17 سال با تلسكوپ Hubble

[Shahryar]

[External Link Removed for Guests]
17 سال پیش در چنین روزهایی شاتل فضایی دیسکاوری محموله ای بسیار ارزشمند را در مدار زمین قرار داد. تلسکوپی بسیار پیشرفته به ارزش 2 و نیم میلیارد دلار که به یاد ادوین هابل ، اخترشناسی که نخستین بار بشر را با عظمت کیهان آشنا کرد ، تلسکوپ فضایی هابل نام گرفت.
این تلسکوپ در ابتدا قرار بود 15 سال عمر کند و 3 هدف اصلی را دنبال کند: اندازه گیری سرعت انبساط عالم ، نقشه برداری از فواصل میانی عالم و شناسایی ترکیب شیمیایی اختروش ها. اما امروز تمام دانشمندان اعتقاد دارند نه تنها این ابزار ارزشمند در به ثمر رساندن هدف های اصلی خود موفق بوده ، که دستاوردهایش به مراتب فراتر از انتظارهای اولیه است. نگاهی به تاریخ شکل گیری و فعالیت های تلسکوپ فضایی هابل می تواند تاثیر این ابزار ارزشمند را در پیشرفت دانش اخترشناسی بیشتر نمایان کند.

تا دهه 1950 ميلادي ، بزرگ ترين تلسکوپ هاي زمين در رصدخانه هاي مونت ويلسون و پالومار قرار داشتند، تلسکوپ هايي به قطر 2.5 متر و 5 متر که هر اخترشناسي آرزوي رصد با يکي از اين ابزارها را داشت.
اما پيشرفت علم ، نياز دانشمندان به رصدهاي بيشتر را افزايش داده بود و تلسکوپ هاي موجود نه آن قدر بزرگ بودند که بتوانند اجرام دور دست را بخوبي رصد کنند و نه زمان کافي را براي رصد دراختيار داشتند. شرايط رصد نيازمند آسماني صاف و تاريک بود، اما در بسياري از شبها ماه درخشان مانع از رصد مي شد. هواي ابري و طوفاني هم که جاي خودش را داشت.
هزينه بالاي ساخت رصدخانه هاي بزرگ تر به چندصد ميليون دلار مي رسيد و خيلي ها چنين سرمايه گذاري اي را با توجه به زمان اندک رصد، مقرون به صرفه نمي دانستند. اما از آن مهمتر، مشکلات اپتيکي جو بود. مشاهدات نشان مي داد توان تفکيک تلسکوپ هاي 2.5 متري مونت ويلسون و 5 متري پالومار، يعني کوچک ترين زاويه اي که مي توان با تلسکوپ تشخيص داد، تفاوتي ندارد. درحالي که تلسکوپ بزرگ تر بايد زاويه هايي به مراتب کوچک تر را تشخيص دهد. بررسي هاي بيشتر نشان داد اغتشاشات جوي زمين مانع از آن مي شود که بتوان زوايايي کوچک تر از 0.0001 درجه را تشخيص داد. از سوي ديگر، جو براي تمام طول موج هاي نور شفاف نبود. پرتوهاي پرانرژي گاما و ايکس از جو عبور نمي کردند. پرتوهاي فرابنفش در لايه ازن به دام مي افتادند.
پرتوهاي نورمريي با کمي اغتشاش عبور مي کردند. برخي طول موج هاي فروسرخ عبور مي کردند و برخي ديگر در تشعشعات بخار آب جو محو مي شدند و در نهايت بخشي از امواج راديويي نيز از جو عبور نمي کرد. چنين محيطي مناسب رصدهاي ايده آل دانشمندان نبود.
ايده وجود يک رصدخانه در فضا را نخستين بار هرمن اوبرت ، دانشمند آلماني و از نظريه پردازان سفر به فضا در سال 1923 / 1302 پيشنهاد کرد. اما نخستين ايده عملي را اخترشناسي جوان به نام ليمان اسپيتزر در مقاله اي با عنوان مزاياي نجومي يک رصدخانه در خارج زمين به سال 1946 / 1325 منتشر کرد. او نشان داد در خارج زمين محدوديت هاي اپتيکي جو وجود ندارد و مي توان در تمام طول موج ها رصد کرد. همچنين به دليل نبودن اغتشاشات جوي ، محدوديتي در توان تفکيک وجود ندارد و تنها عامل موثر، بزرگي آينه اصلي تلسکوپ است.
از سوي ديگر، چنين رصدخانه اي مي تواند در تمام ساعات شبانه روز رصد کند؛ درحالي که رصدخانه هاي زميني فقط مي توانند شب هنگام فعاليت کنند، آن هم به شرطي که هوا ابري نباشد، ماه در آسمان نباشد و آلودگي نوري وجود نداشته باشد. بنابراين يک تلسکوپ فضايي به مراتب مقرون به صرفه تر از رصدخانه هاي زميني است.

