داستان تلسکوپ فضایی هابل؛ چشم تیزبین بشر در فضا

تلسکوپ فضایی هابل جزء معدود ابزارهای علمی است که نامش را می‌توان در کوچه و خیابان و از زبان مردم شنید. تلسکوپی که اخترشناسان با کمک داده‌هایش اکتشافات علمی فراوانی را انجام داده‌اند و از سوی دیگر مردم با دیدن تصاویر جذاب و رنگارنگش بارها مبهوت شده‌اند. تلسکوپی که به معنای واقعی در میان علاقه‌مندان علم نجوم یک ابزار دوست‌داشتنی است و روز ۵ اردیبهشت سال ۱۳۹۹ سی‌امین سالگرد پرتاب خود را پشت سر گذاشت.

از زمان اختراع تلسکوپ و استفاده از آن برای رصد آسمان توسط گالیله چیزی در حدود ۴۰۰ سال می‌گذرد. تلسکوپ‌ها در طول این چهار قرن پیشرفت‌های چشمگیری دشته‌اند. از زمانی که تنها آشکارساز پشت تلسکوپ‌های کوچک چشمان رصدگران بود تا زمانی که آرام‌ آرام صفحه‌های عکاسی اولین تصاویر اعماق آسمان را ثبت کردند. و اکنون که حسگرهای دیجیتال در کنار طیف‌سنج‌ها و ابزارهای متنوع دیگر به کاوش کیهان مشغول هستند.

تصویر شگفت‌انگیز تلسکوپ هابل از کهکشان گرداب.
Credit: NASA, ESA, S. Beckwith (STScI), and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

در میان تمام این پیشرفت‌ها ساخت و ارسال تلسکوپ فضایی هابل به فضا گامی بلند و چشمگیر بود. در واقع هابل اولین تلسکوپ نور مرئی بزرگی بود که در فضا قرار گرفت. پرتاب این تلسکوپ به فضا و رصدهای آن از آسمان دستاوردهای بسیار زیادی داشت، به طوری که می‌توان آن را با دستاوردهای انقلابی رصدهای گالیله با تلسکوپ کوچکش مقایسه کرد.

ادوین هابل نگاه بشر به عالم را تغییر می‌دهد

در دهه ۱۹۲۰ میلادی ادوین هابل، یکی از مهم‌ترین اخترشناسان تاریخ، با رصدهای خود نگاه بشر به عالم را تغییر داد. او در ابتدا با رصد کهکشان آندرومدا و بررسی فاصله آن از ما متوجه شد آندرومدا یک کهکشان مستقل از راه شیری است. باور عمومی در آن زمان این بود که راه شیری تنها کهکشان عالم است، اما هابل نشان داد که کهکشان ما تنها یکی از کهکشان‌های پرشمار عالم است که همچون جزیره‌هایی در کیهان پخش شده‌اند.

هابل با ادامه رصدهای خود به این نکته پی برد که بیشتر کهکشان‌ها در حال دور شدن از یک‌دیگر هستند و به عبارتی عالم در حال انبساط است. در واقع بخش مهمی از درک فعلی ما از عالم با رصدهای ادوین هابل شکل گرفت. اخترشناسی که به حق تلسکوپ فضایی هابل به افتخار او نام‌گذاری شد.

تلسکوپ‌های زمینی در مقابل تلسکوپ‌های فضایی

در حال حاضر و حتی از سال‌ها قبل تلسکوپ‌های بزرگ زیادی از روی زمین مشغول رصد آسمان بودند و هستند. تلسکوپ‌هایی که قطر آینه بسیاری از آن‌ها بزرگ‌تر از آینه ۲/۴ متری تلسکوپ هابل است. اما مانعی بزرگ در سر راه تلسکوپ‌های زمینی وجود دارد که اجازه انجام رصدهای بسیار دقیق را به آن‌ها نمی‌دهد.

