Cómo funciona el telescopio espacial Hubble
En 1946, un astrofísico llamado Lyman Spitzer, Jr. propuso que los telescopios en el espacio producirían imágenes más claras de objetos distantes que cualquier telescopio terrestre. Suena lógico, ¿no? Pero era una idea escandalosa porque nadie había lanzado nunca cohetes al espacio exterior.
A medida que el programa espacial estadounidense maduraba en las décadas de 1960 y 1960, Spitzer presionó a la NASA y al Congreso para que desarrollaran un telescopio espacial. En 1975, la Agencia Espacial Europea (ESA) y la NASA comenzaron a redactar planes preliminares y, en 1977, el Congreso aprobó la financiación necesaria. La NASA designó a Lockheed Missiles Corporation (ahora Lockheed Martin) como contratista para construir el telescopio y sus sistemas de soporte, así como para ensamblarlos y probarlos.
Este famoso telescopio lleva el nombre del astrónomo estadounidense Edwin Hubble. Sus observaciones de estrellas variables en galaxias distantes confirmaron que el universo se estaba expandiendo, apoyando la teoría del Big Bang.
Después de un largo retraso debido al desastre del Challenger de 1986, el telescopio espacial Hubble fue puesto en órbita el 24 de abril de 1990 por el transbordador espacial Discovery. Desde su lanzamiento, el Hubble ha cambiado nuestra visión del espacio. Los científicos han escrito miles de artículos basados en los claros descubrimientos de los telescopios sobre cosas importantes, como la edad del universo, la aparición de agujeros negros gigantes o estrellas en su agonía.
En este artículo, discutiremos cómo el Hubble registra el espacio exterior y los instrumentos que le permiten hacerlo. También discutiremos algunos de los problemas que los telescopios y naves espaciales antiguos encontraron en el camino.
Las coestrellas salvaron el mundo
Los astrónomos descubrieron problemas con su querido telescopio de 13,3 metros (43,5 pies) de valor valorado en 1.500 millones de dólares casi inmediatamente después de su despliegue en 1990. Sus nuevos ojos del tamaño de un camión con remolque no enfocan correctamente en el aire. Se dieron cuenta de que el espejo primario del telescopio había sido rectificado al tamaño incorrecto. Si bien el defecto en el espejo (aproximadamente una quincuagésima parte del grosor de un cabello humano) puede parecer pequeño para la mayoría de nosotros, provocó que el Telescopio Espacial Hubble sufriera una aberración esférica, produciendo imágenes borrosas. Por supuesto, los astrónomos no pasan años trabajando en telescopios sólo para satisfacerse con humildes instantáneas del espacio exterior.
Los científicos han propuesto una lente alternativa "invisible" llamada COSTAR (Reemplazo Axial del Telescopio Espacial Óptico Corregido) para corregir defectos en el HST. COSTAR consta de varios espejos pequeños que interceptarán el haz del espejo defectuoso, repararán el defecto y transmitirán el haz corregido a los instrumentos científicos en el foco del espejo.
La NASA y sus tripulaciones pasaron 11 meses preparándose para una de las misiones espaciales más desafiantes de la historia. Finalmente, en enero de 199365438+2, siete personas a bordo del transbordador espacial Endeavour lanzaron un cohete al espacio para realizar la primera misión de mantenimiento del HST.
La tripulación pasó una semana realizando todo el mantenimiento necesario. Cuando se probó el telescopio después de la misión de mantenimiento, las imágenes mejoraron enormemente. Todos los instrumentos colocados en HST ahora tienen ópticas incorporadas para corregir defectos del espejo y ya no se requiere COSTAR.
Sin embargo, hay más telescopios Hubble que COSTAR, algunas de sus partes clave discutiremos a continuación.
Análisis HST
Como cualquier telescopio, el HST tiene un tubo largo con una abertura en un extremo para dejar entrar la luz. Dispone de un espejo para recoger la luz y enfocarla en los ojos. Hay varios tipos de "ojos" en HST, que toman la forma de varios instrumentos musicales. Así como los insectos pueden ver la luz ultravioleta, o los humanos podemos ver la luz visible, el Hubble debe poder ver todo tipo de luz que cae del cielo.
En concreto, el Hubble es un telescopio reflector Segrin. Esto simplemente significa que la luz ingresa al dispositivo a través de la abertura y se refleja desde el espejo primario al espejo secundario. El espejo secundario, a su vez, refleja la luz a través del orificio en el centro del espejo primario hasta el punto focal detrás del espejo primario.
