17 سال با هابل

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.

کد خبر: ۱۳۳۷۷۰

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 میلادی ، بزرگ ترین تلسکوپ های زمین در رصدخانه های مونت ویلسون و پالومار قرار داشتند، تلسکوپ هایی به قطر 2.5 متر و 5 متر که هر اخترشناسی آرزوی رصد با یکی از این ابزارها را داشت.
اما پیشرفت علم ، نیاز دانشمندان به رصدهای بیشتر را افزایش داده بود و تلسکوپ های موجود نه آن قدر بزرگ بودند که بتوانند اجرام دور دست را بخوبی رصد کنند و نه زمان کافی را برای رصد دراختیار داشتند. شرایط رصد نیازمند آسمانی صاف و تاریک بود، اما در بسیاری از شبها ماه درخشان مانع از رصد می شد. هوای ابری و طوفانی هم که جای خودش را داشت.
هزینه بالای ساخت رصدخانه های بزرگ تر به چندصد میلیون دلار می رسید و خیلی ها چنین سرمایه گذاری ای را با توجه به زمان اندک رصد، مقرون به صرفه نمی دانستند. اما از آن مهمتر، مشکلات اپتیکی جو بود. مشاهدات نشان می داد توان تفکیک تلسکوپ های 2.5 متری مونت ویلسون و 5 متری پالومار، یعنی کوچک ترین زاویه ای که می توان با تلسکوپ تشخیص داد، تفاوتی ندارد. درحالی که تلسکوپ بزرگ تر باید زاویه هایی به مراتب کوچک تر را تشخیص دهد. بررسی های بیشتر نشان داد اغتشاشات جوی زمین مانع از آن می شود که بتوان زوایایی کوچک تر از 0.0001 درجه را تشخیص داد. از سوی دیگر، جو برای تمام طول موج های نور شفاف نبود. پرتوهای پرانرژی گاما و ایکس از جو عبور نمی کردند. پرتوهای فرابنفش در لایه ازن به دام می افتادند.
پرتوهای نورمریی با کمی اغتشاش عبور می کردند. برخی طول موج های فروسرخ عبور می کردند و برخی دیگر در تشعشعات بخار آب جو محو می شدند و در نهایت بخشی از امواج رادیویی نیز از جو عبور نمی کرد. چنین محیطی مناسب رصدهای ایده آل دانشمندان نبود.
ایده وجود یک رصدخانه در فضا را نخستین بار هرمن اوبرت ، دانشمند آلمانی و از نظریه پردازان سفر به فضا در سال 1923 / 1302 پیشنهاد کرد. اما نخستین ایده عملی را اخترشناسی جوان به نام لیمان اسپیتزر در مقاله ای با عنوان مزایای نجومی یک رصدخانه در خارج زمین به سال 1946 / 1325 منتشر کرد. او نشان داد در خارج زمین محدودیت های اپتیکی جو وجود ندارد و می توان در تمام طول موج ها رصد کرد. همچنین به دلیل نبودن اغتشاشات جوی ، محدودیتی در توان تفکیک وجود ندارد و تنها عامل موثر، بزرگی آینه اصلی تلسکوپ است.
از سوی دیگر، چنین رصدخانه ای می تواند در تمام ساعات شبانه روز رصد کند؛ درحالی که رصدخانه های زمینی فقط می توانند شب هنگام فعالیت کنند، آن هم به شرطی که هوا ابری نباشد، ماه در آسمان نباشد و آلودگی نوری وجود نداشته باشد. بنابراین یک تلسکوپ فضایی به مراتب مقرون به صرفه تر از رصدخانه های زمینی است.

