تلسكوپ را به خود اختصاص مي‌دهد.

كشفيات تلسكوپ هابل در چهار سال اول

در خلال چهار سال اول كاركرد hst ، كشفهاي مهم زيادي حاصل شده‌اند. بيشترين اين كشفها از تكنيك بي سابقه يا از تركيب طيف نمايي با تفكيك خوب طيف نمايي با دقت زياد بدست آمده‌اند. نمونه‌هاي اول ، كاوش هسته‌هاي مربوط به خوشه‌هاي كروي ستاره‌ها و كهكشانهاي بيضوي غول آسا را شامل مي‌شوند. افزوده شدن طيفها به اندازه گيري انتقالهاي دوپلري ، سرعتهاي بسيار زيادي را درست در هسته چندين كهكشان بيضوي نشان داده است.

اين امر شاهد ضمني مهمي بر وجود سياه چاله‌اي در حدود 109برابر جرم خورشيد در آنجاست. تصويرگيري در سحابي جبار ، كه ناحيه‌اي جوان از لحاظ تشكيل ستاره‌هاست و در فاصله‌ 1500 سال نوري از خورشيد قرار دارد. شواهدي از وجود قرصهايي از ماده را در اطراف بسياري از ستاره‌ها نشان داده است. اين موارد را به احتمال قوي مي‌توان نمونه‌هايي از منظومه شمسي در حال تشكيل دانست.

پيش بيني هابل

ادومين با شناسايي غليظ و سيال در كهكشان امراه المسلسله در سال 1924 براي اولين بار ثابت كرد كه كهكشانها از راه شيري خيلي دورترند. مطالعه اين ستاره‌ها در كهكشانهاي دورتر توسط sht ظاهرا به جمع آوري دلايلي منجر مي‌شود كه عالم از آنچه قبلا تصور مي‌شد كوچكتر و جوانتر است.

پيش بيني مهم ديگر نظريه مهبانگ اين است كه در آغاز پيدايش عالم فقط سه عنصر اول هيدروژن ، هليوم و اندكي ليتيوم توليد شده‌اند. به كمك رصدهاي sht نشان داده مي‌شود كه اين پيش بيني در واقع صحيح است و عناصر ديگر به مرور زمان در طول تاريخ كهكشان راه شيري در ابر نواخترها ساخته شده‌اند.
آينده تلسكوپ هابل
تلكسوپ فضايي هابل sht با قابليت استفاده از خدمات سفينه فضايي و اينكه قرار است در آينده به وسايل جديدي مثل طيف نگار قدرتمندتر و دوربين عكاسي فرو سرخ مجهز شود، بايد براي بيشتر از يك دهه كارش را ادامه دهد.

پیشینه و تعمیرات

اگرچه چندسال اول ماموریت هابل به دلیل وجود پاره‌ای از مشکلات اپتیکی در ابزارهایش، خیلی درخشان نبود، ولی با انجام اولین ماموریت تعمیر و رسیدگی، این تلسکوپ به وضعیت مطلوب رسید و در خدمت دانشمندان دنیا قرار گرفت.

آخرین ماموریت تعمیراتی هابل (ماموریت تعمیر ۳B) در سال ۲۰۰۲ میلادی انجام شد. در این ماموریت با تعویض بخش‌هایی از تلسکوپ فضایی، کارایی آن به میزان زیادی افزایش یافت. در این ماموریت صفحات خورشیدی تلسکوپ فضایی که آسیب دیده بودند، تعویض شدند. منبع تغذیهٔ نیروی الکتریکی که انرژی تلسکوپ را فراهم می‌کرد به کلی تعویض شد و برای این کار برق تلسکوپ فضایی برای اولین بار در فضا قطع شد و ارتباطش با مرکز کنترل و فرماندهی روی زمین هم همینطور. همچنین در این مأموریت، دوربین فروسرخ NICMOS که به دلیل مشکل سیستم خنک‌کننده بلااستفاده مانده بود، تعمیر و راه‌اندازی شد.

علاوه بر همهٔ این اصلاحات مهندسان ناسا (NASA: سازمان فضایی ایالات متحده آمریکا) دوربین بسیار قوی جدید خود موسوم به «دوربین پیشرفتهٔ نقشه برداری» (Advanced Camera for Surveys) را روی تلسکوپ فضایی نصب کردند. عکسهای خارق العادهٔ این دوربین، تا مدتها مورد بحث مجامع علمی جهان بود.

تلسکوپ فضایی هابل هم مانند بسیاری از ماموریتهای فضایی موفق دیگر بیشتر از آنچه که پیش‌بینی می‌شد، کار کرده‌است و زمزمه‌ها دربارهٔ بازنشستگی‌اش به گوش می‌رسد. 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 نمی‌افتد.

در روز شنبه ۱۶ مه ۲۰۰۹ تلسکوپ فضایی هابل تعمیر اساسی شد. این اولین تعمیر یک شی فضایی است شامل تعویض برخی باطری‌های آن و همچنین دوربین اصلی آن است. انتظار می‌رود پس از این تعمیر این تلسکوپ بتواند ۸ سال دیگر نیز کار کند^[۱].

