مهندسي بي‌نهايت: تلسكوپ فضايي هابل؛ دريچه‌اي به اعماق پررمزوراز كيهان

سياره‌هايي متولدشده در توده‌اي از گردوغبار؛ انرژي مرموز و ناشناخته‌اي كه باعث انبساط جهان مي‌شود؛ دنباله‌دارها تكه‌تكه مي‌شوند و سيارك‌هاي ناموزون؛ كهكشان‌هايي كه به هم مي‌خورند تا از نو متولد شوند؛ نگاهي به اعماق دورترين ستاره‌هاي جهان.

هابل سن زيادي دارد؛ اما هنوز قدرتمندترين ابزاري است كه ما انسان‌ها براي كاوش در دورترين نقاط جهان هستي دراختيار داريم. هر جا اجرام كيهاني از خود نور ساطع كنند، هيچ رصدخانه‌اي براي مطالعه آن‌ها مجهزتر از هابل نيست. براي آشنايي با اين تلسكوپ شگفت‌انگيز در اين سفر فضايي با ما همراه شويد.

تلسكوپ فضايي هابل (كه اغلب از آن با نام HST ياد مي‌شود) پروژه همكاري بين‌المللي ناسا و آژانس فضايي اروپا است كه با شاتل فضايي ديسكاوري (Discovery) در ۲۴ آوريل ۱۹۹۰ (۴ ارديبهشت ۱۳۶۹) به مدار نزديك زمين پرتاب شد و با گذشت ۳۱ سال، همچنان به مأموريت خود ادامه مي‌دهد. هابل اولين تلسكوپ فضايي نبود كه با موفقيت در مدار قرار گرفت؛ اما از همنوعان خود بزرگ‌تر و مجهزتر بود و اكتشافات شگفت‌انگيزش بينش بشر را از جهان هستي كاملاً دگرگون كرد.

هابل حدود ۵۴۷ كيلومتر بالاتر از سطح زمين در حال گردش در مدار خود است. طول آن ۱۳٫۲ متر،‌ يعني اندازه يك اتوبوس بزرگ و وزن آن ۱۲,۲۰۰ كيلوگرم، يعني به اندازه دو فيل بالغ است. هابل از انرژي خورشيدي استفاده مي‌كند و براي ماندن در مدار حدود ۸ كيلومتر در ثانيه حركت مي‌كند.

تلسكوپ هابل از اجرام آسماني مانند سيارات، ستارگان و كهكشان‌ها عكس‌هايي با وضوح بسيار بالا مي‌گيرد و تاكنون بيش از ۱٫۵ ميليون مشاهده‌ي كهكشاني ثبت كرده است. اين مشاهدات شامل تصاوير پرجزئياتي از تولد و مرگ ستاره‌ها، كهكشان‌هايي با فاصله ميلياردها سال نوري از ما و تكه‌هاي به‌جامانده از دنباله‌دارهايي است كه به جو سيارات برخورد مي‌كنند.

هابل به‌عنوان يك رصدخانه فضايي همه‌منظوره با هدف كاوش جهان و ثبت تصاوير در طول موج‌هاي مرئي، فرابنفش و فروسرخ توسعه يافت. اين تلسكوپ تاكنون بيش از ۴۰ هزار جرم كيهاني را مورد مطالعه قرار داده است و تصاويري با وضوح و جزئيات بسيار بالا دراختيار ستاره‌شناساني كه نمي‌توانستند آن‌ها را از روي زمين مشاهده كنند، قرار داده است.

جو زمين علاوه بر اينكه جلوي برخي از طول موج‌هاي نور را به‌طور كامل مي‌گيرد، داراي جريان‌هاي هوايي است كه مدام در حال حركت هستند و باعث چشمك زدن ستاره‌ها در آسمان شب مي‌شوند. حركت مداوم اين جريان‌هاي هوايي، تصاوير گرفته‌شده توسط تلسكوپ‌هاي مستقر در زمين را تار مي‌كند؛ به همين خاطر لازم بود تلسكوپي براي ثبت تصاويري عاري از اين اثرات در مداري بالاتر از جو قرار بگيرد.

آينه هابل از آنچه در بزرگ‌ترين رصدخانه‌هاي مستقر در زمين يافت مي‌شود، بسيار كوچك‌تر است؛ اما موقعيت منحصر‌به‌فرد اين تلسكوپ در بالاي جو زمين وضوح خارق‌العاده‌اي به تصاوير ثبت‌شده مي‌بخشد. با چرخش اين تلسكوپ به دور زمين​​، آينه آن نورهاي كيهاني را جمع و به‌صورت تصاوير و داده‌ به زمين منتقل مي‌كند. اين تلسكوپ براي عكس‌برداري از برخي از دورترين اجرام آسماني، روزها به يك نقطه در كهكشان خيره مي‌شود تا بتواند بيشترين مقدار از اين درخشش بسيار كم‌نور را ثبت كند.

پيش از پرتاب تلسكوپ هابل به فضا، سن جهان چيزي حدود ۱۰ تا ۲۰ ميليارد سال تخمين زده شده بود؛ اما هابل با مطالعه دسته خاصي از ستاره‌ها كه در تعيين فاصله به كار مي‌روند، توانست اين اختلاف بزرگ را به حدود ۱۳٫۸ ميليارد سال كاهش بدهد. اين رقم اكنون به‌عنوان سن تقريبي جهان در انديشه متخصصين گرفته مي‌شود و براي درك وضعيت ستارگان، كهكشان‌ها و موارد ديگر به كار مي‌رود.

هابل همچنين در قلب كهكشان‌ها سياه‌چاله‌هاي بزرگي را كشف كرده و وجود ماده تاريك را در اطراف خوشه‌هاي كهكشاني نشان داده است؛ اما شايد يكي از عجيب‌ترين اكتشافات هابل اين بود كه سرعت انبساط جهان به خاطر وجود «انرژي تاريك» كه پيش از اين ناشناخته بود، رو به افزايش است.

