Космический телескоп Хаббл

Космический телескоп «Хаббл» (Hubble Space Telescope, HST) — автоматическая обсерватория на околоземной орбите, представляющая собой рефлектор системы Ричи-Кретьена с диаметром главного зеркала 2,4 метра. «Хаббл» является совместным проектом НАСА (США) и Европейского космического агентства (ЕКА) и предназначен для наблюдений в видимом, ультрафиолетовом и ближнем инфракрасном диапазонах электромагнитного спектра. Запущенный 24 апреля 1990 года шаттлом «Дискавери» (миссия STS-31), телескоп стал первым крупным инструментом в рамках программы «Великие обсерватории» НАСА и одним из самых результативных и известных научных приборов в истории астрономии.

История

Предпосылки и разработка

Идея вывода телескопа за пределы земной атмосферы, которая искажает и поглощает значительную часть электромагнитного излучения, возникла ещё в 1920-х годах. Однако практическая реализация стала возможной только с развитием ракетной техники. В 1946 году американский астрофизик Лайман Спитцер опубликовал статью «Астрономические преимущества внеземной обсерватории», которая считается основополагающей для проекта. В 1960-х годах НАСА начало серию экспериментов с орбитальными телескопами, в том числе с проектом «Стратоскоп», запускаемым на воздушных шарах.

В 1977 году Конгресс США одобрил финансирование проекта, который первоначально назывался «Космический телескоп» (Space Telescope). В 1983 году телескоп был назван в честь американского астронома Эдвина Хаббла, доказавшего существование других галактик и открывшего закон расширения Вселенной. Сборка телескопа велась компанией Lockheed Martin (США) и рядом европейских подрядчиков. Оптическая система была изготовлена компанией Perkin-Elmer.

Запуск и первоначальные проблемы

Запуск, первоначально запланированный на 1986 год, был отложен из-за катастрофы шаттла «Челленджер». Телескоп был выведен на орбиту 24 апреля 1990 года. Почти сразу после начала работы была обнаружена серьёзная проблема: главное зеркало телескопа имело сферическую аберрацию — дефект шлифовки, из-за которого изображения были размытыми. Ошибка составляла около 1/50 длины волны, что делало телескоп непригодным для большинства запланированных научных наблюдений.

Причина была установлена: из-за ошибки в расчётах тестового оборудования (неправильно установленный корректор нулевого расширения) зеркало было отшлифовано слишком плоским по краям. Вместо того чтобы фокусировать 70% света в пятно диаметром 0,1 угловой секунды, телескоп фокусировал лишь 10-15% света в приемлемое пятно.

Спасательные миссии и модернизация

Поскольку телескоп был спроектирован для обслуживания на орбите, НАСА разработало план исправления дефекта. В декабре 1993 года шаттл «Индевор» (миссия STS-61) доставил на орбиту систему коррекции COSTAR (Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement). COSTAR представлял собой набор из двух зеркал, которые компенсировали аберрацию основного зеркала для всех научных инструментов. Кроме того, был установлен новый инструмент — широкоугольная камера WFPC2, которая имела собственную встроенную коррекцию. После установки COSTAR качество изображений «Хаббла» достигло проектных характеристик и превзошло их.

Всего за время эксплуатации было проведено пять сервисных миссий шаттлов (в 1993, 1997, 1999, 2002 и 2009 годах). В ходе этих миссий астронавты заменяли устаревшие приборы на более совершенные, ремонтировали системы ориентации, гироскопы и аккумуляторы. Последняя миссия (STS-125, 2009 год) установила на телескоп широкоугольную камеру WFC3 и спектрограф COS, которые значительно расширили его возможности. После завершения программы шаттлов в 2011 году дальнейшие сервисные миссии стали невозможны. В 2021 году из-за отказа бортового компьютера телескоп перешёл в безопасный режим, но был успешно переведён на резервный блок.

Устройство и характеристики

Оптическая система

Телескоп «Хаббл» построен по схеме ритуального рефлектора системы Ричи-Кретьена. Главное зеркало диаметром 2,4 метра (94,5 дюйма) изготовлено из стекла с низким коэффициентом теплового расширения (ULE). Его масса составляет около 828 кг. Вторичное зеркало диаметром 0,3 метра отражает свет обратно через отверстие в главном зеркале в фокальную плоскость, где расположены научные инструменты. Фокусное расстояние системы составляет 57,6 метра.

