الأجهزة العلمية على متن تلسكوب هابل الفضائي

• الكاميرا الكوكبية واسعة المجال 2 (Wide Field and Planetary Camera 2)

تم إزالة الكاميرا الكوكبية واسعة المجال 2، أو WFPC2، من التلسكوب في أواسط عام 2009 من أجل إزاحة الطريق أمام تركيب الكاميرا الكوكبية واسعة المجال 3. كانت الكاميرا الكوكبية واسعة المجال 2 وراء الكثير من الصور الشهيرة لهابل. و قد ظلت هذه الكاميرا الأساسية في هابل حتى تم تركيب الكاميرا الاستقصائية المتقدمة عام 2002. و قد رصدت هذه الكاميرا كل شيء تقريبا، وسجلت صورا صافية جدا للأجسام البعيدة والموجودة في حقل رؤيتها الواسع. كما سمحت مرشحاتها الثمانية والأربعون للعلماء بالقيام بدراسة دقيقة للأطوال الموجية للضوء وبتحسس مجال من الأطوال الموجية انطلاقا من القريب من تحت الأحمر وصولا إلى فوق البنفسجي. ويوضح الشكل التالي مخططاً للكاميرا الكوكبية واسعة المجال 2: 

لا حاجة إلى فلم

CCDs عبارة عن دارات الكترونية مؤلفة من عناصر تصوير حساسة للضوء (البيكسلات) –خلايا صغيرة موجودة معا تشبه شبكة موجودة على باب ما. يحتوي كل من الـ CCDs الأربعة الموجودة على 64000 بيكسل. يتم تحويل الضوء المجمع من قبل كل بيكسل إلى رقم. بعد ذلك، يتم إرسال الأرقام (كل 2560000 معا) إلى الحواسيب الأرضية التي تُحولها إلى صور.

 

لماذا تبدو الصور ممتعة جدا؟

ينتج عن التصميم الفريد للكاميرا الكوكبية واسعة المجال 2 مظهر متدرج للكثير من صورها. يتألف قلب الكاميرا الكوكبية واسعة المجال 2 من أربع كاميرات: الكاميرا "الكوكبية" عالية الدقة وثلاث كاميرات "واسعة المجال". على الرغم من أنه يمكن للكاميرا الكوكبية رؤية منطقة صغيرة من السماء، إلا أنها تحوي نفس العدد من البيكسلات ضمن مساحة أصغر، مما يؤدي إلى الحصول على صورة مفصلة بشكل أكبر. إن الفرق بين الكاميرا الكوكبية والكواشف واسعة المجال يُشابه ذلك الموجود بين العدسات واسعة الزاوية والعدسات المقربة. 

تم استبدال الكاميرا الكوكبية واسعة المجال الأساسية على هابل بالكاميرا الكوكبية واسعة المجال 2 أثناء مهمة الخدمة الأولى في ديسمبر 1993. وقد كان مختبر الدفع النفاث في باسادينا بكاليفورنيا المسؤول عن بناء WFPC2. ويشرح الفيديو التالي أهمية هذه الكاميرا: 

• كاميرا الأجسام الخافتة (The Faint Object Camera)

عملت كاميرا الأجسام الخافتة، التي تمت إزالتها في وقت مبكر عام 2002، خلال وجودها على متن هابل كعدسة مقربة للتلسكوب. وقد سجلت FOC صورا عالية الدقة للأجسام السماوية الخافتة الموجودة في الفضاء السحيق، لتأخذ بالتالي صورا مفصلة بشكل هائل على امتداد حقل صغير للرؤية. تم استبدالها بالكاميرا الاستقصائية المتقدمة، التي تمتلك قدرة أعلى.

 

الدقة البالغة

سمحت دقة FOC لهابل بالحصول على صور لنجوم منفردة موجودة داخل العناقيد النجمية البعيدة. فالدقة هي القدرة على الفصل بين نقطتين ضوئيتين وتمييز كل منهما على حدة. في الفضاء، يميز الجهاز بين الأجسام التي تبلغ المسافة بينها حوالي 0.05 ثانية قوسية وهو ما يكافئ مشاهدة عرض شعرة إنسان من بعد يصل إلى 1 كيلومتر. ولو كان لدى العين البشرية هذه القدرة، فسنكون قادرين على التمييز بين زوج من الأضواء الأمامية لسيارة ما من مسافة تصل إلى 5000 ميل. وفي الشكل التالي صورة لكاميرا الأجسام الخافتة:

غربلة الأطوال الموجية

تقوم FOC بتوجيه الضوء عبر أحد مسارين بصريين. يدخل الضوء إلى كاشف بعد المرور عبر مرشح أو أكثر، مما يسمح لأطوالٍ موجية محددة فقط بالعبور. ومن خلال اختيار مجالات أطوال موجية محددة، يُمكن للعلماء البحث عن مميزات خاصة، مثل النجم الأكثر سخونة الموجودة في عنقود نجمي معين.

