Космический телескоп Hubble: 25 лет на службе науки

Каноническое фото телескопа, сделанное во время последней ремонтной миссии в 2009 г.

25 лет назад, 24 апреля 1990 г., с мыса Канаверал отправился в свой десятый полет космический челнок Discovery, несущий в транспортном отсеке необычный груз, которому суждено будет прославить NASA и стать катализатором развития многих областей астрономии. Так началась 25-летняя миссия космического телескопа Hubble, пожалуй, самого известного астрономического инструмента в мире.

На следующий день, 25 апреля 1990 года, створки грузового люка раскрылись, и специальный манипулятор вывел телескоп из отсека. Hubble начал свое путешествие на высоте 612 км над Землей. Процесс выведения аппарата снимался на несколько камер IMAX, и вместе с одной из более поздних ремонтных миссий, вошел в фильм Destiny in Space (1994). Телескоп еще несколько раз попадал в фокус IMAX-кинематографистов, став героем фильмов Hubble: Galaxies Across Space and Time (2004) и Hubble 3D (2010). Впрочем, научно-популярное кино приятный, но все-таки побочный результат работы орбитальной обсерватории.

Зачем нужны космические телескопы?

Главная проблема оптической астрономии – помехи, вносимые атмосферой Земли. Крупные телескопы уже давно строят высоко в горах, в отдаление от больших городов и индустриальных центров. Отдаленность частично решает проблему смога как реального, так и светового (засвечивание ночного неба искусственными источниками освещения). Расположение же на большой высоте позволяет снизить влияние турбулентности атмосферы, ограничивающей разрешающую способность телескопов, и увеличить число пригодных для наблюдения ночей.

Кроме уже названных неудобств, прозрачность земной атмосферы в ультрафиолетовом, рентгеновском и гамма-диапазонах оставляет желать лучшего. Похожие проблемы наблюдаются и в части инфракрасного спектра. Еще одно препятствие на пути наземных наблюдателей – Рэлеевское рассеяние, то самое, что объясняет голубой цвет неба. Из-за этого явления спектр наблюдаемых объектов искажается, смещаясь в красный.

Hubble в грузовом отсеке шатла Discovery. Вид с одной из IMAX-камер.

Но все же главная проблема – неоднородность земной атмосферы, наличие в ней областей с разной плотностью, скоростью движения воздуха и т.д. Именно эти явления приводят к хорошо известному всем мерцанию звезд, видимому невооруженным взглядом. На многометровой оптике больших телескопов проблема только усугубляется. В итоге разрешение наземных оптических приборов в независимости от размера зеркала и апертуры телескопа ограничено значением около 1 угловой секунды.

Вынос телескопа в космос позволяет избежать всех этих проблем и поднять разрешение на порядок. Например теоретическое разрешение телескопа Hubble при диаметре зеркала 2,4 м составляет 0,05 угловой секунды, реальное – 0,1 секунды.

Проект Hubble. Начало

Впервые о позитивном эффекте от переноса астрономических инструментов за пределы земной атмосферы ученые заговорили задолго до наступления космической эры, еще в 30-х годах прошлого века. Одним из энтузиастов создания внеземных обсерваторий стал астрофизик Лайман Спитцер. Так, в статье 1946 г. он обосновал основные преимущества космических телескопов, а в 1962 г. опубликовал доклад, рекомендовавший Национальной академией наук США включить разработку такого устройства в космическую программу. Вполне ожидаемо в 1965 г. Спитцер стал главой комитета, определяющего круг научных задач для подобного крупного космического телескопа. Позднее в честь ученого был назван запущенный в 2003 году инфракрасный космический телескоп Spitzer Space Telescope (SIRTF) с 85-сантиметровым основным зеркалом.

Инфракрасный телескоп Spitzer.

Первой же внеземной обсерваторией стал аппарат Orbiting Solar Observatory 1 (OSO 1), запущенный в 1962 г., всего через 5 лет после начала космической эры, для изучения солнца. Всего же по программе OSO с 1962 по 1975 гг. было создано 8 аппаратов. А в 1966 г. параллельно ей стартовала еще одна программа – Orbiting Astronomical Observatory (OAO), в рамках которой в 1966–1972 гг. были запущены четыре орбитальных ультрафиолетовых и рентгеновских телескопа. Именно успех миссий OAO стал отправной точкой для создания большого космического телескопа, который на первых порах назывался просто Large Orbiting Telescope или Large Space Telescope. Имя Hubble в честь американского астронома и космолога Эдвина Хаббла аппарат получил только в 1983 г.

