Uzbrojonym okiem w czerń kosmosu.

Tym razem o teleskopach. Rąsia do góry kto wie co to jest teleskop i jak działa? Tak Jasiu, słucham… Hmmmm, prawie. Trója. Siadaj. Jak nam powiedział Jasiu, teleskop to tuba ze szkiełkami powiększającymi w środku a działa na zasadzie powiększania obrazu, który wpada jedną stroną a wychodzi drugą gdzie przykładamy oko. Tak, Galileusz zapewne by uznał ta odpowiedź za dobrą ale on już głosu nie zabierze, co więcej nie żyjemy już w XVII wieku! Dziś typowy teleskop do poważnych, naukowych zastosowań unosi się setki tysięcy kilometrów nad naszymi głowami, na jakiejś oddalonej orbicie albo osadzony jest na solidnej skale, wysoko ponad poziomem chmur ze zwierciadłem wycelowanym w kosmos (no bo niby gdzie indziej?). Dziś słowo „teleskop” zawiera w sobie aparaturę zdolną do obserwacji otaczającego nas świata nie tylko w świetle widzialnym ale całym zakresie promieniowania elektromagnetycznego od promieniowania kosmicznego do fal radiowych. Co bardziej czujni obywatele naszego globu zapytani o znajomość (ze słyszenia oczywiście) jakiegokolwiek teleskopu wykrzykną bez namysłu Hubble!

Ja skupię się na ogólnej budowie, rodzaju oraz najważniejszych obserwacjach dokonanych przez wybrane teleskopy. Nie jestem specjalistą w tej dziedzinie, więc nie będę rozpisywać się na dostępne rodzaje teleskopów optycznych oraz ich konfiguracje. Na jednym z pikników naukowych miałem okazje obserwować Słońce przez teleskop. Co widziałem? Plamy słoneczne a na kolejnym instrumencie koronalne wyrzuty masy. Bardzo fajnie to wyglądało, niemniej jednak ja chciałbym spojrzeć nieco dalej. Mam nadzieję, że kiedyś znajdę się w miejscu gdzie będę mógł prowadzić w samotności obserwację na własnym teleskopie. Tymczasem pozostają obrazy z internetu. Tak jak napisałem powyżej, teleskop to szerokie pojęcie narzędzia potrafiącego obserwować cały zakres fali elektromagnetycznej. Zdecydowanie większa część promieniowania pochłaniana jest przez ziemską atmosferę. Jedyne promieniowanie docierające do powierzchni ziemi dociera pod postacią światła i fal radiowych oraz wtórnego promieniowania kosmicznego. To duże ograniczenie narzucone na naziemnego obserwatora. Wiek dwudziesty to rozkwit naziemnych, optycznych technik obserwacyjnych Wraz z rozwojem technologii, pojawiały się kolejne możliwości obserwacyjne, niemniej jednak mogły one być prowadzone tylko w przestrzeni kosmicznej.


Teleskop Hubble’a

image036image003_uv

  • Obserwowalne spektrum: bliska podczerwień, światło widzialne, ultrafiolet
  • Położenie: Orbita geocentryczna, wysokość 550km
  • Data wyniesienia w kosmos: 24 kwiecień 1990 roku
  • Planowana data zakończenia pracy: 2020
  • Własność: NASA, ESA

