Телескоп «Хаббл¶

Хаббл (Hubble Space Telescope, HST) — автоматическая обсерватория на околоземной орбите, крупнейший и наиболее известный космический телескоп, работающий в оптическом, ультрафиолетовом и ближнем инфракрасном диапазонах. Назван в честь американского астронома Эдвина Хаббла. Выведен на орбиту 24 апреля 1990 года шаттлом «Дискавери» (миссия STS-31). «Хаббл» является совместным проектом НАСА и Европейского космического агентства (ЕКА). За время эксплуатации телескоп провёл более 1,5 миллиона наблюдений, лёгших в основу тысяч научных публикаций, и стал одним из самых результативных научных инструментов в истории человечества.

¶История создания

¶Предпосылки и разработка

Идея размещения телескопа за пределами земной атмосферы возникла ещё в 1923 году, когда немецкий физик Герман Оберт указал, что космический телескоп сможет вести наблюдения без помех, создаваемых атмосферой (турбулентность, поглощение ультрафиолетового и инфракрасного излучения). В 1946 году американский астрофизик Лайман Спитцер опубликовал статью «Астрономические преимущества внеземной обсерватории», обосновавшую необходимость такого проекта. В 1960-х годах НАСА начало проработку концепции «Большого космического телескопа» (Large Space Telescope, LST). В 1977 году Конгресс США утвердил финансирование проекта, а в 1978 году началось строительство. Главное зеркало диаметром 2,4 метра изготовила компания Perkin-Elmer, а сам корпус и системы — компания Lockheed Martin.

¶Запуск и первые проблемы

Запуск «Хаббла» неоднократно откладывался из-за катастрофы шаттла «Челленджер» в 1986 году и технических сложностей. В итоге телескоп был выведен на орбиту 24 апреля 1990 года. Однако вскоре после начала работы выяснилось, что главное зеркало имеет серьёзный дефект — сферическую аберрацию. Из-за ошибки в тестировании (неправильно установленный нуль-корректор) зеркало было отшлифовано с отклонением от расчётной формы примерно на 2 микрона. Это привело к тому, что телескоп не мог фокусировать свет в чёткое изображение, а получал размытые пятна. В 1993 году в ходе первой сервисной миссии (STS-61) на телескоп была установлена корректирующая оптическая система COSTAR (Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement), которая компенсировала дефект зеркала. После этого «Хаббл» начал работать в полную силу.

¶Сервисные миссии

«Хаббл» спроектирован для обслуживания на орбите астронавтами. Всего было проведено пять сервисных миссий шаттлов (1993, 1997, 1999, 2002, 2009). В ходе этих миссий астронавты заменяли гироскопы, аккумуляторы, солнечные батареи, научные инструменты и устанавливали новые приборы. Последняя миссия (STS-125, 2009) установила новую камеру Wide Field Camera 3 и отремонтировала спектрографы. После завершения программы Space Shuttle в 2011 году обслуживание телескопа стало невозможным, и его работа продолжается до выхода из строя ключевых систем.

¶Устройство и технические характеристики

¶Основные параметры

• Диаметр главного зеркала: 2,4 метра (изготовлено из ультранизкорасширяемого стекла ULE).
• Фокусное расстояние: 57,6 метра.
• Масса: около 11 110 кг (на момент запуска).
• Длина: 13,2 метра.
• Диаметр корпуса: 4,2 метра.
• Орбита: низкая околоземная, высота около 540 км, наклонение 28,5°.
• Период обращения: около 96 минут.
• Срок службы: первоначально рассчитывался на 15 лет, но продлён до 2030-х годов за счёт ремонтов.

¶Научные инструменты

На момент запуска на «Хаббле» было установлено пять основных приборов. В ходе миссий они заменялись на более современные. Ключевые инструменты (по состоянию на 2024 год):

• Wide Field Camera 3 (WFC3) — камера широкого поля, работающая в оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах. Установлена в 2009 году.
• Advanced Camera for Surveys (ACS) — камера для обзорных наблюдений, установлена в 2002 году.
• Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS) — спектрограф для получения спектров и изображений высокого разрешения.
• Cosmic Origins Spectrograph (COS) — спектрограф для изучения космических объектов в ультрафиолетовом диапазоне.
• Fine Guidance Sensors (FGS) — датчики точного наведения, используемые также для астрометрии.

