Космический телескоп «Хаббл»

Обычно астрономы строили свои обсерватории на вершинах гор, выше облаков и загрязненной атмосферы. Но даже тогда изображение искажалось воздушными потоками. Самое четкое изображение доступно только из внеатмосферной обсерватории - космоса.

С помощью телескопа можно увидеть то, что недоступно человеческому глазу, поскольку телескоп собирает больше электромагнитного излучения. В отличие от подзорной трубы, в которой для сбора и фокусирования света используются линзы, в больших астрономических телескопах эту функцию выполняют зеркала.

Телескопы с самыми большими зеркалами должны иметь наилучшее изображение, поскольку собирают наибольшее количество излучения.

Космический телескоп «Хаббл» — автоматическая обсерватория на орбите вокруг Земли, названная в честь Эдвина Хаббла, американского астронома.

И хотя диаметр зеркала "Хаббла" только 2,4 м - меньше самых больших телескопов на Земле, - он может видеть объекты в 100 раз менее четкие, и детали в десять раз мельче, чем лучшие наземные телескопы. И это потому, что он находится выше искажающей атмосферы.

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.

Марс

Космический телескоп "Хаббл" помог ученым узнать много нового об устройстве нашей галактики, потому оценить его важность для человечества очень трудно.

Достаточно взглянуть на список самых важных открытий этого оптического устройства, чтобы понять, насколько полезен он был, и каким важным инструментом в изучении космоса он еще может быть.

С помощью телескопа "Хаббл" было изучено столкновение Юпитера с кометой, было получено изображение рельефа Плутона, данные с телескопа стали основой гипотезы о массе черных дыр, находящихся в центре абсолютно каждой галактики.

Ученые получили возможность увидеть полярные сияния на некоторых планетах Солнечной системы, например, Юпитере и Сатурне, а также были сделаны многие наблюдения и открытия.

Юпитер

Космический телескоп "Хаббл" "заглянул" в другую солнечную систему, отдаленную от нашей на 25 световых лет, и впервые получил изображение нескольких ее планет.

Телескоп "Хаббл" получил изображение новых планет

На одной из фотографий, полученных в оптическом, то есть в видимом свете, "Хаббл" запечатлел планету Фомалхот, вращающуюся по орбите вокруг яркой звезды Фомалхот, расположенной от нас на расстоянии 25 световых лет (около 250 триллионов километров) в созвездии Южная Рыба.

"Данные с "Хаббла" невероятно важны. Излучение света с планеты Фомалхот в миллиард раз слабее света, исходящего от звезды", - прокомментировал изображение новой планеты астроном из Калифорнийского университета Пол Калас. Он и другие ученые начали исследование звезды Фомалхот еще в 2001 году, когда о существовании планеты рядом со звездой еще не было известно.

В 2004 году "Хаббл" направил на Землю первые снимки районов вокруг звезды.

На новых снимках с космического телескопа "Хаббл", астроном получил "документальное" подтверждение своим предположениям о существовании планеты Фомалхот.

С помощью фотографий орбитального телескопа ученые "увидели" также еще три планеты в созвездии Пегаса.
Всего астрономами за пределами нашей Солнечной системы обнаружено около 300 планет.

Но все эти открытия делались на основе косвенных признаков, главным образом, через наблюдение за воздействием их гравитациоционных полей на звезды, вокруг которых они обращаются.

"Каждая планета вне нашей солнечной системы была только на схеме, - отметил Брюс Макинтош, астрофизик из Национальной лаборатории в Калифорнии. - Мы безуспешно пытались получить изображения планет в течение восьми лет, а теперь у нас уже есть фотографии нескольких планет сразу".

За 15 лет работы на околоземной орбите «Хаббл» получил 700 тысяч изображений 22 тысяч небесных объектов — звёзд, туманностей, галактик, планет.

Тем не менее, цена, которую приходится платить за достижения «Хаббла» весьма высока: стоимость содержания космического телескопа выше в 100 и более раз, чем наземного рефлектора, с 4-метровым зеркалом.

Уже в первые недели после начала работы телескопа в 1990 году, 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.
Анализ изображений показал, что источником проблемы является неверная форма главного зеркала. Оно было изготовлено слишком плоским по краям. Отклонение от заданной формы поверхности составило лишь 2 микрометрa, но результат оказался катастрофическим — оптический дефект, при котором свет, отражённый от краёв зеркала, фокусируется в точке, отличной от той, в которой фокусируется свет, отражённый от центра зеркала.
Потеря значительной части светового потока 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.

В течение первых трёх лет работы, до установки корректирующих устройств телескоп выполнил большое количество наблюдений. Дефект не оказывал большого влияния на спектроскопические замеры. Несмотря на отменённые из-за дефекта эксперименты, было достигнуто множество важных научных результатов.

Техническое обслуживание телескопа.

Техническое обслуживание телескопа «Хаббла» производится космонавтами во время выходов в открытый космос с космических кораблей многоразового использования типа «Спейс Шаттл».

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

В связи с выявившимся дефектом зеркала, первая экспедиция по обслуживанию телескопа должна была установить на телескопе корректирующую оптику. Экспедиция (2-13 декабря 1993 г.) была одной из сложнейших, были осуществлены пять длительных выходов в открытый космос. Кроме этого были заменены солнечные батареи, обновлен бортовой вычислительный комплекс, была произведена коррекция орбиты.

Второе техобслуживание было произведено 11-21 февраля 1997 года. Было заменено исследовательское оборудование, заменён бортовой регистратор, произведён ремонт теплоизоляции и выполнена коррекция орбиты.

Экспедиция 3А состоялась 19-27 декабря 1999 года. Было принято решение о досрочном проведении части работ. Это было вызвано тем, что три из шести гироскопов системы наведения вышли из строя. Экспедиция заменила все шесть гироскопов, датчик точного наведения и бортовой компьютер.

Экспедиция 3В (четвёртая миссия) выполнена 1-12 марта 2002 года. В ходе экспедиции камера съёмки тусклых объектов была заменена усовершенствованной обзорной камерой. 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 этому стала возможна одновременная работа со всеми приборами, установленными на борту обсерватории.

