Когда был запущен телескоп хаббл. Технические характеристики телескопа хаббла. Снимки Юпитера в ультрафиолетовых лучах

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.

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

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.

Вот уже 24 года как на орбите Земли находится космический телескоп Хаббл, благодаря которому ученые сделали множество открытий и помогли нам лучше понять Вселенную. Однако фотографии телескопа Хаббл — это не только подспорье для научных исследователей, но и удовольствие для любителей космоса и его тайн. Нужно признать, что на снимках телескопа Вселенная выглядит потрясающе. Смотрите самые последние фотографии телескопа Хаббл.

12 ФОТО

1. Галактика NGC 4526.

За бездушным именем NGC 4526 скрывается небольшая галактика, расположенная в так называемом скоплении галактик Девы. Имеется в виду созвездие Девы. «Черный пылевой пояс в сочетании с четким свечением галактики создает эффект так называемого ореола в темной пустоте космоса», — так описали этот снимок на сайте Европейского космического агентства (ЕКА). Снимок был сделан 20 октября 2014 года. (Фото: ESA).

2. Большое Магелланово Облако.

На снимке видна только часть Большого Магелланова Облака — одной из самых близких галактик к Млечному Пути. Она видна с Земли, но к сожалению, не выглядит столь впечатляюще, как на фотографиях телескопа Хаббл, который «показал людям восхитительные вращающиеся облака газа и сияющие звезды», — пишет ЕКА. Снимок был сделан 13 октября. (Фото: ESA).

3. Галактика NGC 4206.

Еще одна галактика из созвездия Девы. Видите на снимке вокруг центральной части галактики много маленьких точек голубого цвета? Это рождаются звёзды. Удивительно, правда? Снимок был сделан 6 октября. (Фото: ESA).

4. Звезда AG Киля.

Эта звезда в созвездии Киль находится на конечной стадии эволюции абсолютной яркости. Она в миллионы раз ярче, чем Солнце. Космический телескоп Хаббл сфотографировал ее 29 сентября. (Фото: ESA).

5. Галактика NGC 7793.

NGC 7793 — это спиральная галактика в созвездии Скульптора, которая находится от Земли на расстоянии в 13 миллионов световых лет. Снимок был сделан 22 сентября. (Фото: ESA).

6. Галактика NGC 6872.

NGC 6872 находится в созвездии Павлина, которое расположено на краю Млечного Пути. Его необычная форма вызвана воздействием на нее меньшей галактики — IC 4970, которая видна на снимке прямо над ней. Эти галактики находится на расстоянии в 300 миллионов световых лет от Земли. Хаббл фотографировал их 15 сентября. (Фото: ESA).

7. Галактическая аномалия IC 55.

На этом снимке, сделанном 8 сентября, видна очень необычная галактика IC 55 с аномалиями: ярко-голубыми «всплесками» звёзд и неправильной формой. Она напоминает нежное облако, но на самом деле состоит из газа и пыли, из которой рождаются новые звезды. (Фото: ESA).

8. Галактика PGC 54493.

Эта красивая спиральная галактика находится в созвездии Змеи. Она была изучена астрономами в качестве примера слабого гравитационного линзирования — физического явления, связанного с отклонением лучей света в поле тяжести. Фотография сделана 1 сентября. (Фото: ESA).

9. Объект SSTC2D J033038.2 + 303212.

Дать такое название объекту — это конечно что-то. За непонятным и длинным числовым названием скрывается так называемый «молодой звездный объект» или, говоря по-простому, рождающаяся звезда. Потрясающе, эта рождающаяся звезда окружена светящимся спиральным облаком содержащим материал, из которого она будет построена. Снимок сделан 25 августа. (Фото: ESA).

10. Несколько красочных галактик различного цвета и формы. Космический телескоп Хаббл сфотографировал их 11 августа. (Фото: ESA).
11. Шаровое звёздное скопление IC 4499.

