تلسکوپ فضایی هابل

هابل یکی از مهمترین اختراعات فضایی است.
تلسکوپ فضایی هابل به اختصار HST تلسکوپی است که در سال ۱۹۹۰ توسط شاتل دیسکاوری در مدار گردش قرار گرفت. نام این تلسکوپ از نام کیهانشناسی به نام ادوین هابل گرفته شد. اگر چه هابل اولین تلسکوپ فضایی نبود ولی یکی از بزرگترین و پرکاربرد ترین‌ها به‌شمار می‌آید. HST یک برنامه مشترک بین ناسا و سازمان فضایی اروپا می‌باشد.
پیشینه و تعمیرات
پرتاب هابل به فضا
اولین طرح تلسکوپ فضایی در سال ۱۹۲۳ تدوین شد. در دهه ۷۰ میلادی روی هابل سرمایه‌گذاری شد و قرار شد در سال ۱۹۸۳ در مدار قرار گیرد اما پروژه با تاخیر فنی و مشکل بودجه چند سالی عقب افتاد. وقتی در سال ۱۹۹۰ ماموریت آن شروع شد دانشمندان دریافتند که آینه اصلی آن در جای مناسب خود قرار نگرفته و به شدت کارایی آن را کاهش داده‌است. با این همه در سال ۱۹۹۳ به کیفیت مورد نظر دانشمندان رسید و عملیات خود را آغاز کرد. هابل اولین تلسکوپی است که می‌توان آن را در فضا تعمیر کرد و تاکنون حدود ۵ بار روی آن تعمیرات صورت گرفته‌است.
آخرین ماموریت تعمیراتی هابل 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 تغذیه 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 ماموریت، دوربین فروسرخ NICMOS که به دلیل مشکل سیستم خنک‌کننده بلااستفاده مانده بود، تعمیر و راه‌اندازی شد.
علاوه بر همه این اصلاحات مهندسان ناسا دوربین بسیار قوی جدید خود موسوم به دوربین پیشرفته نقشه‌برداری را روی تلسکوپ فضایی نصب کردند. عکسهای خارق العاده 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 درباره 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 آماده 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 باتری‌های آن و همچنین دوربین اصلی آن است. انتظار می‌رود پس از این تعمیر این تلسکوپ بتواند ۸ سال دیگر نیز کار کند.
کیفیت تصاویر هابل
گرفتن عکس‌های رنگی با تلسکوپ فضایی هابل بسیار پیچیده‌تر 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 جمع‌آوری 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 همان چیزی نیستند که ما از نزدیک می‌دیدیم (اگر می‌توانستیم آن اجرام را در سفینه فضایی و از نزدیک ببینیم) ما بعضی مواقع از رنگ به عنوان یک ابزار استفاده می‌کنیم به این دلیل که یا باعث بهتر دیدن جزئیات می‌شوند 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. پنج ابزار دقیق تلسکوپ هابل – دوربین‌ها، طیف نگارها و حسگرهای رهنمایی بسیار دقیق – به‌طور هماهنگ 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 منحصربه‌فرد در نظر گرفته شده‌اند.
تجهیزات هابل
در اینجا تعدادی از ابزارهای مهم هابل در حال و گذشته، و کار آن‌ها را به‌طور مختصری بررسی می‌کنیم:
دوربین پیشرفته نقشه‌برداری: 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 نقشه‌برداری از کیهان و همچنین مطالعه نوع و چگونگی توزیع ستارگان می‌پردازد.
دوربین میدان باز و سیاره‌ای هابل: 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 پرتعداد آن را می‌بینیم.
دوربین فروسرخ و طیف نگار: که می‌تواند چند هدف را هم‌زمان طیف نگاری کند، آشکارساز گرمای هابل است 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: 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: ابزارهای هدف‌گیری هستند که به سوی ستارگان راهنما 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 نشانه‌گیری درست بماند. همچنین این حسگرها برای انجام اندازه‌گیری‌های آسمانی به کار می‌روند.
نمودار مدار تلسکوپ هابل
دوربین سوژه‌های کم نور: دستگاه 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 نقشه‌برداری 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.
اتاق کنترل هابل
وظایف قسمت عملیات پرواز:
کنترل وضعیت سیستم‌های 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
کار قسمت عملیات پرواز هابل به صورت شبانه‌روزی 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 غیرعادی در کارهای فنی می‌گذرد.
کنترل‌کنندگان زمینی حتی از مدت ماموریت‌های سرویس همیشگی نیز مشغول‌تر می‌شوند. کمی پس از پرتاب شاتل کنترل‌کننده‌ها 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 و نصب تجهیزات جدید روی آن توسط فضانوردان، کنترل‌کننده‌ها فورا آن‌ها را آزمایش می‌کنند. بعدا، کنترل‌کننده‌ها وارسی و آزمایش‌های جزیی‌تری 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
آینه پشتیبان، کداک، پشتیبانی از ساختار درونی آن دیده می‌شود به دلیل آن است که با یک سطح بازتابنده پوشش داده نشده‌است.
مکان هابل بالای جو زمین است. اگر جه این مکان دارای برتریهای زیادی است، اما این نکته فقط قسمتی از جواب این سوال است. بدون دید قوی، هابل نمی‌توانست چنین عکس‌های مفیدی را از مکان‌های بی‌همتا 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 به‌طوری‌که 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.