Si dibujas el camino de la luz entrante y saliente, se verá como la letra "W", excepto que hay tres crestas hacia abajo en lugar de dos.
En el punto focal, pequeños espejos semirreflectantes y semitransparentes distribuyen la luz entrante a varios instrumentos científicos. (Discutiremos estas herramientas en detalle en la siguiente sección. Como habrás adivinado, estos no son simplemente espejos comunes. Puedes mirarlos y admirar tu reflejo.
Los espejos de HST están hechos de vidrio Está recubierto con aluminio puro (tres millonésimas de pulgada de espesor) y fluoruro de magnesio (una millonésima de pulgada de espesor) para reflejar la luz visible, infrarroja y ultravioleta. El espejo primario tiene 7,9 pies (2,4 metros) de diámetro. El espejo tiene 1,0 pies (0,3 metros) de diámetro.
A continuación, analizaremos cómo el Hubble procesa toda la luz que llega al telescopio.
Los instrumentos científicos del Hubble: WFPC2, NICMOS. Y STIS
Al observar las diferentes longitudes de onda o espectros de los cuerpos celestes, se pueden distinguir sus múltiples propiedades. Para ello, el HST está equipado con varios instrumentos científicos. Cada instrumento utiliza un dispositivo de carga acoplada (CCD). en lugar de fotografía, se utiliza una película para capturar la luz. La luz detectada por el CCD se convierte en una señal digital, se almacena en una computadora a bordo y se transmite a la Tierra.
La Cámara Planetaria y de Campo Amplio 2 (WFPC2) es el "ojo" o cámara principal del Hubble. Capta la luz con la ayuda de cuatro chips CCD dispuestos en forma de "L" de baja resolución. -Chip CCD de campo y chip CCD de cámara planetaria de alta resolución. Cuatro chips exponen el objetivo simultáneamente y la imagen del objetivo se centra en el chip CCD requerido. Este ojo puede ver luz visible y luz ultravioleta. de filtros para producir imágenes en color de aspecto natural, como esta imagen de la conocida Nebulosa del Águila.
Normalmente, el gas y el polvo interestelares bloquean nuestra visión de la luz visible de varios objetos celestes. No hay problema: Hubble. Puede ver la luz infrarroja, o calor, de objetos ocultos en el polvo y el gas. Para ver esta luz infrarroja, el HST tiene tres cámaras sensibles, que consisten en una cámara de infrarrojo cercano y un espectrógrafo de objetos múltiples
Además de iluminar un cuerpo celeste, la luz emitida por un objeto también puede revelar su composición. La intensidad de cada color nos dice cuánto está presente en el espacio. El Espectrógrafo de Imágenes Telescópicas (STIS) separa los colores. de la luz entrante como un prisma que forma un arco iris.
Además de describir la composición química, los espectros también pueden transmitir la temperatura, la densidad y el movimiento de un objeto, su huella química posiblemente moviéndose hacia el extremo azul. el espectro (acercándose a nosotros) o el extremo rojo (alejándose de nosotros) Desafortunadamente, STIS perdió energía en 2004 y ha estado inactivo desde entonces
Siga leyendo para descubrir qué otros instrumentos científicos hay en el telescopio. ¿Tubo del Telescopio Hubble?
Instrumentos científicos del Hubble: ACS y FGS
Astronautas durante una misión de mantenimiento en febrero de 2002. Se añadió una cámara avanzada para sondeos (ACS), que duplica la del Hubble. campo de visión y reemplaza la cámara de objetos oscuros como teleobjetivo HST.
ACS puede ver luz visible y su instalación ayuda a mapear la distribución de la materia oscura, detectar los objetos más distantes del universo, buscar planetas masivos y examinar la evolución de los cúmulos de galaxias. Los científicos estiman que durará cinco años. En junio de 2007, dos de sus tres cámaras quedaron inutilizadas por un corte de energía.
Un diagrama del Telescopio Espacial Hubble. Pase el cursor sobre "Funciones del telescopio" para examinar cada característica. Nota: En 2002, la "cámara de objetos débiles" fue reemplazada por la "cámara de medición avanzada".
