Декада космических открытий телескопа Хаббл

10-летию работы космического телескопа им. Хаббла посвящается.

Концепция космического телескопа имеет давние корни. Еще в 1923 году один из пионеров ракетной техники немец Херман Оберт указывал, что телескоп, выведенный на околоземную орбиту, будет иметь огромные преимущества перед любым наземным инструментом. Сразу же по окончании Второй мировой войны астроном из Принстонского университета (США) Лайман Спитцер предложил идею трехметрового космического телескопа (большего, чем тогдашний "лидер" наземной астрономии — 100-дюймовый рефлектор обсерватории Маунт-Вилсон!), которую и продвигал на протяжении последующих сорока лет...

Лишь к концу 60-х годов стало ясно, что орбитальный телескоп диаметром порядка 2-3 м может быть построен при существовавшем на тот момент уровне техники. После блестящего окончания лунной программы, в 1972 г. NASA предложило оставшемуся "без работы" Центру космических полетов им. Маршалла начать разработку космического телескопа. Для руководства проектом был приглашен молодой директор Йеркской обсерватории Чарльз О’Делл. Первоначально проект был оценен всего в 400 миллионов долларов, и уже в 1974 г. на него были выделены первые средства. Если бы тогда было известно, что общие затраты на строительство телескопа составят более 2 миллиардов долларов (суммы,- вполне достаточной для постройки нескольких современных наземных 8-метровых телескопов), то, скорей всего, "Хаббл" никогда бы не был создан...

Первоначально проект предполагал строительство 3-м телескопа, выводимого на орбиту мощной ракетой-носителем "Титан", использовавшейся ранее в американской лунной программе. Однако разразившийся в 70-е годы экономический кризис привел к существенным сокращениям ассигнований на большинство научных программ. Проект Космического телескопа оказался на грани закрытия. Чтобы хоть как-то спасти его, было решено создать инструмент меньшего размера с минимумом научного оборудования и без "излишеств" в виде посещаемого космонавтами модуля. Эти ограничения накладывались, в том числе, и габаритами грузового отсека более дешевого в эксплуатации космического "челнока", на котором теперь планировалось транспортировать телескоп на орбиту.


Непосредственно постройка телескопа началась в 1977 году и продлилась целых 13 лет (вместо запланированных шести), а стоимость работ возросла более чем в 3 раза. Несмотря на многочисленные проблемы, телескоп был готов к старту в 1986 году, но катастрофа "Челленджера" отодвинула запуск еще на 4 года, в течение которых NASA совместно с Европейским космическим агентством проводило дополнительные работы по модернизации стремительно устаревающего научного оборудования "Хаббла". В общей сложности, запуск телескопа по тем или иным причинам откладывался более десяти раз.

Что же представляет собой "творение века", вот уже десять лет обращающееся вокруг нашей планеты на высоте свыше 500 км? Этот аппарат имеет 13 м в длину и 4.3 м в диаметре, что почти соответствует размерам грузового отсека "шаттла". При весе в 11.6 тонны, "Хаббл" оказался едва ли не самой большой научной полезной нагрузкой, которую американские "челноки" когда-либо доставляли на орбиту Земли (тяжелее была только рентгеновская обсерватория "Чандра".

Телескоп построен по схеме Ричи-Кретьена с эквивалентным фокусом 1:24, состоящей из главного зеркала диаметром 2.4 м и вторичного зеркала диаметром 0.34 м, расположенного в 4.9 м от главного. Согласно техническому заданию, телескоп должен был иметь разрешающую способность около 0.05 секунды дуги, а точность стабилизации при длительных суточных экспозициях не хуже 0.007"!

Комплекс приборов для анализа собираемого телескопом излучения располагается позади главного зеркала и выполнен в виде единого блока для возможности быстрого обслуживания и замены в условиях космического пространства. В его состав в разное время входили:


Широкоугольная и планетная камера (WFPC) — основная "рабочая лошадка" телескопа. Собранный телескопом свет отклоняется небольшим диагональным зеркалом и попадает в систему перебрасывающей оптики, направляющей его на 4 ПЗС-матрицы размером 800x800 пикселей. В зависимости от задачи, решаемой телескопом, используется либо оптика, дающая в результате светосилу 1:12.9 (широкоугольный режим для исследования объектов глубокого космоса), либо 1:30 для подробного исследования, в частности, планет, поскольку поле зрения составляет в этом случае всего лишь около минуты дуги. Забегая вперед, скажем, что благодаря этой дополнительной оптике впоследствии удалось в значительной мере ослабить влияние дефекта изготовления главного зеркала и восстановить работоспособность телескопа. Модернизированный вариант камеры (WFPC-2) был установлен в 1993 г.

