Teleskop Hubble’a – najlepszego staruszku!

W 1990 roku astronomowie odkryli wszechświat na nowo. Odnaleźli cuda natury wykraczające poza ludzką wyobraźnię, poznali całkiem nowe światy i zajrzeli dalej niż kiedykolwiek wcześniej. To właśnie dał nam jeden z najsłynniejszych przyrządów naukowych w dziejach – Kosmiczny Teleskop Hubble’a. 

Ileż mamy szczęścia, że żyjemy właśnie dziś,
gdy po raz pierwszy w historii ludzkości
naprawdę zwiedzamy nowe światy.

Carl Sagan

Teleskop odrobinę bliżej nieba

Obserwatorzy nieba posiadają dwóch śmiertelnych wrogów: światło i powietrze. O ile pierwszego szkodnika możemy stosunkowo łatwo unieszkodliwić, wznosząc wspaniałe obserwatorium na totalnym odludziu i w spokoju prowadząc badania nie martwiąc się miejskimi latarniami, o tyle nieznośna kołdra gazów otulająca naszą planetę zawsze będzie stanowić problem. Jasne, staramy się uciekać na górskie szczyty i pustynie, gdzie atmosfera jest rzadsza a niebo bezchmurne. Próbujemy niwelować zakłócenia wywoływane przez ruchliwe cząsteczki powietrza za pomocą technik optyki adaptacyjnej. Powiedzmy sobie jednak szczerze: z żadnego punktu na powierzchni ziemskiej, nigdy nie zobaczymy tyle co z przestrzeni kosmicznej.

Właśnie ten argument legł u podstaw idei skonstruowania fruwającego ponad atmosferą teleskopu kosmicznego. Co ciekawe, wizja badań kosmosu nieskrępowanych zasłoną powietrza była tak nęcąca, że marzono o niej jeszcze zanim byliśmy w stanie wystrzelić w przestrzeń jakikolwiek obiekt! Tuż po wojnie, ponad dziesięć lat przed wysłaniem przez Sowietów na orbitę Sputnika, o potrzebie skonstruowania pozaziemskiego obserwatorium wspomniał profesor Uniwersytetu Yale, Lyman Spitzer. (Nic dziwnego, że nazwiskiem zasłużonego dla sprawy amerykańskiego astrofizyka i wizjonera postanowiono ochrzcić wyniesiony na orbitę w 2003 roku, działający w zakresie podczerwieni Kosmiczny Teleskop Spitzera).

Oczywiście musiały minąć całe dekady zanim odważny koncept przeniesiono z teoretyzujących artykułów do warsztatów i fabryk. Potrzeba było trzydziestu lat rozwoju technologii oraz urabiania NASA przez Spitzera, aby w końcu wyłożono pieniądze i podjęto wyzwanie.

Od OAO do Teleskopu Hubble’a

To nie jest tak, że od lat 60. do 1990 roku pracowano wyłącznie nad HST. Przy tak wielkich przedsięwzięciach nie należy się śpieszyć, a kształt idei pozaziemskiego obserwatorium ewoluował. Prace nad samym Kosmicznym Teleskopem Hubble’a rozpoczęto dopiero w 1978, wcześniej natomiast przygotowano odpowiedni grunt w formie programu Orbitalnych Obserwatoriów Astronomicznych.

Na OAO składały się misje czterech satelitów opuszczających Ziemię od 1966 roku. Kłamstwem byłoby stwierdzenie, że wykonane przez nie fotografie przewróciły świat nauki do góry nogami (choć ustrzelono kilka pulsarów), na dodatek OAO-1 odmówił posługi już po trzech dniach działania. Cały plan miał jednak kolosalne znacznie. Wreszcie posłaliśmy na orbitę urządzenia skonstruowane wyłącznie w celu obserwacji kosmosu, sceptycy zaś zrozumieli ogrom możliwości jakie przyniósłby większy instrument tego typu. 

Doświadczenia płynące z OAO pozwoliły wykiełkować projektowi LST, czyli Wielkiego Teleskopu Kosmicznego. Wyzwanie było nieporównywalnie trudniejsze. W ogólnym zarysie nowy instrument miał działać na orbicie przez co najmniej 10 lat i wszyscy doskonale wiedzieli, że w czasie tak długiej eksploatacji nieodzowne będą dodatkowe i kosztowne loty załóg konserwacyjnych. (Nie wiedzieli jeszcze jak szybko taka wyprawa okaże się potrzebna!) Uczonych nie trzeba było przekonywać o celowości wydania miliarda dolarów, gorzej miała się sprawa z Kongresem. Po długich bojach, debatach, listach, prośbach i groźbach, grupa astronomów prowadzona przez Lymana Spitzera, wytargowała… niecałe pół miliarda dolarów. Nie wszystkich to zadowoliło, ale trzeba grać kartami jakie się posiada.

