Космический телескоп имени Хаббла

С самого момента зарождения астрономии, со времен Галилея астрономы преследуют одну общую цель: видеть больше, видеть дальше, видеть глубже. И космический телескоп Хаббл (Hubble Space Telescope), запущенный в 1990 году – огромный шаг в этом направлении. Телескоп находится на земной орбите над атмосферой, которая могла бы искажать и не пропускать излучение, приходящее от космических объектов. Благодаря ее отсутствию астрономы получают с помощью Хаббла снимки высочайшего качества. Переоценить ту роль, которую телескоп сыграл для развития астрономии практически невозможно – «Хаббл» – один из наиболее удачных и долговременных проектов космического агентства NASA. Он послал на Землю сотни тысяч снимков, проливающих свет на многие тайны астрономии. Он помог определить возраст Вселенной, идентифицировать квазары, доказать, что в центре галактик располагаются массивные черные дыры и даже ставить опыты по обнаружению темной материи.

Открытия Хаббла изменили взгляд астрономов на Вселенную. Возможность видеть в мельчайших деталях помогла превратить некоторые астрономические гипотезы в факты. Было отброшено множество теорий, чтобы идти в одном верном направлении. Среди достижений Хаббла, одно из основных – определение возраста Вселенной, который сегодня ученые оценивают в 13 – 14 млрд. лет. Это, несомненно, точнее предыдущих данных в 10 – 20 млрд. лет. Хаббл сыграл также ключевую роль в обнаружении темной энергии, таинственной силы, которая заставляет Вселенную расширяться со все возрастающей скоростью. Благодаря Хабблу астрономы смогли увидеть галактики на всех стадиях их развития, начиная от формирования, происходившего еще в молодой Вселенной, что помогло ученым понять, как происходило их зарождение. С помощью телескопа были найдены протопланетные диски, скопления газа и пыли вокруг молодых звезд, вокруг которых вскоре (по астрономическим меркам, естественно) появятся новые планетные системы. Он смог найти источники гамма взрывов – странных, неправдоподобно мощных выбросов энергии – в удаленных галактиках во время коллапса сверхмассивных звезд. И это только часть открытий уникального астрономического инструмента, но уже доказывающих, что потраченные на создание, вывод на орбиту и обслуживание $2, 5 млрд. являются выгоднейшим вложением средств в масштабе всего человечества.

Хаббл обладает удивительной производительностью. Все астрономическое сообщество пользуется его способностью видеть глубины Вселенной. Каждый астроном может послать запрос на определенное время пользования его услугами, и группа специалистов решает, возможно ли это сделать. После проведения наблюдения проходит, как правило, год, прежде чем астрономическое сообщество получит результаты исследований. Поскольку данные, полученные с помощью телескопа доступны каждому, любой астроном может проводить свои изыскания, согласуя данные с обсерваториями всего мира. Такая политика делает исследования открытыми, а значит более эффективными. Однако уникальные возможности телескопа означают и высочайший уровень спроса на его него – астрономы всего мира борются за право пользоваться услугами Хаббла в свободное от основных миссий время. Каждый год поступает более тысячи заявок, среди которых выбираются лучшие по мнению экспертов, но по статистике удовлетворяются лишь 200 – только пятая часть от общего количества желающих проводят при помощи Хаббла свои исследования.

Для чего же был необходим вывод телескопа в околоземное космическое пространство, и благодаря чему аппарат пользуется столь высоким спросом среди ученых-астрономов? Дело в том, что телескоп Хаббла смог решить сразу две проблемы наземных телескопов. Во-первых, размытие сигнала земной атмосферы ограничивает возможности наземных телескопов независимо от их технического совершенства. Благодаря атмосферному размытию мы видим мигание звезд, когда смотрим на небо. Во-вторых, атмосфера поглощает излучение с определенной длиной волны, сильнее всего ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма излучение. И это серьезная проблема, поскольку изучение космических объектов тем эффективнее, чем больший энергетический диапазон берется.