Изначально предполагалось построить телескоп с 3-метровым основным зеркалом и доставить его на орбиту уже в 1979 г. Причем обсерватория сразу разрабатывалась так, чтобы телескоп можно было обслуживать прямо в космосе и здесь очень кстати пришлась развивающаяся параллельно программа Space Shuttle, первый полет по которой произошел 12 апреля 1981 г. Скажем прямо, модульная конструкция была гениальным решением – челноки пять раз летали к телескопу проводя ремонт и апгрейд оборудования.

А дальше начался поиск денег. Конгресс то отказывал в финансировании, то опять выделял средства. NASA и научное сообщество развернули беспрецедентную общенациональную программу лоббирования проекта Large Space Telescope, включавшую массовую рассылку писем (тогда еще бумажных) законодателям, личные встречи ученых с конгрессменами и сенаторами и т.д. Наконец-то в 1978 г. Конгресс выделил первые $36 млн., плюс часть затрат согласилось взять на себя Европейское космическое сообщество (ESA). Проектирование обсерватории началось, а новой датой запуска был назначен 1983 г.

Зеркало для героя

Самая важная часть оптического телескопа – зеркало. К зеркалу же космического телескопа предъявлялись особые требования в связи с его более высокой, чем у земных аналогов разрешающей способностью. Работы над основным зеркалом Hubble диаметром 2,4 м начались в 1979 г., а исполнителем выбрали компанию Perkin-Elmer. Как показали дальнейшие события, это была фатальная ошибка.

В качестве заготовки было использовано стекло со сверхнизким коэффициентом теплового расширения от компании Corning. Да, той самой, знакомой вам по стеклу Gorilla Glass, защищающему экраны ваших смартфонов. Точность полировки, для которой впервые применялись новомодные станки с ЧПУ, должна была составлять 1/65 длины волны красного света или 10 нм. Затем зеркало нужно было покрыть слоем алюминия в 65 нм и защитным слоем из фторида магния толщиной в 25 нм. NASA, сомневаясь в компетенции Perkin-Elmer, и опасаясь проблем с использованием новой технологии, параллельно заказала Kodak резервное зеркало, выполненное традиционным способом.

Полировка основного зеркала Hubble на заводе Perkin-Elmer, 1979 г.

Опасения NASA оказались ненапрасными. Полировка основного зеркала продолжалась до конца 1981 года, так что запуск был перенесен сначала на 1984 г., затем, в связи с затягивание производства остальных компонентов оптической системы, на апрель 1985 г. Задержки в работе Perkin-Elmer достигли катастрофических масштабов. Запуск был еще дважды отложен, сначала на март, а затем на сентябрь 1986 г. При этом общий бюджет проекта к тому моменту составил уже $1,175 млрд.

Катастрофа и ожидание

28 январе 1986 г., на 73 секунде полета над мысом Канаверел взорвался космический челнок Challenger с семью астронавтами на борту. На долгих два с половиной года США прекратила пилотируемые полеты, а запуск Hubble был отложен на неопределенный срок.

Полеты Space Shuttle возобновились в 1988 г., и запуск аппарата теперь был назначен на 1990 г., через 11 лет после первоначальной даты. Четыре года телескоп с частично включенными бортовыми системами хранился в специальном помещении с искусственной атмосферой. Только расходы на хранение уникального устройства составили около $6 млн. в месяц! К моменту запуска общая стоимость создания космической лаборатории оценивалась в $2,5 млрд. вместо планировавшихся $400 млн. На сегодня, с учетом инфляции, это более $10 млрд!

