Har du någonsin stirrat på natthimlen och undrat hur universum ser ut på nära håll? Även om du har turen att ha tillgång till ett markbaserat teleskop, vars klarhet beror på atmosfäriska faktorer som moln, kommer du inte att få den klarhet som dessa fantastiska himmelska objekt förtjänar. 1946 föreslog en astrofysiker vid namn Dr. Lyman Spitzer Jr. att man skulle sätta ett teleskop i rymden för att avslöja tydligare bilder.
Låter logiskt, eller hur? Detta var dock innan någon ens hade skickat upp en raket i yttre rymden. Blixt framåt till 1990, Hubble-teleskopet lanseras. Och var är Hubble-teleskopet? Space.
Som U.S. rymdprogrammet mognade på 1960- och 1970-talen, Spitzer lobbad NASA och kongressen för att utveckla ett rymdteleskop. 1975 började Europeiska rymdorganisationen (ESA) och NASA utarbeta de första planerna för det, och 1977 godkände kongressen de nödvändiga medlen. NASA utsåg Lockheed Missiles (nu Lockheed Martin) som entreprenören som skulle bygga teleskopet och dess stödsystem, samt montera och testa det.
Det berömda teleskopet är uppkallat efter den amerikanske astronomen Edwin Hubble, vars observationer av variabla stjärnor i avlägsna galaxer bekräftade att universum expanderade och gav stöd till Big Bang-teorin.
Innehåll
Efter en lång fördröjning på grund av Challenger-katastrofen 1986, sköt Hubble Space Telescope in i omloppsbana den 24 april 1990, med piggyback ombord på rymdfärjan Discovery. Sedan lanseringen har Hubble omformat vår syn på rymden, med forskare som skrivit tusentals artiklar baserade på teleskopets klarsynta fynd om viktiga saker som universums ålder, gigantiska svarta hål och hur stjärnor ser ut i dödens lopp.
I den här artikeln kommer vi att prata om hur Hubble har dokumenterat yttre rymden och de instrument som har tillåtit den att göra det. Vi kommer också att prata om några av de problem som det ärevördiga teleskopet/rymdfarkosten har stött på på vägen.
Nästan omedelbart efter att den sattes ut 1990 upptäckte astronomer ett problem med deras älskade 1,5 miljarder dollar, 43,5 fot (13,3 m) teleskop. Deras nya öga på himlen i traktor-släpstorlek kunde inte fokusera ordentligt. De insåg att teleskopets primära spegel hade slipats till fel dimension. Även om defekten i spegeln - ungefär lika med en femtiodel av tjockleken på ett människohår - skulle verka löjligt minut för de flesta av oss, fick det Hubble Space Telescope att drabbas av sfärisk aberration och producera suddiga bilder. Astronomerna tillbringade säkert inte flera år med att arbeta på teleskopet bara för att vara nöjda med omärkliga ögonblicksbilder av yttre rymden.
Forskare kom på en ersättningslins som heter COSTAR (Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement) för att reparera defekten i HST. COSTAR bestod av flera små speglar som skulle fånga upp strålen från den defekta spegeln, fixa defekten och vidarebefordra den korrigerade strålen till de vetenskapliga instrumenten i spegelns fokus.
NASA-astronauter och personal tillbringade 11 månader med att förbereda sig för vad som skulle bli ett av de mest utmanande rymduppdragen som någonsin försökts. Slutligen, i december 1993, raketerade sju män ombord på rymdfärjan Endeavour ut i rymden för HST:s första serviceuppdrag.
Det tog besättningen en vecka att göra alla nödvändiga reparationer, och när teleskopet testades efter serviceuppdraget förbättrades bilderna avsevärt. Idag har alla instrument placerade i HST inbyggd korrigerande optik för spegelns defekt, och COSTAR behövs inte längre.
Det finns dock mer med Hubble än COSTAR, och vi kommer att prata om några av de kritiska delarna härnäst.
