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):

	Отсек 1	Отсек 2	Отсек 3	Отсек 4	Отсек 5
Запуск телескопа (1990)	Широкоугольная и планетарная камера			Спектрограф тусклых объектов	Высокоскоростной фотометр
Первая экспедиция (1993)		Спектрограф высокого разрешения Годдарда	Камера съёмки тусклых объектов	Спектрограф тусклых объектов	Система COSTAR
Вторая экспедиция (1993)	Широкоугольная и планетарная камера - 2		Камера съёмки тусклых объектов		Система COSTAR
Третья экспедиция (B) (2002)	Широкоугольная и планетарная камера - 2	Регистрирующий спектрограф космического телескопа		Камерa и мульти-объектный спектрометр ближнего инфракрасного диапазона	Система COSTAR
Четвертая экспедиция (2009)	Широкоугольная и планетарная камера - 3	Регистрирующий спектрограф космического телескопа	Усовершенствованная обзорная камера	Камерa и мульти-объектный спектрометр ближнего инфракрасного диапазона	Ультрафиолетовый спектрограф

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
19. NASA Announces New Target Launch Dates, Status News Conference (англ.) . НАСА (24 сентября 2008). Проверено 22 октября 2008.
20. (англ.) . НАСА
21. Краткая информация о четвёртой экспедиции (англ.) . НАСА (24 сентября 2008). Проверено 30 мая 2009.
22. STSCi newsletter. V. 20. Issue 2. Spring 2003
23. Benn C. R., Sánchez S. F. (2001) Scientific Impact of Large Telescopes // Publications of the Astronomical Society of the Pacific. V. 113. P. 385

С момента начала работы выросло уже целое поколение людей, которое принимает «Хаббл» за должное, поэтому легко забыть, насколько революционным был этот аппарат. На данный момент он всё ещё работает, возможно, он продержится ещё лет пять. В неделю телескоп передаёт примерно 120 гигабайтов научных данных, за время функционирования снимков набралось на более 10 тысяч научных статей.

Последователем «Хаббла» станет космический телескоп имени Джеймса Уэбба. Проект последнего испытывает значительные превышения бюджета и срывы сроков на более, чем 5 лет. С «Хабблом» всё происходило точно так же, даже хуже - накладывались проблемы с финансированием и катастрофа «Челленджера» , а позже - «Колумбии ». В 1972 году считалось , что программа будет стоить 300 миллионов долларов (с учётом инфляции это примерно 590 млн). К тому моменту, когда телескоп наконец достиг стартовой площадки, цена увеличилась в несколько раз до примерно 2,5 млрд долларов. К 2006 году было подсчитано , что «Хаббл» обошёлся в 9 миллиардов (10,75 млрд с инфляцией), плюс пять космических полётов космических челноков для обслуживания и починки, каждый запуск которых обходился в приблизительно 500 млн.

Основная деталь телескопа - это зеркало диаметром 2,4 метра. Вообще, планировался телескоп с диаметром зеркала 3 метра, и запускать его хотели в 1979 году. Но в 1974 программу вычеркнули из бюджета, и только благодаря лоббированию астрономам удалось получить сумму в два раза меньше изначально запрашиваемой. Поэтому и пришлось поумерить пыл и уменьшить размах будущего проекта.

Оптически «Хаббл» - это реализация распространённой среди научных телескопов системы Ричи - Кретьена с двумя зеркалами. Она позволяет получить хороший угол обзора и отличное качество изображения, но зеркала имеют трудную для изготовления и тестирования форму. Оптические системы и зеркало должны быть изготовлены с минимальными допусками. Зеркала обычных телескопов полируются до допуска в примерно десятую часть длины видимого света, но «Хаббл» должен был производить наблюдения в том числе ультрафиолета, света с более короткими волнами. Поэтому зеркало полировалось с допуском в 10 нанометров, 1 / 65 длины волны красного света. Кстати, зеркала подогреваются до температуры 15 градусов, что ограничивает производительность в инфракрасном диапазоне - другом пределе видимого спектра.

