Хаббл (телескоп)

Космический телескоп «Хаббл»
англ. Hubble Space Telescope
Вид «Хаббла» с борта космического корабля «Атлантис» STS-125
Организация	НАСА / ЕКА
Волновой диапазон	0,11 — 2,4 мкм (ультрафиолетовый, видимый, инфракрасный)
NSSDCA ID	1990-037B
Местонахождение	в космосе
Тип орбиты	низкая околоземная орбита, близкая к круговой
Высота орбиты	около 547 км
Период обращения	94—96 мин
Орбитальная скорость	около 7500 м/с
Ускорение	8,169 м/с²
Дата запуска	24 апреля 1990, 12:33:51 UTC Длительность полёта 34 года 7 месяцев 27 дней
Место запуска	мыс Канаверал
Средство вывода на орбиту	«Дискавери»
Дата схода с орбиты	позднее 2030 года
Масса	12.246 кг
Тип телескопа	телескоп-рефлектор системы Ричи — Кретьена
Диаметр	2,4 м
Площадь собирающей поверхности	ок. 4,5 м²
Фокусное расстояние	57,6 м
Научные инструменты
NICMOS	инфракрасная камера/спектрометр
ACS	оптическая камера для наблюдений
WFPC3	камера для наблюдений в широком диапазоне волн
STIS	оптический спектрометр/камера
COS	ультрафиолетовый спектрограф
FGS	три навигационных сенсора
Логотип миссии
Сайт	hubblesite.org

Космический телескоп «Хаббл», КТХ (Hubble Space Telescope, HST) — автоматическая обсерватория, размещённая на орбите Земли. Это совместный проект NASA (НАСА) и Европейского космического агентства. Телескоп «Хаббл» работает в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном спектрах.

История

В 1946 году в одном из ведущих в мире научных журналов по астрономии и астрофизике Astronomy Quarterly была опубликована статья «Астрономические преимущества внеземной обсерватории» Лаймана Спитцера, в которой автор высказал идею о размещении на орбите телескопа и научно обосновал необходимость такого аппарата в космосе. Спитцер считал, что подобные телескопы смогут «открыть новые явления, которые трудно даже вообразить, и, возможно, значительно изменить наши базовые представления о пространстве и времени».

Спитцер также отметил, что возникающие в атмосфере турбулентные помехи не явятся для внеземного телескопа помехой. Кроме того, космический аппарат сможет вести наблюдения не только в обычном, но и в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах волн, значительная часть излучений которых поглощается земной атмосферой. Как результат, посредством внеземного телескопа можно будет разглядеть и объекты, недоступные для наблюдения с поверхности Земли.

С 1966 по 1972 годы NASA реализовало проект, в который вошли четыре спутника ОАО (Orbiting Astronomical Observatory), и на которых были размещены детекторы ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения. Эксперимент оказался не совсем успешным: два спутника досрочно завершили миссию, но при помощи двух других удалось получилось спектры сотен звёзд высокого качества и открыть несколько пульсаров. Впервые было установлено, что кометы окружены огромным водородным облаком, шириной в несколько сотен тысяч километров.

В 1968 году начались первые разработки прототипов космического телескопа. NASA предложило проект постоянно действующего на орбите гигантского телескопа-рефлектора. Большой вклад в проект внесла Нэнси Грейс Роман, принявшая участие в планировании и разработке ряда орбитальных телескопов, в том числе и «Хаббла». В последующие годы Нэнси за свой вклад в проблему называли не иначе, как «Матерью Хаббла».

Именно Нэнси в старые времена до интернета, Google, электронной почты и всего такого помогла „продать“ идею телескопа „Хаббл“ и организовать астрономов, которые в конце концов убедили Конгресс его финансировать.Эдвард Уэйлер, сотрудник NАSА

В 1970 году NASA учредило два комитета для разработки космического телескопа: в одном комитете изучались и планировались технические аспекты, во втором разрабатывались программы научных исследований. 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 осуществлял общее руководство 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 космического аппарата для телескопа.

