ماشین کشف بشر، بیست‌ساله شد

احسان سنایی

بی‌تردید اهمیت هیچ تلسکوپی را نمی‌توان در برابر با ابزار پربازدهی چون هابل قرار داد. شاید کمتر کسی نامی از گرن تلسکوپیو کاناریس (بزرگ‌ترین تلسکوپ نور مرئی جهان)، VLT (بزرگ‌ترین آرایه‌ی تلسکوپ‌های نور مرئی جهان) و آرسیبو (بزرگ‌ترین تلسکوپ رادیویی جهان) شنیده باشد، اما خدماتی که هابل، این چشم افسانه‌ای بشر، در طول عمر بیست‌ساله‌اش به دانش کرده، نام این تلسکوپ را در تاریخ دانش بشری و در بین مردم، جاودانه کرده است.

مردان هابل. بالا: ادوین هابل، کاشف انبساط جهان و دکتر لیمان اسپیتزر، ایده‌پرداز تلسکوپ‌های فضایی / وبسایت هابل

هابل تا آن حد در پاسخگویی به سئوالات بنیادین بشر موفق بوده که بسیاری از آن به‌عنوان موفق‌ترین پروژه‌ی علمی تاریخ ناسا یاد می‌کنند.

هابل ابزاری ۱۰ میلیارد دلاری، با ابعادی نه‌چندان بزرگ‌تر از یک اتوبوس عادی است که از حیث توانایی علمی، شانه به شانه‌ی آزمایشگاه‌های غول‌پیکر و مجهزی چون شتاب‌دهنده‌ی LHC می‌زند.

این تلسکوپ، نقشی محوری در کشف انرژی تاریک¹ ایفا کرده است. رفتار مرموزی از نیروی آشنای گرانش که ۷۳ درصد از جهان را در سیطره‌ی خود دارد.

او، تخمین ما از پارامتری چون سن کیهان را از ۱۰تا۲۰ میلیارد سال، به ۱۳ میلیارد و ۴۰۰ میلیون سال ارتقا بخشید و در بهار سال ۲۰۰۳ با تصویر حیرت‌انگیزش از فراژرف، مرزهای نگاه‌مان را تا چندقدمی عصر مرموز «پیدایش» برد²؛ عصری کوتاه که هستی در قیاس با عمر کنونی‌اش چون کودکی دو سال و نیمه در برابر مردی ۵۰ ساله بود!

هابل، آلبومی بزرگ و جذاب از خانواده‌ی شلوغ کهکشان‌ها، از نوباوگی تا مرگ‌شان را پیش چشم اخترشناسان گشود و پرده از راز نیرومندترین انفجارهای کیهان یا «فرانگرهای پرتو گاما» برداشت.

بیست سال است که هر هفته حدود ۱۸ دیسک DVD، اطلاعات خام جدید از سمت فرستنده‌های این تلسکوپ به ایستگاه‌های زمینی مخابره می‌شود.

طبق اظهارات دکتر متیو مونتین، مدیر مؤسسه‌ی علمی تلسکوپ فضایی (STScI)، دانشمندان هر هفته با بهره‌برداری از اطلاعات دریافتی از هابل، به‌طور میانگین حدود ۱۲ کشف می‌کنند. تاکنون نیز بیش از هشت هزار مقاله‌ی علمی با تکیه بر مشاهدات هابل منتشر شده است. رصدخانه‌ای با چنین حجم عظیمی از کشفیات، آیا شاهکار خرد انسانی نیست؟

در این مقاله، نگاهی به تاریخچه‌ی کشفیات و نیز فرآیند ایجاد و پیشرفت این ابزار علمی بشر، در آستانه‌ی بیست‌سالگی‌اش انداخته‌ایم.

