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 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.

Космический орбитальный телескоп Хаббл

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 Хаббла

Телескоп Хаббла представляет собой 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 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 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 с орбиты на землю

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.

Орбитальный телескоп Хаббл

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 (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 , 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.

Запуск шаттла с телескопом Хаббла на борту

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.

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

Модернизация телескопа Хаббл, 2002 год

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.

В конце сентября 2008 года на телескопе им. Хаббла вышел из строя блок, ответственный за передачу информации на Землю. Миссия по ремонту телескопа была перенесена на февраль 2009 года.

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

Предыстория, концепции, ранние проекты

Первое упоминание концепции орбитального телескопа встречается в книге Германа Оберта «Ракета в межпланетном пространстве» (нем. «Die Rakete zu den Planetenraumen» ).

В 1946 году американский астрофизик Лайман Спитцер опубликовал статью «Астрономические преимущества внеземной обсерватории» (англ. Astronomical advantages of an extra-terrestrial observatory ). В статье отмечены два главных преимущества такого телескопа. Во-первых, его угловое разрешение будет ограничено лишь дифракцией , a не турбулентными потоками в атмосфере; в то время разрешение наземных телескопов было от 0,5 до 1,0 угловой секунды , тогда как теоретический предел разрешения по дифракции для телескопа с зеркалом 2,5 метра составляет около 0,1 секунды. Во-вторых, космический телескоп мог бы вести наблюдение в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах, в которых поглощение излучений земной атмосферой весьма значительно.

Спитцер посвятил значительную часть своей научной карьеры продвижению проекта. В 1962 году доклад, опубликованный Национальной академией наук США , рекомендовал включить разработку орбитального телескопа в космическую программу, и в 1965 году Спитцер был назначен главой комитета, в задачу которого входило определение научных задач для крупного космического телескопа.

Космическая астрономия стала развиваться после окончания Второй мировой войны . В 1946 году впервые был получен ультрафиолетовый спектр Солнца . Орбитальный телескоп для исследований Солнца был запущен Великобританией в 1962 году в рамках программы «Ариэль», а в 1966 году НАСА запустила в космос первую орбитальную обсерваторию OAO -1 (англ. Orbiting Astronomical Observatory ). Миссия не увенчалась успехом из-за отказа аккумуляторов через три дня после старта. В 1968 году была запущена OAO-2, которая производила наблюдения ультрафиолетового излучения звёзд и галактик вплоть до 1972 года, значительно превысив расчётный срок эксплуатации в 1 год.

Миссии OAO послужили наглядной демонстрацией роли, которую могут играть орбитальные телескопы, и в 1968 году НАСА утвердило план строительства телескопа-рефлектора с зеркалом диаметром 3 м. Проект получил условное название LST (англ. Large Space Telescope ). Запуск планировался на 1972 год. Программа подчёркивала необходимость регулярных пилотируемых экспедиций для обслуживания телескопа с целью обеспечения продолжительной работы дорогостоящего прибора. Параллельно развивавшаяся программа Спейс шаттл давала надежды на получение соответствующих возможностей.

Борьба за финансирование проекта

Благодаря успеху программы ОАО в астрономическом сообществе сложился консенсус о том, что строительство крупного орбитального телескопа должно стать приоритетной задачей. В 1970 году NASA учредило два комитета, один для изучения и планирования технических аспектов, задачей второго была разработка программы научных исследований. Следующим серьёзным препятствием было финансирование проекта, затраты на который должны были превзойти стоимость любого наземного телескопа. Конгресс США поставил под сомнение многие статьи предложенной сметы и существенно урезал ассигнования, первоначально предполагавшие масштабные исследования инструментов и конструкции обсерватории. В 1974 году, в рамках программы сокращений расходов бюджета, инициированной президентом Фордом , Конгресс полностью отменил финансирование проекта.

В ответ на это астрономами была развёрнута широкая кампания по лоббированию. Многие учёные лично встретились с сенаторами и конгрессменами, было также проведено несколько крупных рассылок писем в поддержку проекта. Национальная Академия Наук опубликовала доклад, в котором подчёркивалась важность создания большого орбитального телескопа, и в результате сенат согласился выделить половину средств из бюджета, первоначально утверждённого Конгрессом.

Финансовые проблемы привели к сокращениям, главным из которых было решение уменьшить диаметр зеркала с 3 до 2,4 метра, для снижения затрат и получения более компактной конструкции. Также был отменён проект телескопа с полутораметровым зеркалом, который предполагалось запустить с целью тестирования и отработки систем, и принято решение о кооперации с Европейским космическим агентством . ЕКА согласилось участвовать в финансировании, а также предоставить ряд инструментов и солнечные батареи для обсерватории, взамен за европейскими астрономами резервировалось не менее 15 % времени наблюдений. В 1978 году Конгресс утвердил финансирование в размере 36 млн долл., и сразу после этого начались полномасштабные работы по проектированию. Дата запуска планировалась на 1983 год. В начале 1980-х телескоп получил имя Эдвина Хаббла .

Организация проектирования и строительства

Работа над созданием космического телескопа была поделена между многими компаниями и учреждениями. Космический центр Маршалла отвечал за разработку, проектирование и строительство телескопа, Центр космических полётов Годдарда занимался общим руководством разработкой научных приборов и был выбран в качестве наземного центра управления. Центр Маршалла заключил контракт с компанией Перкин-Элмер на проектирование и изготовление оптической системы телескопа (англ. Optical Telescope Assembly, OTA ) и датчиков точного наведения. Корпорация Локхид получила контракт на строительство космического аппарата для телескопа.

