Science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Hoe Hubble-ruimtetelescoop werkt

De Hubble-ruimtetelescoop wordt ingezet vanuit de vrachtruimte van de space shuttle

Heb je ooit naar de nachtelijke hemel gekeken en je afgevraagd hoe het universum er van dichtbij uitziet? Zelfs als je het geluk hebt toegang te hebben tot een telescoop op de grond, waarvan de helderheid afhangt van atmosferische factoren zoals wolken, zul je niet de helderheid krijgen die deze verbluffende hemellichamen verdienen. In 1946 stelde een astrofysicus genaamd Dr. Lyman Spitzer Jr. voor om een ​​telescoop in de ruimte te plaatsen om duidelijkere beelden te onthullen.

Klinkt logisch, toch? Dit was echter voordat iemand zelfs maar een raket de ruimte in had gelanceerd. Flits vooruit naar 1990, de Hubble-telescoop wordt gelanceerd. En waar is de Hubble-telescoop? Ruimte.

Zoals de VS Nadat het ruimtevaartprogramma in de jaren zestig en zeventig volwassen was geworden, lobbyde Spitzer bij NASA en het Congres om een ​​ruimtetelescoop te ontwikkelen. In 1975 begonnen de European Space Agency (ESA) en NASA met het opstellen van de eerste plannen ervoor, en in 1977 keurde het Congres de benodigde fondsen goed. NASA noemde Lockheed Missiles (nu Lockheed Martin) als de aannemer die de telescoop en de ondersteunende systemen zou bouwen, assembleren en testen.

De beroemde telescoop is vernoemd naar de Amerikaanse astronoom Edwin Hubble, wiens waarnemingen van veranderlijke sterren in verre sterrenstelsels bevestigden dat het heelal uitdijde en steun gaven aan de oerknaltheorie.

Inhoud
  1. Ontdekking van de Space Shuttle en de Hubble-ruimtetelescoop
  2. COSTAR redt de dag
  3. Anatomie van de HST
  4. Hubble's wetenschappelijke instrumenten:WFC3 en meer
  5. Hubble's ruimtevaartuigsystemen:stroom genereren en praten met grondcontrole
  6. Hubble's ruimtevaartuigsystemen:het oog in de lucht sturen en scherpstellen
  7. Hubble's beperkingen
  8. Plannen voor Hubble
  9. Hubble's opvolger:James Webb ruimtetelescoop (JWST)

Space Shuttle Discovery en de Hubble-ruimtetelescoop

Na een lange vertraging als gevolg van de ramp met de Challenger in 1986 schoot de Hubble-ruimtetelescoop op 24 april 1990 in een baan om de aarde, meeliftend aan boord van de Discovery-spaceshuttle. Sinds de lancering heeft Hubble onze kijk op de ruimte opnieuw vorm gegeven, waarbij wetenschappers duizenden artikelen hebben geschreven op basis van de heldere bevindingen van de telescoop over belangrijke zaken als de ouderdom van het universum, gigantische zwarte gaten en hoe sterren eruit zien in de greep van de dood.

In dit artikel zullen we het hebben over hoe Hubble de ruimte heeft gedocumenteerd en over de instrumenten die dit mogelijk hebben gemaakt. We zullen het ook hebben over enkele van de problemen die de eerbiedwaardige telescoop/ruimtevaartuig onderweg is tegengekomen.

COSTAR redt de dag

Preflight-inspectie van de primaire spiegel van de Hubble Ruimtetelescoop Foto met dank aan NASA/STScI

Vrijwel onmiddellijk nadat de telescoop in 1990 werd ingezet, ontdekten astronomen een probleem met hun geliefde telescoop van 1,5 miljard dollar (13,3 meter). Hun nieuwe oog ter grootte van een tractor-oplegger in de lucht kon niet goed scherpstellen. Ze realiseerden zich dat de hoofdspiegel van de telescoop in de verkeerde afmeting was geslepen. Hoewel het defect in de spiegel – ruwweg gelijk aan een vijftigste van de dikte van een mensenhaar – voor de meesten van ons belachelijk klein lijkt, zorgde het ervoor dat de Hubble-ruimtetelescoop last kreeg van sferische aberratie en vage beelden produceerde. De astronomen hebben beslist niet jarenlang aan de telescoop gewerkt om tevreden te zijn met onopvallende momentopnamen van de ruimte.