В 1978 году Конгресс США утвердил финансирование в размере 36 млн долларов, и сразу после этого начались полномасштабные работы по проектированию телескопа, к которой подключились многие научные центры и технологические компании, всего тридцать два учреждения по всему миру. NASA получило согласие Белого дома на совместную работу с Европейским космическим агентством, со штаб-квартирой в Париже. Дата запуска планировалась на 1983 год, однако катастрофа космического челнока «Челленджер» с семью астронавтами на борту, случившаяся 28 января 1986 года, приостановила на время полёты американских многоразовых транспортных космических кораблей.

В 1982 году телескоп получил название «Хаббл» в честь Эдвина Хаббла, выдвинувшего несколько важных научных теорий и подтвердившего ещё не доказанное в то время существование во Вселенной огромного количества галактик. До открытия Эдвина Хаббла астрономы считали Млечный Путь единственной галактикой во Вселенной.

В 1990 году, 24 апреля, космический шаттл Дискавери (Discovery) стартовал с мыса Канаверал с телескопом «Хаббл» в грузовом отсеке.

Запуск и начало работы

Космический аппарат «Хаббл» был доставлен на высоту около 610 км и запущен на орбиту. Несмотря на то, что телескоп имел преимущество перед наземными телескопами, оптике которых приходится «пробиваться» сквозь слои атмосферы, прогнозы учёных, планировавших использовать КТХ для наблюдения планет Солнечной системы, отдалённых звёзд и галактик, не оправдались, и первые два года работы не принесли практических результатов. Первая статья, основанная на наблюдениях телескопа, была опубликована 1 октября 1990 года.

Дефект главного зеркала

Сделанные «Хабблом» снимки до и после установки блока корректирующей аппаратуры.

27 июня 1990 года центр координации полётов НАСА сообщил об обнаруженном дефекте в главном зеркале телескопа. Отклонение поверхности зеркала от заданной формы составило 2 мкм, что обусловило сильную сферическую аберрацию, приведшую к расфокусировке изображения. Угловое разрешение телескопа оказалось существенно ниже проектного, что привело к тому, что получаемые результаты оказались хуже, чем у наземных телескопов такого же диаметра.

Конечно, „Хаббл“ можно было снять с орбиты и доставить на Землю. Но дело в том, что программа создания телескопа и так до неприличия выбилась за рамки бюджета: с начальных 400 миллионов он вырос до 2,5 миллиардов долларов. Снимать „Хаббл“ с орбиты, а затем возвращать снова в космос было слишком дорогим удовольствием, особенно в то время, когда NASA не пинал только ленивый. Так что единственным шансом спасти „Хаббл“ было установить на телескоп „очки“ — корректирующую аппаратуру, исправлявшую дефект зеркала.Кирилл Размыслович

Для исправления ошибки фирма Kodak изготовила второе зеркало, однако заменить его в космосе было невозможно, и тогда инженеры предложили изготовить космические «очки» — систему оптической коррекции COSTAR из двух особых зеркал. Чтобы установить её на «Хаббл», 2 декабря 1993 года на орбиту отправился шаттл «Индевор». Астронавтам пришлось совершить 5 выходов в открытый космос, чтобы вернуть телескоп в строй.

Современный этап

За последние годы участились случаи поломок оборудования телескопа, происходит постепенное снижение орбиты телескопа. Представители NASA надеются, что телескоп сможет проработать до 2030 года — после этого высоту орбиты понизят до такой степени, что аппарат частично сгорит в атмосфере Земли и упадет на дно Тихого океана. 22 сентября 2022 года представители компании SpaceX и агентства NASA подписали соглашение о космической программе Polaris, в ходе которой будет установлено, возможно ли поднять орбиту телескопа и осуществить повторный ремонт «Хаббла», чтобы удлинить срок его службы на 10-15 лет.

Технические характеристики

Ранние стадии строительства «Хаббла».

Телескоп «Хаббл» входит в группу Больших обсерваторий NASA, и оставался самым большим оптическим инструментом в космосе, пока в 2009 году Европейское космическое агентство не запустило на орбиту инфракрасный телескоп «Гершель» (Herschel Space Observatory) с диаметром зеркала 3,5 метра. Диаметр зеркала определяет разрешение телескопа, от площади его поверхности зависит, насколько тусклые объекты еще доступны наблюдению. Главное зеркало КТХ имеет диаметр 2,4 м, массу 816 кг, оно монолитно и изготовлено из кремниевого стекла с алюминиевым покрытием. На шлифовку и полировку зеркала ушло два года и четыре месяца.

