نحوه کار تلسکوپ ها: توضیح تلسکوپ های نوری، رادیویی و رصدخانه های فضایی

وظیفه اساسی تلسکوپ جمع آوری تابش الکترومغناطیسی بیشتر از آنچه چشم انسان می تواند و متمرکز کردن آن است. قطر آینه اصلی، عدسه یا آنتن تلسکوپ ـ بخش ورودی آن ـ دو چیز را تعیین می کند: میزان نوری خافت که می تواند جمع کند، و این که چقدر دقیق می تواند جزئیات را جدا کند، طبق رصدخانه رادیو اختر شناسی ملی ایالات متحده (NRAO). بخش ورودی بزرگتر به معنی اینکه اشیاء خافت و دورتر قابل دید می شوند و ساختارهای ریزتر به نظر می رسند.

تلسکوپ های نوری: عدسات، آینه ها و مشکل جو

تلسکوپ های نوری کلاسیک نور مرئی را با عدسات (شکست دهنده ها) یا آینه ها (انعکاس دهنده ها) جمع می کنند. تلسکوپ فضایی هابل، به عنوان مثال، از طراحی انعکاسی استفاده می کند: نور به آینه اولیه مقعر به قطر 2.4 متر برخورد می کند، به آینه ثانویه کوچکتر تقریباً 0.3 متر منعکس می شود، و از طریق سوراخی در آینه اولیه برمی گردد تا ابزارهای علمی را بدست آورد، طبق مرکز Goddard برای پروازهای فضایی NASA. این پیکربندی دو آینه ای، که طراحی Ritchey-Chrétien نام دارد، برای نگه داشتن تصاویر تیز در یک میدان دید گسترده ساخته شده است.

در زمین، حتی بهترین مکان ها از آشفتگی جو رنج می برند، که باعث می شود ستارگان بلند شوند و جزئیات ریز تار شوند، طبق رصدخانه جنوبی اروپایی (ESO)، که تلسکوپ بسیار بزرگ را در شیلی اداره می کند. راه حل ESO اپتیک تطبیقی است: سنسور جبهه موج نحوه تحریف نور ستاره را اندازه می گیرد، و آینه متغیر کنترل شده توسط کامپیوتر تحریف را در زمان واقعی اصلاح می کند. هنگامی که هیچ ستاره طبیعی روشن نزدیک هدف وجود ندارد، ESO یک لیزر قدرتمند به جو بالایی شلیک می کند تا یک ستاره مرجع مصنوعی ایجاد کند. ESO می گوید که این تصحیح می تواند تصاویر زمینی در طول موج های مرئی را تقریباً به اندازه تصاویر تلسکوپ فضایی و با کسری از هزینه تلسکوپ فضایی تیز کند.

چرا برخی تلسکوپ ها باید زمین را ترک کنند

جو زمین نه تنها تصاویر را تار می کند ـ کل طول موج ها را مسدود می کند. طبق سایت آموزش اختر شناسی Las Cumbres Observatory، جو بیشتر نور فرابنفش، اشعه ایکس، اشعه گاما و بیشتر تابش مادون قرمز را جذب یا منعکس می کند، اجازه دادن به نور مرئی در درجه اول، برخی مادون قرمز، و بخش هایی از طیف رادیو. این دلیل است که رصدخانه های ساخته شده برای مطالعه آن طول موج های مسدود شده ـ مانند رصدخانه متمرکز بر اشعه ایکس Chandra، تلسکوپ فضایی Fermi متمرکز بر اشعه گاما، و ماموریت های مادون قرمز مثل Spitzer و Herschel ـ باید بالای جو مدار کنند تا اینکه بر روی یک قله کوه نشینند.

تلسکوپ های اشعه ایکس نیاز به طراحی نوری کاملاً متفاوت از آنها برای نور مرئی دارند. طبق مرکز Chandra اشعه ایکس در مرکز Harvard-Smithsonian برای اختر فیزیک، فوتون های اشعه ایکس آنقدر انرژی بخش هستند که مستقیماً از طریق آینه معمولی که به آنها نشانه رفته مستقیم عبور می کنند، درست مثل گلوله ای که از دیوار سوراخ می کند. راه حل Chandra این است که آینه های خود را بگونه ای متمایل کند که اشعه ایکس با زاویه کم و ضحل برخورد کند و به کانون بازتاب شود، مشابه یک سنگ بر روی آب. Chandra از چهار جفت آینه به شکل بشقاب با صیقل ریزتر از چند اتم استفاده می کند و با ایریدیم پوشانده شده ، تا حدود 1.3 میکرومتر تراز شده ـ بخشی کوچک از عرض موی انسان، طبق مرکز Chandra اشعه ایکس.