از هابل همچنين براي مطالعه شرايط اقليمي در سيارات منظومه شمسي و تولد سيارات در منظومه‌هاي ديگر استفاده شده است. اين ماهواره تركيبات جو اين سيارات «فراخورشيدي» را مطالعه كرده و موفق به ثبت يكي از اولين تصاوير از چنين سياره‌اي با نور مرئي شده است. هابل با توانايي خود در ثبت تصاوير بكري از جهان هستي به‌دفعات به بشريت نشان داده است كه هنوز رازهاي بسياري درباره كيهان وجود دارد. به خاطر هابل، ما درك بهتري از منظومه شمسي و نحوه عملكرد آن داريم.

وسعت فضا چنان غيرقابل وصف است كه حتي نور با آن سرعت مثال‌زدني خود زمان قابل‌توجهي طول مي‌‎كشد از بين اجرام كيهاني عبور كند. براي مثال، نور ماه حدود ۱٫۳ ثانيه نوري طول مي‌كشد تا به چشم ما برسد، بنابراين وقتي به ماه در آسمان نگاه مي‌كنيم، آن را همان‌طور كه ۱٫۳ ثانيه قبل بوده، يعني ۱٫۳ ثانيه در گذشته، مي‌بينيم.

نور دورترين اجرام كيهاني از ميلياردها سال پيش در فضا شروع به حركت كرده و هنگامي كه سرانجام به گوشه جهان ما مي‌رسد، آن‌ها را آن‌گونه كه ميلياردها سال پيش بوده به ما نشان مي‌دهد. هابل با ثبت نور ضعيفي كه از جهان اوليه به آن مي‌رسد، مي‌تواند كهكشان‌ها را آن‌گونه كه ميلياردها سال پيش بودند، ببيند و به ما نشان بدهد كه كهكشان‌ها در طول زمان چگونه تكامل يافته‌اند.

ما نمي‌توانيم تكامل كهكشان‌ها يا ستاره‌ها را ببينيم، چون اين تكامل در مقياس زماني ميليوني و ميلياردي اتفاق مي‌افتد؛ اما هابل با مشاهده آن‌ها در مراحل مختلف هستي خود، توانسته تصويري از چگونگي تغيير و تكامل كهكشان‌ها را براي ما ترسيم كند.

تلسكوپ فضايي هابل نام خود را از ادوين هابل، ستاره‌شناس شهير آمريكايي گرفته است كه مشاهداتش به دانشمندان نشان داد در جهان هستي، كهكشاني‌هاي ديگري علاوه بر كهكشان راه شيري وجود دارد. هابل هنگام كار در رصدخانه كوه ويلسون (Mount Wilson) در سال ۱۹۲۳، به اين نتيجه رسيد كه آندرومدا كه آن زمان به‌عنوان سحابي در انديشه متخصصين گرفته مي‌شد،‌ در واقع كهكشان مستقلي است كه صدها هزار سال نوري از راه شيري فاصله دارد.

او همچنين در سال ۱۹۲۹ با كشف اينكه كهكشان‌ها با سرعتي ثابت در حال دور شدن از يكديگر هستند، مهر ردي بر انديشه متخصصينيه «جهان ايستا» زد و بدين ترتيب، اساس انديشه متخصصينيه بيگ بنگ را بنا نهاد. ادوين هابل در سال ۱۹۲۹ درگذشت؛ اما تلسكوپي كه نام او را به يادگار گرفته از آن زمان تاكنون بسياري از انديشه متخصصينيه‌هاي او را تأييد و اصلاح كرده است.

البته ايده ساخت تلسكوپ فضايي به سال ۱۹۴۶ برمي‌گردد؛ يعني بيش از ۱۰ سال قبل از تأسيس ناسا. در آن سال بود كه ليمن اسپيتزر جونيور (Lyman Spitzer Jr)، فيزيكدان نجومي، مقاله‌اي تأثيرگذار در مورد مزيت رصدخانه‌اي مستقر در فضا نوشت. او در اين مقاله استدلال كرد كه يك تلسكوپ در مدار مي‌تواند آسمان را بدون مواجه با جو زمين كه تصاوير را تار مي‌كند، مشاهده كند و تصاويري با وضوح بسيار بالا ثبت كند.

اسپيتزر بعدها در ساخت چهار ماهواره بدون سرنشين موسوم به «Orbiting Astronomical Observatory» كه ناسا بين سال‌هاي ۱۹۶۶ تا ۱۹۷۲ به فضا پرتاب كرد، نقش مهمي داشت و به‌طور خستگي‌ناپذيري از دولت آمريكا براي ساخت تلسكوپ فضايي بزرگ‌تر و بهتر درخواست بودجه مي‌كرد. هزينه‌هاي هنگفت اين پروژه مانع بزرگي براي تحقق آن بود و تازه در سال ۱۹۷۷ بود كه كنگره آمريكا سرانجام حاضر شد بودجه‌اي را براي ساخت تلسكوپي كه هابل نام گرفت، اختصاص بدهد.

پروژه نوپاي هابل در سال ۱۹۸۶ پس از منفجر شدن شاتل فضايي چلنجر هنگام بلند شدن كه كشته شدن ۷ فضانورد را در پي داشت، ضربه بزرگي را متحمل شد. ناسا در پي اين فاجعه تراژيك، ناوگان فضايي خود را زمين‌گير كرد و هابل را كه براي جا‌به‌جايي و تعميرات به شاتل نياز داشت، بدون وسيله نقليه گذاشت. البته دانشمندان از اين فرصت پيش‌آمده استفاده خوبي كردند و حساسيت ابزارهاي تلسكوپ را ارتقا داده و نرم‌افزار كنترل زميني آن را بهبود بخشيدند؛ اما اين سال‌هاي تأخير، هزينه‎‌هاي گزافي را براي سرويس‌دهي و نگه‌داري از هابل در اتاقي تميز و پيشرفته بر ناسا تحميل كرد. سرانجام وقتي شاتل فضايي ديسكاوري در سال ۱۹۹۰ هابل را به فضا پرتاب كرد، اين پروژه ۷ سال از برنامه عقب مانده بود و در اين مدت بيش از ۱ ميليارد دلار بيشتر از بودجه براي آن هزينه شده بود.

