0
Kosmiczny Teleskop Hubble’a (HST) to jeden z najważniejszych przyrządów obserwacyjnych w dziejach astronomii, który już od ponad trzech dekad dostarcza nam informacji o kosmosie. W artykule postaramy się przybliżyć czytelnikowi najważniejsze informacje o HST.
Początki Kosmicznego Teleskopu Hubble’a
Koncepcja obserwacji ciał niebieskich za pośrednictwem teleskopu umieszczonego w przestrzeni kosmicznej – a więc nieograniczonego degradującym obserwacje wpływem ziemskiej atmosfery – sięga pierwszej połowy XX wieku. W 1923 roku Niemiec Hermann Oberth w swojej rozprawie doktorskiej pod tytułem Die Rakete zu den Planetenräumen (Rakietą w przestrzeń międzyplanetarną) zawarł teoretyczne podstawy wyniesienia takiego obiektu w kosmos.
Z kolei w 1946 roku Amerykanin Lyman Spitzer w referacie Zalety pozaziemskiego obserwatorium astronomicznego przedstawił plusy tego rozwiązania. Przede wszystkim w porównaniu do teleskopów naziemnych taki obiekt miał mieć lepszą rozdzielczość kątową, która nie była ograniczana dyfrakcją i turbulencjami atmosfery. Miał także pozwalać na prowadzenie obserwacji w pochłanianych przez nią zakresach promieniowania elektromagnetycznego – a więc niewidocznych z powierzchni Ziemi fal ultrafioletowych i podczerwonych.
Sprawdź też: Łazik Perseverance na Marsie – wszystko co musisz wiedzieć o misji na Marsa 2021
Od lat 60. NASA prowadziła projekt OAO (Orbiting Astronomical Observatory – Orbitalne Obserwatoria Astronomiczne), którego następcą miał zostać LST (Large Space Telescope – Wielki Teleskop Kosmiczny). Jego start planowano na 1979 rok, ale ze względu na trudności w pozyskiwaniu funduszy nie doczekał się realizacji w pierwotnym kształcie. Ostatecznie amerykański Kongres przeznaczył w 1978 roku na realizację projektu 36 milionów dolarów, co wymusiło znaczne cięcia budżetowe i uproszczenia technologiczne w stosunku do pierwotnych założeń.
W ramach oszczędności zmniejszono średnicę lustra z planowanych 3 do 2,4 metra i zrezygnowano z wystrzelenia prototypu. Nazwę Kosmiczny Teleskop Hubble’a (HST – Hubble Space Telescope) nadano już na wczesnym etapie projektu jako hołd dla Edwina Hubble’a, odkrywcy m. in. zjawiska znanego jako „ucieczka galaktyk”. Aparatura rozpoczęła pracę naukową 24 kwietnia 1990 roku i ma działać do 2030-2040, po czym ostatecznie zacznie zbliżać się do Ziemi (co rodzi problem, gdyż cała konstrukcja waży ponad 11 ton – naukowcy wciąż nie rozwiązali kwestii bezpiecznej deorbitacji HST). Od początku swojego funkcjonowania teleskop Hubble’a jest jednym z najważniejszych narzędzi służących do obserwacji Kosmosu.
Konstrukcja teleskopu
Sercem HST jest zwierciadło o średnicy 2,4 metra. Ponieważ w przypadku teleskopów optycznych wymagana dokładność jego wykonania uzależniona jest od długości odbieranych fal świetlnych, stworzenie odpowiedniego lustra do odbierania szerokiego spektrum fal, od ultrafioletu po podczerwień, okazało się wielkim wyzwaniem. By obniżyć jego masę, zwierciadło teleskopu składa się z dwóch jednocalowej grubości warstw osadzonych na kratownicy. Aluminiowa pokrywa refleksyjna ma zaledwie 65 nm, a pokrywa ochronna z fluorku magnezu 25 nm grubości.
Zwierciadło osadzono w cylindrycznej obudowie teleskopu o długości 13,2 m i średnicy w najgrubszym miejscu wynoszącej 4,2 m. Cała konstrukcja waży aż 11 110 kg i oprócz systemu optycznego posiada na zewnątrz dwa charakterystyczne, sterowalne panele słoneczne o wymiarach 7,1 na 2,6 metra każdy. Obecnie wykorzystywane, zostały zamontowane w 2002 roku podczas misji serwisowej 3B i mimo zredukowanych wymiarów, wyróżniają się wysoką wydajnością, generując około 2100 W mocy wymaganej do działania teleskopu.
