تلسکوپ هابل | هر آنچه نیاز است بدانید

تلسکوپ فضایی هابل، یکی از برجسته‌ترین دستاوردهای علمی قرن بیستم، از زمان پرتاب خود در سال 1990، درک ما از کیهان را به‌طور اساسی تغییر داده است. این تلسکوپ با توانایی ثبت تصاویر بی‌نظیر از کهکشان‌های دوردست، سحابی‌ها و پدیده‌های کیهانی، به ابزاری کلیدی برای ستاره‌شناسان تبدیل شده است. هابل نه‌تنها اکتشافات علمی شگفت‌انگیزی را ممکن کرده، بلکه با تصاویر خیره‌کننده‌اش، تخیل عموم مردم را نیز به خود جلب کرده است. سایت ابرار صنعتی به بررسی جنبه‌های مختلف تلسکوپ هابل، از طراحی و ساخت تا اکتشافات علمی و نقش آن در پیشرفت دانش کیهان‌شناسی می‌پردازد.

مشخصات کامل تلسکوپ هابل

تلسکوپ فضایی هابل یک رصدخانه فضایی است که در مدار نزدیک زمین (Low Earth Orbit) در ارتفاع حدود 547 کیلومتری قرار دارد. این تلسکوپ با وزن تقریبی 11,110 کیلوگرم و طول 13.2 متر، به اندازه یک اتوبوس مدرسه است. هابل مجهز به یک آینه اولیه با قطر 2.4 متر است که نور را جمع‌آوری کرده و به ابزارهای علمی هدایت می‌کند. انرژی آن از طریق دو صفحه خورشیدی تأمین می‌شود که حدود 2,800 وات برق تولید می‌کنند. هابل می‌تواند در طیف‌های مرئی، فرابنفش و نزدیک به مادون قرمز رصد کند، که این توانایی آن را از تلسکوپ‌های زمینی متمایز می‌کند. این تلسکوپ از زمان پرتاب تاکنون بیش از 1.5 میلیون رصد انجام داده و داده‌های آن در بیش از 18,000 مقاله علمی استفاده شده است.

طراحی و ساخت تلسکوپ هابل

طراحی تلسکوپ هابل نتیجه دهه‌ها برنامه‌ریزی و همکاری بین ناسا، آژانس فضایی اروپا (ESA) و پیمانکاران صنعتی بود. ایده اولیه در دهه 1940 توسط لیمان اسپیتزر مطرح شد، اما پروژه به‌طور رسمی در دهه 1970 آغاز شد. شرکت لاکهید مارتین مسئولیت ساخت بدنه اصلی و مونتاژ نهایی را بر عهده داشت، در حالی که شرکت پرکین-المر آینه‌ها و سیستم‌های اپتیکی را طراحی کرد. هابل به‌گونه‌ای طراحی شد که قابل سرویس‌دهی در فضا باشد، با اجزای مدولار که فضانوردان بتوانند آن‌ها را تعویض یا ارتقا دهند. این طراحی منحصربه‌فرد امکان تعمیر و بهبود عملکرد هابل را در طول سه دهه فراهم کرد. ساخت هابل با چالش‌های فنی و بودجه‌ای متعددی همراه بود و هزینه نهایی آن به حدود 2.5 میلیارد دلار در زمان پرتاب رسید.

مشخصات فنی

تلسکوپ هابل از یک سیستم اپتیکی ریتچی-کرتین استفاده می‌کند که شامل یک آینه اولیه 2.4 متری و یک آینه ثانویه است. این سیستم نور را متمرکز کرده و به ابزارهای علمی مانند دوربین‌ها و طیف‌سنج‌ها هدایت می‌کند. میدان دید هابل بسیار کوچک است (حدود 0.05 ثانیه قوسی)، اما وضوح تصاویر آن 10 برابر بهتر از تلسکوپ‌های زمینی در زمان پرتاب بود. هابل با سرعت 7.5 کیلومتر بر ثانیه در مدار زمین می‌چرخد و هر 95 دقیقه یک دور کامل می‌زند. سیستم‌های کنترلی آن، شامل ژیروسکوپ‌ها و حسگرهای ستاره‌ای، دقت نشانه‌گیری را تا 0.007 ثانیه قوسی حفظ می‌کنند. باتری‌های نیکل-هیدروژنی هابل انرژی را در زمان عبور از سایه زمین تأمین می‌کنند.