Были в этой вынужденной задержке и положительные стороны – разработчики получили дополнительное время на доработку спутника. Так, солнечные батареи были заменены на более эффективные (в дальнейшем это сделают еще два раза, но уже в космосе), модернизирован бортовой компьютер, доработано наземное программное обеспечение, которое, оказывается, было совершенно не готово к 1986 г. Если бы телескоп внезапно вывели в космос в положенный срок, наземные службы просто не смогли бы с ним работать. Разгильдяйство и перерасход средств случаются даже в NASA.

И вот наконец-то, 24 апреля 1990 г., Discovery вывел Hubble в космос. Начался новый этап в истории астрономических наблюдений.

Невезучий везучий телескоп

Если вы думаете, что на этом злоключение Hubble закончили, то глубоко ошибаетесь. Неприятности начались прямо во время запуска – одна из панелей солнечных батарей отказалась разворачиваться. Астронавты уже надевали скафандры, готовясь к выходу в открытый космос для решения проблемы, как панель освободилась и заняла положенное место. Впрочем, это было только начало.

Манипулятор Canadarm выпускает Hubble в свободный полет.

Буквально в первые же дни работы с телескопом ученые обнаружили, что Hubble не может выдать резкое изображение и его разрешение ненамного превосходит земные телескопы. Многомиллиардный проект оказался пустышкой. Достаточно быстро выяснилось, что Perkin-Elmer не только неприлично затянула производство оптической системы телескопа, но и допустила серьезную ошибку при полировке и монтаже основного зеркала. Отклонение от заданной формы по краям зеркала составляло 2 мкм, что привело к появлению сильной сферической аберрации и снижению разрешение до 1 угловой секунды, вместо запланированных 0,1.

Причина ошибки была просто позорной для Perkin-Elmer и должна была бы поставить крест на существовании фирмы. Главный нуль-корректор, специальный оптический прибор для проверки больших асферических зеркал, был установлен неправильно – его линза оказалась сдвинута на 1,3 мм относительно верного положения. Техник, производивший сборку прибора, просто ошибся при работе с лазерным измерителем, а когда обнаружил непредвиденный зазор между линзой и поддерживающей ее конструкцией, компенсировал его с помощью обычной металлической шайбы.

Тем не менее, проблемы удалось бы избежать, если бы в Perkin-Elmer, в нарушение строгих инструкции по контролю качества, просто не проигнорировали бы показания дополнительных нуль-корректоров, указывающих на наличие сферической аберрации. Так из-за ошибки одного человека и разгильдяйства менеджеров Perkin-Elmer многомиллиардный проект подвис на волоске.

Хотя у NASA и было запасное зеркало, созданное Kodak, а дизайн телескопа подразумевал обслуживание на орбите, замена основного компонента в открытом космоса была невозможна. В итоге, после определения точной величины оптических искажений, был разработан специальный прибор для их компенсации – Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement (COSTAR). Попросту говоря – механический патч для оптической системы. Для его установки пришлось демонтировать одно из имевшихся на Hubble научных устройств; посовещавшись, ученые решили пожертвовать высокоскоростным фотометром.

Астронавты обслуживают Hubble во время первой ремонтной миссии.

Ремонтная миссия на шатле Endeavour стартовала только 2 декабря 1993 года. Все это время Hubble проводил измерения и съемки независящие от величины сферической аберрации, кроме того, астрономам удалось разработать достаточно действенный алгоритм постобработки, компенсирующий часть искажений. Чтобы демонтировать один прибор и установить COSTAR понадобилось 5 дней работы и 5 выходов в открытый космос, общей продолжительностью 35 часов! А перед миссией астронавты учились использовать около сотни уникальных инструментов, созданных для обслуживания Hubble. Кроме установки COSTAR была произведена замена основной камеры телескопа. Стоит понимать, что и прибор коррекции, и новая камера – это устройства размером с большой холодильник с соответствующей массой. Вместо Wide Field/Planetary Camera, имеющей 4 CCD-сенсора производства Texas Instruments с разрешением 800×800 пикселей, была установлена Wide Field and Planetary Camera 2, с новыми сенсорами дизайна NASA Jet Propulsion Laborator. Несмотря на аналогичное предыдущему разрешение четырех матриц, благодаря их особому расположению достигалось большее разрешение при меньшем угле обзора. Заодно на Hubble заменили солнечные панели и управляющую ими электронику, четыре гироскопа системы ориентации, несколько дополнительных модулей и т.д. Уже 13 января 1994 г. NASA продемонстрировала общественности намного более четкие снимки космических объектов.

