تلسکوپ هابل

تصویر پس زمینه را شاتل فضایی آتلانتیس در مسیر حرکت خود در سال 2009 و در آخرین ماموریت هابل ثبت کرده است.

تاریخچه تلسکوپ هابل

تلسکوپ فضایی هابل یک تلسکوپ فضایی است که در سال 1990 به مدار پایین زمین پرتاب شد و همچنان فعال است. این اولین تلسکوپ فضایی نبود، اما یکی از بزرگ‌ترین و همه کاره‌ترین تلسکوپ‌ها است که هم به‌عنوان ابزار تحقیقاتی حیاتی و هم به‌عنوان یک موهبت روابط عمومی برای نجوم شناخته می‌شود.

تلسکوپ هابل به افتخار ستاره شناس ادوین هابل نامگذاری شده است و یکی از رصدخانه های بزرگ ناسا درکنار رصدخانه پرتو گامای کامپتون (1991-2000)، رصدخانه پرتو ایکس چاندرا (1999-اکنون) و تلسکوپ فضایی اسپیتزر (2003-2003) است. موسسه علمی تلسکوپ فضایی (STScI) اهداف هابل را انتخاب می کند و داده های حاصل را پردازش می کند، در حالی که مرکز پرواز فضایی گدارد (GSFC) فضاپیما را کنترل می کند.

تلسکوپ‌های فضایی در اوایل سال 1923 پیشنهاد شدند.
هابل در دهه 1970 توسط آژانس فضایی ایالات متحده ناسا با کمک آژانس فضایی اروپا ساخته شد. راه اندازی مورد نظر آن در سال 1983 بود، اما پروژه با تاخیرهای فنی، مشکلات بودجه و فاجعه چلنجر در سال 1986 مواجه شد. هابل سرانجام در سال 1990 به فضا پرتاب شد، اما آینه اصلی آن به اشتباه زمین خورده بود که منجر به انحراف کروی شد که توانایی های تلسکوپ را به خطر انداخت. اپتیک ها با یک ماموریت خدماتی در سال 1993 به کیفیت مورد نظر خود اصلاح شدند.

هابل تنها تلسکوپی است که برای نگهداری در فضا توسط فضانوردان طراحی شده است. پنج مأموریت شاتل فضایی، سیستم‌های تلسکوپ را تعمیر، ارتقا و جایگزین کرده‌اند که شامل هر پنج ابزار اصلی می‌شود. پنجمین ماموریت ابتدا به دلایل ایمنی پس از فاجعه کلمبیا (2003) لغو شد، اما مدیر ناسا، مایکل دی. گریفین، پنجمین مأموریت خدماتی را که در سال 2009 تکمیل شد، تایید کرد.

این تلسکوپ 30 سالگی خود را در آوریل 2020 تکمیل کرد و تا 2030-2040 به کار خود ادامه خواهد داد. یکی از جانشینان تلسکوپ هابل، تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) است که قرار است در دسامبر 2021 به فضا پرتاب شود.

تصوریر زمینه فضانورد Owen Garriott خدمه Skylab را در کنار رصدخانه فضایی خورشیدی خدمه در سال 1973 نشان می دهد.

مفهوم، طراحی و هدف تلسکوپ هابل

در سال 1923، هرمان اوبرث به همراه رابرت اچ گودارد و کنستانتین تسیولکوفسکی که به عنوان پدر موشک‌سازی مدرن شناخته می‌شوند مقاله ای را منتشر کردند که در آن اشاره به چگونه پرتاب یک تلسکوپ توسط یک موشک به مدار زمین می پرداختند.

اولین رویا پردازی در مورد تلسکوپ فضایی هابل در سال 1946 اتفاق افاد زمان که ستاره شناس معروف لیمن اسپیتزر مقاله ای با عنوان ``مزایای نجومی یک رصدخانه فرازمینی`` منتشر کرد. در آن مقاله اسپیتزر دو مزیت اصلی درمورد رصدخانه فضایی نسبت به تلسکوپ‌های زمینی را مورد بحث قرار داد.
اول، قدرت تفکیک زاویه ای (کوچکترین جدایی زاویه ای که در آن اجسام را می توان واضح تشخیص داد) بالاتر که نسبت به رصدخانه های زمینی دارد قدرت تفکیک رصدخانه های زمینی در حدود ۰.۵ ثانیه قوسی است اما قدرت تفکبک هابل ۰.۰۵ ثانيه قوس است.
دوم، یک تلسکوپ فضایی می تواند نور مادون قرمز و فرابنفش را که به شدت توسط جو زمین جذب می شوند، مشاهده کند.