Резервное зеркало для КХТ диаметром 2,5 м. Находится в Национальном музее авиации и космонавтики Смитсоновского института в Вашингтоне, округ Колумбия.

Для работы инфракрасной камеры, доставленной астронавтами к орбитальному телескопу во время второго полёта, было предусмотрено охлаждение жидким азотом до температуры 60 кельвинов (−213 °C). На телескоп был доставлен сосуд Дьюара, содержащий более 100 кг твёрдого азота, который постепенно таял и использовался для охлаждения. Но из-за небольшого нарушения теплоизоляции азот закончился быстрее, чем планировалось и в следующей экспедиции астронавтам пришлось ремонтировать систему охлаждения.

Основные характеристики космического телескопа «Хаббл»:

• размеры: длина — 13,1 м, диаметр — 4,3 м;
• масса космического аппарата — 12 246 кг;
• оптическая схема — Ричи-Кретьена;
• диаметр главного зеркала — 2400 мм;
• фокусное расстояние — 57 600 мм;
• экранирование — 14 %;
• поле зрения — 20' (для научных целей), 28' (для гидирования);
• угловое разрешение — 0,1" на длине волны 632,8 нм;
• спектральный диапазон: 115—1000 нм;
• погрешность стабилизации — 0,007" за 24 ч;
• расчетная орбита: высота — 560 км, наклонение — 28,479°;
• срок службы — плановый 15 лет (с обслуживанием), фактический свыше 30 лет;

• система охлаждения — жидкий азот;

• бюджет проекта — 16 млрд долларов от старта проекта в 1978 году (6 млрд долларов на момент запуска в 1990 году).

Приборы

Телескоп имеет модульную структуру, все научные инструменты размещаются в модулях, которые легко снимать и устанавливать на аппарат. Всего телескоп содержит пять отсеков для оптических приборов. Один из отсеков в течение долгого времени (1993—2009 годы) занимала корректирующая оптическая система COSTAR, установленная во время первой экспедиции. Поскольку все приборы, установленные в последующих сервисных экспедициях, имеют встроенные системы коррекции дефекта главного зеркала, во время последней миссии стало возможным демонтировать систему COSTAR и использовать отсек для установки ультрафиолетового спектрографа.

На момент 2023 года на борту установлены пять научных приборов:

• Усовершенствованная камера для съёмок (ACS) представляет собой широкоугольную камеру третьего поколения. Была установлена ​​​​на космическом телескопе «Хаббл» во время сервисной миссии в 2002 году. и предназначена для наблюдения за большими участками неба на различных длинах волн.
• Спектрограф Cosmic Origins (COS) работает в ультрафиолетовом диапазоне и имеет два канала: канал дальнего ультрафиолета (FUV), охватывающий длины волн от 90 до 215 нм, и канал ближнего ультрафиолета (NUV), с длинами волн от 170 до 320 нм. Используется для наблюдений за яркими источниками, такими как звёзды и квазары, установлен во время сервисной миссии в 2009 году.
• Спектрограф изображения космического телескопа (STIS) объединяет камеру со спектрографом, и позволяет получать данные о температуре, химическом составе, плотности и движении небесных объектов. Установлен в 1997 году во время второй сервисной миссии.
• Широкоугольная камера 3 (WFC3) высокого разрешения работает в трех диапазонах: ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном. Благодаря широкому обзору позволяет запечатлевать все астрономические объекты — от образования ближайших звёзд до галактик в очень далеких Вселенных.
• Датчик точного наведения (FGS) фиксируется на наблюдаемых звёздах и направляет «Хаббл» в нужном направлении. На телескопе используются три датчика. Два датчика направляют телескоп на астрономическую цель, а затем удерживают эту цель в поле зрения научного прибора. Третий датчик доступен для проведения научных наблюдений, точного измерения расстояния между звёздами и их относительного движения.
• Камера ближнего инфракрасного диапазона и многообъектный спектрометр (NICMOS) позволяет получать изображения осуществлять спектроскопические наблюдения астрономических целей в ближнем инфракрасном диапазоне. Хотя NICMOS в настоящее время неактивен, большая часть его функций заменена другими научными инструментами «Хаббла».

