Космический телескоп «Хаббл

Космический телескоп «Хаббл» (Hubble Space Telescope, HST) — автоматическая обсерватория на околоземной орбите, предназначенная для наблюдений в видимом, ультрафиолетовом и ближнем инфракрасном диапазонах электромагнитного спектра. Является совместным проектом Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) и Европейского космического агентства (ЕКА). Запущенный 24 апреля 1990 года, «Хаббл» стал первым крупным оптическим телескопом, выведенным в космос, и остаётся одной из самых продуктивных и известных научных обсерваторий в истории астрономии. Назван в честь американского астронома Эдвина Хаббла.

История создания

Предпосылки и разработка

Идея размещения телескопа за пределами земной атмосферы, которая искажает и поглощает значительную часть электромагнитного излучения, возникла ещё в 1946 году в статье астрофизика Лаймана Спитцера. В 1960-х годах NASA и Академия наук США начали проработку проекта «Большого орбитального телескопа». В 1977 году Конгресс США утвердил финансирование программы, и началась разработка. Основным подрядчиком стала компания Lockheed Martin (сборка космического аппарата), оптическую систему изготавливала PerkinElmer.

Первоначально запуск планировался на 1983 год, но из-за технических сложностей, проблем с зеркалом и катастрофы шаттла «Челленджер» (1986) он был отложен. Только 24 апреля 1990 года телескоп был выведен на орбиту шаттлом «Дискавери» (миссия STS-31).

Дефект зеркала и первые миссии обслуживания

Сразу после ввода в эксплуатацию выяснилось, что главное зеркало телескопа диаметром 2,4 метра имеет сферическую аберрацию — ошибку в форме поверхности порядка 2 микрометров. Это привело к тому, что получаемые изображения были размытыми, а научная программа оказалась под угрозой срыва. Причиной стал дефект в работе нуль-корректора — прибора для контроля формы зеркала во время его шлифовки.

Для исправления ситуации в декабре 1993 года была проведена первая сервисная миссия (STS-61). Астронавты установили на телескоп систему коррекции оптики COSTAR (Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement), которая компенсировала аберрацию для большинства научных инструментов. Качество изображений достигло проектного уровня, и «Хаббл» начал полноценную работу. Всего было проведено пять плановых сервисных миссий (последняя — в мае 2009 года), в ходе которых заменялись гироскопы, аккумуляторы, научные приборы и обновлялось бортовое программное обеспечение.

Текущий статус

После завершения программы Space Shuttle в 2011 году обслуживание телескопа стало невозможным. Тем не менее, «Хаббл» продолжает работать, хотя некоторые системы (гироскопы, аккумуляторы) постепенно деградируют. По состоянию на 2024 год телескоп находится в рабочем состоянии и выполняет научные наблюдения. Ожидается, что он будет функционировать до конца 2020-х — начала 2030-х годов, после чего будет выведен с орбиты или переведён на более высокую «кладбищенскую» орбиту.

Устройство и характеристики

Орбита и система управления

«Хаббл» находится на низкой околоземной орбите высотой около 540 километров с наклонением 28,5 градусов. Период обращения составляет примерно 96 минут. Телескоп не имеет собственных двигателей для коррекции орбиты — для подъёма высоты использовались двигатели шаттлов во время сервисных миссий.

Система ориентации обеспечивает точность наведения до 0,007 угловых секунд. Она включает:

• Гироскопы (изначально 6, после модернизации — 2 для экономии ресурса) — измеряют скорость вращения.
• Звёздные датчики — определяют положение по опорным звёздам.
• Реактивные маховики — управляют поворотами телескопа без расхода топлива.

Оптическая система

Телескоп построен по схеме Ричи-Кретьена — модификация системы Кассегрена. Свет собирается главным вогнутым зеркалом диаметром 2,4 метра и отражается на выпуклое вторичное зеркало, которое направляет его в фокальную плоскость. Эффективное фокусное расстояние — 57,6 метра. Отражающая поверхность зеркал покрыта слоем алюминия и защитным слоем фторида магния.

Научные приборы

За время эксплуатации состав научных приборов менялся. В разные периоды на борту устанавливались:

• WFC3 (Wide Field Camera 3) — широкоугольная камера, установленная в 2009 году. Работает в видимом, ультрафиолетовом и ближнем инфракрасном диапазонах.
• ACS (Advanced Camera for Surveys) — усовершенствованная обзорная камера (установлена в 2002 году). Частично вышла из строя, но используется для некоторых наблюдений.
• STIS (Space Telescope Imaging Spectrograph) — спектрограф для получения спектров объектов.
• COS (Cosmic Origins Spectrograph) — спектрограф для изучения ультрафиолетового излучения (установлен в 2009 году).
• NICMOS (Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer) — инфракрасная камера и спектрометр (выведен из эксплуатации).
• FOC (Faint Object Camera) — камера для слабых объектов (демонтирована).
• GHRS (Goddard High Resolution Spectrograph) — спектрограф высокого разрешения (демонтирован).
• FOS (Faint Object Spectrograph) — спектрограф для слабых объектов (демонтирован).

