Хаббл (телескоп)

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Ошибка скрипта: Модуля «hatnote» не существует.{{#if: | }} Шаблон:Космическая обсерватория

Космический телескоп «Хаббл» (КТХ; англ. Шаблон:Lang-en2, Шаблон:Lang-en2; код обсерватории «250») — автоматическая обсерватория (телескоп) на орбите Земли, названная в честь американского астронома Эдвина Хаббла. «Хаббл» — совместный проект НАСА и Европейского космического агентства<ref name="NASAtimeline" /><ref name="eaHST"/><ref>Шаблон:Cite web</ref> и входит в число Больших обсерваторий НАСА<ref>Шаблон:Cite web</ref>. Запущена 24 апреля 1990 года.

Размещение телескопа в космосе даёт возможность регистрировать электромагнитное излучение в диапазонах, в которых земная атмосфера непрозрачна; в первую очередь — в инфракрасном диапазоне. Благодаря отсутствию влияния атмосферы разрешающая способность телескопа в 7—10 раз больше, чем у аналогичного телескопа, расположенного на Земле<ref name="spitzer546">Шаблон:Статья</ref>.

История

Предыстория, концепции, ранние проекты

Упоминание концепции орбитального телескопа, превосходящего наземные инструменты встречается ещё в книге Германа Оберта «Ракета к межпланетным пространствам» (Шаблон:Lang-de2), изданной в 1923 годуШаблон:Sfn.

В 1946 году американский астрофизик Лайман Спитцер опубликовал статью «Астрономические преимущества внеземной обсерватории» (Шаблон:Lang-en2). В статье отмечены два главных преимущества такого телескопа. Во-первых, его угловое разрешение будет ограничено лишь дифракцией, а не турбулентными потоками в атмосфере; в то время разрешение наземных телескопов было от 0,5 до 1,0 угловой секунды, тогда как теоретический предел разрешения по дифракции для орбитального телескопа с зеркалом 2,5 метра составляет около 0,1 секунды. Во-вторых, космический телескоп мог бы вести наблюдение в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах, в которых поглощение излучений земной атмосферой весьма значительно<ref name="spitzer546"/><ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Спитцер посвятил значительную часть своей научной карьеры продвижению проекта. В 1962 году доклад, опубликованный Национальной академией наук США, рекомендовал включить разработку орбитального телескопа в космическую программу, и в 1965 году Спитцер был назначен главой комитета, в задачу которого входило определение научных задач для крупного космического телескопа<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Космическая астрономия стала развиваться после окончания Второй мировой войны задолго до запусков первых орбитальных спутников. В 1946 году впервые был получен ультрафиолетовый спектр Солнца приборами на вертикально взлетающей ракете<ref>Шаблон:Статья</ref>. Орбитальный телескоп для исследований Солнца был запущен Великобританией в 1962 году в рамках Шаблон:Нп5, а в 1966 году НАСА запустило в космос первую орбитальную обсерваторию OAO-1<ref>Шаблон:Cite web</ref>. Миссия не увенчалась успехом из-за отказа аккумуляторов через три дня после старта. В 1968 году была запущена OAO-2, которая производила наблюдения ультрафиолетового излучения звёзд и галактик вплоть до 1972 года, значительно превысив расчётный срок эксплуатации в 1 год<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Миссии OAO послужили наглядной демонстрацией роли, которую могут играть орбитальные телескопы, и в 1968 году НАСА утвердило план строительства телескопа-рефлектора с зеркалом диаметром 3 м. Проект получил условное название LST (Шаблон:Lang-en2). Запуск планировался на 1972 год. Программа подчёркивала необходимость регулярных пилотируемых экспедиций для обслуживания телескопа с целью обеспечения продолжительной работы дорогостоящего прибора. Параллельно развивавшаяся программа «Спейс шаттл» давала надежды на получение соответствующих возможностейШаблон:Sfn.