Изготовление оптической системы

Полировка главного зеркала телескопа, лаборатория компании Перкин-Элмер, май 1979 год.

Зеркало и оптическая система в целом были наиболее важными частями конструкции телескопа, и к ним предъявлялись особо жёсткие требования. Обычно зеркала телескопов изготавливаются с допуском примерно в одну десятую длины волны видимого света, но поскольку космический телескоп предназначался для наблюдений в диапазоне от ультрафиолетового до почти инфракрасного, а разрешающая способность должна была быть в десять раз выше, чем у наземных приборов, допуск для изготовления его главного зеркала был установлен в 1/20 длины волны видимого света, или примерно 30 нм.

Компания Перкин-Элмер намеревалась использовать новые станки с числовым программным управлением для изготовления зеркала заданной формы. Компания Кодак получила контракт на изготовление запасного зеркала с использованием традиционных методов полировки, на случай непредвиденных проблем с неапробированными технологиями (зеркало, изготовленное компанией Кодак, в настоящее время находится в экспозиции музея ). Работы над основным зеркалом начались в 1979 году, для изготовления использовалось стекло со сверхнизким коэффициентом расширения. Для уменьшения веса зеркало состояло из двух поверхностей - нижней и верхней, соединённых решётчатой конструкцией сотовой структуры.

Резервное зеркало телескопа, Смитсоновский музей авиации и космонавтики, Вашингтон.

Работы по полировке зеркала продолжались до мая 1981 года, при этом были сорваны первоначальные сроки и значительно превышен бюджет. В отчётах НАСА того периода выражаются сомнения в компетентности руководства компании Перкин-Элмер и её способности успешно завершить проект такой важности и сложности. В целях экономии средств НАСА отменило заказ на резервное зеркало и перенесло дату запуска на октябрь 1984 года. Окончательно работы завершились к концу 1981 года после нанесения отражающего покрытия из алюминия толщиной 75 нм и защитного покрытия из фторида магния толщиной в 25 нм.

Несмотря на это, сомнения в компетентности Перкин-Элмер оставались, поскольку сроки окончания работ над остальными компонентами оптической системы постоянно отодвигались, а бюджет проекта рос. Графики работ, предоставляемые компанией, НАСА охарактеризовало как «неопределённые и изменяющиеся ежедневно», и отложило запуск телескопа до апреля 1985 года. Тем не менее, сроки продолжали срываться, задержка росла в среднем на один месяц каждый квартал, а на завершающем этапе росла на один день ежедневно. НАСА было вынуждено ещё дважды перенести старт, сначала на март, а затем на сентябрь 1986 года . К тому времени общий бюджет проекта вырос до 1,175 млрд долл.

Космический аппарат

Начальные этапы работ над космическим аппаратом, 1980.

Другой сложной инженерной проблемой было создание космического корабля для телескопа и остальных приборов. Основными требованиями были защита оборудования от постоянных перепадов температур при нагреве от прямого солнечного освещения и охлаждения в тени Земли и особо точное ориентирование телескопа. Телескоп смонтирован внутри лёгкой алюминиевой капсулы, которая покрыта многослойной термоизоляцией обеспечивающей стабильную температуру. Жёсткость капсулы и крепление приборов обеспечивает внутренняя пространственная рама из углеродного волокна .

Хотя работы по созданию космического аппарата проходили более успешно, чем изготовление оптической системы, Локхид также допустила некоторое отставание от графика и превышение бюджета. К маю 1985 года перерасход средств составил около 30 % от первоначального объёма, а отставание от плана - 3 месяца. В докладе, подготовленном Космическим центром Маршалла, отмечалось, что при проведении работ компания не проявляет инициативу, предпочитая полагаться на указания НАСА .

Координация исследований и управление полётом

В 1983 году, после некоторого противоборства между НАСА и научным сообществом был учреждён . Институт управляется Ассоциацией университетов по астрономическим исследованиям (англ. Association of Universities for Research in Astronomy ) (англ. AURA ) и располагается в кампусе университета Джона Хопкинса в Балтиморе , штат Мэриленд . Университет Хопкинса - один из 32 американских университетов и иностранных организаций, входящих в ассоциацию. Научный институт космического телескопа отвечает за организацию научных работ и обеспечение доступа астрономов к полученным данным, функции которые НАСА хотело оставить под своим контролем, но учёные предпочли передать их академическим учреждениям.

Европейский координационный центр космического телескопа был основан в 1984 году в городе Гархинг , Германия для предоставления аналогичных возможностей европейским астрономам.

Управление полётом было возложено на Центр космических полётов Годдарда (англ. Goddard Space Flight Center ), который находится в городе Гринбелт, Мэриленд в 48 километрах от Научного института космического телескопа. За функционированием телескопа ведётся круглосуточное посменное наблюдение четырьмя группами специалистов.

Техническое сопровождение осуществляется НАСА и компаниями-контакторами через Центр Годдарда.

Запуск и начало работы

Старт шаттла «Дискавери» с телескопом «Хаббл» на борту.

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.

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.

Всё это время части телескопа хранились в помещениях с искусственно очищенной атмосферой, что ещё больше увеличило расходы на проект.

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.

Приборы, установленные на момент запуска

На момент запуска на борту были установлены пять научных приборов:

• Широкоугольная и планетарная камера (англ. Wide Field and Planetary Camera ) (англ. Wide Field and Planetary Camera, WFPC ). Камера была сконструирована в Лаборатории реактивного движения НАСА . Она была оснащена набором из 48 светофильтров для выделения участков спектра , представляющих особый интерес для астрофизических наблюдений. Прибор имел 8 ПЗС-матриц , разделённых между двумя камерами, каждая из которых использовала по 4 матрицы. Широкоугольная камера обладала большим углом обзора, в то время, как планетарная камера имела большее фокусное расстояние и, следовательно, давала большее увеличение.