Камера слабых объектов (FOC) позволяет получать изображения объектов до 30^m, благодаря использованию электронно-оптического преобразователя, увеличивающего яркость исходного объекта почти в 100000 раз! Этот прибор также удалось "спасти" в 1993 году, введя в его состав корректирующую оптику.

Спектрографы слабых объектов (FOS) и высокого разрешения (HRS), высокоскоростной фотометр (HSP). К сожалению, эти приборы с исключительно малыми полями зрения (порядка 0.1-1 секунды дуги), требующие от оптики телескопа отличного качества изображения, не могли использоваться в полной мере. Запланированный объем работ с ними оказался сорванным, а сами они постепенно демонтировались в ходе миссий по обслуживанию телескопа на орбите.

Датчики точного гидирования. С начала разработки телескопа предполагалось, что помимо гидирования телескопа эти приборы могут быть использованы в астрометрических целях, для чего вовсе не обязательно иметь особенно хорошее качество изображения звезд. Эта часть программы успешно выполняется в течение всего времени работы телескопа на орбите.

Камера и спектрометр инфракрасного диапазона (NICM0O). Этот прибор установлен в 1997 г. Главной целью камеры является получение инфракрасных изображений в спектральном диапазоне 0.8-2.5 мкм, недоступном с поверхности Земли. Уникальный спектрометр позволяет одновременно анализировать спектры всех объектов, попадающих в поле зрения камеры.


Полевой спектрограф (STIS) также был установлен в 1997 г. вместо двух демонтированных спектрографов и полностью заменяет их. Рабочий диапазон нового прибора составляет от 15 до 1000 нм.

31-я по счету миссия "Шаттла" вывела телескоп на орбиту 24 апреля 1990 года. Экипаж "Дискавери" с помощью "механической руки" вынул телескоп из грузового отсека корабля и отправил его в свободный полет. Научный мир затаил дыхание в ожидании потока открытий. Но уже через полтора месяца (в начале июня) NASA объявило о неутешительных результатах пробных наблюдений на "Хаббле". Еще 20 мая, когда телескоп увидел "первый свет", операторы заметили, что звезды изображаются телескопом, как точечные ядра с преувеличенно яркими дифракционными кольцами. Приписав дефекты изображения неправильной фокусировке, ученые попытались подправить ее, но безуспешно. К августу стало окончательно ясно, что главное зеркало телескопа изготовлено с большой погрешностью: первоначально требовалось, чтобы телескоп собирал 70% света в кружке диаметром 0.1 секунды дуги, реальная же концентрация оказалась в 7 раз хуже! Это стало катастрофой для всего проекта Космического телескопа! Большего давления астрономы не испытывали со времен средневековой инквизиции. Газеты и телевидение пестрели издевательскими репортажами о полуторамиллиардном "чуде света", дававшем изображение на уровне среднего любительского телескопа!

Более половины всех научных программ, запланированных на первые полтора года (до первого посещения астронавтами телескопа на орбите), оказались сорванными.

В качестве выхода из создавшейся ситуации предлагались различные решения: от возврата телескопа на Землю для замены главного зеркала, до его диафрагмирования с целью исключения из работы внешних участков. В конце концов, было решено заменить три главных научных прибора телескопа на новые, включающие дополнительную малогабаритную корректирующую оптику, исправляющую аберрацию главного зеркала. Но для изготовления этой оптики нужно было знать характер этой аберрации. Для этого несколько месяцев подряд делались внефокальные снимки звезд, и по распределению энергии в фокальной плоскости вычислялась волновая аберрация оптической системы.


Все встало на свои места, когда был найден и исследован блок компенсатора главного зеркала, с помощью которого корпорация Perkin-Elmer контролировала гиперболическую поверхность главного зеркала телескопа при его изготовлении. Оказалось, что одно из расстояний между элементами компенсатора отличалось от расчетного немногим более чем на миллиметр. Это и явилось причиной ошибки в изготовлении главного зеркала...

После того, как источник ошибки был установлен, изготовление корректирующей оптики не составило особого труда. Однако первые 44 месяца на орбите телескоп проработал вполсилы.

Внеплановая миссия по ремонту "Хаббла" состоялась в декабре 1993 г. Астронавты "Индевора" привезли с собой комплект новой аппаратуры, и грандиозная операция началась. Благодаря модульной конструкции телескопа, достаточно было лишь отсоединить старые научные приборы и поставить на их место новые. Замена основного "глаза" телескопа — Широкоугольной и планетной камеры — заняла всего 40 минут! Кроме того, астронавты сменили некоторые узлы системы гидирования, демонтировали бесполезный теперь высокоскоростной фотометр и установили на его место систему, распределяющую "высвободившуюся" часть собираемого телескопом света по трем оставшимся приборам.