Pierwsze teoretyczne prace nad umieszczeniem teleskopu w kosmosie powstały we wczesnych latach dwudziestych XX wieku. To wtedy pierwsi wizjonerzy przedstawili ideowy plan umieszczenia teleskopu na orbicie okołoziemskiej, co w znaczący sposób przyczyniłoby się do poprawy obrazu otrzymywanego z teleskopu. Atmosfera ziemska skutecznie utrudnia precyzyjne obserwacje wszelakich obiektów znajdujących się w kosmosie, zarówno tych najbliższych jak Księżyc jak i najdalszych galaktyk. Ponadto do Ziemi z przestrzeni kosmicznej dociera tylko niewielki wycinek promieniowania elektromagnetycznego pod postacią światła widzialnego i fal radiowych. Pomiary i obserwacje pozostałego spektrum promieniowania są na Ziemi niemożliwe. Kosmiczny teleskop pozbawiony głównej przeszkody, jaką jest atmosfera ziemska byłby wymarzonym narzędziem dla naukowców badających Wszechświat. Pierwsze próby podjęła Wielka Brytania w latach 60-tych i choć nie zakończyły się spektakularnym sukcesem, to udowodniły potrzebę umieszczenia teleskopu na orbicie Ziemi, który mógłby nieprzerwanie prowadzić obserwacje przez kilka lat. Dopiero w 1990 roku po wielu opóźnieniach i problemach finansowych udało się wynieść w kosmos teleskop Hubble’a… który okazał się bublem. Zwierciadło teleskopu okazało się nierówne i przydatność naukowa teleskopu okazała się niewielka. Teleskop Hubble’a był zaprojektowany jako sztuczny satelita, z możliwością wielokrotnego serwisowania (na orbicie ofkoz). Dopiero po trzech latach od umieszczenia na orbicie, przybyła pierwsza grupa majstrów mających za zadanie przywrócić mu sprawność. Teleskop nieprzerwanie (pomijając awarie poszczególnych części) pracuje do dziś, a planowane zakończenie przypada na rok 2020. Zdecydowana większość zdjęć jakie widzieliście w internecie, książkach czy prasie pochodzi właśnie z teleskopu Hubble’a. Dane jakie uzyskano przy pomocy teleskopu zasadniczo wyznaczyły dalsze kierunki eksploracji kosmosu. Ludzkość zobaczyła obrazy o jakich nie śnili najwięksi fantaści i artyści. Prawdopodobnie wielu do dziś nie wierzy, że takie twory naprawdę istnieją gdzieś w kosmosie, co więcej nie mogły by zostać  stworzone bez udziału człowieka. Co ciekawe, zdjęcia z teleskopu są czarno-białe i dopiero kombinacja ujęć tego samego obiektu z wykorzystaniem rożnych filtrów pozwala na otrzymanie kolorowego zdjęcia. Jednymi z największych osiągnięć teleskopu było zmierzenie dystansu do cefeid, czyli specyficznych gwiazd zmiennych które pozwalają z dużą dokładnością określić dystans do obiektów rozrzuconych w przestrzeni kosmicznej. Potwierdzono także istnienie czarnych dziur w centrach galaktyk, które przewidywała Ogólna Teoria Względności Einsteina. Z teleskopu Hubble’a wykonano również zdjęcie najodleglejszych obiektów znajdujących się 13,2 mld lat świetlnych od nas. Ekstremalnie Głębokie Pole Hubble’a przedstawia około 5,5 tysiąca galaktyk. Składa się z 2 tysięcy zdjęć wykonanych na przestrzeni 10 lat!

hs-2012-37

Na koniec wspomnę o dostępności teleskopu dla każdego. Dostęp dla „niewtajemniczonych” możliwy był w drodze konkursu cyklicznie organizowanego przez Space Telescope Science Institute. Wybierane były pomysły, mogące mieć istotny wpływ na rozwój wiedzy astronomicznej i nie były dublowane z istniejącymi obserwacjami. Niestety w ramach cięć budżetowych program został zamknięty i Kowalski może sobie pooglądać kosmos co najwyżej w internecie albo przez swojego habelka na balkonie. Hubble to już emeryt a na jego miejsce szykowani są już następcy, między innymi kosmiczny teleskop Jamesa Webb’a oraz ATLAST.

Lista 100 najpopularniejszych zdjęć wykonanych przez HST

Więcej na http://hubblesite.org


 Gamma-ray Large Area Space Telescope (GLAST)

(od 2008 roku przemianowany na Fermi Gamma-ray Space Telescope (FGST),

image045

  • Obserwowalne spektrum: promieniowanie Gamma
  • Położenie: Orbita geocentryczna, wysokość ~540km
  • Data wyniesienia w kosmos: 11 czerwiec 2008 roku
  • Planowana czas pracy: 5 – 10 lat
  • Własność: NASA i inni

Jest to wspólny projekt kilku państw pod przewodnictwem NASA. Teleskop ten nie jest typowym teleskopem optycznym rejestrującym światło widzialne jak Hubble, ale satelitą obserwującą przestrzeń kosmiczną w zakresie promieniowania Gamma, które jest dla ludzkiego oka niewidoczne, oraz  wyjątkowo zabójcze. Narzędzie zaprojektowano tak, aby było w stanie obserwować odległe źródła silnego promieniowania Gamma, które najczęściej są identyfikowane jako aktywne jądra galaktyk, kwazary, masywne gwiazdy w układach podwójnych, pulsary, mgławice będące pozostałościami po eksplozjach supernowych czy rozbłyski Gamma, których źródła do dziś nie udało się ustalić. Dzięki jego obserwacjom stwierdzono obecność bąbli „wyrastających” w przeciwnych kierunkach z centrum Drogi Mlecznej. Szacuje się, że nie maja one więcej niż kilka milionów lat, a ich pochodzenie przypisuje się zderzeniu potężnych, czarnych dziur.

