تلسکوپ فضایی هابل و چگونگی تأثیر آن بر دنیای نجوم

تلسکوپ فضایی هابل و چگونگی تأثیر آن بر دنیای نجوم

تلسکوپ فضایی هابل در سال ۱۹۹۰ اولین تصویر خود از کیهان را ثبت کرد؛ اما مهندسان و اخترشناسان متوجه یک مشکل شدند: آینه‌ی اصلی تلسکوپ دارای یک نقص بود. شکل آینه‌ای اصلی به میزان بسیار کمی ایراد داشت و در نتیجه عکس‌های گرفته‌شده توسط تلسکوپ تار بودند. شروع به کار واقعی هابل در سال ۱۹۹۳ اتفاق افتاد، زمانی که اولین مأموریت سرویس این تلسکوپ انجام شد. بعد از آن دانش ما از کیهان به‌شدت رشد کرد.

دانشمندان نه‌تنها توانستند مشکل اولیه‌ی آینه‌ی اصلی و انحراف کانونی آن را برطرف کنند، بلکه توانستند قدرت دوربین اصلی را نیز ارتقاء دهند. به‌طور قطع می‌توان گفت دوربین نصب‌شده در هابل با نام WFPC2 دنیا را تغییر داد.

از سال ۱۹۹۳ تا ۲۰۰۹، دستگاه WFPC2 دوربین اصلی هابل به شمار می‌رفت و در طی این مدت عکس‌های سمبلیک بسیاری تهیه کرد. با نگاه کردن به عکس زیر می‌توانید بفهمید که سرویس هابل در سال ۱۹۹۳ و نصب WFPC2 چه تغییری در کیفیت تصاویر ایجاد کرد.

با این‌که هابل انقلابی در حوزه‌های مختلف علوم ایجاد کرد، اما به‌طور مشخص پنج تصویر آن باعث ایجاد هیجان زیادی در جامعه‌ی علمی و حتی عموم مردم شدند.

۱. تصویر هابل دیپ فیلد (Hubble Deep Field)

وقتی شما به آسمان شب نگاه می‌کنید، در مناطقی از آن ستاره‌های درخشان یا کم‌سویی را می‌بینید؛ اما نواحی دیگر کاملا سیاه و تهی به نظر می‌رسند. شما با دوربین دوچشمی نسبت به چشمان غیر مسلح ستاره‌های بیشتری می‌توانید ببینید و با تلسکوپ نیز نسبت به دوربین دوچشمی ستاره‌های بیشتری قابل رؤیت هستند. نهایتا شما به جایی می‌رسید که فکر می‌کنید دیگر ستاره‌ی غیرقابل رؤیتی وجود ندارد.

در سال ۱۹۹۵ دانشمندان تصمیم گرفتند آزمایش جالبی با تلسکوپ فضایی هابل انجام دهند. آن‌ها تصمیم گرفتند تلسکوپ را به مدت چند روز به ناحیه‌ای از آسمان بچرخانند که قبلا تهی تصور می‌شد و هیچ کهکشان یا خوشه‌ی شناخته‌شده‌ای در آنجا شناسایی نشده بود.

هر بُعد از این تصویر تنها یک واحد است، یا به عبارت دیگر تنها ۰.۰۰۵ درصد آسمان شب را تشکیل می‌دهد. پس می‌توانید درک کنید که مساحت این ناحیه چه اندازه کوچک است. آسمان شب در حدود ۲۰ هزار واحد مربع و مساحت این ناحیه کم‌تر از ۰.۰۰۲ واحد مربع است.

دوربین WFPC2 به مدت ۱۰ روز به این نقطه‌ی کوچک سیاه و به ظاهر تهی خیره شد و با جمع‌کردن تک‌تک فوتون‌ها‌ از قسمت‌های مختلف آن ناحیه، توانست ۳۴۲ عکس از آن ثبت کند. در پایان روز دهم دانشمندان تمام قطعه‌ها را به هم چسباندند؛ نتیجه‌ی کار تصویر زیر بود.

می‌دانید این تصویر چقدر خارق‌العاده است؟ هر نقطه‌ی نورانی که در تصویر می‌بینید یک کهکشان است. ما تا قبل از دیدن این عکس نمی‌دانستیم کیهان تا این اندازه عمیق، بزرگ و پر از اجرام آسمانی است. آیا می‌دانید چه تعداد کهکشان در این تصویر دیده می‌شود؟ آیا می‌توانید حدس بزنید در این سطح ۰.۰۰۲ واحد مربع چه تعداد کهکشان وجود دارد؟ اجازه دهید تا ۸ درصد تصویر فوق را انتخاب و بزرگ‌نمایی کنیم تا بتوانید نقاط را بشمارید.

به یاد داشته باشید که هر نقطه‌ی نورانی، هر لکه‌ای که می‌بیند، هر اندازه که کوچک و تار باشد، برای خودش یک کهکشان است. در این عکس حدود ۳۵۰ کهکشان دیده می‌شود. اگر این عدد را به کل آسمان شب، متشکل از آسمان دو نیم‌کره تعمیم دهیم، به این عدد می‌رسیم: ۱۰^۱۱ یا صد میلیون میلیارد کهکشان. ما برای اولین بار ثابت کردیم که در عالم حداقل ۱۰۰ میلیون میلیارد کهکشان وجود دارد.