• Камера съёмки тусклых объектов (англ. Faint Object Camera ) (англ. Faint Object Camera, FOC ). Прибор разработан ЕКА . Камера предназначалась для съёмки объектов в ультрафиолетовом диапазоне с высоким разрешением до 0,05 сек.

• Спектрограф тусклых объектов (англ. Faint Object Spectrograph ) (англ. Faint Object Spectrograph, FOS ). Предназначался для исследования особо тусклых объектов в ультрафиолетовом диапазоне.

• Высокоскоростной фотометр (англ. High Speed Photometer ) (англ. High Speed Photometer, HSP ). Разработан в Университете Висконсина, предназначался для наблюдений за переменными звёздами и другими объектами с изменяющейся яркостью. Мог делать до 10 000 замеров в секунду с погрешностью около 2 %.

Дефект главного зеркала

Уже в первые недели после начала работы полученные изображения продемонстрировали серьёзную проблему в оптической системе телескопа. Хотя качество изображений было лучше, чем у наземных телескопов, «Хаббл» не мог достичь заданной резкости, и разрешение снимков было значительно хуже ожидаемого. Изображения имели радиус свыше одной телесной секунды вместо фокусировки в окружность 0,1 секунды в диаметре, согласно спецификации.

Анализ изображений показал, что источником проблемы является неверная форма главного зеркала. Несмотря на то, что это было, возможно, наиболее точно рассчитанное зеркало из когда-либо созданных, а допуск составлял не более 1/20 длины волны видимого света, оно было изготовлено слишком плоским по краям. Отклонение от заданной формы поверхности составило лишь 2 мкм, но результат оказался катастрофическим - сильная сферическая аберрация , оптический дефект, при котором свет, отражённый от краёв зеркала, фокусируется в точке, отличной от той, в которой фокусируется свет, отражённый от центра зеркала.

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.

Причины дефекта

Анализируя изображения точечных источников света, астрономы установили, что коническая постоянная зеркала составляет −1,0139, вместо требуемой −1,00229. То же число было получено путём проверки нуль-корректоров (приборы, позволяющие измерять с высокой точностью кривизну полируемой поверхности), использованных компанией Перкин-Элмер, а также из анализа интерферограмм , полученных в процессе наземного тестирования зеркала.

Комиссия, возглавляемая Лю Алленом (англ. Lew Allen ), директором Лаборатории реактивного движения , установила, что дефект возник в результате ошибки при монтаже главного нуль-корректора, полевая линза которого была сдвинута на 1,3 мм относительно правильного положения. Сдвиг произошёл по вине техника, осуществлявшего сборку прибора. Он ошибся при работе с лазерным измерителем, применявшимся для точного размещения оптических элементов прибора, а, когда после окончания монтажа заметил непредвиденный зазор между линзой и поддерживающей её конструкцией, то просто вставил обычную металлическую шайбу .

В процессе полировки зеркала его поверхность проверялась при помощи двух других нуль-корректоров, каждый из которых правильно указывал на наличие сферической аберрации. Эти проверки были специально предусмотрены для исключения серьёзных оптических дефектов. Несмотря на чёткие инструкции по контролю качества, компания проигнорировала результаты измерений, предпочитая верить, что два нуль-корректора менее точны, чем главный, показания которого свидетельствовали об идеальной форме зеркала.

Комиссия возложила вину за произошедшее в первую очередь на исполнителя. Отношения между оптической компанией и НАСА серьёзно ухудшились в процессе работы над телескопом из-за постоянного срыва графика работ и перерасхода средств. НАСА установило, что компания не относилась к работам над зеркалом как к основной части своего бизнеса и пребывала в уверенности, что заказ не может быть передан другому подрядчику после начала работ. Хотя комиссия подвергла компанию суровой критике, часть ответственности лежала также на НАСА, в первую очередь - за неспособность обнаружить серьёзные проблемы с контролем качества и нарушение процедур со стороны исполнителя.

Поиски решения

Поскольку конструкция телескопа изначально предусматривала обслуживание на орбите, учёные немедленно начали поиск потенциального решения, которое можно было бы применить во время первой технической миссии, запланированной на 1993 год. Хотя Кодак закончил изготовление запасного зеркала для телескопа, замена его в космосе не представлялась возможной, а снимать с орбиты телескоп для замены зеркала на Земле было бы слишком долго и дорого. Тот факт, что зеркало с высокой точностью было отполировано до неправильной формы, привело к идее разработать новый оптический компонент, который бы выполнял преобразование, эквивалентное ошибке, но с обратным знаком. Новое устройство работало бы подобно очкам для телескопа, корректируя сферическую аберрацию.

Из-за разницы в конструкции приборов требовалось разработать два различных корректирующих устройства. Одно предназначалось для Широкоформатной и Планетарной камеры, которая имела специальные зеркала, перенаправлявшие свет на её сенсоры, и коррекция могла осуществляться за счёт использования зеркал специальной формы, которые бы полностью компенсировали аберрацию. Соответствующее изменение было предусмотрено в конструкции новой Планетарной камеры. Прочие приборы не имели промежуточных отражающих поверхностей, и таким образом нуждались во внешнем корректирующем устройстве.

