Космический телескоп Хаббл (31 год на орбите)

На орбите Земли есть три объекта, о которых знают даже далекие от астрономии и космонавтики люди: Луна, Международная Космическая Станция и космический телескоп Хаббл. Последний на целых восемь лет старше МКС и застал еще Орбитальную Станцию «Мир». Многие считают его просто большим фотоаппаратом в космосе. Реальность же немного сложнее, не зря ведь люди, работающие с этим уникальным аппаратом с уважением называют его небесной обсерваторией.

История постройки Хаббла — это постоянное преодоление трудностей, борьба за финансирование и поиск решений в непредвиденные ситуации. Роль же Хаббла в науке бесценна. Невозможно составить полный список открытий в астрономии и смежных направлениях, совершенных благодаря снимкам телескопа, настолько много работ ссылаются на полученную им информацию. Тем не менее, официальная статистика говорит о почти 15 тысячах публикаций.

Идея разместить телескоп на орбите возникла почти сто лет назад. Научное обоснование важности постройки такого телескопа в виде статьи опубликовал астрофизик Лайман Спитцер в 1946-м году. В 65-м его сделали главой комитета академии наук, которая определила задачи такого проекта.

В шестидесятых удалось провести несколько успешных запусков и доставить на орбиту более простые устройства, и в 68-м НАСА дало зеленый свет предтече Хаббла — аппарату LST, Большому Космическому Телескопу, с более крупным диаметром зеркала — 3 метра против хаббловских 2,4 — и амбициозной задаче запустить его уже в 72-м году, с помощью находящегося тогда в разработке космического шаттла. Но расчетная проектная смета вышла слишком дорогой, с деньгами возникали трудности, а в 74-м финансирование и вовсе отменили. Активное лоббирование проекта астрономами, привлечение Европейского Космического Агентства и упрощение характеристик приблизительно до хаббловских позволили в 78-м получить финансирование от Конгресса в размере смешных по итоговым затратам 36-и миллионов долларов, что на сегодняшний день равно примерно 137-и миллионам.

Тогда же будущий телескоп назвали в честь Эдвина Хаббла, астронома и космолога, подтвердившего существование других галактик, создавшего теорию расширения Вселенной и давшего свое имя не только телескопу, но еще научному закону и величине.

Телескоп разрабатывали несколько компаний, отвечающих за разные элементы, из которых самые сложные: оптическая система, которой занималась Перкин-Элмер, и космический аппарат, который создавала Локхид. Бюджет вырос уже до 400 млн долларов.

Локхид затянула создание аппарата на три месяца и превысила свой бюджет на 30%. Если посмотреть на истории строительства похожих по сложности аппаратов, то это нормальная ситуация. У Перкин-Элмер же все было значительно хуже. Компания полировала зеркало по инновационной технологии до конца 81-го года, сильно превысив бюджет и испортив отношения с НАСА. Интересно, что болванку зеркала им сделала компания Корнинг, которая сегодня выпускает стекла Горилла Гласс, активно используемые в телефонах. Кстати, Кодак получил контракт на изготовление запасного зеркала с использованием традиционных методов полировки, если с полировкой основного зеркала возникнут проблемы. Задержки по созданию остальных компонентов тормозили процесс настолько, что стала известной цитата из характеристики НАСА по поводу графиков работ, которые были «неопределенными и изменяющимися ежедневно».

Первоначально запуск телескопа на орбиту планировался на октябрь 1986 года, но катастрофа «Челленджера» 28 января приостановила программу «Спейс шаттл» на несколько лет, и запуск пришлось отложить.

Всё это время телескоп хранился в помещении с искусственно очищенной атмосферой, его бортовые системы были частично включены. Расходы на хранение составляли около 6 млн долл. в месяц, что ещё больше увеличило стоимость проекта.

Вынужденная задержка позволила произвести ряд усовершенствований: солнечные батареи были заменены на более эффективные, был модернизирован бортовой вычислительный комплекс и системы связи, а также изменена конструкция кормового защитного кожуха с целью облегчить обслуживание телескопа на орбите. Кроме того, программное обеспечение для управления телескопом было не готово в 1986 году и фактически было окончательно написано только к моменту запуска в 1990 году.

