Телескоп Хаббл

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Hubble Space Telescope
Вид «Хаббла» с борта космического корабля «Дискавери» STS-82
Организация:	НАСА/ЕКА
Волновой диапазон:	видимый, ультрафиолетовый, инфракрасный
NSSDC ID:	1990-037B
Местонахождение:	в космосе
Тип орбиты:	Эллиптическая
Высота орбиты:	589 километра, 366 миль.
Период обращения:	96-97 минут
Orbit velocity:	7,500 м/с
Ускорение:	8.169 м/с²
Запущен:	24 апреля 1990 года
Снят с орбиты:	около 2020 года
Масса:	11 тонн
Тип телескопа:	рефлектор Ричи—Кретьена
Диаметр:	2.4 метра
Область наблюдений:	приблизительно 4.3 м²
Фокусное расстояние:	57.6 м
NICMOS:	инфракрасная камера/спектрометр
ACS:	оптическая камера для наблюдений
WFPC2:	камера для наблюдений в широком диапазоне волн
STIS:	оптический спектрометр/камера (вышел из строя в 2004 году)
FGS:	три навигационных сенсора
Сайт:	http://www.nasa.gov/hubble http://hubble.nasa.gov http://hubblesite.org http://www.spacetelescope.org

Косми́ческий телескóп «Хаббл» (англ. Hubble Space Telescope, HST) — автоматическая обсерватория на орбите вокруг Земли, названная в честь Эдвина Хаббла. Телескоп «Хаббл» - совместный проект NASA и Европейского космического агентства.

[править] История

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

[править] Предыстория, концепции, ранние проекты

Лаймэн Спитцер

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 Лаймэн Спитцер опубликовал статью «Астрономические преимущества внеземной обсерватории» (англ. Astronomical advantages of an extra-terrestrial observatory) посвящённую научным и практическим аспектам создания. 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^[1].

Спитцер посвятил значительную часть своей научной карьеры продвижению проекта космического телескопа. 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 утверждает план строительсва телескопа-рефлектора с зеркалом диаметром 3 м. Проект получает условное название LST (англ. Large Space Telescope). Запуск планировался на 1972 год. Программа подчеркивала необходимость регулярных пилотируемых экспедиций для обслуживания телескопа с целью обеспечения продолжительной работы дорогостоящего прибора. Параллельно развивавшая программа Спэйс Шаттл давала надежды на получение соответствующих возможностей^[2].

[править] 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 разработки и планирования технических аспектов, задача второго была разработкой программы научных исследований. Следующим серьёзным препятствием было получение финансирования для проекта, затраты на который должны были превзойти стоимость любого наземного телескопа. Конгресс США поставил под сомнение многие статьи предполагаемого бюджета и существенно урезал ассигнования на проект, который первоначально предполагал 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 была развёрнута широкая кампания по лоббированию, скоординированная между многими астрономами. Многие астрономы лично встретились с сенаторами и конгрессменами, а также было 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 сокращению масштабов проекта, главным из которых было решение уменьшить диаметр зеркала с 3 до 2.4 метра, для сокращения расходов и для получения более компактной конструкции. В связи с бюджетными ограничениями был отменен 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 для лаборатории и солнечные батареи, взамен за европейскими астрономами резервировалось не менее 15% времени наблюдений. В 1978 году Конгресс утвердил финансирование в размере 36 миллионов долларов и сразу после этого начались полномасштабные работы по проектированию, дата запуска планировалась на 1983 год. В начале 80-х телескоп получил имя Эдвина Хаббла.

[править] 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 полетов Годдарда занимался общим руководством разработкой научных приборов и был выбран в качестве наземного центра управления. Центр Маршалла заключил контракт с компанией Перкин-Элмер (англ. Perkin-Elmer) на проектирование и изготовление оптической системы телескопа (англ. Optical Telescope Assembly (OTA)) и датчиков точного наведения. Коропрация Локхид получила контракт на строительство космического аппарата для телескопа ^[3].

[править] Изготовление оптической системы

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

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 нанометров.