Одно зеркало изготовила компания «Кодак», другое - корпорация Itek. Первое находится в Национальном музее авиации и космонавтики, второе используется в обсерватории Магдалена-Ридж. Это были запасные зеркала, а то, что стоит в «Хаббле» было произведено компанией «Перкин-Элмер» с использованием сложнейших станков с ЧПУ, которые и привели к очередному срыву сроков. Работа над полировкой заготовки от Corning (той самой, что делает Gorilla Glass) началась только в 1979 году. Условия микрогравитации симулировались с помощью размещения зеркала на 130 стержнях, сила поддержки которых варьировалась. Процесс продолжался до мая 1981 года. Стекло промыли 9100 литрами горячей деминерализованной воды и нанесли два слоя: 65-нанометровый отражающий слой алюминия и 25-нанометровый защитного фторида магния.

А сроки запуска продолжали отодвигаться: сначала до октября 1984 года, после до апреля 1985, до марта 1986, до сентября. Каждый квартал работы «Перкин-Элмер» приводил к сдвигу сроков на месяц, в какие-то моменты каждый день работы отодвигал запуск на день. Графики работ компании не удовлетворяли НАСА своей расплывачатостью и неопределённостью. Стоимость проекта уже выросла до 1175 млн долларов.

Корпус аппарата был другой головной болью, он должен был быть в состоянии выдерживать как прямое воздействие солнечных лучей, так и темноту тени Земли. А эти скачки температур грозили точным системам научного телескопа. Стенки «Хаббла» состоят из нескольких слоёв теплоизоляции, которые окружены лёгкой алюминиевой оболочкой. Внутри оборудование размещено в графитоэпоксидном каркасе. Чтобы избежать впитывания воды гигроскопичными соединениями графита и попадания льда в приборы, внутрь до запуска закачивали азот. Хотя изготовление космического аппарата шло куда стабильней, чем оптических систем телескопа, организационные проблемы были и здесь. К лету 1985 года корпорация «Локхид», работавшая над аппаратом, вышла на 30 % за рамки бюджета и на три месяца за расписание.

У «Хаббла» при запуске было пять научных инструментов, и позднее все они были заменены при техническом обслуживании на орбите. Широкоугольная и планетарная камеры выполняли оптические наблюдения. У прибора было 48 фильтров спектральных линий для выделения конкретных элементов. Восемь ПЗС-матриц разделялись между двумя камерами, по четыре на каждую. Каждая матрица имела разрешение 0,64 мегапикселя. Широкоугольная камера обладала большим углом обзора, в то время как планетарная имела большее фокусное расстояние и, следовательно, давала большее увеличение.

Спектрограф высокого разрешения, созданный Центром космических полётов Годдарда, работал в ультрафиолетовом диапазоне. Также в УФ наблюдали камера съёмки тусклых объектов, разработанная Европейским космическим агентством, и спектрограф тусклых объектов от Калифорнийского университета и корпорации «Мартин Мариэтта». Висконсинский университет в Мадисоне создал высокоскоростной фотометр для наблюдения видимого света и ультрафиолетового диапазона излучения звёзд и других астрономических объектов с изменяющейся яркостью. Он мог производить до 100 тысяч измерений в секунду с фотометрической точностью в 2 % или лучше. Наконец, в качестве научного инструмента можно было использовать датчики наведения телескопа, они позволяли проводить очень точную астрометрию.

На Земле исследованиями «Хаббла» управляет специально созданный в 1981 году Институт исследований космоса с помощью космического телескопа. Его формирование произошло не без боя: НАСА хотело собственноручно управлять аппаратом, но научное сообщество не было согласно.

Орбита «Хаббла» была выбрана таким образом, чтобы к телескопу можно было подлетать и выполнять технические обслуживание. Пол-орбиты наблюдениям мешает Земля, на пути не должны находиться Солнце, Луна, также научному процессу мешает Бразильская магнитная аномалия, при пролёте над которой резко возрастает уровень радиации. Хаббл находится на высоте 569 километров, наклонение его орбиты - 28,5°. Из-за наличия верхних слоёв атмосферы позиция телескопа может непредсказуемо меняться, поэтому точно предсказать положение на продолжительные периоды времени невозможно. Распорядок работы обычно утверждается только за несколько дней до начала, поскольку неясно, можно ли будет к тому моменту наблюдать нужный объект.