И именно во избежание негативного влияния атмосферы на качество получаемых снимков телескоп находится над ней, на расстоянии 569 километров над поверхностью. При этом один оборот вокруг Земли телескоп совершает за 97 минут, двигаясь со скоростью 8 километров в секунду

«Оптическая система телескопа»

Телескоп Хаббла представляет собой рефлектор системы Ричи-Кретьена, или улучшенный вариант системы Кассегрена, в котором свет изначально попадает на главное зеркало, отражается и попадает на вторичное зеркало, фокусирующее свет и направляющее его в систему научных инструментов телескопа сквозь маленькое отверстие в главном зеркале. Часто люди ошибочно считают, что телескоп увеличивает изображение. На самом деле, он лишь собирает максимальное количество света от объекта. Соответственно, чем больше главное зеркало, тем больше света оно соберет и тем четче получится изображение. Второе зеркало лишь фокусирует излучение. Диаметр главного зеркала Хаббла – 2, 4 метра. Оно кажется небольшим, если учесть, что диаметр зеркал наземных телескопов достигают 10 метров и более, но отсутствие атмосферы, все же, является огромным преимуществом комического варианта.

Для наблюдения за космическими объектами телескоп располагает рядом научных инструментов, работающих совместно или по отдельности. Каждый из них по-своему уникален.

Усовершенствованная обзорная камера (Advanced Camera for Surveys – ACS). Самый новый инструмент наблюдений в видимом диапазоне, предназначен для исследований ранней Вселенной, и установленный в 2002 году. Эта камера помогла составить карту распределения черной материи, обнаружить наиболее удаленные объекты и исследовать эволюцию галактических скоплений.

Камера близкого инфракрасного диапазона и многообъектный спектрометр (Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer – NICMOS). Инфракрасный сенсор, детектирует тепло, когда объекты скрыты межзвездной пылью или газом, как, например, в областях активного звездообразования.

Камера близкого инфракрасного диапазона и многообъектный спектрометр (Space Telescope Imaging Spectrograph – STIS). Действует подобно призме, разлагая свет. Из полученного спектра можно получить информацию о температуре, химическом составе, плотности и движении исследуемых объектов. STIS прекратил работу 3 августа 2004 года из-за технических неисправностей, но в 2008 году во время планового ремонта телескопа будет отремонтирован.

Широкоугольная и планетная камера-2 (Wide Field and Planetary Camera 2 – WFPC2). Универсальный инструмент, при помощи которого было сделано большинство известных каждому фотографий. Благодаря 48 фильтрам позволяет видеть объекты в достаточно широком диапазоне длин волн.

Датчики точного наведения (Fine Guidance Sensors – FGS). Не только отвечают за управление и ориентацию телескопа в пространстве - ориентируют телескоп по отношению к звездам и не позволяет сбиться с курса, но и делают прецизионные измерения расстояний между звездами и фиксирует относительное движение.

Как и для многих космических аппаратов на орбите Земли, источником энергии для телескопа Хаббла является солнечное излучение, фиксируемое двумя двенадцатиметровыми солнечными панелями, и накапливаемое для бесперебойной работы во время прохода по теневой стороне Земли. Весьма интересна и конструкция системы наведения телескопа на нужную цель – объект во Вселенной – ведь успешное фотографирование далекой галактики или квазара на скорости 8 километров в секунду – весьма сложная задача. Система ориентации телескопа включает в себя следующие компоненты: уже упоминавшиеся датчики точного наведения, которые отмечают положение аппарата относительно двух «ведущих» звезд; датчики положения относительно Солнца – не только вспомогательные инструменты для ориентации телескопа, но и необходимые инструменты для определения необходимости закрытия/открытия апертурной двери, предотвращающей «сгорание» аппаратуры при попадании на нее сфокусированного солнечного света; магнитные датчики, ориентирующие космический аппарат относительно магнитного поля Земли; система гироскопов, отслеживающих движение телескопа; и электрооптический детектор, следящий за положением телескопа относительно выбранной звезды. Все это обеспечивает не только возможность управления телескопом, «прицеливания» на нужный космический объект, но и предотвращает поломку ценной аппаратуры, которую невозможно оперативной заменить на работоспособную.