آینه‌ی مقعر 2.4 متری هابل در اتاق تمیز پایگاه فضایی گادرد ناسا. دایره‌ی سفید رنگ میانه‌ی آینه، همان جفره‌ای است که نور پس از بازتاب از آینه‌ی ثانویه، از طریق آن به تأسیسات علمی پشت تلسکوپ منتقل می‌شود. در این تصویر، تقعر آینه را از بزرگنمایی چهر‌ه‌ی تکنیسین می‌توان دریافت / وبسایت هابل

ضرورت ساخت تلسکوپی فضایی

یک تلسکوپ فضایی، راه حل مستقیم معضل بزرگی است که از نخستین روزهای ابداع تلسکوپ پیش روی ستاره‌شناسان قرار گرفت: جو زمین.

جو لطیف و مهربان زمین که چون محافظی سرسخت برای ساکنان سیاره در برابر پرتوهای مرگبار کیهانی سینه سپر کرده، ستاره شناسان را با دو مشکل به‌نسبت جدی برای پیش‌برد اهداف‌شان مواجه ساخته است: اعوجاج نور اجرام آسمانی و ممنوعیت ورود قسمت‌های به‌نسبت گسترده و حائز اهمیتی از پرتو الکترومغناطیس.

مهم نیست ابزار رصد شما تا چه اندازه بزرگ و چشمگیر باشد. نوری که به‌فرض از کهکشانی در فاصله‌ی یک میلیارد سال نوری آن‌طرف‌تر، با رنگین‌کمانی از امواج مختلف الکترومغناطیسی تابیده می‌شود، پس از گذشت یک میلیارد سال، ظرف مدت تنها یک‌هزارم ثانیه، تا حد زیادی غربال می‌شود و قسمتی از آن نیز که اجازهس عبور می‌یابد، دچار اغتشاشات بارزی می‌شود.

تغییرات دمایی لایه‌های مختلف جو زمین به‌طور مداوم، افت و خیزهای متغیری را در چگالی هوای واقع در خط دید تلسکوپ‌ تولید می‌کند که در نهایت نور اجرام دوردست آسمان را دچار اعوجاج می‌کند و در نتیجه تا حد زیادی از جزئیات گرانبهای هدف از دست می‌رود.

امروزه دانشمندان توانسته‌اند با بهره‌گیری از فن‌آوری‌های فوق‌پیشرفته‌ای همانند اپتیک فعال (Active Optics) و اپتیک سازگار (Adaptive Optics)، تا حدی بر این مشکل فائق آیند؛ اما این تمام ماجرا نیست. نواحی قیچی‌شده‌ی نور دریافتی از اجرام آسمانی که پرتوهای پرانرژی گاما، ایکس، ماورای بنفش و تا حدی مادون قرمز را شامل می‌شوند، خود حاوی اطلاعات حائز اهمیتی از آن جرم‌ هستند و با این حساب اخترشناسان، ناچار به قناعت به نور ناقص دریافتی از پشت پرده نازک جو زمین‌اند.

بلندپروازی و گریز به تخیلات از چنگ محدودیت‌های موجود اما، شاخصه‌ی بارز پیش‌آهنگان دانش است. از جمله افرادی چون هرمان اوبرت آلمانی.

اوبرت، یکی از بنیانگذاران علوم موشکی و از استادان دکتر ورنر فون براون، پدر موشک‌های فضایی ایالات متحده بود. در سال ۱۹۲۲، او ایده‌ی پرتاب یک تلسکوپ به فضا را برای حل مشکلات ناشی از جو اخلال‌گر زمین در تز دکترای ۹۲ صفحه‌ای خود تحت عنوان «با موشک، به سوی فضای سیارات» ارائه داد. اما این مقاله به دلیل آنچه «آرمانی بودن و پرداختن به مسائل غیرعملی» خوانده شد، مورد پذیرش قرار نگرفت.

او در واکنش به این تصمیم گفت: «ثابت خواهم کرد حتی بدون عنوان دکتری هم می‌توانم دانشمندی بزرگ‌تر از برخی شوم». دو سال پس از درگذشت او بود که رویای دیرینه‌‌اش به تحقق پیوست. این، بدون سعی و پی‌گیری‌های یک اخترفیزیکدان آمریکایی به نام دکتر لیمان اسپیتزر، امکان‌پذیر نبود.