К началу 1986 года начал вырисовываться запуск в октябре, но катастрофа «Челленджера» сдвинула все сроки. Космический челнок - подобный тому, который должен был доставить уникальный телескоп стоимостью в миллиард на орбиту - взорвался в безоблачном небе на 73 секунде полёта, унеся жизни семи человек. До 1988 года весь флот шаттлов стоял на приколе, пока проводилось расследование произошедшего. Кстати, ожидание тоже обходилось дорого: «Хаббл» держали в чистом помещении в залитом азотом состоянии. Каждый месяц стоил примерно 6 миллионов долларов. Время не терялось зря, в аппарате поменяли ненадёжную батарею и сделали несколько других улучшений. В 1986 году не было программной начинки наземных систем управления, и к запуску в 1990 софт был едва готов.

24 апреля 1990 года, 25 лет назад, с превышением бюджета в несколько раз телескоп был наконец-то запущен к своей орбите. Но на этом трудности только начались.

STS-31, телескоп покидает грузовой отсек челнока «Дискавери»

Уже через несколько недель стало ясно, что оптическая система имеет серьёзный дефект. Да, первые изображения были чётче, чем с наземных телескопов, но «Хаббл» не смог достичь своих заявленных характестик. Точечные источники выглядели как окружности размером с 1 угловую секунду вместо кружка в 0,1 угловой секунды. Как оказалось, НАСА не зря беспокоилось о компетентности «Перкин-Элмер» - зеркало имело отклонение формы по краям на примерно 2200 нанометров. Дефект был катастрофическим, поскольку приводил к сильной сферической аберрации, то есть свет, отражённый от краёв зеркала, фокусировался в точке, отличной от той, в которой фокусировался свет, отражённый от центра. Из-за этого не сильно пострадала спектроскопия, но наблюдение тусклых объектов было затруднено, что ставило крест на большинстве космологических программ.

Несмотря на то, что он производил некоторые наблюдения, возможные благодаря сложным техникам обработки изображений на Земле, «Хаббл» считался проваленным проектом, а репутация НАСА была серьёзно подмочена. Над телескопом начали шутить, к примеру, в фильме «Голый пистолет 2½: Запах страха» космический аппарат сравнивают с «Титаником», автомобилем провалившейся марки Edsel и наиболее известным падением дирижабля - аварией «Гинденбурга ».

Чёрно-белая фотография телескопа присутствует на одной из картин

Считается, что причиной дефекта стала ошибка во время монтажа главного нуль-корректора, устройства, которое помогает достичь нужного параметра кривизны поверхности. Одна из линз прибора был сдвинута на 1,3 миллиметра. Во время работы специалисты «Перкин-Элмер» анализировали поверхность с помощью двух нуль-корректоров, затем для финальной стадии использовался специальный нуль-корректор, созданный для очень строгих допусков. В итоге зеркало получилось очень точным, но имело не ту форму. Позже ошибка была обнаружена - два обычных нуль-корректора говорили о наличии сферической аберрации, но компания предпочла проигнорировать их измерения. «Перкин-Элмер» и НАСА начали выяснять отношения. В американском космическом агентстве считали, что компания не следила за процессом изготовления должным образом и не использовала в процессе изготовления и контроля качества своих лучших работников. Впрочем, было ясно, что часть вины лежала и на НАСА.

Хорошей новостью являлось то, что конструкция телескопа предполагала техническое обслуживание - первое уже в 1993 году, поэтому были начаты поиски решения проблемы. На Земле было резервное зеркало от «Кодака», но поменять его на орбите было невозможно, а спускать аппарат на шаттле было бы слишком дорого и долго. Зеркало изготовили точно, но оно имело не ту форму, поэтому было предложено добавить новые оптические компоненты, компенсирующие ошибку. Путём анализа точечных источников света было определено, что коническая постоянная зеркала составляла −1,01390±0,0002 вместо необходимой −1,00230. Та же цифра была получена с помощью обработки данных ошибки нуль-корректора «Перкин-Элмер» и анализа интерферограмм тестирования.

В ПЗС-матрицы второй версии широкоугольной и планетарной камер добавили коррекцию ошибки, но для других инструментов сделать подобное было невозможно. Для них требовалось другое внешнее устройство оптической коррекции, которое получило название Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement (COSTAR). Грубо говоря, для телескопа сделали очки. Места для COSTAR не хватало, поэтому пришлось отказаться от высокоскоростного фотометра.

