Космически телескоп Хъбъл (Hubble Space Telescope, HST)

Автор: Христо Ставрев

Още от самата зора на астрономията, стремежът на наблюдателите е бил към обсерватории на възвишения и планини, където въздухът е по-малко прашен и нощите са по-ясни. Всички значими обсерватории в света са строени на високи върхове, включително и нашата родна НАО-Рожен. Към настоящият момент, най-високата обсерватория в света е Индийската астрономическа обсерватория, разположена на 4,500 метров връх в Хималаите, а за обсерваториите с най-добро небе се считат Европейската южна обсерватория (2,635m) в Чили и Мауна Кеа (4,205m) на Хаваите. Но, въпреки че в тези обсерватории са най-големите телескопи на Земята, на най-добрите наблюдателни площадки, и с помощта на активна оптика, те едва успяват да достигнат възможностите на скромния по диаметър космически телескоп Хъбъл.

Концепцията за телескоп извън атмосферата е повдигната през 1946 г., когато американският астроном Лиман Спитцър публикува статия за предимствата на извън атмосферната астрономия пред наземната. Основните му съображения са преодоляването на дефинираната от атмосферата максимална разделителна способност от 0,5-1,0 секунди и достигане до оптималните рязкости зависещи само от дифракцията на инструмента. Другото предимство е, че извън атмосферата стават достъпни всички спектрални области. Един космически телескоп може да събира информация както във видима светлина, така и в ултравиолетовите и инфрачервените дължини на вълната.

Космическият телескоп Хъбъл от совалката „Дискавъри“ по време на втората сервизна мисия STS-82

Едуин Хъбъл (1889-1953)

Предимствата на космическия телескоп са оценени подобаващо от американския конгрес и през 1978-ма година биват отпуснати $36 млн.,проекта е одобрен с компромис за намаляване на диаметъра на главното огледало от 3 на 2,4м с цел икономия на средства и компактност. Сключен е и договор с Европейската Космическа Агенция (ESA) за разработването на някои от инструментите и слънчевите батерии, в замяна на което европейците получават 15% от наблюдателното време на телескопа. Новият проект получава името Хъбъл, в чест на Едуин Хъбъл, астрономът открил червеното отместване в спектрите на далечните галактики и преобърнал съвременната космология.

Работата по построяването на телескопа е разпределена между космическите центрове Маршал и Годарт. Отговорностите на Маршал покриват дизайна и построяването на телескопа, а на Годарт се падат подсигуряването на научното оборудване и наземния контрол. От своя страна от Маршал са възложили дизайна и изработването на оптичните елементи и финото насочване на телескопа на компанията Перкин-Елмер, а поддържащите и защитните системи са поети от Локхийд (компанията през 1995 г. добива днешното си име Локхийд-Мартин след сливане).

Оптиката на Хъбъл, на системата Ричи-Кретиен, е разработена е отПъркин-Елмер с мисълта да бъде съвършена. Главното огледало, със скромният, дори по тогавашните стандарти, диаметър от 2,4m, е сърце тона телескопа. Неговата изработка е започнала през 1979 г., като за материал се използва специално стъкло с ултра-нисък коефициент на топлинно разширение, за да се минимализират ефектите от големите температурни амплитуди в космоса, а теглото му да е сведено до минимум. Пъркин-Елмер използват революционна компютъризирана технология при изработката на огледалото, поради което от НАСА решават да не рискуват в иновацията и възлагат паралелно поръчка за резервно огледало на компанията Кодак, които да използват сигурната традиционна технология.

С доста сериозни закъснения и силно превишен бюджет, от страна на Пъркин-Елмер, огледалото е завършено през 1981 г., когато на повърхността му биват нанесени отразяващ Алуминиев слой и защитен Магнезиев, с дебелини съответно 75nm и 25nm.

За съжаление огледалото, заради изработката, на което се забавя сняколко години изстрелването на Хъбъл, се оказва и най-големият проблеми след вкарването му в употреба. Още първите наблюдения с телескопа показват изключително силни сферични аберации.

Системите на Хъбъл се разделят на три основни групи: оптика, научни инструменти и поддържащи системи.

Излиза, че огледалото е с 2 микрометра по-плоско от колкото трябва дае. Грешката се открива в технологията на изготвянето му. В резултат телескопът не можел да се фокусира добре и дава размазани изображения,като практически се оказва неизползваем. За щастие, инженерите създават коригиращата оптична система COSTAR, която представлява система от две малки огледала, с точната кривина нужна за да се коригират дефектите на главното огледало. COSTAR инсталиран на телескопа по време на първата сервизна мисия STS-61, след което с новите си „очила” Хъбъл се превръща в най-острото око в арсенала на астрономите.

Когато светлина проникне в тубуса тя се отразява от главното огледало,след което се фокусира към вторичното огледало, което я отразява към задната част на телескопа, където е фокалната равнина и където са разположени научните инструменти. След първата сервизна мисия, важна част от оптичната система става коригиращата система COSTAR.

Докато Пъркин-Елмер са се занимавали с оптиката и системите за финно насочване, в Локхийд създават скелета, кожата и контролните органи на телескопа. Поддържащата структура на телескопа е изградена от графито-епоксидно скеле, което е издръжливо на температурните екстремуми, осигурява необходимата опора и има нисък коефициент на термично разширение. Това е същият материал, който се използва за направата на стикове за голф, въдици и велосипеди.

Термоизолацията е много важен аспект в конструкцията на обсерваторията.Амплитудата на температурата между осветената от Слънцето фаза на орбитата и фазата, когато телескопът е в земната сянка, може да достигне порядъка на 100-170 градуса по Целзий, а научните инструменти искат постоянна температура, за да функционират. За това цялата конструкция е покрита с многослойна изолация, защитаваща телескопа отрезките температурни колебания, и лека алуминиева черупка.