El último instrumento del HST es su sensor de guía fina (FGS), que apunta el telescopio y mide con precisión la posición y el diámetro de las estrellas y la separación de estrellas binarias. Hubble siempre tiene tres de estos sensores. Dos telescopios apuntadores se fijan en el objetivo y buscan estrellas "guía" en el campo HST cerca del objetivo. Cuando cada FGS encuentra una estrella guía, la fija y envía la información al sistema de dirección HST para mantener la estrella guía dentro de su campo de visión. Mientras dos sensores operan el telescopio, un sensor es libre de realizar astrometría (posiciones de estrellas). La astrometría es importante para detectar planetas porque los planetas en órbita hacen que la estrella madre se tambalee a medida que se mueve por el cielo.
Se planean múltiples reparaciones y algunas adiciones a estos instrumentos durante la próxima misión de mantenimiento a principios de 2009.
Ahora ya sabes cómo toma el Hubble estas imágenes. A continuación, veremos el resto de la vida del Hubble como nave espacial.
Sistema de nave espacial Hubble: generación de energía y diálogo con el control terrestre
El Hubble es más que un simple telescopio con instrumentos científicos altamente especializados. También es una nave espacial. Por lo que debe tener fuerza, poder comunicarse con el suelo y poder cambiar de postura (dirección).
Todos los instrumentos y computadoras del HST requieren electricidad. Dos grandes paneles solares cumplen esta función. Cada panel del ala puede convertir la energía solar en 2.800 vatios de electricidad. La energía almacenada en las baterías a bordo puede sostener el telescopio durante 7,5 horas cuando el HST está a la sombra de la Tierra.
Además de generar electricidad, el HST debe poder comunicarse con los controladores en tierra para transmitir datos y recibir comandos del siguiente objetivo. Para las comunicaciones, HST utiliza una serie de satélites de retransmisión llamado sistema de satélites de retransmisión de datos y seguimiento (TDRS). Actualmente, hay cinco satélites TDRS en diferentes lugares del cielo.
El proceso de comunicación del Hubble también cuenta con la ayuda de dos ordenadores principales, que están montados alrededor de los tubos del telescopio, encima de la bahía de instrumentos científicos. Una computadora se comunica con la superficie, transmitiendo datos y recibiendo comandos. Otra computadora es responsable de controlar el HST y varias funciones de limpieza. Hubble también tiene una computadora de respaldo en caso de emergencias.
¿Pero qué utilizar para recuperar los datos? ¿Qué sucede después de que se recopila esta información? Cuatro antenas del telescopio envían y reciben información entre el Hubble y el equipo de operaciones de vuelo en el Centro de Vuelos Espaciales Goddard en Greenbelt, Maryland. Después de que Goddard recibe la información, la envía al Instituto Científico del Telescopio Espacial (STScI) en Maryland, donde se traduce a unidades científicas como la longitud de onda o el brillo.
A continuación, aprende cómo navega el Telescopio Hubble.
El sistema de nave espacial del Hubble: guiar y enfocar el ojo en el cielo
El Hubble orbita la Tierra cada 97 minutos, lo que dificulta enfocar su objetivo. Tres sistemas a bordo permiten fijar el telescopio a un objeto: giroscopios, sensores de guía de precisión y ruedas de reacción, de los que hablamos en el apartado anterior.
Los giroscopios siguen el movimiento brusco del Hubble. Como una brújula, detectan su movimiento y le dicen a la computadora de vuelo que el Hubble se está alejando de su objetivo. Luego, la computadora de vuelo calcula cuánto y en qué dirección debe moverse el Hubble para mantenerse en el objetivo. Luego, la computadora de vuelo ordena a las ruedas de reacción que muevan el telescopio.
Los sofisticados sensores de guía del Hubble ayudan al telescopio a mantenerse en el objetivo apuntando a una estrella guía. Dos de los tres sensores detectan estrellas guía alrededor del objetivo en sus respectivos campos de visión. Una vez encontrada, se fijan en la estrella guía y envían información a la computadora de vuelo para mantener la estrella a la vista. El sensor es más sensible que un giroscopio, pero la combinación de giroscopios y sensores permite que el HST permanezca fijo en un objetivo durante varias horas a pesar del movimiento orbital del telescopio.