Wetenschappers bedachten een vervangende "contactlens" genaamd COSTAR (Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement) om het defect in de HST te repareren. COSTAR bestond uit verschillende kleine spiegels die de straal van de defecte spiegel zouden onderscheppen, het defect zouden herstellen en de gecorrigeerde straal zouden doorgeven aan de wetenschappelijke instrumenten in het brandpunt van de spiegel.

NASA-astronauten en -personeel hebben zich elf maanden lang voorbereid op wat een van de meest uitdagende ruimtemissies ooit zou worden. Uiteindelijk, in december 1993, schoten zeven mannen aan boord van de space shuttle Endeavour de ruimte in voor de eerste onderhoudsmissie van de HST.

Het kostte de bemanning een week om alle noodzakelijke reparaties uit te voeren, en toen de telescoop na de onderhoudsmissie werd getest, waren de beelden enorm verbeterd. Tegenwoordig hebben alle instrumenten die in de HST zijn geplaatst ingebouwde corrigerende optica voor het defect van de spiegel, en COSTAR is niet langer nodig.

Hubble heeft echter meer te bieden dan COSTAR, en we zullen het hierna over enkele van die cruciale onderdelen hebben.

Anatomie van de HST

De Hubble-ruimtetelescoop in een baan om NASA/National Geographic/Getty Images

Zoals elke telescoop heeft de HST een lange buis die aan één uiteinde open is om licht binnen te laten. Het heeft spiegels om het licht te verzamelen en naar een focus te brengen waar zijn "ogen" zich bevinden. De HST beschikt over verschillende soorten ‘ogen’ in de vorm van diverse instrumenten. Net zoals insecten ultraviolet licht kunnen zien en wij mensen zichtbaar licht kunnen zien, moet Hubble ook de verschillende soorten licht kunnen zien die uit de hemel naar beneden regenen.

Concreet is Hubble een Cassegrain-reflectortelescoop. Dat betekent alleen maar dat licht via de opening het apparaat binnenkomt en van de primaire spiegel naar een secundaire spiegel weerkaatst. De secundaire spiegel reflecteert op zijn beurt het licht door een gat in het midden van de primaire spiegel naar een brandpunt achter de primaire spiegel. Als je het pad van het binnenkomende licht zou tekenen, zou het lijken op de letter "W", behalve met drie neerwaartse bulten in plaats van twee.

In het brandpunt verdelen kleinere, halfreflecterende, halftransparante spiegels het binnenkomende licht over de verschillende wetenschappelijke instrumenten. (In de volgende sectie zullen we meer over deze instrumenten praten.) Zoals je misschien al geraden had, zijn dit niet zomaar spiegels waar je in zou kunnen staren om je spiegelbeeld te bewonderen.

De spiegels van HST zijn gemaakt van glas en bedekt met lagen puur aluminium (drie miljoenste van een inch dik) en magnesiumfluoride (een miljoenste van een inch dik) om ze zichtbaar, infrarood en ultraviolet licht te laten reflecteren. De primaire spiegel heeft een diameter van 2,4 meter (7,9 voet) en de secundaire spiegel heeft een diameter van 0,3 meter (1,0 voet).

Vervolgens zullen we het hebben over wat Hubble doet met al dat licht nadat het de spiegels van de telescoop heeft bereikt.

Hubble's wetenschappelijke instrumenten:WFC3 en meer

Een foto van de Adelaarsnevel, vastgelegd door Hubble's oude camera, de WFPC2 Foto met dank aan STScI en NASA

Door naar de verschillende golflengten, of het spectrum van licht, van een hemellichaam te kijken, kun je veel van zijn eigenschappen onderscheiden. Om dit te doen is HST uitgerust met verschillende wetenschappelijke instrumenten. Elk instrument maakt gebruik van ladingsgekoppelde apparaten (CCD's) in plaats van fotografische film om het licht op te vangen. Het door de CCD's gedetecteerde licht wordt omgezet in digitale signalen, die worden opgeslagen in boordcomputers en worden doorgegeven aan de aarde. De digitale gegevens worden vervolgens omgezet in verbluffende foto's. Laten we eens kijken hoe elk instrument bijdraagt ​​aan die beelden.