چرا هابل در مدار زمین قرار گرفت؟

قرار گرفتن هابل در مدار زمین به دلایل علمی و عملی انجام شد. برخلاف تلسکوپ‌های زمینی، هابل از تأثیرات اتمسفر زمین، مانند پراکندگی نور و جذب امواج فرابنفش، در امان است. این موقعیت به هابل امکان می‌دهد تصاویر واضح‌تر و داده‌های دقیق‌تری در طیف‌های مختلف جمع‌آوری کند. علاوه بر این، قرار گرفتن در فضا به هابل اجازه می‌دهد به‌صورت مداوم و بدون محدودیت‌های ناشی از چرخه روز و شب یا شرایط جوی رصد کند. مدار نزدیک زمین همچنین امکان سرویس‌دهی توسط فضانوردان را فراهم کرد، که این ویژگی هابل را از دیگر تلسکوپ‌های فضایی متمایز می‌کند. انتخاب مدار 547 کیلومتری نتیجه تعادل بین دسترسی فضانوردان و کاهش اثرات جو زمین بود.

آینه اولیه هابل و چالش انحراف نوری

یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های تلسکوپ هابل پس از پرتاب، کشف نقص در آینه اولیه بود. آینه 2.4 متری، که توسط پرکین-المر ساخته شده بود، به دلیل خطای تولید به میزان 2.2 میکرومتر انحراف کروی داشت. این نقص باعث می‌شد تصاویر تار شوند و کیفیت علمی هابل به خطر بیفتد. مشکل در سال 1990 شناسایی شد و ناسا با طراحی سیستم اپتیکی اصلاحی به نام COSTAR (Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement) آن را برطرف کرد. COSTAR در مأموریت سرویس‌دهی 1993 نصب شد و با افزودن آینه‌های کوچک اصلاحی، مشکل انحراف نوری را جبران کرد. این تجربه درس‌های مهمی در مورد کنترل کیفیت و آزمایش‌های پیش از پرتاب به ناسا آموخت.

مأموریت‌های سرویس‌دهی فضانوردان به هابل

هابل به‌گونه‌ای طراحی شده بود که فضانوردان بتوانند آن را در فضا تعمیر و ارتقا دهند. بین سال‌های 1993 تا 2009، پنج مأموریت سرویس‌دهی توسط شاتل‌های فضایی انجام شد. اولین مأموریت در سال 1993 نقص آینه را برطرف کرد و ابزارهای جدیدی مانند دوربین پیشرفته نقشه‌برداری (ACS) نصب شدند. مأموریت‌های بعدی شامل تعویض ژیروسکوپ‌ها، باتری‌ها، صفحه‌های خورشیدی و نصب ابزارهای پیشرفته‌تر مانند دوربین میدان وسیع 3 (WFC3) بودند. آخرین مأموریت در سال 2009 هابل را به اوج عملکردش رساند.

دوربین‌ها و ابزارهای علمی نصب‌شده روی تلسکوپ هابل

تلسکوپ هابل مجهز به مجموعه‌ای از ابزارهای علمی است که برای رصدهای مختلف طراحی شده‌اند. دوربین پیشرفته نقشه‌برداری (ACS) برای ثبت تصاویر با میدان وسیع در طیف مرئی استفاده می‌شود و نقش کلیدی در پروژه‌های رصدی عمیق داشته است. دوربین میدان وسیع 3 (WFC3) قابلیت رصد در طیف‌های مرئی، فرابنفش و مادون قرمز را دارد و برای مطالعه کهکشان‌های دوردست و ستارگان مناسب است. طیف‌سنج تصویربرداری تلسکوپ فضایی (STIS) برای تحلیل ترکیب شیمیایی ستارگان و کهکشان‌ها به کار می‌رود. حسگرهای هدایت دقیق (FGS) نیز برای اندازه‌گیری دقیق موقعیت ستارگان استفاده می‌شوند. این ابزارها با تعویض و ارتقا در مأموریت‌های سرویس‌دهی، هابل را به یک رصدخانه چندمنظوره تبدیل کرده‌اند.

تلسکوپ هابل و جیمز وب: رقابت یا مکمل؟

تلسکوپ جیمز وب (JWST)، که در سال 2021 پرتاب شد، گاهی به‌عنوان جانشین تلسکوپ هابل معرفی می‌شود، اما در واقع مکمل آن است. هابل عمدتاً در طیف مرئی و فرابنفش رصد می‌کند، در حالی که جیمز وب برای طیف مادون قرمز طراحی شده است، که برای مطالعه کهکشان‌های اولیه و ستارگان در حال تشکیل مناسب‌تر است. آینه جیمز وب (6.5 متر) بزرگ‌تر از هابل است و در فاصله 1.5 میلیون کیلومتری زمین قرار دارد، که رصدهای سردتر و عمیق‌تری را ممکن می‌کند. با این حال، هابل همچنان برای رصدهای مرئی و فرابنفش ارزشمند است و داده‌های آن مکمل اکتشافات جیمز وب هستند. این دو تلسکوپ با همکاری، درک جامع‌تری از کیهان ارائه می‌دهند.

