כיצד פועלים טלסקופים: הסבר טלסקופים אופטיים, טלסקופים בתדר רדיו ומצפים מרחביים

המשימה הבסיסית של טלסקופ היא לאסוף יותר קרינה אלקטרומגנטית מאשר העין האנושית יכולה ולהביא אותה למוקד. קוטר מראת ההשראה הראשית, העדשה או האנטנה של הטלסקופ — הפתח שלו — קובע שני דברים: כמה אור חיוור הוא יכול לאסוף, וכמה כל הוא יכול להפריד פרטים, לפי מצפה הרדיו אסטרונומיה הלאומי של ארצות הברית (NRAO). פתח גדול יותר פירושו שאובייקטים חיוורים וממוקדים יותר נראים ומבנים עדינים יותר מגיעים לתצוגה.

טלסקופים אופטיים: עדשות, מראות בעיית האטמוספירה

טלסקופים אופטיים קלאסיים אוספים אור נראה באמצעות עדשות (שבירה) או מראות (רפלקטיביות). טלסקופ החלל האבל, לדוגמה, משתמש בעיצוב רפלקטיבי: אור פוגע מראה ראשית קעורה בקוטר 2.4 מטר, משתקף למראה משנית קטנה יותר בסביבות 0.3 מטר, וחוזר דרך חור במראת ההשראה הראשית להגעה לכלים מדעיים, על פי מרכז Goddard לטיסות בחלל של NASA. תצורה דו-מראה זו, הנקראת עיצוב Ritchey-Chrétien, בנויה כדי לשמור על תמונות חדות על פני שדה ראייה רחב.

על קרקע, אפילו האתרים הטובים ביותר סובלים מטurbulence אטמוספרי, שגורם לכוכבים לנצנץ וטשטש פרטים עדינים, על פי מצפה הדרום אירופאי (ESO), הפועל טלסקופ ארבה גדול מאוד בצ'ילה. הפיתרון של ESO הוא אופטיקה אדפטיבית: חיישן חזית הגל מודד כיצד אור הכוכב עוות, ומראה דיפורמבל נשלטת בחשמל מחשבת את ההעוות בזמן אמת. כאשר אין כוכב טבעי בהיר ליד המטרה, ESO יורה לייזר חזק לאטמוספירה העליונה ליצור כוכב התייחסות מלאכותי. ESO אומר שתיקון זה יכול להפוך תמונות מבוססות קרקע בנקודות גל נראות כמו חדות כמו תמונות טלסקופ חלל, בשבר מהעלות של טלסקופ חלל.

למה כמה טלסקופים צריכים לעזוב כדור הארץ

האטמוספירה של כדור הארץ לא רק משמרת תמונות — היא חוסמת אורכי גל שלמים. על פי אתר חינוך אסטרונומיה Las Cumbres Observatory, האטמוספירה ספוגה או משקפת רוב האור אולטרה סגול, קרני X, קרני גמא וקרינה אינפרה אדומה, המאפשרת בעיקר אור נראה, כמה אינפרה אדום, וחלקים מספקטרום הרדיו. זה הדבר שמצפים הבנויים ללימוד אלה אורכי גל חסומים — כגון מרכז X-ray Chandra, טלסקופ Fermi Space Telescope בתדרי גמא, ומשימות אינפרה אדום כמו Spitzer ו- Herschel — צריכים להקיף מעל האטמוספירה במקום לשבת על פסגת הר.

טלסקופים לקרני X זקוקים גם לעיצוב אופטי שונה לחלוטין מאלה המיועדים לאור נראה. על פי מרכז X-ray Chandra במרכז Harvard-Smithsonian לאסטרופיזיקה, פוטונים לקרני X הם כל כך אנרגטיים שהם עוברים ישירות דרך מראה רגילה שנועדה אליהם ממש, בדיוק כמו תחמוצת שתחדור דרך קיר. הפיתרון של Chandra הוא להטות את המראות שלה כך שקרני X פוגעות בזווית פלסית רחוקה וקופצות להתמקדות, דומה לאבן קופצת על מים. Chandra משתמש בארבע זוגות מראות בצורת חבית מלוטשות לחלקות של כמה אטומים ומצופות בירידיום, יישרות בתוך כ-1.3 מיקרומטר — שבר קטן מרוחב שערה אנושית, על פי מרכז X-ray Chandra.

