Небесний очей

Небесный глаз

Алексей Левин Прошлой навесні астрономи усього світу відсвяткували ювілей знаменитого наукового інструмента: космічному телескопу «Хаббл» виповнилося п’ятнадцять років.

Идея орбітального телескопа, судячи з усього, вперше на думку одного з батьків-засновників ракетної техніки Герману Оберту (1894−1989). У книжці «Ракети осіб у космічному просторі», що у 1923 року, Оберт запропонував поставити телескоп на искусственый супутник, які перебувають на геостаціонарної орбіти. А 1946 року американський астрофізик Лайман Спітцер (1914−1997) підготував для проекту RAND компанії Douglas Aircraft великий доповідь «Астрономічні переваги позаземної обсерваторії». У цьому воістину пророчою роботі не лише довів, значні орбітальні телескопи незмірно розширять можливості вивчення позаземних об'єктів, а й намітив розгорнуту програму цих досліджень. Доповідь Спітцера справив сильне вразити начальство проекту й авіабудівної фірми Douglas… і він негайно засекречен.

Когда космічні польоти стали реальністю, Спітцер став домагатися практичного втілення свої волелюбні ідеї. У чому з його ініціативи NASA затвердив першу програму створення автоматичних орбітальних обсерваторій, виділені на вивчення далекого космосу. У його рамках було запущено чотири супутника (успішно — усього дві, бунтівного 1968;го і 1972 року) з приладами для спостережень в ультрафіолетових і рентгенівських променях. Спітцер ж мріяв про більшому. Він розумів, що з справді революційних відкриттів астрономії необхідний потужний орбітальний телескоп, працював у оптичному діапазоні (та кількох сусідніх з ним).

В роки що дозволяє здатність найбільших земних телескопів не перевищувала однієї кутовий секунди (в оптимальних умовах — однієї половини секунди). Не дозволяли вести спостереження ні з СФ, ні з ІК променях, сильно поглощаемых і рассеиваемых атмосферою. Орбітальний телескоп у відсутності б цих обмежень, і, за розрахунками, його що дозволяє спроможність повинна становити близько однієї десятої секунди в видимому спектрі та однієї двадцятої — в ультрафіолеті. І нарешті, він дозволяв спостерігати об'єкти, нижній поріг світності що у 50 раз поступався аналогічного показника кращих земних інструментів. Спочатку в проекту космічного телескопа було дуже багато прибічників, але де вони мали високим авторитетом й уміли ним користуватись. Професор університету канадської провінції Альберта Роберт Сміт, довгий час займався історією «Хаббла», розповів звідси «Популярною механіці»: «Лайман Спітцер вмів переконувати як коллег-астрономов, а й чиновників NASA і членів Конгресу. Не дивно, що він очолив комітет із планування великого космічного телескопа, створений у 1965 року Національна академія наук США. Після чотирьох років дискусій комітет опублікував доповідь, у якому містилися дуже серйозних аргументів на користь запуску телескопа. У 1970;х Спітцер і заручилися підтримкою як американського астрономічного середовища Луцька та керівників NASA, але й законодавців і Президента США Джеральда Форда».

Успешному виконання цих планів сприяло угоди з Європейським космічним агентством, який взяв він 15% витрат. Спочатку передбачалося вивести на орбіту махину з триметровим рефлектором, але наприкінці кінців восторжествувала концепція дешевшого інструменту 240-сантиметровым дзеркалом, який можна доставити до космосу в вантажному відсіку космічного корабля багаторазового використання. Певною мірою, народження нового телескопа допомогло саме існування шатлів — NASA хотіло виправдати витрачені ними величезні гроші.

Дети шпионов

В 1977 року Конгрес США досить виділив на космічну обсерваторію $ 475 млн, після чого почалася шліфовка головного дзеркала та вироблення інших інструментів. Роботу зі складання очолила аерокосмічна корпорація Lockheed, телескоп був змонтовано їхньому заводі Саннивейле, одному з міст Силіконовій Долины.

.

Орбитальный телескоп «Хаббл» ((c)NASA фото із російського сайту hubblesite.org).

Lockheed невипадково став основним виробником «Хаббла». У 1970;80-е роки вона будувала розвідувальні супутники KH-11 (Key Hole — «замкова свердловина»). Ці тринадцатитонные апарати були справді справжніми орбітальними телескопами, але націлені вони були на глибини космосу, але в поверхню нашої планети. На борту кожного супутника перебував 230-сантиметровый рефлектор, доповнений невеликим обертовим дзеркалом, яке сканировало земну поверхню. Для реєстрації зображень вперше використовувалися фоточувствительные інтегральні схеми, дозволяють передавати на Землю оцифрованную інформацію у реальному масштабі часу. Точнісінько таку ж устрою пізніше були встановлені також на «Хаббле».