Groothoekcamera 3 (WFC3)

De Wide Field Camera 3 (WFC3) is een van de belangrijkste beeldinstrumenten van Hubble. Met twee kanalen vangt WFC3 zowel ultraviolet als infrarood licht op, waardoor het observatiebereik van Hubble wordt vergroot. Het maakt gebruik van twee verschillende rechthoekige chips voor zijn ultraviolet/zichtbare en infraroodkanalen. In combinatie met een uitgebreide reeks filters stelt WFC3 astronomen in staat ingewikkelde details over hemellichamen te verzamelen, waardoor het een cruciale upgrade is van de Wide Field and Planetary Camera 2 (WFPC2) in de al lang bestaande missie van Hubble.

Nabij-infraroodcamera en multi-objectspectrometer (NICMOS)

Vaak kunnen interstellair gas en stof ons zicht op het zichtbare licht van verschillende hemellichamen blokkeren. Geen probleem:Hubble kan het infraroodlicht, of de warmte, zien van de objecten die verborgen zijn in het stof en gas. Om dit infraroodlicht te kunnen zien, heeft HST drie gevoelige camera's die samen de Near Infrared Camera en Multi-Object Spectrometer (NICMOS) vormen.

Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS)

Naast het verlichten van een hemellichaam, kan het licht dat uit dat object komt ook onthullen waaruit het is gemaakt. De specifieke kleuren vertellen ons welke elementen aanwezig zijn, en de intensiteit van elke kleur vertelt ons hoeveel van dat element aanwezig is. De Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS) scheidt de binnenkomende kleuren van licht, net zoals een prisma een regenboog maakt.

Naast het beschrijven van de chemische samenstelling, kan het spectrum de temperatuur, dichtheid en beweging van een hemellichaam overbrengen. Als het object beweegt, kan de chemische vingerafdruk verschuiven naar het blauwe uiteinde (naar ons toe bewegend) of het rode uiteinde (van ons af bewegend) van het spectrum. Helaas verloor de STIS in 2004 de stroom. In 2009 werd hij gerepareerd.

Geavanceerde camera voor enquêtes (ACS)

Tijdens een onderhoudsmissie in februari 2002 voegden astronauten de Advanced Camera for Surveys (ACS) toe, waardoor het gezichtsveld van de Hubble werd verdubbeld en de Faint Object Camera werd vervangen, die diende als de telelens van de HST.

De ACS, die zichtbaar licht waarneemt, werd geïnstalleerd om de verspreiding van donkere materie in kaart te brengen, de verste objecten in het universum te detecteren, naar massieve planeten te zoeken en de evolutie van clusters van sterrenstelsels te onderzoeken. Wetenschappers schatten dat de camera vijf jaar mee zou gaan, en precies op het juiste moment vielen in januari 2007 twee van de drie camera's uit door een elektriciteitstekort.

Fijne geleidingssensoren (FGS's)

Het laatste instrument aan boord van de HST zijn de Fine Guidance Sensors (FGS's), die de telescoop richten en nauwkeurig de posities en diameters van sterren meten, evenals de afstand tussen dubbelsterren. De Hubble heeft in totaal drie van deze sensoren; twee om de telescoop te richten en op zijn doel gefixeerd te houden, op zoek naar "gidssterren" in het HST-veld nabij het doel. Wanneer elke FGS een gidsster vindt, vergrendelt hij deze en stuurt informatie terug naar het HST-stuursysteem om die gidsster in zijn veld te houden. Terwijl twee sensoren de telescoop aansturen, is er één vrij om astrometrische metingen (sterposities) uit te voeren. Astrometrische metingen zijn belangrijk voor het detecteren van planeten, omdat planeten in een baan ervoor zorgen dat de moedersterren wiebelen terwijl ze door de hemel bewegen.