После возобновления полётов шаттлов в 1988 году запуск был окончательно назначен на 1990 год. Перед запуском накопившаяся на зеркале пыль была удалена при помощи сжатого азота, а все системы прошли тщательное тестирование.

Шаттл «Дискавери» STS-31 стартовал 24 апреля 1990 года и на следующий день вывел телескоп на расчётную орбиту.

Со времени запуска произошло несколько драматичных событий с участием Хаббла, но главное произошло в самом начале.

Когда после вывода на орбиту, телескоп начал свою работу, оказалось, что его резкость на порядок ниже расчетной. Вместо десятой доли угловой секунды получалась целая секунда. После нескольких проверок, оказалось, что зеркало телескопа слишком плоское по краям: на целых два микрометра не совпадает с расчетным. Влияние дефекта на астрономические исследования зависело от конкретного типа наблюдений — характеристики рассеяния были достаточны для получения уникальных наблюдений ярких объектов с высокой разрешающей способностью, и спектроскопия также практически не пострадала. Тем не менее, потеря значительной части светового потока из-за расфокусировки значительно уменьшили пригодность телескопа для наблюдений тусклых объектов и получения изображений с высокой контрастностью. Это означало, что практически все космологические программы стали просто невыполнимыми, поскольку требовали наблюдений особо тусклых объектов.

Была собрана комиссия, члены которой нашли причину: невероятно точно рассчитанное зеркало неправильно отшлифовали. Более того, еще до запуска такие же отклонения показывала используемая в тестах пара нуль-корректоров — устройств, которые здесь отвечали за нужную кривизну поверхности. Но тогда этим показаниям не стали доверять, положившись на показания главного нуль-корректора, который показывал правильные результаты и по которому производили шлифовку. И одна из линз которого, как оказалось, была неправильно установлена.

Установить новое зеркало прямо на орбите было технически невозможно, а спускать телескоп и затем снова выводить — слишком дорого. Решение нашлось изящное.

Да, зеркало было сделано неправильно. Но оно было сделано неправильно с очень высокой точностью. Искажение было известно, и его оставалось лишь компенсировать, для чего разработали специальную систему корректировки COSTAR. Установить ее решили в рамках первой экспедиции по обслуживанию телескопа. Такая экспедиция — это сложная десятидневная операция с выходами астронавтов в открытый космос. Более футуристической работы и представить нельзя, а ведь это всего лишь техобслуживание. Всего экспедиций за время работы телескопа было четыре, с двумя вылетами в рамках третьей.

2 декабря 1993-го года шаттл Индевор, для которого это был пятый полет, доставил астронавтов к телескопу. Те установили Костар и заменили камеру.

Костар скорректировала сферическую аберрацию зеркала, сыграв роль самых дорогостоящих очков в истории. Система оптической коррекции выполняла свою задачу до 2009-го года, когда нужда в ней отпала в связи с использованием во всех новых приборах собственной корректирующей оптики. Она уступила драгоценное место в телескопе спектрографу и заняла почетное место в Национальном музее воздухоплавания и астронавтики, после демонтажа в рамках четвертой экспедиции по обслуживанию Хаббла в 2009-м году.

Управляется и контролируется телескоп в реальном времени 24/7 из центра управления в городе Гринбелт в штате Мэриленд. Задачи центра делятся на два вида: технические (обслуживание, управление и мониторинг состояния) и научные (выбор объектов, подготовка задач и непосредственно сбор данных). Еженедельно Хаббл получает с Земли более 100 000 разных команд: это корректирующие орбиту инструкции, и задания на съемку космических объектов.

В ЦУПе сутки разбиты на три смены за каждой из которых закреплена отдельная команда из трех-пяти человек. Во время экспедиций к самому телескопу штат работников увеличивается до нескольких десятков.