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, не случай непредвиденных проблем с неапробированными технологиями (зеркало изготовленное в Кодаке в настоящее время находится в экспозиции музея Смитсонианского института^[4]). Компания Перкин-Элмер начала работы над зеркалом в 1979 году, для изготовления использовалось стекло со сверхнизким коэффициентом расширения. Для уменьшения веса конструкция зеркала состояла из двух поверхностей — нижней и верхней, соединённых решётчатой конструкцией сотовой структуры.

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 сомнения в ёё 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 над зеркалом 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 срывались, 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 перенести старт, сначала на март, а затем на сентябрь 1986 года. К тому времени общий бюджет проекта вырос до 1.175 млрд. долларов США^[3].

[править] 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 создание 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 подготовленным Космическим центром Маршалла отмечалось, что при проведении работ компания полагается на указания НАСА, не проявляя собственную инициативу^[3].

[править] 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 (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 организацию доступа к 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 полетов Годдарда (en: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.

[править] 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 катастрофа «Челленджера» 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^[5]. 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.

Телескоп был доставлен на орбиту шаттлом «Дискавери» STS-31 стартовавшим 24 апреля 1990 года и выведен на расчётную орбиту на следующий день.

От начала проектирования до запуска на орбиту было затрачено 2,5 млрд. долларов США, при начальном бюджете в 400 млн. Общие расходы на проект, по оценке на 1999 год составили 6 млрд. долларов с американской стороны и 593 миллиона евро оплаченных ЕКА.^[6].

[править] 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 точечных источников имели радиус свыше одной телесной секунды, вместо фокусировки в окружность 0.1&nbspсекунды в диаметре, согласно спецификации.^[7]^[8]

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 микрометрa, 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.

После доработки в 1993, исправившей ошибки в оптической системе, телескоп стал давать высококачественные изображения.

[править] Техническое обслуживание телескопа

Астронавты Марк Ли и Стивен Смит работают с телескопом «Хаббл» в грузовом отсеке шаттла. Миссия «Дискавери» STS-82. Фото NASA.

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

В первоначальном проекте планировалось возвращать телескоп на Землю каждые 5 лет, и через 2,5 года осуществлять обслуживание на орбите, однако из-за опасности загрязнений и деформаций при перегрузках от возвращения на Землю решили отказаться и был принят трёхлетний цикл обслуживания на орбите.

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

первая миссия — 2-13 декабря 1993 года, «Индевор» STS-61
вторая миссия — 11-21 февраля 1997 года, «Дискавери» STS-82
третья миссия А — 19-27 декабря 1999 года, «Дискавери» STS-103
третья миссия В (четвёртая миссия) — 1-12 марта 2002 года, «Колумбия» STS-109

Расчётное время жизни телескопа — 15 лет.

[править] 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 каждодневно 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 научных статей.

На изображении, полученном по программе Hubble Ultra Deep Field, видны сотни галактик, самые красные и тусклые из которых образовались всего через 800 млн. лет после Большого Взрыва

«Хаббл» предоставил высококачественные изображения столкновения кометы Шумейкеров-Леви 9 с Юпитером в 1994.
Впервые получена карта поверхности Плутона.
Впервые наблюдались ультрафиолетовые полярные сияния на Сатурне([2]), Юпитере и Ганимеде.
Получены дополнительные данные о планетах вне солнечной системы, в том числе, спектрометрические.
Найдено большое количество протопланетных дисков вокруг звёзд ([3]). Доказано, что процесс формирования планет происходит у большинства звёзд нашей Галактики.
Частично подтверждена теория о сверхмассивных чёрных дырах в центрах галактик.
По результатам наблюдений квазаров получена современная космологическая модель, представляющая собой ускоряющуюся Вселенную, заполненную тёмной энергией и уточнён возраст Вселенной — 13,7 млрд. лет.
В 1995 «Хаббл» провёл исследования участка неба (en:Hubble Deep Field) размером в одну тридцатимиллионную площади неба, содержащего несколько тысяч тусклых галактик. Сравнение этого участка с другим, расположенным в другой части неба, подтвердило гипотезу об однородности Вселенной.
В 2004 был сфотографирован участок неба (en:Hubble Ultra Deep Field) с эффективной выдержкой около 10⁶ секунд (11,3 суток), что позволило продолжить изучение отдалённых галактик вплоть до эпохи образования первых звёзд. Впервые были получены изображения протогалактик, первых сгустков материи, которые сформировались менее чем через миллиард лет после Большого Взрыва.

