Габбл: космічний телескоп, який змінив уявлення про Всесвіт

У квітні 1990 року на орбіту успішно вивели космічний телескоп Габбл (Hubble Space Telescope, HST). Понад 30 років він передає на Землю вражаюче детальні світлини та дані, що вже лягли в основу майже 20 тисяч наукових публікацій. Завдяки Габблу астрономи глибше досліджують космос: від найближчих до нас об’єктів — таких як Місяць — до віддалених галактик, що сформувалися на зорі Всесвіту. Але перш ніж стати символом “великої науки” (big science), HST пройшов складний шлях розробок, бюджетних баталій, драматичних невдач і тріумфальних перемог.

Ідея космічного телескопа: від Лаймена Спітцера до Ненсі Грейс Роман

Ідея розмістити телескоп у космосі з’явилася ще у 1946 році в праці астрофізика Лаймена Спітцера (1914–1997). У статті “Astronomical Advantages of an Extra-Terrestrial Observatory” він зазначив, що “найкращий огляд космосу буде з самого космосу”, оскільки відсутність земної атмосфери дасть змогу уникнути спотворення зображень і спостерігати об’єкти у ширшому спектральному діапазоні (зокрема в ультрафіолеті й інфрачервоному діапазоні).

Через кілька десятиліть, коли у США у 1958 році було засновано NASA (Національне управління з аеронавтики і дослідження космічного простору), ідею Спітцера взялася впроваджувати Ненсі Грейс Роман (1925–2018) — видатна астрономка, відома як «мати Габбла». Роман стала першою жінкою на посаді Головного астронома NASA, і саме вона вибудовувала партнерські зв’язки між агенцією та університетськими астрономічними колами. Її ключова ідея полягала в тому, що космічний телескоп мав би створюватися та використовуватися на благо всієї наукової спільноти. Щоби довести це до Конгресу, Ненсі неодноразово виступала з промовами про виняткову наукову цінність майбутньої орбітальної обсерваторії.

Проєкт реалізовувався в умовах жорсткої конкуренції між США і СРСР під час Холодної війни, що вплинуло на фінансування і технічні рішення. Наприклад, розробка головного дзеркала була доручена Perkin-Elmer, компанії, яка мала досвід роботи над секретними військовими супутниками.

“Великий телескоп”: народження масштабного проєкту

На початку 1970-х NASA та група провідних астрономів активно лобіювали ідею “Великого космічного телескопа”. Одначе брак фінансування і певний скептицизм з боку політиків затримували прийняття рішення. Лише 1977 року, більш ніж через три десятиліття від первинної пропозиції Спітцера, Конгрес США схвалив фінансування проєкту.

Конструкція та наукові прилади

Розробка телескопа розпочалась у 1978 році. Найважливішими складовими були:

• Головне дзеркало діаметром 2,4 метра (7,8 футів) і масою 828 кг (1,825 фунтів). Воно мало збирати та фокусувати світло від об’єктів Космосу.

• Ширококутна камера (Wide Field Camera) для отримання високодетальних зображень.

• Високороздільна спектрографічна система (High-Resolution Spectrograph), покликана аналізувати спектри далеких об’єктів і визначати їхній хімічний склад, швидкість та інші характеристики.

• Високошвидкісний фотометр (High Speed Photometer) для точних вимірювань яскравості зір та інших космічних явищ.

Роботи над збіркою телескопа Габбл 1980 рік

Попри захопливі перспективи, інженерам довелося долати низку труднощів: від нестачі коштів до технічних перепон. Спочатку планували запустити телескоп у 1983 році, проте проєкт неодноразово затримувався: спочатку через несподівані проблеми в розробках, а потім — через катастрофу космічного човника “Челленджер” у 1986 році.

Полірування дзеркала для телескопа Габбл

Запуск і перші невдачі

Нарешті, 24 квітня 1990 року, телескоп Габбл успішно стартував на борту шатла “Діскавері”. Проте радість тривала недовго: перші знімки, отримані на Землі, були розмитими та нечіткими. Інженери та науковці з’ясували, що в головному дзеркалі присутня сферична аберація: його шліфували з похибкою лише 2 мікрони (менше ніж половина товщини людської волосини). Через цю помилку Габбл міг сфокусувати лише 10% світла від зірки в одній точці замість запланованих 70%.

Діскавері перевозить космічний телескоп Хаббл у космос під час місії STS-31 незабаром після запуску з Космічного центру Кеннеді 24 квітня 1990 року.

Преса не оминула увагою цей скандал: на NASA сипалися гострі критичні зауваження, а конгресмени влаштовували гучні слухання щодо того, хто винен і як виправити ситуацію.

Рятівне рішення: “окуляри” для Габбла

Інженери NASA та партнери з промисловості швидко запропонували два ключових рішення, які разом працювали як “окуляри” для космічного телескопа:

1. WFPC2 (Wide Field and Planetary Camera 2) — нова версія ширококутної камери, у яку вбудували коригувальну оптику. Цю камеру планували встановити під час першої місії з обслуговування.