دکتر نانسی گریس رومن مدلی از یک تلسکوپ فضایی بزرگ را ارائه داد که در نهایت به عنوان تلسکوپ فضایی هابل توسعه یافت. این طرح در حالی که در سال 1966 مطرح شده بود، تا اواسط دهه 1970 استاندارد نبود.

اسپیتزر نیز بخش اعظمی از حرفه خود را وقف تلاش برای توسعه یک تلسکوپ فضایی کرد. اسپیتزر سال 1962، در گزارشی از سوی آکادمی ملی علوم ایالات متحده، توسعه یک تلسکوپ فضایی را به عنوان بخشی از برنامه فضایی توصیه کرد و در سال 1965 به عنوان رئیس کمیته ای که وظیفه تعیین اهداف علمی برای یک تلسکوپ فضایی بزرگ را به عهده داشت، منصوب شد.

نقش نانسی گریس رومن در پروژه هابل

نقش مهمی نیز کار نانسی گریس رومن بود که همراه با اسپیتزر به عنوان مادر و پدر هابل شناخته می شوند، قبل از تایید ناسا، او سخنرانی های عمومی متعددی در مورد ارزش علمی تلسکوپ فضایی برگزار کرد و بعداً نیز به عنوان دانشمند برنامه به کار خود ادامه داد. از کارهای دیگر او می توان به راه اندازی گروه راهبری مسئول تحقق نیازهای اخترشناسان برای اجرا پروژه و همچنین نامه نگاری با کنگره در طول دهه 1970 برای ادامه تامین مالی تلسکوپ و به طور کلی شکل دادن به استانداردهای ناسا برای اجرای پروژه های علمی بزرگ اشاره کرد.

علم نجوم فضایی پس از جنگ جهانی دوم در مقیاس بسیار کوچک آغاز شده بود، چرا که دانشمندان توانستند از پیشرفت هایی که در فناوری موشک رخ داده بود برا توسعه این علم استفاده کنند.

در سال 1968، ناسا طرح های محکمی برای یک تلسکوپ بازتابی مبتنی بر فضا با آینه ای به قطر 3 متر (9.8 فوت) که به طور موقت به عنوان تلسکوپ مداری بزرگ یا تلسکوپ فضایی بزرگ (LST) شناخته می شود، با برنامج پرتاب در سال 1979 را توسعه داد و از همان ابتدا دانشمندان بر نیاز به مأموریت‌های سرنشین دار براس تعمیر و نگهداری تلسکوپ برای اطمینان از داشتن عمر کاری طولانی تاکید کردند و توسعه همزمان طرح‌هایی برای شاتل فضایی قابل استفاده مجدد نشان داد که این فناوری به زودی در دسترس قرار خواهد گرفت.

تلاش برای تامین مالی تلسکوپ هابل

موفقیت مستمر تلسکوپ های مداری خورشید باعث ایجاد اتفاق نظر استرده ای در جامعه نجومی شد که رصدخانه فضایی باید یک هدف اصلی باشد. در سال 1970، ناسا دو کمیته ایجاد کرد، یکی برای برنامه ریزی جنبه مهندسی پروژه تلسکوپ فضایی و دیگری برای تعیین اهداف علمی این ماموریت. هنگامی که اینها ایجاد شدند، مانع بعدی ناسا به دست آوردن بودجه برای این ابزار بود که بسیار پرهزینه تر از هر تلسکوپ زمینی است. کنگره ایالات متحده بسیاری از جنبه های بودجه پیشنهادی برای تلسکوپ را زیر سوال برد و بودجه را برای مراحل برنامه ریزی که در آن زمان شامل مطالعات بسیار دقیق درباره ابزارها و سخت افزارهای بالقوه برای تلسکوپ بود، کاهش داد. در سال 1974، کاهش هزینه های عمومی منجر به حذف تمام بودجه پروژه تلسکوپ توسط کنگره شد.

اما منجمان پا پس نکشیدن و در پاسخ، با لابی گری سراسری بین ستاره شناسان هماهنگ شد تا بسیاری از ستاره شناسان شخصاً با نمایندگان کنگره و سناتورها ملاقات کنند و کمپین های نامه نگاری در مقیاس بزرگ ترتیب داده شد. آکادمی ملی علوم گزارشی را منتشر کرد که در آن بر نیاز به تلسکوپ فضایی تاکید شد و در نهایت سنا با نیمی از بودجه ای که در ابتدا توسط کنگره تصویب شده بود موافقت کرد.