هابل پس از دومين تعمير- سال 1997 در ارتفاع 569 كيلومتري
[External Link Removed for Guests]

چگونه يک تلسکوپ فضايي ساخته مي شود

اسپيتزر با انتشار اين مقاله ، تلاشي همه جانبه را آغاز کرد تا طرح يک تلسکوپ فضايي را به تصويب برساند. در سال 1965 / 1344 ، وي به سمت رياست کميته اي منصوب شد که وظيفه داشت هدفهاي علمي يک تلسکوپ بزرگ فضايي را تبيين کند. با موفقيت نخستين رصدخانه هاي فضايي ناسا در سالهاي 1968 تا 1972 ، روند مطالعات تلسکوپ فضايي را سرعت بخشيد. در سال 1975 / 1354 ، آژانس فضايي اروپا نيز به ناسا پيوست و طرح اوليه اي به ارزش 4 صدميليون دلار آماده شد. تلسکوپ فضايي داراي اپتيک بازتابي با آينه اي به قطر 3 متر و فاصله کانوني 57.6 متر بود و قرار شد در سال 1979 / 1358در مدار زمين قرار بگيرد.
طراحي ها نيز به نحوي انجام شد که اين تلسکوپ هرچندوقت يک بار از سوي فضانوردان مورد بازبيني ، تعمير و به روزرساني قرار بگيرد.
از آنجايي که هيچ کس تجربه چنين طرح عظيمي را نداشت ، مشکلات فراواني مانند کسر بودجه و عقب افتادن از برنامه بارها برنامه پرتاب را به تعويق انداخت. مشکل کسر بودجه ناسا را مجبور کرد تا در طرح اوليه خود تجديدنظر کند: آينه اصلي 3 متري به 4.2 متر کاهش يافت ، ساخت آينه اصلي پشتيبان معلق شد، طرح آزمايش يک ماهواره مجهز به تلسکوپ 1.5 متري براي آزمايش عملکرد تلسکوپ فضايي لغو شد، بدنه تلسکوپ کوچک تر، سبک تر و فشرده تر طراحي شد و ساخت يکي از ابزارهاي علمي همراه با سلولهاي خورشيدي به آژانس فضايي اروپا محول شد تا به ازاي اختصاص 15 درصد از زمان رصد هابل به رصدگران اروپايي ، بخشي از هزينه ها تامين شود. اما مشکلات فراوان سبب شد تلسکوپي که قرار بود در سال 1979 پرتاب شود، با 7سال تاخير روبه رو شود و درنهايت براي پرتاب در مهر 1986 / 1365 آماده شود.
در اين زمان نزديک به يک ميليارد و 200 ميليون دلار هزينه شده بود، اما وقوع رويدادي ناخواسته همه معادلات را به هم زد. فضاپيماي رفت وبرگشت چلنجر با 7سرنشين ، 70 ثانيه پس از پرتاب برفراز مرکز فضايي کندي منفجر شد. ناسا براي بررسي ايمني و مشکلات شاتل ، تمام برنامه هاي پرواز شاتل را براي 2 سال معلق کرد.