اسپیتزر، بار دیگر در سال ۱۹۴۶ ایده‌ی پرتاب یک رصدخانه‌ی مداری را مطرح کرد و سرانجام ۲۳ سال بعد بود که ناسا طرح وی را مورد موافقت قرار داد.

شاتل فضایی دیسکاوری، حامل تلسکوپ فضایی هابل غرش‌کنان به سمت آسمان می‌رود. این مأموریت، STS-31 نام داشت /

در سال ۱۹۷۴، گروهی از دانشمندان به بررسی طرح ساخت تلسکوپی فضایی با قابلیت تعویض ابزارهای علمی نصب‌شده بر روی آن پرداختند؛ تلسکوپی که قادر بود آسمان را در طول موج‌های مادون قرمز تا ماورای بنفش، مورد مطالعه قرار دهد.

در این طرح، شاتل فضایی به عنوان انتقال‌دهنده‌ی تلسکوپ از زمین به فضا یا بالعکس، و ابزاری برای ارتقا و تعمیرات آتی آن انتخاب شد. سال ۱۹۷۵، ناسا و سازمان فضایی اروپا (اِسا)، برای ساخت این چشم افسانه‌ای هم‌پیمان شدند و سرانجام در سال ۱۹۷۷ بود که کنگره‌ی آمریکا، بودجه‌ی این پروژه‌ی تاریخ‌ساز را مصوب ساخت.

بلافاصله پس از تصویب بودجه، پیشنهادهای بسیاری پیرامون نوع ابزارهای علمی نخستین تلسکوپ فضایی بشر از راه رسید که در نهایت پنج‌تایشان مورد موافقت مسئولین وقت قرار گرفت. دانشگاه ها، پیمانکاران و ناسا، کار را به‌طور جدی آغاز کرده بودند.

مسئولیت هدایت امور طراحی و ساخت تلسکوپ و نیز سیستم‌های پشتیبان، به پایگاه فضایی مارشال ناسا؛ طراحی ادوات علمی و مسئولیت کنترل مانورهای فضایی تلسکوپ به پایگاه فضایی گادرد ناسا؛ ساخت آینه‌ی ۲.۴متری و نیز حس‌گرهای هدایت‌کننده‌ی تلسکوپ به کمپانی پرکین- المر و در نهایت طراحی و ساخت بدنه‌ی تلسکوپ و سیستم‌های پشتیبانی و نیز مونتاژ قطعات، به کمپانی لاکید مارتین سپرده شد.

در این حین، فضانوردان مجرب پایگاه فضایی جانسون ناسا نیز در تانکرهای غول‌پیکر محتوی آب، کار در محیط بی‌وزنی را با نمونه‌ی شبیه‌سازی‌شده‌ای از تلسکوپ آغاز کرده بودند.

در سال ۱۹۸۱، مؤسسه‌ی علمی تلسکوپ فضایی، با هدف بررسی پیشنهادات رصدی دریافت شده از دانشگاه‌های مختلف و برنامه‌ریزی و زمان‌بندی انجام این رصدها، دایر شد. چندی بعد، نخستین تلسکوپ فضایی نور مرئی بشر، به پاس خدمات ارزنده‌ی ادوین هابل به دانش ستاره‌شناسی، «تلسکوپ فضایی هابل» نام نهاده شد.

ناسا، اکتبر سال ۱۹۸۶ را به‌عنوان تاریخ پرتاب هابل اعلام کرد، اما وقوع حادثه‌ی دلخراش انفجار شاتل فضایی چالنجر در بیست‌ و ششم ژانویه‌ی سال ۱۹۸۶ و مرگ هفت فضانوردش، زمان پرتاب را چهار سال به تعویق انداخت. در این فاصله‌ی زمانی، متخصصین به تقویت باتری‌های خورشیدی و دیگر سامانه‌‌های تلسکوپ پرداختند.

سرانجام در ساعت ۸.۳۳ صبح‌گاه بیست و چهارم آوریل سال ۱۹۹۰، با غرش مهیب موتورهای شاتل فضایی دیسکاوری و در برابر دیدگان ‌کم‌سو و چهره‌ی خندان لیمان اسپیتزر بود که بشر انگار پلک چشمان تیزبین‌اش را به روی ناشناخته‌های کیهان گشود. دقایقی بعد، سرهنگ لئون شرای‌ور، فرمانده‌ی دیسکاوری، استقرار سفینه در مدار زمین را اعلام کرد. رویای هابل، به حقیقت پیوسته بود.