ענקי אינפרה אדום: הסתכלות דרך אבק וחוזרות אחורה בזמן

טלסקופ החלל James Webb (JWST) בנוי לתגיד אור מאדום נראה דרך אורך גל אינפרה אדום בינוני, המכסה בערך 0.6 עד 28.8 מיקרון, על פי NASA. מראת ההשראה הראשית שלו משתרעת על 6.6 מטר על פני 18 קטעים משושה מצופים בזהב, מה שנותן לה שטח איסוף בערך 5.6 פעמים גדול מ- Hubble. זהב נבחר כי הוא משקף אור אדום עד אינפרה אדום בינוני במיוחד. NASA אומרת שהשילוב הזה של גודל וטווח אורך גל מאפשר לוו ב להבחין בקרינה אינפרה אדומה אפלה של גלקסיות יותר מ 13.5 מליארד שנות אור משם, וקרינה אינפרה אדומה יכולה לעבור דרך עננים עבים של אבק החוסמים את רוב האור הנראה שהכלים של Hubble יכולים לגלות. Webb מקיף את נקודת Sun-Earth L2, בערך 1.5 מיליון קילומטר מכדור הארץ, כאשר היא נשארת ברורה מההשפעות החמות והפיזור אור של השמש וכדור הארץ.

טלסקופים בתדר רדיו: צלחות הפועלות כעין ענקי

טלסקופים בתדר רדיו אוספים את אורכי הגל הארוכים ביותר שאסטרונומים משתמשים בהם, מבערך 1 מילימטר ל יותר מ 10 מטר, על פי NRAO. כל אנטנה יש צלחת paraboloid המיקדת גלי רדיו נכנסים במקלט, אשר מגביר את האות לניתוח — תהליך NRAO מתאר אותו כפעולה בדומה לטלסקופ אופטי אך מכוונה לגלים חלשים בהרבה וארוכים בהרבה. NRAO מציין כי הסוגים הרדיו החקוקים חיוורים בעדינות ביותר — על פי אומדנו, סוג טלפון סלולרי רגיל חזק בערך מליארד מיליארד פעמים יותר מגלי רדיו קוסמיים שטלסקופים אלה מגלים.

צלחת יחידה עומדת בפני בעיית רזולוציה: מכיוון שרזולוציה זוויתית תלויה בחלוקת אורך הגל בקוטר האנטנה, וגלי רדיו כל כך ארוכים, אפילו צלחת גדולה כמו Green Bank Telescope לא יכולה להתאים לפרטים עדינים של טלסקופ אופטי בכשלעצמו, על פי NRAO. הפיתרון הוא interferometry — קשירת צלחות רבות הפרושות למרחקים ארוכים כדי שיפעלו כטלסקופ גדול בהרבה. NRAO מצטטת את Very Large Array, שיש לו 27 צלחות פעילות (בתוספת צלחת חילופי) בניו מקסיקו שניתן להפיץ על פני תצורות המשתמשות בערך 40 מיילים של פסי מסילות, ו Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), אשר קושרת 66 צלחות בצ'ילה, כדוגמות לגישה זו, בשימוש למפות גלקסיות, איתור חורים שחורים וללמוד את המבנים הקוסמיים המוקדמים ביותר.

מה אורכי גל שונים חושפים

• טלסקופים אור נראה, קרקע או חלל, תופסים כוכבים, גלקסיות וערמילונים הקרובים לחלק שהעין האנושית תראה.
• טלסקופים אינפרה אדום כמו Webb רואים דרך ענני אבק ויכולים להגיע לחלקם מהגלקסיות הרחוקות, הקדומות ביותר הידועות, על פי NASA.
• טלסקופים לקרני X כמו Chandra נבנו ללימוד כוכבים שהתפוצצו, אשכולות גלקסיות וחומר המסתובב סביב חורים שחורים.
• מערכי טלסקופים בתדר רדיו כמו VLA ו- ALMA מפות גז קר, גלקסיות רחוקות וסביבות חורים שחורים על ידי שילוב צלחות רבות לכלי יחיד יעיל, על פי NRAO.