چرا تلسکوپ‌ها را به فضا می‌فرستیم

تلسکوپ فضایی هابل بیش از ۲۵ سال پیش، در سال ۱۹۹۰ به مدار زمین پرتاب شد. تلسکوپ فضایی اسپیتزر، همتای مادون قرمز هابل نیز چندی پیش ۱۵ سالگی حضورش را در فضا جشن گرفت. علاوه بر این، چندین رصدخانه‌ی پرتو ایکس از جمله رصدخانه‌ی پرتو ایکس چاندرا، ماموریت چند آینه‌ای پرتو ایکس (XMM-Newton) و ردیف تلسکوپ طیف‌سنجی هسته‌ای (NuSTAR) نیز از جایگاه‌های خود در فضا، بسیار فراتر از سطح زمین در حال بررسی آسمان هستند. در دهه‌های آینده، ناسا قصد دارد تلسکوپ فضایی جیمز وب، نسل بعدی هابل و اسپیتزر را که به دور خورشید خواهد چرخید، به فضا پرتاب کند.

قرار دادن تلسکوپ در فضا، محدودیت‌های خودش را دارد. اول از همه،تلسکوپ فضایی نمی‌تواند خیلی بزرگ باشد؛ زیرا باید درون موشکی که آن را پرتاب می‌کند، جا شود. همچنین، اگر نقصی در چنین تلسکوپی روی دهد، توانایی ما برای تعمیر آن محدود است و در انتها، همان‌طور که واضح است، ساخت یک تلسکوپ فضایی هزینه‌ی بسیار زیادی دارد. پس چرا اصلا ما آن‌ها را در فضا قرار می‌دهیم؟

دلیل اصلی قرار دادن تلسکوپ‌ها درون فضا، این است که به ماورای جو زمین برویم تا بتوانیم از سیارات، ستارگان و کهکشان‌هایی که در حال مطالعه‌ی آن‌ها هستیم، تصویر واضح‌تری دریافت کنیم. اتمسفر یا جو زمین همچون لایه‌ای محافظتی عمل می‌کند و با مسدود کردن مسیر نور، فقط اجازه‌ی عبور مقدار کمی از آن را می‌دهد. اغلب اوقات، این سطح از محافظت به نفع ما است؛ زیرا در صورتی که زمان بیرون رفتن از خانه، زیر بمباران پرتوهای پرانرژی ایکس یا گاما قرار داشتیم، هیچ کرم ضدآفتابی نمی‌توانست ما را در برابر این پرتوهای مضر محافظت کند. در عین حال، این محافظت بدان معنا است که هنگام جمع‌آوری این اشکال از نور برای مطالعات زمین‌پایه، هیچ شانسی برای دریافت آن‌ها نخواهیم داشت. ما نمی‌توانیم از جو بخواهیم برای نوری که امیدوار به رسیدنش به تلکسوپ هستیم، استثناء قائل شود.

طول موج‌ها در جو زمین

برخی از اشکال نور نظیر پرتوهای گاما و پرتوهای ایکس اشاره‌شده، همچنین بیشتر نورهای فرابنفش و مادون قرمز اصلا از روی زمین قابل مشاهده نیستند؛ زیرا آن‌ها به‌کلی توسط جو زمین مسدود می‌شوند. قرار دادن تلسکوپ‌ها در فضا، خارج از جو زمین تنها راه برای مشاهده‌ی جهان به آن شکلی است که در این طول موج‌ها به‌نظر می‌رسد.

^{طیف الکترومغناطیسی: پرتوهای گاما، ایکس و فرابنفش به‌کلی قادر به نفوذ در جو زمین نیستند}

بنابراین، چرا ما نمی‌توانیم صرفا به رصد طول موج‌هایی بپردازیم که به‌طور کامل توسط جو مسدود نمی‌شوند؟ انجام این کار به تلاش برای تکمیل پازلی شباهت دارد که نصف تکه‌های آن از بین رفته است. برای مثال، بدون مشاهدات در مادون قرمز، ما نحوه‌ی شکل‌گیری ستارگان را درک نخواهیم کرد. ستارگان بیشتر عمرشان را در حال تابش در طول موج‌های نوری می‌گذرانند که رصدشان از روی زمین امکان‌پذیر است؛ اما آن‌ها از فروپاشی ابرهای گاز و گرد و غباری متولد می‌شوند که عمدتا در طول موج مادون قرمز پخش می‌شوند. ستارگان در محاصره‌ی این گرد و غبار باقی می‌مانند و به همین جهت در نخستین مراحل زندگیشان غیرقابل مشاهده هستند.