Энергоснабжение

Электроэнергию телескоп получает от двух солнечных батарей общей площадью около 30 квадратных метров, вырабатывающих до 5,7 кВт. В периоды нахождения в тени Земли питание обеспечивается никель-водородными аккумуляторными батареями.

Ключевые научные достижения

Определение возраста и расширения Вселенной

Одним из главных результатов работы «Хаббла» стало точное измерение постоянной Хаббла — скорости расширения Вселенной. Наблюдения за сверхновыми типа Ia на больших расстояниях позволили в 1998 году открыть ускорение расширения Вселенной, что привело к формулировке концепции тёмной энергии. За это открытие в 2011 году была присуждена Нобелевская премия по физике Солу Перлмуттеру, Брайану Шмидту и Адаму Риссу.

Глубокие поля

Проекты Hubble Deep Field (1995), Ultra Deep Field (2004) и eXtreme Deep Field (2012) — это длительные экспозиции одного небольшого участка неба, позволившие увидеть галактики на расстоянии до 13,4 миллиарда световых лет, то есть вскоре после Большого взрыва. Эти изображения стали основой для изучения эволюции галактик и формирования крупномасштабной структуры Вселенной.

Эволюция звёзд и планет

Телескоп позволил получить детальные изображения протопланетных дисков вокруг молодых звёзд в туманности Ориона, что подтвердило теории формирования планетных систем. Наблюдения за звёздными скоплениями (например, шаровым скоплением M13) дали данные о возрасте звёзд и процессах их эволюции. Также «Хаббл» зафиксировал столкновение кометы Шумейкеров-Леви-9 с Юпитером в 1994 году.

Изучение экзопланет

Хотя «Хаббл» не предназначен для прямого поиска экзопланет, он сыграл ключевую роль в их изучении. С помощью спектроскопии были обнаружены молекулы воды, метана, углекислого газа и других соединений в атмосферах горячих юпитеров. В 2013 году телескоп впервые зафиксировал спектр атмосферы суперземли GJ 1214 b.

Другие открытия

• Определение точного возраста Вселенной (13,8 миллиарда лет).
• Наблюдение за сверхмассивными чёрными дырами в центрах галактик.
• Создание карт поверхности Плутона (до пролёта New Horizons).
• Обнаружение спутников у астероидов и карликовых планет.

Критика и ограничения

Технические ограничения

«Хаббл» не может наблюдать объекты в инфракрасном диапазоне с длинами волн более 2,5 микрометров из-за собственного теплового излучения телескопа. Также он не способен вести наблюдения в рентгеновском и гамма-диапазонах. Угловое разрешение, хотя и высокое (около 0,05 угловой секунды), уступает возможностям наземных телескопов, оснащённых адаптивной оптикой, в некоторых режимах.

Финансовая критика

Стоимость программы «Хаббл» за весь период эксплуатации превысила 10 миллиардов долларов. Критики указывали на то, что эти средства можно было направить на создание нескольких более дешёвых специализированных телескопов. Однако сторонники программы отмечают, что «Хаббл» остаётся самым продуктивным научным инструментом в истории астрономии по числу публикаций и цитирований.

Конкуренция с наземными обсерваториями

С развитием адаптивной оптики и строительством гигантских наземных телескопов (ELT, TMT, GMT) часть задач «Хаббла» может быть решена с Земли. Тем не менее, наблюдения в ультрафиолетовом диапазоне, недоступном с поверхности, остаются уникальной прерогативой космических телескопов.

Наследие и будущее

«Хаббл» стал символом современной астрономии и популяризации науки. Его изображения, обработанные в цвете, публикуются в СМИ и используются в образовательных целях. Телескоп также сыграл важную роль в развитии технологий космических наблюдений.

Преемником «Хаббла» является космический телескоп «Джеймс Уэбб» (James Webb Space Telescope), запущенный 25 декабря 2021 года. В отличие от «Хаббла», он работает преимущественно в инфракрасном диапазоне и находится в точке Лагранжа L2 системы Солнце—Земля. Планируется, что после завершения работы «Хаббла» его функции частично возьмёт на себя проектируемый космический телескоп WFIRST (Nancy Grace Roman Space Telescope).

Источники

• NASA. Hubble Space Telescope. Official Website.
• European Space Agency. Hubble Space Telescope. ESA Science & Technology.
• Лайман Спитцер. «Astronomical Advantages of an Extra-Terrestrial Observatory» (1946).
• Robert W. Smith. «The Space Telescope: A Study of NASA, Science, Technology, and Politics» (1989).
• John M. Grunsfeld et al. «The Hubble Space Telescope Servicing Missions» (2009).
• Adam G. Riess et al. «Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant» (1998).
• Hubble Deep Field Team. «The Hubble Deep Field: Observations, Data Reduction, and Galaxy Photometry» (1996).