Nu weet je hoe Hubble al die foto's maakt. We zullen hierna meer te weten komen over Hubble's andere leven als ruimtevaartuig.

Hubble's ruimtevaartuigsystemen:stroom genereren en praten met grondcontrole

Hubble's communicatiesysteem Foto met dank aan STScI en NASA

Hubble is niet alleen een telescoop met zeer gespecialiseerde wetenschappelijke instrumenten. Het is ook een ruimtevaartuig. Als zodanig moet het macht hebben, communiceren met de grond en zijn houding (oriëntatie) kunnen veranderen.

Alle instrumenten en computers aan boord van de HST hebben stroom nodig. Twee grote zonnepanelen vervullen deze verantwoordelijkheid. Elk vleugelachtig paneel kan de energie van de zon omzetten in 2.800 watt elektriciteit. Wanneer de HST zich in de schaduw van de aarde bevindt, kan de energie die is opgeslagen in de batterijen aan boord de telescoop 7,5 uur lang ondersteunen.

Naast het genereren van stroom moet de HST in staat zijn om met controllers op de grond te praten om gegevens door te geven en commando's te ontvangen voor zijn volgende doelen. Om te communiceren maakt de HST gebruik van een reeks relaissatellieten, het Tracking and Data Relay Satellite (TDRS) -systeem. Momenteel zijn er vijf TDRS-satellieten op verschillende locaties in de lucht.

Het communicatieproces van Hubble wordt ook geholpen door de twee hoofdcomputers die rond de buis van de telescoop passen, boven de ruimten voor wetenschappelijke instrumenten. Eén computer praat met de grond om gegevens te verzenden en opdrachten te ontvangen. De andere computer is verantwoordelijk voor het aansturen van de HST en diverse huishoudelijke functies. Hubble beschikt ook over back-upcomputers voor het geval van een noodsituatie.

Maar wat wordt er gebruikt om gegevens op te halen? En wat gebeurt er met die informatie nadat deze is verzameld? Vier antennes op de telescoop zenden en ontvangen informatie tussen Hubble en het Flight Operations Team van het Goddard Space Flight Center in Greenbelt, MD. Na ontvangst van de informatie stuurt Goddard deze naar het Space Telescope Science Institute (STScI) in Maryland, waar deze wordt vertaald in wetenschappelijke eenheden zoals golflengte of helderheid.

Ontdek vervolgens hoe Hubble navigeert.

Hubble's ruimtevaartuigsystemen:het oog in de lucht sturen en scherpstellen

Als Hubble niet had kunnen scherpstellen, zou het dit beeld niet hebben kunnen maken een stervende ster NASA/Getty Images

Hubble zoomt elke 97 minuten rond de aarde, dus scherpstellen op een doel kan moeilijk zijn. Dankzij drie ingebouwde systemen kan de telescoop op een object gefixeerd blijven:gyroscopen, de Fine Guidance Sensors waar we het in de vorige sectie over hadden, en reactiewielen.

De gyroscopen houden de grove bewegingen van Hubble bij. Net als kompassen voelen ze de beweging ervan en vertellen ze de vluchtcomputer dat Hubble zich van het doel heeft verwijderd. De vluchtcomputer berekent vervolgens hoeveel en in welke richting Hubble moet bewegen om op doel te blijven. De vluchtcomputer stuurt vervolgens de reactiewielen om de telescoop te bewegen.

Hubble's Fine Guidance Sensors helpen de telescoop op zijn doel gefixeerd te houden door richtkijkers te observeren. Twee van de drie sensoren vinden gidssterren rond het doel binnen hun respectievelijke gezichtsveld. Eenmaal gevonden, vergrendelen ze zich op de gidssterren en sturen ze informatie naar de vluchtcomputer om de gidssterren binnen hun gezichtsveld te houden. De sensoren zijn gevoeliger dan de gyroscopen, maar de combinatie van gyroscopen en sensoren kan de HST urenlang op een doel gefixeerd houden, ondanks de orbitale beweging van de telescoop.

