وسایل شناخت و کند و کاو آسمان شب

نویسنده: مهندس علیرضا وفا– کارشناس ارشد مهندسی فضایی

از نخستین روزگار که بشر با نگاه کردن به آسمان شب و تفکر در حرکت خورشید و ماه و ستارگان در پی پاسخ به سئوالات بیشماری بود که در ذهن کنجکاوش بوجود آمد، قرنهای متمادی با یکی از پیشرفته ترین آشکارسازهای طبیعت یعنی چشم انسان به رصد و کَند و کاو مشغول بوده و هست.
چشم انسان دارای ویژگیهای منحصر به فردی است که هنوز هم بشر قرن بیست و یکم قادر به ساخت آشکارسازی با تمامی ویژگیهای چشم نمی باشد.

چشم انسان بعنوان یکی از شاهکارهای آفرینش از دیدگاه متخصصین یک آشکارساز بسیار قدرتمند به حساب می آید. آشکارسازی که فناوریهای قرن بیست و یکم در باز تولید آن هنوز عاجزند!

بعنوان مثال توان تفکیک چشم را در مراجع مختلف بین 80 تا 320 مگاپیکسل ارزیابی کرده اند. یکی از ویژگیهای منحصر به فرد چشم که در دنیای نجوم و ستاره شناسی نقش تعیین کننده ایفا می کند توانایی تغییر حساسیت چشم در روشناییهای مختلف است. در نور روز و زیر آفتاب درخشان چشم انسان مانند فیلم عکاسی با حساسیت 25 در مقیاس ISO (مقیاس استاندارد بین المللی) و در زیر آسمان تاریکترین نقاط، بدور از هرگونه آلودگی نوری حساسیت چشم تا 6400 در مقیاس ISO عمل می کند! قطر دهانه ورودی پرتوهای نوری به چشم که توسط مردمک کنترل می شود نیز بسته به شرایط محیطی کم و زیاد می شود. در تاریکی مطلق بطور متوسط بیشترین گشودگی چشم 6 میلیمتر است که بسته به سنِ افراد این عدد متغیر است. معمولاً مردمک کودکان تا 7 میلیمتر و افراد مسن در بیشترین گشودگی 5 میلیمتر باز می شود. یکی از نکات مهم و قابل تأمل در خصوص مراقبت از چشمها در شبهای رصدی توجه به فرآیند تطابق چشم با تاریکی است. همانگونه که گفته شد حساسیت و گشودگی مردمک چشم بطور شیمیایی و فیزیکی به گونه ای می شوند که چشم قادر به دیدن یا رصد باشد. حال پرتوی پرقدرت نوری مانند نور فلاش یا چراغ قوه ای قوی بر چشم رصدگر می تواند صدماتِ جبران ناپذیری را به آن وارد کند. برای حفظ تطابق چشم با تاریکی بهتر است در شبهای رصدی برای خواندن نقشه ها یا پیدا کردن اجسام، از نور ملایم قرمز رنگ استفاده کنید.
پدیده ها و سوژه های رصدی نیز خاصِ بررسی و ثبت توسط چشمِ غیرمسلح هستند. رصدِ صورفلکی، خرمن ماه و خورشید، دنباله دارهای بزرگ و نورانی و بارشهای شهابی همگی توسط چشم غیرمسلح صورت می پذیرد. دورترین جرم قابل مشاهده توسط چشم غیرمسلح نیز معمولاً کهکشان بزرگ M31 در فاصله حدوداً سه میلیون سال نوری از ما ذکر می شود ولی گزارشهای معتبری از رصد کهکشانهای کم نورتر مانند M81 در فاصله 11 میلیون سال نوری در شبهای استثنائی توسط منجمان با تجربه در دست است.
با اختراع تلسکوپ و استفاده از آن در نجوم و ستاره شناسی، انقلابی در عرصه این علم بوجود آمد. اخترشناس شهیر ایتالیایی نخستین فردی بود که در سال 1610میلادی از تلسکوپ برای رصد و بررسی اجرام سماوی استفاده نمود. وی دهانه ها و عوارض همسایه زمین ماه، قمرهای گلیله ای سیاره مشتری، هلال سیاراتی مانند زهره، حلقه های زحل و حتی میلیونها ستاره ای که مانند ابر یکپارچه ای راه شیری را تشکیل می دهند برای اولین بار با تلسکوپ رصد و مشاهده کرد. از آن زمان تا به امروز بر شگفتی بشر از پیچیدگی و زیبایی جهان هستی با ساخت و استفاده از تلسکوپهای بزرگتر و دقیقتر هر روز افزوده می گردد. همکنون حتی منجمان آماتور به تلسکوپهایی دسترسی دارند که با استفاده از آنها می توان کهکشانها و اختروشهایی در میلیاردها سال نوری از زمین را رصد و مشاهده کرد و از طرفی به کشف و بررسی سیارات فراخورشیدی در کهکشان راه شیری پرداخت!

