Вы когда-нибудь смотрели в ночное небо и задавались вопросом, как выглядит Вселенная вблизи? Большинство из нас вынуждены смотреть на звезды одними глазами, выискивая точки света в бескрайней черной ночи. Даже если вам посчастливилось иметь доступ к наземному телескопу, четкость которого зависит от атмосферных факторов, таких как облака и погода, он все равно не обеспечивает ту четкость, которой заслуживают эти потрясающие небесные объекты.
В 1946 году астрофизик доктор Лайман Спитцер-младший предположил, что телескоп в космосе будет показывать гораздо более четкие изображения удаленных объектов, чем любой наземный телескоп. Звучит логично, правда? Но это была возмутительная идея, учитывая, что еще никто даже не запускал ракету в космос.
Поскольку США Космическая программа созрела в 1960-х и 1970-х годах, Спитцер лоббировал НАСА и Конгресс с целью разработки космического телескопа. В 1975 году Европейское космическое агентство (ЕКА) и НАСА приступили к составлению первоначальных планов для него, а в 1977 году Конгресс утвердил необходимые средства. НАСА назвало Lockheed Missiles (теперь Lockheed Martin) подрядчиком, который будет строить телескоп и его вспомогательные системы, а также собирать и тестировать его.
Знаменитый телескоп был назван в честь американского астрономаЭдвина Хаббла, чьи наблюдения за переменными звездами в далеких галактиках подтвердили расширение Вселенной и поддержали теорию Большого взрыва.
После долгой задержки из-за катастрофы Челленджера в 1986 году космический телескоп Хаббл вышел на орбиту 24 апреля 1990 года на борту космического корабля "Дискавери". С момента своего запуска Хаббл изменил наше представление о космосе: ученые написали тысячи статей, основанных на проницательных выводах телескопа о таких важных вещах, как возраст Вселенной, гигантские черные дыры или то, как звезды выглядят в агонии смерти.
В этой статье мы поговорим о том, как Хаббл задокументировал космическое пространство и какие инструменты позволили ему это сделать. Мы также поговорим о некоторых проблемах, с которыми столкнулся почтенный телескоп/космический корабль.
COSTAR спасает положение
Почти сразу после того, как он был запущен в 1990 году, астрономы обнаружили проблему с их любимым 13,3-метровым телескопом стоимостью 1,5 миллиарда долларов. Их новый глаз размером с тягач в небе не мог правильно сфокусироваться. Они поняли, что главное зеркало телескопа было отшлифовано до неправильного размера. Хотя дефект в зеркале, примерно равный одной пятидесятой толщины человеческого волоса, большинству из нас показался бы смехотворно незначительным, он вызвал сферическую аберрацию космического телескопа Хаббла и нечеткое изображение. Наверняка астрономы потратили годы на работу над телескопом не только для того, чтобы довольствоваться ничем не примечательными снимками космического пространства.
Ученые придумали сменную «контактную» линзу под названиемCOSTAR(Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement) для устранения дефекта в ХСТ. COSTAR состоял из нескольких маленьких зеркал, которые перехватывали луч от дефектного зеркала, фиксировали дефект и передавали исправленный луч научным приборам в фокусе зеркала.
Астронавты и сотрудники НАСА потратили 11 месяцев на подготовку к одной из самых сложных космических миссий, которые когда-либо предпринимались. Наконец, в декабре 1993 года семь человек на борту космического корабля "Индевор" отправились в космос для первой миссии по обслуживанию HST.
Экипажу потребовалась неделя, чтобы сделать все необходимые ремонтные работы, и когда телескоп был протестирован после сервисной миссии, изображения значительно улучшились. Сегодня все инструменты, размещенные в HST, имеют встроенную корректирующую оптику для дефекта зеркала, и COSTAR больше не нужен.
Хаббл - это нечто большее, чем COSTAR, и мы поговорим о некоторых из этих важных частей далее.
Анатомия HST
Как и любой другой телескоп, HST имеет длинную трубу, открытую с одного конца, чтобы пропускать свет. У него есть зеркала, чтобы собрать и сфокусировать свет там, где расположены его «глаза». HST имеет несколько типов «глаз» в виде различных инструментов. Точно так же, как насекомые могут видеть ультрафиолетовый свет или мы, люди, видим видимый свет, Хаббл также должен быть в состоянии видеть различные типы света, падающего с небес.
