Телескоп Хаббл

Космический телескоп Хаббл
Вид «Хаббла» с борта космического корабля «Дискавери» STS-82
Организация:	НАСА/ЕКА
Волновой диапазон:	видимый, ультрафиолетовый, инфракрасный
NSSDC ID:	1990-037B
Местонахождение:	в космосе
Тип орбиты:	Эллиптическая
Высота орбиты:	589 километра, 366 миль.
Период обращения:	96-97 минут
Орбитальная скорость:	7,500 м/с
Ускорение:	8.169 м/с²
Запущен:	24 апреля 1990 года
Снят с орбиты:	около 2020 года
Масса:	11 тонн
Тип телескопа:	телескоп-рефлектор системы Ричи—Кретьена
Диаметр:	2.4 метра
Область наблюдений:	приблизительно 4.3 м²
Фокусное расстояние:	57.6 м
NICMOS:	инфракрасная камера/спектрометр
ACS:	оптическая камера для наблюдений
WFPC2:	камера для наблюдений в широком диапазоне волн
STIS:	оптический спектрометр/камера (вышел из строя в 2004 году)
FGS:	три навигационных сенсора
Сайт:	http://www.nasa.gov/hubble http://hubble.nasa.gov http://hubblesite.org http://www.spacetelescope.org

Косми́ческий телескóп «Хаббл» (англ. Hubble Space Telescope, HST) — автоматическая обсерватория на орбите вокруг Земли, названная в честь Эдвина Хаббла. Телескоп «Хаббл» — совместный проект NASA и Европейского космического агентства.

Размещение телескопа в космосе даёт возможность регистрировать электромагнитное излучение в диапазонах, в которых земная атмосфера непрозрачна; в первую очередь — в инфракрасном диапазоне. Из-за отсутствия влияния атмосферы, разрешающая способность телескопа в 7—10 раз больше аналогичного телескопа, расположенного на Земле.

История

Предыстория, концепции, ранние проекты

Файл:Lyman spitzer c1.jpg

Лаймэн Спитцер

Первое упоминание концепции орбитального телескопа встречается в книге Германа Оберта «Ракета в межпланетном пространстве» (нем. «Die Rakete zu den Planetenraumen»).

В 1946 году, американский астрофизик Лаймэн Спитцер опубликовал статью «Астрономические преимущества внеземной обсерватории» (англ. Astronomical advantages of an extra-terrestrial observatory). В статье отмечены два главных преимущества такого телескопа: Во-первых его угловое разрешение будет ограничено лишь дифракцией, a не турбулентными потоками в атмосфере, в то время разрешение наземных телескопов было от 0.5 до 1.0 угловой секунды, тогда как теоретический предел разрешения по дифракции для телескопа с зеркалом 2.5 метра составляет около 0.1 секунды. Во-вторых космический телескоп мог бы вести наблюдение в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах, в которых поглощение излучений земной атмосферой весьма значительно.

Спитцер посвятил значительную часть своей научной карьеры продвижению проекта. В 1962 году доклад опубликованный Национальной академией наук США рекомендовал включить разработку орбитального телескопа в космическую программу и в 1965 году Спитцер был назначен главой комитета, в задачу которого входило определение научных задач для крупного космического телескопа.

Космическая астрономия стала развиваться после окончания Второй Мировой войны. В 1946 году впервые был получен ультрафиолетовый спектр Солнца. Орбитальный телескоп для исследований Солнца был запущен Великобританией в 1962 году в рамках программы «Ариэль», а в 1966 году НАСА запустила в космос первую орбитальную обсерваторию OAO-1 (англ. Orbiting Astronomical Observatory). Миссия не увенчалась успехом, из-за отказа аккумуляторов через три дня после старта. В 1968 году была запущена OAO-2, которая производила наблюдения ультрафиолетового излучения звёзд и галактик вплоть до 1972 года, значительно превысив расчётный срок эксплуатации в 1 год.

Миссии OAO послужили наглядной демонстрацией роли которую могут играть орбитальные телескопы, и в 1968 году НАСА утверждило план строительсва телескопа-рефлектора с зеркалом диаметром 3 м. Проект получил условное название LST (англ. Large Space Telescope). Запуск планировался на 1972 год. Программа подчеркивала необходимость регулярных пилотируемых экспедиций для обслуживания телескопа с целью обеспечения продолжительной работы дорогостоящего прибора. Параллельно развивавшаяся программа Спэйс Шаттл давала надежды на получение соответствующих возможностей.

Борьба за финансирование проекта

Благодаря успеху программы ОАО в астрономическом сообществе сложился консенсус о том, что строительство крупного орбитального телескопа должно стать приоритетной задачей. В 1970 году NASA учредило два комитета, один для изучения и планирования технических аспектов, задачей второго была разработка программы научных исследований. Следующим серьёзным препятствием было финансирование проекта, затраты на который должны были превзойти стоимость любого наземного телескопа. Конгресс США поставил под сомнение многие статьи предложенной сметы и существенно урезал ассигнования, первоначально предполагавшие масштабные исследования инструментов и конструкции обсерватории. В 1974 году, в рамках программы сокращений расходов бюджета инициированной президентом Фордом Конгресс полностью отменил финансирование проекта.