بدترين فاجعه ، بهترين راه حل
پس از چند هفته آزمودن سيستم هاي ناوبري تلسکوپ ، تنظيم ابزارهاي علمي و اطمينان از سلامت و کارکرد درست ابزارها، کارشناسان چشمان هابل را به جهان بي انتها گشودند و در انتظار نخستين تصاوير ارسالي هابل نشستند. دانشمندان انتظار داشتند تصاوير تلسکوپ فضايي 10 برابر بهتر و شفاف تر از تصاوير تلسکوپ هاي زميني باشد، اما تصاوير رسيده هر چند کيفيت بهتري از تصاوير زميني داشت ، بوضوح 100 درصد نمي رسيد. تصاوير ستارگان نقطه اي نبود و هاله اي پرنور اطراف آنها را فرا گرفته بود. شواهد نشان از آن داشت که آينه اصلي با دقت تراشيده نشده است.
بررسي هاي بيشتر نشان داد که لبه آينه 2.4 متري هابل به مقدار 2 ميکرومتر (يک پنجاهم قطر موي انسان) صاف تر تراشيده شده بود و پرتوهاي نور به جاي اين که در يک نقطه متمرکز شوند، در محدوده اي نزديک به 0.003 درجه جمع مي شدند. اما چرا چنين فاجعه اي در زمين تشخيص داده نشد؟ شايد پاسخ اين پرسش خنده دار باشد: يکي از عدسي هاي دستگاه آزمايش گر سطح آينه به مقدار ناقابل 1.3 ميلي متر جابجا شده بود و مشکل آينه اصلي را پنهان نگاه داشته بود.
راه حل پيشنهادي براي رفع اين مشکل به يکي از موفق ترين و مشکل ترين ماموريت هاي فضايي منجر شد. 2 دستگاه جديد براي نصب در تلسکوپ فضايي هابل آماده شد، يکي سيستم اصلاح اپتيکي کاستار(COSTAR) که همانند يک عينک ، مشکل آينه اصلي را برطرف مي کرد و ديگري ، دوربين زاويه باز و سياره اي (WFPC2) که به دليل موقعيتش در بدنه تلسکوپ ، نمي توانست از سيستم کاستار استفاده کند و درون آن سيستم اصلاح اپتيکي ديگري تعبيه شده است.
از سوي ديگر، گروهي حرفه اي از فضانوردان به مدت يک سال و نيم آموزش هاي ويژه اي را پشت سر گذاشتند تا با استفاده از يکصد ابزار، تلسکوپ فضايي هابل را تعمير کنند. اولين ماموريت تعمير هابل را شاتل انديور در پاييز 1993 / 1372 انجام داد. فضانوردان ، نورسنج پرسرعت HSP را از هابل جدا کردند و اپتيک تصحيح کننده کاستار را جايگزين کردند. همچنين دوربين زاويه باز و سياره اي با WFPC2 که تصحيح شده بود، جايگزين شد. تعدادي از ژيروسکوپ ها، سلولهاي خورشيدي و قطعات الکترونيکي تلسکوپ نيز که طي سه سال حضور در فضا معيوب شده بودند، با نمونه هاي بهتر و به روزتر جايگزين شدند. اين ماموريت که STS-61 نام گرفت ، 10 روز طول کشيد و به يکي از موفق ترين سفرهاي فضايي بشر تبديل شد. چند هفته بعد، نخستين تصاوير سيستم جديد ارسال شد و همگان توانستند توانايي بي نظير تلسکوپ فضايي هابل را که 10 برابر بهتر از تلسکوپ هاي زميني است ، به چشم ببينند. از اين تاريخ به بعد، دوران طلايي تلسکوپ فضايي هابل آغاز مي شود


پس از آن که پروازهاي فضايي شاتل در سال 1988 / 1367 دوباره از سر گرفته شد، پرتاب اين تلسکوپ براي بهار 1990 / 1369 برنامه ريزي شد. اما نگهداري هابل به مدت 4 سال در يک اتاق تميز، هزينه هاي فراواني را متوجه ناسا کرده بود. کارشناسان مجبور شدند آينه اصلي تلسکوپ را که 4 سال خاک خورده بود، دوباره با فشار گاز نيتروژن تميز کنند و به شرايط آرماني برسانند.
بالاخره پس از هزينه کردن يک ميليارد دلار ديگر، تلسکوپ فضايي هابل آماده پرتاب شد و در 4ارديبهشت 1369 / 24 مي 1990 ، شاتل فضايي ديسکاوري درحالي که تلسکوپ 2.5 ميليارد دلاري را با خود حمل مي کرد، روانه مدار زمين شد. اين ماموريت که STS-31 نام داشت ، مي رفت تا تلاش 50 ساله اخترشناسان را به واقعيت تبديل کند، اما...