سمت راست نخستین تلسکوپی که گالیله با آن چشم به آسمانِ بیکران دوخت و عظمت و زیبایی شکوه خلقت را از منظری دیگر مشاهده کرد. سمت چپ یک تلسکوپِ آماتوری مجهز به سیستمِ ردیابی و پیدا کردن خودکار اجرام سماوی.

بطور کلی تلسکوپهای نوری به سه دسته تقسیم می شوند: تلسکوپهای شکستی(انکساری یا گالیله ای)، بازتابی (انعکاسی یا نیوتنی) و تلسکوپهای کاتادیوپتریک.

بترتیب از بالا به پایین: سیستم اپتیکی تلسکوپ شکستی، تلسکوپ بازتابی و تلسکوپ کاتادیوپتریک و مسیر پرتوهای نوری در تلسکوپ.

در تلسکوپهای شکستی وظیفه جمع آوری نور توسط یک عدسی به نام عدسی شیئی تلسکوپ صورت می گیرد و در نهایت تصویر حقیقی تشکیل شده در کانون عدسی شیئی توسط سیستم دیگری از عدسی ها به نام چشمی بزرگ شده و به چشم ناظر می رسد. در تلسکوپهای بازتابی وظیفه جمع آوری نور جرم آسمانی و تشکیل تصویرِ اولیه برعهده یک آینه مقعر است که به آینه شیئی تلسکوپ موسوم است. تصویر حقیقی تشکیل شده توسط شیئی مشابه تلسکوپ شکستی توسط عدسی چشمی، بزرگ و بطور مناسب به چشم رصدگر می رسد. در هر دو نوع این سیستمها اصطلاحاً عیوب یا کج نماییهای اپتیکی وجود دارد که با روشهای خاصی آنرا ازبین برده یا به حداقل می رسانند. در تلسکوپهای شکستی معمولاً با استفاده از سیستمهای دو یا چند تایی از عدسی به جای یک تک عدسیِ شیئی اینکار را انجام می دهند و در تلسکوپهای بازتابی با سهمی ساختنِ آینه مقع ربه جای آینه ای کروی به از بین بردن عیوب مربوطه می پردازند. تلسکوپهای کاتادیوپتریک تلسکوپهایی هستند که با استفاده از طراحی خاص سیستم نوری آنها مزایای زیادی از جمله مهمترین آنها کاهش طول لوله و ابعاد تلسکوپ بدست می آید. در این سیستم اپتیکی شیئی تلسکوپ معمولاً آینه ای کروی است و رفع عیوب اپتیکی توسط یک تیغه تصحیح کننده در مسیر پرتوهای ورودی به تلسکوپ صورت می گیرد. صرفنظر از نوع سیستم اپتیکی، مهمترین مشخصه یک تلسکوپ، قطر شیئی آن است. این پارامتر توانهای سه گانه تلسکوپ یعنی توان جمع آوری نور، توان تفکیک و توان بزرگنمایی را مشخص می کند. توان جمع آوری نور مشخص می کند که یک تلسکوپ قادر است چند برابر چشم انسان نور جمع کند و به همان نسبت اجرام کم نورتری را نشان دهد. پر واضح است که این پارامتر در رابطه مستقیم با قطر دهانه تلسکوپ و به عبارتی سطح جمع کننده نوری آن است. توان تفکیک هم به میزانِ تفکیک و آشکارسازی جزئیات توسطِ تلسکوپ اشاره دارد. مثلاً دهانه های ماه را با چشم غیرمسلح نمی توان تفکیک کرد ولی بکمک یک تلسکوپ هزاران هزار دهانه بر سطح ماه قابل رصد است یا مولفه های یک ستاره دوتایی نزدیک بهم تنها بکمک تلسکوپ از هم تفکیک می شوند. توان بزرگنمایی بر خلاف تصور عموم پارامتر مهم و نقش تعیین کننده برای تلسکوپ محسوب نمی شود. توان بزرگنمایی از تقسیم فاصله کانونی شیئی به فاصله کانونی چشمی بدست می آید و لذا با استفاده از چشمی های مختلف می توان بزرگنمایی را براحتی تغییر داد. لیکن قطر دهانه شیئی حد بالایی را برای بزرگنمایی ایجاد می کند که معمولاً 20 برابر به ازاء افزایش قطر شیئی به اندازه یک سانتیمتر است. مثلاً یک تلسکوپ با قطر دهانه 20 سانتیمتر دارای بیشترین توان بزرگنمایی مفید 400 برابر است.
دانشمندان با استفاده از تلسکوپهای نوری تنها به نوارِ باریکی از طیف الکترومغناطیسیِ ستاره یا جرم سماوی دسترسی پیدا می کنند.