Кстати, существует отдельный сайт, разработанный Крисом Питом, где можно отследить положение небесной обсерватории. Там же есть данные и по другим искусственным орбитальным объектам:
www.heavens-above.com

Хаббл — телескоп занятой, но даже его плотный график позволяет помочь совершенно любому, даже непрофессиональному, астроному. Ежегодно в Институт Исследований Космоса с Помощью Космического Телескопа поступает по тысяче заявок на бронирование времени от астрономов из разных стран. Около 20% заявок получают одобрение экспертной комиссии и, по данным НАСА, благодаря международным запросам проводится плюс-минус 20 тысяч наблюдений ежегодно. Все эти заявки стыкуются, программируются и отправляются Хабблу из все того же центра в Мэриленде.

Основная оптика Хаббла сделана по системе Ричи-Кретьена. Она состоит из круглого, гиперболически изогнутого, зеркала диаметром 2,4 м с отверстием в центре. Это зеркало отражает на вторичное зеркало тоже гиперболической формы, которое отражает в центральное отверстие первичного пригодный к оцифровке пучок. Для отсеивания лишних частей спектра и выделения нужных диапазонов используются всевозможные фильтры.

В таких телескопах используют именно систему зеркал, а не линз, как в фотокамерах. Тому много причин: перепады температур, допуски полировки, общие размеры и отсутствие потерь пучка внутри самой линзы.

Основная оптика на Хаббле не менялась с самого начала. А набор разнообразных инструментов, ее использующих, полностью сменили за несколько обслуживающих экспедиций. Хабблу обновляли инструментарий, и за время его существования там работало тринадцать разных инструментов. Сегодня он несет шесть, один из которых в гибернации.

За фотографии в оптическом диапазоне отвечали Широкоугольные и планетарные камеры первого и второго поколения, и Широкоугольная камера третьего сейчас.

Потенциал первой WFPC так и не был раскрыт из-за проблем с зеркалом. А экспедиция 93-го года, установив Костар, заодно и заменила ее на вторую версию.

У камеры WFPC2 было четыре квадратных матрицы, изображения с которых формировали большой квадрат. Почти. Одна матрица — как раз-таки «планетарная» — получала изображение с бо́льшим увеличением, и при восстановлении масштаба эта часть изображения захватывает меньше шестнадцатой части общего квадрата вместо четверти, но в более высоком разрешении. Остальные три матрицы отвечали за «широкоугольность». Именно поэтому полные снимки камеры выглядят как квадрат, у которого отъели 3 блока с одного угла, а не из-за проблем с загрузкой файлов или других неполадок.

Кроме оптического и ближнего инфракрасного диапазона широкоугольной камерой, Хаббл видит:

с помощью спектрографа STIS в ближнем и дальнем ультрафиолете, а также от видимого до ближнего ифракрасного;
там же с помощью одного из каналов ACS, другие каналы которой перекрывают огромный диапазон частот от инфракрасной до ультрафиолетовой области;
слабые точечные источники в ультрафиолетовом диапазоне спектрографом COS.

Снимки Хаббла — это не совсем фотографии в привычном понимании. Очень много информации недоступно в оптическом диапазоне. Многие космические объекты активно излучают в других диапазонах. Хаббл оборудован множеством устройств с разнообразными фильтрами, что позволяют уловить данные, которые позже астрономы обрабатывают и могут свести в наглядное изображение. Богатство цветов обеспечивают разные диапазоны излучения звезд и ионизированных ими частиц, а также их отраженный свет.

Свой самый знаменитый кадр Хаббл сделал первого апреля 95-го года, не отвлекаясь от умной работы в день дурака. Это Столпы Творения, названные так потому, что из этих скоплений газа формируются звезды, и потому, что напоминают формой. На снимке — небольшой кусочек центральной части туманности Орел. Туманность эта интересная тем, что крупные звезды в ее центре частично ее же развеяли, да еще и как раз со стороны Земли. Такая удача позволяет посмотреть в самый центр туманности и, например, сделать знаменитый выразительный снимок.

Другие телескопы тоже снимали этот регион в разных диапазонах, но в оптическом Столпы выходят выразительнее всего: ионизированный теми самыми звездами, что развеяли часть туманности, газ светится синим, зеленым и красным цветами, создавая красивые переливы.