Произведённые работы существенно расширили возможности телескопа, позволили получить изображения глубокого космоса.

Предполагается, что телескоп Хаббл продолжит свою работу на орбите, по крайней мере, до 2013 года.

Наиболее значимые наблюдения

* «Хаббл» предоставил высококачественные изображения столкновения кометы Шумейкеров-Леви 9 с Юпитером в 1994 году.

* 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.

* уточнён возраст Вселенной — 13,7 млрд. лет.

24 апреля 1990 года на орбиту Земли был запущен орбитальный телескоп "Хаббл" , сделавший за почти четверть века своего существования немало великих открытий, проливших нам свет на Вселенную, ее историю и тайны. И сегодня мы расскажем про эту ставшую к нашему времени легендарной орбитальную обсерваторию, ее историю , а также про некоторые важные открытия , сделанные с ее помощью.

История создания

Идея размещения телескопа , где его работе ничего не будет мешать, появилась еще в межвоенные годы в работах немецкого инженера Германа Оберта, но теоретическое обоснование этому выдвинул в 1946 году американский астрофизик Лейман Спитцер. Его так захватила идея, что он посвятил ее реализации большую часть своейнаучной карьеры.

Первый орбитальный телескоп был запущен Великобританией в 1962 году, а соединенными Штатами Америки – в 1966. Успехи этих аппаратов окончательно убедили мировую научную общественность в необходимость постройки большой космической обсерватории, способной заглянуть даже в самую глубь Вселенной.

Работа над проектом, который со временем превратился в телескоп «Хаббл», началась в 1970 году, но долгое время финансирование не было достаточным для успешной реализации задумки. Бывали периоды, когда американские власти вообще приостанавливали финансовые потоки.

Подвешенное состояние закончилось в 1978 году, когда Конгресс США выделил на создание орбитальной лаборатории 36 миллионов долларов. Тогда же началась активная работа по проектированию и строительству объекта, к которой подключились многие научные центры и технологические компании, всего тридцать два учреждения по всему миру.

Изначально планировалось вывести телескоп на орбиту в 1983, потом эти сроки перенесли на 1986. Но катастрофа космического челнока «Челленджер» 28 января 1986 вынудила еще раз пересмотреть дату запуска объекта. В результате «Хаббл» отправился в Космос 24 апреля 1990 на шаттле «Дискавери».

Эдвин Хаббл

Уже в начале восьмидесятых годов проектируемый телескоп получил имя в честь Эдвина Пауэлла Хаббла – великого американского астронома, внесшего огромный вклад в развитие нашего понимания, о том, что такое Вселенная, а также какой должна быть астрономия и астрофизика будущего.

Это именно Хаббл доказал, что во Вселенной есть и другие галактики, помимо Млечного пути, а также заложил основу теории Расширения Вселенной.

Эдвин Хаббл умер в 1953 году, но стал одним из основателей американской школы астрономии, ее самым известным представителем и символом. Недаром в честь этого великого ученого назван не только телескоп, но и астероид.

Самые значимые открытия телескопа «Хаббл»

В девяностых годах двадцатого века телескоп «Хаббл» стал одним из самых знаменитых и упоминаемых в прессе рукотворных объектов. Фотографии, сделанные этой орбитальной обсерваторией, печатали на первых полосах и обложках не только научные и научно-популярные журналы, но и обычная пресса, в том числе, желтые газеты.

Открытия, сделанные при помощи «Хаббла», значительно перевернули и расширили человеческое представление о Вселенной и продолжают это делать до сих пор.

Телескоп сфотографировал и отправил на Землю более миллиона снимков с высоким разрешением, позволяющих заглянуть в такие глубины Вселенной, куда невозможно забраться иным способом.

Одним из первых поводов у СМИ заговорить о телескопе «Хаббл» стали его снимки кометы Шумейкеров-Леви 9, которая в июле 1994 года столкнулась с Юпитером. Примерно за год до падения при наблюдении за этим объектом орбитальная обсерватория зафиксировала его разделение на несколько десятков частей, которые затем и падали в течение недели на поверхность планеты-гиганта.

Размеры «Хаббла» (диаметр зеркала – 2,4 метра) позволяет ему проводить исследования в самых разных областях астрономии и астрофизики. К примеру, с его помощью были сделаны снимки экзопланет (планет, находящихся за пределами Солнечной системы), наблюдать за агонией старых звезд и рождением новых, находить загадочные черные дыры, исследовать историю Вселенной, а также проверять актуальные научные теории, подтверждая их или опровергая.

Модернизация

Несмотря на запуск и других орбитальных телескопов, «Хаббл» продолжает оставаться главным инструментом звездочетов нашего времени, постоянно поставляя им новую информацию из самых отдаленных уголков Вселенной.

Однако со временем в эксплуатации «Хаббла» начали возникать проблемы. К примеру, уже в первую неделю работы телескопа оказалось, что у главного его зеркала есть дефект, не позволяющий добиться ожидаемой резкости изображений. Так что пришлось прямо на орбите установить на объект систему оптической коррекции, состоящую из двух внешних зеркал.

Для ремонта и модернизации орбитальной обсерватории «Хаббл» было проведено четыре экспедиции к ней, в рамках которой на телескоп устанавливалось новое оборудование –камеры, зеркала, солнечные батареи и другие приборы, позволяющие улучшить работу системы и расширять сферу действий обсерватории.

Будущее

После последней модернизации, произошедшей в 2009 году, было принято решение, что телескоп «Хаббл» будет оставаться на орбите до 2014 года, когда его заменит новая космическая обсерватория – «Джеймс Уэбб». Но сейчас уже известно, что срок эксплуатации объекта будет продолжен, по крайней мере, до 2018, а то и 2020.

Что такое «Хаббл»?