آشوب جوی چیست؟

با این حال، تلسکوپ‌های مستقر در فضا تنها برای رصد انواع نوری که جو آن‌ها را مسدود می‌کند، به‌کار نمی‌روند. هرچند جو به طول موج‌های نوری اجازه‌ی عبور از خود را می‌دهد؛ اما ما همچنان تلسکوپ‌های نوری همچون هابل را درون مدار قرار می‌دهیم. علت این مسئله، آشوب جوی یا تحرکات در جو است که نور را از مسیرش از اجرام دوردست به سمت ما و تلسکوپ‌های ما در زمین منحرف می‌کند. این انحرافات نوری موجب شکل‌گیری تصویر تاری می‌شوند که وضوح و شفافیت آن به اندازه‌ی تصاویر ارائه‌شده توسط تلسکوپ‌های فضایی مستقر بر فراز ابرها نیست. شما این تارشدگی را در عمل هر شب مشاهده می‌کنید؛ زیرا این آشوب جوی است که موجب می‌شود ستاره‌ها چشمک‌زن به‌نظر برسند.

علاوه بر این، تلسکوپ‌های مستقر در زمین تحت تاثیر شرایط آب‌وهوایی هستند. روی زمین، ما معمولا تلسکوپ‌های نوری و مادون قرمز نزدیک را در ارتفاعات بالا روی کوه‌ها یا مناطق کم‌باران بیابانی قرار می‌دهیم تا بتوانیم حداکثر تعداد شب‌های صاف و بدون ابر را در اختیار داشته باشیم. این مکان‌ها همچنین به اجتناب از آلودگی نوری از شهرهای همسایه کمک می‌کنند؛ اما تلسکوپ‌های زمینی در شب‌های ابری یا بارانی شانسی برای فعالیت نخواهند داشت.

برخی طول موج‌ها هستند که جو اصلا به آن‌ها اهمیت نمی‌دهد و انجام مشاهدات حتی در وضعیت‌های ابری یا بارانی نیز امکان‌پذیر خواهد بود. برای مثال، در طول موج‌های رادیویی بلندتر، نور به‌راحتی توسط تحرکات در جو یا هیچ ابر حائلی از حرکت بازنخواهد ماند. عامل محدودکننده‌تر برای شفافیت تصاویر تلسکوپ‌های رادیویی، نسبت به تلسکوپ‌هایی نوری، معمولا به‌جای جو اندازه‌ی تلسکوپ است. در نتیجه،‌ تلسکوپ‌های رادیویی در جایی ساخته می‌شوند که امکان قرار دادن دیشی بسیار بزرگ در آنجا به‌راحتی فراهم باشد؛ همچون فروچاله‌های سنگ‌آهکی کارستی در جنگل پورتوریکو.

اپتیک تطبیقی چیست؟

^{تلسکوپ فضایی هابل}

اخترشناسان در حال توسعه‌ی شگردهایی برای بهبود مشاهدات از روی زمین هستند تا رصدخانه‌های مستقر در زمین دست‌کم بتوانند به نحو بهتری با همتایان نوری و مادون قرمز نزدیک خود در فضا رقابت کنند. برای مثال، اپتیک تطبیقی به اخترشناسان امکان می‌دهد اعوجاج یا تارشدگی تصاویر توسط جو را با استفاده از آینه‌های تغییرشکل‌پذیر اصلاح کنند. ابزارها با رصد ستاره‌ای درخشان و نزدیک و در حالی که هدف نجومی مورد نظر را مشاهده می‌کنند، می‌توانند حرکات جو را به‌صورت بی‌درنگ مدل‌سازی کنند. این مدل سپس خود به‌صورت بی‌درنگ مورد استفاده قرار می‌گیرد تا شکل آینه‌ی تلسکوپ را برای زدودن آن اعوجاج‌های جوی تنظیم کند.

اما اگر سیاره یا کهکشانی که قصد رصد آن را دارید، به ستاره‌ای که می‌تواند برای مدل‌سازی یادشده مورد استفاده قرار گیرد، نزدیک نباشد، چه باید کرد؟ آیا رصد به‌کلی غیرممکن می‌شود؟ در آن صورت، اخترشناسان صرفا لیزر غول‌پیکری را به آسمان شلیک می‌کنند و در عوض به رصد آن می‌پردازند، به همین راحتی!

تلسکوپ فضایی هابل به ما کمک کرد تا نرخ گسترش و سن جهان را اندازه‌گیری کنیم، از قمرهای موجود در منظومه‌ی شمسی به تفصیل تصویربرداری کنیم و انفجارهای فاجعه‌بار ابرنواختر را که به عمر ستارگان مشخص پایان دادند، رصد کنیم. تلسکوپ فضایی اسپیتزر کهکشان‌ها را از زمانی که جهان هنوز بسیار جوان بود، به ما نشان داده و اغلب آنچه را که درباره‌ی سامانه‌های خورشیدی سیارات خارج از منظومه‌ی شمسی‌مان می‌دانیم، به ما گفته است. ما می‌توانیم اجرام بسیاری را از روی زمین رصد کنیم؛ اما تلسکوپ‌های مستقر در فضا، برای پرده برداشتن بیشتر از اسرار هستی اهمیتی حیاتی دارند.