Изображение галактики M100 до и после установки COSTAR.

Одной ремонтной миссией дело не ограничилось, шатлы летали к Hubble пять раз (!), что делает обсерваторию самым посещаемым искусственным внеземным объектом кроме МКС и советских орбитальных станций.

Вторая сервисная миссия, в ходе которой был заменен ряд научных приборов и бортовых систем, состоялась в феврале 1997 года. Астронавты опять пять раз выходили в открытый космос и суммарно провели за бортом 33 часа.

Третья ремонтная миссия была разбита на две части, причем первую из них пришлось выполнять вне графика. Дело в том, что у Hubble вышли из строя три из шести гироскопов системы ориентации, что усложняло наведение телескопа на цель. Четвертый гироскоп «сдох» за неделю до старта ремонтной команды, сделав космическую обсерваторию неуправляемой. Экспедиция вылетела на спасание телескопа 19 декабря 1999 года. Астронавты заменили все шесть гироскопов и провели апгрейд бортового компьютера.

Первый бортовой компьютер Hubble – DF-224.

В 1990 году Hubble стартовал с широко используемым NASA на протяжение 80-х годов (вспомним, дизайн обсерватории создавался еще в 70-х) бортовым компьютером DF-224. Эта система производства Rockwell Autonetics, имеющая массу 50 кг и размеры 45×45×30 см, была оснащена тремя процессорами с частотой 1,25 МГц, два из них считались резервными и поочередно включались в случае отказа основного и первого резервного ЦПУ. Система оснащалась памятью объемом 48К килослов (одно слово равно 32 байтам), причем одновременно было доступно только 32 килослова.

Естественно, к середине 90-х такая архитектура была уже безнадежно устаревшей, так что в ходе сервисной миссии DF-224 был заменен на систему на базе специального, защищенного от радиации чипа Intel i486 с тактовой частотой 25 МГц. Новый компьютер был в 20 раз быстрей DF-224 и имел в 6 раз больше оперативной памяти, что позволило ускорить обработку многих задач и использовать современные языки программирования. Кстати, чипы Intel i486 для встроенных систем, в том числе для использования в космической технике, выпускались вплоть до сентября 2007 года!

Астронавт снимает с Hubble накопитель на магнитной ленте для возвращения на Землю.

Была заменена и бортовая система хранения данных. В оригинальном дизайне Hubble это был катушечный накопитель родом из 70-х, способный обеспечить промежуточное хранение 1,2 ГБ данных. В ходе второй ремонтной миссии один из таких «бобинных магнитофонов» был заменен на SSD-накопитель. Во время третьей миссии поменяли и второй «бобинник». SSD позволяет хранить в 10 раз больше информации – 12 ГБ. Впрочем, не стоит сравнивать его с SSD в вашем ноутбуке. Главный накопитель Hubble имеет размер 30×23×18 см и весит целых 11,3 кг!

Четвертая миссия, официально именуемая 3B, отправилась к обсерватории в марте 2002 года. Основная задача – установка новой камеры Advanced Camera for Surveys. Инсталляция этого прибора позволила отказаться от использования корректирующего устройства, работавшего с 1993 г. У новой камеры было два состыкованных CCD-детектора размером 2048 × 4096 точек, что давала суммарное разрешение 16 Мп, против 2,5 Мп у предыдущей камеры. Были заменены некоторые научные приборы, так что в итоге на борту Hubble не осталось ни одного инструмента из оригинального набора, отправившегося в космос в 1991 году. Кроме того, астронавты во второй раз заменили солнечные батареи спутника на более эффективные, вырабатывающие на 30% больше энергии.

Advanced Camera for Surveys в чистой комнате, перед загрузкой на шатл.

Пятый полет к Hubble произошел шесть лет назад, в 2009 году, на излете программы Space Shuttle. Т.к. было известно что это финальная ремонтная миссия, телескопу провели капитальный ремонт. Снова были заменены все шесть гироскопов системы ориентации, один из датчиков точного наведения, установлены новые никель-водородные аккумуляторы вместо старых, проработавших на орбите 18 лет, отремонтирована поврежденная обшивка и т.д.