Американский ученый Эдвин Пауэлл Хаббл стал широко известным благодаря открытию эффекта расширения Вселенной. Его до сих пор часто упоминают в своих статьях великие ученые. Хаббл — человек, в честь которого был назван радиотелескоп, и благодаря которому произошла полная замена всех ассоциаций и стереотипов.

Телескоп «Хаббл» — один из самых известных среди объектов, которые непосредственно связаны с космосом. Его можно с уверенностью считать настоящей автоматической орбитальной обсерваторией. Этот космический гигант требовал немалого финансового вложения (ведь затраты на неземной телескоп превышали стоимость наземного в сотни раз), а также ресурсов и времени. Исходя из этого два крупнейших агентства мира, такие как НАСА и Европейское космическое агентство (ЕКА), решили соединить свои возможности и сделать совместный проект.

В каком году он был запущен, уже давно не является секретной информацией. Запуск на земную орбиту состоялся 24 апреля 1990 года на борту шаттла "Дискавери«STS-31. Возвращаясь к истории, стоит упомянуть то, что год запуска изначально планировался другой. Предполагаемой датой должен был стать октябрь 1986 года, но в январе того же года, произошла катастрофа «Челленджера» и все были вынуждены отложить запланированный запуск.С каждым месяцем простоя стоимость программы увеличивалась на 6 миллионов долларов. Ведь не так просто сохранить в идеальном состоянии объект, который нужно будет отправить в космос. «Хаббл» был помещен в особое помещение, в котором была искусственно создана очищенная атмосфера, а также частично функционировали бортовые системы. За время хранения, также некоторые приборы были заменены на более современные.

Когда запустили"Хаббл" все ожидали неимоверного триумфа, но не сразу все было так, как хотелось. Ученые столкнулись с проблемами уже с первых снимков. Было понятно, что на зеркале телескопа имеется дефект, и качество снимков отличалось от ожидаемого. Также было не совсем понятно, сколько лет пройдет с момента обнаружения проблемы до ее решения. Ведь было очевидным, что заменить главное зеркало телескопа непосредственно на орбите невозможно, а вернуть его на Землю чрезвычайно дорого, поэтому было принято решение о том, что нужно установить на него дополнительную аппаратуру и за счет нее скомпенсировать дефект зеркала.Так, уже в декабре 1993 года был отправлен шаттл «Индевор» с нужными конструкциями. Космонавты пять раз выходили в открытый космос и успешно смогли установить нужные детали на телескоп «Хаббл».

Что новое увидел в космосе телескоп? И какие открытия смогло сделать человечество на основе снимков? Это одни из самых распространенных вопросов, задаваемых когда-либо учеными. Конечно, самые большие звезды, снятые телескопом не остались без внимания. А именно, благодаря уникальности телескопа, астрономы выявили одновременно девять огромных звезд (в звездном скоплении R136), масса которых больше чем в 100 раз превосходит массу Солнца. Были обнаружены и звезды, масса которых превышает массу Солнца в 50 раз.

Также не осталось без внимания фото, где запечатлены двести безумно горячих звезд, которые в совокупности дают нам туманность NGC 604. Именно «Хаббл» смог заснять флуоресценцию туманности, которая была вызвана ионизированным водородом.

Говоря о теории большого взрыва, которая сегодня является одной из самых широко обсуждаемых и самой достоверной в истории происхождения Вселенной, стоит вспомнить о реликтовом излучении. Реликтовое излучение является одним из ее основоположных доказательств. А вот еще одним стало космологическое красное смещение.В совокупности получилось проявление эффекта Доплера. По нему тело видит предметы, которые к нему приближаются в синем цвете, а если они отдаляются, то становятся более красными. Так, наблюдая за космическими объектами с телескопа «Хаббл», смещение было красным и на этом основании было сделано заключение о расширении Вселенной.

Рассматривая снимки с телескопа, одним из первых вы увидите Дальнее поле. На фото вы уже не разглядите звезды по отдельности — это будут целые галактики.И сразу же возникает вопрос: на какое расстояние видит телескоп и какой его крайний рубеж? Для того, чтобы ответить, как телескоп видит так далеко, нужно подробно рассмотреть конструкцию «Хаббла».

Технические характеристики телескопа

1. Габаритные размеры всего спутника: 13,3 м — длина, масса около 11 тонн, но с учетом всех установленных приборов, его масса достигает 12,5 тонн и диаметр — 4,3 м.
2. Форма точности ориентации может достигать 0,007 угловых секунд.
3. Две двусторонние солнечные батареи мощностью 5 кВт, но есть еще 6 батарей, у которых емкость 60 ампер/часов.
4. Все двигатели работают на гидразине.
5. Антенна, которая способна принимать все данные со скоростью 1 кБ/с, а отдавать — 256/512 кБ/с.
6. Основное зеркало, диаметр которого — 2,4 м, а также вспомогательное — 0,3 м.Материал главного зеркала — плавленое кварцевое стекло, которое не поддается тепловым деформациям.
7. Какое увеличение, такое и фокусное расстояние, а именно 56,6 м.
8. Кратность обращения —раз в полтора часа.
9. Радиус сферы «Хаббла» —отношение скорости света к постоянной Хаббла.
10. Характеристики излучения — 1050-8000 ангстрем.
11. А вот на какой высоте над поверхностью Земли находится спутник, известно давно. Это 560 км.

Как устроен принцип работы телескопа «Хаббл»?

Принцип работы телескопа является рефлектором системы Ричи-Кретьена. Строение системы — это главное зеркало, которое вогнуто гиперболически, а вот его вспомогательное зеркало — выпукло гиперболически. Устройство, установленное в самом центре гиперболического зеркала называется окуляр. Поле зрения — около 4°.

Так кто же все-таки принимал участие в создании этого потрясающего телескопа, который несмотря на свой почтенный возраст, продолжает радовать нас своими открытиями?