مسائل مالی منجر به کاهش مقیاس پروژه شد، که اولین اقدام کاهش قطر آینه پیشنهادی از 3 متر به 2.4 متر بود و نگرانی‌ بعدی بودجه نیز باعث همکاری با آژانس فضایی اروپا (ESA) شد. آژانس فضایی اروپ موافقت کرد که در ازای ۱۵٪ زمان کارایی تلسکوپ برای منجمان اروپایی بودجه یکی از اولین ابزارهای نسل اول تلسکوپ، و همچنین سلول های خورشیدی آن و کارکنان برای کار بر روی تلسکوپ در ایالات متحده را تامین کند. کنگره در نهایت بودجه 36 میلیون دلاری را برای سال 1978 تصویب کرد، و طراحی تلسکوپ هابل با هدف گذاری تاریخ راه اندازی تلسکوپ در سال 1983 به طور جدی آغاز شد. این تلسکوپ به افتخار ادوین هابل نامگذاری شده است که یکی از بزرگترین اکتشافات علمی قرن بیستم، را تایید کرد که جهان در حال انبساط است.

تصویر پس زمینه پرداخت آینه اولیه هابل را در مارس 1979 در پرکین-المر نشان می دهد.

مهندس و ساخت تلسکوپ هابل

هنگامی که پروژه تلسکوپ فضایی مجوز داده شد، کار روی این برنامه بین بسیاری از مؤسسات تقسیم شد. مرکز پرواز فضایی مارشال (MSFC) مسئولیت طراحی، توسعه و ساخت تلسکوپ را بر عهده گرفت، در حالی که مرکز پرواز فضایی گدارد کنترل کلی ابزارهای علمی و مرکز کنترل زمینی برای این مأموریت را به عهده داشت. مرکز پرواز فضایی مارشال MSFC شرکت اپتیک Perkin-Elmer را مأمور طراحی و ساخت اپتیک تلسکوپ هابل و حسگرهای هدایت آن کرد وشرکت Lockheed مأمور ساخت و ادغام فضاپیمایی شد که تلسکوپ در آن قرار می گرفت.

تصویر آینه پشتیبان هابل،ساخته شده توسط کداک. چون با سطح بازتابنده پوشانده نشده است ساختار داخلی آن دیده می شود.

مونتاژ لوله تلسکوپ هابل

از نظر طراحی اپتیکی، تلسکوپ هابل یک کاسگرین با طراحی ریچی-کرتین است، همانطور که بیشتر تلسکوپ‌های بزرگ حرفه‌ای هستند. این طرح با دو آینه هذلولی، به عملکرد تصویربرداری خوب در یک میدان دید وسیع معروف است، البته ساخت این آینه ها و آزمایش آنها سخت است. تلسکوپ‌های نوری معمولاً دارای آینه‌هایی هستند که با دقت حدود یک دهم طول موج نور مرئی تراش داده می‌شوند، اما تلسکوپ فضایی هابل قرار بود برای مشاهدات از نور مرئی تا فرابنفش استفاده شود و این کار را بسیار سخت می کرد. بنابراین، آینه آن باید با دقت 10 نانومتر یا حدود 1/65 طول موج نور قرمز صیقلی شود. اما در آخر هم هابل در انتهای طول موج بلند، OTA با توجه به عملکرد سنسور مادون قرمز بهینه طراحی نشده است نون آینه ها در دمای ثابت (حدود 15 درجه سانتیگراد) توسط بخاری ها نگهداری می شوند. این امر عملکرد هابل را به عنوان یک تلسکوپ مادون قرمز محدود می کند چون دمای بالایی برای تلسکوپ مادون قرمز محسوب میشود.

Perkin-Elmer قصد داشت از ماشین های پرداخت سفارشی و بسیار پیچیده با کنترل کامپیوتری استفاده کند تا آینه را به شکل مورد نیاز پرداخت کند. با این حال ناسا برای اطمینان برنامه جایگزینی هم در صورتی که فناوری پیشرفته آنها با مشکلاتی روبرو شودداشت که قرارداد فرعی با کداک برای ساخت یک آینه پشتیبان با استفاده از تکنیک‌های سنتی پرداخت آینه ‌بود.(تیم کداک و ایتک نیز بر روی کار اصلی صیقل آینه مناقصه دادند. البته تکنولوژی پیروز شد و آینه کداک اکنون در موزه ملی هوا و فضا به نمایش گذاشته شده است و آینه شرکت Itek نیز اکنون در تلسکوپ 2.4 متری رصدخانه Magdalena Ridge استفاده می شود.

تصویر پس زمینه سازندگان را در حال اندازه گیری خرپا هابل در مراحل اولیه ساخت نشان می دهد.