Однако работа телескопа Хаббла была бы бессмысленна без возможности передачи полученных данных для изучения в земных лабораториях. И для решения этой задачи на Хаббл установили четыре антенны, которые и обмениваются информацией с центром управления полетами (Flight Operations Team) Центра Космических Полетов Годдарда (Goddard Space Flight Center) в Гринбелте (Greenbelt). Для связи с телескопом и задания координат используются находящиеся на земной орбите спутники, они же отвечают и за ретрансляцию данных. У Хаббла есть два компьютера и несколько менее сложных подсистем. Один из компьютеров управляет навигацией телескопа, все остальные системы отвечают за работу инструментов и связь со спутниками.

«Схема передачи информации»

Данные от наземной исследовательской группы поступают в Центр Космических Полетов Годдарда, далее в Исследовательский Институт Космической Телескопии (Space Telescope Science Institute), где группа специалистов обрабатываю данные, и записываю их на магнитооптические носители. Каждую неделю телескоп посылает на Землю информацию, способную заполнить более двадцати DVD-дисков, и доступ к этому огромному массиву ценнейшей информации открыт для всех желающих. Основной объем данных хранится в цифровом формате FITS, весьма удобном для анализа, но крайне неподходящем для публикаций в СМИ. Именно поэтому наиболее интересные для широкой общественности снимки публикуются в более распространенных форматах изображений – TIFF и JPEG. Таким образом, телескоп Хаббла стал не просто уникальным научным инструментом, но и одной из немногих возможностей взглянуть на красоты Космоса любому желающему – профессионалу, любителю, и даже незнакомому с астрономией человеку. К некоторому сожалению приходится говорить о том, что доступ астроному-любителю к телескопу сегодня закрыт в связи со снижением финансирования проекта.

Прошлое телескопа Хаббла не менее интересно его настоящего. Впервые идея создания подобной установки возникла еще в 1923 году у Германа Оберта (Hermann Oberth), основателя ракетной техники Германии. Именно он первым сказал о возможности доставки телескопа на околоземную орбиту при помощи ракеты, хотя даже самих ракет тогда еще не существовало. Эту идею в 1946 году развил в своих публикациях о необходимости создания космической обсерватории американский астрофизик Лиман Спитцер (Lyman Spitzer). Он предсказывал возможность получения уникальных фотографий, которые в наземных условиях сделать просто невозможно. В течение последующих пятидесяти лет астрофизик активно продвигал эту идею вплоть до начала ее реального применения.

Спитцер был лидером в разработке нескольких проектов орбитальных обсерваторий, включая спутник Коперник (Copernicus satellite) и Орбитальную Астрономическую Обсерваторию (Orbiting Astronomical Observatory). Благодаря ему проект Большой Космический Телескоп (Large Space Telescope) был одобрен в 1969 году, к сожалению, из-за недостатка финансирования несколько были уменьшены габариты и комплектация телескопа, включая размер зеркал и количество инструментов.

В 1974 году было предложено сделать заменяемые инструменты с разрешением 0, 1 угловой секунды и рабочим диапазоном длин волн от ультрафиолетового до видимого и инфракрасного. Шаттл должен был доставить телескоп на орбиту и возвращать его на Землю для проведения обслуживания и ремонта, который был возможен и в космосе.

В 1975 году NASA совместно с Европейским Космическим Агентством (ESA) приступили к работе над телескопом Хаббл. В 1977 Конгрессом было одобрено финансирование телескопа.