متأسفانه اين پايان اشكالات هابل نبود. همان سال وقتي دانشمندان ناسا اولين تصاوير ثبت‌شده توسط هابل را مشاهده كردند، دريافتند كه آينه اصلي آن با مشخصات نادرستي صيقل داده شده است. اين «انحراف كروي» بسيار ناچيز بود؛ درواقع، كمتر از ۱/۵۰ عرض يك تار موي انسان؛ اما همين انحراف ناچيز كافي بود تا بسياري از عكس‌هاي هابل تار شود.

تا چند ماه بعد، اين تلسكوپ به نوعي جوك در سطح ملي تبديل شد و حتي يكي از جلدهاي مجله نيوزويك آن را «اشتباه ۱٫۵ ميليارد دلاري» ناميد. ناسا براي تجربه اتفاقات خوب بايد تا دسامبر ۱۹۹۳ منتظر مي‌ماند؛ يعني زماني كه گروهي از دانشمندان براي رفع اين انحراف نوعي لنز تماسي به نام كواستار (COSTAR) روي هابل نصب كردند. كواستار از چند آينه كوچك تشكيل شده بود و پرتو ساطع‌شده از آينه معيوب را مي‌گرفت، نقص آن را برطرف مي‌كرد و بعد پرتو اصلاح‌شده را براي تجزيه و تحليل به مركز آينه بازمي‌تابيد.

«عينك‌هاي فضايي»‌ هابل موفق شد اشكال تاري تصاوير را برطرف كند و كمي بعد اين تلسكوپ شروع به ثبت تصاوير حيرت‌انگيزي از كيهان كرد. البته امروز تمام ابزارهاي نصب‌شده در هابل داراي اپتيك اصلاحي داخلي براي جبران نقص آينه هستند و ديگر به COSTAR نيازي نيست.

تلسكوپ هابل هنگام پرتاب در ارتفاع ۵۴۷ كيلومتري از سطح زمين قرار گرفت؛ اما بيشتر اوقات در ارتفاع ۳۲۰ كيلومتري به دور زمين در گردش است و گاهي براي بازديد از ايستگاه فضايي بين‌المللي تا ارتفاع ۴۰۰ كيلومتري هم بالا مي‌رود.

در حال حاضر، مدار تقريباً مدور هابل در ارتفاع ۵۵۰ كيلومتري از سطح زمين قرار گرفته است و هر گردش اين تلسكوپ به دور زمين حدود ۹۶ دقيقه طول مي‌كشد. بدين ترتيب، هابل در روز ۱۵ بار دور زمين مي‌گردد؛ اما مشاهده آن در آسمان براي همه مقدور نيست.

هابل در مناطقي در زمين كه بين عرض‌هاي جغرافيايي ۲۸٫۵ درجه شمالي و ۲۸٫۵ درجه جنوبي قرار دارند، بهتر ديده مي‌شود. دليل آن اين است كه هابل در انحراف مداري ۲۸٫۵ درجه با خط استوا قرار دارد. اين انحراف مداري با عرض جغرافيايي سايت پرتاب هابل، كيپ كاناورال در فلوريدا، يكي است و آسان‌ترين و به‌صرفه‌ترين مدار براي پرتاب تلسكوپ بود.

تماشاي گذر تلسكوپ هابل از فراز آسمان در ايران مقدور نيست؛ اما اگر مي‌خواهيد ببينيد تلسكوپ هابل در همين لحظه بالاي كدام نقطه از زمين قرار دارد، مي‌توانيد به وب‌سايت uphere.space مراجعه كنيد كه از حركت هابل در مدار، گزارش تصويري لحظه‌اي ارائه مي‌دهد. تماشاي گذر ماهواره‌هاي ديگر نيز در اين وب‌سايت مقدور است.

از زماني كه تلسكوپ هابل در مدار قرار گرفت (۳۱ سال پيش)، بيش از ۱٫۵ ميليون تصوير ثبت شده است. در اينجا ۱۰ نمونه از حيرت‌انگيزترين و نمادين‌ترين تصاوير ثبت‌شده توسط هابل را با هم مرور مي‌كنيم:‌

كهكشان كلاه‌‌مكزيكي بسيار فتوژنيك است. اين كهكشان به خاطر هسته سفيد درخشان خود مشهور است و در فاصله ۲۸ ميليون سال نوري از زمين در صورت فلكي دوشيزه قرار دارد.

سحابي چشم گربه در فاصله حدود ۳۳۰۰ سال نوري در صورت فلكي اژدها قرار دارد و به آن سحابي آفتابگردان يا سحابي حلزون نيز گفته مي‌شود. در مركز اين سحابي يك ستاره نوراني و جديد قرار دارد كه در حدود هزار سال پيش پوشش بيروني خود را از دست داد و منجر به تشكيل اين سحابي شد. اين سحابي در سال ۱۷۸۶ توسط ويليام هرشل، كاشف اورانوس، كشف شده است.

بدون شك نمادين‌ترين تصوير ثبت‌شده توسط هابل تا اين لحظه، «ستون‌هاي آفرينش» است كه در سال ۱۹۹۵ گرفته شد. اين برج‌هاي غول‌پيكر متشكل از گازهاي ميان اختري و ذرات كيهاني در فاصله ۷ هزار سال نوري از زمين و در سحابي عقاب قرار دارند.

دليل انتخاب نام ستون‌هاي آفرينش اين است كه نيروي گرانش بسيار قدرتمندي باعث متراكم كردن اين گازها و ذرات و تبديل آن‌ها به توده‌هايي از جرم و تشكيل سيستم ستاره‌اي جديدي مي‌شود. در واقع منظومه شمسي هم احتمالاً ميلياردها سال پيش به همين روند متولد شده است. وقتي به اين تصوير نگاه مي‌كنيم، انگار داريم گذشته بسيار دور زمين را نظاره مي‌كنيم.

تصوير بالا، همان ستون‌هاي آفرينش است كه با نور فروسرخ ثبت شده و درنتيجه مي‌توان درون گردوغبار و گازها را مشاهده كرد. وب‌سايت space.com، ستون‌هاي آفرينش را به‌عنوان يكي از ده تصوير برتري كه توسط هابل گرفته شده، انتخاب كرده است.