غول های مادون قرمز: دیدن از طریق غبار و برگشت به عقب در زمان

تلسکوپ فضایی James Webb (JWST) برای تشخیص نور از قرمز مرئی از طریق طول موج های مادون قرمز میانی ساخته شده است، تقریباً 0.6 تا 28.8 میکرون، طبق NASA. آینه اولیه آن 6.6 متر در 18 بخش شش گوشه ای پوشش داده شده با طلا را دربر می گیرد، و آن را یک منطقه جمع کننده حدود 5.6 برابر بزرگتر از هابل می دهد. طلا انتخاب شد زیرا نور قرمز تا مادون قرمز میانی را بخوبی منعکس می کند. NASA می گوید این ترکیب از اندازه و مدت طول موج باعث می شود Webb نور مادون قرمز خافت کهکشان هایی را تشخیص دهد که بیش از 13.5 میلیارد سال نوری دور هستند، و نور مادون قرمز می تواند از طریق ابرهای غبار متراکم که بیشتر نور مرئی که ابزارهای هابل می توانند تشخیص دهند را مسدود می کند عبور کند. Webb نقطه Sun-Earth L2 را مدار می کند، حدود 1.5 میلیون کیلومتر از زمین، جایی که تاثیرات گرم و پراکندگی نور خورشید و زمین را حذف می کند.

تلسکوپ های رادیویی: بشقاب هایی که به عنوان یک چشم غول پیکر عمل می کنند

تلسکوپ های رادیویی طولانی ترین طول موج هایی را جمع می کنند که اختر شناسان استفاده می کنند، تقریباً 1 میلی متر تا بیش از 10 متر، طبق NRAO. هر آنتن یک بشقاب سهمی گوشی دارد که امواج رادیویی ورودی را بر یک گیرنده متمرکز می کند، که سیگنال را برای تجزیه و تحلیل تقویت می کند ـ فرایندی که NRAO آن را توصیف می کند به عنوان عملکرد بسیار مشابه تلسکوپ نوری اما برای امواج بسیار ضعیف تر و بسیار طولانی تر. NRAO توجه می دهد که سیگنال های رادیویی مطالعه شده بشدت خافت هستند ـ طبق برآورد آن، یک سیگنال تلفن همراه معمولی حدود یک میلیارد میلیارد برابر قوی تر از امواج رادیویی کیهانی است که این تلسکوپ ها تشخیص می دهند.

یک بشقاب واحد با مشکل وضوح مواجه است: زیرا وضوح زاویه ای به طول موج تقسیم بر قطر آنتن بستگی دارد، و طول موج های رادیویی بسیار طول هستند، حتی یک بشقاب بزرگ مانند Green Bank Telescope نمی تواند با تنهایی جزئیات ریز تلسکوپ نوری را برابر کند، طبق NRAO. راه حل تداخل است ـ پیوند دادن بسیاری از بشقاب ها که در فاصله های طولانی پخش شده اند بطوری که به عنوان یک تلسکوپ بسیار بزرگتر عمل کنند. NRAO به Very Large Array اشاره می کند، که 27 بشقاب فعال (بعلاوه یک بشقاب یدکی) در نیومکسیکو دارد که می تواند در پیکربندی هایی با استفاده از حدود 40 مایل ریل راه آهن پخش شود، و Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA)، که 66 بشقاب را در شیلی پیوند می دهد، به عنوان نمونه هایی از این روش، برای نقشه برداری کهکشان ها، تشخیص سیاهچاله ها و مطالعه ساختارهای کیهانی اولیه استفاده می شود.

آنچه طول موج های مختلف آشکار می کنند

• تلسکوپ های نور مرئی، زمینی یا فضایی، ستارگان، کهکشان ها و سحابی های نزدیک به آنچه که چشم انسان می بیند را ضبط می کنند.
• تلسکوپ های مادون قرمز مثل Webb از طریق ابرهای غبار می بینند و می توانند برخی از دورترین، قدیم ترین کهکشان های شناخته شده را بدست آورند، طبق NASA.
• تلسکوپ های اشعه ایکس مثل Chandra برای مطالعه ستارگان منفجر، خوشه های کهکشان و ماده در حال چرخش حول سیاهچاله ها ساخته شده اند.
• آرایه های تلسکوپ رادیویی مثل VLA و ALMA گاز سرد، کهکشان های دور و محیط های سیاهچاله را با ترکیب بسیاری از بشقاب ها در یک ابزار مؤثر نقشه برداری می کنند، طبق NRAO.