В декабре 1993 года был проведён первый полёт по техническому обслуживанию. Первая миссия была самой важной. Всего их было проведено пять, во время каждой космический челнок сближался с телескопом, затем с помощью манипулятора производилась замена инструментов и отказавших устройств. За одну-две недели проводилось несколько выходов в открытый космос, а после орбиту телескопа корректировали - он постоянно опускался из-за воздействия верхних слоёв атмосферы. Таким образом было возможным обновлять оборудование стареющего «Хаббла» до наиболее современного.

Первая операция по техническому обслуживанию проводилась с «Инедевора» и продлилась 10 дней. На место высокоскоростного фотометра поставили корректировочную оптику COSTAR, первая версия широкоугольной и планетарной камер была заменена на вторую. Были заменены солнечные панели и их электроника, четыре гироскопа системы наведения телескопа, два магнитометра, бортовые компьютеры и разные электрические системы. Полёт был признан успешным.

Фотография галактики М 100 до и после установки систем коррекции

Вторая операция по техническому обслуживанию была проведена в феврале 1997 года с шаттла «Дискавери». С телескопа сняли спектрограф высокого разрешения и спектрограф тусклых объектов. Их заменили STIS (регистрирующий спектрограф космического телескопа) и NICMOS (камера и мультиобъектный спектрометр ближнего инфракрасного диапазона). NICMOS охлаждался жидким азотом для снижения шума, но в результате непредвиденного расширения деталей и повышенной скорости нагрева срок службы упал с 4,5 лет до 2. Изначально накопитель данных «Хаббла» был ленточным, его заменили на твердотельный. Также у аппарата поправили теплоизоляцию.

Полётов обслуживания было пять, но они считаются в порядке 1, 2, 3A, 3B и 4, и несмотря на близость названий, 3A и 3B не проводились сразу же один за другим, как это можно было бы предположить. Третий полёт проходил в декабре 1999 года на шаттле «Дискавери», он был вызван поломкой четырёх из шести гироскопов телескопа. Были заменены все шесть гироскопов, датчики наведения, бортовой компьютер - теперь там стоял процессор Intel 80486 частотой 25 МГц. До этого в «Хаббле» использовался DF-224 с основным процессором частотой 1,25 МГц и двумя такими же резервными, накопителем на магнитном проводе из шести банков с 8K 24-битных слов, и одновременно могло работать четыре банка.

Эту фотографию во время третьего технического обслуживания сделал Скотт Келли. Сегодня он на МКС в рамках эксперимента по изучению биологических эффектов долговременного космического полёта на организм человека.

Четвёртый (или 3B) полёт проводился на «Колумбии» в марте 2002 года. Последний оригинальный прибор - камера съёмки тусклых объектов - была заменена на усовершенствованную обзорную камеру. Во второй раз были заменены солнечные панели, новые были на 30 % мощнее. NICMOS смог продолжить функционирование благодаря установке экспериментального криоохлаждения.

С этого момента все инструменты «Хаббла» имели корректировку ошибки зеркала, и необходимость в COSTAR отпала. Но его убрали только в финальном полёте обслуживания, который произошёл после катастрофы «Колумбии». Во время следующего за хаббловским полётом челнок разрушился при возвращении на Землю - к этому привело нарушение теплозащитного слоя. Гибель семи человек отодвинула изначальную дату в феврале 2005 года на неопределённый срок. Дело в том, что теперь все полёты шаттлов должны были проводиться по орбите, позволявшей достичь Международную космическую станцию на случай непредвиденных проблем. Но ни один челнок не мог в одном полёте достичь как орбиту «Хаббла», так и МКС - не хватало топлива. Телескоп имени Джеймса Уэбба планировалось запустить только в 2018 году, что означало пустой промежуток после окончания работы «Хаббла». Многие астрономы выступили с идеей о том, что последнее техническое обслуживание стоит риска человеческих жизней.