O tym, jak niewiarygodnie precyzyjnym instrumentem optycznym jest Kosmiczny Teleskop Hubble’a, świadczy problem zauważony podczas „pierwszego światła” – czyli uruchomienia urządzenia po jego wyniesieniu w przestrzeń kosmiczną. Rejestrowany obraz okazał się nieostry, a winę ponosił błąd krzywizny lustra rzędu jednego mikrometra. Korygujący to system dodatkowych luster na wysięgnikach został zamontowany w 1993 roku podczas pierwszej misji serwisowej.
System optyczny i zasilanie to nie wszystko, co skrywa teleskop Hubble’a. Budowa systemu umożliwia dodawanie i modernizację komponentów na orbicie podczas misji serwisowych. Obecnie na wyposażeniu teleskopu znajduje się rozbudowana aparatura badawcza obejmująca dwie kamery rejestrujące obrazy na różnych długościach fal, spektrograf do analizy emisji ciał niebieskich oraz interferometr służący do pomiarów ich pozycji i jasności. Uzupełnione jest to oczywiście systemami korekty pozycji i telekomunikacyjnymi.
Zdjęcia z Teleskopu Hubble’a
Istnieje szereg zasadniczych różnic między tym, jak obraz uzyskuje, przetwarza i zapisuje typowy cyfrowy aparat fotograficzny, a sposobem, w jaki realizuje to teleskop Hubble’a. Zdjęcia z niego pochodzące, w tym tak znane, jak Filary stworzenia czy Ultragłębokie Pole Hubble’a są wynikiem złożenia wielu różnych obserwacji tego samego obiektu. Mogą one być rejestrowane nawet w ciągu wielu lat, za pomocą różnych filtrów, parametrów ekspozycji czy długości fal świetlnych.
Ze względu na fakt, że zakres optyczny teleskopu wykracza poza spektrum fal widzialnych przez człowieka, istotnym elementem opracowania obserwacji wykonanych przez HST jest nadanie sztucznych barw i ich artystyczna korekta. Oprócz regularnie publikowanych przez NASA i inne agencje zdjęć opracowanych przez doświadczonych astronomów, istnieje również możliwość samodzielnego przeglądania i analizy danych rejestrowanych przez teleskop Hubble’a.
Taką możliwość daje między innymi Europejska Agencja Kosmiczna. Hubble Science Archive udostępnia ponad 1,5 miliona obserwacji zebranych przez cały okres funkcjonowania teleskopu. Oprócz wyszukiwarki i eksploratora tego rozległego archiwum do dyspozycji astronomów oddano rozbudowane narzędzie analiz działające w przeglądarce, a także interfejsy programistyczne i zestaw tutoriali i porad dotyczących opracowania zdjęć z teleskopu Hubble’a.
Teleskop Hubble’a i jego odkrycia
HST od momentu umieszczenia na orbicie, jest jednym z najważniejszych instrumentów przeznaczonych do badania kosmosu. Oprócz dostarczenia imponujących wizualnie i działających na wyobraźnię zdjęć najdalszych zakątków kosmosu, pomógł znaleźć odpowiedzi na wiele ważnych pytań naukowych. Wśród najważniejszych odkryć dokonanych za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a warto wspomnieć o:
- Dokładniejszym ustaleniu wieku Wszechświata. Dzięki obserwacjom HST takich obiektów jak gromada galaktyk w gwiazdozbiorze Panny, udało się oszacować wiek kosmosu na 13,7 miliarda lat z błędem na poziomie 10%.
- Odkryciu przyspieszania ekspansji Wszechświata dzięki obserwacjom odległych supernowych. Badania nad tym zjawiskiem uhonorowano trzema nagrodami Nobla.
- Wykazaniu, że czarne dziury mogą często stanowić centra galaktyk, a także o opracowaniu sposobów pośrednich pomiarów ich rozmiarów i mas.
- Oszacowaniu wymiarów i masy Drogi Mlecznej.
Wyniesienie instrumentu optycznego w przestrzeń kosmiczną umożliwiło rejestrowanie wcześniej niedostępnych zakresów fal. Co za tym idzie, teleskop Hubble’a i jego odkrycia stanowią przełom w poznaniu ciał niebieskich, procesów ich powstawania i życia oraz fizyki naszego wszechświata. Pierwsze 30 lat działania HST zaowocowało ponad 15 000 publikacji w recenzowanych czasopismach naukowych. Szacuje się, że prace dotyczące obserwacji z teleskopu Hubble’a stanowią około 10% wszystkich powstających w dziedzinie astronomii.
