25 metai Hablo kosminiam teleskopui arba kaip pamatyti nematomą…

Nuo senų laikų žmogus norėdamas pamatyti tolyje esantį objektą primerkdavo akį. Tai yra pats tolimiausias teleskopo giminaitis – difrakcijos dėka išgaunamas ryškesnis vaizdas. Vėliau žmogus pradėjo gaminti iš stiklo didinamus stiklus, o 1608 metais atsirado pirmas žinomas teleskopas. Ir, jei pirmieji teleskopai veikė matomos šviesos diapazone, vėliau žmonės teleskopų pagalba išmoko “matyti” mūsų plikai akiai nematomus dalykus.

Tai galėjo būti tiesiog per silpni šviesos šaltiniai arba visai kitokių dažnių šviesos bangos. Elektronikos dėka, žmonės atrado naują regą, o mūsų mokslininkai įgijo neįtikėtinai galingus įrankius. Vienas iš tokių yra Hablo kosminis teleskopas, kuriam balandžio 24 dieną sukanka net 25 metų jubiliejus!

Teleskopo istorija skaičiuoja ne vieną šimtą metų.
Teleskopo istorija skaičiuoja ne vieną šimtą metų.

Teleskopo atsiradimo link optikoje buvo judama ilgai. Jei pavieniai lęšiai buvo žinomi dar Ptolemėjui (2 a. pr. Kr.), tai pirmų teleskopų teko laukti iki XVII a. pradžios.  Kas yra teleskopas? Elementarus teleskopas yra dvejų padidinamųjų stiklų kombinacija, kuomet pirmas stiklas surenka visus lygiagrečius šviesos pluoštelius savo židinyje, o antras stiklas juos “praplečia”, taip padidindamas objekto atvaizdą.

Galilėjaus teleskopo schema. Objektą matome didesniu kampu nei plika akimi.
Galilėjaus teleskopo schema. Objektą matome didesniu kampu nei plika akimi.

Teleskopo didinimas yra išreiškiamas jį sudarančių lęšių židinio nuotolių santykiu. Taigi teleskopas veikia tik tuomet, kai naudojami skirtingi lęšiai, tuomet vienas teleskopo galas didina vaizdą, o kitas teleskopo galas – mažina objekto atvaizdą. Pirmieji teleskopai vaizdą ne tik didino bet ir jį apversdavo aukštyn kojomis. Šį nepatogumą ištaisė Galilėjus, panaudojęs vieną įgaubtą lęšį.

Teleskopai buvo labiau turtingų žmonių pramoga, nei mokslininkų įrankis.
Teleskopai buvo labiau turtingų žmonių pramoga, nei mokslininkų įrankis.

Vos atsiradę teleskopai gana daug kainavo, todėl juos sau galėjo leisti arba turtingi žmonės, arba mokslininkai, kurie turėjo turtingus mecenatus. Gana svarbi buvo teleskopo lęšių kokybė bei teleskopo sandara. Teleskopai buvo skirstomi į laužiančiuosius (su dviem stiklo lęšiais) ir atspindinčiaisiais (kuomet vienas iš lęšių buvo pakeičiamas neplokščiu veidrodėliu).

Lęšis be sferinės aberacijos surenka šviesos spindulius į vieną tašką. Sferinė aberacija kenkia vaizdo ryškumui.
Lęšis be sferinės aberacijos surenka šviesos spindulius į vieną tašką. Sferinė aberacija kenkia vaizdo ryškumui.

Kodėl du lęšiukai buvo tokie brangūs? Visų pirma dėl vaizdo netobulumų, kurie atsirasdavo panaudojus storesnius lęšiukus. Viduramžiais, kuomet teleskopo kūrėjas norėjo išgaut didelį didinimą, jis naudojo storesnius lęšius, tačiau storame lęšyje spinduliai nesusirinkdavo viename taške. Dėl šios priežasties nukentėdavo vaizdo ryškumas. Šį efektą optikoje vadino sferine aberacija.

Hablo kosminio teleskopo vaizdai su sferine aberacija ir po korekcijos.
Hablo kosminio teleskopo vaizdai su sferine aberacija ir po korekcijos.

