تلسکوپ هابل چگونه کار می کند؟

[saj8jad]

بنام زیباترین خالق هستی خدا

سلام و عرض ادب خدمت دوستان عزیزم
در این تاپیک ویژه قصد دارم طرز کار تلسکوپ فضایی هابل رو منتشر کنم.

25 سال پیش در روز ۲۴ آوریل ۱۹۹۰ پس از چندین دهه برنامه ریزی و توسعه، هابل زمین را برای قرار گرفتن در مدار ترک کرد.
سفر این تلسکوپ فضایی خالی از خطر هم نبود و مرتباً با تاخیر روبرو می شد اما سرانجام به کشفیات علمی مختلفی دست یافت و به لطف آن بشر توانست عکس های تاریخی مختلفی را از سیارات، کهکشان ها، غبارهای کیهانی و … بگیرد و حتی این تلسکوپ فراتر از عمر ۱۰ ساله خود دوام آورد.

هابل چیست؟


تلسکوپ فضایی هابل یک دستگاه ۱۱ تنی به اندازه یک اتوبوس است و در ارتفاع ۵۴۷ کیلومتری از سطح زمین با سرعتی که در برخی موارد به ۱۷۰۰۰ مایل بر ساعت می رسد به دور زمین می چرخد. هابل با این سرعت می تواند هر ۹۷ دقیقه یک دور به گرد زمین بچرخد که حدودا می شود ۱۵ بار در روز. این تلسکوپ مجهز به دستگاه های مختلفی است که انرژی خود را از طریق نور خورشید تامین می کنند و می توانند در نور قابل رویت، پرتو فرابنفش و طول موج های نزدیک به مادون قرمز از فضا عکس بگیرند.علیرغم این، اگر هابل روی زمین مستقر بود بسیاری از ابزارها و تجهیزات در نظر گرفته شده برای آن بی فایده بودند. به بیان دیگر، این تجهیزات خوب کار می کنند چون فراتر از جو زمین قرار دارند؛ جوی که مانع از دیدن هستی برای ساکنین این کره خاکی می گردد. از دکتر پاتریک مک کارتی، مدیر پروژه تلسکوپ عظیم Magellan سوال شد که چرا علیرغم ساخت مستمر تلسکوپ های مستقر روی زمین، مشاهدات فضایی از طریق دستگاه هایی مانند هابل تا این اندازه اهمیت دارد و وی پاسخ داد:


ما از روی زمین نم توانیم مقادیر قابل توجه از نور فرابنفش را بخاطر وجود لایه های مختلف ببینیم. در حالی که ، میتوان از تلسکوپ های فضایی
مجهز به دستگاه های نوری برای مطالعه مناطق نزدیک به زمین که محل تولد ستاره های جدید هستند ، استفاده نمود.
علاوه برا این امکان بررسی بخش های مشخصی از طیف مادون قرمز ، بهتر فراهم میگردد و ستاره شناسان با مشاهده این امواج نوری میتوانند کهکشان ها را در نخستین مراحل شکل گیری هستی مورد مطالعه قرار دهند.

هابل یکی از چهار رصدگر عظیم ناسا در کنار اسپیتزر، کامپتون و چاندرا است. تلسکوپ اسپیتزر تجهیرات مادون قرمز و فراتر از آن را حمل می کند؛ کامپتون در زمینه پرتوهای گاما تخصص دارد و چاندرا رصدگری برای پرتو ایکس است.

عکس تلسکوپ فضایی هابل از غول ستاره ای مرکز این تصویر RS ـ سگان تازی نام دارد که در فاصله 6500 سال نوری از زمین
و در بستر مرگ قرار دارد.

هابل چگونه کار می کند؟

این تلسکوپ تعدادی دوربین و تجهیزات علمی را با خود حمل می کند که به ترتیب عکس های بی نظیری از فضا گرفته و داده ها را تحلیل می کنند. آن دوربین ها به خودی خود توانایی گرفتن عکس را ندارند و درست مانند دوربین های معمولی که برای کار کردن به لنز نیاز دارند، برای کار کردن به آینه احتیاج دارند. هابل یک آینه اصلی بسیار بزرگ دارد که قطر آن به ۲٫۴ متر می رسد (در تلسکوپ ها هرچه آینه بزرگ تر باشد بهتر است) و نور را به آینه ثانویه می تاباند.آن نور پس از تابیده شدن روی آینه ثانویه مجددا به مرکز آینه اصلی انعکاس می یابد. در این قسمت حفره ای قرار دارد که به ابزارهای علمی داخل تلسکوپ منتهی می گردد و در مرحله بعد، دوربین ها از آنچه توسط آینه ها منعکس می گردد به صورت سیاه و سفید عکس می گیرند. ناگفته نماند که همه عکس های روشن و رنگی که به صورت مستمر توسط ناسا و آژانس فضایی اروپا منتشر می شوند در اصل ترکیبی از دو غلظت نور هستند و رنگ ها در مرحله بعدی به آنها اضافه می گردند.