Под давлением Конгресса в январе 2004 года администрация НАСА заявила, что решение об отмене будет пересмотрено. В августе Центр космических полётов Годдарда начал готовить предложения по полностью дистанционно управляемому полёту, но позже планы были отменены - их признали неосуществимыми. В апреле 2005 года новый администратор НАСА Майкл Гриффин допустил возможность пилотируемого полёта к «Хабблу». В октябре 2006 года намерения были окончательно подтверждены, и 11-дневный полёт был назначен на сентябрь 2008 года.

Позжё полёт отложили до мая 2009 года. С «Атлантиса» была выполнена починка STIS и усовершенствованной обзорной камеры. На «Хаббл» установили два новых никель-водородных аккумулятора, заменили датчики наведения и другие системы. Вместо COSTAR на телескоп установили ультрафиолетовый спектрограф, а также добавили систему для будущего захвата и утилизации телескопа либо с помощью пилотируемого, либо полностью автоматического запуска. Вторую версию широкоугольной камеры заменили на третью. В результате всех выполненных работ телескоп .

Телескоп позволил уточнить постоянную Хаббла , подтвердил гипотезу об изотропности Вселенной, открыл спутник Нептуна и сделал многие другие научные исследования. Но для обывателя «Хаббл» в первую очередь важен огромным количеством красочных фотографий. Некоторые технические издания полагают , что эти цвета на самом деле не существуют, но это не совсем так. Цвет является представлением в мозге человека, а картинки раскрашиваются с помощью анализа излучения различных длин волн. Электрон, переходя со второго на третий уровень структуры атома водорода, излучает свет с длиной волны 656 нанометров, и мы называем его красным. Наши глаза адаптируются к различной яркости, поэтому создать точное отражение цветов не всегда возможно. Некоторые телескопы могут фиксировать невидимые человеческому глазу спектры ультрафиолета или инфракрасного излучения, и их данные тоже нужно как-то отражать на фотографиях.

В астрономии используется формат FITS, Flexible Image Transport System . В нём все данные представлены в текстовом виде, это некий аналог формата RAW. Чтобы получить хоть что-то, нужно произвести обработку. К примеру, глаза воспринимают свет в логарифмической шкале, а файл может представлять его в линейной. Без настройки яркости картинка может казаться слишком тёмной.

До и после коррекции контраста и яркости

Большинство коммерчески доступных камер имеет группы пикселей, которые фиксируют красный, зелёный или голубой цвета, и комбинация этих точек даёт цветную фотографию. Примерно так же колбочки в глазу человека воспринимают цвет. Недостаток этого подхода вызван тем, что каждый из типов датчиков воспринимает только узкую долю света, поэтому астрономическое оборудование фиксирует большие диапазоны длин волн, а для выделения цветов применяются фильтры. В результате «сырые» данные в астрономии часто чёрно-белые.

«Хаббл» снял M 57 в цветах волн 658 нм (красный), 503 нм (зелёный) и 469 нм (голубой), Starts With A Bang!

Затем с помощью фильтров получают цветные картинки. Со знанием процесса возможно создать изображение, максимально точно соответствующее реальности, хотя часто цвета не совсем реальны, иногда это делается намеренно. Подобное называют «эффект National Geographic». В конце семидесятых аппараты программы «Вояджер» пролетали мимо Юпитера, и впервые в истории сделали снимки этой планеты. Журналы по типу National Geographic посвятили целые развороты потрясающим фотографиям, обработанным с различными цветовыми эффектами, и опубликованное не совсем соответствовало действительности.

Самая известная фотография, сделанная телескопом «Хаббл» - это «Столпы творения» от 1 апреля 1995 года. На ней зафиксировано рождение новых звёзд в Туманности Орёл и свет молодых звёзд рядом с облаками газа и пыли. Снимаемые объекты находятся в 7000 световых лет от Земли. Левая структура имеет длину примерно 4 световых года. Выступы на «столпах» крупнее нашей Солнечной системы. Зелёный цвет фотографии отвечает за водород, красный - за однократно ионизированную серу, а голубой - за дважды ионизированный кислород.

Почему же она и многие другие фотографии «Хаббла» выстроены «лесенкой»? Это связано с конфигурацией второй версии широкоугольной и планетарной камер. Позже их поменяли, и сегодня они выставляются в Национальном музее авиации и космонавтики.