В частности, Хаббл - этотелескоп с рефлектором КассегренаЭто просто означает, что свет попадает в устройство через отверстие и отражается от главного зеркала во вторичное зеркало. Вторичное зеркало, в свою очередь, отражает свет через отверстие в центре основного зеркала вфокальную точку за основным зеркалом. Если вы нарисуете путь падающего света, он будет похож на букву «W», только с тремя направленными вниз горбами вместо двух.
В фокусе меньшие, полуотражающие, полупрозрачные зеркала распределяют падающий свет на различные научные приборы. (Подробнее об этих инструментах мы поговорим в следующем разделе.) Как вы могли догадаться, это не просто обычные зеркала, в которые можно смотреть, чтобы полюбоваться своим отражением.
Зеркала HST сделаны из стекла и покрыты слоями чистого алюминия (толщиной три миллионных дюйма) и фторида магния (толщиной одна миллионная дюйма), чтобы они отражали видимый, инфракрасный и ультрафиолетовый свет. Основное зеркало имеет диаметр 7,9 футов (2,4 метра), а вторичное зеркало - 1,0 фута (0,3 метра) в диаметре.
Далее мы поговорим о том, что Хаббл делает со всем этим светом после того, как он попадает в зеркала телескопа.
Научные приборы Хаббла: WFPC2, NICMOS и STIS
Глядя на различные длины волн или спектр света небесного объекта, вы можете различить многие его свойства. Для этого HST оснащен несколькими научными приборами. В каждом приборе используютсяустройства с зарядовой связью(ПЗС), а не фотопленка для улавливания света. Свет, обнаруженный ПЗС-матрицами, преобразуется в цифровые сигналы, которые сохраняются в бортовых компьютерах и передаются на Землю. Затем цифровые данные преобразуются в потрясающие фотографии. Давайте посмотрим, как каждый инструмент влияет на эти образы.
Широкоугольная и планетарная камера 2(WFPC2) является основным «глазом» или камерой Хаббла. Он видит с помощью четырех ПЗС-чипов, расположенных в форме буквы «L», чтобы уловить свет: три широкоугольных ПЗС-чипа с низким разрешением и один ПЗС-чип планетарной камеры с высоким разрешением. Все четыре чипа экспонируются одновременно с мишенью, и целевое изображение центрируется на нужной ПЗС-матрице. Этот глаз может видеть видимый и ультрафиолетовый свет, а также может делать изображения через различные фильтры, чтобы получить изображения с естественными цветами, такие как это хорошо известное изображение туманности Орла.
Часто межзвездный газ и пыль могут блокировать наше видение видимого света от различных небесных объектов. Нет проблем: Хаббл может видеть инфракрасный свет или тепло от объектов, скрытых в пыли и газе. Чтобы увидеть этот инфракрасный свет, HST имеет три чувствительные камеры, которые составляюткамеру ближнего инфракрасного диапазона и многообъектный спектрометр(NICMOS).
Помимо освещения небесного объекта, свет, исходящий от этого объекта, также может показать, из чего он сделан. Конкретные цвета говорят нам, какие элементы присутствуют, а интенсивность каждого цвета говорит нам, сколько этого элемента присутствует. Спектрограф изображений космического телескопа(STIS) разделяет входящие цвета света так же, как призма создает радугу.
В дополнение к описанию химического состава спектр может передавать температуру, плотность и движение небесного объекта. Если объект движется, химический отпечаток может смещаться в сторону синего (движение к нам) или красного конца (удаление от нас) спектра. К сожалению, STIS отключился в 2004 году и с тех пор не работает.
Продолжайте читать, чтобы узнать, какие еще научные инструменты есть у Хаббла в телескопическом рукаве.
Научные приборы Хаббла: ACS и FGS
Во время миссии по обслуживанию в феврале 2002 года астронавты добавилиУсовершенствованную камеру для обзоров(ACS), удвоив поле зрения Хаббла и замена камеры для слабых объектов, которая служила телеобъективом HST.