В 2014-м году Столпы пересняли обновленным оборудованием Хаббла: первую версию снимала камера WFPC2, а вторую — WFC3.

Объект Арп 273 — красивый пример коммуникации между галактиками, оказавшимися близко друг к другу. Ассиметричная форма верхней — это следствие так называемых приливных взаимодействий с нижней. Вместе они образуют грандиозный цветок, подаренный человечеству в 2011-м году.

Мессье 104 — величественная галактика, которую как будто придумали и нарисовали в Голливуде. Но нет, прекрасная сто-четвертая находится на южной окраине созвездия Девы. И она настолько яркая, что видна даже в домашние телескопы. Хабблу эта красавица позировала в 2004-м году.

Вы, вероятно слышали о взрывах Сверхновых звезд. А этот снимок наглядно показывает один из сценариев дальнейшей судьбы таких объектов.

На фото 2006-го года — последствия взрыва звезды Кассиопеи А, что случилось прямо в нашей галактике. Прекрасно видна волна разлетающегося из эпицентра вещества, со сложной и детальной структурой.

Есть несколько снимков Хаббла, в названии которых имеется Deep Field. Это кадры с огромным многодневным временем экспозиции, демонстрирующие маленький кусочек звездного неба. Чтобы их снять, пришлось очень тщательно выбирать подходящий для такого экспонирования участок. Его не должны были перекрывать Земля и Луна, поблизости не должно было быть ярких объектов и так далее. В итоге Дип Филд стали очень полезными для астрономов кадрами, по которым можно изучать процессы формирования вселенной.

Самый последний такой кадр — Hubble Extreme Deep Field 2012-го года — достаточно скучный на обывательский взгляд — это беспрецедентная съемка с выдержкой в два миллиона секунд (~23 дня), показавшая 5,5 тысяч галактик, самые тусклые из которых имеют яркость в десять миллиардов меньше чувствительности человеческого зрения.

Ценность работы телескопа Хаббл столь велика, что он перестал быть сугубо научным достижением, давно став культурным явлением, часто появляясь в кино и других видах искусства в разных ипостасях.

Конечно же, Голливуд не мог пройти мимо истории с зеркалом, и в фильме «Голый Пистолет 2 с половиной» 91-го года его изображение можно заметить в сцене вечерней депрессии лейтенанта Фрэнка Дребина среди фотографий главных катастроф века.

Уже более уважительный референс можно встретить в масштабном фантастическом дурдоме «Армагеддон» 98-го года, где именно Хаббл делает первые снимки огромного метеорита, летящего к Земле.

Это сообщение отредактировал Nevius - 4.05.2021 - 21:57

Хаббл много снимается в кино и на телевидении, и перечислять все фильмы с его участием слишком долго. Одним из самых красивых применений фотографий телескопа, помимо документальных, можно назвать Контакт 97-го года с Джоди Фостер. Также завязка недавней Гравитации происходит во время ремонтной миссии на Хаббле.

Хаббл должен сойти с орбиты после 2030-го года. Этот факт кажется грустным, но на самом деле телескоп на много лет превысил длительность своей изначальной миссии. Телескоп несколько раз модернизировали, меняли оборудование на все более совершенное, но основной оптики эти доработки не касались. И в ближайшие годы человечество получит более продвинутую замену старому бойцу, когда запустят телескоп Джеймс Уэбб. Но и после этого Хаббл продолжит работать, пока не выйдет из строя. В телескоп вложены невероятные объемы труда ученых, инженеров, астронавтов, людей других профессий и денег американских и европейских налогоплательщиков.

В ответ человечество имеет беспрецедентную базу научных данных и объектов искусства, помогающих понять устройство вселенной и создающих моду на науку.

Сложно понять ценность Хаббла не астроному, но для нас это прекрасный символ достижений человечества. Не беспроблемный, со сложной историей, телескоп стал успешным проектом, который еще, будем надеяться, больше десяти лет будет трудиться на благо науки.

via
via

Наш проект "Спектр" не меньше открытий сделал.

Приятно всегда читать подобные темы.