چگونه یک تلسکوپ فضایی ساخته می شود

اسپیتزر با انتشار این مقاله ، تلاشی همه جانبه را آغاز کرد تا طرح یک تلسکوپ فضایی را به تصویب برساند. در سال 1965 / 1344 ، وی به سمت ریاست کمیته ای منصوب شد که وظیفه داشت هدفهای علمی یک تلسکوپ بزرگ فضایی را تبیین کند. با موفقیت نخستین رصدخانه های فضایی ناسا در سالهای 1968 تا 1972 ، روند مطالعات تلسکوپ فضایی را سرعت بخشید. در سال 1975 / 1354 ، آژانس فضایی اروپا نیز به ناسا پیوست و طرح اولیه ای به ارزش 4 صدمیلیون دلار آماده شد. تلسکوپ فضایی دارای اپتیک بازتابی با آینه ای به قطر 3 متر و فاصله کانونی 57.6 متر بود و قرار شد در سال 1979 / 1358در مدار زمین قرار بگیرد.
طراحی ها نیز به نحوی انجام شد که این تلسکوپ هرچندوقت یک بار از سوی فضانوردان مورد بازبینی ، تعمیر و به روزرسانی قرار بگیرد.
از آنجایی که هیچ کس تجربه چنین طرح عظیمی را نداشت ، مشکلات فراوانی مانند کسر بودجه و عقب افتادن از برنامه بارها برنامه پرتاب را به تعویق انداخت. مشکل کسر بودجه ناسا را مجبور کرد تا در طرح اولیه خود تجدیدنظر کند: آینه اصلی 3 متری به 4.2 متر کاهش یافت ، ساخت آینه اصلی پشتیبان معلق شد، طرح آزمایش یک ماهواره مجهز به تلسکوپ 1.5 متری برای آزمایش عملکرد تلسکوپ فضایی لغو شد، بدنه تلسکوپ کوچک تر، سبک تر و فشرده تر طراحی شد و ساخت یکی از ابزارهای علمی همراه با سلولهای خورشیدی به آژانس فضایی اروپا محول شد تا به ازای اختصاص 15 درصد از زمان رصد هابل به رصدگران اروپایی ، بخشی از هزینه ها تامین شود. اما مشکلات فراوان سبب شد تلسکوپی که قرار بود در سال 1979 پرتاب شود، با 7سال تاخیر روبه رو شود و درنهایت برای پرتاب در مهر 1986 / 1365 آماده شود.
در این زمان نزدیک به یک میلیارد و 200 میلیون دلار هزینه شده بود، اما وقوع رویدادی ناخواسته همه معادلات را به هم زد. فضاپیمای رفت وبرگشت چلنجر با 7سرنشین ، 70 ثانیه پس از پرتاب برفراز مرکز فضایی کندی منفجر شد. ناسا برای بررسی ایمنی و مشکلات شاتل ، تمام برنامه های پرواز شاتل را برای 2 سال معلق کرد.

بدترین فاجعه ، بهترین راه حل

پس از چند هفته آزمودن سیستم های ناوبری تلسکوپ ، تنظیم ابزارهای علمی و اطمینان از سلامت و کارکرد درست ابزارها، کارشناسان چشمان هابل را به جهان بی انتها گشودند و در انتظار نخستین تصاویر ارسالی هابل نشستند. دانشمندان انتظار داشتند تصاویر تلسکوپ فضایی 10 برابر بهتر و شفاف تر از تصاویر تلسکوپ های زمینی باشد، اما تصاویر رسیده هر چند کیفیت بهتری از تصاویر زمینی داشت ، بوضوح 100 درصد نمی رسید. تصاویر ستارگان نقطه ای نبود و هاله ای پرنور اطراف آنها را فرا گرفته بود. شواهد نشان از آن داشت که آینه اصلی با دقت تراشیده نشده است.
بررسی های بیشتر نشان داد که لبه آینه 2.4 متری هابل به مقدار 2 میکرومتر (یک پنجاهم قطر موی انسان) صاف تر تراشیده شده بود و پرتوهای نور به جای این که در یک نقطه متمرکز شوند، در محدوده ای نزدیک به 0.003 درجه جمع می شدند. اما چرا چنین فاجعه ای در زمین تشخیص داده نشد؛ شاید پاسخ این پرسش خنده دار باشد: یکی از عدسی های دستگاه آزمایش گر سطح آینه به مقدار ناقابل 1.3 میلی متر جابجا شده بود و مشکل آینه اصلی را پنهان نگاه داشته بود.
راه حل پیشنهادی برای رفع این مشکل به یکی از موفق ترین و مشکل ترین ماموریت های فضایی منجر شد. 2 دستگاه جدید برای نصب در تلسکوپ فضایی هابل آماده شد، یکی سیستم اصلاح اپتیکی کاستار(COSTAR) که همانند یک عینک ، مشکل آینه اصلی را برطرف می کرد و دیگری ، دوربین زاویه باز و سیاره ای (WFPC2) که به دلیل موقعیتش در بدنه تلسکوپ ، نمی توانست از سیستم کاستار استفاده کند و درون آن سیستم اصلاح اپتیکی دیگری تعبیه شده است.
از سوی دیگر، گروهی حرفه ای از فضانوردان به مدت یک سال و نیم آموزش های ویژه ای را پشت سر گذاشتند تا با استفاده از یکصد ابزار، تلسکوپ فضایی هابل را تعمیر کنند. اولین ماموریت تعمیر هابل را شاتل اندیور در پاییز 1993 / 1372 انجام داد. فضانوردان ، نورسنج پرسرعت HSP را از هابل جدا کردند و اپتیک تصحیح کننده کاستار را جایگزین کردند. همچنین دوربین زاویه باز و سیاره ای با WFPC2 که تصحیح شده بود، جایگزین شد. تعدادی از ژیروسکوپ ها، سلولهای خورشیدی و قطعات الکترونیکی تلسکوپ نیز که طی سه سال حضور در فضا معیوب شده بودند، با نمونه های بهتر و به روزتر جایگزین شدند. این ماموریت که STS-61 نام گرفت ، 10 روز طول کشید و به یکی از موفق ترین سفرهای فضایی بشر تبدیل شد. چند هفته بعد، نخستین تصاویر سیستم جدید ارسال شد و همگان توانستند توانایی بی نظیر تلسکوپ فضایی هابل را که 10 برابر بهتر از تلسکوپ های زمینی است ، به چشم ببینند. از این تاریخ به بعد، دوران طلایی تلسکوپ فضایی هابل آغاز می شود