Więcej na: http://fermi.gsfc.nasa.gov/


Teleskop kosmiczny Chandra

image040

  • Obserwowalne spektrum: promieniowanie Roentgena
  • Położenie: Orbita eliptyczna, wysokość od 16 tyś do 133 tyś
  • Data wyniesienia w kosmos: 23 lipiec 1999 roku
  • Planowana czas pracy: 5 lat (dotychczas upłynęło niemal 16 lat pracy)
  • Własność: NASA

Teleskop kosmiczny Chandra (nazwany tak na cześć Subramanyan Chandrasekhar’a) jest kolejnym urządzeniem rejestrującym promieniowanie niewidzialne dla ludzkiego oka a mianowicie promienie Roentgena. Został on umieszczony na eliptycznej orbicie wokółziemskiej aby uniknąć pasów radiacyjnych Van Allena zakłócających obserwację na wybranej długości fali. Teleskop ten jest drugim z trzech Wielkich Obserwatoriów wyniesionych w kosmos przez NASA. Pierwszym był teleskop Hubble’a a trzecim Kosmiczny Teleskop Spitzer’a (prowadzący obserwację w podczerwieni). Teleskop Chandra też oczywiście dokonał wielu nowych, spektakularnych odkryć jak i uzupełnił już znane obiekty o widmo promieni X. Między innymi zaobserwowano w mgławicy Kraba nieznane dotychczas pierścienie i ogromne dżety.

Więcej na: http://chandra.harvard.edu/


 Kosmiczny Teleskop Spitzera

(wcześniej Space Infrared Telescope Facility (SIRTF)

image032

  • Obserwowalne spektrum: podczerwień
  • Położenie: Orbita heliocentryczna
  • Data wyniesienia w kosmos: 25 sierpień 2003 rok
  • Planowany czas pracy: 2,5 roku (do chwili obecnej 11 lat)
  • Własność: NASA

Ostatni z trzech wielkich kosmicznych obserwatoriów NASA. Kosmiczny Teleskop Spitzer’a to narzędzie, które umożliwia obserwację nieba w podczerwieni, czyli długości fali dla ludzkiego oka już niedostępnej. Co można wypatrzeć przez taki teleskop? Między innymi gwiazdotwórcze żłobki, jądra galaktyk czy nowo formujące się systemy planetarne. Dzięki obserwacji w podczerwieni możemy zaobserwować również zimne obiekty jak brązowe karły czyli gwiazdy niewypały, które nigdy nie zapłoną z pełną mocą, planety w pozasłonecznych układach planetarnych czy ogromne obłoki zimnego gazu wraz z organicznymi molekułami, które być może skrywają zagadkę życia.

Pierwotnie teleskop został zbudowany aby pracować przez 2,5 roku ale główną fazę pracy, tak zwaną „zimną” udało się wydłużyć do ponad 5,5 roku. W maju 2009 roku chłodziwo (ciekły hel) skończyło się i teleskop kontynuował pracę w trybie „ciepłym”. O co w ogóle chodzi z tymi trybami pracy? Otóż teleskop działający w podczerwieni musi być chłodzony do jak najniższej temperatury, aby jego podzespoły odpowiedzialne za zbieranie światła same nie emitowały ciepła, które zakłócałoby pomiar. Po wyczerpaniu chłodziwa, pozostałe instrumenty, które go wcześniej nie potrzebowały pracują nadal.

Więcej na: http://www.spitzer.caltech.edu/


Planck

image027

  • Obserwowalne spektrum: mikrofale
  • Położenie: Punkt libracyjny L2
  • Data wyniesienia w kosmos: 14 maj 2009 rok
  • Planowany czas pracy: 15 miesięcy (w sumie niemal 4,5 roku)
  • Własność: ESA