¶Системы управления и питания

Телескоп оснащён двумя солнечными батареями общей мощностью около 2,8 кВт. Энергия запасается в никель-водородных аккумуляторах. Система ориентации использует гироскопы, маховики и датчики звёзд. Для точного наведения используются датчики точного наведения (FGS), которые удерживают телескоп на объекте с точностью до 0,007 угловой секунды.

¶Научные достижения

«Хаббл» внёс фундаментальный вклад в несколько областей астрономии:

¶Определение возраста Вселенной

Измерения постоянной Хаббла с помощью телескопа позволили уточнить возраст Вселенной — около 13,8 миллиардов лет. Ранее оценки варьировались от 10 до 20 миллиардов лет.

¶Ускоренное расширение Вселенной

Наблюдения сверхновых типа Ia на «Хаббле» в 1998 году привели к открытию ускоренного расширения Вселенной, что стало доказательством существования тёмной энергии. За это открытие в 2011 году была присуждена Нобелевская премия по физике.

¶Глубокие поля

«Хаббл» провёл серию наблюдений «глубоких полей» — длительных экспозиций на крошечных участках неба, позволивших увидеть галактики на расстоянии в миллиарды световых лет. Наиболее известные:

• Hubble Deep Field (HDF) — 1995 год, около 3000 галактик на участке размером 1/30 диаметра Луны.
• Hubble Ultra Deep Field (HUDF) — 2004 год, до 10 000 галактик.
• Hubble eXtreme Deep Field (XDF) — 2012 год, самые далёкие галактики, видимые на тот момент.

¶Эволюция галактик и чёрные дыры

Телескоп показал, что в центрах большинства крупных галактик находятся сверхмассивные чёрные дыры, масса которых коррелирует с массой галактики. Наблюдения «Хаббла» позволили изучить процессы слияния галактик и формирования звёзд.

¶Планетная астрономия

«Хаббл» детально исследовал атмосферы планет Солнечной системы: Юпитера (Большое Красное Пятно, столкновение с кометой Шумейкеров-Леви в 1994 году), Сатурна, Урана, Нептуна. Он также открыл спутники Плутона (Никта и Гидра в 2005 году) и изучал астероиды, кометы и объекты пояса Койпера.

¶Экзопланеты

Хотя «Хаббл» не предназначен для прямого наблюдения экзопланет, он успешно используется для изучения их атмосфер методом транзитной спектроскопии. В 2001 году телескоп впервые обнаружил натрий в атмосфере экзопланеты HD 209458b.

¶Критика и ограничения

Несмотря на огромный успех, «Хаббл» имеет ряд недостатков:

• Высокая стоимость: общая стоимость проекта (включая запуски и обслуживание) превысила 10 миллиардов долларов.
• Ограниченный срок службы: из-за невозможности обслуживания после 2009 года телескоп постепенно теряет работоспособность. Выходят из строя гироскопы, аккумуляторы и другие системы.
• Узкий спектральный диапазон: «Хаббл» не работает в радиодиапазоне, рентгеновском и гамма-диапазонах, что ограничивает его возможности.
• Конкуренция с наземными телескопами: благодаря адаптивной оптике и большим диаметрам зеркал (8–10 метров) наземные телескопы в некоторых задачах превосходят «Хаббл» по разрешению и чувствительности.

¶Будущее и преемники

«Хаббл» продолжает работать, но его ресурс ограничен. Ожидается, что телескоп проработает до середины 2030-х годов, после чего сойдёт с орбиты и сгорит в атмосфере (возможен управляемый спуск в океан). Прямым преемником «Хаббла» является космический телескоп Джеймс Уэбб (James Webb Space Telescope, JWST), запущенный в декабре 2021 года. «Уэбб» работает в инфракрасном диапазоне и имеет зеркало диаметром 6,5 метров, что позволяет видеть объекты на ещё больших расстояниях. Однако «Хаббл» остаётся уникальным из-за своего широкого оптического и ультрафиолетового обзора, который «Уэбб» не может обеспечить.

¶Интересные факты

• «Хаббл» передал на Землю более 150 терабайт данных.
• Телескоп сделал более 1,5 миллиона снимков, многие из которых стали культовыми (например, «Столпы творения» в туманности Орёл, 1995 год).
• В 2009 году астронавты миссии STS-125 заменили на «Хаббле» все гироскопы, аккумуляторы и установили новую камеру.
• «Хаббл» — единственный космический телескоп, который обслуживался астронавтами на орбите.
• В 2020 году из-за выхода из строя одного из гироскопов телескоп перешёл в режим «одного гироскопа», что снизило его маневренность, но не прекратило наблюдения.