De HST kan geen raketmotoren of gasmotoren gebruiken om te sturen zoals de meeste satellieten doen, omdat de uitlaatgassen in de buurt van de telescoop zouden zweven en het omringende gezichtsveld zouden vertroebelen. In plaats daarvan heeft de HST reactiewielen die in de drie bewegingsrichtingen zijn georiënteerd (x/y/z of pitch/roll/yaw). De reactiewielen zijn vliegwielen, zoals die in een koppeling. Wanneer de HST moet bewegen, vertelt de vluchtcomputer aan een of meer vliegwielen in welke richting ze moeten draaien en hoe snel, wat de actiekracht oplevert. In overeenstemming met de derde bewegingswet van Newton (voor elke actie is er een gelijke en tegengestelde reactie), draait de HST in de tegenovergestelde richting van de vliegwielen totdat hij zijn doel bereikt.

Is er iets dat Hubble niet kan doen?

Hubble's beperkingen

Hoewel Hubble niet naar de zon kan wijzen, kan hij toch behoorlijk indrukwekkende beelden maken, zoals deze, die een halo van heet gas toont rond spiraalstelsel NGC 4631, vergelijkbaar met de Melkweg NASA/Getty Images

Hoewel de HST verantwoordelijk is voor talloze ongelooflijke beelden en ontdekkingen, heeft hij wel enkele beperkingen.

Een van deze beperkingen is dat de HST de zon niet kan waarnemen omdat het intense licht en de hitte zijn gevoelige instrumenten zouden verbranden. Om deze reden is de HST altijd van de zon af gericht. Dat betekent ook dat Hubble Mercurius, Venus en bepaalde sterren die dicht bij de zon staan ​​ook niet kan waarnemen.

Naast de helderheid van objecten beperkt de baan van Hubble ook wat er gezien kan worden. Soms worden doelen die astronomen graag willen zien door Hubble gehinderd door de aarde zelf terwijl Hubble in een baan om de aarde draait. Dit kan de tijd beperken die wordt besteed aan het observeren van een bepaald object.

Ten slotte passeert de HST een deel van de Van Allen-stralingsgordels, waar geladen deeltjes van de zonnewind worden opgevangen door het magnetische veld van de aarde. Deze ontmoetingen veroorzaken een hoge achtergrondstraling, die de detectoren van de instrumenten verstoort. Tijdens deze periodes is het voor de telescoop onmogelijk om waarnemingen te doen.

Ontdek vervolgens wat de toekomst in petto heeft voor het grote observatorium in de lucht.

Plannen voor Hubble

Een model van de James Webb Space Telescope op het gazon van Goddard Space Center Foto met dank aan NASA

Zoals bij elke technologie blijven er vragen bestaan ​​over de toekomstige levensvatbaarheid en rol van Hubble in het ruimteonderzoek. Oorspronkelijk bedoeld voor een missie van 15 jaar, heeft het de verwachtingen overleefd, mede dankzij verschillende onderhoudsmissies door NASA-astronauten. Deze missies hebben niet alleen verouderde apparatuur gerepareerd en vervangen, maar ook de instrumenten ervan geüpgraded, waardoor Hubble voorop kon blijven lopen in astronomisch onderzoek.

NASA heeft nog geen definitieve pensioendatum voor de Hubble vastgesteld. In plaats daarvan wordt verwacht dat het zal blijven functioneren zolang de instrumenten functioneel blijven en waardevolle gegevens opleveren. De voortdurende bijdragen ervan, zelfs te midden van onzekerheden, vormen een bewijs van de blijvende impact van goed ontworpen ruimtemissies en de veerkracht van de menselijke geest om ons universum te verkennen en te begrijpen.

Hubble's opvolger:James Webb Space Telescope (JWST)

De James Webb Space Telescope (JWST), vernoemd naar voormalig NASA-beheerder James Webb, bestudeert elke fase in de geschiedenis van het universum. Vanuit zijn baan op ongeveer 1,6 miljoen kilometer van de aarde onthult de telescoop informatie over de geboorte van sterren, andere zonnestelsels en sterrenstelsels, en de evolutie van ons eigen zonnestelsel.