[править] Будущее «Хаббла»

Очередная экспедиция по обслуживанию с целью замены аккумуляторов и гироскопов, а также установки новых усовершенствованных инструментов, была назначена на февраль 2005, но после катастрофы космического корабля «Колумбия» 1 марта 2003 была отложена на неопределённый срок, что поставило под угрозу дальнейшую работу HST.

Однако, 31 октября 2006 года администратором NASA Майклом Гриффином было официально объявлено о подготовке последней миссии по ремонту и модернизации телескопа^[9]. Ремонт будет включать в себя починку спектрографа STIS, прекратившего работу ещё в 2004 году и замену одного из трёх датчиков точного наведения. Также на «Хаббл» будут установлены два совершенно новых прибора — ультрафиолетовый спектрограф COS (англ. Cosmic Origin Spectrograph) и широкоугольная камера WFC3 (англ. Wide Field Camera). Экспедиция к телескопу назначена на середину 2008 года и продлится 11 дней.

Предполагается, что «Хаббл» проработает на орбите до 2013, когда его сменит космический телескоп «Джеймс Вебб» (JWST) (en:James Webb Space Telescope).

[править] Параметры орбиты

Наклонение: 28.469°
Апогей: 571 км.
Перигей: 565 км.
Период обращения: 96.2 мин.

[править] Технические данные

Телескоп выведен на околоземную орбиту на высоту приблизительно 600 км с периодом 97 минут.
Длина космического аппарата — 13,3 метров, диаметр — 4,3 метра, размах солнечных батарей — 12,0 метров, масса 11000 кг (с установленными приборами около 12500 кг).
Телескоп представляет собой рефлектор с диаметром зеркала 2,4 м, позволяющий получить оптическое разрешение порядка 0,1 угловой секунды.

[править] Приборы

Телескоп имеет модульную структуру и содержит пять отсеков для оптических приборов. Один из отсеков занимает корректирующая оптическая система (en:Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement, COSTAR), установленная во время первой экспедиции обслуживания в 1993 для компенсации неточности изготовления главного зеркала.

По состоянию на 2004 год установлены:

Широкоугольная и планетная камера-2 (en:Wide Field and Planetary Camera 2, WFPC2) состоит из трёх квадратных ПЗС-матриц, соединённых углом и меньшей «планетной» камеры более высокого разрешения в четвёртом углу. Снимки этой камеры имеют характерную форму выщербленного квадрата ([4]).

Камера близкого инфракрасного диапазона и многообъектный спектрометр (en:Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer, NICMOS) позволяет проводить наблюдения и спектрометрию в инфракрасном диапазоне от 0,8 до 2,5 мкм. Для получения необходимых низких температур детектор помещён в сосуд Дьюара и охлаждается твёрдым азотом.

Спектрограф изображений космического телескопа (en:Space Telescope Imaging Spectrograph, STIS) имеет рабочий диапазон 115—1000 нм и позволяет вести двумерную спекрографию, то есть получать спектр одновременно нескольких объектов в поле зрения. Не работает с 3 августа 2004 после отказа электроники.

Усовершенствованная обзорная камера (en:Advanced Camera for Surveys, ACS) состоит из трёх камер, одна из которых работает в далёком ультрафиолете, а другие дублируют и улучшают возможности WFPC2.

В дополнение к основной системе навигации установлены датчики точного наведения (Fine Guidance Sensors), обеспечивающие астрометрию с миллисекундной точностью. Это позволяет находить параллакс и собственное движение объектов с точностью до 0,2 угловой миллисекунды и наблюдать орбиты двойных звёзд с угловым диаметром до 12 миллисекунд.