30 лет телескопу «Хаббл» 

24 апреля 1990 года на орбиту Земли был выведен телескоп «Хаббл». Он подарил человечеству снимки Вселенной, поражающие своей красотой, а научному сообществу — грандиозные возможности для изучения устройства мира. В день тридцатилетия «Хаббла» Рамблер рассказывает, как рождался, с какими трудностями столкнулся и как стал легендой знаменитый орбитальный телескоп.
Звезды и небо занимали человека всегда. Самые ранние упоминания о звездах и Луне на небе датируются 6-4 тысячелетием до нашей эры, еще до появления египетской и шумерской цивилизаций. Вавилоняне дали созвездиям имена, шумеры составили лунный календарь, греки осознали, что Земля представляет собой шар и вращается вокруг Солнца. Но настоящая эпоха изучения небесных тел и астрономических открытий началась с изобретением Галилео Галилеем телескопа в 1609 году. Сотни лет человечество совершенствовало изобретение Галилея, пока наконец в космос на орбиту Земли не вышел самый знаменитый телескоп современности — «Хаббл». Его появление ознаменовало новую эпоху в деле изучения космоса.
Идею отправить телескоп в космос впервые сформулировал немецкий инженер и один из основоположников космонавтики Герман Оберт, у которого учился знаменитый Вернер фон Браун — немецко-американский коллега и конкурент . К 1946 году американский физик Лайман Спитцер написал научную статью о преимуществах внеземной обсерватории. Спитцер предполагал, что разрешение снимков, сделанных из космоса, будет в 10 раз выше, чем у наземных обсерваторий, которым мешает земная атмосфера. К тому же, в космосе можно улавливать малейшее ультрафиолетовое и инфракрасное звездное излучение, которое гасится в атмосфере.
На момент публикации статьи Спитцера, космический телескоп оставался лишь смелой фантазией — ракетостроение пребывало в зачаточной фазе, а до запуска первого искусственного спутника Земли (советского «Спутника-1») оставались долгие 11 лет. Однако начало было положено. Более 15 лет Лайман Спитцер потратил на продвижение своей концепции. Лишь после того, как в космосе побывали ракеты, животные и человек, а Великобритания запустила первый космический телескоп, Национальная США сдалась и порекомендовала включить проект орбитального телескопа в космическую программу. В знак признания неутомимый Лайман Спитцер был назначен главой комитета, которому предстояло определить задачи для будущего телескопа.
Перед тем как браться за долгий и грозящий стать очень затратным проект, решили проверить концепцию, запустив небольшую орбитальную обсерваторию ОАО-1. Проверка не удалась — спутник отключился через три дня из-за поломки аккумуляторов. Следующий спутник ОАО-2 за четыре года своей работы доказал, что большой и мощный орбитальный телескоп просто необходим — возможности обсерваторий ОАО были хороши, но явно недостаточны для исследований глубокого космоса.
В 1968 году NASA утвердили программу создания большого орбитального телескопа с кодовым именем Large Space Telescope. Телескоп проектировался с оглядкой на будущий носитель, которому было суждено вывести обсерваторию на орбиту и после заниматься его техническим обслуживанием. Этим носителем должен был стать корабль только что начатой программы «Космическая транспортная система», позже получившей имя «Спейс Шаттл».
Перед началом работ NASA предстояло совершить невозможное — добиться финансирования, защитив проект перед . Объяснить далеким от науки и космоса политикам всю важность телескопа для мировой науки оказалось не так-то просто, поэтому изначальную смету существенно урезали, а в 1974 году проект потребовали закрыть. Астрономы и ученые были вынуждены лично лоббировать идею телескопа, а заодно привлечь Национальную Академию Наук. Совместные усилия увенчались частичным успехом, проекту Large Space Telescope выделили половину изначального бюджета — $36 млн (здесь и далее все цены умножайте на 4, чтобы получить современные доллары), которых никак не могло хватить на реализацию проекта. Ближе к окончанию работ телескоп получил имя «Хаббл» в честь американского астронома Эдвина Хаббла, доказавшего существование других галактик, помимо нашего Млечного пути.