هابل، چه می‌کند؟

هابل – به طور میانگین - ۵۶۹ کیلومتر بالاتر از سقف خانه‌های ما با سرعتی در حدود ۸ کیلومتر بر ثانیه، هر ۹۷ دقیقه یک‌بار، در مداری مدور به گرد زمین می‌چرخد. این تلسکوپ، از عدسی شیئی برای کانونی کردن نور دریافتی استفاده نمی‌کند، بلکه هابل یک تلسکوپ بازتابی از نوع «کاسگرین» است. بدین‌معنا: زمانی‌که درپوش محافظ لوله‌ی تلسکوپ گشوده می‌شود، نور مسیر هشت متری درون لوله را طی می‌کند و در انتهایش به آینه‌ای مقعر با قطر ۲.۴ متر برخورد می‌کند.

پرتوهای نوری بازتاب‌شده که این‌بار به‌صورت مخروطی می‌روند تا در یک نقطه به هم بپیوندند، ۴.۵ متر از مسیر آمده را بازگشته، و در لحظه‌ی کانونی‌شدن به آینه‌ی ثانویه‌ی کوچک‌تری که توسط چهار میله به‌طور دقیق در میانه‌ی لوله‌ی تلسکوپ ثابت نگه داشته شده است، برخورد می‌کنند.

پرتوهای متمرکز‌شده دیگربار با بازتاب از آینه‌ی ثانویه، به سمت آینه‌ی مقعر اصلی پیشروی می‌کنند، اما نه برای بازتاب مجدد که از سوراخ میان آینه عبور می‌کند و توسط ابزارهای علمی واقع در تأسیسات پشت آینه، برای آنالیز نهایی دریافت می‌شوند.

مراحل ارسال یک تصویر ساده از هابل به مرکز انتشار / وبسایت هابل

اغلب مردم به اشتباه بر این تصورند که برتری یک تلسکوپ، در قدرت بزرگ‌نمایی آن است. اما تفاوت اصلی تلسکوپ‌ها با چشم غیرمسلح، توانایی گردآوری نور بیشتر آنهاست؛ به‌گونه‌ای که هرچه قطر تلسکوپ بیشتر باشد، عملکرد آن نیز بهتر خواهد بود. در واقع هابل در قیاس با تلسکوپ‌های زمینی به‌نسبت کوچک است! بر روی زمین، چندین تلسکوپ هشت متری و حتی ده متری وجود دارد، اما همان‌طور که پیش‌تر نیز اشاره شد، کلید برتری این تلسکوپ، جایگاه استقرارش در فضاست. با این حال، چگونه هابل راه خود را در این فضا پیدا می‌کند؟

یکی از رایانه‌‌های اصلی هابل، مجهز به نقشه‌ای متشکل از بیست‌هزار ستاره در آسمان است که با مجموعه‌ای از ۳ ابزار مجزا به نام «حس‌گرهای کنترلی ظریف» یا FGS، قادر است هدف رصد خود را یافته و در حین رصد نیز روی آن قفل شود.

انرژی الکتریکی مورد نیاز برای عملکرد تلسکوپ نیز از دو صفحه‌ی خورشیدی بال‌مانند که در دو سوی لوله‌ی اصلی تلسکوپ واقع‌اند، تامین می‌شود. مصرف برق هابل در هر مدار، با مصرف در مجموع ۲۸ لامپ حبابی معمولی برابری می‌کند که البته بخشی از آن در باتری‌های تلسکوپ ذخیره می‌شود تا با گذر گاه‌به‌گاه از میان مخروط سایه‌ی زمین و در نبود انرژی خورشیدی، این انرژی به مصرف تجهیزات الکترونیکی برسد.