В ответ на это астрономами была развёрнута широкая кампания по лоббированию. Многие учёные лично встретились с сенаторами и конгрессменами, были также проведены несколько крупных рассылок писем в поддержку проекта. Национальная Академия Наук опубликовала доклад, в котором подчёркивалась важность создания большого орбитального телескопа и в результате сенат согласился выделить половину средств из бюджета первоначально утверждённого Конгрессом.

Финансовые проблемы привели к сокращениям, главным из которых было решение уменьшить диаметр зеркала с 3 до 2.4 метра, для снижения затрат и получения более компактной конструкции. Также был отменен проект телескопа с полутораметровым зеркалом, который предполагалось запустить с целью тестирования и отработки систем, и принято решение о кооперации с Европейским космическим агентством. ЕКА согласилось участвовать в финансировании, а также предоставить ряд инструментов и солнечные батареи для обсерватории, взамен за европейскими астрономами резервировалось не менее 15% времени наблюдений. В 1978 году Конгресс утвердил финансирование в размере 36 миллионов долларов и сразу после этого начались полномасштабные работы по проектированию, дата запуска планировалась на 1983 год. В начале 80-х телескоп получил имя Эдвина Хаббла.

Организация проектирования и строительства

Работа над созданием космического телескопа была поделена между многими компаниями и учреждениями. Космический центр Маршалла отвечал за разработку, проектирование и строительство телескопа, Центр космических полетов Годдарда занимался общим руководством разработкой научных приборов и был выбран в качестве наземного центра управления. Центр Маршалла заключил контракт с компанией Перкин-Элмер (англ. Perkin-Elmer) на проектирование и изготовление оптической системы телескопа (англ. Optical Telescope Assembly (OTA)) и датчиков точного наведения. Корпорация Локхид получила контракт на строительство космического аппарата для телескопа .

Изготовление оптической системы

Полировка главного зеркала телескопа, лаборатория компании Перкин-Элмер, май 1979

Зеркало и оптическая система в целом были наиболее важными частями конструкции телескопа, и к ним предъявлялись особо жёсткие требования. Обычно зеркала телескопов изготавливаются с допуском примерно в одну десятую длины волны видимого света, но поскольку космический телескоп предназначался для наблюдений в диапазоне от ультрафиолетового до почти инфракрасного, а разрешающая способность должна была быть в десять раз выше, чем у наземных приборов, допуск для изготовления его главного зеркала был установлен в 1/20 длины волны видимого света, или примерно 30 нанометров.

Компания «Перкин-Элмер» намеревалась использовать новые станки с числовым программным управлением для изготовления зеркала заданной формы. Компания «Кодак» получила контракт на изготовление запасного зеркала с использованием традиционных методов полировки, на случай непредвиденных проблем с неапробированными технологиями (зеркало, изготовленное компанией «Кодак» в настоящее время находится в экспозиции музея Смитсонианского института). Работы над основным зеркалом начались в 1979 году, для изготовления использовалось стекло со сверхнизким коэффициентом расширения. Для уменьшения веса зеркало состояло из двух поверхностей — нижней и верхней, соединённых решётчатой конструкцией сотовой структуры.

Резервное зеркало телескопа, Смитсонианский музей авиации и космонавтики, Вашингтон

Работы по полировке зеркала продолжались до мая 1981 года, при этом были сорваны первоначальные сроки и значительно превышен бюджет. В отчётах НАСА того периода выражаются сомнения в компетентности руководства компании «Перкин-Элмер» и её способности успешно завершить проект такой важности и сложности. В целях экономии средств НАСА отменило заказ на резервное зеркало и перенесло дату запуска на октябрь 1984 года. Окончательно работы завершились к концу 1981 года после нанесения отражающего покрытия из алюминия толщиной 75 нм и защитного покрытия из фторида магния толщиной в 25 нм.

Несмотря на это, сомнения в компетентности «Перкин-Элмер» оставались, поскольку сроки окончания работ над остальными компонентами оптической системы постоянно отодвигались, а бюджет проекта рос. Графики работ, предоставляемые компанией, НАСА охарактеризовало как «неопределённые и изменяющиеся ежедневно», и отложило запуск телескопа до апреля 1985 года. Тем не менее, сроки продолжали срываться, задержка росла в среднем на один месяц каждый квартал, а на завершающем этапе росла на один день ежедневно. НАСА было вынуждено ещё дважды перенести старт, сначала на март, а затем на сентябрь 1986 года. К тому времени общий бюджет проекта вырос до 1,175 млрд долларов США.

Космический аппарат

Начальные этапы работ над космическим аппаратом, 1980.

Другой сложной инженерной проблемой было создание космического корабля для телескопа и остальных приборов. Основными требованиями были защита оборудования от постоянных перепадов температур при нагреве от прямого солнечного освещения и охлаждения в тени Земли и особо точное ориентирование телескопа. Телескоп смонтирован внутри лёгкой алюминиевой капсулы, которая покрыта многослойной термоизоляцией обеспечивающей стабильную температуру. Жёсткость капсулы и крепление приборов обеспечивает внутренняя пространственная рама из углеродного волокна.