Ориентацията на космическия телескоп в пространството се осигурява от система сензори. За ориентация се използват звездите, Слънцето, земното магнитно поле и вградени жироскопи. Системата е изключително прецизна,за да позволява стотици часове експозиция без дори минимално отклонение. Движението в пространството се осъществява от четири реакционни колела. Въртейки се в едната посока, с по 3000 оборота в минута, колелата предават въртящ момент на целия апарат в обратната посока, позволявайки фино насочване и поддържане на стабилността. За прецизност, реакционните колела са снабдени с механизми за корекция на влиянието на земната магнитосфера над въртенето им.

Енергия Хъбъл си набавя от два 12-метрови слънчеви панела, осигуряващи мощност от 2,4 киловата. Те са изработени от Европейската космическа агенция, като част от договореността. За съжаление, и те не се оказват безпроблемни. Изстреляни в свито състояние, панелите оказват сериозна съпротива при разтварянето си. За зашита те са покрити с лепкав слой,който обаче кара клетките да се слепват една за друга, след дълъг престой в свито състояние. Разлепването им при разгъването в орбита се оказва сериозен проблем, който все пак бива решен.

Премахването на предшественика на WFPC2 по време на първата сервизна мисия.

Kомпютърната система на обсерваторията управлява захранването,навигацията и комуникацията с контролния център в Грийнбелт, щата Мериленд. Две антени осъществят връзката чрез системата от изкуствени спътници TDRSS, благодарение на което има връзка с Хъбъл през около 85% от орбиталния му път. По това трасе се комуникират както команди и телеметрия, така и скъпоценните наблюдателни данни съхранявани на твърд диск до момента на отчитане.

Една от концепциите за космическата обсерватория е, тя да подлежи на ремонт и осъвременяване, поради което тя е поставена на ниска земна орбита. Така тя е леснодостъпна за сервизни полети с космическата совалка. Процедурата е телескопът да бъде уловен в товарния отсек на совалката, където да му бъдат извършени необходимите ремонти. Доста често се случва някоя от системите на телескопа да откаже и да се наложи замяната и. Също понякога стари инструменти се заменят с нови по-съвършени. След четири сервизни мисии, Хъбъл е постепенно е претърпял пълна смяна на научното оборудване спрямо първоначалната си конфигурация.

Текуща конфигурация на Хъбъл

Научният отсек на обсерваторията е проектиран да бъде леснодостъпен за астронавтите, а самите научни уреди – лесни за подмяна. В него има място за четири инструмента, които лежат успоредно на оптичната ос, и за един напречен, стоящ точно зад главното огледало. В момента, от 1993 г., на напречната позиция е инсталирана широкоъгълната планетна камера (WFPC2), за да се възползва оптимално от полето на оптичната система.

Ръководството на НАСА планира в най-скоро време да осъществи пета, и последна, сервизна мисия към Хъбъл. Най-вероятно, тя ще се състои с полет на совалката Дискавъри STS-125, през 2008 г. Мисията ще се проведе само при условие, че совалките се представят добре на предишните мисии,мярка наложена след инцидента със совалката Колумбия.

Пета сервизна мисия е крайно необходима, блокажът на спектрографа STISи проблемите, които създава ACS, пречат на обсерваторията да работи пълноценно. Сериозна опасност за телескопа са проблемите в жироскопите му, като един вече е излязъл от строя и през 2005 г. Хъбъл преминава в режим на работа само с два жироскопа, а ако телескопът остане само с един, той ще стане практически неизползваем. Наложително е да бъдат подменени всички жироскопи, повредените научни уреди и вътрешните батерии на обсерваторията.

Сервизната мисия е нужна и по друга причина. Космическият телескоп не е снабден с двигатели и няма възможност сам да регулира орбитата си,вместо това той разчита на двигателите на космическите совалки по времена сервизните мисии да поддържат височината му. Въпреки че е на 600kmвисочина, орбиталната обсерватория изпитва сериозно съпротивление от горните слоеве на атмосферата, което я забавя и снижава орбитата и. Ако телескопът не бъде повдигнат до 2010 г., рискът да излезе от орбита и да изгори в атмосферата е голям.

Четирите Велики обсерватории на НАСА внасят незаменими промени в разбирането ни за Вселената.
С Хъбъл са засичани невероятни кадри от живота в нашата слънчева система. Пясъчни бури на Марс, Юпитер, Сатурн и Нептун, техните спътници. Регистрирани са вулканични изригвания на Юпитеровия спътник Йо, както и знаменития сблъсък на кометата Шумейкър-Леви с Юпитер (на снимката) през Юли 1994г. С Хъбъл са правени най-детайлните снимки, досега, на Плутон и на много астероиди.

Способността на Хъбъл да фотографира много обекти едновременно с широкоъгълните си камери и то по всяко едно време го прави незаменим в търсенето на променливи звезди и екзопланети. Телескопът може да хваща хиляди галактики едновременно, както в своите „Дълбоко поле” и „Ултра дълбоко поле”. Огромното количество заснети галактики е допринесло сериозно за напредването на теорията за галактичната еволюция и за еволюцията на Вселената като цяло. Благодарение на високата чувствителност на инструментите си, Хъбъл е спомогнал за най-точната, за момента, оценка на възрастта на Вселената, но е неспособен да види най-първите галактики. Неговият наследник, космическият телескоп Джеймс Уеб, който ще има диаметър на огледалото 6 метра, ще поеме щафетата през 2013 г. и ще разкрие всичко, което не е било достъпно за Хъбъл.

Източник: nauka.bg