Som alla teleskop har HST ett långt rör som är öppet i ena änden för att släppa in ljus. Den har speglar för att samla ihop och föra ljuset till ett fokus där dess "ögon" finns. HST har flera typer av "ögon" i form av olika instrument. Precis som insekter kan se ultraviolett ljus eller vi människor kan se synligt ljus, måste Hubble också kunna se olika typer av ljus som regnar ner från himlen.
Specifikt är Hubble ett Cassegrain-reflektorteleskop. Det betyder bara att ljus kommer in i enheten genom öppningen och studsar från den primära spegeln till en sekundär spegel. Den sekundära spegeln reflekterar i sin tur ljuset genom ett hål i mitten av den primära spegeln till en brännpunkt bakom den primära spegeln. Om du ritade vägen för det inkommande ljuset skulle det se ut som bokstaven "W", förutom med tre nedåtgående pucklar istället för två.
I brännpunkten fördelar mindre, halvt reflekterande, halvtransparenta speglar det inkommande ljuset till de olika vetenskapliga instrumenten. (Vi kommer att prata mer om dessa instrument i nästa avsnitt.) Som du kanske har gissat är dessa inte bara vanliga speglar som du kan titta in i för att beundra din reflektion.
HST:s speglar är gjorda av glas och belagda med lager av rent aluminium (tre miljondelar av en tum tjockt) och magnesiumfluorid (en miljondels tum tjockt) för att få dem att reflektera synligt, infrarött och ultraviolett ljus. Den primära spegeln är 7,9 fot (2,4 meter) i diameter och den sekundära spegeln är 1,0 fot (0,3 meter) i diameter.
Därefter ska vi prata om vad Hubble gör med allt ljus efter att det träffat teleskopets speglar.
Genom att titta på de olika våglängderna, eller ljusspektrumet, för ett himlaobjekt kan du urskilja många av dess egenskaper. För att göra detta är HST utrustad med flera vetenskapliga instrument. Varje instrument använder laddningskopplade enheter (CCD) snarare än fotografisk film för att fånga ljuset. Ljuset som upptäcks av CCD:erna omvandlas till digitala signaler, som lagras i omborddatorer och vidarebefordras till jorden. Den digitala informationen omvandlas sedan till fantastiska bilder. Låt oss titta på hur varje instrument bidrar till dessa bilder.
Wide Field Camera 3 (WFC3) är ett av Hubbles primära bildinstrument. WFC3 har två kanaler och fångar både ultraviolett och infrarött ljus, vilket utökar Hubbles observationsräckvidd. Den använder två distinkta rektangulära chips för sina ultravioletta/synliga och infraröda kanaler. Tillsammans med en omfattande uppsättning filter gör WFC3 det möjligt för astronomer att samla in komplicerade detaljer om himmelska objekt, vilket gör det till en central uppgradering från Wide Field and Planetary Camera 2 (WFPC2) i Hubbles långvariga uppdrag.
Ofta kan interstellär gas och damm blockera vår syn på det synliga ljuset från olika himlaobjekt. Inga problem:Hubble kan se det infraröda ljuset, eller värmen, från föremål som är gömda i damm och gas. För att se detta infraröda ljus har HST tre känsliga kameror som utgör Near Infrared Camera och Multi-Object Spectrometer (NICMOS).
Förutom att belysa ett himlaobjekt kan ljuset som kommer från det objektet också avslöja vad det är gjort av. De specifika färgerna talar om för oss vilka element som finns, och intensiteten för varje färg talar om för oss hur mycket av det elementet som finns. Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS) separerar ljusets inkommande färger ungefär som ett prisma gör en regnbåge.
Förutom att beskriva den kemiska sammansättningen kan spektrumet förmedla temperaturen, densiteten och rörelsen hos ett himlaobjekt. Om föremålet rör sig kan det kemiska fingeravtrycket förskjutas mot den blå änden (rör sig mot oss) eller den röda änden (rör sig bort från oss) av spektrumet. Tyvärr tappade STIS ström 2004. Den reparerades 2009.
Under ett serviceuppdrag i februari 2002 lade astronauterna till Advanced Camera for Surveys (ACS), vilket fördubblade Hubbles synfält och ersatte Faint Object Camera, som fungerade som HST:s teleobjektiv.