Хотя работы по созданию космического аппарата проходили более успешно, чем изготовление оптической системы, Локхид также допустила некоторое отставание от графика и превышение бюджета. К маю 1985 года перерасход средств составил около 30% от первоначального объёма, а отставание от плана — 3 месяца. В докладе подготовленным Космическим центром Маршалла отмечалось, что при проведении работ компания не проявляет инициативу, предпочитая полагаться на указания НАСА.

Координация исследований и управление полётом

В 1983 году, после некоторого противоборства между НАСА и научным сообществом был учреждён Научный институт космического телескопа. Институт управляется Ассоциацией университетов по астрономическим исследованиям (англ. AURA) и располагается в кампусе университета Джона Хопкинса в Балтиморе, штат Мэриленд. Университет Хопкинса — один из 32 американских университетов и иностранных организаций, входящих в ассоциацию. Научный институт космического телескопа отвечает за организацию научных работ и обеспечение доступа астрономов к полученным данным, функции которые НАСА хотело оставить под своим контролем, но учёные предпочли передать их академическим учреждениям.

Европейский координационный центр космического телескопа был основан в 1984 году в городе Гархинг, Германия для предоставления аналогичных возможностей европейским астрономам.

Управление полётом было возложено на Центр космических полетов Годдарда (en:Goddard Space Flight Center), который находится в городе Гринбелт, Мэриленд в 48 километрах от Научного института космического телескопа. За функционированием телескопа ведётся круглосуточное посменное наблюдение четырьмя группами специалистов.

Техническое сопровождение осуществляется НАСА и компаниями—контакторами через Центр Годдарда.

Запуск и начало работы

Старт шаттла «Дискавери» с телескопом «Хаббл» на борту

Первоначально, запуск телескопа на орбиту планировался на октябрь 1986 года, но 28 января катастрофа «Челленджера» приостановила программу «Спейс Шаттл» на несколько лет, и запуск пришлось отложить.

Вынужденная задержка позволила произвести ряд усовершенствований: солнечные батареи были заменены на более эффективные, был модернизирован бортовой вычислительный комплекс и системы связи, а также изменена конструкция кормового защитного кожуха, с целью облегчить обслуживание телескопа на орбите. Всё это время части телескопа хранились в помещениях с искусственно очищенной атмосферой, что ещё больше увеличило расходы на проект.

После возобновления полётов шаттлов в 1988 году запуск был окончательно назначен на 1990 год. Перед запуском накопившаяся на зеркале пыль была удалена при помощи сжатого азота, а все системы прошли тщательное тестирование.

Шаттл «Дискавери» STS-31 стартовал 24 апреля 1990 года и на следующий день вывел телескоп на расчётную орбиту.

От начала проектирования до запуска было затрачено 2,5 млрд. долларов США, при начальном бюджете в 400 млн. Общие расходы на проект, по оценке на 1999 год составили 6 млрд. долларов с американской стороны и 593 миллиона евро оплаченных ЕКА..

Приборы установленные на момент запуска

На момент запуска, на борту были установлены пять научных приборов:

• Широкоугольная и планетарная камера (англ. Wide Field and Planetary Camera, WFPC). Камера была сконструирована в Лаборатории реактивного движения НАСА. Она была оснащена набором из 48 светофильтров для выделения участков спектра представляющих особый интерес для астрофизических наблюдений. Прибор имел 8 ПЗС-матриц разделённых между двумя камерами, каждая из которых использовала по 4 матрицы. Широкоугольная камера обладала большим углом обзора, в то время как Планетарная камера имела большее фокусное расстояние, и следовательно давала большее увеличение.

• Спектрограф высокого разрешения Годдарда (англ. Goddard High Resolution Spectrograph (GHRS)). Спектрограф предназначался для работы в ультрафиолетовом диапазоне. Прибор был создан в Центрe космических полетов Годдарда, его спектральное разрешение достигало 9000 .

• Камера съёмки тусклых объектов (англ. Faint Object Camera (FOC)). Прибор разработан ЕКА. Камера предназначалась для съёмки объектов в ультрафиолетовом диапазоне с высоким разрешением до 0.05 сек.

• Спектрограф тусклых объектов (англ. Faint Object Spectrograph (FOS)). Предназначался для исследования особо тусклых объектов в ультрафиолетовом диапазоне.

• Высокоскоростной фотометр (англ. High Speed Photometer (HSP)). Разработан в Университетe Висконсина, предназначался для наблюдений за переменными звёздами и другими объектами с изменяющейся яркостью. Мог делать до 10000 замеров в секунду с точностью около 2%.

Датчики точного наведения (англ. Fine Guidance Sensors), так же могут использоваться в научных целях, обеспечивая астрометрию с миллисекундной точностью. Это позволяет находить параллакс и собственное движение объектов с точностью до 0,2 угловой миллисекунды и наблюдать орбиты двойных звёзд с угловым диаметром до 12 миллисекунд.