Чтобы отметить 25-летие телескопа, была выполнена повторная фотография, сделанная в 2014 и опубликованная в январе этого года. Она производилась третьей версией широкоугольной камеры, что позволяет сравнить качество оборудования.

Вот ещё несколько наиболее известных фотографий телескопа «Хаббл». По возрастанию их качества легко заметить полёты технического обслуживания.

1990 год , сверхновая 1987A

1991 год , Галактика М 59

1992 год , Туманность Ориона

1993 год , Туманность Вуаль

1994 год , Галактика M 100

1996 год , Hubble Deep Field . Почти все 3000 объектов - это галактики, а запечатлена была примерно 1 / 28 000 000 небесной сферы.

1997 год , «подпись» чёрной дыры M 84

Подробно:

11 августа 2008г орбитальный телескоп Hubble завершил свой 100-тысячный оборот вокруг земного шара. Аппарат был выведен на околоземную орбиту 24 апреля 1990 г. За 18 лет с его помощью удалось сделать массу открытий, многие из которых стали настоящей революцией в астрономии. А на октябрь 2008 года запланирована сервисная миссия, которая должна продлить жизнь телескопа и улучшить его возможности.

11 мая 2009 года с космодрома на мысе Кана́верал стартовал космический челнок Атлантис с семью членами экипажа на борту. Это последняя миссия, направленная на ремонт поврежденного орбитального телескопа Хаббл. 11-дневный план полета экипажа Атлантиса включает пять выходов в открытый космос для ремонта Хаббла с использованием современных научных инструментов, специально разработанных для того, чтобы отремонтировать и усовершенствовать телескоп, продлив срок его службы ещё как минимум до 2014 года .

В апреле 2015 года легендарный телескоп, на́званый в честь Эдвина Хаббла (1889-1953), отметил свое двадцатипятилетие на околоземной орбите.

ПРОЕКТ КОСМИЧЕСКОГО ТЕЛЕСКОПА ИМЕНИ ХАББЛА

В двадцатом веке астрономы сделали много шагов в изучении вселенной. Эти шаги были бы невозможны без использования больших и сложных телескопов, расположенных на высокогорных лабораториях и управляемых большим количеством квалифицированных специалистов. С выводом на орбиту ТЕЛЕСКОПА ИМЕНИ ХАББЛА (HUBBLE SPACE TELESCOPE - HST ), астрономия сделала гигантский рывок вперед. Будучи расположенным за пределами земной атмосферы, HST может фиксировать такие объекты и явления, которые не могут быть зафиксированы приборами на земле.

Проект HST был разработан в НАСА при участии Европейского Космического Агентства (ESA). Этот телескоп-рефлектор, диаметром 2,4 м (94,5 дюйма), выводится на низкую (610 километров или 330 морских миль) орбиту с помощью американского корабля СПЕЙС ШАТТЛ (SPACE SHUTTLE ). Проект предусматривает периодическое техническое обслуживание и замену оборудования на борту телескопа. Проектный срок эксплуатации телескопа - 15 и более лет.

ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ С ПОМОЩЬЮ ТЕЛЕСКОПОВ

НАСА основало институт космических исследований с помощью телескопов (Space Telescope Science Institute - STScI) для проведения широкого спектра глобальных научных исследований с помощью телескопа имени Хаббла. STScI - большой исследовательский центр, где опытные специалисты постоянно наблюдают за работой телескопа. Эти специалисты также помогают астрономам в составлении планов наблюдений. В задачу STScI также входит предоставление астрономам необходимого программного обеспечения и технических средств для наблюдений.

Чтобы сделать наблюдения с помощью телескопа имени Хаббла как можно более эффективными, STSiC модернизировал наземные системы обслуживания наблюдений. Большая часть процесса планирования наблюдений была автоматизирована с использованием "интеллектуального" оборудования и программного обеспечения. STSiC составил каталог более 20 миллионов звезд для облегчения поиска объектов наблюдения, а также разработал пакет прикладных программ, предназначенный помочь астроному в обработке данных, получаемых с борта HST. Каждый день STSiC получает расшифровывает, обрабатывает и накапливает огромное количество информации, поступающей с борта HST, а также рассылает её своим клиентам.