Wszystko we Wszechświecie promieniuje. Elektromagnetyzm jest jednym z czterech podstawowych oddziaływań, które determinują nasze otoczenie i nas samych. Mikrofale – są jedynie wycinkiem z całego spektrum promieniowania elektromagnetycznego. Zawierają się pomiędzy podczerwienią i falami ultrakrótkimi i są zaliczane do fal radiowych. Jeśli mówimy o mikrofalach w kosmosie, to mówimy przede wszystkim o Mikrofalowym Promieniowaniu Tła. Jego odkrycie stało się fundamentem dla teorii Wielkiego Wybuchu. Wszystko zaczęło się w latach czterdziestych XX wieku za sprawą uczonego nazwiskiem George Gamow. Od pierwszych prac teoretycznych, do wysłania pierwszego satelity zdolnego wykryć promieniowania tła minęło wiele lat ale gdy już tego dokonano, fakt ten zasadniczo zmienił naszą wiedzę o początkach Wszechświata. Zaraz po Wielkim Wybuchu uniwersum było rozgrzane do miliardów stopni. Dopiero po około 380 tysiącach lat od wybuchu, schłodził się na tyle, aby mogła uformować się materia. Wtedy też po raz pierwszy światło mogło swobodnie zacząć wędrować przez pustkę kosmosu. Wraz z rozszerzającym się Wszechświatem, fale światła widzialnego również się rozciągały, co jest znane jako efekt przesunięcia ku czerwieni. Białe światło podczas swojej podróży przez kosmos stopniowo przechodziło właśnie w światło czerwone co było spowodowane „rozciąganiem” fali elektromagnetycznej. W końcu po niemal 14 miliardach lat, została ona rozciągnięta do długości mikrofal, czyli przestała być widoczna dla ludzkiego oka a zaobserwowana może być jedynie przez dedykowane do tego instrumenty. Jednym z nich jest właśnie satelita trzeciej generacji – Planck. Tak pokrótce wygląda historia kosmicznych mikrofal. To naprawdę fascynująca lektura, więc jeśli chciałbyś się dowiedzieć więcej o Mikrofalowym Promieniowaniu Tła to zapraszam do mojego odrębnego artykułu.

Więcej na: http://www.cosmos.esa.int/web/planck


Atacama Large Millimeter Array

image018

  • Obserwowalne spektrum: fale radiowe
  • Położenie: Pustynia Atacama (ESO)
  • Data uruchomienia: marzec 2013 rok
  • Planowany czas pracy: bezendu
  • Własność: międzynarodowa kooperacja

To już ostatni z opisywanych „teleskopów” i największy! Wchodzi w skład Południowego Obserwatorium Europejskiego znajdującego się w Chile. Słowo teleskop nie jest tu może najtrafniejszym określeniem, albowiem precyzyjnie ujmując, jest to interferometr radiowy. Składa się on z 66 anten (radioteleskopów) współpracujących w zakresie długości fali 0.3 do9.6 mm co pozwala na uzyskanie dużej czułości całego zestawu. Rozstawione są one na płaskowyżu i dzięki wózkom, można je ustawiać w różnych konfiguracjach uzyskując w ten sposób bardzo duży radiowy „zoom”. Na całość zestawu składa się z 66 anten (54 anteny o średnicy czaszy 12 metrów oraz 12 anten o średnicy czaszy 7 metrów). Wszystkie anteny współpracują razem. Podobnie jak w teleskopie optycznym, posiadającym lustrzane zwierciadło wychwytujące światło widzialne, tak i tu każda antena posiada zwierciadło (czaszę) odbijające fale radiowe w kierunku detektora znajdującego się u zwieńczenia czaszy. Sposób działania identyczny jak typowa antena satelitarna za oknem. Co można zaobserwować przy pomocy tego teleskopu? Wszystko co emituje promieniowanie radiowe. Przede wszystkim służy do obserwacji najodleglejszych obiektów na granicy widzialnego wszechświata, czyli pierwszych galaktyk i gwiazd, których światło w wyniku ekspandującego wszechświata zostało rozciągnięte do długości fal radiowych i żaden optyczny teleskop już nie jest w stanie ich zaobserwować. Można tez obserwować etapy tworzenia się planet lub badać skład chemiczny obłoków molekularnych, a także czarne dziury, kwazary, aktywne jądra galaktyk. Kolejnym teleskopem działającym na tej samej zasadzie jest VLA znajdujący się w USA, znany z filmu KONTAKT.

Więcej na: http://www.almaobservatory.org/


em_spectrum_satellite

Spektrum fali elektromagnetycznej.

EM_spectrum_atmosphere

Zakres fal przepuszczanych przez atmosferę ziemską.