۲. مشتری، بزرگ‌ترین سیاره‌ی منظومه‌ی شمسی ما است

مطمئنا نگاه‌کردن به مشتری بسیار لذت‌بخش است و هابل می‌تواند تصویر بسیار باکیفیتی از حلقه‌ها‌ی آن، لکه‌ی قرمز بزرگ آن و حتی نزدیک‌ترین قمر آن، آیو که همیشه در حال فوران است، تهیه کند. اما موضوع هیجان‌انگیز دیگری به‌صورت کاملا غیرمترقبه پیش آمد. در سال ۱۹۹۴ هابل از برخورد یک ستاره‌ی دنباله‌دار به مشتری عکس‌برداری کرد.

هابل ابتدا از تکه‌های ستاره‌ دنباله‌دار عکس گرفت (تصویر بالا) و سپس از آثار برخورد متعدد آن به مشتری نیز تصاویری ثبت کرد. در تصویر زیر کاملا مشخص است که در اثر برخورد تکه‌های متعلق به ستاره‌ی دنباله‌دار به مشتری، حفره‌های بزرگی در ابر گازی بزرگ و در حال چرخش مشتری به وجود آمد.

عکس‌های باکیفیت‌تر از مشتری تنها زمانی به دست‌ ‌آمد که فضاپیماها به‌طور فیزیکی به نزدیکی آن رسیدند و با این حال، هابل کارهای شگفت‌انگیز دیگری نیز انجام داده است.

۳. هابل نه‌تنها از کهکشان‌های مارپیچی یا بیضوی، بلکه از یک کهکشان حلقه‌ای بسیار نادر نیز عکس گرفته است

دو نظریه‌ی علمی برای توضیح وجود چنین کهکشان‌هایی وجود دارد که هر دو منطقی به نظر می‌رسند.

• انباشتگی: یک کهکشان یا توده‌ی جرمی درون‌ریز توسط یک کهکشان بزرگ‌تر، از هم گسیخته و به‌صورت حلقه دور آن انباشته می‌شود. این نظریه‌ تنها توضیح علمی برای وجود کهکشان‌های حلقه‌ای-قطبی است.
• موج ناشی از یک تصادم: ممکن است یک کهکشان از مرکز یک کهکشان دیگر عبور کند. موجی از ماده و گاز که به سوی خارج از مرکز حرکت می‌کند، می‌تواند باعث ایجاد حلقه‌ای از ستاره‌های در حال متولد شود. این نظریه در دهه‌ی ۱۹۷۰ مطرح شد، ولی مدرک غیر قابل‌ مناقشه‌ای برای آن وجود نداشت.

تا این‌که هابل این تصویر را ثبت کرد:

با Arp 147 ‌آشنا شوید، تنها جفتی از کهکشان‌ها که برهم‌کنش گرانشی دارند و دارای حلقه هستند. بر اساس حرکت آن‌ها می‌توان گفت که آن‌ها از یکدیگر دور می‌شوند و فاصله‌ی هر دو از ما برابر است. این سخن به این معنا است که آن‌ها اخیرا با یکدیگر برخورد کرده‌اند و از آنجایی که هر دو حلقه دارند، می‌توانیم بگوییم که موج تشکیل ستاره‌ها در اطراف هر دو کهکشان، در حال وقوع است. این، تنها موردی بود که ما یک جفت کهکشان این‌گونه دیده‌ایم و این را مدیون هابل هستیم.

۴. لنزهای گرانشی

گاهی اوقات ما خیلی خوش‌شانسی می‌آوریم. یعنی به‌جای دیدن یک کهکشان یا خوشه‌ای از کهکشان‌ها، دو یا چند کهکشان یا خوشه می‌بینیم که با یکدیگر در یک راستا قرار گرفته‌اند. وقتی چنین اتفاقی می‌افتد، کهکشان وسطی به‌صورت یک لنز عمل می‌کند و هر آنچه پشت آن قرار دارد، بزرگ‌نمایی و دچار اعوجاج می‌کند.

از لحاظ تئوری، قوس‌های مربوط به عکس‌هایی که از این لنز کهکشانی عبور می‌کنند و به دست ما می‌رسند، بزرگ‌نمایی شده‌اند یا کشیده شده‌اند یا به چند تکه تقسیم شده‌اند. در عمل این کار به‌سختی انجام‌پذیر است، چرا که این اجرام، بسیار دور و کم‌نور هستند و بسیار مستعد اعوجاج توسط اتمسفر زمین هستند. در تصاویر زیر تفاوت مربوط به لنز‌های گرانشی، قبل و بعد از هابل را می‌توانید ببینید.

تصویر سمت راست (گرفته‌شده توسط هابل) واقعا ناامیدکننده است. اما هابل این عکس را در سال ۱۹۹۰ گرفته است؛ یعنی زمانی که تعمیر نشده بود. به لطف دوربین WFPC2، هابل تصاویر متعددی از لنزهای گرانشی، عکس‌های چندتکه، کمان‌ها و بزرگنمایی‌های باکیفیت تهیه کرد.