ساخت آینه Perkin-Elmer در سال 1979 آغاز شد با شیشه بسیار مقاوم در برابر انبساط و انقباض شروع شد و برای اینکه وزن آینه را به حداقل برسانند، طراحی از صفحات بالا و پایین تشکیل شده بود که هر کدام 25 میلی متر (0.98 اینچ) ضخامت داشتند و یک شبکه لانه زنبوری را از دو طرف ساندویچ می کردند که این ساختار در عکس پس زمینه مطلب در بالا قابل رویت است. پرداخت آینه هابل تا ماه مه 1981 ادامه یافت. گزارش های ناسا در آن زمان ساختار مدیریتی پرکین-المر را زیر سوال بردند و پرداخت شروع به عقب افتادن از برنامه و تراشیدن هزینه های بیش از بودجه کرد. برای صرفه جویی در هزینه، ناسا کار بر روی آینه پشتیبان را متوقف کرد و تاریخ پرتاب تلسکوپ را به اکتبر 1984 برگرداند. آینه تا پایان سال 1981 تکمیل شد. آن را با استفاده از 9100 لیتر آب داغ و دی‌یونیزه شسته و سپس یک پوشش بازتابنده از آلومینیوم با ضخامت 65 نانومتر و یک پوشش محافظ با ضخامت 25 نانومتر فلوراید منیزیم اندود شد.

شک و تردید در مورد شایستگی پرکین-المر در پروژه ای با این اهمیت ادامه داشت، زیرا هزینه ها و زمان بندی آنها برای تولید بقیه اپتیک هابل همچنان در حال افزایش بود. ناسا در پاسخ تاریخ پرتاب تلسکوپ را تا آوریل 1985 به تعویق انداخت. برای چند بار ناسا مجبور شد تاریخ پرتاب را تا مارس و سپس سپتامبر 1986 به تعویق بیندازد. در این زمان، کل بودجه پروژه به 1.175 میلیارد دلار افزایش یافته بود.

تصویر پس زمینه نمای گرافیکی ابزارهای تلسکوپ فضایی هابل را نشان می دهد.

ابزارهای تلسکوپ هابل

تلسکوپ هابل هنگام پرتاب پنج ابزار علمی داشت: دوربین میدان وسیع و سیاره (WF/PC)، طیف‌نگار با وضوح بالا مركز گدارد (GHRS)، فوتومتر سریع (HSP)، دوربین اجسام کم‌نور (FOC) و طیف‌نگار اجسام کم‌نور (FOS)

WF/PC یک دستگاه تصویربرداری با وضوح بالا بود که عمدتاً برای مشاهدات نوری در نظر گرفته شد. این ابزار توسط آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا ساخته شد و دارای مجموعه ای از 48 فیلتر است که خطوط طیفی مورد علاقه اخترشناسان را جدا می کند. این ابزار حاوی هشت تراشه (CCD) بود که بین دو دوربین تقسیم شده و هر کدام از چهار CCD استفاده می کردند. هر CCD دارای وضوح 0.64 مگاپیکسل است.
دوربین میدان عریض هابل (WFC) یک میدان زاویه‌ای بزرگ را پوشش می‌دهد، در حالی که دوربین سیاره‌ای (PC) تصاویری را در فاصله کانونی بالا ثبت می کند و بزرگنمایی بیشتری به تلسکوپ می‌دهد.

طیف‌نگار با وضوح بالا ساخت گدارد (GHRS) برای کار در اشعه ماوراء بنفش طراحی شده بود و می‌توانست به وضوح طیفی 90000 دست یابد.همچنین ابزارهای FOC و FOS برای مشاهدات فرابنفش طراحی شده بودند که قادر بودند بالاترین وضوح را در بین ابزارهای هابل داشته باشند.

ابزار نهایی HSP بود که در دانشگاه ویسکانسین-مدیسون طراحی و ساخته شد. این برای مشاهدات نور مرئی و فرابنفش ستارگان متغیر و سایر اجرام نجومی با روشنایی متفاوت بهینه شده بود.این ابزار می تواند تا 100000 اندازه گیری در ثانیه را با دقت فتومتریک حدود 2٪ یا بهتر انجام دهد.

تکامل تصویربرداری هابل

Optical evolution of Hubble's

این تصاویر کهکشان مارپیچی M100 را نشان می دهد که با WFPC1 در سال 1993 قبل از اپتیک اصلاحی (سمت چپ)، با WFPC2 در سال 1994 پس از اصلاح (مرکز) و با WFC3 در سال 2018 (راست) دیده می شود.

شفق قطبی سیاره زحل

STIS UV , ACS

با ترکیب نور مرئی STIS UV و ابزار ACS هابل تصویر زیبایی از شفق جنوبی زحل را هابل ثبت طرده است.

برخورد دنباله دار

Shoemaker–Levy 9

لکه های قهوه ای محل برخورد دنباله دار شومیکر-لوی 9 را در نیمکره جنوبی مشتری نشان می دهد. تصویربرداری شده توسط هابل

پرتاب تلسکوپ هابل

STS-31

در ماموریت STS-31 شاتل فضایی، تلسکوپ هابل به مدار زمین انتقال یافت.