Дефект главного зеркала

Уже в первые недели после начала работы, полученные изображения продемонстрировали серьёзную проблему в оптической системе телескопа. Хотя качество изображений было лучше, чем у наземных телескопов, «Хаббл» не мог достичь заданной резкости, и разрешение снимков было значительно хуже ожидаемого. Изображения точечных источников имели радиус свыше одной телесной секунды, вместо фокусировки в окружность 0.1 секунды в диаметре, согласно спецификации.

Анализ изображений показал, что источником проблемы является неверная форма главного зеркала. Несмотря на то, что это было возможно наиболее точно рассчитанное зеркало из когда-либо созданных, а допуск составлял не более 1/20 длины волны видимого света, оно было изготовлено слишком плоским по краям. Отклонение от заданной формы поверхности составило лишь 2 микрометрa, но результат оказался катастрофическим — сильная сферическая аберрация, оптический дефект, при котором свет, отражённый от краёв зеркала, фокусируется в точке, отличной от той, в которой фокусируется свет, отражённый от центра зеркала.

Влияние дефекта на астрономические исследования зависело от конкретного типа наблюдений — характеристики рассеяния были достаточны для получения уникальных наблюдений ярких объектов с высокой разрешающей способностью, и спектроскопия также практически не пострадала. Тем не менее, потеря значительной части светового потока из-за расфокусировки значительно уменьшили пригодность телескопа для наблюдений тусклых объектов и получения изображений с высокой контрастностью. Это означало, что практически все космологические программы стали просто невыполнимыми, поскольку требовали наблюдений особо тусклых объектов.

Причины дефекта

Анализируя изображения точеных источников света, астрономы установили, что коническая постоянная зеркала составляет −1.0139, вместо требуемой −1.00229. То же число было получено путём проверки нуль—корректоров (приборы позволяющие измерять с высокой точностью кривизну полируемой поверхности) использованных компанией «Перкин-Элмер», а также из анализа интерферограмм полученных в процессе наземного тестирования зеркала.

Комиссия, возглавляемая Лю Алленом (англ. Lew Allen), директором Лаборатории реактивного движения установила, что дефект возник в результате ошибки при монтаже главного нуль—корректора, полевая линза которого была сдвинута на 1,3 мм относительно правильного положения. Сдвиг произошёл по вине техника, осуществлявшего сборку прибора. Он ошибся при работе с лазерным измерителем, применявшимся для точного размещения оптических элементов прибора, а когда после окончания монтажа заметил непредвиденный зазор между линзой и поддерживающей её конструкцией, то просто вставил обычную металлическую шайбу.

В процессе полировки зеркала его поверхность проверялась при помощи двух других нуль-корректоров, каждый из которых правильно указывал на наличие сферической аберрации. Эти проверки были специально предусмотрены для исключения серьёзных оптических дефектов. Несмотря на чёткие инструкции по контролю за качеством, компания проигнорировала результаты измерений, предпочитая верить, что два нуль-корректора менее точны, чем главный, показания которого свидетельствовали об идеальной форме зеркала.

Комиссия возложила вину за произошедшее в первую очередь на исполнителя. Отношения между оптической компанией и НАСА серьёзно ухудшились в процессе работы над телескопом из-за постоянного срыва графика работ и перерасхода средств. НАСА установило, что компания не относилась к работам над зеркалом как к основной части своего бизнеса, и пребывала в уверенности, что заказ не может быть передан другому подрядчику после начала работ. Хотя комиссия подвергла компанию суровой критике, часть ответственности лежала также на НАСА, в первую очередь за неспособность обнаружить серьёзные проблемы с контролем качества и нарушение процедур со стороны исполнителя.

Поиски решения

Поскольку дизайн телескопа изначально предусматривал обслуживание на орбите, учёные немедленно начали поиск потенциального решения, которое можно было бы применить во время первой технической миссии запланированной на 1993 год. Хотя Кодак закончил изготовление запасного зеркала для телескопа, замена его в космосе не представлялась возможной, а снимать с орбиты телескоп для замены зеркала на Земле было бы слишком долго и дорого. Тот факт, что зеркало с высокой точностью было отполировано до неправильной формы, привело к идее разработать новый оптический компонент, который бы выполнял преобразование эквивалентное ошибке, но с обратным знаком. Новое устройство работало бы подобно очкам для телескопа, корректируя сферическую аберрацию.

Из-за разницы в конструкции приборов требовалось разработать два различных корректирующих устройства. Одно предназначалось для Широкоформатной и Планетарной камеры, которая имела специальные зеркала, перенаправлявшие свет на её сенсоры, и коррекция могла осуществляться за счёт использования зеркал специальной формы, которые бы полностью компенсировали аберрацию. Соответствующее изменение было предусмотрено в конструкции новой Планетарной камеры. Прочие приборы не имели промежуточных отражающих поверхностей, и таким образом нуждались во внешнем корректирующем устройстве.