طلايي ترين عصر اخترشناسي
به جرات مي توان گفت کشفيات تلسکوپ فضايي هابل از زمستان 1994 / 1372 به اين سو با ديگر کشفيات دانش اخترشناسي برابري مي کند. ستون هاي آفرينش ، سحابي هاي سياره نما، تصوير ژرف شمالي ، اندازه گيري ثابت هابل ، برخورد دنباله دار شوميکر لوي 9 با سياره مشتري و بسياري تصاوير بي نظير ديگر، دستاورد دوربين زاويه باز و سياره اي 2 است که با وضوح 2.4 مگاپيکسل ، 14 سال است مسووليت عکسبرداري از جهان را عهده دار است.
ابزار ديگر، دوربين اجرام کم نور FOC بود که تا سال 1997 به فعاليت خود ادامه داد و وظيفه داشت کم نورترين اجرام ممکن را به تصوير بکشد. ابزار سوم ، طيف نگار وضوح بالاي گذارد، GHRS بود که عملا چشمان فرابنفش هابل بود و وظيفه داشت با تجزيه پرتوهاي فرابنفش رسيده از اجرام سماوي ، خصوصيات آنها را مانند دما، ميدان مغناطيسي ، ترکيب شيميايي ، سرعت حرکت و مانند اينها را بررسي کند. طيف نگار اجرام کم نور، FOS نيز ديگر ابزار علمي هابل بود که طيف نگاري اجرام دوردست را به عهده داشت.
در ماموريت تعمير دوم ، STS-82 ، فضانوردان سوار بر شاتل ديسکاوري به تلسکوپ فضايي هابل رفتند و 2 ابزار جديد را جايگزين ابزارهاي سابق کردند. دوربين و طيف نگار چندمنظوره فروسرخ ، NICMOS ، به جاي FOS قرار گرفت و طيف نگار تصويربردار STISنيز جايگزين GHRS شد. همچنين تجهيزات ثبت اطلاعات هابل به روز شد و بدنه تلسکوپ نيز ترميم شد. اين ماموريت در بهمن 1997 / 1375 انجام شد.
مدت اندکي نگذشته بود که ژيروسکوپ هاي تلسکوپ فضايي دچار مشکل شد. ژيروسکوپ ، ابزار جهتيابي هر فضاپيمايي است و بدون آن جهتگيري ممکن نيست. در آذر 1999 / 1377 ، شاتل ديسکاوري براي يک ماموريت تعمير اضطراري رهسپار تلسکوپ فضايي هابل شد و ژيروسکوپ ها را تعويض کرد. رايانه مرکزي تلسکوپ هم به Intel 486 ارتقا پيدا کرد و برخي قطعات الکترونيکي و بخشهايي از عايق حرارتي بدنه نيز تعمير شدند.

اين ماموريت ، بخشي از ماموريت تعمير سوم بود که تاثير خاصي در ارتقاي توان علمي اين تلسکوپ نداشت.
اما چهارمين ملاقات شاتل هاي فضايي با هابل را شاتل کلمبيا در اسفند 2002 / 1380 انجام داد. در اين ماموريت ، يکي از بهترين ابزارهاي تصويربرداري نجومي روي هابل نصب شد، دوربين پيشرفته نقشه برداري ACS که با وضوح 18 مگاپيکسل ، 10 بار از دوربين قديمي WFPC2 کارآيي بيشتري داشت.
در اين ماموريت همچنين سلولهاي خورشيدي جديد روي اين تلسکوپ نصب شد که 30% انرژي بيشتري توليد مي کرد و اين امکان را فراهم مي کرد تا هابل بدون توقف به فعاليت هاي علمي خود ادامه دهد. در اين ماموريت ، طيف نگار FOS به زمين بازگردانده شد و با نصب يک خنک کننده جديد، دوربين نيکموس که چشم فروسرخ هابل محسوب مي شد، دوباره به راه افتاد.
دوربين پيشرفته ACS ، يکي از بهترين فرصت ها را براي تصويربرداري از عالم تهيه کرد. اين تلسکوپ در 10 درصد زمان فعاليت دوربين WFPC2 ، به همان نتايج مي رسيد. به عبارت ديگر، هابل از اين پس مي توانست 10 برابر اطلاعات بيشتري جمع آوري کند.
با نصب دوربين پيشرفته نقشه برداري ، توان علمي هابل از هر تلسکوپ ديگري فراتر رفت. اطلاعات ارسالي اين تلسکوپ در هر روز به 10گيگابايت مي رسد و با اين حجم وسيع ، دهها سال طول مي کشد تا اخترشناسان بتوانند آنها را تحليل کنند. هابل تاکنون 30 ترابايت (سي هزار گيگابايت) اطلاعات جمع آوري کرده است که در قالب 800 هزار رصد و 500 هزار تصوير از 25 هزار جسم آسماني تهيه شده است. تاکنون بيش از 7 هزار مقاله علمي از نتايج رصدهاي اين تلسکوپ فضايي تهيه شده است و به نظر مي رسد، چند برابر اين تعداد در ساليان آينده منتشر خواهد شد.