STSiC подчиняется Ассоциации Университетов по Исследованиям в Области Астрономии (the Association of Universities for Research in Astronomy, Inc - AURA ). Сам институт расположен в университетском городке Хомвуд (университет имени Джона Хопкинса) в Балтиморе.

КТО ИСПОЛЬЗУЕТ ТЕЛЕСКОП ИМ. ХАББЛА?

В отличие от других научных проектов, HST не используется исключительно отдельной группой специалистов, разработавших данный телескоп, или группой астрономов из одной лаборатории или института; в принципе, любой человек может провести свое наблюдение при помощи HST.

Для проведения наблюдений с помощью HST, астроном должен прислать в STSiC запрос с изложением научного обоснования невозможности проведения данного наблюдения в земных условиях и описание предполагаемой программы наблюдений. Запрос передается в одну из комиссий при STSiC по разным разделам астрономии. Каждый год эти комиссии предоставляют ранжированные списки с предложениями по проведению наблюдений в Комитет Распределения Времени исследований с помощью телескопа (Telescope Allocation Committee - TAC ). Задача комитета - составить проект сбалансированной программы наблюдений для HST. Последнее слово в утверждении этой программы принадлежит главе STScI.

На каждом этапе рассмотрения проект оценивается по разным критериям. Какова́ научная ценность знаний, которые будут получены в результате исследований, и сколько средств и времени для этого необходимо истратить? Достигнуты ли пределы в исследовании данного объекта наземными приборами? Насколько вероятен успех исследований? Кроме чисто научных вопросов, проверяется также физическая возможность HST наблюдать данный объект/явление, временные и другие требования к телескопу и его ресурсам.

КОМПЬЮТЕРИЗИ-РОВАННЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ В КОСМИЧЕСКИЙ ВЕК

Вся наблюдения с использованием HST должны быть предварительно тщательно и точно спланированы, так как все наблюдения проводятся автоматически с помощью компьютеров на борту телескопа. После поступления всех команд на борт HST, телескоп работает в автоматическом режиме, без связи с Землей. Поиск объекта, подстройка приборов, собственно наблюдения и др. осуществляются исключительно бортовыми компьютерами. Так как HST делает один виток вокруг Земли за 95 минут, объекты наблюдения слишком быстро появляются и исчезают, чтобы можно было применить дистанционное управление с Земли без потери скорости и эффективности наблюдений. Для увеличения эффективности сеансы наблюдений из разных программ чередуются между собой. Таким образом подавляющее большинство программ требуют не один виток для своего полного завершения.

ВОЗМОЖНОСТИ ТЕЛЕСКОПА

На борту HST находятся: две камеры, два спeктро́грофа, фотометр, астрода́тчики. Вследствие того, что телескоп находится за пределами атмосферы, эти приборы позволяют:

1) Фиксировать изображения объектов с очень высоким разрешением. Наземные телескопы редко дают разрешение, больше одной угловой секунды. В любых условиях HST дает разрешение в одну десятую угловой секунды.
2) Обнаруживать объекты малой светимости. Самые большие наземные телескопы редко обнаруживают объекты слабее 25 звездной величины. HST может обнаруживать объекты 28 звездной величины, что почти в 20 раз меньше.
3) Наблюдать объекты в ультрафиолетовой части спектра. Ультрафиолетовый диапазон составляют важнейшую часть спектра горячих звезд, туманностей и других мощных источников излучения. Атмосфера Земли поглощает большую часть ультрафиолетового излучения и поэтому оно не доступно для наблюдения (HST может также наблюдать объекты в инфракрасной части спектра, однако чувствительность в этой части спектра пока мала. После установки новых приборов через несколько лет после запуска, она резко возрастет).
4) Фиксировать быстрые изменения интенсивности света, что невозможно в земных условиях из-за изменения прозрачности атмосферы в момент наблюдений.

ПРИБОРЫ И ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

HST имеет на борту зеркало Ричи-Кретиена диаметром 94,5 дюйма (2,4 м). Оптические датчики регистрируют излучение в диапазоне от 1160 Aнгстрем (ультрафиолетовое излучение) до 11000 Aнгстрем (инфракрасное излучение). Все наблюдательные приборы телескопа могут регистрировать излучение в ультрафиолетовом диапазоне. Все приборы, кроме спектрографа высокого разрешения, могут регистрировать излучение в видимой части спектра. Первичные инструменты, установленные на борту телескопа, не могут регистрировать излучение в инфракрасном диапазоне (хотя планетарная камера регистрирует излучение в диапазоне, близком к инфракрасному). Всё бортовое оборудование телескопа получает энергию от двух панелей солнечных батарей или от аккумуляторов (во время нахождения в тени́ Земли).