К созданию телескопа были привлечены многие серьезные компании, способные производить детали с высочайшей точностью. Самая важная часть телескопа, от которой зависят его снимки, — главное зеркало. Чтобы полностью избежать искажений снимков, вызванных неровностями зеркала, его необходимо было отполировать с допуском в 1/20 длины волны видимого света, то есть с погрешностью не более 30 нм (нанометр — миллиардная часть метра). Таким идеальным должно было стать зеркало с диаметром 2,5 метра, но в конце 1970-х устаревшие аналоговые станки могли не справиться с такой сложной задачей. Лишь в 1979 году у американской компании Perkin-Elmer появился первый цифровой шлифовальный станок с числовым программным управлением (ЧПУ), который мог обеспечить более высокую точность. Для перестраховки NASA заключили два контракта на производство двух одинаковых главных зеркал: главным поставщиком должен был стать Perkin-Elmer, а запасное зеркало заказали , у которых не было станков с ЧПУ, но имелся большой опыт производства оптики для военно-космических систем слежения. Кстати, стеклянную заготовку для Perkin-Elmer отлили на заводе компании Corning, которая живет и здравствует по сей день, поставляя под маркой Gorilla Glass прочные стекла для смартфонов.
Зеркало «Хаббла» преследовали неудачи с самого старта. Начав полировку в 1979 году, Perkin-Elmer затянули процесс на два года. Даже по меркам NASA, привыкшим к срывам сроков и перерасходу бюджетов, подрядчик категорически не справлялся с задачей, ставя под угрозу весь проект — запуск телескопа был запланирован на 1983 год, а отвечать перед Конгрессом за задержки проекта, чья стоимость успела вырасти в 10 раз, никто не хотел. В итоге NASA для экономии остановили производство второго зеркала и перенесли запуск на 1984 год. К маю 1981 года основное зеркало было готово. Чтобы отмыть отполированное стекло от пасты, потребовалось 9100 литров горячей деионизированной воды.
Справившись с главным зеркалом, Perkin-Elmer взялись за другие элементы «Хаббла», но предполагаемые сроки работ увеличились вдвое, бюджет всего проекта подскочил до огромных по тем временам $1,175 млрд, а запуск телескопа вновь перенесли на 1986 год. К этому времени формально «Хаббл» был готов, но отправиться наконец в космос в 1986 году телескопу не удалось — из-за катастрофы шаттла «Челенджер» полеты челноков были приостановлены.
С одной стороны, инженеры были рады очередной отсрочке, в течение которой им удалось усовершенствовать конструкцию телескопа и обновить некоторое устаревшее оборудование. С другой, администрация проекта скрежетала зубами от растущих смет. «Хаббл» нельзя было просто накрыть брезентом и оставить на складе до лучших времен. Из-за наличия гигроскопичных материалов, впитывающих влагу, которая в космосе могла превратиться в лед, огромный телескоп нужно было хранить в бескислородной среде. А на главном зеркале не должно было остаться пылинок, которые могли повлиять на качество изображения. В итоге для «Хаббла» была построена специальная комната, беспрерывно продуваемая азотом. Эксплуатация уникального хранилища обходилась в $6 млн в месяц, а срок запуска оставался неизвестным.
Наконец, «Хабблу» выделили место на борту шаттла «Дискавери» в рамках миссии STS-31, назначенной на 1990 год. Телескоп провел в азотной камере четыре года, а полный бюджет проекта к тому моменту составил $4,7 млрд, что в 10 раз превышало первичные оценки NASA.
24 апреля 1990 года с семилетним отставанием от запланированного графика «Хаббл» был запущен в грузовом отсеке шаттла «Дискавери». Поднявшись на высоту 612 км, шаттл раскрыл створки отсека и механическим манипулятором плавно достал и отпустил телескоп в открытый космос. При включении систем «Хаббла» одна из солнечных панелей застопорилась, из-за чего астронавтам пришлось готовиться к внеплановому выходу наружу для раскрытия панели вручную, но вскоре проблему устранили командой с Земли.