ACS, который видит видимый свет, был установлен, чтобы помочь составить карту распределения темной материи, обнаружить самые отдаленные объекты во Вселенной, найти массивные планеты и изучить эволюцию скоплений галактик. Ученые подсчитали, что он прослужит пять лет, и, как раз по сигналу, в январе 2007 года из-за перебоя в электроснабжении две из трех его камер были отключены.
Схема космического телескопа Хаббл. Наведите указатель мыши на «Функции телескопа», чтобы изучить каждую функцию. Примечание. В 2002 году камера для слабых объектов была заменена на улучшенную камеру для съемок
Последним инструментом на борту HST являются егодатчики точного наведения(FGS), которые наводят телескоп и точно измеряют положение и диаметры звезд, а также разделение двойных звезд. Всего у Хаббла три таких датчика; два, чтобы навести телескоп и удерживать его на цели, ища «путеводные» звезды в поле HST рядом с целью. Когда каждый FGS находит направляющую звезду, он фиксируется на ней и передает информацию обратно в систему рулевого управления HST, чтобы удерживать эту направляющую звезду в своем поле. Пока два датчика управляют телескопом, один может выполнятьастрометрические измерения (положения звезд). Астрометрические измерения важны для обнаружения планет, потому что планеты, вращающиеся вокруг них, заставляют родительские звезды колебаться, когда они движутся по небу.
Многократный ремонт этих инструментов, а также несколько дополнений запланированы для следующей сервисной миссии, возможно, в начале 2009 года.
Теперь вы знаете, как Хаббл делает все эти снимки. Далее мы узнаем о другой жизни Хаббла в качестве космического корабля.
Системы космических аппаратов Хаббла: выработка электроэнергии и связь с наземным управлением
Хаббл - это не только телескоп с узкоспециализированными научными инструментами. Это тоже космический корабль. Таким образом, он должен иметь силу, общаться с землей и иметь возможность менять свое отношение (ориентацию).
Все приборы и компьютеры на борту HST требуют электропитания. Две большие солнечные панели выполняют эту функцию. Каждая крыловидная панель может преобразовывать солнечную энергию в 2800 ватт электроэнергии. Когда HST находится в тени Земли, энергия, накопленная в бортовых батареях, может поддерживать работу телескопа в течение 7 часов.5 часов.
В дополнение к выработке электроэнергии HST должен иметь возможность общаться с диспетчерами на земле, чтобы передавать данные и получать команды для своих следующих целей. Для связи HST использует серию спутников-ретрансляторов, называемыхСистема спутников слежения и ретрансляции данных (TDRS) В настоящее время в разных точках неба находится пять спутников TDRS.
Процессу связи Хаббла также помогают два основных компьютера, которые установлены вокруг трубы телескопа над отсеками для научных инструментов. Один компьютер разговаривает с землей для передачи данных и получения команд. Другой компьютер отвечает за управление HST и различные вспомогательные функции. У Хаббла также есть резервные компьютеры на случай чрезвычайной ситуации.
Но что используется для извлечения данных? И что происходит с этой информацией после ее сбора? Четыре антенны, расположенные на телескопе, передают и принимают информацию между Хабблом и группой управления полетами в Центре космических полетов имени Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд. Получив информацию, Годдард отправляет ее в Научный институт космического телескопа (STScI) в Мэриленде, где ее переводят в научные единицы, такие как длина волны или яркость.
Узнайте, как Хаббл перемещается дальше.
Системы космического корабля Хаббла: управление и фокусировка глаза в небе
Хаббл облетает Землю каждые 97 минут, поэтому сфокусироваться на цели может быть сложно. Три бортовые системы позволяют телескопу оставаться зафиксированным на объекте: гироскопы, датчики точного наведения, о которых мы говорили в предыдущем разделе, и реактивные колеса..
Гироскопы отслеживают основные движения Хаббла. Подобно компасам, они чувствуют его движение, сообщая бортовому компьютеру, что Хаббл удалился от цели. Затем бортовой компьютер вычисляет, сколько и в каком направлении Хаббл должен двигаться, чтобы оставаться на цели. Затем бортовой компьютер направляет реактивные колеса для перемещения телескопа.