История создания уходит в далекие семидесятые года 20 века. Над самыми важными частями телескопа, а именно главным зеркалом работало несколько компаний. Ведь требования выдвигались достаточно жесткие, а результат планировался идеальным. Так, компания PerkinElmer хотела использовать свои станки с новыми технологиями для достижения нужной формы. А вот компания Kodak подписала контракт, в котором предполагалось использование более традиционных методов, но уже для запасных деталей. Работы по изготовлению начались еще в 1979 году, а полировка нужных деталей продолжалась до середины 1981 года. Даты были очень сдвинуты, и возник вопрос компетентности компании PerkinElmer, по итогам было перенесено запуск телескопана октябрь 1984 года. Вскоре некомпетентность проявлялась все больше, и еще несколько раз переносилась дата запуска.История подтверждает, что одной из предполагаемых дат был сентябрь 1986 года, в то время как общий бюджет всего проекта вырос до 1,175 млрд. долл.

И напоследок, информация о самых интересных и значимых наблюдениях телескопа «Хаббл»:

1. Были обнаружены планеты, которые находятся вне Солнечной системы.
2. Найдено огромное количество протопланетных дисков, которые располагаются вокруг звезд Туманности Ориона.
3. Произошло открытие в изучении поверхности Плутона и Эриды. Были получены первые карты.
4. Немаловажным является частичное подтверждение теории об очень массивных черных дырах, которые располагаются в центрах галактик.
5. Было показано, что достаточно схожи по форме Млечный Путь и Туманность Андромеды имеют значительные отличия в их истории возникновения.
6. Был однозначно установлен точный возраст нашей Вселенной. Он составляет 13,7 млрд. лет.
7. Гипотезы относительно изотропности — также верны.
8. В 1998 году были объединены исследования и наблюдения наземных телескопов и «Хаббла», и установлено, что в темной энергии ¾ содержания от полной плотности всей энергии Вселенной.

Изучение космических пространств продолжается...

С момента начала работы выросло уже целое поколение людей, которое принимает «Хаббл» за должное, поэтому легко забыть, насколько революционным был этот аппарат. На данный момент он всё ещё работает, возможно, он продержится ещё лет пять. В неделю телескоп передаёт примерно 120 гигабайтов научных данных, за время функционирования снимков набралось на более 10 тысяч научных статей.

Последователем «Хаббла» станет космический телескоп имени Джеймса Уэбба. Проект последнего испытывает значительные превышения бюджета и срывы сроков на более, чем 5 лет. С «Хабблом» всё происходило точно так же, даже хуже - накладывались проблемы с финансированием и катастрофа «Челленджера» , а позже - «Колумбии ». В 1972 году считалось , что программа будет стоить 300 миллионов долларов (с учётом инфляции это примерно 590 млн). К тому моменту, когда телескоп наконец достиг стартовой площадки, цена увеличилась в несколько раз до примерно 2,5 млрд долларов. К 2006 году было подсчитано , что «Хаббл» обошёлся в 9 миллиардов (10,75 млрд с инфляцией), плюс пять космических полётов космических челноков для обслуживания и починки, каждый запуск которых обходился в приблизительно 500 млн.

Основная деталь телескопа - это зеркало диаметром 2,4 метра. Вообще, планировался телескоп с диаметром зеркала 3 метра, и запускать его хотели в 1979 году. Но в 1974 программу вычеркнули из бюджета, и только благодаря лоббированию астрономам удалось получить сумму в два раза меньше изначально запрашиваемой. Поэтому и пришлось поумерить пыл и уменьшить размах будущего проекта.

Оптически «Хаббл» - это реализация распространённой среди научных телескопов системы Ричи - Кретьена с двумя зеркалами. Она позволяет получить хороший угол обзора и отличное качество изображения, но зеркала имеют трудную для изготовления и тестирования форму. Оптические системы и зеркало должны быть изготовлены с минимальными допусками. Зеркала обычных телескопов полируются до допуска в примерно десятую часть длины видимого света, но «Хаббл» должен был производить наблюдения в том числе ультрафиолета, света с более короткими волнами. Поэтому зеркало полировалось с допуском в 10 нанометров, 1 / 65 длины волны красного света. Кстати, зеркала подогреваются до температуры 15 градусов, что ограничивает производительность в инфракрасном диапазоне - другом пределе видимого спектра.

Одно зеркало изготовила компания «Кодак», другое - корпорация Itek. Первое находится в Национальном музее авиации и космонавтики, второе используется в обсерватории Магдалена-Ридж. Это были запасные зеркала, а то, что стоит в «Хаббле» было произведено компанией «Перкин-Элмер» с использованием сложнейших станков с ЧПУ, которые и привели к очередному срыву сроков. Работа над полировкой заготовки от Corning (той самой, что делает Gorilla Glass) началась только в 1979 году. Условия микрогравитации симулировались с помощью размещения зеркала на 130 стержнях, сила поддержки которых варьировалась. Процесс продолжался до мая 1981 года. Стекло промыли 9100 литрами горячей деминерализованной воды и нанесли два слоя: 65-нанометровый отражающий слой алюминия и 25-нанометровый защитного фторида магния.

А сроки запуска продолжали отодвигаться: сначала до октября 1984 года, после до апреля 1985, до марта 1986, до сентября. Каждый квартал работы «Перкин-Элмер» приводил к сдвигу сроков на месяц, в какие-то моменты каждый день работы отодвигал запуск на день. Графики работ компании не удовлетворяли НАСА своей расплывачатостью и неопределённостью. Стоимость проекта уже выросла до 1175 млн долларов.

Корпус аппарата был другой головной болью, он должен был быть в состоянии выдерживать как прямое воздействие солнечных лучей, так и темноту тени Земли. А эти скачки температур грозили точным системам научного телескопа. Стенки «Хаббла» состоят из нескольких слоёв теплоизоляции, которые окружены лёгкой алюминиевой оболочкой. Внутри оборудование размещено в графитоэпоксидном каркасе. Чтобы избежать впитывания воды гигроскопичными соединениями графита и попадания льда в приборы, внутрь до запуска закачивали азот. Хотя изготовление космического аппарата шло куда стабильней, чем оптических систем телескопа, организационные проблемы были и здесь. К лету 1985 года корпорация «Локхид», работавшая над аппаратом, вышла на 30 % за рамки бюджета и на три месяца за расписание.