Система оптической коррекции (COSTAR)

Система, предназначенная для корректировки сферической аберрации, получила название COSTAR (англ. COSTAR ) и состояла из двух зеркал, одно из которых компенсировало дефект. Для установки COSTAR на телескоп было необходимо демонтировать один из приборов, и учёные приняли решение пожертвовать высокоскоростным фотометром.

В течение первых трёх лет работы, до установки корректирующих устройств, телескоп выполнил большое количество наблюдений. В частности, дефект не оказывал большого влияния на спектроскопические замеры. Несмотря на отменённые из-за дефекта эксперименты, было достигнуто множество важных научных результатов, в том числе новые алгоритмы улучшения качества изображений с помощью деконволюции .

Техническое обслуживание телескопа

Обслуживание «Хаббла» производится во время выходов в открытый космос с космических кораблей многоразового использования типа Спейс шаттл .

Всего были осуществлены четыре экспедиции по обслуживанию телескопа «Хаббл»:

Первая экспедиция

Работы на телескопе во время первой экспедиции.

В связи с выявившимся дефектом зеркала значение первой экспедиции по обслуживанию было особенно велико, поскольку она должна была установить на телескопе корректирующую оптику. Полёт «Индевор» STS-61 состоялся 2-13 декабря 1993 года, работы на телескопе продолжались в течение десяти дней. Экспедиция была одной из сложнейших за всю историю, в её рамках были осуществлены пять длительных выходов в открытый космос.

Высокоскоростной фотометр был заменён на систему оптической коррекции, широкоугольная и планетарная камера была заменена на новую модель (WFPC2 (англ. Wide Field and Planetary Camera 2 )) с системой внутренней оптической коррекции. Камера имела три квадратные ПЗС-матрицы , соединённых углом, и меньшую «планетарную» матрицу более высокого разрешения в четвёртом углу. Поэтому снимки камеры имеют характерную форму выщербленного квадрата.

STIS имеет рабочий диапазон 115-1000 нм и позволяет вести двумерную спектрографию, то есть получать спектр одновременно нескольких объектов в поле зрения.

Был также заменён бортовой регистратор, произведён ремонт теплоизоляции и выполнена коррекция орбиты.

Третья экспедиция (A)

Экспедиция 3A («Дискавери» STS-103) состоялась 19-27 декабря 1999 года, после того, как было принято решение о досрочном проведении части работ по программе третьего сервисного обслуживания. Это было вызвано тем, что три из шести гироскопов системы наведения вышли из строя. Четвёртый гироскоп отказал за несколько недель до полёта, сделав телескоп непригодным для наблюдений. Экспедиция заменила все шесть гироскопов, датчик точного наведения и бортовой компьютер. Новый компьютер использовал процессор Intel 80486 в специальном исполнении - с повышенной устойчивостью к радиации. Это позволило производить часть вычислений, выполнявшихся ранее на земле, при помощи бортового комплекса.

Третья экспедиция (B)

«Хаббл» в грузовом отсеке шаттла перед возвращением на орбиту, на фоне восходящей Земли. Экспедиция STS-109.

Экспедиция 3B (четвёртая миссия) выполнена 1-12 марта 2002 года , полёт «Колумбия» STS-109. В ходе экспедиции Камера съёмки тусклых объектов была заменена на Усовершенствованную обзорную камеру (англ. Advanced Camera for Surveys ) (англ. Advanced Camera for Surveys, ACS ) и восстановлено функционирование Камеры и спектрометра около-инфракрасного диапазона, в системе охлаждения которого в 1999 году закончился жидкий азот .

ACS состоит из трёх камер, одна из которых работает в далёком ультрафиолете , а другие дублируют и улучшают возможности WFPC2. Частично неработоспособна с 29 января 2007 года .

Были во второй раз заменены солнечные батареи . Новые панели были на треть меньше по площади, что значительно уменьшило потери на трение в атмосфере, но при этом вырабатывали на 30 % больше энергии, благодаря чему стала возможна одновременная работа со всеми приборами, установленными на борту обсерватории. Также был заменён узел распределения энергии, что потребовало полного выключения электропитания на борту - впервые с момента запуска.

Произведённые работы существенно расширили возможности телескопа. Два прибора, введённые в строй в ходе работ - ACS и NICMOS, позволили получить изображения глубокого космоса.

Четвёртая экспедиция

Очередная экспедиция по обслуживанию с целью замены аккумуляторов и гироскопов , а также установки новых усовершенствованных инструментов, была назначена на февраль 2005 года , но после катастрофы космического корабля «Колумбия » 1 марта 2003 года была отложена на неопределённый срок, что поставило под угрозу дальнейшую работу «Хаббла». Даже после возобновления полётов шаттлов, миссия была отменена, поскольку было принято решение, что каждый отправляющийся в космос челнок должен иметь возможность достичь МКС в случае обнаружения неисправностей, а из-за большой разницы в наклонении и высоте орбит , шаттл не может причалить к станции после посещения телескопа.

После этой миссии телескоп «Хаббл» должен будет продолжать свою работу на орбите, по крайней мере, до 2014 года.

Достижения

За 15 лет работы на околоземной орбите, «Хаббл» получил 700 тыс. изображений 22 тыс. небесных объектов - звёзд, туманностей, галактик, планет. Поток данных, которые он ежедневно генерирует в процессе наблюдений, составляет около 15 Гб . Общий их объём, накопленный за всё время работы телескопа, превышает 20 терабайт . Более 3900 астрономов получили возможность использовать его для наблюдений, опубликовано около 4000 статей в научных журналах. Установлено, что, в среднем, индекс цитирования астрономических статей, основанных на данных телескопа, в два раза выше, чем статей, основанных на других данных. Ежегодно в списке 200 наиболее цитируемых статей не менее 10 % занимают работы, выполненные на основе материалов Хаббла. Нулевой индекс цитирования имеют около 30 % работ по астрономии в целом, и только 2 % работ, выполненных с помощью космического телескопа.