Научные инструменты

На момент запуска на телескопе было установлено пять основных инструментов. В ходе модернизаций состав приборов менялся. По состоянию на 2024 год на борту работают:

• WFC3 (Wide Field Camera 3) — широкоугольная камера, установленная в 2009 году. Обеспечивает наблюдения в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Имеет поле зрения 2,7×2,7 угловых минуты.
• ACS (Advanced Camera for Surveys) — усовершенствованная обзорная камера, установленная в 2002 году. Специализируется на получении изображений больших участков неба с высоким разрешением. Вышла из строя в 2006 году, но была частично восстановлена в ходе последней сервисной миссии.
• COS (Cosmic Origins Spectrograph) — спектрограф космического происхождения, установленный в 2009 году. Предназначен для изучения состава и структуры межзвёздной и межгалактической среды.
• STIS (Space Telescope Imaging Spectrograph) — спектрограф и камера, установленные в 1997 году. Используется для спектроскопии и получения изображений в ультрафиолетовом и видимом диапазонах. Вышел из строя в 2004 году, но был отремонтирован в 2009 году.
• NICMOS (Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer) — камера и спектрометр ближнего инфракрасного диапазона, установленные в 1997 году. В настоящее время используется ограниченно из-за исчерпания криогенного охлаждения.

Системы управления и ориентации

Телескоп оснащён тремя основными системами ориентации:

• Гироскопы — измеряют угловую скорость вращения телескопа. Для точного наведения требуется не менее трёх работающих гироскопов из шести. В случае отказа гироскопов телескоп может работать в режиме с одним гироскопом, что снижает точность, но не прекращает наблюдения.
• Звёздные датчики — определяют положение телескопа по опорным звёздам с точностью до 0,01 угловой секунды.
• Маховики (реактивные колёса) — служат для поворота телескопа без использования топлива. Для точного наведения используются четыре маховика.

Энергоснабжение

Электроэнергию телескоп получает от двух солнечных батарей общей площадью около 30 м², вырабатывающих до 5,5 кВт. В периоды нахождения в тени Земли (примерно 25-30 минут за каждый 96-минутный виток) питание осуществляется от аккумуляторных батарей. Солнечные батареи были заменены в ходе первой и третьей сервисных миссий.

Научные достижения

Космология и фундаментальная физика

• Определение постоянной Хаббла: Наблюдения «Хаббла» за цефеидами в далёких галактиках позволили с высокой точностью измерить скорость расширения Вселенной (постоянная Хаббла). Современное значение, полученное с помощью телескопа, составляет около 73 км/с на мегапарсек.
• Ускорение расширения Вселенной: В 1998 году, анализируя данные «Хаббла» о сверхновых типа Ia, две независимые группы астрономов (Supernova Cosmology Project и High-Z Supernova Search Team) обнаружили, что расширение Вселенной не замедляется, а ускоряется. Это открытие привело к постулированию существования тёмной энергии и было удостоено Нобелевской премии по физике в 2011 году.
• Возраст Вселенной: На основе данных «Хаббла» был уточнён возраст Вселенной, который составляет около 13,8 миллиардов лет.
• Глубокие поля: Проекты «Hubble Deep Field» (1995), «Hubble Ultra Deep Field» (2004) и «Hubble eXtreme Deep Field» (2012) позволили получить изображения самых далёких галактик, существовавших через 400-600 миллионов лет после Большого взрыва. Эти снимки содержат тысячи галактик, многие из которых являются карликовыми и не видны в наземные телескопы.

Эволюция галактик и звёзд

• Формирование галактик: «Хаббл» показал, что галактики в ранней Вселенной были значительно меньше и имели неправильную форму, а современные спиральные и эллиптические галактики сформировались в результате слияний.
• Звёздообразование: Телескоп зафиксировал процессы рождения звёзд в туманностях, таких как Туманность Ориона и Столпы Творения (в Туманности Орёл). Изображения протопланетных дисков вокруг молодых звёзд подтвердили теорию планетообразования.
• Смерть звёзд: «Хаббл» получил детальные изображения планетарных туманностей (например, Туманность Кошачий Глаз) и остатков сверхновых (например, Крабовидная туманность). Он наблюдал взрыв сверхновой SN 1987A в Большом Магеллановом Облаке.