پس از آن که پروازهای فضایی شاتل در سال 1988 / 1367 دوباره از سر گرفته شد، پرتاب این تلسکوپ برای بهار 1990 / 1369 برنامه ریزی شد. اما نگهداری هابل به مدت 4 سال در یک اتاق تمیز، هزینه های فراوانی را متوجه ناسا کرده بود. کارشناسان مجبور شدند آینه اصلی تلسکوپ را که 4 سال خاک خورده بود، دوباره با فشار گاز نیتروژن تمیز کنند و به شرایط آرمانی برسانند.
بالاخره پس از هزینه کردن یک میلیارد دلار دیگر، تلسکوپ فضایی هابل آماده پرتاب شد و در 4اردیبهشت 1369 / 24 می 1990 ، شاتل فضایی دیسکاوری درحالی که تلسکوپ 2.5 میلیارد دلاری را با خود حمل می کرد، روانه مدار زمین شد. این ماموریت که STS-31 نام داشت ، می رفت تا تلاش 50 ساله اخترشناسان را به واقعیت تبدیل کند، اما...

طلایی ترین عصر اخترشناسی

به جرات می توان گفت کشفیات تلسکوپ فضایی هابل از زمستان 1994 / 1372 به این سو با دیگر کشفیات دانش اخترشناسی برابری می کند. ستون های آفرینش ، سحابی های سیاره نما، تصویر ژرف شمالی ، اندازه گیری ثابت هابل ، برخورد دنباله دار شومیکر لوی 9 با سیاره مشتری و بسیاری تصاویر بی نظیر دیگر، دستاورد دوربین زاویه باز و سیاره ای 2 است که با وضوح 2.4 مگاپیکسل ، 14 سال است مسوولیت عکسبرداری از جهان را عهده دار است.
ابزار دیگر، دوربین اجرام کم نور FOC بود که تا سال 1997 به فعالیت خود ادامه داد و وظیفه داشت کم نورترین اجرام ممکن را به تصویر بکشد. ابزار سوم ، طیف نگار وضوح بالای گذارد، GHRS بود که عملا چشمان فرابنفش هابل بود و وظیفه داشت با تجزیه پرتوهای فرابنفش رسیده از اجرام سماوی ، خصوصیات آنها را مانند دما، میدان مغناطیسی ، ترکیب شیمیایی ، سرعت حرکت و مانند اینها را بررسی کند. طیف نگار اجرام کم نور، FOS نیز دیگر ابزار علمی هابل بود که طیف نگاری اجرام دوردست را به عهده داشت.
در ماموریت تعمیر دوم ، STS-82 ، فضانوردان سوار بر شاتل دیسکاوری به تلسکوپ فضایی هابل رفتند و 2 ابزار جدید را جایگزین ابزارهای سابق کردند. دوربین و طیف نگار چندمنظوره فروسرخ ، NICMOS ، به جای FOS قرار گرفت و طیف نگار تصویربردار STISنیز جایگزین GHRS شد. همچنین تجهیزات ثبت اطلاعات هابل به روز شد و بدنه تلسکوپ نیز ترمیم شد. این ماموریت در بهمن 1997 / 1375 انجام شد.
مدت اندکی نگذشته بود که ژیروسکوپ های تلسکوپ فضایی دچار مشکل شد. ژیروسکوپ ، ابزار جهتیابی هر فضاپیمایی است و بدون آن جهتگیری ممکن نیست. در آذر 1999 / 1377 ، شاتل دیسکاوری برای یک ماموریت تعمیر اضطراری رهسپار تلسکوپ فضایی هابل شد و ژیروسکوپ ها را تعویض کرد. رایانه مرکزی تلسکوپ هم به Intel 486 ارتقا پیدا کرد و برخی قطعات الکترونیکی و بخشهایی از عایق حرارتی بدنه نیز تعمیر شدند.