Jak już wspomniałem powyżej, atmosfera ziemska pochłania większy zakres promieniowania elektromagnetycznego i z ziemi można prowadzić obserwacje w paśmie światła widzialnego i radiowego. O ile monitoring fal radiowych przebiega bez większych zakłóceń, to obserwacja przez teleskopy optyczne ma sens gdy znajdują się one na dużych wysokościach, unikając w ten sposób najniższej warstwy atmosfery. Powoduje ona zniekształcenie obrazu poprzez „drgania” spowodowane rozgrzanym powietrzem. Zapewne niejednokrotnie wpatrując się w nocne niebo widzieliście migoczące gwiazdy? Tak naprawdę nie było to migotanie, ale ruch ciepłego powietrza. Sytuacja identyczna gdy w gorący dzień patrząc przed siebie na asfaltowej drodze obraz przed tobą wydaje się poruszać. Niestety umieszczenie obserwatorium na dużej wysokości to duży koszt. Ponadto idealnych miejsc na Ziemi dla takich obserwatoriów nie ma wcale tak wiele. Jednym z najlepszych są Hawaje i znajdujący się tam wulkan Mauna Kea. Zbudowano tam na wysokości 4145 metrów nad poziomem morza teleskopy Keck’a. Pomimo iż znajdują się całkiem wysoko, to nadal nad ich zwierciadłami zalega gruba warstwa atmosfery. I tu dochodzimy do kolejnej sztuczki mającej na celu poprawę zniekształconego przez atmosferę obrazu a mianowicie optyki aktywnej. To technika polegająca na podzieleniu głównego zwierciadła teleskopu na mniejsze segmenty. Każdy z takich segmentów jest kilkanaście razy na sekundę ustawiany pod nieco innym kątem w celu skorygowania obrazu. Kolejną, bardziej zaawansowaną technologia stosowaną do korekcji zniekształconego przez atmosferę obrazu służy optyka adaptatywna. Działa ona na podobnej zasadzie ale tu zamiast zwierciadła podzielonego na segmenty mamy jednolite lustro z wieloma siłownikami po jego zewnętrznej części. Odpowiadają one za wyginanie całego lustra w celu korekcji obrazu. W tym przypadku lustro jest cienkie na tyle aby umożliwić siłownikom jego odkształcanie. Zastanawiasz się teraz zapewne skąd wiadomo jak odkształcić lustro aby uzyskać wiarygodny obraz obiektu oddalonego o miliony lat świetlnych? Otóż komputer sterujący kształtem lustra, porównuje na bieżąco obraz pobliskiej gwiazdy lub wiązki laserowej wysyłanej przez teleskop i stara się aby jej obraz był jak najmniej zdeformowany. Na koniec wspomnę jeszcze o jednej sztuczce a jest nią budowanie obserwatoriów… na wodzie lub w jej pobliżu. Otaczająca woda nie nagrzewa się do tak wysokich temperatur jak ziemia, więc zasadniczo zmniejsza zniekształcenia obrazu. Temat technologii aktywnej korekcji luster zostawię na kolejny wpis w przyszłości.

Na koniec informacja która wielu może zasmucić ale myślę, że należy o niej napisać w takim właśnie artykule. Zapewne wielokrotnie widzieliście fascynujące, niemal bajkowe obrazy obiektów z odległego kosmosu, które niejednokrotnie zapierały wam dech w piersiach i skłaniały do zastanowienia się jak to możliwe, że „to coś” powstało bez udziału człowieka – finezyjne kształty okraszone paletą pięknych barw. Cóż, prawda jest taka że wiele z tych zdjęć a raczej obiektów które te zdjęcia przedstawiają, tak naprawdę wygląda inaczej lub w ogóle nie wyglądają! Bardzo często zdjęcia obiektów składają się z obrazów przetworzonych przez komputery na potrzeby wizualizacji dla ludzkiego oka. No bo czy można zobaczyć na własne oczy promienie Gamma (stracić wzrok można, owszem)? Jako dobry przykład niech posłuży zdjęcie które zamieściłem przy teleskopie Chandra. Gdybyśmy mieli okazje znaleźć się w relatywnie bliskiej odległości do jednego z tych fantastycznie wyglądających obiektów i zobaczyć go na własne oczy, ostatecznie mogło by się okazać że nie widać nic lub niewiele z tego co przedstawiały zdjęcia.

Mgławica Krab. Jedno z najbardziej znanych zdjęć. Tu możemy zobaczyć jak „wygląda” w całym zakresie promieniowania elektromagnetycznego.

Więcej o promieniowaniu elektromagnetycznym:

Reklamy

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Log Out / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Log Out / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Log Out / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Log Out / Zmień )

Connecting to %s