Хаббл

Хаббл (англ. Hubble Space Telescope, HST) — автоматическая обсерватория на околоземной орбите, космический телескоп, работающий в видимом, ультрафиолетовом и ближнем инфракрасном диапазонах электромагнитного спектра. Назван в честь американского астронома Эдвина Хаббла. Представляет собой совместный проект Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) и Европейского космического агентства (ESA). Запущенный 24 апреля 1990 года шаттлом «Дискавери» (миссия STS-31), телескоп стал одним из самых значимых инструментов в истории астрономии, позволив получить изображения и данные, коренным образом изменившие представления о Вселенной.

История создания и запуск

Идея вывода телескопа за пределы земной атмосферы, которая искажает и поглощает часть излучения, возникла ещё в 1940-х годах. Американский астроном Лайман Спитцер в 1946 году опубликовал статью, обосновывающую преимущества космической астрономии. В 1960-х годах NASA и Академия наук США начали проработку проекта Большого космического телескопа (Large Space Telescope, LST). В 1977 году Конгресс США одобрил финансирование, и проект получил официальное название «Космический телескоп имени Хаббла».

Строительство телескопа велось компаниями Perkin-Elmer (оптическая система) и Lockheed Martin (космическая платформа). Первоначально запуск планировался на 1983 год, но из-за технических сложностей и катастрофы шаттла «Челленджер» в 1986 году он был отложен. Запуск состоялся 24 апреля 1990 года.

Дефект главного зеркала

Вскоре после начала работы, в 1990 году, выяснилось, что главное зеркало телескопа диаметром 2,4 метра имеет сферическую аберрацию — дефект формы, из-за которого изображения были размытыми. Причина заключалась в ошибке при сборке нуль-корректора — прибора для контроля формы зеркала. Это привело к тому, что зеркало было отполировано с отклонением от расчётной кривизны на 2 микрона.

Дефект делал телескоп практически непригодным для большинства научных наблюдений. Для исправления ситуации была разработана специальная система коррекции — COSTAR (Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement). В декабре 1993 года экипаж шаттла «Индевор» (миссия STS-61) провёл первую сервисную миссию, установив COSTAR и заменив камеру WF/PC на улучшенную WFPC2. После этого качество изображений достигло проектных параметров.

Устройство и конструкция

Телескоп «Хаббл» представляет собой цилиндрический аппарат длиной 13,2 метра и максимальным диаметром 4,2 метра. Его масса на момент запуска составляла около 11 110 кг.

Оптическая система

Телескоп построен по схеме Ричи — Кретьена, являющейся разновидностью системы Кассегрена. Свет собирается главным вогнутым гиперболическим зеркалом диаметром 2,4 метра, затем отражается на вторичное выпуклое зеркало диаметром 0,3 метра, которое направляет свет через отверстие в главном зеркале на научные приборы. Фокусное расстояние системы составляет 57,6 метра.

Научные приборы

За время эксплуатации приборный состав телескопа неоднократно обновлялся в ходе сервисных миссий. Ключевые инструменты, работавшие на «Хаббле» в разные периоды:

• WFPC2 (Wide Field and Planetary Camera 2) — широкоугольная камера, установленная в 1993 году. Заменила оригинальную WFPC и стала основным инструментом для получения изображений высокого качества.
• ACS (Advanced Camera for Surveys) — усовершенствованная обзорная камера, установленная в 2002 году. Значительно расширила поле зрения и чувствительность телескопа.
• WFC3 (Wide Field Camera 3) — широкоугольная камера третьего поколения, установленная в 2009 году. Работает в видимом, ультрафиолетовом и ближнем инфракрасном диапазонах.
• STIS (Space Telescope Imaging Spectrograph) — спектрограф для получения спектров точечных и протяжённых объектов.
• NICMOS (Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer) — камера и спектрометр для работы в ближнем инфракрасном диапазоне. Требовала криогенного охлаждения.

Системы ориентации и энергоснабжения

Для точного наведения на объекты «Хаббл» использует систему из трёх гиродинов (маховиков) и датчиков точного наведения (Fine Guidance Sensors, FGS). Энергоснабжение обеспечивается двумя солнечными батареями общей площадью около 30 квадратных метров, вырабатывающими до 5,6 кВт электроэнергии. Для хранения энергии используются никель-водородные аккумуляторы.