«زمينه ژرف هابل» تصوير حيرت‌انگيز قسمتي از صورت فلكي خرس بزرگ است كه علم ستاره‌شناسي را براي هميشه دگرگون كرد. اين تصوير كه در سال ۱۹۹۵ گرفته شد، به پهناي يك دانه نمك است؛ اما ۳ هزار كهكشان را در دل خود جاي داده. اين تصوير از ۳۴۲ قطعه مجزا كه به وسيله دوربين ژرف وسيع و نجومي ۲ هابل در طول ده روز متوالي به دست آمد، تشكيل شده‌ است.

در اين تصوير بي‌نهايت زيبا، نظاره‌گر تولد نيم ميليون ستاره جوان در ميان ابري از گاز و ذرات كيهاني در سحابي رتيل هستيم كه در صورت فلكي ماهي زرين با فاصله ۱۶۰ هزار سال نوري از ما قرار گرفته است؛ اما اين سحابي در كهكشان راه شيري نيست، بلكه در كهكشان ابر ماژلاني بزرگ قرار دارد.

سحابي رتيل درخشان‌ترين جرم غير ستاره‌اي است كه تاكنون كشف شده‌ و اگر جاي سحابي شكارچي در كهكشان راه شيري قرار داشت، سايه آن روي زمين مي‌افتاد.

سياره زحل ۸۲ قمر دارد؛ اما گذر قمرها از روي اين سياره تنها هنگامي قابل مشاهده است كه شيب حلقه‌هاي زحل به حدي برسد كه لبه‌دار به انديشه متخصصين برسند و اين رويداد هر ۱۴-۱۵ سال يك بار اتفاق مي‌افتد. اين تصوير به وسيله دوربين ژرف وسيع و نجومي ۲ هابل در ۲۴ فوريه ۲۰۰۹ ثبت شده است.

سحابي خرچنگ در فاصله حدود ۶۵۰۰ سال نوري از زمين در صورت فلكي گاو قرار دارد و تنها بازمانده از انفجار اَبَرنواختري است كه منجمان چيني در سال ۱۰۵۴ ميلادي مشاهده كردند. اين تصوير در چندين طول موج و از داده‌هاي سه تلسكوپ به دست آمده كه نور زردرنگ متعلق به هابل است.

كهكشان گرداب يا NGC 5194 يك كهكشان برهمكنشي و مارپيچ است و در فاصله ۳۱ ميليون سال نوري از زمين در صورت فلكي تازي‌ها قرار دارد. اين كهكشان و كهكشان همراه آن به نام NGC 5195 به‌راحتي توسط ستاره‌شناسان آماتور قابل مشاهده‌اند و مي‌توان آن‌ها را با دوربين‌هاي شكاري نيز مشاهده كرد.

سحابي سياره‌نما IC 418 معروف به اسپيروگراف (به خاطر شباهت ظاهري به دواير جادويي اقليدس) در فاصله حدود ۲۰۰۰ سال نوري از زمين در صورت فلكي گرگ در نزديكي صورت فلكي شكارچي قرار دارد.

سحابي IC 418 چند ميليون سال قبل ستاره‌اي شبيه به خورشيد بود و چند هزار سال پيش تبديل به يك ستاره غول سرخ شد. با پايان سوخت هسته‌اي اين ستاره، پوسته خارجي آن به بيرون پرتاب شده و سحابي سياره‌اي به وجود آمده است. در مركز اين تصوير مي‌توانيد كوتوله سفيد را ببينيد.

زمين تقريباً هر دو سال يك بار بين مريخ و خورشيد قرار مي‌گيرد و باعث درخشش حيرت‌انگيز سياره سرخ مي‌شود. هابل اين رويداد را كه به آن مقابله گفته مي‌شود، در سال ۲۰۰۱ ثبت كرد.

تلسكوپ هابل به طول ۱۳٫۲ متر و وزن كنوني ۱۲,۲۰۰ كيلوگرم، انرژي خود را به كمك دو پنل ۷٫۶۲ متري از خورشيد تأمين مي‌كند و آن را در ۶ باتري نيكل-هيدروژني با ظرفيتي برابر با تقريباً ۲۲ باتري ​​اتومبيل ذخيره مي‌كند. اين تلسكوپ از ابزارهاي مختلفي تشكيل شده كه هر يك از آن‌ها براي ثبت باكيفيت‌ترين تصاوير كهكشاني، وظيفه خطيري به عهده دارند.

همان‌طور كه اين تلسكوپ به دور زمين مي‌چرخد​​، حسگرهاي راهنمايي دقيق (Fine Guidance Sensors) آن روي ستاره‌ها قفل مي‌شوند. اين حسگرها بخشي از سيستم كنترل نشانه‌گيري هستند و هابل را به مسير درست هدايت مي‌كنند. هابل مي‌تواند بدون جابه‌جايي بيشتر از عرض موي انسان، روي هدفي كه يك مايل دورتر است، قفل شود.

پس از شناسايي هدف، آينه اصلي هابل شروع به جمع‌آوري نور مي‌كند. اين آينه مي‌تواند حدود ۴۰ هزار برابر بيشتر از چشم انسان نور جمع كند. نور از آينه اوليه به‌ آينه ثانويه بازتاب مي‌شود. سپس آينه ثانويه نور را از درون سوراخي دوباره در آينه اوليه متمركز مي‌كند. از آنجا نور به ابزارهاي علمي هابل مي‌تابد.

هابل داراي پنج ابزار علمي است كه شامل دوربين‌ها و دستگاه‌هاي طيف‌نگاري مي‌شود و هريك روش متفاوتي براي خوانش نور دارد. طيف‌نگاري ابزاري است كه نور را به طول موج‌هاي مجزا تقسيم مي‌كند.

دوربين اصلي هابل، دوربين ميدان باز ۳ (Wide Field Camera 3) نام دارد. اين دوربين هر چيزي در جهان، از تشكيل كهكشان‌هاي دوردست گرفته تا سيارات منظومه شمسي را مورد مطالعه قرار مي‌دهد و مي‌تواند سه نوع مختلف نور را مشاهده كند:‌ پرتو فرابنفش نزديك، نور مرئي و فروسرخ نزديك. درحالي‌كه چشم انسان تنها مي‌تواند نور مرئي را تشخيص بدهد، دوربين هابل مي‌تواند فرابنفش نزديك و فروسرخ نزديك را نيز مشاهده و ثبت كند. البته هابل در هر زمان فقط مي‌تواند يك نوع نور را ثبت كند.

