КРАСОТА ДАЛЕКОГО КОСМОСА: 25 ЛЕТ «ХАББЛУ» Телескоп «Хаббл» отправился на орбиту Земли ровно 25 лет назад

Космический телескоп "Хаббл" на орбите. Фото: NASA

Орбитальная обсерватория «Хаббл» отмечает 25-летний юбилей. В течение «жизни» «Хаббл» фотографировал экзопланеты и галактики, его чинили пять раз — прямо на орбите, а по результатам его наблюдений астрономы опубликовали свыше 12 тысяч научных статей.

Массив переданной «Хабблом» информации превышает сто терабайт и продолжает расти со скоростью около 10 Тб в год. К телескопу пять раз посылали шаттлы для ремонта и модернизации оборудования — он стал единственным беспилотным объектом, который удостоился такого внимания. С его помощью были сфотографированы экзопланеты, получены снимки самых далеких галактик и последствий столкновения Юпитера с кометой Шумейкер-Леви 9. По результатам наблюдений с его помощью астрономы опубликовали свыше 12 тысяч научных статей, что позволяет назвать «Хаббл» едва ли не самым результативным научным прибором в истории человечества.

Однако когда телескоп только вывели на орбиту, многие воспринимали его не как величайшее достижение науки, а как провальный проект.

Телескоп «Хаббл» выгружают из грузового отсека шаттла «Дискавери». Фото: NASA/IMAX

До запуска: как пришли к идее и как ее реализовали

Получить телескоп на околоземной орбите ученые хотели еще до того, как был запущен первый спутник. Проведенные еще в 1940-х годах расчеты свидетельствовали, что вынесенный за пределы атмосферы прибор даст более четкое изображение, чем наземные инструменты. В космосе нет ни облаков, ни засветки от городов, ни пыли, ни воздуха. Воздух задерживает значительную часть инфракрасного излучения и ультрафиолета, а для рентгеновского и гамма-излучения атмосфера вообще подобна кирпичной стене.

Первые телескопы, запущенные в космос, были рассчитаны на наблюдения в тех самых невидимых глазу лучах, которые атмосфера не пропускает. Телескопы Stargazer (1968, NASA) и «Орион» (1971, СССР) были ультрафиолетовыми, Uhuru (1970, NASA) — рентгеновским. Выводить сразу оптический, работающий в видимом свете, телескоп поначалу большого смысла не было, но как только технологии доросли до больших спутников и орбитальных станций, ситуация поменялась.

Четкость изображения, или, как говорят физики, разрешающая способность (возможность различить две очень близкие точки) зависит от размера зеркала, и к тому же большое зеркало собирает больше света от очень слабых звезд, поэтому до определенного предела большой телескоп внизу лучше маленького в космосе. Когда стало возможным отправить на орбиту телескоп с зеркалом свыше полутора метров, выигрыш за счет отсутствия атмосферных помех сыграл свою критическую роль, и инженеры приступили к проектированию большой орбитальной обсерватории. 

Слово «обсерватория» отражает то, что «Хаббл» состоит не только из телескопа и цифровой камеры. На его борту есть несколько спектрометров, приборов для получения спектра астрономических объектов и анализа их излучения, а камер — две, для «широкоугольной» и для съемки особо тусклых объектов. Кавычки над «широкоугольной» не случайны: любой земной фотограф вряд ли употребит это прилагательное для инструмента с полем зрения немногим более одной угловой минуты! Для сравнения: применяемый при съемке дикой природы с больших расстояний сверхдлиннофокусный 600-мм объектив имеет поле зрения около трех с половиной градусов, а в одном градусе — 60 угловых минут.

Фото: Sabphoto/shutterstock

Если продолжить сравнивать телескоп с фотоаппаратами, то выяснится еще одна интересная деталь. Первая камера орбитальной обсерватории имела две матрицы 800х800 пикселей, то есть суммарно 1,28 мегапикселя. Это меньше современных телефонов, но астрономическая матрица имела значительно меньший уровень шума и снимала фактически в полной темноте.
Обсерваторию в общих деталях спроектировали в первой половине 1970-х годов, но в 1974 году проект перестали финансировать вместе со значительной частью космических программ — США выиграли лунную гонку, и правительство решило, что тратить на космос порядка четырех процентов валового национального продукта смысла не имеет. Лишь к 1978 году ученые убедили политиков в необходимости орбитального телескопа и работа продолжилась. По плану 1978 года инструмент, еще не получивший названия, должен был полететь на орбиту в 1983 году. 