ACS, som ser synligt ljus, installerades för att kartlägga distributionen av mörk materia, upptäcka universums mest avlägsna objekt, söka efter massiva planeter och undersöka utvecklingen av galaxhopar. Forskare uppskattade att det skulle pågå i fem år, och precis som en strömbrist inaktiverade två av dess tre kameror i januari 2007.
Det sista instrumentet ombord på HST är dess Fine Guidance Sensors (FGS), som riktar teleskopet och exakt mäter stjärnornas positioner och diametrar, såväl som separationen av binära stjärnor. Hubble har totalt tre av dessa sensorer; två för att rikta teleskopet och hålla det fixerat på sitt mål, leta efter "guide" stjärnor i HST-fältet nära målet. När varje FGS hittar en ledstjärna låser den sig på den och matar tillbaka information till HST-styrsystemet för att hålla den ledstjärnan i sitt område. Medan två sensorer styr teleskopet är en fri att göra astrometriska mätningar (stjärnpositioner). Astrometriska mätningar är viktiga för att upptäcka planeter eftersom kretsande planeter gör att förälderstjärnorna vinglar när de rör sig över himlen.
Nu vet du hur Hubble tar alla dessa bilder. Vi kommer att lära oss om Hubbles andra liv som rymdfarkost härnäst.
Hubble är inte bara ett teleskop med högt specialiserade vetenskapliga instrument. Det är också en rymdfarkost. Som sådan måste den ha makt, kommunicera med marken och kunna ändra sin attityd (orientering).
Alla instrument och datorer ombord på HST kräver ström. Två stora solpaneler uppfyller detta ansvar. Varje vingliknande panel kan omvandla solens energi till 2 800 watt elektricitet. När HST är i jordens skugga kan energi som har lagrats i batterier ombord hålla teleskopet i 7,5 timmar.
Förutom att generera ström måste HST:n kunna prata med styrenheter på marken för att vidarebefordra data och ta emot kommandon för sina nästa mål. För att kommunicera använder HST en serie reläsatelliter som kallas Tracking and Data Relay Satellite (TDRS)-systemet. För närvarande finns det fem TDRS-satelliter på olika platser på himlen.
Hubbles kommunikationsprocess är också hjälpt av de två huvuddatorerna som passar runt teleskopets rör ovanför de vetenskapliga instrumentfackarna. En dator pratar med marken för att överföra data och ta emot kommandon. Den andra datorn ansvarar för att styra HST och olika hushållsfunktioner. Hubble har också reservdatorer i händelse av en nödsituation.
Men vad används för att hämta data? Och vad händer med den informationen efter att den har samlats in? Fyra antenner placerade på teleskopet sänder och tar emot information mellan Hubble och Flight Operations Team vid Goddard Space Flight Center i Greenbelt, MD. Efter att ha mottagit informationen skickar Goddard den till Space Telescope Science Institute (STScI) i Maryland, där den översätts till vetenskapliga enheter som våglängd eller ljusstyrka.
Lär dig hur Hubble navigerar härnäst.
Hubble zoomar runt jorden var 97:e minut, så det kan vara svårt att fokusera på ett mål. Tre system ombord gör att teleskopet kan förbli fixerat på ett föremål:gyroskop, sensorerna för finstyrning som vi pratade om i föregående avsnitt och reaktionshjul.
Gyroskopen håller koll på Hubbles grova rörelser. Liksom kompasser känner de av dess rörelse och talar om för flygdatorn att Hubble har flyttat sig bort från målet. Flygdatorn beräknar sedan hur mycket och i vilken riktning Hubble måste röra sig för att förbli på målet. Flygdatorn styr sedan reaktionshjulen för att flytta teleskopet.
Hubbles Fine Guidance-sensorer hjälper till att hålla teleskopet fixerat på sitt mål genom att titta på ledstjärnor. Två av de tre sensorerna hittar ledstjärnor runt målet inom sina respektive synfält. När de hittats låser de sig vid ledstjärnorna och skickar information till flygdatorn för att hålla ledstjärnorna inom sitt synfält. Sensorerna är känsligare än gyroskopen, men kombinationen av gyroskop och sensorerna kan hålla HST fixerad på ett mål i timmar, trots teleskopets orbitala rörelse.