Вскоре телескоп отправил свои первые снимки. Увидев их, астрономы были ошеломлены — фотографии оказались ужасными.
Делая всё новые и новые кадры, ученые не могли понять причин низкого качество изображений. Все фотографии были расплывчатыми и нечеткими. Трудно представить, сколько нервов руководству программы стоил поиск причин этой проблемы — проект, стоивший миллиарды долларов и длившийся мучительно долгие 12 лет, вместо триумфа мог обернуться грандиозным позором.
Специальная комиссия подняла все бумаги по проекту. И после детального изучения документации Perkin-Elmer обнаружилось, что главное зеркало отполировано неправильно. При допуске 20 нм отклонение от заданных параметров составило 2000 нм, то есть в 100 раз больше разрешенного. Причем инженеры Perkin-Elmer косвенно знали о проблеме.
За соблюдением параметров при полировке следили один главный и два запасных нуль-корректора (приборы, измеряющие кривизну поверхности). Главный корректор говорил, что полировка проходит нормально, хотя запасные корректоры указывали на серьезные ошибки. Ответственный сотрудник предпочел довериться одному основному прибору вместо двух запасных. Но он не знал, что другой механик при сборке основного нуль-корректора допустил неточность при монтаже линзы. Заметив неожиданную щель, он просто вложил в нее металлическую шайбу. Когда речь идет о нанометровой точности, миллиметровая шайба — плохой помощник.
Головомойку устроили не только Perkin-Elmer, но и NASA за безответственный контроль качества. Однако поиск виноватых не решал проблемы, а проблема стояла более чем серьезная. Ближайшая миссия шаттла к «Хабблу» для проведения технического обслуживания планировалась только через три года, но к этому времени надо было разработать максимально эффективное решение. Несмотря на то, что Kodak завершили полировку второго зеркала, о его установке не могло быть и речи. В условиях космоса замену провести невозможно в принципе, а спускать телескоп на Землю, пересобирать с соблюдением всех процедур, и отправлять на орбиту заново — космически дорогая авантюра для проекта, вышедшего далеко за пределы всех возможных бюджетов и сроков.
На удачу инженеров, все параметры готового зеркала были тщательно задокументированы, в том числе и величина искривления. Благодаря высокой точности ошибки можно было создать систему зеркал, компенсирующих ошибку фокусировки подобно тому, как очки компенсируют близорукость. Разработанная система оптической коррекции COSTAR состояла из двух зеркал, которые немного изменяли точку фокуса у изображения с главного зеркала. Конструкция получилась простой, но очень эффективной.
2 декабря 1993 года шаттл «Индевор» с экипажем отправился на ремонт «Хаббла». С помощью манипулятора телескоп аккуратно подхватили и «припарковали» в грузовом отсеке корабля. В течение десяти дней астронавты выходили в космос, меняя оборудование «Хаббла» на новое и устанавливая COSTAR. В январе 1994 года NASA объявило об успехе миссии и опубликовало новые снимки. Качество старых и новых фотографий было несопоставимым — «Хаббл» наконец смог увидеть звезды четким взглядом.
В следующие годы «Хаббл» буквально совершил революцию в астрономии. Телескоп не просто отправлял на Землю снимки высокой четкости — он смог увидеть то, что невозможно разглядеть с поверхности планеты ни в один телескоп. Один из самых важных в истории снимков был сделан в декабре 1995 года, он получил название Hubble Deep Field. На черном фоне космоса телескоп запечатлел более 3000 светящихся объектов, большая часть из которых — галактики. Ценность фотографии была даже не в том, что на одном кадре уместилось бесчисленное множество звезд, составляющих тысячи галактик, а в том, что Hubble Deep Field заглянул на миллиарды лет в прошлое. После анализа удалось установить, что самые далекие на снимке галактики находятся от нас на расстоянии 12 млрд световых лет. То есть их удалось запечатлеть такими, какими они были сразу после рождения Вселенной.