Trochę później Wielki Teleskop Kosmiczny przestał być anonimowy. Przyjął imię prawdopodobnie najbardziej zasłużonego astronoma XX wieku, Edwina Hubble’a. Tego, który pracując przy największym ówczesnym teleskopie na Mount Wilson, odkrył zjawisko rozszerzania wszechświata.

Polerowanie zwierciadła

Na Kosmiczny Teleskop Hubble’a składa się kilka głównych elementów. Poza bateriami słonecznymi, osłonami i antenami przesyłowymi, na uwagę zasługuje moduł badawczy zawierający wszelkie instrumenty służące do naprowadzania teleskopu i wykonywania zdjęć. Ale prawdziwym oczkiem w głowie konstruktorów, od początku był złożony z luster i przegród system optyczny.

Przygotowywanie zwierciadła dla Kosmicznego Teleskopu Hubble’a.

Pierwotnie myślano o zainstalowaniu zwierciadła 3-metrowego, ale ostatecznie poprzestano na średnicy 2,4 metra. Niby nic wielkiego – naziemne teleskopy miewają zwierciadła o średnicy 10 metrów (choćby teleskopy Kecka) – o unikatowości hubble’owskiego przyrządu zadecydował jednak pietyzm z jakim go wykonano. Lustro musiało być idealnie gładkie. Idealnie, czyli do setnych tysięcznych części metra, co oznacza, że nierówność nie mogła być większa niż grubość ściany przeciętnej komórki. Gdyby “oko” Hubble’a posiadało średnicę Ziemi, to najwyższe wzniesienie mierzyłoby nie więcej niż 6 centymetrów! Fakt ten zasługuje na podziw tym bardziej, iż nieskazitelna tafla aluminium musiała zachować swoje walory w warunkach kosmicznych, bez względu na promieniowanie i zmienność temperatury. Tylko taka precyzja mogła zagwarantować konieczny, ekstremalnie ostry obraz. 

Uratować Hubble’a

Montaż całego urządzenia ukończono w 1985 roku, wyniesienie go na orbitę zaplanowano zaś na rok następny. Niestety los chciał, że w tym samym czasie doszło do jednej z najstraszniejszych katastrof w dziejach astronautyki. Po niecałej minucie rutynowego lotu eksplodował wahadłowiec Challanger, uśmiercając całą siedmioosobową załogę. Nad programem promów kosmicznych zawisły czarne chmury. Przerwa w startach promów trwała ponad 2,5 roku, tyle też czasu nowiusieńki HST kurzył się w hangarze.

Misja STS-31 i wyniesienie na orbitę Teleskopu Hubble'a.
24 kwietnia 1990 prom Discovery umieszcza Teleskop Hubble’a na orbicie.

Operacja wyniesienia Teleskopu Hubble’a na orbitę doczekała się realizacji wiosną 1990 roku. Zgodnie z wytycznymi misji STS-31, pięcioosobowa załoga promu Discovery pod dowództwem Lorena Shrivera (obecnie należy do dyrekcji NASA) umieściła ładunek na wysokości 600 kilometrów ponad powierzchnią Ziemi. Astronomie całego świata z podnieceniem oczekiwali pierwszych fotografii.

Tu rozpoczyna się tragedia inżynierów. Trudno wyobrazić sobie miny pracowników NASA, gdy zdali sobie sprawę, że przesłane przez HST zdjęcia są rozmazane. Zwierciadło na które miesiącami dmuchano i chuchano, mimo wielomiesięcznych przygotowań i testów, okazało się skrywać nierówność o kilka nanometrów za dużą. Mimo usterki urządzenie mogło pracować i zajrzeć dalej niż którykolwiek z teleskopów naziemnych – ale w końcu nie po to wyłożono grube miliony i konstruowano pozaziemskie obserwatorium, żeby zakłócenia atmosferyczne zastąpić niską rozdzielczością.

Galaktyka M100 przed i po instalacji modułu COSTAR.