دوربين پيشرفته نقشه‌برداري (Advanced Camera for Surveys) از نواحي گسترده در فضا عكس مي‌گيرد و داراي وضوح بسيار زياد، بازده كوانتومي و فيلترهاي امولسيوندار پرقدرت است. اين دوربين وضوح تصاوير هابل را تا ۱۰ برابر افزايش داد و به دانشمندان نقاطي از جهان را نشان داد كه قبل از آن هرگز ديده نشده بودند.

طيف‌نگار ريشه‌هاي كيهاني هابل (Cosmic Origins Spectrograph) نور فرابنفش را مي‌خواند. اين طيف‌نگار نحوه تشكيل و تكامل كهكشان‌ها،‌ ستاره‌ها و سيارات را مورد مطالعه قرار مي‌دهد.

طيف‌نگار عكاسي تلسكوپ فضايي (Space Telescope Imaging Spectrograph) تا حدودي مانند يك منشور، نوري را كه از اجرام آسماني به تلسكوپ مي‌رسد، به رنگ‌هاي پديدآورنده آن تجزيه مي‌كند و به دانشمندان كمك مي‌كند تا دما، تركيبات شيميايي، چگالي و حركت اجرام را در فضا تعيين كنند. از اين طيف‌نگار همچنين براي تشخيص سياه‌چاله‌ها استفاده مي‌شود.

دوربين فروسرخ نزديك و طيف‌نگار (NICMOS) مي‌تواند با حس گرماي ساطع‌شده از اجرام دوردست، آن‌ها را مشاهده كند و چند هدف را هم‌زمان طيف‌نگاري كند. حساسيت اين دوربين به امواج فروسرخ باعث شده‌ است كه براي ديدن اجرام مبهم آسماني مانند گازها و غبار ميان ستاره‌اي و همچنين ديدن دقيق ژرف‌ترين بخش‌هاي جهان بسيار كارآمد باشد.

هابل هر هفته حدود ۱۵۰ گيگابايت داده علمي به زمين مي‌فرستد. اين حجم از داده برابر با حدود ۴۵ فيلم دوساعته با كيفيت HD يا حدود ۳۰ هزار آهنگ mp3 است. سيگنال‌هاي ديجيتال از هابل به ماهواره‌ها، سپس به يك ايستگاه زميني، از آنجا به مركز پروازهاي فضايي گدارد ناسا و در نهايت به مؤسسه علمي تلسكوپ فضايي منتقل مي‌شوند. اين مؤسسه داده‌ها را به تصاوير و اطلاعاتي كه براي ما قابل درك باشد، تبديل مي‌كند.

دوربين‌هاي ديجيتال هابل فقط مي‌توانند عكس‌هاي سياه و سفيد بگيرند؛ براي همين ستاره‌شناسان براي ثبت طول موج‌هاي مختلف نور با استفاده از چندين فيلتر كه معمولاً قرمز، آبي و سبز است، تصوير ثبت‌شده از جسم را در چندين حالت نوردهي قرار مي‌دهند. سپس اين تصاوير براي ايجاد يك تصوير تك‌رنگ روي هم قرار مي‌گيرند. ازآنجاكه هابل مي‌تواند محدوده فرابنفش و فروسرخ را مشاهده كند، دانشمندان گاهي اوقات با اضافه كردن رنگ اضافه به تصاوير، جزئياتي را از دل آن‌ها بيرون مي‌كشند كه در حالت عادي به چشم انسان نامرئي است.

تلسكوپ هابل به قدري قدرتمند است كه مي‌تواند نور كرم شب‌تاب را در فاصله حدود ۱۱ هزار كيلومتري تشخيص بدهد و دانشمندان از اين قابليت حيرت‌انگيز براي درك بسياري از اسرار كيهان استفاده كرده‌اند. براي مثال،‌ تخمين ستاره‌شناسان از سن جهان در گذشته اختلاف زيادي داشت؛ اما مشاهدات هابل از ستارگان كهن و سوخته به آن‌ها كمك كرد وقوع بيگ بنگ را به حدود ۱۳٫۷ ميليارد سال پيش محدود كنند.

اين تلسكوپ همچنين به كمك قدرت اخبار تخصصي بالاي خود توانست نشانه‌هاي اوليه وجود سياه‌چاله‌هاي كلان‌جرم را در مركز كهكشان‌هاي همسايه پيدا كند. نقش اين تلسكوپ در كشف سيارات فراخورشيدي كه ممكن است از شرايط مناسب حيات برخوردار باشند، بسيار حياتي بوده است. شايد مهم‌ترين اكتشاف هابل از مطالعه ابرنواخترها شكل‌گيري اين انديشه متخصصينيه بود كه نيروي مرموزي معروف به «انرژي تاريك» ممكن است دليل افزايش سرعت انبساط جهان باشد و اين اكتشاف بدون لنزهاي قدرتمند هابل ممكن نبود.

طبق توضيح Hubblesite، مردم اغلب به‌اشتباه فكر مي‌كنند كه قدرت تلسكوپ به توانايي بزرگ‌نمايي اجسام بستگي دارد؛ اما واقعيت اين است كه قدرت تلسكوپ‌ها در جمع‌آوري نور بيشتر از آنچه چشم انسان مي‌تواند جذب كند، نهفته است و هرچه توانايي تلسكوپ در جمع‌آوري نور بيشتر باشد، به عبارت ديگر هرچه سطح آينه‌هاي تلسكوپ بزرگ‌تر باشد، قدرت آن نيز بيشتر است. تلسكوپ هابل هم اين كار را با استفاده از تكنيكي كه ۳۴۰ سال پيش براي اولين بار ارائه شد، انجام مي‌دهد؛ تكنيكي به اسم بازتابنده كاسگرين (Cassegrain reflector) كه از دو آينه محدب و مقعر تشكيل شده است. آينه اصلي بزرگ و محدب نور را جذب مي‌كند (قطر آينه اصلي هابل ۲٫۴ متر است) و آن را به سمت آينه ثانويه كوچك‌تر و مقعر (با قطر ۰٫۳ متر در هابل) بازمي‌تابند. نور سپس ازطريق سوراخي در وسط آينه اوليه روي حسگرهاي ابزار هابل منعكس مي‌شود.