У «Хаббла» при запуске было пять научных инструментов, и позднее все они были заменены при техническом обслуживании на орбите. Широкоугольная и планетарная камеры выполняли оптические наблюдения. У прибора было 48 фильтров спектральных линий для выделения конкретных элементов. Восемь ПЗС-матриц разделялись между двумя камерами, по четыре на каждую. Каждая матрица имела разрешение 0,64 мегапикселя. Широкоугольная камера обладала большим углом обзора, в то время как планетарная имела большее фокусное расстояние и, следовательно, давала большее увеличение.

Спектрограф высокого разрешения, созданный Центром космических полётов Годдарда, работал в ультрафиолетовом диапазоне. Также в УФ наблюдали камера съёмки тусклых объектов, разработанная Европейским космическим агентством, и спектрограф тусклых объектов от Калифорнийского университета и корпорации «Мартин Мариэтта». Висконсинский университет в Мадисоне создал высокоскоростной фотометр для наблюдения видимого света и ультрафиолетового диапазона излучения звёзд и других астрономических объектов с изменяющейся яркостью. Он мог производить до 100 тысяч измерений в секунду с фотометрической точностью в 2 % или лучше. Наконец, в качестве научного инструмента можно было использовать датчики наведения телескопа, они позволяли проводить очень точную астрометрию.

На Земле исследованиями «Хаббла» управляет специально созданный в 1981 году Институт исследований космоса с помощью космического телескопа. Его формирование произошло не без боя: НАСА хотело собственноручно управлять аппаратом, но научное сообщество не было согласно.

Орбита «Хаббла» была выбрана таким образом, чтобы к телескопу можно было подлетать и выполнять технические обслуживание. Пол-орбиты наблюдениям мешает Земля, на пути не должны находиться Солнце, Луна, также научному процессу мешает Бразильская магнитная аномалия, при пролёте над которой резко возрастает уровень радиации. Хаббл находится на высоте 569 километров, наклонение его орбиты - 28,5°. Из-за наличия верхних слоёв атмосферы позиция телескопа может непредсказуемо меняться, поэтому точно предсказать положение на продолжительные периоды времени невозможно. Распорядок работы обычно утверждается только за несколько дней до начала, поскольку неясно, можно ли будет к тому моменту наблюдать нужный объект.

К началу 1986 года начал вырисовываться запуск в октябре, но катастрофа «Челленджера» сдвинула все сроки. Космический челнок - подобный тому, который должен был доставить уникальный телескоп стоимостью в миллиард на орбиту - взорвался в безоблачном небе на 73 секунде полёта, унеся жизни семи человек. До 1988 года весь флот шаттлов стоял на приколе, пока проводилось расследование произошедшего. Кстати, ожидание тоже обходилось дорого: «Хаббл» держали в чистом помещении в залитом азотом состоянии. Каждый месяц стоил примерно 6 миллионов долларов. Время не терялось зря, в аппарате поменяли ненадёжную батарею и сделали несколько других улучшений. В 1986 году не было программной начинки наземных систем управления, и к запуску в 1990 софт был едва готов.

24 апреля 1990 года, 25 лет назад, с превышением бюджета в несколько раз телескоп был наконец-то запущен к своей орбите. Но на этом трудности только начались.

STS-31, телескоп покидает грузовой отсек челнока «Дискавери»

Уже через несколько недель стало ясно, что оптическая система имеет серьёзный дефект. Да, первые изображения были чётче, чем с наземных телескопов, но «Хаббл» не смог достичь своих заявленных характестик. Точечные источники выглядели как окружности размером с 1 угловую секунду вместо кружка в 0,1 угловой секунды. Как оказалось, НАСА не зря беспокоилось о компетентности «Перкин-Элмер» - зеркало имело отклонение формы по краям на примерно 2200 нанометров. Дефект был катастрофическим, поскольку приводил к сильной сферической аберрации, то есть свет, отражённый от краёв зеркала, фокусировался в точке, отличной от той, в которой фокусировался свет, отражённый от центра. Из-за этого не сильно пострадала спектроскопия, но наблюдение тусклых объектов было затруднено, что ставило крест на большинстве космологических программ.

Несмотря на то, что он производил некоторые наблюдения, возможные благодаря сложным техникам обработки изображений на Земле, «Хаббл» считался проваленным проектом, а репутация НАСА была серьёзно подмочена. Над телескопом начали шутить, к примеру, в фильме «Голый пистолет 2½: Запах страха» космический аппарат сравнивают с «Титаником», автомобилем провалившейся марки Edsel и наиболее известным падением дирижабля - аварией «Гинденбурга ».

Чёрно-белая фотография телескопа присутствует на одной из картин

Считается, что причиной дефекта стала ошибка во время монтажа главного нуль-корректора, устройства, которое помогает достичь нужного параметра кривизны поверхности. Одна из линз прибора был сдвинута на 1,3 миллиметра. Во время работы специалисты «Перкин-Элмер» анализировали поверхность с помощью двух нуль-корректоров, затем для финальной стадии использовался специальный нуль-корректор, созданный для очень строгих допусков. В итоге зеркало получилось очень точным, но имело не ту форму. Позже ошибка была обнаружена - два обычных нуль-корректора говорили о наличии сферической аберрации, но компания предпочла проигнорировать их измерения. «Перкин-Элмер» и НАСА начали выяснять отношения. В американском космическом агентстве считали, что компания не следила за процессом изготовления должным образом и не использовала в процессе изготовления и контроля качества своих лучших работников. Впрочем, было ясно, что часть вины лежала и на НАСА.

Хорошей новостью являлось то, что конструкция телескопа предполагала техническое обслуживание - первое уже в 1993 году, поэтому были начаты поиски решения проблемы. На Земле было резервное зеркало от «Кодака», но поменять его на орбите было невозможно, а спускать аппарат на шаттле было бы слишком дорого и долго. Зеркало изготовили точно, но оно имело не ту форму, поэтому было предложено добавить новые оптические компоненты, компенсирующие ошибку. Путём анализа точечных источников света было определено, что коническая постоянная зеркала составляла −1,01390±0,0002 вместо необходимой −1,00230. Та же цифра была получена с помощью обработки данных ошибки нуль-корректора «Перкин-Элмер» и анализа интерферограмм тестирования.