HST kan inte använda raketmotorer eller gaspropeller för att styra som de flesta satelliter gör, eftersom avgaserna skulle sväva nära teleskopet och grumla det omgivande synfältet. Istället har HST reaktionshjul orienterade i de tre rörelseriktningarna (x/y/z eller pitch/roll/yaw). Reaktionshjulen är svänghjul, som de som finns i en koppling. När HST behöver röra sig talar flygdatorn om för ett eller flera svänghjul i vilken riktning de ska snurra i och hur snabbt, vilket ger aktionskraften. I enlighet med Newtons tredje rörelselag (för varje åtgärd finns det en lika och motsatt reaktion), snurrar HST i motsatt riktning mot svänghjulen tills den når sitt mål.
Finns det något som Hubble inte kan göra?
Även om HST är ansvarig för otaliga otroliga bilder och upptäckter, har den några begränsningar.
En av dessa begränsningar är att HST inte kan observera solen eftersom det intensiva ljuset och värmen skulle steka dess känsliga instrument. Av denna anledning är HST alltid riktad bort från solen. Det betyder också att Hubble inte heller kan observera Merkurius, Venus och vissa stjärnor som är nära solen.
Förutom objektens ljusstyrka begränsar Hubbles bana också vad som kan ses. Ibland blockeras mål som astronomer vill att Hubble ska observera av jorden själv när Hubble kretsar runt. Detta kan begränsa tiden för att observera ett givet objekt.
Slutligen passerar HST genom en del av Van Allens strålningsbälten, där laddade partiklar från solvindarna fångas av jordens magnetfält. Dessa möten orsakar hög bakgrundsstrålning, som stör instrumentens detektorer. Det är omöjligt för teleskopet att göra observationer under dessa perioder.
Lär dig sedan vad framtiden har för det stora observatoriet på himlen.
Som med all teknik kvarstår frågor om Hubbles framtida livskraft och roll i rymdforskningen. Ursprungligen avsedd för ett 15-årigt uppdrag har den överlevt förväntningarna, delvis tack vare flera serviceuppdrag av NASA-astronauter. Dessa uppdrag har inte bara reparerat och ersatt åldrande utrustning utan också uppgraderat dess instrument, vilket gör att Hubble kan förbli i framkanten av astronomisk forskning.
NASA har inte satt ett definitivt pensionsdatum för Hubble. Istället förväntas det fortsätta att fungera så länge dess instrument förblir funktionella och ger värdefull data. Dess fortsatta bidrag, även mitt i osäkerheter, står som ett bevis på den bestående effekten av väldesignade rymduppdrag och den mänskliga andans motståndskraft för att utforska och förstå vårt universum.
James Webb Space Telescope (JWST), uppkallat efter den tidigare NASA-administratören James Webb, studerar varje fas i universums historia. Från sin omloppsbana ungefär 1,6 miljoner km från jorden, avslöjar teleskopet information om födelsen av stjärnor, andra solsystem och galaxer, och utvecklingen av vårt eget solsystem.
För att göra dessa fascinerande upptäckter förlitar sig JWST i första hand på fyra vetenskapliga instrument:en nära-infraröd (IR) kamera, en nära-IR-flerobjektspektrograf, ett mid-IR-instrument och en inställbar filteravbildare.
Men innan vi går vidare till JWST och glömmer Hubble, kanske det hårt arbetande teleskopet förtjänar ett ögonblick. Tack vare Hubbles oöverträffade upptäckter har fängslande bilder av det som ligger bortom jordens atmosfär gjorts tillgängliga för alla att njuta av. Från en sällsynt anpassning mellan två spiralgalaxer till en kraftfull kollision mellan galaxhopar, har Hubble fört en liten bit av himlen närmare hemmet.
Den här artikeln har uppdaterats i samband med AI-teknik, sedan faktagranskad och redigerad av en HowStuffWorks-redaktör.