 

يقوم الكاشف بتعزيز الصورة ومن ثمَّ تسجيلها، بشكلٍ مشابه لكاميرا الفيديو. حيث يتم إنشاء صور الأجسام الخافتة بالاعتماد على أزمنة تعريض طويلة. يتم تحويل الصور الإجمالية إلى بيانات رقمية، ومن ثمَّ إرسالها إلى الأرض ليتم بعد ذلك إعادة تركيبها من جديد.

طالما أنه بإمكان FOC إجراء مراقبات عالية الدقة للمصادر الخافتة عند أطوال موجية مرئية وتحت حمراء، فإنه يمكنها دراسة العناقيد النجمية، وفحص المجرات والأجسام الخافتة (مثل الكوازارات)، وكذا البحث عن تفاصيل صغيرة في الأجسام السماوية. وقد تكفلت وكالة الفضاء الأوروبية ببناء FOC .

 

المشاهد الجيدة القادمة من FOC :

1. الكوازارات التعديسية الثقالية.
2. السطح الفعلي لنجم ما، مثل منكب الجوزاء.
3. العناقيد الكروية.
4. نظام بلوتو/شارون.     

 

• بصريات هابل المذهلة

ما الذي يُعطي هابل مثل هذه القدرة الفريدة على الرؤية؟ وما الذي يجعل من صوره للأجسام البعيدة صافية جدا؟ يُشكل موقعه فوق الغلاف الجوي جزءا فقط من الإجابة. فدون قدرة الرؤية القوية، لما تمكن هابل من الاستفادة بشكل كامل من موقعه الاستثنائي.

"عيون" هابل هي في الواقع عبارة عن نظام يعرف بالمجمع التلسكوبي البصري. ويتألف هذا النظام من مرآتين، ودعمات، وفتحات للأجهزة. كما يمتلك النظام البصري لهابل تصميما بسيطا يعرف بـ (Ritchey-Chretien Cassegrain)، وفيه تشكل مرآتان صورا مركزة على أكبر حقل رؤية متاح لها.

 

مسار الضوء

يتحرك الضوء القادم إلى التلسكوب عبر قناة مجهزة بحواجز تمنع الضوء الشارد من الدخول. كما تجمع مرآة رئيسية مقعرة (منحنية نحو الداخل كالوعاء) الضوء لتقوم بعدها بعكسه نحو مرآة ثانوية محدبة وأصغر منها(منحنية نحو الخارج كالقبة). وتقوم المرآة الثانوية بعكس الضوء من جديد نحو المرآة الرئيسية عبر ثقب موجود في مركزها. ومن ثمَّ يُركز الضوء في مساحة صغيرة تعرف بالمستوي المحرقي حيث يتم التقاطه من قبل أجهزة علمية مختلفة. ويوضح المخطط التالي مسار الضوء في التلسكوب:

جودة المرآة

مرايا هابل ناعمة جدا وتتمتع بسطوح عاكسة شكلها دقيق جدا. جُمعت هذه السطوح، المُشكلة عبر إزالة الزجاج باستخدام المواد الكاشطة، بحيث لا تقوم بالانحراف عن المنحني المثالي بأكثر من جزء من 800000 من الإنش الواحد. وإذا ما تم تكبير قطر مرآة هابل ليصل إلى قطر الأرض، فإن أي نتوء فيها سيصل ارتفاعه إلى 6 إنش في أقصى الأحوال.

بعد نشر تلسكوب هابل عام 1990، وجد العلماء أن المنحني الذي أُسست وفقا له المرآة الرئيسية كان غير صحيح، مما تسبب في حصول "انحرافات كروية". ولحسن الحظ، تمكنت البصريات التصحيحية من حل هذه المشكلة.