تلسکوپ فضایی هابل ، یک تاریخ :

صحبت ها در مورد ساخت یک تلسکوپ فضایی در دهه ۱۹۴۰ میلادی آغاز گشت با این همه، ساخت هابل عملا تا دهه ۱۹۷۰ میلادی شروع نشد. این تلسکوپ بودجه ای بالغ بر یک میلیارد دلار را به خود اختصاص داد و ناسا نیز برای تامین آن مجبور شد دست به دامن رقبای اروپایی اش شود. در ادامه آژانس فضایی اروپا نخستین دستگاه ها و پنل های خورشیدی را در اختیار هابل گذاشت و از این طریق دست کم ۱۵ درصد از زمان رصد این تلسکوپ را به ستاره شناسان خود اختصاص داد.

تلسکوپ فضایی هابل با شاتل دیسکاوری به فضا پرتاب شد.

اما پروسه ساخت این تلسکوپ آنطور که ناسا پیش بینی کرده بود هم ساده نبود و آژانس مجبور بود به خاطر بروز برخی مشکلات با پیمانکاران خود، چندین مرتبه فرایند ساخت آن را متوقف نماید. عاقبت در آوریل ۱۹۹۰ میلادی، هابل از منطقه کیپ کاناورال در کالیفرنیا به فضا پرتاب شد اما مشکلات این آژانس به اینجا هم ختم نشد: کمی بعد از آنکه نخستین سری از عکس های گرفته شده توسط هابل به زمین مخابره شد، پژوهشگران متوجه مشکلی در رابطه با آن شدند.مشکل چه بود؟ نوعی نقص اپتیکال کوچک اما جدی که تحت عنوان انحراف کروی از آن یاد می شد. رابرت آرنتز در جریان مصاحبه ای این مشکل را اینگونه توضیح داد که: «این یعنی لبه بالایی آینه بیش از اندازه تخت بود و عمق آن به بیشتر از چهار میکرون نمی رسید که این کمتر از ضخامت یک تار مو است.» ناگفته نماند که اغلب تجهیزات به کار گرفته شده در هابل و همچنین مجموعه آینه های قابل حرکت و خمیده آن با نام جایگزین های محوری اصلاح اپتیک تلسکوپ فضایی یا COSTAR که برای حل مشکل انحراف کروی تهیه شدند تامین گردیدند. خوشبختانه هابل به گونه ای طراحی شده بود که فضانوردان می توانستند آن را در حال حرکت داخل مدار تعمیر و به روز رسانی کنند و باید بگوییم که این تنها تلکسوپی است که ساخته شده تا سرویس رسانی شود.بنابراین در دسامبر سال ۱۹۹۳، تیمی از فضانوردان عازم فضا شدند تا آینه های اضافی دیگر را به این تلسکوپ متصل نمایند. اما آنطور که جان تروچ می گوید نصب COSTAR نیز چالش فنی دیگری بود. لازم بود که این تجهیزات به صورت کاملا ایمن در داخل جعبه ای به اندازه یک باجه تلفن بسته بندی شوند تا توان تحمل فشار و حرکات شدید فضاپیمای شاتل در حین پرتاب را داشته باشند. در مرحله بعد باید فضانوردان یک راهپیمایی فضایی داشته باشند و آن را «با استفاده از یک بازوی رباتیک در موقعیت اصلی اش با دقت یک دهم میلیمتر نصب نماید.»

این تصویر کهکشان مارپیچی M100 را قبل و بعد از تعمیر تلسکوپ هابل نشان میدهد که تصویر سمت راست
از وضوح بیشتری برخوردار است.

COSTAR در جریان پنجمین و آخرین ماموریت سرویس رسانی هابل در سال ۲۰۰۹ میلادی از بدنه این تلسکوپ جدا شد و حالا دیگر تمامی تجهیزات آن دارای سیستم های اصلاح کننده داخلی هستند و می توانند مشکل انحراف نور را برطرف نمایند. در جربان همان ماموریت ابزارها و تجهیزات تازه ای از جمله “دوربین دید گسترده ۳″ به هابل افزوده شد که در قیاس با دیگر دوربین های مورد استفاده در آن، رزلوشن و میدان دید بیشتری داشت. این دوربین سطح توانایی تلسکوپ را به میزان قابل توجهی بالا برد و به لطف آن عکس های شفاف تری از هابل به دست آمد.