Главные дзеркала супутників-шпигунів KH-11 поставляла оптична компанія PerkinElmer, яка одержала (і буде провалила — але це пізніше) замовлення дзеркало для «Хаббла». Існував (щоправда, лише з папері) іще одна військовий предок космічного телескопа — проект пілотованої космічної станції MOL (Manned Orbiting Laboratory), що у 1960;х Пентагон збирався вивести на навколоземну орбіту для збору розвідінформації. Програма MOL не відбулася, тоді як створена під неї технологію виготовлення дзеркал космічного базування дуже пригодилась.

Два дзеркала

Оптическая система «Хаббла» є модифікацію схеми телескопа-рефлектора, запропонованої в 1672 року французьким католицьким священиком Лораном Кассегреном (1629−93), який природні науки в Шартрском коледжі. У його основі лежить комбінація із увігнутого дзеркала і соосного з нею опуклого дзеркала меншого діаметра. Головне дзеркало відкидає світлові промені на допоміжне, звідки вони повертаються, проходять через отвір в центрі основного рефлектора і фокусуються позаду нього. Використання другого дзеркала у кілька разів збільшує фокусне відстань інструменту та до того ж час робить шкіряного більш компактним (фокусне відстань «Хаббла» одно 58 м, а довжина — лише 13 м). Аналогічну бизеркальную систему в 1663 року винайшов англієць Джеймс Грегорі, але у його конструкції обидва дзеркала були вогнутыми.

В схемою Кассегрена головне дзеркало — параболоїд обертання, а допоміжне — опуклий гіперболоїд. На початку століття століття американський астроном Джордж Рітчі і француз Анрі Кретьєн показали, і що якість зображення поліпшиться, якщо обидва дзеркала зробити гиперболическими. Ця конструкція і реалізована в космічному телескопі «Хаббл». До речі, саме Рітчі сконструював та побудував телескоп імені Хукера, у якому працював Едвін Хаббл.

Долгострой

Согласно з початковими планами, першим у світі орбітальний телескоп мав бути зданий в лад у 1983 року. Однак у визначений термін його не не вивели на орбіту, і навіть не побудували. Запуск замінили на церемонію хрещення — тоді телескопу присвоїли ім'я Едвіна Хаббла. NASA при цьому довелося неодноразово в Конгресу додаткових асигнувань на завершення проекту. У кінцевому підсумку, розробка, виготовлення і запуск «Хаббла» уникнули малого у два млрд.

«Хаббл» мав усі шанси вирушити у космос в 1986 року, але старт відклали через катастрофи «Челлінджера». Тому розібраний телескоп пролежав заводу в Саннивейле ще 3 роки. У 1989 року сховану в контейнер одиннадцатитонную обсерваторію перевезли на авіабазу Моффет Филд, повантажили на військово-транспортний літак С-5А й під покровом таємності доставили на мис Канаверал. 29 березня 1990 роки її розмістили у вантажному відсіку корабля «Дискавері», який пішов у космос 24 квітня. Наступного дня, на чотирнадцятому витку шатлу, астронавти відправили обсерваторію у вільний політ. 20 травня «Хаббл» передав на Землю перший знімок космічного об'єкта NGC 3532 — дрібного зоряного скупчення з нашого Галактики, отстоящего від поверхні Сонця на 1300 світлових лет.

Об цій події NASA повідомило з великою помпою, хоча насправді радіти було зарано. Космічні картинки були досить різкими, та фахівцям ніяк не вдавалося збільшити їх чіткість. Спочатку цю інформацію приховували від публіки, але 27 червня керівництво NASA піддало її гласності на прес-конференції. Про конфуз негайно й з чималим єхидством заговорила світова преса. Дорогий проект, від якої чекали великих астрономічних відкриттів, погрожував обернутися повним провалом.

Причиной несправності виявився дефект шліфовки головного дзеркала. Його центральна зона приблизно відповідала заданої гіперболічної геометрії, проте, попри периферії воно було трохи менше ввігнутим, ніж вимагалося. Сама собою ця похибка була незначною (менше двох мкм), але цього вистачило для виникнення значної сферичної аберрации.