После этого решения стал составляться список научных инструментов телескопа, были выбраны пять победителей конкурса на создание аппаратуры. Впереди предстояла огромная работа. Телескоп решили назвать в честь Эдвина Хаббла, астронома, показавшего, что небольшие «лоскутки», видимые в телескоп – это удаленные галактики, - и доказавшего, что Вселенная расширяется.

После всевозможных отсрочек запуск был назначен на октябрь 1986 года, но 28 января 1986 года космический шаттл Челленджер (Challenger) взорвался через минуту после старта. Проверка шаттлов продолжалась более двух лет, а значит и запуск на орбиту телескопа Хаббл был перенесен на четыре года. В течение этого времени телескоп усовершенствовался, 24 апреля 1990 года уникальный аппарат поднялся на свою орбиту.

В декабре 1993 года шаттл Endeavor с экипажем из семи человек был доставлен на орбиту для проведения обслуживания телескопа. Были заменены две камеры, а также солнечные панели. В 1994 году с телескопа были получены первые фотографии, качество которых потрясло астрономов. Хаббл полностью оправдал себя.

«Модернизация телескопа Хаббл, 2002 год»

Обслуживание, модернизация и замена камер, солнечных батарей, проверка теплозащитной обшивки, а также техническое обслуживание проводились еще трижды: в 1997, 1999 и 2002 годах.

Следующий полет должен был состояться в 2006 году, но 1 февраля 2003 года из-за проблем с обшивкой сгорел в атмосфере при возвращении космический шаттл Коламбия (Columbia). Как следствие, назрела необходимость в проведении дополнительных изучений возможности дальнейшего применения Шаттлов которые завершились только 31 октября 2006 года. Именно это привело к переносу очередного планового обслуживания телескопа на сентябре 2008 года.

Сегодня телескоп работает в штатном режиме, передавая 120 Гб информации еженедельно. Также разрабатывается и последователь Хаббла - Космический Телескоп Уэбба (Webb Space Telescope), который будет исследовать объекты ранней Вселенной, обладающие большим красным смещением. Он будет находиться на высоте 1, 5 миллиона километров, запуск назначен на 2013 год.

Конечно, Хаббл не вечен. Очередной ремонт назначен на 2008 год, но все же телескоп постепенно изнашивается и становится неработоспособным. Это произойдет приблизительно в 2013 году. Когда это случится, телескоп останется на орбите, пока она не деградирует. Тогда по спирали Хаббл начнет падать на Землю, и либо последует за станцией «Мир», либо будет благополучно доставлен на Землю и станет музейным экспонатом с уникальной историей. Но все же, наследство телескопа Хаббл: его открытия, его пример почти безупречной работы и фотографии, известные каждому – останутся. Можно быть уверенными, что его достижения еще долго будут помогать в раскрытии тайн Вселенной как триумф удивительно богатой жизни телескопа Хаббл.

Технические характеристики телескопа им. Хаббла:

Запуск: 24 Апреля 1990 12:33 UT

Размеры: 13, 1 х 4, 3 м

Масса: 11 110 кг

Оптическая схема: Ричи-Кретьена

Виньетирование: 14 %

Поле зрения: 18" (для научных целей), 28" (для гидирования)

Угловое разрешение: 0, 1" на длине волны 632, 8 нм

Спектральный диапазон: 115 нм - 1 мм

Точность стабилизации: 0, 007" за 24 ч

Расчетная орбита КА: высота - 693 км, наклонение - 28, 5°

Период вращения вокруг Зесли: между 96 и 97 минутами

Планируемое время функционирования: 20 лет (с обслуживанием)

Стоимость телескопа и КА: 1, 5 млрд. долл. (в долл. 1989 г.)

Главное зеркало: Диаметр 2400 мм; Радиус кривизны 11 040 мм; Квадрат эксцентриситета 1, 0022985

Вторичное зеркало: Диаметр 310 мм; Радиус кривизны 1, 358 мм; Квадрат эксцентриситета 1, 49686

Расстояния: Между центрами зеркал 4906, 071 мм; От вторичного зеркала до фокуса 6406, 200 мм