کمان راه شیری بر فراز مجموعه تلسکوپ‌های رصدخانه پارانال در شیلی. قطر آینه اصلی این تلسکوپ‌ها حدود هشت متر است.
Credit: M. Claro/ESO

این مانع چیزی نیست جز جو زمین. آشفتگی‌های جو زمین دلیل چشمک زدن ستاره‌ها و عاملی مزاحم برای انجام رصدهای دقیق با تلسکوپ‌های زمینی است. جو زمین اجازه رسیدن برخی از طول موج‌های نور را نمی‌دهد و رصد آسمان در طول موج‌های فروسرخ، فرابنفش، پرتو ایکس و گاما از روی زمین سخت و یا غیرممکن است. آشفتگی‌های جو رصد دقیق آسمان با تلسکوپ‌های مرئی زمینی را هم با مشکلاتی مواجه می‌کند.

اخترشناسان در سال‌های اخیر توانسته‌اند با استفاده از فناوری‌هایی مثل اپتیک سازگارپذیر و همچنین روش‌های نوین پردازش تصویر اثر مخرب جو روی رصدهای نجومی در نور مرئی را کم کنند. اما کماکان برای رصد بسیاری از طول موج‌ها راهی جز قرار دادن تلسکوپ در ورای جو زمین نیست. تلسکوپ‌های مرئی نیز در مدار زمین و بالاتر از جو عملکرد بهتری از خود نشان می‌دهند.

اولین ایده‌ها برای ارسال تلسکوپ به فضا

در سال ۱۹۲۳ Hermann Oberth، دانشمند آلمانی، در کتاب خود با عنوان «موشک در فضای سیاره‌ای» به چگونگی قرار دادن یک تلسکوپ در مدار زمین توسط موشک اشاره کرد. در سال ۱۹۴۶ نیز Lyman Spitzer، اخترفیزیک‌دان دانشگاه پرینستون، در مقاله‌ای مزایای قرار دادن تلسکوپ در فضا را بررسی کرد.

در نهایت و با آغاز عصر فضا در سال ۱۹۵۷ و پرتاب ماهواره اسپوتنیک شوروی برخی از ایده‌های اولیه مربوط به فعالیت‌های فضایی رنگ واقعیت به خود گرفت.

مدلی از ماهواره اسپوتنیک، اولین ماهواره‌ای که در مدار زمین قرار گرفت.

در دوران ابتدایی عصر فضا ناسا دو تلسکوپ فضایی با نام «رصدخانه‌های نجومی مداری» یا OAOs را به مدار زمین ارسال کرد. تلسکوپ‌هایی که توانستند رصدهایی را در طول موج فرابنفش انجام دهند. انجام این ماموریت‌ها همچنین باعث شد متخصصان این حوزه تجارب ارزشمندی را در زمینه ارسال تلسکوپ به فضا کسب کنند.

اما برنامه‌های دانشمندان، دولت و گروه‌های صنعتی برای ساخت تلسکوپی بزرگ‌تر ادامه پیدا کرد. اسپیتزر با جلب حمایت جامعه اخترشناسان این برنامه را به خواسته‌ای عمومی در جامعه علمی تبدیل کرد. تا این که در سال ۱۹۶۹ آکادمی ملی علوم آمریکا پروژه تلسکوپ فضایی بزرگ یا LST را تایید کرد و این طرح با دقت بیشتری مورد بررسی قرار گرفت.

اما این اتفاق تقریبا با قدم گذاشتن نیل آرمسترانگ بر سطح ماه در ماموریت آپولو ۱۱ همزمان بود. پس از پروژه موفق آپولو به مرور بودجه ناسا کاهش پیدا کرد. افرادی که مشغول طراحی و برنامه‌ریزی پروژه LST بودند نیز مجبور به تغییراتی در طرح اولیه شدند که از میان آن‌ها می‌توان به کاهش قطر آینه اصلی از ۱۲۰ اینچ به ۹۴ اینچ و همچنین کاهش تعداد ابزارهای علمی تلسکوپ اشاره کرد.

ورود شاتل‌های فضایی به ماجرا

پس از برنامه آپولو برنامه‌های ناسا برای طراحی و ساخت وسیله‌ای برای سفر به مدار زمین آغاز شد. هدف طراحی یک فضاپیما بود که به مدار زمین برود، روی زمین فرود بیاید و قابلیت استفاده مجدد را داشته باشد. به این ترتیب ایده شاتل‌های فضایی شکل گرفت.