Скупой платить дважды

Виноватых виявили швидко. Виявилося, що техніки PerkinElmer контролювали точність шліфовки лазерним інтерферометром з неправильно встановленими лінзами. Несправний прилад завищив кривизну дзеркала, та її перешлифовали, зробивши надто пласким. Цікаво, що PerkinElmer отримала запрошення від NASA контракт на виготовлення дзеркала насамперед тому, що запросила на $ 30 млн менше, ніж її основний конкурент, компанія Kodak, включившая до вартості проекту додатковий всебічний контроль якості рефлектора. Начальство NASA клюнуло дешевиною, але заплатити було набагато більше — PerkinElmer у результаті стребовала з федеральної скарбниці $ 450 млн (в 6 разів більше початкової вартості контракта!).

Малоприятные наслідки дефекту шліфовки основного дзеркала можна до певної міри нейтралізувати з допомогою зниження світлочутливість телескопа. І тому в електронні фотокамери телескопа слід було посилати тільки світло, відбитий центру дзеркала, й удосконалювати оцифровані зображення з допомогою коригувальних комп’ютерних програм, але втрачалося більш 80% котрий пройшов апертуру світла. Це зводило нанівець основне гідність космічного телескопа — здатність фотографувати дуже тьмяні космічні об'єкти, і якість знімків із «Хаббла» було не набагато найкращим, ніж в найбільших земних телескопов.

Закон Хаббла

Эдвин Пауелл Хаббл (1899−1953) народилася у містечку Маршфилд у штаті Міссурі. У 21 рік він закінчив Чиказький університет зі ступенем бакалавра з математики й астрономії і невдовзі одержав стипендію Родса продовжити освіти там. По наполяганню батька Хаббл вивчав право в Оксфордському університеті, і, після повернення США, навіть присвятив рік адвокатської практиці, проте природна схильність до наукових досліджень взяла своє. У 1914 року надійшов аспірантуру при Йеркской обсерваторії, через 3 роки захистився і був запрошений працювати у каліфорнійську обсерваторію Маунт-Вилсон. Проте США вступив у війну з Німеччиною, й молодий астроном пішов добровольцем до армії. У 19-му році він демобілізувався у званні майора та повернувся в Калифорнию.

Обсерватория Маунт-Вилсон мала парою найсучасніших дзеркальних телескопів. 150-сантиметровый рефлектор був у дію у 1908 року, а 1917;му було завершено спорудження 250-сантиметрового телескопа імені Хукера, який до 1948 року залишався найбільшим у світі. Ці інструменти вперше надали астрономам змогу докладно досліджувати далекий і наддальній космос.

В початку 1920;х Харлоу Шепли з допомогою півтораметрового рефлектора визначив розміри нашої галактики — Чумацького Шляху (оцінила це значення в 300 тисяч світлових років, хоча такої нині вважається вірним значення 90 тисяч) довів, що наше Сонце розміщено далеке від її центру. Коперник позбавив Землю статусу центру світобудови, віддавши його Сонцю; Шепли вчинив те ж із відношення до нашому світила. Хаббл зробив черговий революційний прорив, довівши, що наша галактика — лише одне з багатьох. У 1923;24 роках, проводячи дослідження з допомогою 250-сантиметрового телескопа, він обчислив відстань до туманності Андромеди — 900 тисяч світлових років (пізніше було доведено, що він у дві з половиною рази більше). Навіть використовуючи оцінку Шепли діаметра нашої галактики, не можна було не зрозуміти, що Андромеда і Чумацький Шлях — рівноправні зоряні скупчення. Невдовзі Хаббл ідентифікував ще самостійні галактики — M33 і NGC 6822. Тим самим було підтвердилася гіпотеза — про існуванні позагалактичних «зоряних островів», висунута в 1775 року Иммануилом Кантом. До Хаббла до аналогічним висновків дійшли американець Ебер Кёртис і швед Батіг Лундмарк, проте їх аргументи були настільки переконливі. У 1925 року Хаббл і Шепли з’ясували, що Чумацький Шлях і туманність Андромеди належать до скупчення галактик, названого Місцевій Группой.

Но своє Головне відкриття Хаббл зробив у 1929 року. Він довів, що галактики розбігаються на усіх напрямах, причому їхнє розльоту пропорційна відстані до Сонячної системи. Це твердження становить знаменитий закон Хаббла. Сьогодні знаємо, що розліт галактик свідчить про розширення Всесвіту, але це інтерпретація, з якою Хаббл на все життя не примирився, стала загальноприйнятої лише у другій половині ХХ століття після появи теорії Великого Вибуху. Закон Хаббла справедливо вважається найбільшим досягненням астрономії ХХ століття. Отож годі дивуватися, що ім'я цього вченого присвоїли першому многоцелевому орбітальному телескопу.