چه کسی از هابل استفاده کرده و آن را نگهداری می کند؟

برخلاف آنچه احتمالا تصور می کنید صرفا ناسا یا پژوهشگران آژانس فضایی اروپا مجاز به استفاده از هابل نیستند. ناسا همه ساله هزاران پیشنهاد را از دانشمندان سراسر دنیا برای استفاده از این دستگاه دریافت می کند و در مرحله بعد، تیمی از دانشمندان پیشنهادات دریافتی را مورد بررسی قرار داده تا مشخص نمایند که کدام مطالعات را انجام داده و از کدامیک صرف نظر کنند. پس از این مرحله، تیم های منتخب می توانند برای مدت یک سال ذسترسی اختصاصی به هابل داشته باشند و پژوهش های خود را با استفاده از آن انجام دهند.فعالیت فضاپیمای شاتل از سال ۲۰۱۲ میلادی متوقف شد و به همین دلیل دیگر هیچ ماموریتی برای سرویس دهی به هابل انجام نخواهد شد و تجهیزات مختلف موجود در آن شامل دوربین ها (که همگی شان هم انرژی مورد نیاز خود را از خورشید می گیرند) تا ابد در فضا باقی می مانند. البته ناگفته نماند که تیمی متشکل از مهندسان و پژوهشگران کامپیوتر از مرکز پروازهای فضایی ناسا و موسسه علوم تلسکوپ فضایی همچنان سلامت و عملکرد هابل را از روی زمین مورد پایش قرار خواهند داد.

عکس هایی از سحابی " ستون آفرینش " که در سال 1995 و 2015 میلادی توسط
تلسکوپ فضایی هابل ثبت شده اند.

پژوهشگران ناسا همچنین قرار است که پیش از موسسه علوم تلسکوپ فضایی به کلیه اطلاعات مخابره شده از هابل دسترسی یافته و آنها را مورد بررسی قرار دهند. دانشمندان این مرکز نیز موظفند که اطلاعات دریافتی نظیر طول موج ها یا سطوح روشنایی را به واحدهایی تبدیل نمایند که برای ما قابل درک باشند و سپس آنها را روی اینترنت آپلود کنند تا دانشمندان سراسر دنیا به آنها دسترسی داشته باشند.


کشفیات و عکس های علمی قابل توجه :

به لطف هابل ما می توانیم سفری به گذشته داشته باشیم چراکه عکس های گرفته شده توسط آن وضعیت هستی را حتی پیش از آنکه منظومه خورشیدی وجود داشته باشد به تصویر می کشند. یکی از جالب ترین عکس های گرفته شده توسط این تلسکوپ دورترین که “میدان دید فرا ژرف هابل” نام دارد ۱۰ هزار کهکشان در را در یک نقطه ی کوچک به تصویر می کشد و تصویر مورد علاقه بسیاری از دانشمندان است.برای تهیه این عکس ناسا باید یک منطقه خالی را در آسمان می یافت که بیش از اندازه نیز باریک باشد. در مرحله بعد لازم بود هابل را به گونه ای تنظیم نمایند که تا چندین سال، در بازه های زمانی ۱۰ روزه از آن موقعیت تصویر بگیرد. عکسی که در بالا می بینید شارپ ترین تصویر تهیه شده تا به امروز است که با استفاده از تصاویر تهیه شده از سال های ۲۰۰۰ تا ۲۰۱۵ تهیه شده. به خاطر فاصله زیاد کهکشان ها تا کره زمین و زمانی که طول می کشد نور از آنها به ما برسد، تصویر پایانی، کهکشان های جوانی را نشان می دهد که حدودا نیم میلیارد سال پس از بیگ بنگ به وجود آمده اند.

تصویر ، فرا ژرف هابل نمونه ای از قدیمی ترین کهکشان هایی است که بشر تا کنون دیده است.