2. COSTAR (Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement) — спеціальна оптична система для інших наукових приладів (спектрографів і фотометра), яка мала “перефокусувати” світлові промені.

У грудні 1993 року на шатлі “Індевор” стартувала складна місія, в якій астронавти за 11 днів виконали 5 рекордних виходів у відкритий космос, замінивши початкову камеру на WFPC2 та встановивши COSTAR. І вже за кілька тижнів з орбіти надійшли перші ідеально чіткі зображення — Габбл виправдав себе, а разом з цим повернув довіру світової спільноти до космічних досліджень NASA.

Наукові досягнення: від “Стовпів Творіння” до темної енергії

Протягом наступних десятиліть Габбл став іконою астрономії. Серед найвизначніших наукових результатів:

• “Стовпи Творіння” в Туманності Орла (M16): зображення величних хмар газу і пилу, де формуються нові зірки.

• Точні вимірювання постійної Габбла (Hubble Constant), що дозволили краще визначити швидкість розширення Всесвіту.

• Відкриття ознак темної енергії, та уточнення концепції темної матерії, що радикально змінило уявлення про те, з чого фактично складається наш Всесвіт.

• Спостереження за народженням і еволюцією галактик у далеких куточках простору-часу.

• Вивчення екзопланет: Габбл став одним із перших інструментів, за допомогою якого вдалося прослідкувати спектральні лінії атмосфер екзопланет.

Наукові результати Габбла лягли в основу майже 20 тисяч наукових статей, посиливши репутацію космічного телескопа як унікальної обсерваторії.

Серії місій з обслуговування та продовження життя Габбла

З 1993 до 2009 року NASA провело п’ять місій обслуговування:

1. Перша (1993): установка WFPC2 та COSTAR.

2. Друга (1997): заміна й удосконалення спектрографів, модернізація бортових систем живлення.

3. Третя (1999–2002): поділена на два етапи через численні модернізації обладнання, зокрема встановлення нових гіроскопів, оновлення комп’ютерних систем і камер.

4. Четверта (2002): установка удосконаленої камери ACS (Advanced Camera for Surveys), яка дала змогу знімати ще якісніші фотографії глибокого космосу.

5. П’ята (2009): остання на сьогоднішній день місія, під час якої були встановлені нові інструменти (Wide Field Camera 3, Cosmic Origins Spectrograph) і відремонтовані наявні системи.

Ці роботи дозволили значно продовжити термін активної експлуатації телескопа, який спочатку оцінювався у 15 років, тоді як нині він працює вже понад 30 років.

Що далі: коли Габбл піде на пенсію?

Хоча точна дата завершення місії Габбла невідома, більшість розрахунків вказують, що це може статися у 2030-х роках. Подальші плани з обслуговування наразі відсутні, а всі системи мають свій технічний термін “життя”. Зрештою, телескоп буде зведено з орбіти для безпечного згоряння в атмосфері Землі або м’якого повернення.

Джеймс Вебб та “спадщина” Габбла

Нове покоління космічних телескопів розпочалося з Космічного телескопа Джеймса Вебба (JWST), запущеного 25 грудня 2021 року. Хоча його не називають прямим спадкоємцем Габбла (адже JWST спеціалізується переважно на інфрачервоному діапазоні), він спирається на спадщину HST, продовжуючи вивчати найвіддаленіші куточки та найдавніші епохи Всесвіту — часи формування перших зірок і галактик.

Модель космічного телескопа Джеймса Вебба (JWST)

Водночас Едвін Габбл (1889–1953), на честь якого назвали телескоп, був одним із перших, хто довів, що інші зоряні системи (галактики) виходять за межі нашого Чумацького Шляху, а також виміряв, що Всесвіт розширюється. Космічний телескоп Габблстав логічним продовженням його ідей, відкриваючи дедалі більше деталей про розширення Космосу.

Висновок: уроки “великої науки”

Габбл є показовим прикладом “big science” — масштабного проєкту, що вимагає колосальних коштів, об’єднує численні науково-дослідні інститути, промислові підприємства та урядові органи. Це історія про:

• Наполегливість і роботу в команді, які здатні віднайти рішення навіть тоді, коли невдача здається неминучою.

• Наукову сміливість, адже лише поєднання зусиль урядових агенцій, вчених та інженерів зробило можливим проєкт такої складності.

• Світове визнання, бо результати Габбла надихають як професіоналів-астрономів, так і всіх, хто дивиться на зоряне небо в пошуках відповідей про наше походження.

Цей телескоп назавжди змінив наше бачення Всесвіту, подарувавши приголомшливі знімки далеких галактик, вибухаючих зір і гігантських міжзоряних туманностей. Історія Габбла — це насамперед історія людської пристрасті до відкриття нового, а також приклад того, як навіть драми й помилки можуть обернутися науковим проривом, що триває вже понад три десятиліття.

Джерела:

1. NASA Official Website — www.nasa.gov

2. ESA/Hubble Website — www.spacetelescope.org