 

مرايا هابل مصنوعة من زجاج تمدده فائق الصغر، ويُحافظ عليه عند درجة حرارة الغرفة دوما لتجنب الانحناء (حوالي 70 درجة فهرنهايت). أما السطوح العاكسة فهي عبارة عن طبقة من فلوريد الماغنيزيوم التي تبلغ سماكتها جزء من المليون من الإنش. يجعل فلوريد الماغنيزيوم من المرايا عاكسة بشكل أكبر للأشعة فوق البنفسجية. وتوضح الصورة التالية صورة للمرآة الرئيسية للتلسكوب:

• المجمع التلسكوبي البصري

المرآة الرئيسية

يبلغ قطر المرآة الرئيسية لتلسكوب هابل الفضائي 2.4 متر (94.5 إنش)، وتقوم هذه المرآة بالتقاط الضوء القادم من الفضاء وتركيزه نحو مرآة ثانوية.

المرآة الثانوية

هي مرآة أصغر من المرآة الرئيسية (بقطر 0.3 متر، أي 12.2 إنش) تقوم بإعادة توجيه الضوء القادم من المرآة الرئيسية عبر ثقب موجود في مركز المرآة الرئيسية، ليتجه الضوء بذلك مباشرة نحو الأجهزة العلمية.

البصريات التصحيحية 

زودت الأجهزة العلمية بأجهزة تصحيح لتعويض الشكل غير المثالي للمرآة الرئيسة. لكن الأجهزة العلمية التي زُود التلسكوب بها لاحقا احتوت على قياسات مصححة ذاتية. ساعدت هذه الأنظمة في لعب دور بديل تصحيحي محوري وبصري على متن التلسكوب الفضائي (COSTAR). و قد أُزيل COSTAR عام 2009 خلال مهمة الخدمة الرابعة.

 

• البديل التصحيحي البصري والمحوري (The Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement)

أزيل البديل المحوري والتصحيحي-البصري للتلسكوب الفضائي (COSTAR) من تلسكوب هابل الفضائي خلال مهمة الخدمة الرابعة عام 2009. لقد كان جهازا عبقريا صُنع لحل مشكلة التلسكوب الشهيرة.

 

مباشرة بعد بدء التلسكوب بإرسال الصور من الفضاء، اكتشف العلماء أن المرآة الرئيسية للتلسكوب تُعاني من عيب يُعرف بالشذوذ الكروي. كانت الحافة الخارجية للمرآة مصممة بشكل مسطح جدا، وبسماكة وصلت إلى 4 ميكرون، أي خمس سماكة شعرة الإنسان تقريبا. وقد نتج عن هذا العيب ضبابية في الصور، وذلك بسبب تشتت بعض الضوء القادم من الأجسام التي تتعرض للدراسة.

بعد اكتشاف هذا الأمر، طور العلماء والمهندسون COSTAR، وهو بصريات تكيفية تلعب دور النظارات الطبية ليستعيد هابل بصره. وبوضع مرايا صغيرة مصممة بحذر كبير في مقدمة الأجهزة الأصلية لهابل، نجح COSTAR –الذي تم تركيبه خلال مهمة الخدمة الأولى عام 1993 –في تحسين رؤية تلك الأجهزة وتحقيق الأهداف التصميمة الأصلية.

 

صُممت بصريات الكاميرا الكوكبية واسعة المجال 2 (أو WFPC2)، التي تم تركيبها خلال مهمة 1993، لتُصحح ذلك الشذوذ الكروي. ومثلت بذلك اللحظة الأولى التي يُزود فيها هابل بأجهزة بصريات تصحيحية مدمجة. 

كما زودت كل الأجهزة، التي تم تركيبها في التلسكوب بعد ذلك، بهذه التصحيحات للشذوذ الكروي، مما جعل من وجود COSTAR الذي صنعته شركة بول لعلم الطيران أمرا غير ضروري في النهاية. وأثناء مهمة الخدمة الرابعة، أزال رواد الفضاء COSTAR لإفساح الطريق أمام جهاز علمي جديد، وهو راسم طيف الأصول الكونية.