Тем не менее, цена, которую приходится платить за достижения «Хаббла», весьма высока: специальное исследование, посвящённое изучению влияния на развитие астрономии телескопов различных типов, установило, что, хотя работы, выполненные при помощи орбитального телескопа, имеют суммарный индекс цитирования в 15 раз больше, чем у наземного рефлектора с 4-метровым зеркалом, стоимость содержания космического телескопа выше в 100 и более раз.

Наиболее значимые наблюдения

Доступ к телескопу

Любой человек или организация может подать заявку на работу с телескопом - не существует ограничений по национальной или академической принадлежности. Конкуренция за время наблюдений очень высока, обычно суммарно запрошенное время в 6-9 раз превышает реально доступное.

Конкурс заявок на наблюдение объявляется примерно раз в год. Заявки делятся на несколько категорий:

• Общие наблюдения (англ. General observer ). В эту категорию попадает большинство заявок, требующих обычной процедуры и длительности наблюдений.
• Блиц-наблюдения (англ. Snapshot observations ), наблюдения, требующие не более 45 минут, включая время наведения телескопа, позволяют заполнить паузы между общими наблюдениями.
• Срочные наблюдения (англ. Target of Opportunity ), для изучения явлений, которые можно наблюдать в течение ограниченного, заранее известного промежутка времени.

Кроме того, 10 % времени наблюдений остаётся в так называемом «резерве директора ». Астрономы могут подавать заявки на использование резерва в любое время, обычно он используется для наблюдений незапланированных краткосрочных явлений, таких как взрывы сверхновых . Съёмки глубокого космоса по программам Hubble Deep Field и Hubble Ultra Deep Field также были осуществлены за счёт директорского резерва.

В течение первых нескольких лет часть времени из резерва выделялась астрономам-любителям. Их заявки рассматривались комитетом, состоящим также из наиболее видных астрономов-непрофессионалов. Основными требованиями к заявке были оригинальность исследования и несовпадение темы с поданными запросами профессиональных астрономов. В общей сложности, в период между и 1997 годом было произведено 13 наблюдений по программам, предложенным астрономами-любителями. В дальнейшем, из-за сокращения бюджета института, предоставление времени непрофессионалам было прекращено.

Планирование наблюдений

Планирование наблюдений является чрезвычайно сложной задачей, так как необходимо учитывать влияние множества факторов:

• Поскольку телескоп находится на низкой орбите , что необходимо для обеспечения обслуживания, значительная часть астрономических объектов затенены Землёй чуть меньше половины времени обращения. Существует так называемая «зона длительной видимости», примерно в направлении 90° к плоскости орбиты, однако из-за прецессии орбиты точное направление изменяется с восьминедельным периодом.
• Из-за повышенного уровня радиации наблюдения невозможны, когда телескоп пролетает над Южно-Атлантической аномалией .
• Минимальное отклонение от Солнца составляет 45° для предотвращения попадания прямого солнечного света в оптическую систему, что, в частности, делает невозможными наблюдения Меркурия , а прямые наблюдения Луны и Земли допустимы при отключённых датчиках точного наведения.
• Так как орбита телескопа проходит в верхних слоях атмосферы, плотность которых меняется в течение времени, невозможно точно предсказать местоположение телескопа. Ошибка шестинедельного предсказания может составлять до 4 тыс. км. В связи с этим, точные расписания наблюдений составляются всего на несколько дней вперёд, чтобы избежать ситуации, когда выбранный для наблюдения объект будет не виден в назначенное время.

Передача, хранение и обработка данных телескопа

Передача на Землю

Данные «Хаббла» сначала запасаются в бортовых накопителях, на момент запуска в этом качестве использовались катушечные магнитофоны , в ходе экспедиций 2 и 3A они были заменены на твердотельные накопители . Затем, через систему коммуникационных спутников (TDRSS (англ. TDRSS )), расположенных на низкой орбите, данные передаются в Центр Годдарда.

Архивирование и доступ к данным

В течение первого года с момента получения данные предоставляются только основному исследователю (подателю заявки на наблюдение), а затем помещаются в архив со свободным доступом. Исследователь может подать просьбу на имя директора института о сокращении или увеличении этого срока.

Наблюдения, выполненные за счёт времени из резерва директора, немедленно становятся общественным достоянием, так же, как вспомогательные и технические данные.

Данные в архиве хранятся в формате приборов, должны пройти ряд преобразований, прежде чем станут пригодными для анализа. Институт космического телескопа разработал пакет программ для автоматического преобразования и калибрации данных. Преобразования производятся автоматически при запросе данных. Из-за большого объёма информации и сложности алгоритмов обработка может занять сутки и более.

Астрономы могут также получить необработанные данные и выполнить эту процедуру самостоятельно, что удобно, когда процесс преобразования отличается от стандартного.

Данные могут быть обработаны при помощи различных программ, но Институт телескопа предоставляет пакет STSDAS (Система анализа научных данных космического телескопа, англ. Space Telescope Science Data Analysis System ). Пакет содержит все необходимые для обработки данных программы, оптимизированные для работы с информацией «Хаббла». Пакет работает как модуль популярной астрономической программы IRAF.

Связи с общественностью

Для проекта космического телескопа всегда было важно привлечь внимание и воображение широкой публики, и в особенности американских налогоплательщиков, внёсших наиболее значительный вклад в финансирование «Хаббла».