علاوه بر این، مشاهدات هابل روی نوع خاصی ستاره اطلاعات مورد نیاز برای تخمین دقیق سن هستی را فراهم کرد. گفته می شود که ۱۳٫۷ میلیارد سال از تولد هستی می گذرد و این در حالی است که پیشتر این رقم برابر با ۱۵ یا ۱۶ میلیارد سال برآورد شده بود. حالا هابل به شواهد محکمی دست یافته که نشان می دهد سیاه چاله های عظیمی در مرکز کهکشان ها وجود دارند و حتی توانسته رنگ یک سیاره ی فرا خورشیدی را برای نخستین بار مشخص نماید. به تازگی اما، این تلسکوپ پژوهشگران را یاری داده تا شواهدی را دال بر وجود یک اقیانوس درست زیر قله یخی بزرگ ترین قمر مشتری یعنی گانیمد پیدا کنند. هابل همچنین درک ما از چرخه عمر ستاره ها را متحول نمود و میزان ماده سیاه موجود در هستی را (سه چهارم توده هستی) مشخص نمود.


تکنولوژی های گرفته شده از هابل :

همچون بسیاری پروژه های دیگر ناسا، تکنولوژی های توسعه یافته برای هابل راه را برای دستیابی به پبشرفت های دیگر هموار کردند. برای مثال توسعه دهندگان ربات جراحی داوینچی از تکنولوژی های به خدمت گرفته شده در بازوی رباتیک هابل برای ساخت آن بهره گرفتند. همین مساله در مورد تیم کانادایی توسعه دهنده یک ربات جراح دیگر به نام neuroArm نیز صادق است. علاوه بر این، یکی از قطعات به کار رفته در تجهیزات هابل به نام سیستم تصویر برداری طیف نور تلسکوپ فضایی نقشی(Space Telescope Imaging Spectrograph) کلیدی در ساخت یک دستگاه تشخیص سرطان سینه داشت.


خداحافظ هابل ، سلام جیمز وب :

هنوز لحظه وداع با هابل نرسیده. درست است که حالا سن و سالی از این تلسکوپ می گذرد اما هابل هنوز هم قدرتمند عمل می کند و برخی از دانشمندان باور دارند که قطعات و تجهیزات به کار گرفته شده برای آن می توانند تا سال ۲۰۲۰ دوام بیاورند. در حال حاضر از این دستگاه در پروژه های متنوعی بهره گرفته می شود که از آن جمله می توان به “زمینه های مرزی” اشاره کرد که با کمک دیگر تلسکوپ های ناسا از جمله اسپیتزر خوشه های کهکشانی دیگر را تحت نظر می گیرد.

تصویری هنری از تلسکوپ فضایی جیمز وب که جانشین تلسکوپ فضایی هابل میشود.

در سال ۲۰۱۸، تلکسوپ فضایی جیمز وب راهی مدار زمین می شود. این دستگاه جدیدتر، قدرتمندتر و البته گران تر بوده و ابعادی به اندازه یک زمین تنیس دارد و قطر آینه در نظر گرفته شده برای آن دست کم سه برابر هابل است. قرار است که جیمز وب از فاصله ای دورتر (حدودا ارتفاع ۹۳۰۰۰۰ مایلی) به دور زمین بگردد یا دست کم چهار برابر دورتر از ماه قرار بگیرد. برخلاف هابل که بهترین عملکرد را با نورهای قابل رویت و فرابنفش از خود به نمایش می گذارد، جیمز وب برای عملکرد با استفاده از نور مادون قرمز بهینه سازی شده. توانایی بهتر این تلکسوپ برای تصویر برداری در نور مادون قرمز نسبت به پیشینیانش بدان معناست که می توان از طریق آن محل شکل گیری ستاره ها و سیارات را رصد کرد و به زمان های دورتری در گذشته باز گشت.همانطور که گفته شد، تا از رده خارج شدن هابل زمان زیادی باقی است اما هابل بی تردید روزی از مدار خارج می شود و در این میان عوامل زیادی اثرگذارند که پرتوهای خورشیدی بزرگ ترینشان است چراکه می توانند در اثر گذشت زمان قطعات تلسکوپ را خراب کنند. ناسا در اصل تصمیم داشت که هابل را پایین بیاورد و آن را در موزه ای در معرض دید عموم قرار دهد و از طرفی، این تلسکوپ به گونه ای طراحی شده که تنها می تواند به شاتل متصل شود و راکت های مدرن امروزی نمی توانند به زمین باز گرداندنش اما قادرند که آن را در داخل اقیانوس فرود آورده یا با بالابردن ارتفاع حرکتش کاری کنند که چندین صده بیشتر در مدار باقی بماند. هر وقت که زمانش برسد، ناسا تصمیم خواهد گرفت که با این تلسکوپ سالخورده چه کند و در صورتی که تصمیم بگیرد آن را به حال خود رها کند، به تدریج تسلیم جاذبه شده و از سال ۲۰۳۷ میلادی اندک اندک وارد جو زمین خواهد شد.




منبع : engadget.com