پروژه تلسکوپ فضایی بعدی به نام «تلسکوپ فضایی جیمز وب» با اندازه‌ای بزرگ‌تر و قدرتی بالاتر و البته هدفهایی متفاوت در دست طراحی است.

کیفیت تصاویر هابل

گرفتن عکس‌های رنگی با تلسکوپ فضایی هابل بسیار پیچیده تر از گرفتن این عکس‌ها با دوربین معمولی است. در اولین تفاوت آن است که هابل هرگز از فیلم رنگی استفاده نمی‌کند بلکه با استفاده از آشکارسازهای الکترونیکی خود نور را از فضا جمع آوری و ثبت می‌کند. این آشکارسازها عکس‌های کیهانی را به صورت رنگی تولید نمی‌کنند و عکس‌ها در مرحله اول سیاه و سفیداند. عکس‌های نهایی از ترکیب چند عکس سیاه و سفید که رنگ آنها در زمان پردازش به آنها اضافه شده‌است، به وجود می‌آیند.

رنگها در عکس‌های هابل، که به دلایل مختلف به وجود می‌آیند، همواره همانچیزی نیستند که ما از نزدیک می‌دیدیم(اگر می‌توانستیم آن اجرام را در سفینه فضایی و از نزدیک ببینیم.) ما بعضی مواقع از رنگ به عنوانیک ابزار استفاده می‌کنیم به این دلیل که یا باعث بهتر دیدن جزئیات می‌شوند و یا تصور و دیدن آن‌ها رنگ‌ها از عهده چشم انسان خارج است.

یک عکس نوعی هابل از ترکیب چند عکس سیاه و سفید به نمایندگی رنگ‌های مختلف نور به وجود می‌آید. هابل از چه ابزارهایی برای تهیه عکس‌ها سود می‌برد؟

پنج ابزار دقیق تلسکوپ هابل – دوربین‌ها، طیف نگارها و حسگرهای رهنمایی بسیار دقیق – به طور هماهنگ و یا مجزا از هم کار می‌کنند تا عکس‌های عالی را از دورترین نقاط هستی به ما برسانند. هر کدام از ابزارها برای مشاهده جهان از راهی منحصر به فرد در نظر گرفته شده‌اند.

تجهیزات هابل

در اینجا تعدادی از ابزارهای مهم هابل در حال و گذشته، و کار آن‌ها را به طور مختصری بررسی می‌کنیم:

• دوربین پیشرفته نقشه برداری (Advanced Camera for Surveys) که در مارس سال ۲۰۰۲ میلادی نصب شده‌است، نشانگر نسل سوم ابزارهای دقیق، که روی هابل نصب شده می‌باشد. این دوربین در کنار دیگر وظایف به مشاهده و بررسی آب و هوا در روی دیگر سیارات منظومه شمسی، مشاهده و نقشه برداری از کیهان و همچنین مطالعه نوع و چگونگی توزیع ستارگان می‌پردازد.
• دوربین میدان باز و سیاره‌ای هابل (Wide Field and Planetary Camera) زحمت کش‌ترین ابزار در تهیه مشهورترین عکس‌های هابل است. این دوربین مانند دوربین اصلی هابل برای مشاهده همه چیز به کار می‌رود. در زیر دو عکس از عکس‌های بسیار پر تعداد آن را می‌بینیم.
• دوربین فروسرخ و طیف نگار آن که می‌تواند چند هدف را هم‌زمان طیف نگاری کند، آشکارساز گرمای هابل است (Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer) حساسیت آن به امواج فروسرخ باعث شده‌است که این دوربین برای مشاهده اجرام مبهم آسمانی مانند گازها و غبار میان ستاره‌ای و همچنین مشاهده دقیق ژرفترین قسمت‌های جهان بسیار کارآمد باشد.
• طیف نگار عکاسی تلسکوپ فضایی (Space Telescope Imaging Spectrograph) ابزار گردانی بود که تا حدودی مانند یک منشور، نوری که از اجرام آسمانی به تلسکوپ می‌رسد را به رنگهای به وجود آورنه آن تجزیه می‌کند. در سال ۲۰۰۴ مشکلی برای آن پیش آمد و از ادامه فعالیت آن جلوگیری کرد البته این ابزار قابل تعمیر است و می‌تواند در ماموریت‌های بعدی تعمیر شود.
• حسگرهای راهنمایی دقیق هابل (Fine Guidance Sensors) ابزارهای هدف گیری هستند که به سوی ستارگان رهنما قفل می‌شوند و موقعیت نسبی آنها را نسبت به سوژه در حال مشاهده می‌سنجند. کار تنظیمی که این ابزارها انجام می‌دهند باعث می‌شود هابل در حالت نشانه گیری درست بماند. همچنین این حسگرها برای انجام اندازه گیری‌های آسمانی به کار می‌روند.
• دوربین سوژه‌های کم نور (Faint Object Camera) دستگاه تله فوتو (مخابره عکس) هابل بود. عکس‌هایی که از میدان‌های دید بسیار کوچک گرفته شده بودند با تمام جزئیات ضبط می‌کرد. این ابزار در سال ۲۰۰۲ جای خود را به دوربین پیشرفته نقشه برداری داد.