Один из своих самых красивых снимков «Хаббл» сделал 1 апреля 1995 года. На нем видна небольшая часть туманности Орла, в которой скопления газа как бы образуют столпы. Из этих газов образуются звезды, так что в некотором роде зритель видит столпы творения звезд. Но по-настоящему удивительно в этой фотографии то, что она сделана в видимом диапазоне, то есть все цвета на ней настоящие. Фото ниже — новая версия «столпов», снятая в 2014 году усовершенствованной камерой.
Изображения, получаемые телескопом, — это не обычные снимки фотоаппарата, а совмещенные и раскрашенные черно-белые изображения света с разной длиной волны. То, что нельзя увидеть глазом, можно зафиксировать датчиками, затем преобразовать в монохромный снимок излучения и придать ему соответствующий длине волны цвет — красный, желтый, синий, фиолетовый и так далее. Вселенная действительно настолько яркая и красивая, какой ее видит «Хаббл», просто человеческий глаз слишком слаб, чтобы разглядеть всё буйство палитры космических пейзажей.
Среди прочих важных достижений телескопа «Хаббл» значатся доказательство существования сверхмассивных черных дыр в центре галактик, уточнение возраста Вселенной (13,7 млрд лет), первые снимки поверхности Плутона, появление современной космологической теории о расширяющейся Вселенной и темной материи.
Помимо грандиозного научного вклада, телескоп «Хаббл» также полностью перевернул устройство современной астрономии. Земные телескопы доступны только строго ограниченному кругу лиц, а результаты наблюдений остаются собственностью астрономов. Но доступ к «Хабблу» может получить любой желающий — достаточно составить заявку на наблюдения. Спрос превышает объем доступного времени в 6-9 раз, поэтому далеко не все заявки могут быть удовлетворены. Однако начать свое исследование звездного неба с помощью «Хаббла» можно совершенно бесплатно и вне зависимости от государственной принадлежности.
Снимки, получаемые с «Хаббла», публикуются как общественное достояние, то есть они не имеют ограничений, связанных с авторскими правами. Если же исследование было сделано по заявке, авторские права на фотографии и данные принадлежат заказчику только год, по истечении которого снимки переводятся в общий доступ.
За 30 лет нахождения на орбите «Хаббл» четырежды подвергался техническому обслуживанию. Последняя экспедиция к телескопу состоялась в 2009 году, за два года до закрытия программы «Спейс Шаттл». Экипаж миссии STS-125 обновил камеру, аккумуляторы, гироскопы и датчики точного наведения телескопа, а также убрал ставший ненужным COSTAR. Прощальным подарком для телескопа стал модуль для стыковки с автоматическими кораблями, которые потенциально в будущем могут быть запущены для корректировки орбиты «Хаббла». Пока планов по созданию таких роботов нет.
Телескоп «Хаббл» превысил расчетный срок службы после последнего ремонта на 6 лет. На смену ему готовится новый телескоп «Джеймс Уэбб» с самым современным оборудованием и огромным главным зеркалом. Но сроки запуска «Джеймса Уэбба» который год сдвигаются — пока что его вывод на орбиту запланирован на март 2021 года.
К 2018 году на «Хаббле» осталось три из шести работающих гироскопов — необходимый минимум для функционирования телескопа. При поломке еще одного из них точность наведения значительно снизится, но все же на какое-то время телескоп останется в строю. Учитывая активную работу над «Джеймсом Уэббом» и прекращение эксплуатации шаттлов, крайне маловероятно, что «Хаббл» вернут с орбиты, сделав из него музейный экспонат. Однажды «Хаббл» окончательно исчерпает резервы, отправит на Землю свой последний снимок и замолкнет навсегда. Но еще долгое время его стеклянное безжизненное око будет смотреть в бесконечную черноту, испещренную неисчислимой россыпью звезд и галактик, мерцающих рожденным миллиарды лет назад светом.
Фотографии в материале: NASA, Wikipedia.