El HST no puede utilizar motores de cohetes ni hélices de gas para dirigirse como la mayoría de los satélites porque los gases de escape se arremolinarían alrededor del telescopio y oscurecerían la vista circundante. Por el contrario, las ruedas de reacción del HST miran hacia las tres direcciones de movimiento (x/y/z o cabeceo/giro/guiñada). La rueda de reacción es un volante, como el volante de un embrague. Cuando el HST necesita moverse, la computadora de vuelo le indica a uno o más volantes en qué dirección y velocidad girar, proporcionando la fuerza. Según la tercera ley del movimiento de Newton (para cada acción, hay una reacción igual y opuesta), el HST gira en la dirección opuesta al volante hasta alcanzar el objetivo.
Limitaciones del Hubble
Si bien el HST ha producido innumerables imágenes y descubrimientos increíbles, también tiene algunas limitaciones.
Una de las limitaciones es que el HST no puede observar el sol porque la intensa luz y el calor quemarían sus sensibles instrumentos. Por lo tanto, el HST siempre apunta en dirección opuesta al sol. Esto también significa que el Hubble no puede observar Mercurio, Venus y algunas estrellas cercanas al Sol.
Además del brillo de los objetos, la órbita del Hubble también limita lo que se puede ver. A veces, los astrónomos quieren que los objetos observados por el Hubble queden oscurecidos por la propia Tierra mientras el Hubble orbita. Esto puede limitar el tiempo dedicado a observar un objeto determinado.
Finalmente, el HST pasa a través de una porción de los cinturones de radiación de Van Allen, donde las partículas cargadas del viento solar son capturadas por el campo magnético de la Tierra. Estos encuentros pueden resultar en una alta radiación de fondo que interfiere con los detectores del instrumento. Durante este período es imposible observar con telescopios.
A continuación, conozca el futuro de los observatorios gigantes en el cielo.
Programa del Telescopio Espacial Hubble: Misiones de Mantenimiento Final y Reemplazos
Actualmente, el futuro del Hubble es un poco incierto. La última tarea de mantenimiento estaba prevista para el 10 de junio de 2008. Sin embargo, la NASA perdió una semana de tiempo de preparación cuando el huracán Ike arrasó Texas, lo que obligó a evacuar el Control de Misión en Houston.
Luego, el transbordador espacial Atlantis explotará el 65438 de junio + 65438 de octubre + abril de 2008, transportando a 7 astronautas para completar la misión; el viaje durará 11 días y la vida útil del telescopio se extenderá al menos a 2013.
Sin embargo, el 29 de septiembre de 2008, debido a graves fallos, la NASA pospuso la misión final para principios de 2009. Los instrumentos de comando y procesamiento de datos del Hubble fallaron y simplemente dejó de capturar y enviar los datos necesarios para producir las imágenes del cielo profundo que conocemos y amamos.
Cuando finalmente se lance Atlantis, la NASA puede enviar piezas de repuesto para las piezas defectuosas. Sin embargo, antes de que eso suceda, la NASA debe probar la pieza de repuesto y capacitar a los astronautas sobre cómo instalarla. Al mismo tiempo, la agencia también está intentando activar canales de respaldo del sistema de comando y procesamiento de datos para que el telescopio pueda reanudar la transmisión de datos.
¿Cuáles son tus planes de vida después del Hubble?
El sucesor del Hubble, el Telescopio Espacial James Webb (JWST), llamado así en honor al ex director de la NASA James Webb, estudiará cada etapa de la historia del universo. Desde una órbita aproximadamente a 654,38+0 millones de millas (654,38+06000 km) de la Tierra, el telescopio revelará información sobre el nacimiento de estrellas, la evolución de otros sistemas solares y galaxias, y nuestro propio sistema solar.
Para lograr estos fascinantes descubrimientos, JWST se basará principalmente en cuatro instrumentos científicos: una cámara de infrarrojo cercano (IR), un espectrómetro multiobjeto de infrarrojo cercano, un instrumento de infrarrojo medio y un filtro sintonizable. generador de imágenes.
JWST, anteriormente conocido como "Telescopio Espacial de Próxima Generación", está programado para ser lanzado en 2013 y ha sido una colaboración internacional entre la NASA, la Agencia Espacial Europea y la Agencia Espacial Canadiense.
Pero antes de recurrir al JWST y olvidarnos del Hubble, tal vez valga la pena probar este telescopio tan trabajador. Gracias a los incomparables descubrimientos del Hubble, todos pueden disfrutar de imágenes cautivadoras de los confines de la atmósfera terrestre.