در این سال ها هابل مرزهای ادراک مارا از جهانی که در آن زندگی می کنیم گسترش داده است

این ماموریت ، بخشی از ماموریت تعمیر سوم بود که تاثیر خاصی در ارتقای توان علمی این تلسکوپ نداشت.
اما چهارمین ملاقات شاتل های فضایی با هابل را شاتل کلمبیا در اسفند 2002 / 1380 انجام داد. در این ماموریت ، یکی از بهترین ابزارهای تصویربرداری نجومی روی هابل نصب شد، دوربین پیشرفته نقشه برداری ACS که با وضوح 18 مگاپیکسل ، 10 بار از دوربین قدیمی WFPC2 کارآیی بیشتری داشت.
در این ماموریت همچنین سلولهای خورشیدی جدید روی این تلسکوپ نصب شد که 30% انرژی بیشتری تولید می کرد و این امکان را فراهم می کرد تا هابل بدون توقف به فعالیت های علمی خود ادامه دهد. در این ماموریت ، طیف نگار FOS به زمین بازگردانده شد و با نصب یک خنک کننده جدید، دوربین نیکموس که چشم فروسرخ هابل محسوب می شد، دوباره به راه افتاد.
دوربین پیشرفته ACS ، یکی از بهترین فرصت ها را برای تصویربرداری از عالم تهیه کرد. این تلسکوپ در 10 درصد زمان فعالیت دوربین WFPC2 ، به همان نتایج می رسید. به عبارت دیگر، هابل از این پس می توانست 10 برابر اطلاعات بیشتری جمع آوری کند.
با نصب دوربین پیشرفته نقشه برداری ، توان علمی هابل از هر تلسکوپ دیگری فراتر رفت. اطلاعات ارسالی این تلسکوپ در هر روز به 10گیگابایت می رسد و با این حجم وسیع ، دهها سال طول می کشد تا اخترشناسان بتوانند آنها را تحلیل کنند. هابل تاکنون 30 ترابایت (سی هزار گیگابایت) اطلاعات جمع آوری کرده است که در قالب 800 هزار رصد و 500 هزار تصویر از 25 هزار جسم آسمانی تهیه شده است. تاکنون بیش از 7 هزار مقاله علمی از نتایج رصدهای این تلسکوپ فضایی تهیه شده است و به نظر می رسد، چند برابر این تعداد در سالیان آینده منتشر خواهد شد.

یافته های علمی هابل

تلسکوپ فضایی هابل تاکنون توانسته است پاسخ بسیاری از پرسش های قدیمی را فراهم کند و البته در کنار آن انبوهی از پرسشهای جدید را مطرح کند. هابل توانست با دقت 10 درصد، آهنگ انبساط عالم را اندازه گیری کند و نشان دهد که حدود 13 میلیارد و 700 میلیون سال از مهبانگ و آغاز عالم سپری شده است. تا پیش از این اندازه گیری ها با دقت بسیار پایین و حدود 50 درصد بود!توانایی منحصربه فرد تلسکوپ فضایی هابل در رصد اجرام دوردست ما را قادر ساخت دورترین ابرنواخترها را ببینیم و با اندازه گیری سرعت و فاصله شان ، تغییرات انبساط عالم را طی میلیاردها سال بررسی کنیم.
رصد این اجرام سماوی نشان داده است که تا حدود 5میلیارد سال پیش ، گرانش مواد عالم به قدری نیرومند بود که آهنگ انبساط عالم را کند کرده بود، اما از 5 میلیارد سال پیش به این سو، موجودی ناشناخته و بسیار پرانرژی ظهور یافته است که اثر گرانش را خنثی کرده و با قدرت تمام ، انبساط عالم را تندتر کرده است.
آشکارکردن ماهیت این موجود ناشناخته که به انرژی تاریک مشهور شده است ، یکی از مهمترین هدفهایی مطالعاتی تلسکوپ های بزرگ زمینی و فضایی آینده است.
تصاویر بسیار واضح و پرکیفیت هابل از مرکز کهکشان ها نشان داد که هسته یک کهکشان ، مکانی مناسب برای یافتن ابرسیاه چاله ها است . اما بی شک ارزشمندترین دستاورد هابل ، تصاویر ژرف شمالی در سال 1995 و فراژرف هابل در سال 2004است.
در سال 1995 ، هابل با استفاده از WFPC2 ، یازده روز به نقطه ای در صورت فلکی دب اکبر خیره ماند و توانست در محدوده ای مربع شکل که یک دهم قطر ماه بدر بود، نزدیک به یکهزار و 500 کهکشان دوردست را ثبت کند. در سال 2004 ، دوربین های ACS و NICMOS به مدت یک میلیون ثانیه (11 روز و نیم) به نقطه ای از صورت فلکی کوره خیره ماندند و توانستند در محدوده ای بسیار کوچک ، مربعی که اضلاع آن تنها یک دهم قطر ماه بدر است ، بیش از 10 هزار کهکشان دور و نزدیک را آشکار کند. دورترین این اجرام بیش از 13 میلیارد سال نوری با زمین فاصله دارد و پرتوهای رسیده از آن ، مربوط به زمانی است که چندصد میلیون سال از عمر عالم جوان نمی گذشت.