Точные датчики наведения Хаббла помогают удерживать телескоп на цели, ориентируясь на опорные звезды. Два из трех датчиков находят направляющие звезды вокруг цели в соответствующих полях зрения. После обнаружения они фиксируются на опорных звездах и отправляют информацию на бортовой компьютер, чтобы опорные звезды оставались в поле зрения. Датчики более чувствительны, чем гироскопы, но комбинация гироскопов и датчиков может удерживать HST на цели в течение нескольких часов, несмотря на орбитальное движение телескопа.
HST не может использовать ракетные двигатели или газовые двигатели для управления, как это делают большинство спутников, потому что выхлопные газы будут зависать возле телескопа и затуманивать окружающее поле зрения. Вместо этого HST имеетреактивные колеса, ориентированные в трех направлениях движения (x/y/z или тангаж/крен/рыскание). Реактивные колеса - это маховики, подобные тем, что есть в сцеплении. Когда HST нужно двигаться, бортовой компьютер сообщает одному или нескольким маховикам, в каком направлении и как быстро вращаться, что обеспечивает силу действия. В соответствии с третьим законом движения Ньютона (на каждое действие есть равное и противоположное противодействие), HST вращается в направлении, противоположном маховикам, пока не достигнет своей цели.
Есть ли что-то, что Хаббл не может сделать?
Ограничения Хаббла
Хотя HST сделал бесчисленное количество невероятных снимков и открытий, у него есть несколько ограничений.
Одним из этих ограничений является то, что HST не может наблюдать за солнцем, потому что интенсивный свет и высокая температура поджарят его чувствительные инструменты. По этой причине HST всегда направлен в сторону от солнца. Это также означает, что Хаббл не может наблюдать Меркурий, Венеру и некоторые звезды, находящиеся близко к Солнцу.
В дополнение к яркости объектов орбита Хаббла также ограничивает то, что можно увидеть. Иногда цели, которые астрономы хотели бы наблюдать с помощью Хаббла, заслоняются самой Землей, когда Хаббл вращается вокруг своей орбиты. Это может ограничить время наблюдения за данным объектом.
Наконец, HST проходит через участокрадиационных поясов Ван Аллена, где заряженные частицы солнечного ветра задерживаются магнитным полем Земли. Эти встречи вызывают высокий радиационный фон, который мешает работе детекторов приборов. Телескоп не может вести наблюдения в эти периоды.
Далее узнайте, что ждет великую небесную обсерваторию в будущем.
Планы для Хаббла: заключительная миссия по обслуживанию и замена
На данный момент будущее Хаббла немного неопределенно. Последняя миссия по обслуживанию была запланирована на 10 октября 2008 года. Однако НАСА потеряло неделю времени на подготовку из-за вынужденной эвакуации Центра управления полетами в Хьюстоне, когда ураган Айк пронесся по Техасу..
Затем 14 октября 2008 года должен был стартовать космический шаттл Atlantis с экипажем из семи астронавтов для завершения миссии - путешествие, которое заняло бы 11 дней и продлило бы срок службы телескопа как минимум до 2013 года.
Однако 29 сентября 2008 года НАСА отложило последнюю миссию до начала 2009 года из-за серьезной поломки. Произошел сбой в командах и инструментах обработки данных Хаббла, и он просто перестал собирать и отправлять данные, необходимые для создания изображений дальнего космоса, которые мы знаем и любим.
Когда Atlantis, наконец, будет запущен, НАСА может прислать запасную часть неисправного компонента. Однако прежде чем это произойдет, НАСА должно протестировать сменную деталь и обучить астронавтов ее установке. Тем временем агентство также пытается активировать резервный канал для команды, а запуск JWST намечен на 2013 год и является результатом международного сотрудничества между НАСА, Европейским космическим агентством и Канадским космическим агентством..
Но прежде чем мы перейдем к JWST и забудем о Хаббле, возможно, трудолюбивый телескоп заслуживает минутки. Благодаря беспрецедентным открытиям Хаббла, захватывающие изображения того, что находится за пределами атмосферы Земли, стали доступными для всех. От редкого совпадения двух спиральных галактик до мощного столкновения галактических скоплений, Хаббл приблизил маленький кусочек неба к дому.
Продолжайте читать, чтобы узнать больше об удивительных телескопах и наших приключениях в космосе.