پرتاب شاتل فضایی. بخش سرنشین‌دار شاتل پس از انجام ماموریت مانند هواپیما روی زمین فرود می‌آمد.

به این ترتیب با کمک این فضاپیمای جدید امکان قرار دادن تلسکوپ فضایی بزرگ در مدار زمین فراهم شد.

در ابتدا ناسا پیشنهاد داد که تلسکوپ فضایی به مدت ۱۵ سال فعالیت کند. امکان تعویض و یا تعمیر تجهیزات در مدار زمین نیز در نظر گرفته شده بود.

در ادامه انتخاب ابزارهای مناسب برای تلسکوپ فضایی نیز اهمیت زیادی داشت. متخصصان باید تعادلی بین تعداد، کیفیت و قیمت تمام‌شده هر ابزار ایجاد می‌کردند.

با جدی‌تر شدن ماجرا آژانس فضایی اروپا (ESA)‌ نیز در سال ۱۹۷۵ وارد پروژه شد و همکاری خود را با ناسا آغاز کرد. آژانس فضایی اروپا تامین ۱۵ درصد بودجه پروژه را بر عهده گرفت و مسئولیت ساخت چند ابزار را نیز قبول کرد. ناسا نیز در مقابل تضمین داد که حداقل ۱۵ درصد وقت تلسکوپ فضایی به اخترشناسان اروپایی اختصاص یابد.

در نهایت با تایید کنگره آمریکا در سال ۱۹۷۷ بودجه مورد نیاز برای ساخت یکی از مهم‌ترین ابزارهای علمی تاریخ به ناسا اختصاص داده شد.

تلسکوپ فضایی هابل متولد می‌شود

مراحل طراحی و ساخت تلسکوپ و ابزارهای مختلف آن به خوبی پیش می‌رفت. تلسکوپ فضایی بزرگ در نهایت تلسکوپ فضایی هابل (HST) نام گرفت و در سال ۱۹۸۵ آماده پرتاب بود.

فاجعه شاتل چلنجر اما همه چیز را به هم ریخت. شاتل فضایی چلنجر در سال ۱۹۸۶ منفجر شد و هر هفت فضانورد درون آن جان باختند. پس از این حادثه ناسا مجبور شد پرتاب شاتل‌های فضایی را به مدت دو سال متوقف کند. تیم تلسکوپ فضایی هابل اما از این زمان تا حد امکان بهره برد و برخی از ابزارها را ارتقاء داد.

لحظه انفجار شاتل چلنجر.

در نهایت و پس از ده‌ها سال ایده‌پردازی، تامین بودجه، طراحی و ساخت ابزارهای مختلف تلسکوپ فضایی هابل در ۲۴ آوریل سال ۱۹۹۰ با شاتل دیسکاوری به فضا پرتاب شد.

خطای آینه تلسکوپ فضایی هابل

ماجرا اما بی‌نقص و عالی پیش نرفت. پس از دریافت اولین تصاویر تلسکوپ هابل دانشمندان متوجه مشکلی اپتیکی در تلسکوپ شدند. ستاره‌ها در تصاویر هابل به صورت نقطه‌ای و واضح ثبت نشده بودند.

پس از بررسی‌های بیشتر مشخص شد لبه‌های آینه اصلی تلسکوپ هابل به اندازه کسری از ضخامت تار موی انسان تخت‌تر از حالت ایده‌آل است. مشکلی که اجازه فوکوس دقیق ستاره‌ها روی یک نقطه را نمی‌داد. این مشکل به دلیل خطای یکی از ابزارهای تست آینه اتفاق افتاده بود.

مهندسان طراحی هابل را به گونه‌ای انجام داده بودند که ابزار جایگزین برای بسیاری از ابزارهای آن وجود داشت. اما آینه اصلی چیزی نبود که جایگزینی برای آن وجود داشته باشد. اما همان‌طور که اشاره شد در زمان طراحی امکان تعمیر و تعویض ابزارهای هابل در مدار در نظر گرفته شده بود.