Система оптической коррекции (COSTAR)

Корректировка аберрации телескопа. Снимок галактики М100 до и после установки COSTAR.

Система, предназначенная для корректировки сферической аберрации получила название COSTAR и состояла из двух зеркал одно из которых компенсировало дефект. Для установки COSTAR на телескоп, было необходимо демонтировать один из приборов, и учёные приняли решение пожертвовать высокоскоростным фотометром.

В течение первых трёх лет работы, до установки корректирующих устройств телескоп выполнил большое количество наблюдений. В частности дефект не оказывал большого влияния на спектроскопические замеры. Несмотря на отменённые из-за дефекта эксперименты было достигнуто множество важных научных результатов, в том числе новые алгоритмы улучшения качества изображений с помощью деконволюции.

Техническое обслуживание телескопа

Обслуживание «Хаббла» производится во время выходов в открытый космос с космических кораблей многоразового использования типа «Спейс Шаттл».

Всего были осуществлены четыре экспедиции по обслуживанию телескопа «Хаббл»:

Первая экспедиция

Работы на телескопе во время первой экспедиции.

В связи с выявившимся дефектом зеркала значение первой экспедиции по обслуживанию было особенно велико, поскольку она должна была установить на телескопе корректирующую оптику. Полёт «Индевор» STS-61 состоялся 2-13 декабря 1993 года, работы на телескопе продолжались в течение десяти дней. Экспедиция была одной из сложнейших за всю историю, в её рамках были осуществлены пять длительных выходов в открытый космос.

Высокоскоростной фотометр был заменён на систему оптической коррекции, Широкоугольная и планетарная камера была заменена на новую модель (англ. Wide Field and Planetary Camera 2 (WFPC2)), с системой внутренней коррекции.

Кроме этого были заменены солнечные батареи и системы управления приводами батарей, четыре гироскопа системы наведения, два магнетометра, и обновлен бортовой вычислительный комплекс. Также была произведена коррекция орбиты, необходимая из-за потери высоты вследствие трения о воздух при движении в верхних слоях атмосферы.

31 января 1994 года, НАСА oбъявило об успехе миссии, и продемонстрировало первые снимки значительно лучшего качества. Успешное завершение экспедиции было крупным достижением, как для НАСА, так и для астрономов, которые получили в свое распоряжение полноценный инструмент.

Вторая экспедиция

Второе техобслуживание было произведено 11-21 февраля 1997 года, в рамках миссии «Дискавери» STS-82. Спектрограф Годдарда и Спектрограф тусклых объектов были заменены на Регистрирующий спектрограф космического телескопа (англ. Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS)) и Камеру и мульти-объектный спектрометр около—инфракрасного диапазона (англ. Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS)). Был также заменён бортовой регистратор, произведён ремонт теплоизоляции и выполнена коррекция орбиты.

Третья экспедиция (А)

Экспедиция 3А («Дискавери» STS-103) состоялась 19-27 декабря 1999 года, после того, как было принято решение о досрочном проведении части работ по программе третьего сервисного обслуживания. Это было вызвано тем, что три из шести гироскопов системы наведения вышли из строя. Четвёртый гироскоп отказал за несколько недель до полёта, сделав телескоп непригодным для наблюдений. Экспедиция заменила все шесть гироскопов, датчик точного наведения и бортовой компьютер. Новый компьютер использовал процессор Intel486 в специальном исполнении — с повышенной устойчивостью к радиации. Это позволило производить часть вычислений, выполнявшихся ранее на земле, при помощи бортового комплекса.

Третья экспедиция (B)

«Хаббл» в грузовом отсеке шаттла перед возвращением на орбиту, на фоне восходящей Земли. Экспедиция STS-109.

Экспедиция 3В (четвёртая миссия) выполнена 1-12 марта 2002 года, полёт «Колумбия» STS-109. В ходе экспедиции Камера съёмки тусклых объектов была заменена на Усовершенствованную обзорную камеру (англ. Advanced Camera for Surveys (ACS)), и восстановлено функционирование Камеры и спектрометра около—инфракрасного диапазона, в системе охлаждения которого в 1999 году закончился жидкий азот.

Были во второй раз заменены солнечные батареи. Новые панели были на треть меньше по площади, что значительно уменьшило потери на трение в атмосфере, но при этом вырабатывали на 30% больше энергии, благодаря чему стала возможна одновременная работа со всеми приборами, установленными на борту обсерватории. Также был заменён узел распределения энергии, что потребовало полного выключения электропитания на борту — впервые с момента запуска.

Произведённые работы существенно расшилили возможности телескопа. Два прибора введённых в строй в ходе работ, ACS и NICMOS позволили получить изображения глубокого космоса.