ЧЕГО НЕ МОЖЕТ КОСМИЧЕСКИЙ ТЕЛЕСКОП ИМЕНИ ХАББЛА

1) HST не может наблюдать объекты и явления на Земле, так как его система поиска объектов и чувствительность приборов рассчитаны только для наблюдений за космическими объектами.
2) HST не может наблюдать за Солнцем и освещенной частью Луны, так как они слишком яркие.

Специалисты, следящие за выполнением научной программы исследований, не должны допускать таких наблюдений, которые могут "ослепить" телескоп. В случае ошибки компьютера или человека, когда возникает такая угроза, HST автоматически закрывает отверстие наблюдения специальной дверкой и выключает все наблюдательные приборы. С помощью HST можно наблюдать лунные затмения, соблюдая необходимые меры предосторожности. Затмения Солнца Землей позволяют наблюдать Венеру, Меркурий и другие объекты с малым угловым расстоянием до Солнца, в течение нескольких минут. Вышеперечисленные ограничения могут не учитываться заказчиком при составлении своего проекта программы наблюдений, т.к. все они учитываются автоматически компьютером при составлении общего расписания наблюдений для HST.

Уважаемые посетители!

У вас отключена работа JavaScript . Включите пожалуйста скрипты в браузере, и вам откроется полный функционал сайта!

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.

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: 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.

Вид «Хаббла» с борта космического корабля «Атлантис» STS-125

Космический телескоп «Хаббл» (КТХ ; Hubble Space Telescope , HST ; код обсерватории «250») - на орбите вокруг , названная в честь Эдвина Хаббла. Телескоп «Хаббл» - совместный проект НАСА и Европейского космического агентства ; он входит в число Больших обсерваторий НАСА.

Размещение телескопа в космосе даёт возможность регистрировать электромагнитное излучение в диапазонах, в которых земная атмосфера непрозрачна; в первую очередь - в инфракрасном диапазоне. Благодаря отсутствию влияния атмосферы разрешающая способность телескопа в 7-10 раз больше, чем у аналогичного телескопа, расположенного на Земле.

История

Предыстория, концепции, ранние проекты

Первое упоминание концепции орбитального телескопа встречается в книге Германа Оберта «Ракета в межпланетном пространстве» (Die Rakete zu den Planetenraumen ), изданной в 1923 году.

В 1946 году американский астрофизик Лайман Спитцер опубликовал статью «Астрономические преимущества внеземной обсерватории» (Astronomical advantages of an extra-terrestrial observatory ). В статье отмечены два главных преимущества такого телескопа. Во-первых, его угловое разрешение будет ограничено лишь дифракцией, а 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 орбитального 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 .Орбитальный телескоп для исследований Солнца был запущен Великобританией в 1962 году в рамках программы «Ариэль», а в 1966 году НАСА запустило в космос первую орбитальную обсерваторию OAO-1. 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 и 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 (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 НАСА 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-астрономы 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 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 (Optical Telescope Assembly - OTA ) и датчиков точного наведения. Корпорация «Локхид» получила контракт на строительство для телескопа.

Изготовление оптической системы

Полировка главного зеркала телескопа, лаборатория компании «Перкин-Элмер», май 1979 года

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 неопробированными технологиями (зеркало, изготовленное компанией «Кодак», в настоящее время находится в экспозиции музея Смитсоновского института). Работы над основным зеркалом начались в 1979 году, для изготовления использовалось стекло со сверхнизким коэффициентом теплового 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 аппарата-носителя 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 углепластика.

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 Научный институт космического телескопа. Институт управляется Ассоциацией университетов по астрономическим исследованиям (Association of Universities for Research in Astronomy ) (AURA) и располагается в кампусе университета Джонса 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; эти функции 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, 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 28 января приостановила программу «Спейс шаттл» на несколько лет, и запуск пришлось отложить.

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

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

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