Сервисные миссии

«Хаббл» был спроектирован как обслуживаемый аппарат. За время работы было проведено пять плановых сервисных миссий с участием шаттлов:

1. STS-61 (1993) — установка COSTAR и замена камеры WF/PC на WFPC2.
2. STS-82 (1997) — замена спектрографов и гиродинов.
3. STS-103 (1999) — ремонт и замена гиродинов, замена компьютера.
4. STS-109 (2002) — установка ACS и ремонт NICMOS.
5. STS-125 (2009) — последняя миссия. Установка WFC3, ремонт STIS и ACS, замена аккумуляторов, гиродинов и других систем. После этой миссии срок службы телескопа был продлён как минимум до 2020-х годов.

После завершения программы «Спейс Шаттл» в 2011 году обслуживание телескопа стало невозможным. В настоящее время «Хаббл» продолжает работу в автономном режиме.

Научные достижения

Данные, полученные с помощью «Хаббла», оказали огромное влияние на множество областей астрономии и космологии.

Определение возраста и расширения Вселенной

Одним из главных результатов стало точное определение постоянной Хаббла — скорости расширения Вселенной. Наблюдения за цефеидами в далёких галактиках позволили уточнить шкалу космических расстояний и установить, что возраст Вселенной составляет около 13,8 миллиарда лет.

Тёмная энергия

В 1998 году, анализируя данные о сверхновых типа Ia, полученные в том числе с «Хаббла», две независимые группы астрономов (проекты Supernova Cosmology Project и High-Z Supernova Search Team) пришли к выводу, что расширение Вселенной не замедляется, а ускоряется. Это открытие привело к появлению концепции тёмной энергии и было удостоено Нобелевской премии по физике в 2011 году.

Глубокие поля

«Хаббл» провёл серию наблюдений, известных как «Глубокие поля» (Hubble Deep Field, Hubble Ultra Deep Field, Hubble eXtreme Deep Field). Суммируя свет от одной крошечной области неба в течение длительного времени (до нескольких недель), телескоп получал изображения, на которых видны тысячи галактик, находящихся на расстоянии в миллиарды световых лет. Эти снимки позволили изучить эволюцию галактик от ранних этапов формирования Вселенной до современности.

Экзопланеты

«Хаббл» внёс значительный вклад в изучение экзопланет. Он впервые обнаружил атмосферу у экзопланеты (HD 209458b), измерил её состав, включая наличие водорода, кислорода, углерода и натрия. Телескоп также наблюдал за погодой на планетах-гигантах и искал признаки воды в атмосферах суперземель.

Эволюция звёзд и галактик

Телескоп зафиксировал подробные изображения туманностей, таких как «Конская Голова», «Столпы Творения» в туманности Орёл, и протопланетных дисков. Он позволил наблюдать за процессами рождения и гибели звёзд, а также за слияниями галактик. Наблюдения за чёрными дырами в центрах галактик подтвердили существование сверхмассивных чёрных дыр и позволили измерить их массы.

Эксплуатация и текущее состояние

По состоянию на 2025 год «Хаббл» продолжает работу. В 2021 году, после запуска космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST), «Хаббл» не был выведен из эксплуатации, а продолжает выполнять наблюдения, дополняя данные JWST. «Хаббл» работает в видимом и ультрафиолетовом диапазонах, в то время как JWST специализируется на инфракрасном.

В 2024 году телескоп столкнулся с проблемами в работе гиродинов, что привело к временным переходам в безопасный режим. Инженеры NASA разработали методы для продолжения работы с использованием одного гиродина. Ожидается, что «Хаббл» будет функционировать до конца 2020-х или начала 2030-х годов, пока его системы не выйдут из строя окончательно.

Критика и ограничения

Несмотря на выдающиеся научные результаты, «Хаббл» имеет ряд ограничений. Основным из них является невозможность обслуживания после 2009 года, что делает его уязвимым к отказам компонентов. Кроме того, телескоп не может наблюдать объекты, находящиеся слишком близко к Солнцу, и имеет ограниченное поле зрения. Время наблюдения на телескопе является конкурентным ресурсом, и лишь небольшая часть заявок от астрономов получает одобрение.

Интересные факты

• «Хаббл» передал на Землю более 150 терабайт данных (по состоянию на 2020 год).
• Количество научных статей, основанных на данных «Хаббла», превышает 18 000.
• Телескоп совершает оборот вокруг Земли примерно за 96 минут.
• Стоимость проекта на момент запуска оценивалась в 1,5 миллиарда долларов, а с учётом всех сервисных миссий и эксплуатации превысила 10 миллиардов долларов.

Источники

• NASA. Hubble Space Telescope. Официальный сайт проекта.
• ESA. Hubble Space Telescope. Официальный сайт проекта.
• Книга: «Hubble: 15 Years of Discovery» (2005).
• Книга: «The Hubble Space Telescope: From Concept to Success» (2016).
• Научные публикации в журналах Nature, Science, The Astrophysical Journal.