هابل به لطف آينه‌هاي بزرگ و قدرتمند خود مي‌تواند به اعماق فضا نگاه كند؛ اما تنها با تماشاي تصاوير ناسا نمي‌توان قدرت خارق‌العاده اخبار تخصصي اين تلسكوپ را درك كرد. براي همين ستاره‌شناسان تعداد زيادي از تصاوير ثبت‌شده توسط هابل در فواصل مختلف را به‌صورت ويدئويي منتشر كرده‌اند كه به بهترين شكل ممكن قدرت آينه‌هاي هابل را به رخ مي‌كشد:‌

۲۴ آوريل ۱۹۹۰ مصادف با ۴ ارديبهشت ۱۳۶۹، شاتل فضايي ديسكاوري با محموله بسيار ارزشمند خود يعني تلسكوپ هابل از زمين بلند شد. فرداي آن روز، ۲۵ آوريل، تيمي از ستاره‌شناسان اين تلسكوپ را در فضا قرار دادند و سفر اكتشافي هابل شروع شد. آن روز تاريخي هيچ كس نمي‌توانست شگفتي‌هايي را كه هابل قرار بود در ۳۱ سال آينده مشاهده و ثبت كند، پيش‌بيني كند.

به همين ترتيب ۲۴ آوريل روز تولد هابل نام‌گذاري شده است و ناسا هر سال به مناسبت اين روز تصوير زيبا و جديدي را كه هابل ثبت كرده، منتشر مي‌كند. سال گذشته ناسا به مناسبت پايان سه دهه مأموريت هابل در فضا تصوير شگفت‌انگيز و جديدي از دو سحابي در ابر ماژلاني بزرگ كه كهكشان كوچكي در فاصله ۱۶۳ هزار سال نوري از راه شيري است، منتشر كرد.

سحابي بزرگ‌تر و قرمزرنگ NGC 2014 نام دارد و ستاره‌هاي درخشان و تازه شكل‌گرفته در قلب آن ۱۰ تا ۲۰ برابر اندازه خورشيد هستند. سحابي آبي‌رنگ موسوم به NGC 2020، هنگامي شكل گرفت كه يك ستاره ۲۰۰ هزار برابر بزرگ‌تر از خورشيد، مقدار زيادي گاز به بيرون پرتاب كرد. اين تصوير ثبت‌شده به چشم محققان به صخره يا همان آب‌سنگ مرجاني شباهت داشت؛ به همين خاطر نام آن را «آب‌سنگ كيهاني» (Cosmic Reef) گذاشتند.

تلسكوپ هابل ۲۴ ساعت شبانه‌روز در هفت روز هفته جهان را كاوش مي‌كند. اين بدان معنا است كه اين تلسكوپ در هر روز از سال، از جمله در روز تولد شما، شگفتي‌هاي كيهاني را مشاهده و ثبت كرده است. براي اينكه بفهميد هابل در روز تولدتان چه تصويري را ثبت كرده، مي‌توانيد به اين صفحه در وب‌سايت ناسا مراجعه و ماه و روز تولد خود را به ميلادي در آن وارد كنيد.

تلسكوپ هابل به خاطر موقعيت خود در فضا و لنزهاي پيشرفته‌اش مي‌تواند به دورترين نقاطي كه از ديد تلسكوپ‌هاي مستقر در زمين پنهان است، نگاه بيندازد. ازآنجاكه زمان زيادي مي‌برد تا نور مسافت‌هاي طولاني را طي كند، قابليت‌هاي حيرت‌انگيز هابل از آن نوعي ماشين زمان ساخته است. نوري كه هابل از اجرام دوردست مشاهده مي‌كند، فقط نشان مي‌دهد كه آن جرم هنگامي كه ترك نور از آن چگونه بوده و نه اينكه امروز چه شكلي است؛ بنابراين وقتي به كهكشان آندرومدا نگاه مي‌كنيم كه ۲٫۵ ميليون سال نوري از زمين فاصله دارد، آن را آن‌گونه كه ۲٫۵ ميليون سال پيش بود، مي‌بينيم؛ انگار كه داريم در گذشته بسيار دور نگاه مي‌كنيم.

به همين خاطر با هابل مي‌توان اجرام كيهاني بسيار دوردست را مشاهده كرد كه بدون اين تلسكوپ هرگز قابل مشاهده نبودند. به‌عنوان مثال، هنگامي كه ستاره‌شناسان در سال ۱۹۹۵ تلسكوپ هابل را به سمت يك ناحيه به‌ظاهر خالي در صورت فلكي خرس بزرگ گرفتند و اصلا انتظار نداشتند اين تلسكوپ تصويري در اين ناحيه ثبت كند، در كمال ناباوري بعد از ۱۰ روز تصويري از بيش از ۳ هزار كهكشان مشاهده كردند. اين تصوير بعداً «زمينه ژرف هابل» (Hubble Deep Field) نام گرفت كه در بخش تصاوير تلسكوپ هابل مشاهده كرديد.

بعضي از كهكشان‌هاي ثبت‌شده در زمينه ژرف هابل آن‌قدر جوان بودند كه هنوز به‌طور جدي شكل‌گيري ستاره‌ها را شروع نكرده بودند. كمي بعد، مشاهدات زمينه‌اي ديگري نيز در همان ناحيه انجام شد و هر بار عميق‌تر به فضا نگاه مي‌كرد. تصوير «زمينه فراژرف هابل» (Hubble Ultra-Deep Field) كه در سال ۲۰۰۴ منتشر شد و وضوح آن چهار برابر بيشتر از زمينه ژرف هابل است، عميق‌ترين و دورترين نقطه در هستي است كه چشم آدمي ديده است. كهكشان‌هاي ثبت‌شده در اين تصوير حدود ۱۳ ميليارد سال نوري با ما فاصله دارند؛ يعني وقتي كه جهان هستي تنها ۵ درصد از عمر كنوني‌اش را سپري كرده بود.

