Teleskop Hubble’a - od pomysłu do realizacji

Teleskop, nazwany imieniem jednego z bardziej prominentnych amerykańskich astronomów, wyniesiono na orbitę 24 kwietnia 1990 roku. Od tego momentu stał się jednym z najważniejszych narzędzi w dziedzinie astronomii. W oparciu o realizowane z wykorzystaniem teleskopu obserwacje powstało kilkanaście tysięcy prac naukowych i wiele projektów badawczych. Przeprowadzona w roku 1990 misja kosmiczna była początkiem rozpoczynającego się etapu badań, będąc jednocześnie zwieńczeniem wielu lat prac nad ideą i koncepcją umieszczenia urządzenia tego typu na okołoziemskiej orbicie.

Inspiratorzy i prekursorzy

Przyjmuje się, iż początki pomysłu zmaterializowanego w postaci teleskopu Hubble’a miały miejsce w 1923 roku wraz z publikacją rozprawy doktorskiej Rakietą w przestrzeń międzyplanetarną (Die Rakete zu den Planetenräumen) niemieckiego naukowca Hermanna Obertha. Autor zamieścił w niej pomysł wyniesienia teleskopu optycznego na orbitę okołoziemską z wykorzystaniem rakiety kosmicznej.

Zasadność pomysłu obserwacji przestrzeni kosmicznej z wysokości orbity usankcjonowana została w roku 1946 referatem Astronomiczne zalety obserwatorium pozaziemskiego wygłoszonym przez astronoma Lymana Spitzera. Autor stwierdzał, iż dla tak zlokalizowanego obserwatorium odległość między dwoma obiektami umieszczonymi obok siebie, przy której są one jeszcze rozróżnialne (rozdzielczość kątowa) będzie ograniczona jedynie przez dyfrakcję, a widoczność pozbawiona zostanie wszelkich turbulencji atmosferycznych powodujących np. migotanie gwiazd oraz innych czynników mających negatywny wpływ na proces obserwacji (chmury, zanieczyszczenia światłem). Nie bez znaczenia była także możliwość prowadzenia obserwować w podczerwieni i ultrafiolecie, zakresach promieniowania, które są w dużej mierze absorbowane przez ziemską atmosferę.

Kolejne lata płynęły Spitzerowi na opracowaniu projektu pozaziemskiego obserwatorium. Tymczasem w roku 1962 orbitujący teleskop słoneczny został wyniesiony przez brytyjczyków w ramach programu kosmicznego Ariel, a w 1966 NASA przeprowadziła pierwszą misję jako element Orbitalnych Obserwatoriów Astronomicznych. Jednak awaria akumulatorów pierwszego satelity OAO-1, która miała miejsce już po trzech dniach pracy zakończyła jego misję. O wiele lepiej zrealizowany został plan drugiego satelity OAO-2, który prowadził obserwacje gwiazd i galaktyk w ultrafiolecie w latach 1968-1972, choć pierwotnie przewidziany był jedynie do wykonywania swych zadań przez rok.

W 1962 roku budowę amerykańskiego obserwatorium orbitalnego zapowiedziano w ramach programu lotów kosmicznych, a w 1965 roku Lyman Spitzer mianowany został przewodniczącym komisji, ustalającej cele badawcze dla projektowanego teleskopu. W 1968 roku NASA ogłosiła zamiar umieszczenie teleskopu zwierciadlanego o 3-metrowym lustrze, nazywanego wówczas Wielkim Teleskopem Kosmicznym. Datę realizacji projektu ustalono na rok 1979.

Fundusze

Od roku 1970 pracowały już dwie komisje powołane w ramach określenia celów naukowych oraz strony technicznej projektu. Pozostało jeszcze zadbać o stosowne finansowanie przedsięwzięcia. Po wielu trudnych negocjacjach Senat Stanów Zjednoczonych zgodził się na finansowanie połowy kwoty wcześniej zaakceptowanej przez Kongres. Cięcia w budżecie oraz postawienie na lepszą konfigurację sprzętową teleskopu spowodowały konieczność zmniejszenia planowanej średnicy zwierciadła (z 3 metrów do 2,4). Zaniechano także budowy i wystrzelenia wersji testowej urządzenia. Także z powodów niedoinwestowania zdecydowano się na współpracę z Europejską Agencją Kosmiczną, która zgodziła się współfinansować projekt w zamian za gwarancję udzielenia dostępu dla europejskich astronomów w ramach minimum 15-procentowej puli przydzielonego czasu obserwacji. W 1978 roku ostatecznie zatwierdzono środki i przystąpiono do projektowania konstrukcji i budowy teleskopu, której realizację zapowiedziano na rok 1983.