کل طیف امواج الکترومغناطیسی. همانگونه که مشاهده می کنید، قسمت مرئی طیف تنها نوار باریکی را شامل می شود و قسمتهای دیگر طیف شامل اطلاعات با ارزشی هستند که در باریکه مرئی نمی گنجد.

اطلاعات ارزشمند زیادی در طول موجها و قسمتهای دیگر وجود دارد که در محدوده نوری و آشکارسازهای اپتیکی نمی گنجد. بعنوان مثال در قسمت رادیویی امواج الکترومغناطیسی اطلاعات ارزشمندی وجود دارد که در طول موجهای اپتیکی غیر قابل دسترسند. بعنوان مثال شما با استفاده از تلسکوپی رادیویی می توانید از وراء جو ضخیمِ سیاره زهره یا قمر تیتان از سطح آنها عکسبرداری کنید. و بالعکس چنین توانایی به تلسکوپهای رادیویی اجازه می دهد که حتی در آسمان ابری زمین نیز به رصد بپردازند!

همگی این تصاویر بوسیله عکسبرداری توسط امواج رادیویی از سطح سیاره زهره بدست آمدند.

طول موجهای دیگر طیف نیز حاوی اطلاعات متنوع و ارزشمندی هستند که برای هر بخش، دانشمندان از تلسکوپِ مخصوص استفاده می کنند. بعنوان مثال تلسکوپهای زیرمیلیمتری، فروسخ، اشعه ایکس و حتی اشعه گاما. بسیاری از این تلسکوپها بدلیل اثرات جذبی جو زمین بایستی در فضا و ماوراء جو قرار داشته باشند. معروفترین تلسکوپ فضایی، تلسکوپ فضایی هابل است که از سال 1990 میلادی که در مدار قرار گرفت، دید ما را نسبت به جهان هستی و کائنات دگرگون ساخت.

تلسکوپ فضایی هابل متصل به شاتل فضایی در یکی از ماموریتهای بازبینی آن. فضانوردان طی راهپیماییهای فضایی آشکارسازهای جدید را جایگزین کرده و قطعات فرسوده و معیوب را عوض می کنند. تلسکوپ فضایی هابل بدون این بازبینیها همکنون یک فسیل فضایی و از کار افتاده محسوب می شد!

این تلسکوپ فضایی در فضا و بدور از اثرات مخرب جو زمین بر تصویرِ اجرام آسمانی قادر به عملکردی در حد توانهای ایده آلش است. تلسکوپ فضایی هابل قادر است قرص کوتوله سیارک پلوتو را از فاصله 4.5 میلیارد کیلومتری همراه با جزئیات بر روی آن تفکیک کند یا دانشمندان بکمک هابل تصاویری را از اعماق کیهان و دورترین اجرام شناخته شده تهیه کرده اند. این تصاویر، جهان هستی را چند صد میلیون سال پس از تولد جهان نشان می دهند و بعبارتی به 13 میلیارد سال پیش باز می گردند!

توان استثنائی تلسکوپ فضایی هابل تفکیک قرص کوتوله سیاره پلوتو همراه با قمرش کارون را به محققین و ستاره شناسان می دهد!

قرار است در آینده نزدیک جانشین تلسکوپ فضایی هابل یعنی تلسکوپ فضایی جیمز وِب به فضا فرستاده شود. تلسکوپی به مراتب بزرگتر و پر توانتر از هابل و از همکنون دانشمندان و تمامی علاقمندان به ستاره شناسی برای نتایج و تصاویر جیمز وِب لحظه شماری می کنند.

تلسکوپ فضایی نسل جدید: جیمزوِب قرار استجایگزین تلسکوپ فضایی هابل شود. این تلسکوپ قدرتمند از آخرین فناوری روز برای کاوش اعماق کیهان بهره می برد.