کنترل زمینی هابل

تمام فعالیت‌های تلسکوپ فضایی هابل توسط پایگاه‌های زمینی کنترل می‌شوند. نقطه مرکزی تمام عملیات‌ها تیم عملیات پرواز است که در مرکز پرواز فضایی گودارد واقع در مریلند، قرار دارد.

در اینجا نمایشگرهای وضعیت، بر سالم بودن هابل و بخش‌های آن در موقع حرکت و فعالیت‌های علمی نظارت می‌کنند. آنها حرکت‌های هابل را با ارسال فرمان‌هایی از راه ماهواره به کامپیوتر تلسکوپ کنترل می‌کنند. ارتباط آن‌ها با فضاپیما به هابل می‌گوید که چه کاری را کی انجام دهد.

اتاق کنترل هابل

وظایف قسمت عملیات پرواز:

• کنترل وضعیت سیستم ها(ی مکانیکی، الکتریکی و مدیریت داده‌ها) و بخش‌های کوچکتر.
• جستجو برای هر چیز غیرعادی در رفتارهای هابل.
• تعیین برنامه و مسیر کاری اجزای مختلف.
• مدیریت ارتباطات.
• استفاده سیستم راهنمایی ستاره‌ای (نشانه روی تلسکوپ)

کار قسمت عملیات پرواز هابل به صورت شبانه روزی و هفت روز هفته می‌باشد. مهندسان و تکنیسین‌های مخصوص آموزش دیده که تیم عملیات پرواز را تشکیل می‌دهند در شیفت‌های چرخشی با سه یا چهار نفر در هر نوبت کار می‌کنند. یک روز کاری به کنترل، نشانه روی تلسکوپ، نظارت بر رفتار آن پشت میز فرمان و جستجوی هر چیز غیر عادی در کارهای فنی می‌گذرد.

کنترل کنندگان زمینی حتی از مدت ماموریت‌های سرویس همیشگی نیز مشغول تر می‌شوند. کمی پس از پرتاب شاتل کنترل کننده‌ها ماموریت‌های علمی هابل را متوقف می‌سازند. برای آماده کردن تلسکوپ بزرگ برای گرفتن آن (با شاتل) و بودن در مکان مقرر، آنها دهانه هابل را می‌بندند و آنتن تقویت بلند آن مخفی می‌گردد. بعد از گرفتن هابل ونصب تجهیزات جدید روی آن توسط فضانوردان، کنترل کننده‌ها فورا آنها را آزمایش می‌کنند. بعدا، کنترل کننده‌ها وارسی و آزمایش‌های جزیی تری روی آن انجام می‌دهند. بعد از هر ماموریت سرویس، تیم عملیات پرواز آنتن تقویتی و دریچه اصلی را باز می‌کنند. آنها سپس تمام ابزارهای قبلی و جدید را دوباره راه اندازی می‌کنند.

دید هابل و کیفیت آیینه آن

چه چیزی به هابل چنین بینایی خوبی داده است؟ چه چیزی عکس‌های اجرام دور را چنین با کیفیت می‌کند؟ مکان هابل بالای جو زمین است. اگر جه این مکان دارای برتریهای زیادی است، اما این نکته فقط قسمتی از جواب این سؤال است. بدون دید قوی، هابل نمی‌توانست چنین عکس‌های مفیدی را از مکان‌های بی همتا بگیرد.

چشم‌های هابل در حقیقت سیستمی هستند که مجموعه نوری تلسکوپ نام دارند. این سیستم از دو آینه تشکیل می‌شود. سیستم نوری هابل یک طرح درست نوری موسوم به Ritchey-Chretien گاسگرین است که در آن شکل و طراحی مخصوص دو آینه عکس‌هایی از بزرگ‌ترین میدان دید ممکن را کانونی می‌کنند.

آیینه‌های هابل بسیار صاف هستند و سطحی به دقت شکل داده شده برای بازتاب نور دارند. آنها با تراش شیشه با ساینده‌ها به وجود آمده‌اند بطوری 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 بزرگ‌ترین برآمدگی آن تنها شش اینچ می‌شد.

کمی پس از ساخت و نصب هابل در سال ۱۹۹۰ دانشمندان دریافتند تراش منحنی آینه اصلی اشتباه بوده، باعث کجنمایی(ابیراهی) کروی آینه می‌شده‌است. خوشبختانه اصلاح نورشناسی قادر به حل این مشکل بود.

آینه‌های هابل از جنس شیشه‌ای با ضریب انبساطی کم هستند و در اطاقی با دمای تقریبا ثابت (در ۷۰ درجه فارنهایت) نگاه داشته شده‌اند تا از تاب خوردن آنها جلوگیری شود. سطح بازتابنده آینه‌ها با لایه‌ای ۳میلیونم اینچی از جنس آلومینیوم خالص پوشانده شده و با یک لایه ۱میلیونم متری از منیزیم فلوئورید حفاظت شده‌است. منیزیم فلوئورید باعث می‌شود آینه نور فرابنفش را بهتر منعکس کند.