• Приборы, установленные на космическом телескопе «Хаббл»
• 

  Усовершенствованная камера для съёмок (ACS) в Центре космических полётов имени Годдарда.

• 

  Спектрограф изображений с космического телескопа (STIS) в 1996 году.

• 

  Спектрограф Origins Spectrograph (COS).

• 

  Широкоугольная камера 3 перед погрузкой на борт космического аппарата.

• 

  Астронавт Джозеф Таннер устанавливает датчик точного наведения (FGS).

• 

  Поперечный разрез камеры/спектографа NICMOS.

Экспедиции

Работы на телескопе во время первой экспедиции.

Помимо первой экспедиции 1993 года, в ходе которой был устранён дефект главного зеркала, а также заменены солнечные батареи, гироскопы, широкоугольная камера и другие важные компоненты, астронавты совершили к «Хабблу» ещё четыре экспедиции.

В экипаж каждой экспедиции входили семь астронавтов. Для проведения ремонтных работ им приходилось по несколько часов работать в открытом космосе. Телескоп на время ремонта помещался на платформу в грузовом отсеке прилетевшего шаттла.

11-21 февраля 1997 года — вторая сервисная экспедиция на шаттле «Дискавери». На аппарат были установлены инфракрасная камера-спектрометр NICMOS и спектрограф STIS.

13 ноября 1999 года вышли из строя несколько гироскопов, после чего аппарат перевели в безопасный режим. 19-27 декабря этого же года была совершена третья сервисная экспедиция на шаттле «Дискавери», которая провела замену всех гироскопов и установила новый бортовой компьютер.

Астронавты Майкл Гуд и Майк Массимино выполняют работы по восстановлению и модернизации космического телескопа «Хаббл» в ходе четвёртой экспедиции.

1-12 марта 2002 года прибывшая на шаттле «Колумбия» четвёртая сервисная экспедиция обновила систему охлаждения спектрометра NICMOS, устанавила новую камеру ACS, а также обновила солнечные батареи.

27 сентября 2008 года из-за сбоя при передаче данных на Землю «Хаббл» был переведен в безопасный режим.

11-24 мая 2009 года к КТХ на шаттле «Атлантис» была отправлена сервисная экспедиция: прибывшие астронавты провели ремонт спектрографа STIS и камеры ACS, заменили часть гироскопов и аккумуляторов. На аппарат был установлен новый УФ-спектрограф COS и камера WFC3.

В ходе каждой экспедиции заменялись вышедшие из строя или радикально ухудшившие свои характеристики приборы и устройства. К настоящему времени на космической обсерватории не осталось ни одного из научных приборов, с которыми она стартовала в 1990 году.

Работа с телескопом

В течение первых нескольких лет работы телескопа часть резервного времени выделялась астрономам-любителям. Их заявки рассматривались комитетом, в который входили также и наиболее известные астрономы-непрофессионалы. Основными требованиями к заявке были оригинальность исследования и несовпадение темы с поданными профессиональными астрономами запросами.

В общей сложности, в период между 1990 и 1997 годами было произведено 13 наблюдений по программам, предложенным астрономами-любителями. В дальнейшем, из-за сокращения бюджета института, предоставление времени непрофессионалам было прекращено.

Заявку на работу с «Хабблом» теперь может подать любой человек или организация, вне зависимости от её государственной или академической принадлежности. Конкуренция очень высока, а суммарно запрошенное время, как правило, в 6-9 раз превышает реально доступное.

Конкурс заявок на наблюдение объявляется примерно раз в год. Заявки делятся на несколько категорий:

• Общие наблюдения. В эту категорию попадает большинство заявок, требующих обычной процедуры и длительности наблюдений.
• Блиц-наблюдения, требующие не более 45 минут, включая время наведения телескопа, что позволяет заполнить паузы между общими наблюдениями.
• Срочные наблюдения, для изучения явлений, которые можно наблюдать в течение ограниченного, заранее известного промежутка времени.