هابل با نظاره كردن جهان اوليه، به ستاره‌شناسان كمك كرد تا مدت‌زمان گذشته از بيگ بنگ را محاسبه كنند و بدين ترتيب سن جهان را در محدوده ۱۳٫۷ ميليارد سال تخمين بزنند. اين تلسكوپ همچنين ستاره‌ها را به‌طور مجزا در مراحل مختلف تكاملشان مطالعه مي‌كند؛ از ابرهاي ذرات كيهاني گرفته كه ستاره‌هاي تازه متولدشده را تشكيل مي‌دهند تا بقاياي ستاره‌هايي كه مدت‌ها پيش منفجر شده‌اند و آن‌هايي كه در حد فاصله اين دو مرحله قرار دارند. هابل توانسته است به درون كهكشان راه شيري، كهكشان‌هاي همسايه، ابرهاي ماژلاني و كهكشان آندرومدا نگاه بيندازد.

اما چالش‌برانگيزتر از مشاهده ستاره‌ها، تماشاي سياره‌هايي است كه خارج از منظومه شمسي، به دور خورشيدهاي ديگر مي‌چرخند. بااين‌حال، در سال ۲۰۰۸ هابل عكس‌هايي از سياره «فم‌الحوت بي» (Fomalhaut b) ثبت كرد كه در واقع اولين باري بود كه از يك سياره خارج از منظومه شمسي به‌طور مستقيم در نور مرئي تصويربرداري مي‌شد. عكس‌برداري از اكثر سيارات بسيار دشوار است. بيشتر تصاوير ثبت‌شده از سيارات ازطريق تشخيص جو آن‌ها هنگام عبور از مقابل خورشيدشان به دست آمده است؛ بدين ترتيب كه جو اين سيارات نور ستاره‌ها را فيلتر مي‌كند و هابل اين تغييرات را ثبت مي‌كند.

هابل ممكن است بيشتر زمان خود را به تماشاي اجرامي كه سال‌هاي نوري از زمين فاصله دارند بگذراند؛ اما گاهي اوقات هم از سياره‌هايي كه به دور خورشيد خودمان مي‌چرخند، عكس مي‌گيرد. تصاويري كه هابل از مشتري، زحل و حتي پلوتو ثبت كرده از چنان وضوح و جزيياتي برخوردار هستند كه بهتر از آن‌ها را فقط كاوشگرهاي در حال چرخش دور اين سيارات مي‌توانند ثبت كنند. تصاوير هابل به دانشمندان روي زمين اين امكان را مي‌دهد تا تغييرات جو و سطح اين سيارات را رصد كنند. هنگامي كه دنباله‌دار شوميكر-لِوي ۹ (Comet Shoemaker–Levy 9) در سال ۱۹۹۴ با سياره مشتري برخورد كرد، هابل اين برخورد مرگبار را ثبت كرد. در واقع اين رويداد نخستين مشاهده مستقيم يك برخورد خارج از سياره زمين در منظومه خورشيدي بود و تحت پوشش رسانه‌اي گسترده‌اي قرار گرفت. در پي اين برخورد، اطلاعات زيادي درباره جو اين غول گازي آشكار شد.

بعلاوه، هابل توانسته در سال ۲۰۱۴ و ۲۰۱۶ فوران آبفشان‌ها از سطح يخي قمر اروپا (يكي از ۶۹ قمر سياره مشتري) را مشاهده كند و بدين ترتيب آن را به يكي از اهداف مهم در جستجوي جهان‌هاي قابل زيست دور از زمين تبديل كرد.

هابل با بيش از سه دهه حضور در مدار، درك بهتري از سيارات، كهكشان‌ها و كل جهان هستي دراختيار دانشمندان قرار داده است. از بين شگفت‌انگيزترين اكتشافات و پروژه‌هاي تحقيقاتي هابل مي‌توان به موارد زير اشاره كرد:

• ايجاد يك نقشه سه‌بعدي از ماده تاريك
• كشف دو قمر پلوتو به نام نيكس و هيدرا
• كمك به تعيين سرعت انبساط جهان
• كشف اينكه تقريباً همه كهكشان‌هاي بزرگ به وسيله يك سياه‌چاله در جاي خود محكم قرار گرفته‌اند
• كمك به محاسبه دقيق‌تر سن جهان

در اينجا به برخي از اكتشافات برجسته هابل در چند سال گذشته اشاره مي‌كنيم:

۲۰۲۰: كشف شواهدي از سياه‌چاله‌اي مرموز در حال بلعيدن ستاره‌اي در لبه كهكشاني ديگر و جشن گرفتن تولد ۳۰ سالگي‌اش

۲۰۱۹: نماي نزديكي از يك كهكشان مارپيچي كه شايد در حل راز و رمزهاي سياه‌چاله به كار آيد، گرفت؛ مرگ رنگارنگ ستاره‌اي را به ما نشان داد و تصاوير باورنكردني از دنباله‌دار بوريسوف ثبت كرد.

۲۰۱۸: خوشه كهكشاني عظيم «ال گوردو» را مشاهده كرد؛ ناپديد شدن طوفاني عظيم در سياره نپتون را تماشا كرد و اولين تصاوير را از بقاياي انفجار ابرنواختري ثبت كرد.

۲۰۱۷: وجود يك استراتوسفر را روي يك سياره فراخورشيدي بزرگ تأييد كرد؛ كهكشان‌هاي فرادرخشان را كشف كرد؛ دورترين دنباله‌دار فعال شناخته‌شده را تماشا كرد و متوجه چندين سيارك شد كه به‌طور تصادفي وارد كادر مشاهدات يك خوشه كهكشاني شده بودند.

۲۰۱۶: از دنباله‌دار 252P/LINEAR مشاهدات نزديكي ثبت كرد؛ دورترين كهكشان شناخته‌شده آن زمان را مشاهده كرد و نشان داد كه جهان احتمالاً ۱۰ برابر بيشتر از آنچه تصور مي‌شد، كهكشان در خود جاي داده است.