 

• الدقة 101

عندما يتكلم علماء الفلك عن مدى وضوح رؤية التلسكوب، فإنهم يُشيرون إلى قدرته على التمييز، أو دقته –مدى جودة البيانات التي يستطيع رؤيتها، أو مدى قدرته على رؤية الأجسام القريبة جدا من بعضها كالنجوم، أي مدى استطاعته تمييزها كجسمين. ويقيس علماء الفلك قدرة التمييز لتلسكوب ما بوحدة الدرجات، التي تُقسم إلى الدقيقة القوسية والثانية القوسية.

1 درجة =60 دقيقة قوسية =3600 ثانية قوسية

 

بالكاد يستطيع أفضل التلسكوبات الموجودة فوق الأرض رؤية تفاصيل موجودة في عرض أقل من ثانية قوسية، أو التمييز بين نجمين يفصل بينهما أقل من ثانية قوسية في السماء. وينتج ذلك عن اضطراب الغلاف الجوي للأرض، الذي يتسبب في تموج الصور. وبالمقارنة، يستطيع تلسكوب هابل رؤية تفاصيل داخل عرض أقل من 0.1 ثانية –أي أشد وضوحا بـ 10000 مرة. وهذه هي أحد الأسباب الرئيسية التي دفعت علماء الفلك لاستخدام هابل.

 

• الطيف 101

كل المعلومات التي بحوزتنا عن الكون جاءتنا من الضوء. ومعلوم أن الضوء الأبيض، كضوء النجوم، مؤلف من ألوان قوس قزح –الطيف الضوئي المرئي. يُمثل كل لون من ألوان الطيف طولا موجيا مختلفا. فعلى سبيل المثال، فإن الجسم الذي نراه بلونٍ أحمر يقوم بعكس الطول الموجي "الأحمر" من الضوء، ويمتص الألوان الأخرى من الطيف.

 

يعد الضوء المرئي شكلا من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي –كما هي الحال مع الأمواج الراديوية، والميكروية، والإشعاع تحت الأحمر، والأشعة فوق البنفسجية، والأشعة اكس، والأشعة غاما. تتحرك الأشعة الكهرومغناطيسية عبر الفضاء بسرعة الضوء، أي 186000 ميل (300000) في الثانية.

يُمثل الضوء الذي نراه جزءا صغيرا جدا من الطيف الكهرومغناطيسي. وتمتلك إحدى نهايات الطيف "الأمواج الراديوية" أطوالا موجية أكبر بمليارات المرات من الطول الموجي للضوء المرئي. أما النهاية الأخرى من الطيف "أشعة غاما"، فتمتلك أطوالا موجية أصغر بملايين المرات من الطول الموجي للضوء المرئي. تتعلق الأطوال الموجية بشكل مباشر بكمية الطاقة التي تحملها الموجة؛ فكلما كان الطول الموجي للإشعاع أقصر، كلما كانت طاقته أكبر.

 

• المرشحات

هناك طرق مختلفة لعزل الأنواع المختلفة من الضوء. فعلى سبيل المثال، وعلى الرغم من أن أعيننا لا تستطيع رؤية الضوء فوق البنفسجي، إلا أنه بالإمكان تسجيل هذا الضوء بجعل ضوء النجم يمر في مرشح، ومن ثم يسقط في كاشف خاص. وتوضح الصورة التالي مجموعة من المرشحات الخاصة بالتلسكوب والعاملة في المجال فوق البنفسجي:

يستخدم هابل مرشحات خاصة لغربلة الأنواع المختلفة من الضوء القادم من جسمٍ ما لا يقوم العلماء بدراسته حاليا. تسمح هذه المرشحات لمجال محدد من الأطوال الموجية بالمرور عبرها. وحالما يُصادف ضوء غير مرغوب فيه، يتم استبعاده مباشرة، ويسمح للضوء الناجم عن هذه العملية بالدخول إلى كاشف ضوئي حساس أو أكثر.

يؤدي هذا الأمر إلى إنتاج صورة للنجم عند الطول الموجي المُختار. وطالما أن الكواشف تستطيع اكتشاف الضوء الموجود خارج الطيف المرئي، فإن استخدام المرشحات يسمح للعلماء برؤية الأجسام "غير المرئية" –تلك الأجسام التي يُمكن مشاهدتها في مجال الأضواء تحت الحمراء وفوق البنفسجية فقط. وتوضح الصورة التالية مجموعة المرشحات العاملة في المجال تحت الأحمر: 

 

---

ترجمة: همام بيطار

التدقيق اللغوي: زينب أوزيان