Om deze fascinerende ontdekkingen te doen, vertrouwt de JWST voornamelijk op vier wetenschappelijke instrumenten:een nabij-infraroodcamera (IR), een nabij-IR multi-objectspectrograaf, een mid-IR-instrument en een afstembare filterimager.

Maar voordat we verder gaan met de JWST en Hubble vergeten, verdient de hardwerkende telescoop misschien een momentje. Dankzij de ongeëvenaarde ontdekkingen van Hubble zijn boeiende beelden van wat zich buiten de atmosfeer van de aarde bevindt voor iedereen toegankelijk gemaakt. Van een zeldzame uitlijning tussen twee spiraalstelsels tot een krachtige botsing tussen clusters van sterrenstelsels:Hubble heeft een klein stukje van de hemel dichter bij huis gebracht.

Dit artikel is bijgewerkt in combinatie met AI-technologie, vervolgens op feiten gecontroleerd en bewerkt door een HowStuffWorks-editor.

Veel meer informatie

Gerelateerde HowStuffWorks-artikelen

  • Hoe maanspiegeltelescopen werken
  • Hoe het Hubble-ruimtevaartuig repareren werkt
  • Hoe Space Shuttles werken
  • Hoe NASA werkt
  • Heeft NASA de ruimterace gewonnen?
  • De 10 grootste prestaties van NASA
  • Hoe telescopen werken
  • Hoe ruimtestations werken
  • Hoe raketmotoren werken

Meer geweldige links

  • Hubble's ontdekkingen
  • NASA's Hubble-pagina
  • James Webb-ruimtetelescoop
  • Hubble-pagina van het European Space Agency

Bronnen

  • 'Over het hele land.' Detroit vrije pers. 25 september 2008. (29 september 2008) http://www.freep.com/apps/pbcs.dll/article?AID=/20080925/ NEWS07/809250403/1009/NEWS07
  • Dunn, Marcia. "NASA vertraagt ​​de Hubble-missie met vijf dagen", gaf Ike de schuld. Bijbehorende pers. 25 september 2008. (29 september 2008) http://ap.google.com/article/ALeqM5jICfbuGENr5-2mQGNAnAEVCla8yQD93DKUN80
  • De Europese homepage voor de NASA/ESA Hubble-ruimtetelescoop. (29 september 2008) http://www.spacetelescope.org/
  • Evans, Ben. BBC-hemel bij nacht. BBC-hemel bij nacht. 22 april 2020. (20 oktober 2023). https://www.skyatnightmagazine.com/space-missions/why-did-astronauts-service-hubble-space-telescope
  • HubbleSite. (29 september 2008) http://hubblesite.org/
  • NASA. "Veelgestelde vragen." (20 oktober 2023) https://science.nasa.gov/mission/hubble/overview/faqs/
  • NASA. "De Hubble-ruimtetelescoop." 24 september 2008. (29 september 2008) http://hubble.nasa.gov/
  • NASA. "De Hubble-ruimtetelescoop inspireert verwondering:pagina met educatieve bronnen." (29 september 2008) http://www.nasa.gov/audience/foreducators/hubble-index.html
  • NASA. "De James Webb-ruimtetelescoop." (29 september 2008) http://www.jwst.nasa.gov/
  • Wetenschapsinstituut voor ruimtetelescopen. (29 september 2008) http://www.stsci.edu/resources/



Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Gaan we de zesde grote uitsterving op aarde in?
  2. Kun je leven zonder zuurstof? Dit dier kan
  3. Geneesmiddel blokkeert Zika- en dengue-virussen in studie
  4. Kenmerken van een bacteriële cel
  5. Insecten kunnen mensen leren omgaan met tegenslag
  6. Uit afvalwatermodellering van landbouwbedrijven blijkt dat voetbaden een bron van antimicrobiële resistentie zijn
  7. Hoe Spaced Repetition examen tijd een fluitje van een cent kan maken
  8. Onderzoekers bewerken genen om COVID-19 te voorkomen en te behandelen in het laboratorium. Werkt het bij mensen?
  9. Rapport:meer dan 1.000 wilde paarden naar de slachtbank gestuurd

Wetenschap