Достижения

Столпы творения, один из самых известных снимков полученных телескопом. Рождение новых звёзд в Туманности Орла

За 15 лет работы на околоземной орбите «Хаббл» получил 700 тыс. изображений 22 тыс. небесных объектов — звёзд, туманностей, галактик, планет. Поток данных, которые он каждодневно генерирует в процессе наблюдений, составляет около 15 Гб. Общий их объём, накопленный за всё время работы телескопа, превышает 20 терабайт. Более 3900 астрономов получили возможность использовать его для наблюдений, опубликовано около 4000 статей в научных журналах. Установлено, что в среднем индекс цитирования астрономических статей основанных на данных телескопа в два раза выше, чем статей основанных на других данных. Ежегодно в списке 200 наиболее цитируемых статей не менее 10% занимают работы, выполненные на основе материалов «Хаббла». Нулевой индекс цитирования имеют около 30% работ по астрономии в целом, и только 2% работ выполненных с помощью космического телескопа.

Тем не менее, цена, которую приходится платить за достижения «Хаббла» весьма высока: специальное исследование посвящённое изучению влияния на развитие астрономии телескопов различных типов, установило, что хотя работы выполненные при помощи орбитального телескопа имеют суммарный индекс цитирования в 15 раз больше, чем у наземного рефлектора с 4-х метровым зеркалом, стоимость содержания космического телескопа выше в 100 и более раз.

Наиболее значимые наблюдения

• При помощи измерения расстояний до цефеид в Скоплении Девы было уточнено значение постоянной Хаббла. До наблюдений орбитального телескопа погрешность определения постоянной оценивалась в 50%, наблюдения позволили повысить точность до 10%.
• «Хаббл» предоставил высококачественные изображения столкновения кометы Шумейкеров-Леви 9 с Юпитером в 1994.
• Впервые получены карты поверхности Плутона и Эриды.
• Впервые наблюдались ультрафиолетовые полярные сияния на Сатурне, Юпитере и Ганимеде.
• Получены дополнительные данные о планетах вне солнечной системы, в том числе, спектрометрические.
• Найдено большое количество протопланетных дисков вокруг звёзд в Туманности Ориона. Доказано, что процесс формирования планет происходит у большинства звёзд нашей Галактики.
• Частично подтверждена теория о сверхмассивных чёрных дырах в центрах галактик, на основе наблюдений выдвинута гипотеза связывающая массу чёрных дыр и свойства галактики.
• По результатам наблюдений квазаров получена современная космологическая модель, представляющая собой Вселенную расширяющуюся с ускорением, заполненную тёмной энергией и уточнён возраст Вселенной — 13,7 млрд. лет.
• Обнаружено наличие эквивалентов гамма-всплесков в оптическом диапазоне
• В 1995 «Хаббл» провёл исследования участка неба (Hubble Deep Field) размером в одну тридцатимиллионную площади неба, содержащего несколько тысяч тусклых галактик. Сравнение этого участка с другим, расположенным в другой части неба (Hubble South Deep Field), подтвердило гипотезу об изотропности Вселенной.
• В 2004 был сфотографирован участок неба (Hubble Ultra Deep Field) с эффективной выдержкой около 10⁶ секунд (11,3 суток), что позволило продолжить изучение отдалённых галактик вплоть до эпохи образования первых звёзд. Впервые были получены изображения протогалактик, первых сгустков материи, которые сформировались менее чем через миллиард лет после Большого Взрыва.

Доступ к телескопу

Любой человек или организация может подать заявку на работу с телескопом, не существует ограничений по национальной или академической принадлежности. Конкуренция за время наблюдений очень высока, обычно суммарно запрошенное время в 6 — 9 раз превышает реально доступное.

На изображении, полученном по программе Hubble Ultra Deep Field, видны сотни галактик, самые красные и тусклые образовались всего через 800 млн. лет после Большого Взрыва

Конкурс заявок на наблюдение объявляется примерно раз в год. Зaявки делятся на несколько категорий:

• Обычные наблюдения (англ. General observer). В эту категорию попадает большинство заявок, требующих обычной процедуры и длительности наблюдений
• Блиц-наблюдения (англ. Snapshot observations) для наблюдений требующих не более 45 минут, включая время наведения телескопа, позволяют заполнить паузы между общими наблюдениями
• Срочные наблюдения (англ. Target of Opportunity), для изучения явлений которые можно наблюдать в течение ограниченного, заранее известного промежутка времени.

Кроме того 10% времени наблюдений остаётся в так называемом «резервe директора института космического телескопа». Астрономы могут подавать заявки на использование резерва в любое время, обычно он используется для наблюдений незапланированных краткосрочных явлений, таких как взрывы сверхновых. Съёмки глубокого космоса по программам Hubble Deep Field и Hubble Ultra Deep Field также были осуществлены за счёт директорского резерва.

В течение первых нескольких лет часть времени из резерва выделялась астрономам — любителям. Их заявки рассматривались комитетом состоящим также из наиболее видных астрономов — непрофессионалов. Основными требованиями к заявке были оригинальность исследования и несовпадение темы с поданными запросами профессиональных астрономов. В общей сложности в период между 1990 и 1997 годом было произведено 13 наблюдений по программам предложенным астрономами — любителями. В дальнейшем, из-за сокращения бюджета института предоставление времени непрофессионалам было прекращено.