Очки для телескопа

Но фахівці знайшли виходу. «Хаббл» ніс п’ять астрономічних приладів: широкоугольную фотокамеру, здатну здійснювати оглядові зйомки і у режимі спостереження планет, камеру для зйомки тьмяних об'єктів, два спектрографа і високошвидкісної фотометр. Експерти рекомендували замінити основну фотокамеру на аналогічну модель з модифікованої оптикою, що виправлятиме сферичну аберацію. У тих самих цілях було вирішено оснастити «Хаббл» дзеркальним оптичним перетворювачем COSTAR, що дозволяє поліпшити роботу спектрографов і камери для зйомки слабосветящихся об'єктів. На його розміщення знадобилося прибрати фотометр, але іншого виходу усе одно не было.

Новую апаратуру потрібно було виготовити і отъюстировать, але це вимагало часу. Понад те, її могли встановити лише инженеры-астронавты, а й у трьох шатлів і так вистачало роботи. Тому сьогодні ще понад три роки «Хаббл» працював у нештатном режиме.

К грудня 1993 року в телескопа почали «барахлити» сонячні панелі і відмовили два банку електронної пам’яті і трьох гироскопа системи орієнтації. Тому ремонт зовсім на обмежився заміною астрономічної апаратури. Роботи, виконані екіпажем космічного корабля «Индевер», зайняли загалом 35 годин, але зате після цього «Хаббл» вперше «прозрел».

Пізніше «Хаббл» модернізували ще тричі — в 1997;му, 1999;му та 2002 роках. Він здобув нові спектроскопы, гіроскопи і запам’ятовуючі пристрої, потужніший бортовий комп’ютер, і навіть надсучасну камеру для оглядових зйомок, що дозволить вести спостереження спектральному діапазоні від ближньої інфрачервоної зони до ультрафиолета.

Долгая вахта

Еще кілька років тому я фахівці припускали, що «Хаббл» нормально прослужить до 2010 року. Але у серпні 2004 року через несправностей у системі харчування відмовив спектрограф. Плановий техобслуговування намічалося провести в лютому 2005 року, проте доставити ремонтну бригаду до телескопу нічим: після загибелі «Колумбії» (1 лютого 2003 року) все запуски шатлів були отменены.

Існує ще серйозніша проблема. «Хаббл» орієнтується у просторі з допомогою гіроскопів, які, на жаль, не вічні. Телескоп стабілізували три «дзиги», проте до кращого збереження один їх 28 серпня 2005 року було переведено до пасивний режим. Існує реальна небезпека, що 2008 році в «Хаббла» буде лише робочий гіроскоп, і тоді телескоп, швидше за все, стане цілком непотрібним. Для виправлення цій ситуації необхідний п’ятий за рахунком сеанс техобслуговування, а от відбудеться він — питання открытый.

«Руководство NASA виключає черговий модернізації «Хаббла », говоритимемо про ній поки що передчасно. Польоти шатлів відновляться до травня 2006 року. Якщо перші запуски пройдуть гладко, то з’явиться шанс на і відправку корабля до «Хабблу » , — вважає керівник наукової програми «Хаббла «Девід Лекрон. — Передусім доведеться впорядкувати систему орієнтації. Можливість те, що до середини 2008 року у крайнього заходу два гироскопа збережуть працездатність, не перевищує 50%. Сьогодні ми намагаємося розробити метод нацеливания телескопа з допомогою єдиного гироскопа, але вийде це, поки що невідомо. «Хаббл «потребує і нових електричних акумуляторах: ємність старих поступово скорочується, і вже за чотири роки вони зможуть забезпечити телескоп необхідної енергією. Хотів би також оснастити його нової широкоугольной камерою та новим ультрафіолетовим спектрографом. Якщо вдасться провести п’ятий ремонт, «Хаббл », скоріш всього, зможе функціонувати до запуску свого наступника, космічного телескопа «Джеймс Уебб », який виведений на орбіту до середини 2013 года».

Орбитальный телескоп «Хаббл» вже пустив у Землю понад сімсот тисяч зображень різних космічних об'єктів. Цю інформацію виявилася винятково важливої для астрономії, астрофізики і космології: з її допомогою було встановлено присутність надмасивних чорних дір у галактичних ядрах і доведено, що Всесвіт розширюється зі зростаючою швидкістю. Але «Хаббл» ще продовжує трудитися — поводиться пошук світів на краю видимої Вселенной.

Список литературы

Для підготовки даної роботи було використані матеріали із російського сайту internet.