هابل مجهز به دو رایانه‌ی اصلی است که یکی برای هدایت تلسکوپ و دیگری به‌منظور اتصال ارتباط مابین تجهیزات علمی، دریافت داده‌های خام و نیز ارسال‌شان به زمین استفاده می‌شود. چهار آنتن نصب‌شده روی تلسکوپ نیز اطلاعات را به ماهواره‌های موقعیت‌یاب TDRSS ارسال می‌کنند. این ماهواره‌ها داده‌های دریافتی را به گیرنده‌ی رادیویی واقع در پایگاه وایت‌سندز ایالت نیومکزیکوی آمریکا، مخابره می‌کنند.

تصاویر تازه از راه رسیده

ساعت ۸:۴۲ روز یکشنبه، ۳۰ اردیبهشت ماه سال ۱۳۶۹ (۲۰ می ۱۹۹۰)، در حالی‌که هابل با ارتفاع ۶۱۰ کیلومتر از فراز گینه‌ی نو می‌گذشت، نخستین تصویرش را در حضور ۷۰ خبرنگار، به پایگاه فضایی گادرد ناسا ارسال کرد. این در حالی بود که هنوز دوره‌ی هشت‌ماهه‌ی تنظیمات و کالیبراسیون تجهیزات طی نشده بود.

نخستین تصویر دریافتی، بیشتر آزمایشی فنی بود تا یک کشف بزرگ تاریخی. هنوز چند روزی از ارسال نخستین تصویر طی نشده بود که شوک عظیمی جامعه‌ی علمی را فراگرفت: تصاویر هابل به خوبی فوکوس نمی‌شوند؛ آینه تلسکوپ، دچار کجنمایی کروی است.

هر چند تصاویر دریافتی تا حدی شفاف‌تر از تلسکوپ‌های زمینی بود، اما در حد دستاورد یک تلسکوپ فضایی هم نبود که بشر سال‌ها رویایش را در سر می‌پروراند. آینه‌ی هابل، به اندازه‌ی یک‌پنجاهم قطر موی انسان بیشتر تراشیده شده بود و همین امر، آن را در کانونی ساختن دقیق نور دریافتی، ناتوان می‌کرد. مشکلی که دانشمندان را مجبور به تراش آینه‌های تلسکوپ از نوع ویژه‌ی RCT کرده بود، حال خود به سراغ‌شان آمده بود.

پروژه ۱.۵ میلیارد دلاری³ ناسا می‌رفت تا به افتضاحی برای این سازمان باسابقه‌ی فضایی در جهان تبدیل شود، اما چندی نگذشت که دانشمندان راه حلی یافتند.

هابل به مشکل بزرگی برخورده بود، اما مشکلی هم نبود که دانشمندان پیش از آن تجربه‌اش نکرده باشند. راه حل آن، استفاده از آرایه‌ای از آینه‌های ظریف و خوش‌تراش بود تا با قرارگیری در مسیر نور بازتاب‌شده از آینه‌ی اصلی تلسکوپ، بتوانند نور دریافتی را به درستی کانونی کنند. قرار شد تا در نخستین ماموریت تعمیر، دوربین وقت هابل را با نمونه‌ی پیشرفته‌تری جایگزین کرده و ابزاری به نام COSTAR را روی تلسکوپ قرار دهند.

COSTAR، همان مجموعه‌ آینه‌های ظریفی بود، که قرار شد نقصان اپتیکی هابل را تصحیح کنند. حال، فضانوردان به مدت ۱۱ ماه برای یکی از چالش‌برانگیزترین ماموریت‌های تاریخ فضانوردی، آموزش‌های فشرده‌ای می‌دیدند. این بار نه‌تنها ماهیت این ماموریت از اساس بحرانی و خطرناک بود، بلکه برای نخستین بار توانایی تعوبض‌پذیر بودن تجهیزات هابل نیز در معرض آزمایش قرار می‌گرفت.