Планирование наблюдений

Планирование наблюдений является чрезвычайно сложной задачей, так как необходимо учитывать влияние множества факторов:

• Поскольку телескоп находится на низкой орбите, что необходимо для обеспечения обслуживания, значительная часть астрономических объектов затенены Землёй чуть меньше половины времени обращения. Существует так называемая «зона длительной видимости», примерно в направлении 90° к плоскости орбиты, однако из-за прецессии орбиты точное направление изменяется с восьминедельным периодом
• Из-за повышенного уровня радиации наблюдения невозможны, когда телескоп пролетает над Южно-Атлантической аномалией
• Минимальное отклонение от Солнца составляет 45°, для предотвращения попадания прямого солнечного света в оптическую систему, что в частности делает невозможными наблюдения Меркурия, прямые наблюдения Луны и Земли допустимы при отключенных датчиках точного наведения
• Поскольку орбита телескопа проходит в верхних слоях атмосферы, плотность которых меняется в течение времени, невозможно точно предсказать местоположение телескопа. Ошибка шестинедельного предсказания может составлять до 4 тыс. километров. В связи с этим точные расписания наблюдений составляются всего на несколько дней вперёд, чтобы избежать ситуации, когда выбранный для наблюдения объект будет не виден в назначенное время

Передача, хранение и обработка данных телескопа

Передача на Землю

Данные «Хаббла» сначала запасаются в бортовых накопителях, на момент запуска в этом качестве использовались катушечные магнитофоны, в ходе экспедиций 2 и 3А они были заменены на твердотельные диски. Затем, через систему коммуникационных спутников TDRS данные передаются в Центр Годдарда.

Архивирование и доступ к данным

В течение первого года с момента получения данные предоставляются только основному исследователю (подателю заявки на наблюдение), а затем помещаются в архив со свободным доступом. Исследователь может подать просьбу на имя директора института о сокращении или увеличении этого срока.

Наблюдения выполненные за счёт времени из резерва директора немедленно становятся общественным достоянием, также как и вспомогательные и технические данные.

Данные в архиве хранятся в формате FITS удобном для астрономического анализа, проект «Наследие Хаббла» публикует небольшую, наиболее визуально эффектную часть данных в форматах TIFF и JPEG для широкой публики.

Анализ и обработка информации

Астрономические данные снятые с ПЗС-матриц приборов должны пройти ряд преобразований прежде чем станут пригодными для анализа. Институт космического телескопа разработал пакет программ для автоматического преобразования и калибрации данных. Преобразования производятся автоматически при запросе данных. Из-за большого объёма информации и сложности алгоритмов обработка может занять сутки и более.

Астрономы могут так же получить необработанные данные, и выполнить эту процедуру самостоятельно, что удобно, когда процесс преобразования отличается от стандартного.

Данные могут быть обработаны при помощи различных программ, но Институт телескопа предоставляет пакет STSDAS (Система аналаиза научных данных космического телескопа, англ. Space Telescope Science Data Analysis System). Пакет содержит все необходимые для обработки данных программы, оптимизированные для работы с информацией «Хаббла». Пакет работает как модуль популярной астрономической программы IRAF.

Связи с общественностью

В 2001 году, в честь 11-й годовщины запуска, НАСА предоставило пользователям Интернета выбрать объект наблюдения, подавляющее большинство проголосовало за Туманность Конская Голова [2]

Для проекта космического телескопа всегда было важно привлечь внимание и воображение широкой публики, и в особенности американских налогоплательщиков, внесших наиболее значительный вклад в финансирование «Хаббла».

Одним из наиболее важных для связей с общественностью является проект «Наследие Хаббла» (англ. The Hubble Heritage). Eго задачей является публикация наиболее эффектных визуально и эстетически изображений полученных телескопом. Галереи проекта содержат не только оригинальные снимки, но и созданные на их основе коллажи и рисунки. Проекту выделено небольшое количество времени наблюдений, для получения полноценных цветных изображений объектов, фотографирование которых в видимой части спектра не было необходимым для исследований.

Кроме того, Институт космического телескопа поддерживает несколько веб-сайтов с изображениями и исчерпывающeй информацией о телескопе.

В 2000 году для координации усилий различных ведомств было создано Бюро по связям с общественностью (англ. Office for Public Outreach).

В Европе с 1999 года связями с общественностью занимаeтся Европейский информационный центр (англ. Hubble European Space Agency Information Centre (HEIC)), учреждённый при Европейском координационном центре космического телескопа. Центр также отвечает за образовательные программы ЕКА связанные с телескопом.

Будущее «Хаббла»

Очередная экспедиция по обслуживанию с целью замены аккумуляторов и гироскопов, а также установки новых усовершенствованных инструментов, была назначена на февраль 2005 года, но после катастрофы космического корабля «Колумбия» 1 марта 2003 была отложена на неопределённый срок, что поставило под угрозу дальнейшую работу HST. Даже после возобновления полётов шаттлов, миссия была отменена, поскольку было принято решение, что каждый отправляющийся в космос челнок должен иметь возможность достичь МКС в случае обнаружения неисправностей, но из-за большой разницы в наклонении и высоте орбит шаттл не может причалить к станции после посещения телескопа.