Realizacja projektu

Realizację projektu NASA rozdzieliła na kilka różnych instytucji. Najważniejszą część konstrukcji - zwierciadło - powierzono Perkin-Elmer. Ze względu na planowe prowadzenie obserwacji z wykorzystaniem szerokiego spektrum widma elektromagnetycznego (od ultrafioletu aż do podczerwieni) zwierciadło teleskopu musiało być wykonane z zawrotną precyzją rzędu 10 nanometrów. Podczas prac, które rozpoczęły się w 1979 roku Perkin-Elmer korzystała z systemów komputerowego wspomagania. Maksymalna redukcja masy wymagała zastosowania konstrukcyjnej kratownicy w formie plastra miodu. Ostatnią fazą produkcyjną było pokrycie warstwy wierzchniej 65-nanometrową aluminiową powłoką refleksyjną i 25-nanometrową warstwą ochronną z fluorku magnezu. Niestety podczas prac popełniono błąd obliczeniowy, który był powodem usterki stwierdzonej dopiero po umieszczeniu teleskopu na orbicie i uruchomieniu instrumentów pokładowych - jej usunięcie było przyczyną pierwszej misji serwisowej z roku 1993 (o misjach serwisowych szerzej piszemy tutaj).

Konstrukcję obserwatorium wykonaną z ​​lekkiego aluminium pokryto powłoką izolacji wielowarstwowej utrzymującej stałą temperaturę wewnątrz urządzenia. Zadaniem szkieletu wykonanego z tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknem węglowym jest sztywność i stabilne oparcie dla wykonujących obserwacje części teleskopu.

Teleskop ten posiada typową konstrukcję dla tego rodzaju dużych obserwatoriów astronomicznych - w 13-metrowej obudowie znajduje się zwierciadło główne średnicy 2,4 metra odbijające światło obserwowanych obiektów i rzucające obraz na mniejsze zwierciadło pomocnicze (wtórne). Jego zadaniem jest skupienie światła i przesłanie do modułu instrumentów rejestrujących, gdzie obraz zostaje zapisany, by następnie zostać transferowany do ziemskich zespołów odbiorczych celem dalszej obróbki. Zespół instrumentów składa się z pięciu podstawowych modułów: Aparatu Szerokiego Pola i Planet, spektrografu Godarda pracującego w wysokiej rozdzielczości, fotometru, aparatu słabych obiektów oraz spektrometru słabych obiektów działających w świetle widzialnym i ultrafiolecie. Ponieważ ziemska atmosfera w dużej mierze pochłania promieniowanie ultrafioletowe, praca w tym zakresie częstotliwości ma dla astronomów szczególne znaczenie. Zasilanie teleskopu zapewniają dwa panele baterii słonecznych rozpięte po obu stronach urządzenia. Teleskop nie posiada autonomicznego napędu - z upływem czasu z powodu tarcia górnych warstw atmosfery jago orbita się zmniejszy, co doprowadzi do niekontrolowane zejście z kursu i upadku na powierzchnię Ziemi. Sytuacja taka byłby niezwykle niebezpieczna stąd projekt doposażenia teleskopu w dodatkowy moduł napędowy i możliwość jego kontrolowanego deorbitowania. W ramach ostatniej misji serwisowej NASA zainstalowała już mechanizm miękkiego przechwytywania (SCM), który wraz z innymi systemami stworzy warunki umożliwiające dozór przebiegu operacji.

Komunikację z teleskopem utrzymuje się dzięki satelitom śledzenia i transmisji danych (Tracking and Data Relay Satellite System). Teleskop prowadzi zaprogramowany harmonogram zadań oraz rejestrację wyników, które są wysyłane do ziemskiego centrum obsługi, gdy chociażby jeden z satelitów TDRSS znajduje się w zasięgu systemów nadawczych urządzenia.

Ze względu na pojawiające się opóźnienia w fazie produkcyjnej teleskopu, a następnie wstrzymanie programu lotów kosmicznych związane z katastrofą Challengera, termin jego umieszczenia na orbicie był sukcesywnie przesuwany. Ostatecznie po wznowieniu lotów wahadłowców w 1988 roku, wystrzelenie teleskopu Hubble’a zaplanowane zostało na rok 1990. Termin został dotrzymany. 24 kwietnia 1990 roku w ramach misji STS-31 promu kosmicznego Discovery wyniesienie i umieszczenie teleskopu Hubble’a na orbicie zakończyło się sukcesem.