Misja serwisowa STS-61 wyruszyła w 1993 roku. Delikatne zadanie polegało na przechwyceniu przez prom Hubble’a i zainstalowaniu w nim korygującego modułu COSTAR. Prace w warunkach nieważkości trwały 11 dni i wymagały pięciu spacerów w przestrzeni, ale efekt zrekompensował wysiłek. Poprawę jakości najlepiej widać na galaktyce M100, sfotografowanej przed i po naprawie. Od tego momentu HST mógłby bez kłopotu odczytać nagłówek gazety z odległości dwóch kilometrów. Nastały złote czasy dla astronomii.

Pokazał nam piękno wszechświata

Mimo nieodpuszczającego pecha, Kosmiczny Teleskop Hubble’a w końcu spełnił wszystkie pokładane w nim nadzieje i po kolejnych czterech remontach, świętuje 25-lecie swojej aktywności. Nie ma sensu wymieniać tu setek fotografii, które jeszcze przez długie lata będą ozdabiać okładki albumów astronomicznych. Niewiele łatwiej jest wyrazić wpływ pracy HST na badania i nasze postrzeganie kosmosu. To Hubble – ku chwale swego patrona – dojrzał odległe o 13 miliardów lat świetlnych cefeidy, umożliwiając dokładne oszacowanie tempa ekspansji wszechświata. On pomógł zlokalizować supermasywne czarne dziury i stanąć twarzą w twarz z przerażającymi kwazarami. Uchwycił niezliczoną ilość mgławic, dając podstawy do zweryfikowania naszych sądów o śmierci i narodzinach gwiazd. Dołożył swoje trzy grosze nawet w temacie egzoplanet, łapiąc w obiektyw Fomalhauta b, pierwszą planetę pozasłoneczną dostrzeżoną bezpośrednio.

Głębokie Pole
Głębokie Pole Hubble’a. Zobacz w wyższej rozdzielczości tu.

Jednak chyba najbardziej majestatycznym dziełem wysłużonego Hubble’a pozostaje seria głębokich pól. Idea wyszła od dyrektora Space Telescope Science Institute, Roberta Williamsa, który chciał skierować teleskop w jedno, na pierwszy rzut oka puste miejsce na nieboskłonie i obserwować je przez 10 dni. Pomysł przez wielu był postrzegany jako fanaberia – w końcu kolejka ekip chcących wykorzystać przyrząd do bardziej konkretnych zajęć, nie miała końca. I możemy śmiało przypuszczać, że gdyby inicjatywa wyszła od kogoś niżej postawionego, Głębokie Pole Hubble’a nigdy nie zachwyciłoby świata (więcej o HDF). Ten pozornie nudny kawałek nieba, okazał się zawierać prawie 3 tysiące odległych galaktyk. Nawet jeśli uczeni przewidywali taki wynik eksperymentu, to zapierające dech w piersiach ujęcie utwierdziło nas w przekonaniu o niewyobrażalnym ogromie wszechrzeczy. W dodatku, Głębokie Pole dało unikalną możliwość podziwiania galaktyk pochodzących z różnych etapów ewolucji wszechświata, uszczęśliwiając całe rzesze kosmologów. Nic dziwnego, że początkowo niechętni projektowi decydenci niedługo później wyrazili zgodę na wykonanie Ultragłębokiego Pola Hubble’a, a następnie Ekstremalnie Głębokiego Pola Hubble’a.

Co będzie dalej? Wydłużanie wieku emerytalnego dotyka nas wszystkich, więc pewnie staruszek podziała jeszcze kilka lat. Po nim przyjdzie czas na nowe pokolenie: Kosmiczny Teleskop Webba i teleskop ATLAST.

Literatura uzupełniająca:
G. Okolski, A Brief History of the Hubble Space Telescope, [online: http://history.nasa.gov/hubble];
Hubble Breakthroughs, [online: http://hubblesite.org];
L. Spitzer, History of the Space Telescope, [online: http://adsabs.harvard.edu/full/1979QJRAS..20…29S];
D. Goldsmith, N. deGrasse Tyson, Wielki początek. 14 miliardów lat kosmicznej ewolucji, Warszawa 2007.
7 najlepszych kawałków z procesu Kitzmiller v. Dover [suplement] Polscy uczeni wobec zagadnienia interpretacji mechaniki kwantowej [suplement – uzasadnienia] Chińska madame Skłodowska – Chien-Shiung Wu