В ПЗС-матрицы второй версии широкоугольной и планетарной камер добавили коррекцию ошибки, но для других инструментов сделать подобное было невозможно. Для них требовалось другое внешнее устройство оптической коррекции, которое получило название Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement (COSTAR). Грубо говоря, для телескопа сделали очки. Места для COSTAR не хватало, поэтому пришлось отказаться от высокоскоростного фотометра.

В декабре 1993 года был проведён первый полёт по техническому обслуживанию. Первая миссия была самой важной. Всего их было проведено пять, во время каждой космический челнок сближался с телескопом, затем с помощью манипулятора производилась замена инструментов и отказавших устройств. За одну-две недели проводилось несколько выходов в открытый космос, а после орбиту телескопа корректировали - он постоянно опускался из-за воздействия верхних слоёв атмосферы. Таким образом было возможным обновлять оборудование стареющего «Хаббла» до наиболее современного.

Первая операция по техническому обслуживанию проводилась с «Инедевора» и продлилась 10 дней. На место высокоскоростного фотометра поставили корректировочную оптику COSTAR, первая версия широкоугольной и планетарной камер была заменена на вторую. Были заменены солнечные панели и их электроника, четыре гироскопа системы наведения телескопа, два магнитометра, бортовые компьютеры и разные электрические системы. Полёт был признан успешным.

Фотография галактики М 100 до и после установки систем коррекции

Вторая операция по техническому обслуживанию была проведена в феврале 1997 года с шаттла «Дискавери». С телескопа сняли спектрограф высокого разрешения и спектрограф тусклых объектов. Их заменили STIS (регистрирующий спектрограф космического телескопа) и NICMOS (камера и мультиобъектный спектрометр ближнего инфракрасного диапазона). NICMOS охлаждался жидким азотом для снижения шума, но в результате непредвиденного расширения деталей и повышенной скорости нагрева срок службы упал с 4,5 лет до 2. Изначально накопитель данных «Хаббла» был ленточным, его заменили на твердотельный. Также у аппарата поправили теплоизоляцию.

Полётов обслуживания было пять, но они считаются в порядке 1, 2, 3A, 3B и 4, и несмотря на близость названий, 3A и 3B не проводились сразу же один за другим, как это можно было бы предположить. Третий полёт проходил в декабре 1999 года на шаттле «Дискавери», он был вызван поломкой четырёх из шести гироскопов телескопа. Были заменены все шесть гироскопов, датчики наведения, бортовой компьютер - теперь там стоял процессор Intel 80486 частотой 25 МГц. До этого в «Хаббле» использовался DF-224 с основным процессором частотой 1,25 МГц и двумя такими же резервными, накопителем на магнитном проводе из шести банков с 8K 24-битных слов, и одновременно могло работать четыре банка.

Эту фотографию во время третьего технического обслуживания сделал Скотт Келли. Сегодня он на МКС в рамках эксперимента по изучению биологических эффектов долговременного космического полёта на организм человека.

Четвёртый (или 3B) полёт проводился на «Колумбии» в марте 2002 года. Последний оригинальный прибор - камера съёмки тусклых объектов - была заменена на усовершенствованную обзорную камеру. Во второй раз были заменены солнечные панели, новые были на 30 % мощнее. NICMOS смог продолжить функционирование благодаря установке экспериментального криоохлаждения.

С этого момента все инструменты «Хаббла» имели корректировку ошибки зеркала, и необходимость в COSTAR отпала. Но его убрали только в финальном полёте обслуживания, который произошёл после катастрофы «Колумбии». Во время следующего за хаббловским полётом челнок разрушился при возвращении на Землю - к этому привело нарушение теплозащитного слоя. Гибель семи человек отодвинула изначальную дату в феврале 2005 года на неопределённый срок. Дело в том, что теперь все полёты шаттлов должны были проводиться по орбите, позволявшей достичь Международную космическую станцию на случай непредвиденных проблем. Но ни один челнок не мог в одном полёте достичь как орбиту «Хаббла», так и МКС - не хватало топлива. Телескоп имени Джеймса Уэбба планировалось запустить только в 2018 году, что означало пустой промежуток после окончания работы «Хаббла». Многие астрономы выступили с идеей о том, что последнее техническое обслуживание стоит риска человеческих жизней.

Под давлением Конгресса в январе 2004 года администрация НАСА заявила, что решение об отмене будет пересмотрено. В августе Центр космических полётов Годдарда начал готовить предложения по полностью дистанционно управляемому полёту, но позже планы были отменены - их признали неосуществимыми. В апреле 2005 года новый администратор НАСА Майкл Гриффин допустил возможность пилотируемого полёта к «Хабблу». В октябре 2006 года намерения были окончательно подтверждены, и 11-дневный полёт был назначен на сентябрь 2008 года.

Позжё полёт отложили до мая 2009 года. С «Атлантиса» была выполнена починка STIS и усовершенствованной обзорной камеры. На «Хаббл» установили два новых никель-водородных аккумулятора, заменили датчики наведения и другие системы. Вместо COSTAR на телескоп установили ультрафиолетовый спектрограф, а также добавили систему для будущего захвата и утилизации телескопа либо с помощью пилотируемого, либо полностью автоматического запуска. Вторую версию широкоугольной камеры заменили на третью. В результате всех выполненных работ телескоп .