Под давлением Конгресса и общественности требовавших принятия мер по спасению телескопа 29 января 2004, Шон О’Киф (англ. Sean O'Keefe), бывший тогда администратором НАСА, объявил, что изучит еще раз решение об отмене экспедиции к телескопу.

13 июля 2004 года, официальная комиссия Академии наук США приняла рекомендацию что телескоп должен быть сохранён, невзирая на очевидный риск.

11 августа того же года О’Киф поручил Центру Годдарда приготовить детальные предложения о проведении обслуживания телескопа при помощи робота . После изучения этот план был признан "технически неосуществимым".

31 октября 2006 года новым администратором НАСА Майклом Гриффином было официально объявлено о подготовке последней миссии по ремонту и модернизации телескопа. Ремонт будет включать в себя починку спектрографа STIS, прекратившего работу ещё в 2004 году, замену одного из трёх датчиков точного наведения, всех гироскопов, установку новых аккумуляторов и починку теплоизоляции. Также на «Хаббл» будут установлены два совершенно новых прибора — Ультрафиолетовый спектрограф (англ. Cosmic Origin Spectrograph COS) и Широкоугольная камера WFC3 (англ. Wide Field Camera 3). Экспедиция к телескопу назначена на середину 2008 года и продлится 11 дней. Миссия будет выполнена шаттлом «Атлантис», в качестве спасательного корабля будет подготовлен и установлен на стартовую позицию шаттл «Дискавери».

На данный момент на борту имеется ряд неисправностей неустранимых без посещения телескопа:

• 3 августа 2004 года отказала резервная система питания Регистрирующего спектрометра (основная вышла из строя ещё в мае 2001), прибор в нерабочем состоянии
• Из шести гироскопов системы ориентации функционируют только четыре, и с 31 августа 2005 года телескоп был переведён в режим ориентации на двух гироскопах, два остаются в резерве. В нормальном режиме используются три гироскопа, при ориентации на двух обозреваемая область ограничена, а точное наведение затруднено. По оценкам к 2008 году телескоп может остаться только с одним исправным гироскопом, что сделает дальнейшие наблюдения невозможными
• 29 января 2007 года вышла из строя резервная система питания Усовершенствованной обзорной камеры. Основная система частично неисправна с 2006 годa. Переключение на нее возможно, но камера сможет работать только в ультрафиолетовом диапазоне.

Предполагается, что «Хаббл» проработает на орбите до 2013, когда его сменит космический телескоп «Джеймс Вебб».

Технические данные

Параметры орбиты

• Наклонение: 28.469°
• Апогей: 571 км.
• Перигей: 565 км.
• Период обращения: 96.2 мин.

Космический аппарат

• Длина космического аппарата — 13,3 метров, диаметр — 4,3 метра, размах солнечных батарей — 12,0 метров, масса 11000 кг (с установленными приборами около 12500 кг).
• Телескоп представляет собой рефлектор с диаметром зеркала 2,4 м, позволяющий получить оптическое разрешение порядка 0,1 угловой секунды.

Приборы

Телескоп имеет модульную структуру и содержит пять отсеков для оптических приборов. Один из отсеков занимает корректирующая оптическая система (en:Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement, COSTAR), установленная во время первой экспедиции обслуживания в 1993 для компенсации неточности изготовления главного зеркала.

По состоянию на 2004 год установлены:

• Широкоугольная и планетная камера-2 (en:Wide Field and Planetary Camera 2, WFPC2) состоит из трёх квадратных ПЗС-матриц, соединённых углом и меньшей «планетной» камеры более высокого разрешения в четвёртом углу. Снимки этой камеры имеют характерную форму выщербленного квадрата ([3]).

• Камера близкого инфракрасного диапазона и многообъектный спектрометр (en:Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer, NICMOS) позволяет проводить наблюдения и спектрометрию в инфракрасном диапазоне от 0,8 до 2,5 мкм. Для получения необходимых низких температур детектор помещён в сосуд Дьюара и охлаждается твёрдым азотом.

• Спектрограф изображений космического телескопа (en:Space Telescope Imaging Spectrograph, STIS) имеет рабочий диапазон 115—1000 нм и позволяет вести двумерную спектрографию, то есть получать спектр одновременно нескольких объектов в поле зрения. Не работает с 3 августа 2004 после отказа электроники.

• Усовершенствованная обзорная камера (en:Advanced Camera for Surveys, ACS) состоит из трёх камер, одна из которых работает в далёком ультрафиолете, а другие дублируют и улучшают возможности WFPC2. Частично неработоспособна с 29 января 2007 года.

Как отмечалось выше, система наведения также используется в научных целях.

Ссылки

• Сайт NASA о проекте «Хаббл»(англ.)
• Официальный сайт Института космического телескопа(англ.)
• Архив изображений, полученных телескопом:
  • на английском;
  • на русском.
• Проект Hubble Heritage(англ.)
• Русское описание на scientific.ru
• Сайт ЕКА посвящённый телескопу(англ.)

Первоисточник этой статьи был признан «избранной статьёй» в русском разделе Википедии