Также была проведена замена панелей солнечных батарей на новые, улучшенной конструкции, поскольку выяснилось, что прежние деформируются от нагрева при выходе телескопа из тени Земли на освещенный Солнцем участок орбиты. Это создавало колебания телескопа в несколько десятых долей угловой секунды, ограничивая время экспозиции лишь частью витка вокруг Земли.

Общее время работ с телескопом в открытом космосе в течение этого уникального полета составило более 35 часов. "Реанимированный" "Хаббл", наконец, смог продемонстрировать миру все достоинства орбитального телескопа. Эра великих космических открытий началась!

Конечно, главные научные достижения "Хаббла" не только перечислить, но и просто выделить невозможно. На могиле Гершеля написано: "Сломал оковы небес". Про "Хаббл" смело можно сказать, что с его помощью их удалось сломать еще раз. Правда, за 10 лет, проведенных телескопом на орбите, существенно улучшилась и оптика наземных инструментов, и сейчас многие из телескопов-гигантов — "Кек", "Субару", VLT и другие — буквально наступают своему космическому собрату на пятки. Но приоритет его не оспорить. За первые после ремонта годы работы, когда разрешение "Хаббла" не знало себе равных, он успел увидеть столько нового, что современным телескопам остается лишь уточнять его результаты.

Начнем с ближних окрестностей Земли. Наблюдения планет, выполненные с помощью "Хаббла", позволили регулярно получать их изображения с качеством, едва ли не превышающим качество снимков с межпланетных станций. Вот лишь некоторые заслуги "Хаббла" перед планетологией: мониторинг погодных условий на Марсе, наблюдения в видимом и инфракрасном диапазонах облаков планет-гигантов, доказательство транзиентной природы "черного пятна" на Нептуне, наблюдения полярных сияний на планетах-гигантах и изучение структуры их колец... Космический телескоп впервые показал астрономам детали на поверхности Плутона.

В нашей Галактике "Хаббл" впервые позволил в подробностях изучить "неудавшиеся звезды" — коричневые карлики. С его помощью разрешены на отдельные звезды центральные области шаровых скоплений. Это позволило, в частности, доказать, что некоторые из этих объектов потеряли часть звезд при прохождении сквозь галактический диск. Пальма первенства в галактических достижениях "Хаббла", бесспорно, принадлежит наблюдениям областей звездообразования. Фактически Космический телескоп впервые продемонстрировал астрономам "кухню" рождения звезд. О планетах, коричневых карликах, шаровых скоплениях многое было известно и ранее, но структура областей звездообразования оставалась царством теоретических предположений. С помощью "Хаббла" астрономы доказали, что теоретически предсказанные диски и джеты у протозвезд действительно существуют, причем повсеместно. А снимки газопылевых столбов в М16, обошедшие буквально весь мир, наглядно продемонстрировали, как молодые массивные звезды изменяют структуру облаков, из которых сами родились.

Еще один класс галактических объектов, в исследовании которых "Хаббл" начал новую страницу, — планетарные туманности. Коллекцию их снимков, собранную с помощью Космического телескопа, иначе как галереей не называют: настолько разнообразны и красивы оказались эти объекты. "Хаббл" показал, что классические очертания планетарных туманностей, благодаря которым они обрели свое название, являются скорее не правилом, а исключением.

Из внегалактических достижений "Хаббла" упомянем лишь два: измерение скорости расширения Вселенной и глубокие снимки. Исследование цефеид в далеких галактиках с целью определения постоянной Хаббла (Н₀) с самого начала считалось одной из приоритетных задач Космического телескопа. К сожалению, выполнить ее до конца не удалось: разброс значений Н₀, полученных только с помощью "Хаббла", остается большим (50-80 км·с^-1·Мпс^-1). Однако, теперь стало ясно, что большие значения этой постоянной (около 100 км·с^-1·Мпс^-1) можно исключить.

Глубокие снимки занимают в истории Космического телескопа особое место. Вряд ли можно назвать другие изображения, которые бы в такой же степени будили научное и просто человеческое воображение. Ученые впервые смогли заглянуть так далеко во времени и в пространстве, проследив, как меняется с удалением в прошлое строение галактик и их скоплений. Как и положено первому взгляду, глубокие снимки принесли больше вопросов, чем ответов, В частности, выяснилось, что самые далекие галактики в оптическом диапазоне не видны, и для их исследования необходим космический телескоп, работающий в инфракрасном диапазоне спектра.

Говоря о достижениях "Хаббла", нельзя не упомянуть и о его "человеческом" значении. Ведь помимо научной, Космический телескоп несет и огромную образовательную и (не побоимся этого слова!) воспитательную нагрузку. Он показывает человечеству, как прекрасен окружающий нас Космос, сколь красива и бесконечно разнообразна Природа. Ни один другой телескоп не может похвастаться таким вниманием общественности, что в эпоху нового расцвета астрологии совсем немаловажно.

Основные достижения Космического телескопа им. Хаббла.