Однако уже в 1981 году на этапе полировки главного зеркала стало ясно, что проект выбивается из сроков и бюджета. Сроки запуска сначала сдвинулись на 1984-й, потом на 1985-й, а затем и на 1986 год. В 1986 году все было почти готово и срок «октябрь» казался вполне реалистичным, но катастрофа шаттла Challenger поставила крест на этих планах. Полеты шаттлов прекратились до 1988 года, и в итоге готовый телескоп пришлось продержать на Земле несколько лет перед запуском. Впрочем, за это время инженеры заменили его аккумуляторные батареи на более надежные и дописали необходимое для управления «Хабблом» программное обеспечение.

NASA также привлекло финансирование со стороны Европейского космического агентства и в обмен предоставило 15% всего наблюдательного времени европейским коллегам. 

После запуска: обнаружение и исправление дефекта
Первые же снимки разочаровали ученых. Да, они были лучше, чем с наземных телескопов, но до обещанной расчетами четкости изображения было далеко. Стало ясно, что с оптической системой инструмента что-то не так, и орбитальную обсерваторию в СМИ охарактеризовали как один из самых провальных дорогостоящих проектов.

Расследование показало, что инструмент, которым проверяли форму зеркала — она должна соблюдаться с точностью до 10 нанометров, был собран неправильно, одну из линз в нем установили со сдвигом относительно необходимого положения. Когда зеркало шлифовали, на заводе использовали два одинаковых стандартных прибора для независимых проверок, но для контроля во время окончательной полировки инженерам уже не хватало точности обычного оборудования и специально для зеркала «Хаббла» сделали уникальный прибор. Его просто нечем было поверить, и поэтому все измерения показывали, что с зеркалом все в порядке.

Изображение галактики М100 до и после установки корректирующей оптики. Фото: NASA

Поменять зеркало было невозможно, но инженеры смогли найти решение. Они определили то, каким именно образом произошло отклонение зеркала от правильной формы, и изготовили набор из двух зеркал, которые скомпенсировали искажения: эти «очки» поставили на телескоп в 1993 году, прилетев к нему на шаттле «Индевор».

Вид на телескоп с приближающегося к нему шаттла. Фото: NASA, 1993

Ремонтные работы
Ремонтировать телескоп пришлось еще несколько раз — в 1990-х и 2000-х США располагали кораблями многоразового использования, шаттлами, и могли добраться до орбитальной обсерватории. Шаттл захватывал телескоп манипулятором, из его грузового отсека выгружали необходимые запчасти, и астронавты проводили ремонт и обслуживание инструмента.

Во время второго полета в 1997 году телескопу поменяли два спектрометра, починили поврежденную теплоизоляцию и сменили устаревший накопитель на магнитной ленте на более эффективное устройство на основе микросхем. До этого телескоп записывал все данные перед передачей на Землю на магнитную ленту, как в магнитофоне.

Бортовой компьютер DF-224 «Хаббла». Фото: NASA

В ходе третьей экспедиции в 1999-м был заменен бортовой компьютер и вышедшие из строя гироскопы — устройства, представляющие собой вращающиеся маховики в специальном, позволяющем поворачиваться по всем трем осям подвесе. Когда эти маховики ускоряют или замедляют вращение, весь телескоп в строгом соответствии с законом сохранения импульса начинает вращаться сам. Гироскопы позволяют очень точно навести инструмент на интересующий объект, хотя у «Хаббла» и есть своя слепая зона: телескоп блокирует попытки развернуть его в сторону Солнца и неба по соседству.

Четвертая (но названная 3B, так как стала логическим продолжением предыдущей) экспедиция в 2002 году установила новую камеру, поменяла солнечные батареи и систему охлаждения. Миссия 3B оказалась примечательна тем, что заменила последний из оригинальных научных приборов.

Астронавт Эндрю Фейстель (Andrew Feustel) переносит ящик с корректирующей оптической системой. Потом ее выставят на Земле в музее. Фото: NASA

Пятый, последний, полет к «Хабблу» был запланирован на 2004 год, но тут снова помешала катастрофа: шаттл «Колумбия» в 2003 году сгорел в атмосфере. Погибли все семеро членов экипажа, и NASA решило отменить экспедицию к орбитальному телескопу. Без обслуживания «Хаббл» не имел шансов проработать до наших дней, и астрономы остались бы без большого орбитального телескопа вплоть до запуска «Джеймса Вебба» в 2018 году. NASA столкнулось с многочисленными протестами ученых и в 2006 пересмотрело свое решение. А в 2009 шаттл «Атлантис» доставил астронавтов к телескопу для его модернизации и обслуживания.