Планетология и Солнечная система

• Комета Шумейкеров-Леви 9: В 1994 году «Хаббл» зафиксировал падение фрагментов кометы на Юпитер, предоставив уникальные данные о составе атмосферы планеты-гиганта.
• Плутон и Харон: Телескоп впервые получил чёткие изображения поверхности Плутона и его спутника Харона, а также открыл четыре малых спутника Плутона (Никта, Гидра, Кербер, Стикс) до пролёта зонда «Новые горизонты».
• Атмосферы экзопланет: В 2001 году «Хаббл» впервые обнаружил натрий в атмосфере экзопланеты HD 209458b, что стало первым прямым измерением состава атмосферы планеты за пределами Солнечной системы. Впоследствии телескоп обнаружил водород, кислород, углерод и водяной пар в атмосферах других экзопланет.

Критика и ограничения

• Стоимость: Общая стоимость проекта «Хаббл» (включая запуск, эксплуатацию и сервисные миссии) оценивается в более чем 10 миллиардов долларов США. Это делает его одним из самых дорогих научных проектов в истории. Критики указывали, что эти средства могли быть направлены на другие астрономические программы или наземные телескопы.
• Технические ограничения: «Хаббл» не может наблюдать объекты, находящиеся слишком близко к Солнцу (менее 50 градусов от него), а также не способен вести съёмку в инфракрасном диапазоне с длиной волны более 2,5 мкм из-за теплового излучения самого телескопа. Его поле зрения относительно невелико по сравнению с наземными обзорными телескопами.
• Проблемы с обслуживанием: После завершения программы шаттлов в 2011 году телескоп не может быть отремонтирован. Выход из строя любого критического компонента (например, гироскопов) может привести к прекращению работы. В 2021 году из-за отказа бортового компьютера телескоп перешёл в безопасный режим, но был успешно переведён на резервный блок.
• Конкуренция с наземными телескопами: С развитием адаптивной оптики наземные телескопы (например, VLT и Keck) в некоторых режимах достигают углового разрешения, сравнимого с «Хабблом», и при этом имеют значительно больший диаметр зеркала, что позволяет собирать больше света. Однако «Хаббл» сохраняет преимущество в ультрафиолетовом диапазоне, который полностью блокируется атмосферой.

Будущее и наследие

Ожидается, что «Хаббл» продолжит работу до конца 2020-х — начала 2030-х годов, пока его орбита не начнёт неконтролируемо снижаться. В 2022 году НАСА объявило, что телескоп может проработать до 2035 года, если не произойдёт отказа критических систем. Планируется, что после завершения активной фазы работы «Хаббл» будет либо сведён с орбиты для контролируемого затопления в Тихом океане, либо (теоретически) может быть возвращён на Землю для музейной экспозиции.

Научным преемником «Хаббла» является космический телескоп «Джеймс Уэбб» (James Webb Space Telescope, JWST), запущенный 25 декабря 2021 года. В отличие от «Хаббла», «Джеймс Уэбб» оптимизирован для наблюдений в инфракрасном диапазоне и не имеет возможности обслуживания на орбите. Оба телескопа работают в кооперации, дополняя друг друга: «Хаббл» обеспечивает наблюдения в видимом и ультрафиолетовом диапазонах, а «Джеймс Уэбб» — в инфракрасном.

Наследие «Хаббла» огромно: он изменил представление человечества о Вселенной, предоставив изображения, ставшие иконами науки, и данные, которые легли в основу многих современных космологических теорий. Телескоп также сыграл важную роль в популяризации астрономии, сделав её результаты доступными широкой публике.

Источники

• НАСА. Hubble Space Telescope. Официальный сайт.
• Европейское космическое агентство. Hubble Space Telescope. Официальный сайт.
• Книга: «Космический телескоп Хаббл. Научные открытия и технические решения» (редакторы: Дж. Х. Х. Клайн, К. С. Харрисон).
• Статья: «The Hubble Space Telescope: A Historical Perspective» (Journal of Astronomical History and Heritage, 2010).
• Материалы пресс-конференций НАСА, посвящённых сервисным миссиям и научным результатам.