تحقیق مقاله تلسکوپ هابل

مقدمه:

تلسکوپ فضایی هابل (به انگلیسی: Hubble Spapce Telescope) تلسکوپی است که در آوریل سال ۱۹۹۰ میلادی به فضا فرستاده شد. هابل در طول این سالها با نمایان کردن جلوه‌های شگفت‌انگیزی از عالم، به سوالات بسیاری پاسخ گفته‌است.

پیشینه و تعمیرات

پرتاب هابل به فضا

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.که چند سالی است که باز نشسته شده‌است...

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 را 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

تعمیرات 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 وضایف 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 کش ترین 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 بالا جو زمین است. اگر جه این مکان دارای برتریهای زیادی است، اما این فقط قسمتی از جواب این سوال 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 بزرگ ترین 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 بزرگ ترین 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.

تصویر گرفته شده از هابل، توسط شاتل اس‌تی‌اس-۸۲ در هنگام ماموریت دومش.

تلسکوپ فضایی هابل (HST) از بسیاری جهات توانمندترین تلسکوپ اپتیکی است که تا کنون ساخته شده است. این تلسکوپ بزرگترین تلسکوپ نیست، آینه اصلی آن با قطر 2.4 متر در مقایسه با تلسکوپ کک در هاوایی که 10 متر قطر دارد کوچکتر است. ولی این تلسکوپ ، که در مداری به فاصله 500 کیلومتری سطح زمین قرار دارد، از اثرات مختل کننده جو زمین به دور است. این امر امکان می‌دهد تا جزئیات دقیقتری نسبت به تلسکوپهای مستقر در زمین دیده شوند و نیز طول موجهایی مثل فرابنفش که به سطح زمین نمی‌رسند قابل مشاده باشند.

تاریخچه تلسکوپ فضایی هابل

این تلسکوپ به نام اختر شناس آمریکایی ، اووین هابل که در دهه 1920 به دو کشف عمده در اختر شناسی نایل آمد. نام گذاری و عملا تمام کهکشهانها در حال دور شدن از ما هستند (یعنی عالم در حال انبساط است). کشف اخیر به مفهوم مهبانگ به عنوان سرآغاز انبساط عالم منجر شد. در طرح اصلی که به درستی برای HST1 در نظر گرفته شده‌اند، عبارتند از مطالعه کهکشانها و مطالعه مهبانگ.

مشخصات تلسکوپ فضایی هابل

تلسکوپ HST تقریبا 14 متر طول 5 متر و 11500 کیلوگرم وزن دارد. این تلسکوپ طوری طراحی شده است که از تمام ظرفیت سفینه فضایی که آن را در 25 آوریل 1990 در مدار قرار داد استفاده کند. صفحه‌های خورشیدی که در مدار برافراشته شده‌اند و 10 متر طول دارند، توسط آژانش فضایی اروپا فراهم شدند. نوری که لوله تلسکوپ را بپیماید و به آینه اصلی برخورد کند که بازتابیده می‌شود و به آینه کوچک دومی که در مرکز لوله قرار دارد بر می‌گردد.
این آینه نور را به طرف آینه اصلی بر می‌گرداند و از سوراخی که در مرکز آن قرار می‌گذارند. این طرح اپتیکی را تلسکوپ کاسگرینی نوع ریچی - کرتن می‌نامند. در پشت سوراخ چهار سنجش افزار علمی عمده قرار دارند که عبارتند از دو دوربین عکاسی و دو طیف نگار ، هر دو دوربین عکاسی می‌توانند تصویرهایی مرئی و فرابنفش گرفته ، دوربینها طوری طراحی شده‌اند که تفکیک بسیار بهتری نسبت به آنجه بر روی زمین قابل دستیابی است بدست می‌دهند.
دهانه ورودی طیف نگارها بسیار کوچک است و این امر امکان می‌دهد که HST تفکیک خوبی داشته باشد و طیف نمایی اجسام منفرد در میدانهای شلوغی مثل مرکز خوشه‌های ستاره‌ای کروی مسیر شود، در حالی که چنین مشاهداتی از روی زمین غیر ممکن هستند و همچنین طیف نگارها می توانند نسبت به سیگنال به نوفه بسیار بزرگتر و تفکیک طیفی بهتری نسبت به تلسکوپهای فرابنفش قبلی در حال چرخش مدار بدست دهند و اندازه گیری وی‍ژگیهای طیفی ضعیفی را که قبلا هرگز دیده نشده است امکان پذیر کنند.

تعمیرات تلسکوپ هابل

کمی پس از پرتاب معلوم شد که آینه اصلی HST دارای ابیراهی کروی است و این نقصی است که باعث می‌شود که تصویرها حاوی 15 درصد نور متمرکز شده باشند و باقی به صورت نامشخص پخش شود. این نقص ، در نهایت با تجهیزات آزمایشی معیوبی مرتبط می‌شد که سالها قبل از پرتاب موقع ساختن آینه بکار رفته بود. اگر چه پردازش شدید رابانه‌ای توانسته بود بیشتر مشکلات تصویرها را بر طرف کند و مشاهدات طیف نوری را همچنان به انجام برساند، توانایی تلسکوپ در ایجاد تصویر اجسام ضعیف نسل آنهایی که در لبه عالم قرار دارند از بین رفته بود.
فضانوردان سفینه فضایی در دسامبر 1993 بیشتر از ده تعمیر عمده روی تلسکوپ انجام دادند. و از جمله ژپروسکوپهای جدید ، صفحه‌های خورشیدی ، آینه‌های تصحیح کننده بسیار دقیق و کوچکی روی آن نصب کردند و تلسکوپ را به کارآیی اپتیکی طرح اولیه بازگرداند. نصب دستگاههای اپتیکی تصحیح کننده مستلزم این بود که یکی از پنج سنجش افزار اصلی HST ، یعنی نورسنج خیلی سریع را بردارند. اکنون ، توان تفکیک در این دستگاه نزدیک به حدی است که از خواص موجی نور انتظار می‌رود.