کشف کهکشان‌های دوردست با کمک هابل

هابل با پروژه‌هایی مانند میدان عمیق هابل (HDF) و میدان فوق‌عمیق هابل (HUDF) کهکشان‌های دوردستی را کشف کرد که نور آن‌ها میلیاردها سال پیش ساطع شده بود. این تصاویر، که از مناطق به‌ظاهر خالی آسمان گرفته شدند، هزاران کهکشان را در مراحل اولیه تشکیل نشان دادند. هابل با توانایی رصد در اعماق کیهان، به ستاره‌شناسان کمک کرد تا تکامل کهکشان‌ها و فرآیند تشکیل آن‌ها را مطالعه کنند. این اکتشافات نشان دادند که کهکشان‌ها در طول زمان از طریق ادغام و تعاملات رشد کرده‌اند، و درک ما از تاریخ کیهانی را متحول کردند.

نقش هابل در تعیین سن کیهان

تلسکوپ هابل نقش مهمی در تخمین سن کیهان ایفا کرد. با اندازه‌گیری ثابت هابل (نرخ انبساط جهان) از طریق رصد متغیرهای قیفاووسی در کهکشان‌های نزدیک، ستاره‌شناسان توانستند سن کیهان را حدود 13.8 میلیارد سال تخمین بزنند. هابل با استفاده از دوربین‌های پیشرفته و طیف‌سنج‌های خود، فاصله کهکشان‌ها را با دقت بالایی محاسبه کرد. این داده‌ها به تأیید مدل‌های کیهان‌شناسی و اصلاح محاسبات قبلی کمک کردند. دقت هابل در این اندازه‌گیری‌ها به کاهش عدم قطعیت در سن کیهان منجر شد و پایه‌ای برای مطالعات بعدی فراهم کرد.

کشف شواهد انبساط شتاب‌دار جهان

یکی از مهم‌ترین اکتشافات هابل، شناسایی انبساط شتاب‌دار جهان بود. در اواخر دهه 1990، رصدهای هابل از ابرنواخترهای نوع Ia نشان داد که کهکشان‌های دوردست با سرعت بیشتری از ما دور می‌شوند، برخلاف انتظار کاهش سرعت انبساط. این کشف، که به وجود انرژی تاریک نسبت داده شد، جایزه نوبل فیزیک 2011 را برای تیم‌های تحقیقاتی به ارمغان آورد. هابل با ارائه داده‌های دقیق از فاصله و سرعت کهکشان‌ها، نقش کلیدی در تأیید این پدیده داشت و درک ما از ساختار و آینده کیهان را تغییر داد.

بررسی سیارات فراخورشیدی با کمک هابل

هابل در مطالعه سیارات فراخورشیدی (سیارات خارج از منظومه شمسی) نیز تأثیرگذار بوده است. با استفاده از طیف‌سنج STIS، هابل اتمسفر سیارات فراخورشیدی را تحلیل کرد و عناصری مانند سدیم و آب را در آن‌ها شناسایی نمود. این رصدها به روش گذر (Transit Method) انجام شدند، که در آن کاهش نور ستاره هنگام عبور سیاره اندازه‌گیری می‌شود. هابل همچنین اولین تصاویر مستقیم از سیارات فراخورشیدی را ثبت کرد. این داده‌ها به ستاره‌شناسان کمک کردند تا ویژگی‌های اتمسفری و امکان وجود حیات در این سیارات را بررسی کنند.

تصاویر معروف هابل از سحابی عقاب و سحابی حلقه

تصاویر تلسکوپ هابل از سحابی عقاب (M16) و سحابی حلقه (M57) از مشهورترین دستاوردهای بصری این تلسکوپ هستند. تصویر ستون‌های آفرینش در سحابی عقاب، که در سال 1995 ثبت شد، ستون‌های گازی عظیمی را نشان می‌دهد که در آن ستارگان جدید متولد می‌شوند. این تصویر به دلیل جزئیات خیره‌کننده و زیبایی بصری، به نمادی از توانایی‌های هابل تبدیل شد. سحابی حلقه، یک سحابی سیاره‌نما، با حلقه درخشان و ساختار متقارن خود، نمونه‌ای از مرگ ستارگان خورشیدمانند را به نمایش می‌گذارد. این تصاویر نه‌تنها ارزش علمی دارند، بلکه الهام‌بخش عموم مردم بوده‌اند.