۲۰۱۵: مشاهدات تازه‌اي از «ستون‌هاي آفرينش» انجام داد تا نحوه تكامل‌ آن‌ها را با گذشت زمان ثبت كند؛ واضح‌ترين تصوير آن زمان را از كهكشان آندرومدا ثبت كرد؛ بهترين نمايش سه‌بعدي از اعماق جهان را ارائه داد و يك گرداب سياه مرموزي را روي سياره نپتون مشاهده كرد. سال ۲۰۱۵ همچنين بيست و پنجمين سالگرد مأموريت هابل در فضا بود.

هابل در سال ۲۰۲۱، ۳۱ ساله شد. مهندسان، هابل را طوري طراحي كرده‌اند كه در صورت لاخبار تخصصي قابل تعمير و ارتقا باشد. از زمان پرتاب هابل، فضانوردان در پنج مأموريت فضايي با شاتل نزديك اين تلسكوپ برده شده تا آن را تعمير كرده و ارتقا بدهند. آخرين مأموريت ارتقاي هابل در سال ۲۰۰۹ بود. اين تلسكوپ ديگر دوباره تعمير يا ارتقا داده نمي‌شود؛ اما همچنان در فضا مشغول انجام مأموريت خواهد بود.

در همين حال، ناسا و شركاي بين‌المللي آن در حال آماده‌سازي تلسكوپ فضايي ۹ ميليارد دلاري «جيمز وب» (James Webb) هستند. اين تلسكوپ كه به افتخار مدير ناسا (۱۹۶۱-۱۹۶۸) كه نقش مهمي در برنامه فضايي آپولو داشته، جيمز وب نام‌گذاري شده‌ است، از نوع فروسرخ است كه از هابل بزرگ‌تر و قادر به ديدن درون ابرها و ذرات در فضا است. اين تلسكوپ در طول عمر ۶ تا ۱۰ ساله خود نيازي به تعميرات نخواهد داشت. تلسكوپ وب به جاي اينكه به دور زمين بچرخد، در فاصله يك ميليون مايلي از زمين و به دور خورشيد خواهد چرخيد و به همين خاطر خواهد توانست نگاه بسيار عميق‌تري به فضا داشته باشد و نوري كه تنها چند صد ميليون سال بعد از بيگ بنگ سفر خود را شروع كرده بود، مشاهده كند.

اگرچه پرتاب تلسكوپ جيمز وب به‌طور مرتب درگير تأخير بوده است، در حال حاضر قرار است در ماه نوامبر ۲۰۲۱ (آبان ۱۴۰۰) به فضا پرتاب شود. ستاره‌شناسان اميدوار هستند كه قبل از بازنشستگي هابل بتوانند هر دو تلسكوپ را هم‌زمان در فضا داشته باشند.

پرتاب: ۲۴ آوريل ۱۹۹۰ از شاتل فضايي ديسكاوري

استقرار در فضا: ۲۵ آوريل ۱۹۹۰

اولين تصوير ثبت‌شده: ۲۰ مي ۱۹۹۰ از خوشه ستاره‌اي NGC 3532

اولين مأموريت تعمير و ارتقا: دسامبر ۱۹۹۳

دومين مأموريت تعمير و ارتقا: فوريه ۱۹۹۷

سومين مأموريت تعمير و ارتقا: دسامبر ۱۹۹۹و فوريه ۲۰۰۲

چهارمين مأموريت تعمير و ارتقا: مه ۲۰۰۹

طول: ۱۳٫۲ متر

وزن (هنگام پرتاب): حدود ۱۰,۸۰۰كيلوگرم

وزن (بعد از مأموريت چهارم): حدود ۱۲,۲۰۰ كيلوگرم

قطر (در پهن‌ترين نقطه): ۴٫۲ متر

مدار نزديك زمين: ارتفاع ۵۴۷ كيلومتري، ۲۸٫۵ درجه مايل به خط استوا

مدت يك چرخش كامل به دور زمين: حدود ۹۵ دقيقه

سرعت: حدود ۲۷ هزار كيلومتر بر ساعت

حساسيت به نور: از پرتو فرابنفش تا فروسرخ (۱۱۵-۲۵۰۰ نانومتر)

قطر آينه اوليه: ۲٫۴ متر

وزن آينه اوليه: ۸۲۸ كيلوگرم

قطر آينه ثانويه: ۰٫۳ متر

وزن آينه ثانويه: ۱۲٫۳ كيلوگرم

هابل براي عكس‌برداري از اجرام دور با نور بسيار ضعيف، بايد ثابت و بي‌نهايت دقيق باشد. اين تلسكوپ مي‌تواند بدون انحراف بيشتر از هفت هزارم ثانيه قوسي (تقريباً به اندازه قطر يك تار موي انسان)، روي هدفي در فاصله يك مايلي قفل شود.

هابل هر هفته حدود ۱۵۰ گيگابايت داده خام به زمين مي‌فرستد كه اين مقدار برابر با حدود ۴۵ فيلم دوساعته با كيفيت HD يا حدود ۳۰ هزار آهنگ mp3 است.

منبع انرژي: خورشيد

مكانيزم: دو پنل خورشيدي ۷٫۶۲ متري

توليد برق (در زير نور خورشيد): حدود ۵۵۰۰ وات

باتري: ۶ باتري نيكل-هيدروژني

ظرفيت ذخيره‌سازي: برابر با تقريباً ۲۲ باتري ​​اتومبيل

مؤسسه علوم تلسكوپ فضايي دانشگاه جان هاپكينز هرساله فراخواني عمومي منتشر مي‌كند تا متقاضيان استفاده از تلسكوپ هابل درخواست خود را ثبت كنند. هيچ محدوديتي براي ثبت درخواست وجود ندارد؛ اما رقابت بين متقاضيان به‌شدت نفس‌گير است.

سالانه صدها ستاره‌شناس مشتاق درخواست خود را با رعايت دستورالعمل‌ها در اين فراخوان ثبت مي‌كنند و پس از مطالعه هيئت متخصصان، فقط حدود يك‌پنجم آن‌ها موفق به گرفتن وقت براي استفاده از تلسكوپ هابل مي‌شوند. كساني كه درخواستشان رد مي‌شود، مي‌توانند از بايگاني بزرگ عكس‌هايي كه بعد از يك دوره يك‌ساله دردسترس عموم قرار مي‌گيرند، استفاده كنند.