Кроме того, 10 % времени наблюдений остаётся в так называемом «резерве директора института космического телескопа». «Хаббл» использовали в качестве инструмента в своей работе свыше 3900 астрономов.

Совершённые открытия

Поток данных, который телескоп ежемесячно генерирует в процессе наблюдений, превышает 80 Гбайт. Общий объем данных, накопленный за все время работы телескопа к середине 2011 года, составлял примерно 50 Тбайт. За 31 год своей работы «Хаббл» выполнил свыше 1,5 млн исследований Вселенной, на основе которых было подготовлено более 18 000 научных работ и совершено более двух десятков астрономических открытий.

В рамках исследования «Окно поиска транзитных внесолнечных планет в созвездии Стрельца» (SWEEPS) «Хаббл» проверил 180 000 звёзд в центральном шаровидном утолщении Млечного Пути, находящемся в 26 000 световых лет от Земли. Полученные данные совпадают с количеством планет, которые, как предполагалось, могут быть обнаружены при исследовании с такого большого расстояния. Если результат экстраполировать посредством математических методов на всю Галактику, можно прийти к выводу, что в ней содержится не менее шести миллиардов планет размером с Юпитер.

Исследуя Галактику, КТХ помог уточнить сведения о такой важнейшей характеристике звёзд, как их масса. На фотографиях некоторых туманностей обнаружены звёзды, находящиеся в эмбриональной стадии эволюции, и завершающие жизненный путь звезды, такие как белые карлики. Есть фотографии, позволившие уточнить детали строения и эволюции протопланетных дисков, из которых формируются планеты. Кроме того, с помощью КТХ астрономы открыли несколько экзопланет.

Помимо этого, «Хаббл» совершил ещё одно выдающее открытие: впервые в истории определен химический состав атмосферы экзопланеты. Планета Осирис вращается вокруг звезды HD 209458 в созвездии Пегаса. «Хаббл» установил, что в атмосфере Осириса определённо присутствуют метан, пары воды и двуокись углерода.

Ниже перечень наиболее значимых открытий, совершённых посредством телескопом «Хаббл», с точки зрения пресс-центра NASA:

• Благодаря изучению пульсирующих звёзд удалось определить возраст нашей Вселенной — 13,8 млрд лет.
• В январе 1992 года астрономы подтвердили существование планет за пределами Cолнечной системы.
• Телескоп зафиксировал столкновение кометы Шумейкера-Леви 9 с Юпитером в 1994 году. Это первые в истории фотографии столкновения двух объектов Солнечной системы.
• Телескоп детально зафиксировал эволюцию погоды Юпитера, в том числе редкий шторм вблизи экватора планеты.
• «Хаббл» сделал ряд снимков поверхности Плутона впервые с момента открытия планеты в 1930 году.
• Аппарат сфотографировал шлейф газа и пыли высотой 400 км в результате извержения вулкана на Ио, самой большой внутренней луне Юпитера.
• Подтвердил предположения о наличии сверхмассивных чёрных дыр в ядрах Галактик.
• Нашёл самый далекий из известных на сегодня космических объектов — галактику GN-z11. Сейчас мы видим её такой, какой она была 13,4 млрд лет назад.
• Подтвердил существование на спутнике Юпитера Ганимеде огромного подземного океана под 150-километровой толщей льда. На основании этого открытия астрономы внесли крупнейший в Солнечной системе спутник в список возможных кандидатов на поиск жизненных форм.
• Обнаружил водяной пар на экзопланете K2-18b из обитаемой зоны, а также первую подтвержденную межзвёздную комету 2I/Borisov.

Известные снимки, полученные телескопом

• 

  Туманность Бабочка. Центральная звезда этой планетарной туманности исключительно горячая: температура её поверхности составляет около 250 тысяч градусов Цельсия.

• 

  Туманность Кольцо относят к классу планетарных туманностей, это газовые облака, которые выбрасывают звёзды похожие на Солнце в конце своей жизни. Её размер превышает диаметр Солнечной системы в 500 раз.