اما موضوع بهتر هم می‌شود. زمانی که شانس به شما رو کند، ممکن است کهکشان‌ها یا خوشه‌های کهکشانی دیگری پشت کهکشانی که به آن نگاه می‌کنید، وجود داشته باشد. این کهکشان‌های پس‌زمینه به‌صورت تصاویر لنزی دیده می‌شوند. آیا سه کمان آبی را که مانند بخش‌هایی از یک دایره هستند، در تصاویر بالا مشاهده می‌کنید؟ آن‌ها بخشی از چند کهکشان هستند که تصویرشان کشیده شده است و چندین بار تکرار شده‌اند. به دلیل تصاویر باکیفیت دوربین WFPC2، دانشمندان توانستند بفهمند که کدام تکه‌ها مربوط به یک کهکشان هستند و توانستند به رزولوشن ۱/۱۲,۹۶۰,۰۰۰ واحد مربع دست پیدا کنند.

حالا به این موضوع توجه کنید. زمانی که یک رویداد گذرا در کهکشان پس‌زمینه اتفاق بیفتد، مانند ابرنواختر، تصویر آن در چهار زمان مختلف در هر عکس لنزی ظاهر می‌شود؛ بنابراین ما با این روش می‌توانیم میزان تأخیر زمانی خطوط نوری مختلف را محاسبه کنیم. به کمک هابل ما این کار را انجام داده‌ایم و در آینده با دقت بیشتری انجام خواهیم داد.

۵. ستاره‌ها، چطور متولد می‌شوند و چطور می‌میرند 

شاید بتوان گفت هیچ وسیله‌ای همچون WFPC2 به ما در درک چگونگی تولد و مرگ ستاره‌ها کمک نکرده است. بسیاری از ستاره‌ها در پایان زندگی‌شان لایه‌های خارجی خود را منفجر می‌کنند و سحابی‌های سیاره‌ای درخشانی تولید می‌کنند که تا ۱۰ هزار سال عمر می‌کنند.

تلسکوپ فضایی هابل ۱۵ سال پیش با دوربین WFPC2 تصویری از سحابی «چشم گربه» تهیه کرد؛ اولین سحابی که تصویر آن توسط تجهیزات جدید هابل گرفته شد. نتیجه چه شد؟

آیا جدا این تصویر شگفت‌انگیز نیست؟ اما اوضاع جالب‌تر هم می‌شود. ما حدس می‌زنیم ۴۰۰ میلیارد ستاره در کهکشان ما وجود دارد که هر کدام حدودا ۱۰ میلیارد سال عمر می‌کنندِ به این معنی که هر سال در حدود ۴۰ ستاره می‌میرند. با این تفاسیر در هر لحظه در کهکشان راه‌شیری ۴۰۰ هزار سحابی سیاره‌ای وجود دارند. WFPC2 توانسته است عکس‌های منحصربه‌فردی از بعضی از آن‌ها ثبت کند. تصویر زیر مربوط به سحابی آورگلس (Hourglass) است:

 سحابی هابل ۵:

و سحابی Mz3، معروف به سحابی مورچه

دوربین WFPC2 چیزهای زیادی به ما در مورد مرگ ستاره‌ها آموخته است؛ اما در مورد تولد ستاره‌ها هم این‌گونه است. این سحابی‌های سیاره‌ای بعد از چندهزارسال به خودی خود ناپدید نمی‌شوند؛ این سحابی‌ها گازهای زیادی تولید می‌کنند که هر کدام برای تشکیل یک توده‌ی ستاره کافی است. همین موضوع باعث شروع فرآیند تشکیل ستاره‌ها می‌شود. یکی از بهترین تصاویر این رویداد از سحابی شاهین گرفته شده است.

به این ترتیب دوربین WFPC2 توانسته است به روش‌های مختلفی جهان ما را تغییر دهد.

اما تصور نکنید که این پایان کار هابل است. در سال ۲۰۰۹، آخرین مأموریت سرویس هابل انجام شد. اکنون دوربینی که در هابل نصب شده است از هر لحاظ بهتر است. تصویر زیر نمونه‌ی جدید «دیپ ‌فیلد» است، با نام ایکس ‌تریم دیپ‌فیلد (eXtreme Deep Field) که عمق آن دو برابر تصویر اوریجینال است:

دوربین جدید هابل تصاویری با جزییات زیاد از کهکشان‌ها به ما ارائه می‌دهد:

همین‌طور تصاویری از سحابی‌های سیاره‌ای متعلق به ستاره‌های در حال مرگ:

و لنز‌های گرانشی که قبلا تصور آن‌ها هم غیر ممکن به نظر می‌رسید:

پس تنها به گذشته و تمام کارهای علمی که انجام دادیم و به تمام تغییراتی که تلسکوپ فضایی هابل در عالم ایجاد کرد، نگاه نکنید؛ چشم به آینده داشته باشید، به تمام اکتشافاتی که ممکن است اتفاق بیافتد. همه‌ی کیهان مال ما است، کافی است به آن نگاه کنیم.