Одним из наиболее важных для связей с общественностью является проект «Наследие Хаббла» (англ. The Hubble Heritage ). Его задачей является публикация наиболее эффектных визуально и эстетически изображений, полученных телескопом. Галереи проекта содержат не только оригинальные снимки, но и созданные на их основе коллажи и рисунки. Проекту выделено небольшое количество времени наблюдений для получения полноценных цветных изображений объектов, фотографирование которых в видимой части спектра не было необходимым для исследований.

Кроме того, Институт космического телескопа поддерживает несколько веб-сайтов с изображениями и исчерпывающей информацией о телескопе.

В 2000 году для координации усилий различных ведомств было создано Бюро по связям с общественностью (англ. Office for Public Outreach ).

В Европе с 1999 года связями с общественностью занимается Европейский информационный центр (англ. Hubble European Space Agency Information Centre ) (англ. Hubble European Space Agency Information Centre, HEIC ), учреждённый при Европейском координационном центре космического телескопа. Центр также отвечает за образовательные программы ЕКА , связанные с телескопом.

Будущее «Хаббла»

Предполагается, что после ремонтных работ, выполненных четвёртой экспедицией, «Хаббл» проработает на орбите до 2014 года, когда его сменит космический телескоп «Джеймс Вебб ».

Технические данные

Общий вид телескопа.

Параметры орбиты

• Наклонение : 28,469°.
• Апогей : 571 км.
• Перигей : 565 км.
• Период обращения : 96,2 мин.

Космический аппарат

• Длина космического аппарата - 13,3 м, диаметр - 4,3 м, размах солнечных батарей - 12,0 м, масса 11 000 кг (с установленными приборами около 12 500 кг).
• Телескоп представляет собой рефлектор системы Ричи-Кретьена с диаметром зеркала 2,4 м, позволяющий получить оптическое разрешение порядка 0,1 угловой секунды .

Приборы

Телескоп имеет модульную структуру и содержит пять отсеков для оптических приборов. Один из отсеков в течение долгого времени (1993-2009 годы) занимала корректирующая оптическая система (англ. Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement ) (COSTAR), установленная во время первой экспедиции обслуживания в 1993 году для компенсации неточности изготовления главного зеркала. Поскольку все приборы, установленные после запуска телескопа, имеют встроенные системы коррекции дефекта, во время последней экспедиции стало возможно демонтировать систему COSTAR и использовать отсек для установки ультрафиолетового спектрографа.

Хронология установки приборов на борту космического телескопа (вновь установленные приборы выделены курсивом):

Как отмечалось выше, система наведения также используется в научных целях.

Примечания

1. Исторический обзор на официальном сайте, ч. 2 (англ.)
2. Lyman S. Spitzer. (1979) History of the Space Telescope // Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society. V. 20. P. 29
3. Chapter 12. Hubble Space telescope // Dunar A. J., Waring S. P. (1999) Power To Explore-History of Marshall Space Flight Center 1960-1990. U.S. Government Printing Office, ISBN 0-16-058992-4
4. Информация на сайте НАСА (англ.)
5. Исторический обзор на официальном сайте, ч. 3 (англ.)
6. The European Homepage for the NASA/ESA Hubble Space Telescope - Frequently Asked Questions (англ.) . Проверено 10 января 2007.
7. Brandt J. C. и др. (1994). The Goddard High Resolution Spectrograph: Instrument, goals, and science results // Publications of the Astronomical Society of the Pacific. V. 106., P. 890-908
8. G. Fritz Benedict, Barbara E. McArthur. (2005) High-precision stellar parallaxes from Hubble Space Telescope fine guidance sensors. Transits of Venus: New Views of the Solar System and Galaxy. Proceedings of IAU Colloquium #196, Ed. D. W. Kurtz. Cambridge University Press. P. 333-346
9. Burrows C. J. и др. (1991) The imaging performance of the Hubble Space Telescope // Astrophysical Journal. V. 369. P. 21
10. Сравнение реальных и расчётных графиков отображения точечных объектов (англ.)
11. Отчёт комиссии Аллена (англ.) The Hubble Space Telescope Optical Systems Failure Report, 1990, Lew Allen, Chairman, NASA Technical Report NASA-TM-103443
12. Selected Documents in the History of the U.S. Civil Space Program Volume V: Exploring the Cosmos / John M. Logsdon, editor. 2001
13. Jedrzejewski R. I., Hartig G., Jakobsen P., Crocker J. H., Ford H. C. (1994) In-orbit performance of the COSTAR-corrected Faint Object Camera // Astrophysical Journal Letters. V. 435. P. L7-L10
14. Thackeray’s Globules in IC 2944 . Hubble Heritage . Проверено 25 января 2009.
15. Trauger J. T., Ballester G. E., Burrows C. J., Casertano S., Clarke J. T., Crisp D. (1994) The on-orbit performance of WFPC2 // Astrophysical Journal Letters. V. 435. P. L3-L6
16. STSci NICMOS pages (англ.)
17. Guy Gugliotta. Nominee Backs a Review Of NASA’s Hubble Decision , Washington Post (12 апреля 2005). Проверено 10 января 2007 . (en язык)
18. NASA Approves Mission and Names Crew for Return to Hubble (англ.) NASA, 31 октября 2006

Телескоп Хаббл - наверное, самый популярный и известный объект так или иначе связанный с космосом, мало кто не слышал это название.

Назван телескоп в честь великого американского ученого Эдвина Пауэлла Хаббла , главным достижением которого было открытия эффекта Расширения Вселенной.