هابل، تعمیر می‌شود

دوم دسامبر ۱۹۹۳، شاتل فضایی ایندیور هفت فضانورد آموزش‌دیده‌اش را برای انجام ماموریتی پنج‌روزه راهی هابل کرد. آنها در طول این ماموریت طاقت‌فرسا، COSTAR را با ابزاری به نام «نورسنج پرسرعت»؛ و نیز «دوربین زاویه‌ی باز و سیاره‌ای» WFPC را با دوربینی پیشرفته‌تر به نام «دوربین زاویه‌ی باز و سیاره‌ای شماره‌ی ۲» WFPC، تعویض کردند.

مقایسه‌ی تصویری از کهکشان مارپیچی M100؛ پیش (بالا) و پس از رفع نقص کرویت آینه‌ی اصلی تلسکوپ / ناسا

نهم دسامبر، نخستین ماموریت تعمیر هابل با موفقیت تمام به اتمام رسید و ۳۵ روز بعد نیز اولین تصاویر تهیه شده به‌وسیله‌ی اپتیک تصحیح‌شده‌ی هابل، به زمین ارسال شد. تصاویر، این‌بار زیبا و شفاف بودند. هابل به همان تلسکوپی که دانشمندان قولش را داده بودند و رویایش را در سر می‌پروراندند، بدل شد.

در عین حال این اولین و آخرین مأموریت تعمیر هابل هم نبود. در فوریه‌ی سال ۱۹۹۷، فضانوردان شاتل فضایی دیسکاوری، ابزار «طیف‌سنج با توان تفکیک بالای گادرد» (GHRS) و «طیف سنج اجرام کم‌نور» (FOS) را به‌ترتیب با ابزارهای تازه‌نفسی به‌نام‌های «طیف سنج تصویری تلسکوپ فضایی» (STIS) و «دوربین مادون‌قرمز نزدیک و طیف‌سنج چندمنظوره» (NICMOS) تعویض کردند.

دوربین NICMOS، از محفظه‌ای محتوی نیتروژن جامد برای سرد کردن خود و کاهش نویز گرمایی ناشی از کارکرد تجهیزات درونی تلسکوپ استفاده می‌کرد تا پرتوهای مادون قرمز دریافتی از فضا، با پرتوهای گرمایی مصنوعی تلسکوپ آمیخته نشود. اما اندکی پس از نصب دوربین، به دلیل وقوع نوعی انبساط گرمایی ناخواسته، بخشی از محفظه‌ی نیتروژن با یکی از تجهیزات اپتیکی تلسکوپ برخورد کرد و دمای NICMOS را اندکی افزایش داد. در نهایت، عمر ۴.۵ ساله دوربین به ۲ سال تقلیل یافت.

هابل بار دیگر فعالیت‌های علمی‌اش را از سر گرفت و پس از گذشت دو سال، سه ژیروسکوپ از مجموع شش ژیروسکوپ آن که به هدایت و ناوبری تلسکوپ در فضا کمک می‌کردند از کار افتاد و چهارمی نیز تنها چند هفته پیش از آغاز سومین ماموریت تعمیر، از فعالیت بازایستاد. دسامبر سال ۱۹۹۹، شاتل فضایی دیسکاوری زمین را به مقصد هابل ترک کرد و در ماموریتی هشت روزه، فضانوردان تمامی شش ژیروسکوپ هابل را به همراه یکی از «حس‌گرهای هدایت‌گر ظریف» و یکی از رایانه‌ها، تعویض کردند. رایانه‌ی جدید، ۲۰ برابر سریع‌تر و حجم حافظه‌اش شش برابر بیشتر از رایانه‌ی قبلی موسوم به DF-224 بود.

در مارس ۲۰۰۲، شاتل فضایی کلمبیا فضانوردان را برای چهارمین بار به ملاقات با هابل فرستاد...

پانوشت:

۱- ر.ک. «پایان یک آغاز»

۳- مجموع هزینه‌های طراحی، ساخت، مونتاژ و پرتاب تلسکوپ فضایی هابل تا پیش از آغاز رسمی رصدها، در حدود 1.5 میلیارد دلار بود که این میزان با رشدی ده برابری در بیست سال اخیر، به‌واسطه‌ی انجام پنج مأموریت تعمیر و نیز تأمین هزینه‌های نگهداری در این مدت؛ به حدود 10 میلیارد دلار رسید.