Телескоп позволил уточнить постоянную Хаббла , подтвердил гипотезу об изотропности Вселенной, открыл спутник Нептуна и сделал многие другие научные исследования. Но для обывателя «Хаббл» в первую очередь важен огромным количеством красочных фотографий. Некоторые технические издания полагают , что эти цвета на самом деле не существуют, но это не совсем так. Цвет является представлением в мозге человека, а картинки раскрашиваются с помощью анализа излучения различных длин волн. Электрон, переходя со второго на третий уровень структуры атома водорода, излучает свет с длиной волны 656 нанометров, и мы называем его красным. Наши глаза адаптируются к различной яркости, поэтому создать точное отражение цветов не всегда возможно. Некоторые телескопы могут фиксировать невидимые человеческому глазу спектры ультрафиолета или инфракрасного излучения, и их данные тоже нужно как-то отражать на фотографиях.

В астрономии используется формат FITS, Flexible Image Transport System . В нём все данные представлены в текстовом виде, это некий аналог формата RAW. Чтобы получить хоть что-то, нужно произвести обработку. К примеру, глаза воспринимают свет в логарифмической шкале, а файл может представлять его в линейной. Без настройки яркости картинка может казаться слишком тёмной.

До и после коррекции контраста и яркости

Большинство коммерчески доступных камер имеет группы пикселей, которые фиксируют красный, зелёный или голубой цвета, и комбинация этих точек даёт цветную фотографию. Примерно так же колбочки в глазу человека воспринимают цвет. Недостаток этого подхода вызван тем, что каждый из типов датчиков воспринимает только узкую долю света, поэтому астрономическое оборудование фиксирует большие диапазоны длин волн, а для выделения цветов применяются фильтры. В результате «сырые» данные в астрономии часто чёрно-белые.

«Хаббл» снял M 57 в цветах волн 658 нм (красный), 503 нм (зелёный) и 469 нм (голубой), Starts With A Bang!

Затем с помощью фильтров получают цветные картинки. Со знанием процесса возможно создать изображение, максимально точно соответствующее реальности, хотя часто цвета не совсем реальны, иногда это делается намеренно. Подобное называют «эффект National Geographic». В конце семидесятых аппараты программы «Вояджер» пролетали мимо Юпитера, и впервые в истории сделали снимки этой планеты. Журналы по типу National Geographic посвятили целые развороты потрясающим фотографиям, обработанным с различными цветовыми эффектами, и опубликованное не совсем соответствовало действительности.

Самая известная фотография, сделанная телескопом «Хаббл» - это «Столпы творения» от 1 апреля 1995 года. На ней зафиксировано рождение новых звёзд в Туманности Орёл и свет молодых звёзд рядом с облаками газа и пыли. Снимаемые объекты находятся в 7000 световых лет от Земли. Левая структура имеет длину примерно 4 световых года. Выступы на «столпах» крупнее нашей Солнечной системы. Зелёный цвет фотографии отвечает за водород, красный - за однократно ионизированную серу, а голубой - за дважды ионизированный кислород.

Почему же она и многие другие фотографии «Хаббла» выстроены «лесенкой»? Это связано с конфигурацией второй версии широкоугольной и планетарной камер. Позже их поменяли, и сегодня они выставляются в Национальном музее авиации и космонавтики.

Чтобы отметить 25-летие телескопа, была выполнена повторная фотография, сделанная в 2014 и опубликованная в январе этого года. Она производилась третьей версией широкоугольной камеры, что позволяет сравнить качество оборудования.

Вот ещё несколько наиболее известных фотографий телескопа «Хаббл». По возрастанию их качества легко заметить полёты технического обслуживания.

1990 год , сверхновая 1987A

1991 год , Галактика М 59

1992 год , Туманность Ориона

1993 год , Туманность Вуаль

1994 год , Галактика M 100

1996 год , Hubble Deep Field . Почти все 3000 объектов - это галактики, а запечатлена была примерно 1 / 28 000 000 небесной сферы.

1997 год , «подпись» чёрной дыры M 84

Оптические телескопические системы используют в астрономии (для наблюдения за небесными светилами ), в оптике для различных вспомогательных целей: например, для изменения расходимости лазерного излучения . Также телескоп может использоваться в качестве зрительной трубы , для решения задач наблюдения за удалёнными объектами . Самые первые чертежи простейшего линзового телескопа были обнаружены в записях Леонардо Да Винчи. Построил телескоп в Липперсгей . Также создание телескопа приписывается его современнику Захарию Янсену .

История

Годом изобретения телескопа, а вернее зрительной трубы , считают 1607 год , когда голландский очковый мастер Иоанн Липперсгей продемонстрировал своё изобретение в Гааге . Тем не менее в выдаче патента ему было отказано в силу того, что и другие мастера, как Захарий Янсен из Мидделбурга и Якоб Метиус из Алкмара , уже обладали экземплярами подзорных труб, а последний вскоре после Липперсгея подал в Генеральные штаты (голландский парламент) запрос на патент . Позднейшее исследование показало, что, вероятно, подзорные трубы были известны ранее, ещё в 1605 году . В «Дополнениях в Вителлию», опубликованных в 1604 г., Кеплер рассмотрел ход лучей в оптической системе, состоящей из двояковыпуклой и двояковогнутой линз. Самые первые чертежи простейшего линзового телескопа (причём как однолинзового, так и двухлинзового) были обнаружены ещё в записях Леонардо да Винчи , датируемых 1509 годом. Сохранилась его запись: «Сделай стекла, чтобы смотреть на полную Луну» («Атлантический кодекс»).

Первым, кто направил зрительную трубу в небо, превратив её в телескоп, и получил новые научные данные, стал Галилео Галилей . В 1609 году он создал свою первую зрительную трубу с трёхкратным увеличением. В том же году он построил телескоп с восьмикратным увеличением длиной около полуметра. Позже им был создан телескоп, дававший 32-кратное увеличение: длина телескопа была около метра, а диаметр объектива - 4,5 см. Это был очень несовершенный инструмент, обладавший всеми возможными аберрациями . Тем не менее, с его помощью Галилей сделал ряд открытий.

Название «телескоп» предложил в 1611 году греческий математик Иоаннис Димисианос (Giovanni Demisiani-Джованни Демизиани) для одного из инструментов Галилея, показанного на загородном симпосии Академии деи Линчеи . Сам Галилей использовал для своих телескопов термин лат. perspicillum .