Serwisowanie teleskopu
Serwisowanie i ulepszenia techniczne Kosmicznego Teleskopu Hubble’a wykonywane jest podczas misji serwisowych. Do tej pory odbyło się ich pięć:
- SM 1 (1993) – montaż optycznego modułu korekcyjnego naprawiającego błąd krzywizny głównego zwierciadła,
- SM 2 (1997) – wymiana niektórych starych instrumentów, przede wszystkim spektrografu i spektrometru, na nowsze wersje,
- SM 3A (1999) – wymiana systemu żyroskopów, głównego komputera i osłon termicznych, montaż systemu zapobiegającego przegrzewaniu akumulatorów,
- SM 3B (2002) – wymiana paneli słonecznych i kamery na nowsze wersje,
- SM 4 (2009) – montaż nowych instrumentów pomiarowych, w tym Spektrografu Początków Wszechświata, wymiana żyroskopów i drobne naprawy zużytych elementów.
Zasadnicza trudność w serwisowaniu HST wynika z faktu, iż wszystkie czynności są dokonywane przez astronautów podczas spaceru kosmicznego lub w ładowni wahadłowca po przechwyceniu instrumentu. Oznacza to nieporównywalnie mniejsze koszty i przerwy w działaniu niż generowałaby każdorazowa deorbitacja teleskopu do serwisu na Ziemi i jego ponowne umieszczenie na orbicie, ale wymaga planowania czynności nawet na kilka lat w przód i pozyskania znacznych funduszy. Ze względu na inną inklinację orbity bazą napraw HST nie może być Międzynarodowa Stacja Kosmiczna, stąd każdorazowe wysyłanie wahadłowca.
Sprawdź też: Satelity Starlink – co to jest, po co SpaceX umieszcza je na orbicie? Kiedy będą widoczne?
Przyszłość HST
Przyszłość Kosmicznego Teleskopu Hubble’a uzależniona jest w dużej mierze od przedłużania kontraktów na jego funkcjonowanie przez amerykański rząd. W obecnej formie instrument może działać do około 2030-2040 roku, kiedy pod wpływem oporów ruchu zejdzie na niższą orbitę i spłonie w atmosferze (choć nie jest to też do końca pewne). Pierwotne plany zakładały przechwycenie teleskopu na pokład wahadłowca i bezpieczne sprowadzenie go na Ziemi w celu wystawienia w muzeum, ale ze względu na zakończenie programu promów kosmicznych w 2011 roku jest to już niemożliwe.
Z tego samego względu nie istnieją obecnie narzędzia, które pozwalałyby na korektę orbity HST tak, by mógł on jeszcze przez kilka dziesięcioleci dokonywać obserwacji kosmosu. Pewną nadzieję na przedłużenie funkcjonowania i przywrócenie możliwości serwisowania teleskopu Hubble’a jest rozwój rakiet SpaceX. W ciągu kilku lub kilkunastu lat mogą one pozwolić na przeprowadzenie kolejnej załogowej Misji Serwisowej.
W pewnym stopniu sukcesorem HST ma zostać James Webb Space Telescope, którego wystrzelenie jest planowane na 31 października 2021. Ze względu na umieszczenie w punkcie L2 zamiast na orbicie Ziemi ma on jednak być niemożliwy do serwisowania, a co za tym idzie, planowany czas misji jest zauważalnie krótszy. Jednocześnie pochodzące z niego obserwacje mają być znacznie lepszej jakości, między innymi dzięki zastosowaniu nowej generacji lustra o średnicy aż 6,5 metra.
Działający od 1990 roku Kosmiczny Teleskop Hubble’a to przełomowy instrument badawczy, który otworzył przed astronomami nowe możliwości badania kosmosu w zakresie ultrafioletu, fal widzialnych i podczerwieni. Zarejestrowane z jego pomocą zdjęcia, spektra emisyjne i inne dane pozwoliły bezpośrednio zbadać właściwości licznych ciał niebieskich, ale też stanowiły podstawę wielu badań nad czarnymi dziurami, wiekiem Wszechświata czy cyklem życia gwiazd.
Oprócz badań naukowych istnieją również liczne opracowania popularnonaukowe opisujące teleskop Hubble’a. Film na jego temat w cyklu Astronarium wyprodukowała Telewizja Polska, a szereg krótszych prezentacji dotyczących poszczególnych aspektów działania HST dostępny jest także poprzez stronę internetową NASA. Tego typu opracowania dają doskonały pogląd na aspekty techniczne i naukowe znaczenie Kosmicznego Teleskopu Hubble’a.