Шаровые скопления состоят из старых звезд, связанных между собой гравитацией, которые перемещаются вокруг своей главной галактики. Такие скопления состоят обычно из большого количества звезд: от ста тысяч до миллиона. Снимок сделан 4 августа. (Фото: ESA).

12. Галактика NGC 3501.

Эта тонкая, светящаяся, ускоряющаяся галактика мчится навстречу другой галактике — NGC 3507. Фотография сделана 21 июля. (Фото: ESA).

С удивительными фотографиями, сделанными космическим телескопом Хаббла, можно ознакомиться на сайте Spacetelescope.org.

Технические характеристики космического телескопа им. Э. Хаббла

Размеры: 13,1 х 4,3 м
Масса: 11 600 кг
Оптическая схема: Ричи-Кретьена
Виньетирование: 14 %
Поле зрения: 18" (для научных целей), 28" (для гидирования)
Угловое разрешение: 0,1" на длине волны 632,8 нм
Спектральный диапазон: 115 нм - 1 мм
Точность стабилизации: 0,007" за 24 ч
Расчетная орбита КА: высота - 610 км, наклонение - 28,5°
Планируемое время функционирования: 15 лет (с обслуживанием)
Стоимость телескопа и КА: 1,5 млрд. долл. (в долл. 1989 г.)
Главное зеркало: Диаметр 2400 мм; Радиус кривизны 11 040 мм; Квадрат эксцентриситета 1,0022985
Вторичное зеркало: Диаметр 310 мм; Радиус кривизны 1,358 мм; Квадрат эксцентриситета 1,49686
Расстояния: Между центрами зеркал 4906,071 мм; От вторичного зеркала до фокуса 6406,200 мм

Находящийся вне пределов земной атмосферы телескоп имеет, по меньшей мере, три преимущества перед расположенным на Земле. Первое - на качество его изображения не влияет атмосферная турбуленция. Второе - ему доступен более широкий диапазон электромагнитных волн - от ультрафиолетовых до инфракрасных. И, наконец, третье - меньшее рассеяние света за пределами атмосферы делает возможным наблюдение гораздо более слабых объектов.

Для того, чтобы использовать эти преимущества, конструкторам пришлось решить непростые задачи по изготовлению оптики и созданию системы управления телескопом, которая обеспечивала бы точное наведение его на объект и крайне жесткую стабилизацию.

Диаметр главного зеркала телескопа 2,4 м. Вторичное зеркало диаметром 0,34 м в комбинации с главным составляют оптическую систему Ричи - Кретьена, вариант известной схемы Кассегрена (относительное отверстие 1:24). Расстояние между зеркалами (4,9 м) выдержано с точностью 0,0025 мм. Несущая конструкция трубы телескопа - легкая и очень жесткая эпоксидно-графитовая ферма. Телескоп спроектирован так, чтобы собирать попадающий в него свет в кружок диаметром 0,05" (I); у наземных инструментов прежде всего из-за влияния атмосферы кружок рассеяния редко бывает меньше 0,5".

Ясно, что необходимы очень большая точность наведения на объект и высокая степень стабилизации телескопа во время экспозиции, поэтому система управления телескопом, представляющая собой комбинацию гироскопов, звездных гидов и датчиков, сконструирована так, что телескоп наводится на объект с точностью не менее 0,01" и удерживает его в пределах 0,007" в течение длительного времени (вплоть до 24 часов).

Аккумуляторные батареи, компьютеры, телеметрические и другие системы расположены вокруг главного зеркала в виде отдельных блоков так, чтобы в случае необходимости одетые в скафандры астронавты могли заменить их.

Находясь на освещенном Солнцем участке орбиты, телескоп получает электроэнергию от двух солнечных батарей (по две панели размером 11,8 х 2,3 м). Часть ее направляется на подзарядку шести больших водородно-никелевых аккумуляторов, которые снабжают телескоп электропитанием на теневом участке витка.