يافته هاي علمي هابل
تلسکوپ فضايي هابل تاکنون توانسته است پاسخ بسياري از پرسش هاي قديمي را فراهم کند و البته در کنار آن انبوهي از پرسشهاي جديد را مطرح کند. هابل توانست با دقت 10 درصد، آهنگ انبساط عالم را اندازه گيري کند و نشان دهد که حدود 13 ميليارد و 700 ميليون سال از مهبانگ و آغاز عالم سپري شده است. تا پيش از اين اندازه گيري ها با دقت بسيار پايين و حدود 50 درصد بود!توانايي منحصربه فرد تلسکوپ فضايي هابل در رصد اجرام دوردست ما را قادر ساخت دورترين ابرنواخترها را ببينيم و با اندازه گيري سرعت و فاصله شان ، تغييرات انبساط عالم را طي ميلياردها سال بررسي کنيم.
رصد اين اجرام سماوي نشان داده است که تا حدود 5ميليارد سال پيش ، گرانش مواد عالم به قدري نيرومند بود که آهنگ انبساط عالم را کند کرده بود، اما از 5 ميليارد سال پيش به اين سو، موجودي ناشناخته و بسيار پرانرژي ظهور يافته است که اثر گرانش را خنثي کرده و با قدرت تمام ، انبساط عالم را تندتر کرده است.
آشکارکردن ماهيت اين موجود ناشناخته که به انرژي تاريک مشهور شده است ، يکي از مهمترين هدفهايي مطالعاتي تلسکوپ هاي بزرگ زميني و فضايي آينده است.
تصاوير بسيار واضح و پرکيفيت هابل از مرکز کهکشان ها نشان داد که هسته يک کهکشان ، مکاني مناسب براي يافتن ابرسياه چاله ها است.
اما بي شک ارزشمندترين دستاورد هابل ، تصاوير ژرف شمالي در سال 1995 و فراژرف هابل در سال 2004است.
در سال 1995 ، هابل با استفاده از WFPC2 ، یازده روز به نقطه اي در صورت فلکي دب اکبر خيره ماند و توانست در محدوده اي مربع شکل که يک دهم قطر ماه بدر بود، نزديک به يکهزار و 500 کهکشان دوردست را ثبت کند. در سال 2004 ، دوربين هاي ACS و NICMOS به مدت يک ميليون ثانيه (11 روز و نيم) به نقطه اي از صورت فلکي کوره خيره ماندند و توانستند در محدوده اي بسيار کوچک ، مربعي که اضلاع آن تنها يک دهم قطر ماه بدر است ، بيش از 10 هزار کهکشان دور و نزديک را آشکار کند. دورترين اين اجرام بيش از 13 ميليارد سال نوري با زمين فاصله دارد و پرتوهاي رسيده از آن ، مربوط به زماني است که چندصد ميليون سال از عمر عالم جوان نمي گذشت.

نسل آينده تلسکوپ هاي فضايياز سالهاي مياني دهه 1980 ، بررسي نسل آينده تلسکوپ هاي فضايي و بخصوص جانشين تلسکوپ فضايي هابل آغاز شد. تجربه ساخت هابل نشان داده بود از آغاز مطالعات اوليه تا پرتاب تلسکوپ به 20 سال زمان نياز است.
در طرحهاي اوليه ، تلسکوپي بزرگ با آينه اي 8 متري پيش بيني شده بود که در محدوده فروسرخ و مريي نزديک به قرمز رصد مي کرد و با هزينه اي 500 ميليون دلاري تا سال 2010 در مدار زمين قرار مي گرفت.
اما مشکلات بودجه و عقب افتادگي از برنامه سبب شد اين طرح نيز دستخوش تغييرات شود، به طوري که اين تلسکوپ در سال 2013 به فضا پرتاب خواهد شد. در طرح جديد، آينه اي 6.5 متري پيش بيني شده که پوششي از طلا دارد و با 3 ابزار اصلي ، در طول موج هاي بلند فروسرخ رصد مي کند. دانشمندان از آن رو پرتوهاي فروسرخ را انتخاب کرده اند که نور اجرام بسيار دوردستي که به ما مي رسد، به قدري کشيده شده است که فقط در فروسرخ مي توان آنها را تشخيص داد. اين تلسکوپ جديد که تلسکوپ فضايي جيمز وب نام دارد، برخلاف هابل تعميرپذير نيست ؛ زيرا براي دورماندن از تابش زمينه فروسرخ منظومه زمين و ماه ، در فاصله 1.5 ميليون کيلومتري زمين قرار خواهد گرفت ، آنقدر دور که هنوز وسيله اي براي حمل ونقل انسان تا آنجا مهيا نيست و اگر ساختار اين تلسکوپ مشکلي داشته باشد، به هيچ شکل نمي توان آن را تعمير کرد. ازاين رو طراحي و ساخت اين تلسکوپ بسيار پيچيده تر و حساس تر از هابل است.

در پايان تصويري پانوراميك از سحابي جبار كه توسط هابل با كيفيت بسيار بالا گرفته شده است را تقديم ميكنم.
[External Link Removed for Guests]
منبع: سايت هابل-
جام جم آنلاين