LIežuvis nesiverčia sekančios situacijos pavadinti kitaip nei anekdotine. Kuomet mūsų jubiliatas – Hablo kosminis teleskopas – 1990 metais balandžio 24 dieną sėkmingai pasiekė jam numatytą orbitą, niekas dar nežinojo, jog tiksliausiame bet kada pagamintame prietaise bus pasislėpusi banali Viduramžių laikus menanti sferinė aberacija! Vietoje ryškių Hablo vaizdų, prie kurių esame tiek pripratę, mokslininkai išvydo išblukusias neryškias ir baisias nuotraukas!

Astronautai darbuojasi su Hablo įranga.
Astronautai darbuojasi su Hablo įranga.

Anot populiaraus fizikų tarpe mito, taip atsitiko dėl to, kad šlifavimo įrenginys naudojo ne metrinę sistemą, o imperinę. Ir, nors milžiniškas teleskopo veidrodis buvo idealiai tiksliai nušlifuotas, jo forma buvo kitokia, negu reikėjo pagal projektą. Beje, realybė buvo netoli legendos, šlifavimo įrenginys turėjo neteisingai surinktą prietaisą.

Specialios formos lęšis susitvarkydavo su sferine aberacija.
Specialios formos lęšis susitvarkydavo su sferine aberacija.

Tam, kad pataisyti sferinę aberaciją, pirmų lęšių gamintojams teko keist individualių lęšių formą. Fizikos mokslas tais laikais buvo dar neišsivystęs, todėl teleskopų gamintojams tekdavo investuoti daug laiko ir lėšų norint patobulint esamą dizainą arba pagaminti geresnį teleskopą. Nieko nuostabaus, kad pirmi teleskopai buvo tokie brangūs. Šitoje vietoje galite paklaust, ar autorius neužsikalbėjo ir nepamiršo jubiliato? Tikrai ne! Kaip būtų galima spėti pagal ryškias ir vaizdingas teleskopo nuotraukas, mokslininkai rado sprendimą ir suvaldė sferinę aberaciją.

COSTAR sistema išgelbėjusi Hablo teleskopą.
COSTAR sistema išgelbėjusi Hablo teleskopą.

Po trijų metų nuo starto, 1993 metais, NASA organizavo sekančią misiją, kurios metu kosmonautai instaliavo teleskope korekcinę sistemą COSTAR. Tam jiems teko išmontuoti vieną prietaisą, nes teleskope nebuvo laisvos vietos. Gera žinia yra ta, kad Hablo teleskopas vėliau susilaukė kitų atnaujinimo darbų ir 2009 metais COSTAR sistema buvo išmontuota ir nugabenta į Žemę.

Chromatinė aberacija, antroji teleskopų rykštė.
Chromatinė aberacija, antroji teleskopų rykštė. Apačioje vaizdas su chromatine aberacija, viršuje – be.

Sferinė aberacija tai dar ne viskas, su kuom teko susidurt pirmų teleskopų gamintojams. Lyg to būtų maža, lęšius sudarančio stiklo lūžio rodiklis keitėsi nuo šviesos spalvos. Mėlynai spalvai lūžio rodiklis buvo vienoks, raudonai spalvai – kitoks.

Cromatinę aberaciją taisoma dvejų skirtingų medžiagų pagalba.
Cromatinę aberaciją taisoma dvejų skirtingų medžiagų pagalba.

Dėl skirtingų lūžio rodiklių lęšis surinkdavo skirtingų spalvų šviesą į skirtingus taškus. Dėl šio efekto storų lęšių teleskope gaunamas vaizdas turėjo spalvotus ir išplaukusius objektų kraštus. Chromatinę aberaciją pataisyti yra neįtikėtinai sudėtinga, kadangi tenka naudot keletą lęšių pagamintų iš skirtingų medžiagų. Tai irgi prisidėjo prie kokybiškų teleskopų kainos.

64 metrų dydžio radioteleskopas.
64 metrų dydžio radioteleskopas.

Laikui bėgant, žmogus įvaldė fotografijos meną, tad astronomams nebereikėjo ašaroti naktimis prie teleskopų. Įvaldžius fotojuostelės gamybą, buvo pastebėta, kad priklausomai nuo naudojamos medžiagos, fotojuosta gali būti jautri neregimai šviesai: ultravioletui, Rentgeno spinduliams. Taip pirmieji teleskopai išmoko “pamatyti” danguje objektus, nematomus žmogaus akiai. O XIX a. viduryje teleskopai išmoko matyti ir “šilumą” – infraraudonąją spinduliuotė. Praeitame amžiuje atsirado ir radioteleskopai.