Область исследований	Что было известно до "Хаббла"	Вклад "Хаббла" (по состоянию на 2000 год)
Скорость расширения Вселенной	Разные оценки постоянной Хаббла расходились более чем в 2 раза, из-за чего различные определения возраста Вселенной попадали в диапазон от 10 до 20 млрд. лет.	В результате выполнения Ключевого проекта получено значение Н0 = 70 км·с-1·Мпс-1 с точностью до 10%, что соответствует возрасту Вселенной 12-14 млрд. лет. Правда, не все группы, работающие с данными "Хаббла", с этим согласны.
Гравитационные линзы	Было известно лишь несколько примеров.	Открыто много линз.
Квазары	Было известно, что квазары находятся очень далеко. Вокруг некоторых из них был замечен "туман", который интерпретировался как родительская галактика. Считалось, что источником энергии квазаров являются черные дыры.	"Хаббл" ясно показал, что квазары встречаются в самых различных галактиках. Многие из них находятся в процессе столкновения с другими галактиками.
Далекие галактики и эволюция галактик	О галактиках, удаленных от Земли более чем на несколько миллиардов лет, мало что было известно.	Глубокие снимки позволили проследить эволюцию морфологии галактик и скорости звездообразования. "Хабблу" удалось проникнуть до возраста Вселенной в 1 млрд. лет.
Сверхмассивные черные дыры	На наземных телескопах получены предварительные данные о существовании этих объектов, но достаточно близко к ядру галактики, где, как предполагается, расположена черная дыра, заглянуть не удалось.	Обзоры, проведенные с помощью "Хаббла", показали, что темные компактные объекты есть в ядрах многих галактик. Получены веские доказательства того, что это черные дыры.
Структура галактических балджей	Подробно исследованы балджи только ближайших галактик.	"Хаббл" подтвердил, что большие балджи сформировались очень давно, одновременно с эллиптическими галактиками. Небольшие балджи "раздуты" всплесками звездообразования, вызванными неустойчивостью диска или слиянием галатик.
Окрестности протозвезд	О строении областей звездообразования почти ничего не известно. В инфракрасном диапазоне наблюдались немногочисленные околозвездные диски.	"Хаббл" помог установить, что протопланетные диски встречаются повсеместно.
Сверхновая 1987А	Ближайшая сверхновая за последние 400 лет. За ее эволюцией с февраля 1987 года наблюдала целая армада телескопов.	Только разрешение "Хаббла" позволило проследить эволюцию выброса и околозвездного кольца с разрешением менее одного светового года.
Плутон	Грубая карта распределения альбедо по поверхности Плутона.	"Хаббл" подтвердил предварительные данные и ясно показал, что поверхность Плутона покрыта пятнами различного цвета и яркости.

Как уже отмечалось выше, современное астрономическое оборудование стареет очень быстро. Особенно это касается сложнейшей космической техники, к числу которой относится и "Хаббл". Уже в феврале 1997 г. состоялся второй полет к Космическому телескопу, в течение которого астронавты "Дискавери" демонтировали спектрографы слабых объектов и высокого разрешения и установили на их место совершенно новые инфракрасную камеру и спектрометр. Заменив еще несколько жизненно важных узлов, выработавших свой ресурс, экипаж "шаттла" немного поднял орбиту телескопа и покинул его до следующего, теперь уже экстренного посещения, состоявшегося в октябре прошлого года.

В начале 1999 г. на "Хаббле" работали четыре из шести гироскопов, осуществлявших ориентацию и стабилизацию положения телескопа в пространстве. В апреле их осталось уже только три, хотя для нормальной работы инструмента и этого было достаточно. После выхода из строя 13 ноября 1999 г. очередного гироскопа NASA пришлось "законсервировать" телескоп на орбите, срочно отправив специальную экспедицию для замены гироскопов, а также для ремонта изрядно поизносившейся за прошедшее десятилетие теплоизоляции аппарата.

Старт "Дискавери" состоялся 19 декабря 1999 г. Во время этой внеплановой экспедиции были заменены все гироскопы "Хаббла", установлен новый, почти в 10 раз более мощный компьютер, а также новый передатчик, позволяющий передавать на Землю гораздо больший объем научной информации. Встретив в космосе Рождество, экипаж вернулся на Землю, почти полностью выполнив задачи, поставленные перед полетом.

Что ждет Космический телескоп в будущем? Очередная миссия по обслуживанию "Хаббла" намечена на 2001 год. В ее ходе предстоит до конца отремонтировать теплоизоляцию телескопа, заменить ряд научных приборов и выполнить профилактические работы. Предполагавшийся первоначально 15-летний срок эксплуатации телескопа увеличен до 20 лет, из которых половина уже отработана... Но, как знать, быть может ближе к 2010 году будет принято и новое решение о продлении жизни "телескопа XX века"...