Телескоп «Хаббл», захваченный шаттлом «Атлантис». Фото: NASA

На телескопе в третий раз поменяли камеру, причем эта замена прошла далеко не так гладко, как предполагалось. Болты, крепившие камеру к корпусу телескопа, за 15 лет прикипели и не поддались гаечному ключу — встроенный в инструмент ограничитель срабатывал раньше, чем проворачивался болт. Астронавту Эндрю Фейстелю передали через воздушный шлюз рассчитанный на большее усилие ключ, но и он оказался бесполезен. После переговоров с Землей с ключей сняли ограничители и открутили болты грубой физической силой, решив, что сломанный болт хуже ситуацию уже не сделает, а везти назад новую камеру стоимостью в десятки миллионов долларов как-то обидно.

Поскольку полеты шаттлов прекращены, шестой миссии по ремонту уже не планируется. Вероятно, телескоп проработает еще несколько лет. 25-летний опыт показал, что самой ненадежной частью являются гироскопы, но во время последней сервисной миссии их поменяли на новую, усовершенствованную модель. Если гироскопы, камеры, спектрографы и все дополнительное оборудование продолжит функционировать, то «Хаббл» может продержаться вплоть до 2030-х годов, когда его орбита снизится настолько, что инструмент войдет в атмосферу. Предполагается, что к этому времени к телескопу отправят специальный космический аппарат, который позволит столкнуть его на Землю в том месте, где обломки не причинят никому вреда, однако конкретных планов по завершению работы «Хаббла» пока нет.

Что было открыто
«Хаббл» дает более качественное изображение, чем наземные телескопы. Это значит, что картинка получается более четкой и можно рассмотреть объекты небольшого по астрономическим меркам размера (например, планеты вблизи других звезд). А еще это значит, что телескоп позволяет увидеть более тусклые объекты, свет которых просто не пробивается через атмосферу Земли, — в первую очередь, далекие галактики. 

Всего при помощи орбитальной обсерватории астрономы обозрели более 250 тысяч галактик. Фото: NASA

Именно «Хаббл» позволил наблюдать галактики, свет от которых шел до нас свыше 13 млрд лет. Открытие самых далеких галактик позволило определить то, когда рассеянная по Вселенной после Большого взрыва материя сформировала первые звезды, а детальное изучение спектров удаленных галактик позволило с ранее недоступной точностью узнать скорость расширения Вселенной. 

Протопланетный диск в туманности Ориона. Фото: C.R. O'Dell/Rice University; NASA

Кроме того, «Хаббл» дал возможность разглядеть протопланетные диски — скопления пыли и газа вблизи формирующихся звезд. Именно из таких дисков потом образуются планетные системы. 

В нашей Солнечной системе телескоп помог открыть ранее неизвестные спутники Плутона, а также увидеть в деталях последствия падения на Юпитер кометы Шумейкер-Леви 9 в 1994 году. В 2009 «Хаббл» также смог заснять след от падения на Юпитер небольшого астероида — вспышку увидел вначале астроном-любитель, а потом ученые оперативно навели на планету орбитальный телескоп.

След от падения кометы на Юпитер. Фото: NASA

Также «Хаббл» использовался для наблюдений полярных сияний вблизи Ганимеда, спутника Юпитера, и по этим сияниям астрофизики смогли сделать вывод о подледном океане Ганимеда: полярные сияния возникают при взаимодействии солнечных частиц с магнитосферой, а магнитное поле возникает в том числе при циркуляции соленой воды. 

Более полная подборка снимков «Хаббла» и их научное значение — в нашей галерее. А мы в завершение скажем, что с 1991 по 1997 год NASA выделяло небольшую долю времени астрономам-любителям, которые могли воспользоваться лучшим в мире телескопом для своих целей. После сокращения бюджета эту программу свернули, но по сей день любой ученый в мире может подать заявку на проведение наблюдений (правда, не работающим в академических институтах США придется заплатить). Конкуренция за доступ к «Хабблу» столь велика, что лишь один проект из пяти поданных заявок получает желаемое время.