Хаббл был запущен на земную орбиту в апреле 1990 года. По своей сути это не просто телескоп - это настоящая автоматическая орбитальная обсерватория.

На воплощение и запуск такого сложного и масштабного проекта как Хаббл понадобилось невероятно много времени, ресурсов и финансовых средств. Видимо поэтому Хаббл и стал совместным проектом двух крупнейших космических агенств мира: НАСА и ЕКА (Европейское космическое агенство).

Размещение телескопа в космосе было абсолютно логичным шагом на пути к его изучению, поскольку земная атмосфера сильно затрудняет наблюдение в некоторых диапазонах (в частности инфракрасном, менее в ультрафиолетовом) а также практически не позволяет регистрировать электромагнитные излучения средней и низкой интенсивности. Таким образом, Хаббл делает в 7 - 10 раз более качественные снимки чем аналогичные аппараты на поверхности Земли.

Статус главного "небесного ока" Хаббл приобрел не сразу после своего запуска, т.к. изначально при изготовлении оптики, в частности главного зеркала, подрядчиками была допущена серьезная ошибка, что сильно сказывалось на качестве получаемых снимков. Дефект был устранен в 1993 году первой экспедицией по техническому обслуживанию и ремонту в результате установки корректирующей оптической системы COSTAR . Процедура установки этой системы стала одной из самых сложных операций в истории астронавтики. Результат не заставил себя долго ждать - качество изображений возросло на несколько порядков и Хаббл был готов покорять новые, неизведанные тайны космоса.

снимок одной и той же галактики до и после установки системы COSTAR

С каждой из четырех последующих обслуживающих экспедиций 1997, 1999, 2002 и 2009 годов космический телескоп получал новейшие обновления для своего технического арсенала, становясь все более совершенным и универсальным орудием исследования просторов космоса. На данный момент в распоряжении Хаббла имеются такие приборы: широкоугольная и планетарные камеры, усовершенствованная обзорная камера, мульти-объектный спектрометр ближнего инфракрасного диапазона, ультрафиолетовый спектрограф. Благодаря своему техническому арсеналу Хаббл был так или иначе причастен к львиной части новостей космоса : открытиям, наблюдениям и снимкам Вселенной начиная еще с 1993 года.

Почти за 23 года проведенных на околоземной орбите Хаббл стал легендарным телескопом. Им было сделано несколько миллионов фотографий, было сделано множество открытий, на базе которых была построена не одна космологическая теория. Ежемесячный поток данных превышает 80 Гигабайт, а их общий объем достиг 50 Терабайт.

Наиболее значимые наблюдения Хаббла:

1. Съемка столкновения кометы Шумейкеров - Леви с Юпитером в 1994 году.
2. Получены подробные кадры поверхности Плутона и Эриды (еще одна карликовая планета).
3. Засняты ультрафиолетовые полярные сияния Сатурне, Юпитере и на его спутнике Ганимеде.
4. Найдены планеты вне Солнечной системы, а также большое количество протопланетных дисков вокруг звезд в Туманности Ориона. Были найдены доказательства того, что формирование планет происходит у многих звезд в нашей галактике.
5. Способствовал частичному подтверждению теории о присутствии сверхмассивных черных дыр в центрах галактик.
6. Получено доказательство того, что Вселенная расширяется с ускорением, а не с постоянной (или затухающей) скоростью.
7. Подтвержден точный возраст Вселенной - 13,7 млрд. лет.
8. Обнаружено наличие аналогов гамма-всплесков в оптическом диапазоне.
9. Подтверждение гипотезы об изотропности (т.е. одинаковости самой Вселенной и ее свойств в отдельных ее частях) Вселенной.
10. Сфотографированы самые дальние участки Вселенной, вплоть до времени образования первых звезд (т.е. Хаббл позволил заглянуть в прошлое на 12,7 - 13 млрд. лет).

Также к заслугам телескопа можно отнести огромное количество впечатляющих снимков неба и отдельных его объектов, которые помимо научной ценности несут еще и эстетическую. Ниже представлены лучшие снимки за 23 года работы Хаббла. Рассматривать и любоваться этими кадрами можно часами.

24 апреля 1990 года на орбиту Земли был запущен орбитальный телескоп "Хаббл" , сделавший за почти четверть века своего существования немало великих открытий, проливших нам свет на Вселенную, ее историю и тайны. И сегодня мы расскажем про эту ставшую к нашему времени легендарной орбитальную обсерваторию, ее историю , а также про некоторые важные открытия , сделанные с ее помощью.

История создания

Первый орбитальный телескоп был запущен Великобританией в 1962 году, а соединенными Штатами Америки – в 1966. Успехи этих аппаратов окончательно убедили мировую научную общественность в необходимость постройки большой космической обсерватории, способной заглянуть даже в самую глубь Вселенной.

Работа над проектом, который со временем превратился в телескоп «Хаббл», началась в 1970 году, но долгое время финансирование не было достаточным для успешной реализации задумки. Бывали периоды, когда американские власти вообще приостанавливали финансовые потоки.

Подвешенное состояние закончилось в 1978 году, когда Конгресс США выделил на создание орбитальной лаборатории 36 миллионов долларов. Тогда же началась активная работа по проектированию и строительству объекта, к которой подключились многие научные центры и технологические компании, всего тридцать два учреждения по всему миру.

Изначально планировалось вывести телескоп на орбиту в 1983, потом эти сроки перенесли на 1986. Но катастрофа космического челнока «Челленджер» 28 января 1986 вынудила еще раз пересмотреть дату запуска объекта. В результате «Хаббл» отправился в Космос 24 апреля 1990 на шаттле «Дискавери».