«Телескоп Галилея», Музей Галилея (Флоренция)

В 20-м веке также наблюдалось развитие телескопов, которые работали в широком диапазоне длин волн от радио до гамма-лучей. Первый специально созданный радиотелескоп вступил в строй в 1937 году. С тех пор было разработано огромное множество сложных астрономических приборов.

Оптические телескопы

Телескоп представляет собой трубу (сплошную, каркасную), установленную на монтировке , снабжённой осями для наведения на объект наблюдения и слежения за ним. Визуальный телескоп имеет объектив и окуляр . Задняя фокальная плоскость объектива совмещена с передней фокальной плоскостью окуляра . В фокальную плоскость объектива вместо окуляра может помещаться фотоплёнка или матричный приёмник излучения . В таком случае объектив телескопа, с точки зрения оптики, является фотообъективом , а сам телескоп превращается в астрограф . Телескоп фокусируется при помощи фокусёра (фокусировочного устройства).

По своей оптической схеме большинство телескопов делятся на:

• Линзовые (рефракторы или диоптрические) - в качестве объектива используется линза или система линз.
• Зеркальные (рефлекторы или катаптрические) - в качестве объектива используется вогнутое зеркало .
• Зеркально-линзовые телескопы (катадиоптрические) - в качестве объектива используется обычно сферическое главное зеркало, а для компенсации его аберраций служат линзы.

Это может быть одиночная линза (система Гельмута), система линз (Волосова-Гальперна-Печатниковой, Бэйкер-Нана), ахроматический мениск Максутова (одноимённые системы), или планоидная асферическая пластина (системы Шмидта, Райта). Иногда главному зеркалу придают форму эллипсоида (некоторые менисковые телескопы), сплюснутого сфероида (камера Райта), или просто немного фигуризованную неправильную поверхность. Этим удаётся остаточные аберрации системы.

Кроме того, для наблюдений за Солнцем профессиональные астрономы используют специальные солнечные телескопы , отличающиеся конструктивно от традиционных звёздных телескопов.

Радиотелескопы

Радиотелескопы Very Large Array в штате Нью-Мексико, США

Для исследования космических объектов в радиодиапазоне применяют радиотелескопы. Основными элементами радиотелескопов являются принимающая антенна и радиометр - чувствительный радиоприёмник, перестраиваемый по частоте, и принимающая аппаратура. Поскольку радиодиапазон гораздо шире оптического, для регистрации радиоизлучения используют различные конструкции радиотелескопов, в зависимости от диапазона. В длинноволновой области (метровый диапазон; десятки и сотни мегагерц) используют телескопы составленные из большого числа (десятков, сотен или, даже, тысяч) элементарных приёмников, обычно диполей. Для более коротких волн (дециметровый и сантиметровый диапазон; десятки гигагерц) используют полу- или полноповоротные параболические антенны. Кроме того, для увеличения разрешающей способности телескопов, их объединяют в интерферометры . При объединении нескольких одиночных телескопов, расположенных в разных частях земного шара, в единую сеть, говорят о радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ). Примером такой сети может служить американская система VLBA (англ. Very Long Baseline Array ). С 1997 по 2003 год функционировал японский орбитальный радиотелескоп HALCA (англ. Highly Advanced Laboratory for Communications and Astronomy ), включённый в сеть телескопов VLBA, что позволило существенно улучшить разрешающую способность всей сети. Российский орбитальный радиотелескоп Радиоастрон также планируется использовать в качестве одного из элементов гигантского интерферометра.

Космические телескопы

Земная атмосфера хорошо пропускает излучения в оптическом (0,3-0,6 мкм), ближнем инфракрасном (0,6-2 мкм) и радио (1 мм - 30 ) диапазонах. Однако с уменьшением длины волны прозрачность атмосферы сильно снижается, вследствие чего наблюдения в ультрафиолетовом, рентгеновском и гамма диапазонах становятся возможными только из космоса. Исключением является регистрация гамма-излучения сверхвысоких энергий, для которого подходят методы астрофизики космических лучей : высокоэнергичные гамма-фотоны в атмосфере порождают вторичные электроны, которые регистрируются наземными установками по черенковскому свечению . Примером такой системы может служить телескоп CACTUS .

В инфракрасном диапазоне также сильно поглощение в атмосфере, однако, в области 2-8 мкм имеется некоторое количество окон прозрачности (как и в миллиметровом диапазоне), в которых можно проводить наблюдения. Кроме того, поскольку большая часть линий поглощения в инфракрасном диапазоне принадлежит молекулам воды , инфракрасные наблюдения можно проводить в сухих районах Земли (разумеется, на тех длинах волн, где образуются окна прозрачности в связи с отсутствием воды). Примером такого размещения телескопа может служить Южнополярный телескоп (англ. South Pole Telescope ), установленный на южном географическом полюсе , работающий в субмиллиметровом диапазоне.

В оптическом диапазоне атмосфера прозрачна, однако из-за Рэлеевского рассеяния она по-разному пропускает свет разной частоты, что приводит к искажению спектра светил (спектр сдвигается в сторону красного). Кроме того, атмосфера всегда неоднородна, в ней постоянно существуют течения (ветры), что приводит к искажению изображения. Поэтому разрешение земных телескопов ограничено значением приблизительно в 1 угловую секунду, независимо от апертуры телескопа. Эту проблему можно частично решить применением адаптивной оптики , позволяющей сильно снизить влияние атмосферы на качество изображения, и поднятием телескопа на большую высоту, где атмосфера более разреженная - в горы , или в воздух на самолётах или стратосферных баллонах . Но наибольшие результаты достигаются с выносом телескопов в космос. Вне атмосферы искажения полностью отсутствуют, поэтому максимальное теоретическое разрешение телескопа определяется только дифракционным пределом : φ=λ/D (угловое разрешение в радианах равно отношению длины волны к диаметру апертуры). Например, теоретическая разрешающая способность космического телескопа с зеркалом диаметром 2.4 метра (как у телескопа