نقش هابل در مطالعه ماده تاریک

هابل در مطالعه ماده تاریک، که حدود 27 درصد از جرم کیهان را تشکیل می‌دهد، نقش مهمی داشته است. با استفاده از اثر عدسی گرانشی، که در آن نور کهکشان‌های دوردست توسط جرم ماده تاریک خمیده می‌شود، هابل نقشه‌های توزیع ماده تاریک در خوشه‌های کهکشانی را تولید کرد. این رصدها به تأیید وجود ماده تاریک و درک تأثیر آن بر تشکیل کهکشان‌ها کمک کردند. هابل همچنین با تحلیل حرکت کهکشان‌ها در خوشه‌ها، شواهد غیرمستقیمی از جرم ماده تاریک ارائه داد. این مطالعات درک ما از ساختار کیهانی را عمیق‌تر کردند.

هابل و کشف خوشه‌های کهکشانی عظیم

هابل با رصد خوشه‌های کهکشانی عظیم، که شامل صدها یا هزاران کهکشان هستند، اطلاعات ارزشمندی درباره تکامل کیهان ارائه داد. پروژه‌هایی مانند CLASH (Cluster Lensing and Supernova Survey with Hubble) از عدسی گرانشی برای مطالعه خوشه‌های دوردست استفاده کردند. هابل با ثبت تصاویر دقیق از این خوشه‌ها، به شناسایی کهکشان‌های اولیه و بررسی تأثیر ماده تاریک و انرژی تاریک بر آن‌ها کمک کرد. این رصدها نقش خوشه‌ها در تشکیل ساختارهای بزرگ‌مقیاس کیهان را روشن کردند و داده‌های مهمی برای مدل‌های کیهان‌شناسی فراهم نمودند.

همکاری بین‌المللی در پروژه تلسکوپ هابل

پروژه هابل نتیجه همکاری بین‌المللی بین ناسا، آژانس فضایی اروپا (ESA) و مؤسسات علمی متعدد بود. ناسا مسئولیت اصلی طراحی، ساخت و پرتاب را بر عهده داشت، در حالی که ESA حدود 15 درصد از بودجه را تأمین کرد و ابزارهایی مانند دوربین میدان وسیع و سیاره‌ای (WFPC) را ارائه داد. کانادا نیز با ارائه بازوی رباتیک شاتل فضایی در مأموریت‌های سرویس‌دهی مشارکت داشت. مؤسسه علمی تلسکوپ فضایی (STScI) در بالتیمور مدیریت علمی تلسکوپ هابل را بر عهده دارد. این همکاری بین‌المللی نه‌تنها هزینه‌ها را تقسیم کرد، بلکه تخصص‌های متنوعی را برای موفقیت پروژه گرد هم آورد.

مقایسه هابل با تلسکوپ‌های زمینی

هابل نسبت به تلسکوپ‌های زمینی مزایای قابل‌توجهی دارد. نبود اتمسفر در مدار زمین به هابل امکان می‌دهد تصاویر واضح‌تری بدون پراکندگی نور ثبت کند و در طیف فرابنفش رصد کند، که تلسکوپ‌های زمینی قادر به انجام آن نیستند. با این حال، تلسکوپ‌های زمینی مانند VLT در شیلی یا تلسکوپ کک در هاوایی، با آینه‌های بزرگ‌تر (تا 8 متر)، می‌توانند نور بیشتری جمع‌آوری کنند. فناوری اپتیک تطبیقی در تلسکوپ‌های زمینی اثرات اتمسفری را کاهش داده و رقابت را نزدیک‌تر کرده است. با این حال، هابل همچنان برای رصدهای فرابنفش و پروژه‌های عمیق کیهانی بی‌رقیب است.

نحوه انتقال داده‌های هابل به زمین

تلسکوپ هابل داده‌های خود را از طریق سیستم رله ماهواره‌ای (TDRS) ناسا به زمین منتقل می‌کند. تصاویر و داده‌های علمی ابتدا در حافظه داخلی هابل ذخیره می‌شوند و سپس از طریق آنتن‌های فرکانس بالا به ماهواره‌های TDRS ارسال می‌گردند. این ماهواره‌ها داده‌ها را به ایستگاه زمینی در نیومکزیکو منتقل می‌کنند، از آنجا به مرکز پرواز فضایی گادارد و سپس به STScI فرستاده می‌شوند. این فرآیند تقریباً بلادرنگ است، اما گاهی داده‌ها با تأخیر پردازش می‌شوند. تلسکوپ هابل روزانه حدود 140 گیگابایت داده تولید می‌کند که پس از پردازش در دسترس ستاره‌شناسان و عموم قرار می‌گیرد.

منبع: ابرار صنعتی