Эдвин Хаббл

Эдвин Хаббл умер в 1953 году, но стал одним из основателей американской школы астрономии, ее самым известным представителем и символом. Недаром в честь этого великого ученого назван не только телескоп, но и астероид.

Самые значимые открытия телескопа «Хаббл»

Телескоп сфотографировал и отправил на Землю более миллиона снимков с высоким разрешением, позволяющих заглянуть в такие глубины Вселенной, куда невозможно забраться иным способом.

Одним из первых поводов у СМИ заговорить о телескопе «Хаббл» стали его снимки кометы Шумейкеров-Леви 9, которая в июле 1994 года столкнулась с Юпитером. Примерно за год до падения при наблюдении за этим объектом орбитальная обсерватория зафиксировала его разделение на несколько десятков частей, которые затем и падали в течение недели на поверхность планеты-гиганта.

Модернизация

Однако со временем в эксплуатации «Хаббла» начали возникать проблемы. К примеру, уже в первую неделю работы телескопа оказалось, что у главного его зеркала есть дефект, не позволяющий добиться ожидаемой резкости изображений. Так что пришлось прямо на орбите установить на объект систему оптической коррекции, состоящую из двух внешних зеркал.

Будущее

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.

Очень много картинок!

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.

История

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».

Запуск стал возможен лишь к 86-у году, но из-за катастрофы Челленжера, запуски шаттлов приостановили на время доработок.

Хаббл по частям положили на хранение в специальные продуваемые азотом камеры, что обходилось в шесть миллионов долларов в месяц.

В итоге, 24 апреля 1990-го года, шаттл Дискавери стартовал с телескопом на орбиту. К этому моменту на Хаббл потратили 2,5 миллиарда долларов. Общие затраты на сегодня подбираются к десяти миллиардам.

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. Аберрация вследствие этого в буквальном смысле микроскопического дефекта делала большинство планируемых исследований невозможными.

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.

Человеческий фактор.

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.

Управление

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 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.

Оптика

Актуальный набор инструментов:

NICMOS
Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer
Камера и мультиобъектный спектрометр ближнего инфракрасного диапазона

ACS
Advanced Camera для Surveys
Усовершенствованная обзорная камера

WFC3
Wide Field Camera 3
Широкоугольная камера 3

COS
Cosmic Origins Spectrograph
Ультрафиолетовый спектрограф

STIS
Space Telescope Imaging Spectrograph
Регистрирующий спектрограф космического телескопа

FGS
Fine Guidance Sensor
Система наведения

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.

WFPC2 заменили на WFC3 в 2009-м. Разницу между ними хорошо иллюстрируют переснятые Столпы Творения, о которых позже.

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

Фотографий очень много, расскажу лишь о нескольких, самых захватывающих. Все фотографии имеют свой ID, по которому легко находятся на сайте Хаббла spacetelescope.org или прямо в Гугле. Многие снимки лежат на сайте в высоком разрешении, здесь же я оставляю screensize-версии.

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.

Роза, сделанная из галактик

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.

Магическая галактика Сомбреро

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.

Новый вид туманности Конской головы в инфракрасном спектре - изображение на 23-ю годовщину Хаббла

В 2013-м году Хаббл переснял Барнард 33 в инфракрасном спектре. И мрачная туманность Конская Голова в созвездии Ориона, почти непрозрачная и черная в видимом диапазоне, предстала в новом свете. То есть, диапазоне.

До этого Хаббл уже фотографировал ее в 2001-м:

Хаббл запечатлел звездообразовательный регион S106

S106 - звездообразовательная область в созвездии Лебедя. Красивая структура обусловлена выбросами молодой звезды, что окутана пылью в форме пончика в центре. Эта пылевая завеса имеет бреши сверху и снизу, через которые вещество звезды вырывается активнее, образуя форму, напоминающую известную оптическую иллюзию . Снимок сделан в конце 2011-го года.

Кассиопея А: красочные последствия смерти звезды

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.

Изображение Хаббла Arp 142

И снова снимок, демонстрирующий последствия взаимодействия двух галактик, оказавшихся близко одна к другой во время своего Вселенского пути.

NGC 2936 и 2937 столкнулись и повлияли друг на друга. Это уже само по себе интересное событие, но в этом случае добавился еще один аспект: нынешняя форма галактик напоминает пингвина с яйцом, что работает как большой плюс для популярности этих галактик.

В милой картинке 2013-го года можно увидеть следы случившегося столкновения: например, глаз пингвина сформирован, по большей части, телами из галактики-яйца.

Зная возраст обеих галактик, можно наконец-то ответить, что же было раньше: яйцо или пингвин.

Бабочка, появляющаяся из остатков звезды в планетарной туманности NGC 6302

Иногда раскаленные до 20 тысяч градусов потоки газа, летящие со скоростью почти в миллион км/ч выглядят как крылышки хрупкой бабочки, нужно лишь найти правильный ракурс. Хабблу не пришлось искать, туманность NGC 6302 - ее еще называют туманностью Бабочка или Жук - сама повернулась к нам подходящей стороной.

Создает эти крылья умирающая звезда нашей галактики в созвездии Скопиона. Форму крыльев потоки газа получают снова из-за кольца пыли вокруг звезды. Эта же пыль закрывает саму звезду от нас. Возможно, кольцо было сформировано потерей вещества звездой вдоль экватора на относ ительно низкой скорости, а крылья - более быстрой потерей от полюсов.

Фотография сделана в 2009-м году.

Deep Field

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.