تصویر تلسکوپ هابل از کهکشان M100 قبل (تصویر سمت چپ) و بعد از اولین ماموریت تعمیر این تلسکوپ.
Credit: NASA

در نهایت متخصصان اپتیک توانستند با طراحی اپتیکی اصلاح‌کننده مشکل آینه اصلی را حل کنند. ماموریتی برای تعمیر تلسکوپ هابل در مدار زمین طراحی شد تا این ابزار اصلاح‌کننده و تعدادی ابزار دیگر روی تلسکوپ هابل نصب شوند.

ماموریت‌های تعمیر تلسکوپ فضایی هابل

همان‌طور که اشاره شد تلسکوپ هابل از ابتدا به گونه‌ای طراحی شده بود که امکان تعمیر آن توسط فضانوردان، در مدار زمین، وجود داشته باشد. قابلیتی که این امکان را به تیم ماموریت داد تا بین سال‌های ۱۹۹۳ تا ۲۰۰۹ در مجموع پنج بار ابزارهای تلسکوپ فضایی را تعمیر و یا تعویض کند.

فضانوردان در حال تعمیر تلسکوپ فضایی هابل.
Credit: NASA/ESA

اولین ماموریت تعمیر تلسکوپ هابل در اواخر سال ۱۹۹۳ انجام شد. در این ماموریت ابزارهای جدیدی روی تلسکوپ فضایی هابل نصب شد که مشکل آینه اولیه تلسکوپ نیز با استفاده از آن‌ها برطرف می‌شد.

پس از اولین ماموریت تعمیر تلسکوپ هابل در مجموع چهار ماموریت دیگر با هدف نصب ابزارهای جدید و حل مشکلات تلسکوپ و ابزارهای مختلف آن انجام شد. ماموریت‌هایی که توان تلسکوپ هابل را بیشتر از گذشته کردند و از سوی دیگر باعث افزایش طول عمر این تلسکوپ فضایی ارزشمند شدند. هر کدام از ماموریت‌های تعمیر تلسکوپ هابل برای موفقیت و افزایش طول عمر این تلسکوپ ضروری بودند. ابزارهای جدید نصب شده روی تلسکوپ هابل نیز کیفیت داده‌های آن را افزایش دادند و منجر به برخی از مهم‌ترین اکتشافات علمی این تلسکوپ شدند.

تلسکوپ هابل، کماکان در اوج

طول عمر تلسکوپ هابل در ابتدا ۱۵ سال در نظر گرفته شده بود. امروز اما این تلسکوپ ۳۰امین سالروز پرتاب را پشت سر گذاشت. در این سال‌ها هابل حدود ۱/۴ میلیون بار سوژه‌های مختلف آسمانی، از سیارات منظومه شمسی تا کهکشان‌هایی با میلیاردها سال نوری فاصله، را رصد کرده است. رصدهایی که نتایج آن‌ها در بیش از ۱۷ هزار مقاله علمی منتشر شده است.

در حال حاضر هیچ برنامه‌ای برای انجام ماموریت تعمیر تلسکوپ هابل وجود ندارد. با این حال تیم تلسکوپ هابل کماکان در تلاش است تا با به‌کارگیری روش‌های جدید و نوین تا حد امکان از ظرفیت‌های این تلسکوپ پا به سن گذاشته استفاده کند.

تلسکوپ فضایی هابل نقش بسیار مهمی در درک کنونی ما از عالم داشته است. از مباحث مربوط به شکل‌گیری کهکشان‌ها و ساختارشان تا بررسی فرآیند تولد ستاره‌های جدید، از بررسی ترکیبات سیارات فراخورشیدی تا رصد سیارات منظومه شمسی و حتی تلاش برای حل معمای انرژی تاریک و ماده تاریک.

تلسکوپ دوست‌داشتنی هابل در طول ۳۰ سال فعالیتش درک ما را از عالم تغییر داده و کماکان جلوه‌های جدیدی از کیهان را برای‌مان آشکار می‌کند.

تلسکوپی که اکنون ۳۰ سال از آغاز فعالیتش گذشته، اما هیچ کس خواستار بازنشسته شدن آن نیست.

منبع:‌ NASA