فعالیت‌های ترویجی
ای‌اس‌ای پادکستی ویدئویی به نام هابل‌کست Hubblecast منتشر می‌کند، که هدف‌اش آموزش مسائل علمی برای عموم است.
اکتشافات و دستاوردها
ویدئو از تلسکوپ هابل
هابل به حل بسیاری از مشکلات نجوم که دانشمندان قبل از در مدار قرار گرفتن آن با آن‌ها دست و پنجه نرم می‌کردند کمک کند.
این تلسکوپ توانست فاصله میان ستارگان را دقیق‌تر اندازه‌گیری کرده و سرعت گسترش جهان را تنها با ۱۰ درصد خطا تخمین بزند.
همچنین هابل توانست سن جهان و راهی در پیشه رو دارد را اندازه‌گیری و به دست دهد که این نتایج ناقض بسیاری از نظریات قبلی بود.
تصاویر با دقت بالای این تلسکوپ امکان مشاهده چگونگی شکل‌گیری سیاه چاله‌ها را در کهکشان‌های نزدیک به ما را فراهم کرد و نیز توانست کهکشان‌هایی را که میلیاردها سال نوری از ما فاصله دارند را آشکارسازی کرده و درهای جدیدی از علم را برای دانشمندان بگشاید.
هابل هر روز بین ۱۰ تا ۱۵ گیگابایت تصویر برای ستاره‌شناسان ارسال می‌کند. حجم این داده‌ها تاکنون بیش از ۱۰ ترابایت بوده است.
هابل بیش از ۴۰۰۰۰۰ رصد جداگانه از اجرام آسمانی به عمل آورده‌است.
هزاران مقاله نجوم بر اساس اطلاعات هابل نوشته شده‌است.
هابل اولین تلسکوپ نوری بود که توانست از یک سیاه چاله تصویر برداری کند. این سیاه چاله جرمی معادل چندین میلیارد برابر خورشید دارد.
هابل برای اولین بار تصاویری واضح از تولد و مرگ ستارگان ارائه داد.
در سال ۱۹۹۴ هابل از برخورد ستاره‌ای دنباله دار با مشتری تصویربرداری کرد.
دورترین و قدیمی‌ترین اجرام آسمانی نسبت به زمین که تاکنون نور آن‌ها به زمین رسیده‌است نیز توسط هابل ثبت شده‌اند.
ثبت تصویری با فاصله ۱۳ میلیارد سال نوری از زمین
در ۹ ژانویه ۲۰۱۳ دورترین ابرنواختر شناخته شده، توسط تلسکوپ هابل کشف شد. فاصله این ابرنواختر حدود ۱۰ میلیارد سال نوری است.
جانشین هابل
مقایسه آینه تلسکوپ فضایی هابل و تلسکوپ فضایی جیمز وب
پروژه تلسکوپ فضایی بعدی به نام تلسکوپ فضایی جیمز وب به اختصار JWST با اندازه‌ای بزرگ‌تر و قدرتی بالاتر و البته هدفهایی متفاوت در دست طراحی است. ابعاد این تلسکوپ بزرگتر از هابل است و دارای آینه‌ای عظیم خواهد بود که بر قدرت رصدگری آن می‌افزاید و به علاوه نسبت به هابل دورتر از زمین مستقر خواهد شد.
بودجه ۸٫۸ میلیارد دلاری تلسکوپ JWST آن را به یکی از بزرگترین و پر هزینه‌ترین پروژه‌های تاریخ ناسا مبدل ساخته‌است. چهار ابزار علمی بسیار پیشرفته برای تلسکوپ فضایی جیمز وب در نظر گرفته شده‌است؛ ابزار مادون قرمز متوسط برای تهیه تصاویر شبیه هابل از کهکشان‌ها، دنباله دارها و اجرام آسمانی سنگین توسط کنسرسیوم اروپا آماده شده و در سال ۲۰۱۲ به ناسا تحویل داده شد. دوربین فیلتردار مجهز به حسگرهای دقیق FGS-TFI برای تصاویر با وضوح تصویری بالا از سایر اجرام آسمانی نیز توسط آژانس فضایی کانادا ساخته و سال گذشته در اختیار ناسا قرار گرفته‌است. ابزار دوربین مادون قرمز نزدیک و طیف نگار مادون قرمز نزدیک نیز تا سال ۲۰۱۳ آماده خواهد شد. پس از این مرحله، عملکرد هر چهار ابزار علمی بر روی تلسکوپ فضایی جیمز وب با ابعاد یک زمین تنیس و شعاع آینه ۵٫۶ متری مورد آزمایش قرار می‌گیرد و تست‌های نهایی از سال ۲۰۱۵ آغاز می‌شود. ناسا امیدوار است که برنامه تلسکوپ فضایی هابل با عمر ۲۳ سال را تا سال ۲۰۱۸ و هم‌زمان با پرتاب شدن تلسکوپ فضایی جیمز وب تمدید کند. آلبرتو کونتی دانشمند دیگر پروژه جیمز وب می‌گوید این ماموریت فراتر از جستجوی صرف برای کشف حیات است، در این ماموریت برای کشف شواهدی از اولین ستاره جهان و اطلاعاتی درباره شکل‌گیری کهکشان‌ها و حیات نیز تلاش خواهد شد. به گفته وی این تلسکوپ یکی از اصلی‌ترین موانع برای بررسی فرایند شکل‌گیری سیاره‌ها، یعنی غبارهای فروسرخ را از سر راه اخترشناسان برخواهد داشت.