• 

  Галлактика NGC 5194 со спиральной структурой. Возможно, была первой обнаруженной спиральной туманностью. Эта пара находится на расстоянии около 31 миллиона световых лет и официально принадлежит небольшому по занимаемой на небе площади созвездию Гончих Псов.

• 

  Группа галактик – квинтет Стефана. Группа из пяти галактик в созвездии Пегаса, четыре из которых формируют компактную группу галактик, пятая галактика лишь проецируется на группу.

• 

  Крабовидная туманность. Туманность образовалась в результате взрыва сверхновой. В самом центре туманности находится пульсар — нейтронная звезда с массой, равной массе Солнца, которая умещается в области размером с небольшой городок.

• 

  Звезда V838 Mon. В январе 2002 года внешняя оболочка звезды внезапно расширилась, сделав эту звезду самой яркой во всём Млечном Пути. Затем её яркость вновь внезапно ослабла. Подобную звёздную вспышку астрономам ранее наблюдать не доводилось.

• 

  Звёздное скопление R136. В центре области звездообразования находится гигантское скопление самых больших, горячих и массивных среди всех известных нам звёзд.

• The Omega Nebula (M17) resembling the fury of a raging sea. Original from NASA. Digitally enhanced by rawpixel. (32479213728).jpg

  Туманность M17 (Омега) находится в созвездии Стрельца, на расстоянии 5500 световых лет. Клочковатые сгущения плотного и холодного газа и пыли освещены излучением звёзд, находящихся на изображении вверху справа.

• 

  "Столпы творения" - структуры из газа и звёздной пыли зафиксированные телескопом в созвездии Орла.

• 

  Туманность Карина, расположенная в 7500 световых годах от Земли, представляет собой гигантское облако возрастом 3 миллиона лет, в котором тысячи звёзд проходят циклические стадии звёздной жизни и смерти. Ширина туманности составляет 300 световых лет.

• 

  Туманность Обезьянья голова (NGC 2174), снятая в инфракрасном диапазоне, находится в созвездии Ориона на расстоянии 5100 световых лет от Земли.

• 

  Группа взаимодействующих галактик Arp 273 Одна из самых красивых полученных телескопом фотографий. На снимке хорошо видна деформация, вызванная приливными силами меньшей из двух галактик на её сестринскую галактику UGC 1810.

• 

  Туманность Конская голова созвездия Ориона, появляющемуся на небе северного полушария зимой. Представляет собой молекулярное облако, состоящее в основном из водорода и пыли.

• 

  Туманность Пузырь - голубая сфера размером около десяти световых лет в созвездии Кассиопеи. Цвет ей придает ионизированный водород, из которого она в основном состоит.

• 

  Галактика Сомбреро находится на расстоянии 47 миллионов световых лет от нас, в самом сердце созвездия Девы.

В искусстве и культуре

В 2010 году вСША был снят документальный фильм «Хаббл» о полётах шаттлов для ремонта и модернизации космического телескопа. Режиссёр фильма — Тони Майерс, текст озвучивает актёр Леонардо Ди Каприо. Упоминание телескопа также можно встретить в масштабном фантастическом фильме «Армагеддон» 1998 года, где именно «Хаббл» делает первые снимки огромного метеорита, летящего к Земле.

В кинокомедии 1991 года «Голый пистолет 2½: Запах страха» обыгран дефект главного зеркала выявленный в начале миссии «Хаббла», это ситуация поставлена в один ряд с такими катастрофами, как крушение «Титаника» и затопление «Лузитании», взрыв дирижабля «Гинденбург» и землетрясение в Сан-Франциско 1906 года.

С 1998 по 2016 год был запущен проект «Наследие Хаббла», курируемый группой астрономов и специалистов по обработке изображений из Научного института космического телескопа. Целью проекта было использование архива изображений космического телескопа «Хаббл» для создания художественно высоких изображений Вселенной.

В США работает передвижная выставка, знакомящая посетителей с космическим телескопом «Хаббл». На выставке представлена ​​масштабная модель телескопа, а также несколько «спутниковых» блоков. Также, на выставке представлены работы, демонстрирующие вклад Хаббла в исследование планет, звёзд, галактик и Вселенной.

В честь 30-летия со дня запуска «Хаббла» центром NASA были записаны четыре выпуска подкаста.