Астронавт отрабатывает на Земле замену аккумуляторов Hubble. Масса блока батарей – 181 кг.

Всего в течении пяти сервисных миссий астронавты потратили на ремонт телескопа 23 дня, проведя в безвоздушном пространстве 164 часа! Уникальное достижение.

Instagram для телескопа

Еженедельно Hubble отправляет на Землю около 140 ГБ данных, которые собираются в специально созданном для управления всеми орбитальными телескопами Space Telescope Science Institute. Объем архива составляет на сегодня около 60 TB данных (1,5 млн. записей), доступ к которым открыт для всех желающих, как и к самому телескопу. Заявку на использование Hubble может подать кто угодно, вопрос в том, удовлетворят ли ее. Впрочем, если у вас нет степени по астрономии можете даже не пытаться, вы скорее всего не прорветесь даже через форму заявки на получение информации о снимке.

Кстати, все фотографии, передаваемые Hubble на Землю, монохромные. Сборка цветных фото в реальных или искусственных цветах происходит уже на Земле, путем наложения ряда монохромных снимков, сделанных с различными светофильтрами.

«Столбы творения» – одна из самых впечатляющих фотографий Hubble 2015 года. Туманность Орла, расстояние 4000 световых лет.

С уже обработанными наиболее впечатляющими фотографиям, сделанным с помощью Hubble, можно познакомится на сайтах HubbleSite, официальном подсайте NASA или ESA, сайте, посвященном 25-летию телескопа.

Естественно, есть у Hubble свой твиттер-аккаунт, даже два – Hubble NASA и Hubble ESA. Разбавите свою ленту фотографиями из космоса. Имеются и как минимум два YouTube канала – NASA и ESA. Аккаунты на Facebook, Vimeo, Flickr и т.д.

Плюс свои приложения на iOS и Android. Просто сделайте поиск по слову Hubble в соответствующих магазинах. Официальные приложения вот: ESA, NASA. Увы, только для iOS.

Что открыл Hubble?

Обсерватория Hubble не только крупнейший в мире поставщик обоев для ваших смартфонов и ноутбуков, телескоп все-таки отправили в космос заниматься наукой. И хотя ценность работ, проделанных с помощью орбитального телескопа не вызывает сомнения, их стоимость в среднем в 100 раз выше, чем у наземных наблюдений.

Одна из важнейших особенностей космической обсерватории Hubble в том, что телескоп может буквально заглянуть в раннюю историю Вселенной, наблюдая излучение удаленных объектов, датированное 480 млн. лет после Большого взрыва. Напомним, текущий возраст Вселенной оценивается в 13,798 ± 0,037 млрд. лет.

Рождение звезды. Туманность Киля, расстояние 7500 световых лет.

Кстати, в определении точного возраста Вселенной как раз и помогали наблюдения Hubble. Телескоп помог уточнить значение постоянной Хаббла, коэффициента, определяющего скорость разбегания космических объектов в зависимости от расстояния между ними (около 70 км/с для расстояния 1 мегапарсек). Исходя из постоянной Хаббла и вычисляется возраст Вселенной. Кроме того, Hubble помог доказать, что, несмотря на теоретическую модель, скорость расширения Вселенной не падает, а наоборот растет. Подозревают темную материю.

С помощью Hubble астрономы смогли наблюдать столь редкое явление, как столкновение кометы Шумейкеров – Леви 9 с Юпитером в 1994 г., что стало первым случаем фиксации столкновения двух небесных тел в Солнечной системе.

В 1995 году Hubble помог подтвердить теорию изотропности Вселенной (одинаковости физических свойств во всех направлениях). А в 2004 году получил первые изображения протогалактик, сгустков материи, образовавшихся всего через 1 млрд. лет после Большого взрыва.

Столкновение двух спиральных галактик. Созвездии Большого пса, расстояние 55 млн. световых лет.

Исследования с помощью орбитального телескопа подтвердили наличие сверхмассивных черных дыр в ядрах Галактик.