Iš tikrų spalvų NASA pasigamina tokias, kokias nori.
Iš tikrų spalvų NASA pasigamina tokias, kokias nori.

Įdėmus skaitytojas gali čia paklausti, o kaip mes pamatome “nematomą” šviesą? Vienas reikalas – teleskopas, kitas – žmogaus akis. Atsakymas paprastas: dabartiniai teleskopai turi kameras, kuriose yra daug jautrių šviesai taškų. Kiekviename tokiame pikselyje skirtingo ilgio šviesa yra konvertuoja į elektrinį signalą, kuri atvaizduoti kompiuterio ekrane yra elementarus technikos klausimas. Mokslininkai ekrane mato juodai baltus vaizdus. Kuo stipresnė buvo šviesa tame pikselyje, tuo baltesnis taškas kompiuteriaus ekrane. O vėliau NASA paima Photoshop programą ir iš kelių juodai baltų vaizdų gauna spalvotą pseudonuotrauką.

To paties objekto dvi skirtingos versijos.
To paties objekto dvi skirtingos versijos.

Laikui bėgant tos pačios nuotraukos atrodo vis kitaip, nes mokslininkai nutaria juodai baltoms nuotraukoms Photoshop programoje priskirti kitą spalvą. Vaizdai gaunasi atpažįstami, tačiau vis lengvai kitokie.

Erelio ūko nuotrauka infraraudonojoje šviesoje.
Erelio ūko nuotrauka infraraudonojoje šviesoje.

Ir štai, artėjant garbingam 25 metų jubiliejui, NASA paskelbė dar vieną žymios nuotraukos versiją. Šį kartą tai yra puiki galimybė žmogaus akimis pamatyti tai, ko mes niekada patys nepamatytume. Tai yra Erelio ūko atvaizdas infraraudonųjų spindulių diapazone.

Infraraudonai šviesai jautri fotokamera gali pamatyti net mūsų kraujagyslių šilumą.
Infraraudonai šviesai jautri fotokamera gali pamatyti net mūsų kraujagyslių šilumą.

Jei bežiūrėdami į nuotrauką nustebote pamatę aibę iki šiol neregėtų žvaigždžių, nusiraminkite. Tai tikrai tas pats Erelio ūkas! Ir tai jokia klaida. Mūsų Visatoje gana daug žvaigždžių, kurios yra ganėtinai vėsios. Jos spinduliuoja gana mažai šviesos mums matomojoje srityje, tačiau būdamos pakankamai šiltos, jos gerai šviečia infraraudonojoje srityje. Panašiai ir mūsų kraujagyslės yra nematomos mūsų akiai per storą odą, tačiau vos tik ištraukiame infraraudonai šviesai jautrią fotokamerą – štai jos bėga, vinguriuoja po mūsų odą. Ištisas neregimas pasaulis prieš mūsų akį!

 

4 thoughts on “25 metai Hablo kosminiam teleskopui arba kaip pamatyti nematomą…”

  1. Man tik keistoka pasirodė, kad iš pradžių iškėlė teleskopą į orbitą ir tik po to pastebėjo tą banalią viduramžius menančią sferinę aberaciją. Negi prieš iškeliant to negalima buvo patikrint? Juk Žemėje korekcijos darbus atlikt žymiai paprasčiau nei kosminėj erdvėj.

  2. Na, čia jau grybai konkretūs turėjo būt, jei tokią klaidą padarė. Bet kokioj firmelėj eilinę produkciją patikrina kelis kartus, ar nebrokuota (jei ne gamintojas, tai užsakovas), o tokiuose projektuose kaip NASA vykdomi maniau be 10 kartų patikrinimo išvis prie sekančio etapo nepereinama. Ech, tas beprotiškas pasaulis…

  3. Prisimenant, kap sudužo „Mars Climate Orbiter“ – galima dešimtį kartų sutikrinti skaičius, o į galvą nešaus pasižiūrėti, kokius matavimo vienetus naudoja skirtingos to paties projekto grupės.

Leave a Reply