Также Hubble помогал искать экзопланеты. Получил первые карты поверхности разжалованного в карликовую планету Плутона. Наблюдал ультрафиолетовые полярные сияния на Сатурне, Юпитере, Ганимеде и протопланетные диски в туманности Ориона. Открыл спутник Нептуна S/2004 N 1. И т.д.

Полярное сияние на Сатурне. Ультрафиолет.

Одно из открытий Hubble уже в 2015 году – подтверждение существования на Ганимеде огромного подземного океана, спрятанного под 150-километровым слоем льда. Это открытие может изменить представление о границах зоны пригодной для возникновения жизни в Солнечной системе. Ганимед внесен астрономами в список возможных кандидатов на поиск жизненных форм. Причем вероятность найти простейших на спутнике Юпитера даже выше, чем на Марсе.

Впрочем, несмотря на все научные заслуги, роль Hubble в пропаганде астрономии, исследований космического пространства и науки в целом кажется нам более весомой. Hubble стал настоящей звездой экранов, а снимки, сделанные с его помощью, разошлись миллиардными тиражами по учебникам астрономии, плакатам, обоям Рабочих столов и т.д. Это важно.

Наследник Hubble

Утвержденный дизайн телескопа Webb. Виден многослойный солнечный щит.

Теоретически Hubble сможет находиться на земной орбите до 2030-40 гг., но уже сейчас большая часть дополнительного научного оборудования на борту не работает, хотя сам телескоп все еще в порядке и исправно передает новые снимки. Тем не менее, оборудование и управляющая электроника будут со временем отказывать, в том числе и гироскопы системы ориентации, которые уже неоднократно менялись во время сервисных миссий. Увы, с закрытием программы Space Shuttle дальнейшее обслуживание телескопа невозможно и, по расчетам ученых, к 2020 году он прекратит функционирование. Но ветерану уже готовится достойная замена.

Сравнительный размер основных зеркал телескопов Hubble и Webb.

Космический телескоп имени Джеймса Уэбба – James Webb Space Telescope (JWST), который все скорее всего будут называть просто Webb, планируют запустить в 2018 году. Оснащенный составным зеркалом диаметром 6,5 метров (против 2,4 м у Hubble), космический аппарат имеет размер с теннисный корт (Hubble можно сравнить со школьным автобусом) и чем-то похож на Star Destroyer из «Звездных войн» из-за огромного солнечного щита. Телескоп будет заброшен подальше от Земли – в точку Лагранжа L2 системы Солнце-Земля. Это в 1,5 млн. километров от нашей планеты и по другую сторону от Солнца.

Первые шесть сегментов основного зеркала JWST готовятся к криогенному тесту.

Стоимость проекта James Webb Space Telescope уже сейчас составляет $6,8 млрд., хотя планировалось, что запуск телескопа состоится еще в 2011 году, а его стоимость не превысит $1,6 млрд. Миссия JWST рассчитана на 5-10 лет. К сожалению, на таком расстоянии от Земли работы по обслуживанию телескопа невозможны.

Задача обсерватории Webb – заглянуть во времена Большого Взрыва и словить «первый свет» от самых ранних звезд и формирующихся Галактик. Если наземные оптические инструменты позволяют «заглянуть» в момент, отстоящий от Большого взрыва на 6 млрд. лет, а самый совершенный инструмент Hubble добивает до объектов, сформированных 480 млн. лет после возникновения Вселенной, то JWST позволит заглянуть в точку, отстоящую от Большого взрыва всего на 200 млн. лет.

Тест системы развертывания солнечного щита телескопа Webb.

Спасибо Hubble

Немного обидно, но факт остается фактом, выдающийся астроном и космолог Эдвин Хаббл (1889 – 1953) известен жителям Земли не в связи с открытием им существования других, отличных от Млечного пути, галактик, и не благодаря исследованиям Красного смещения или созданию Морфологической системы классификации галактик и последовательности Хаббла, а в связи с одноименным космическим телескопом. Хотя, мы думаем, такой фанатичный исследователь как Эдвин Хаббл не обиделся бы, ведь инструмент, названный в его честь, сделал так много для астрономии и, что не менее важно, для ее популяризации.

Надеемся Hubble еще удивит нас, и его миссия продлится дольше, чем ожидают его создатели. Долгих лет жизни Hubble!