Борьба за финансирование проекта

Благодаря успеху программы ОАО в астрономическом сообществе сложился консенсус о том, что строительство крупного орбитального телескопа должно стать приоритетной задачей. В 1970 году НАСА учредило два комитета, один для изучения и планирования технических аспектов, задачей второго была разработка программы научных исследований. Следующим серьёзным препятствием было финансирование проекта, затраты на который должны были превзойти стоимость любого наземного телескопа. Конгресс США поставил под сомнение многие статьи предложенной сметы и существенно урезал бюджетные ассигнования, первоначально предполагавшие масштабные исследования инструментов и конструкции обсерватории. В 1974 году, в рамках программы сокращений расходов бюджета, инициированной президентом Фордом, Конгресс полностью отменил финансирование проектаШаблон:Sfn.

В ответ на это астрономами была развёрнута широкая кампания по лоббированию. Многие учёные-астрономы лично встретились с сенаторами и конгрессменами, было также проведено несколько крупных рассылок писем в поддержку проекта. Национальная Академия Наук опубликовала доклад, в котором подчёркивалась важность создания большого орбитального телескопа, и в результате сенат согласился выделить половину средств из бюджета, первоначально утверждённого КонгрессомШаблон:Sfn.

Финансовые проблемы привели к сокращениям, главным из которых было решение уменьшить диаметр зеркала с 3 до 2,4 метра, для снижения затрат и получения более компактной конструкции. Также был отменён проект телескопа с полутораметровым зеркалом, который предполагалось запустить с целью тестирования и отработки систем, и принято решение о кооперации с Европейским космическим агентством. ЕКА согласилось участвовать в финансировании, а также предоставить ряд инструментов и солнечные батареи для обсерватории, взамен за европейскими астрономами резервировалось не менее 15 % времени наблюдений<ref>Шаблон:Cite web</ref>. В 1978 году Конгресс утвердил финансирование в размере 36 млн долл., и сразу после этого начались полномасштабные работы по проектированию. Дата запуска планировалась на 1983 год. В начале 1980-х телескоп получил имя Эдвина Хаббла<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Организация проектирования и строительства

Работа над созданием космического телескопа была поделена между многими компаниями и учреждениями. Космический центр Маршалла отвечал за разработку, проектирование и строительство телескопа, Центр космических полётов Годдарда занимался общим руководством разработкой научных приборов и был выбран в качестве наземного центра управления. Центр Маршалла заключил контракт с компанией «Перкин-Элмер» на проектирование и изготовление оптической системы телескопа (англ. Шаблон:Lang-en2 — Шаблон:Lang-en2) и датчиков точного наведения. Корпорация «Локхид» получила контракт на строительство космического аппарата для телескопа<ref name="dunar">Шаблон:Книга</ref>.

Изготовление оптической системы

Файл:Hubble mirror polishing.jpg
Полировка главного зеркала телескопа, лаборатория компании «Перкин-Элмер», май 1979 года

Зеркало и оптическая система в целом были наиболее важными частями конструкции телескопа, и к ним предъявлялись особо жёсткие требования. Обычно зеркала телескопов изготавливаются с допуском примерно в одну десятую длины волны видимого света, но, поскольку космический телескоп предназначался для наблюдений в диапазоне от ультрафиолетового до почти инфракрасного, а разрешающая способность должна была быть в десять раз выше, чем у наземных приборов, допуск для изготовления его главного зеркала был установлен в 1/20 длины волны видимого света, или примерно 30 нмШаблон:Нет АИ.

Компания «Перкин-Элмер» намеревалась использовать новые станки с числовым программным управлением для изготовления зеркала заданной формы. Компания «Кодак» получила контракт на изготовление запасного зеркала с использованием традиционных методов полировки, на случай непредвиденных проблем с неапробированными технологиями (зеркало, изготовленное компанией «Кодак», в настоящее время находится в экспозиции музея Смитсоновского института<ref>Шаблон:Cite web</ref>). Работы над основным зеркалом начались в 1979 году, для изготовления использовалось стекло со сверхнизким коэффициентом теплового расширения. Для уменьшения веса зеркало состояло из двух поверхностей — нижней и верхней, соединённых решётчатой конструкцией сотовой структурыШаблон:Нет АИ.

Файл:Hubble backup mirror.jpg
Резервное зеркало телескопа, Смитсоновский музей авиации и космонавтики, Вашингтон

Работы по полировке зеркала продолжались до мая 1981 года, при этом были сорваны первоначальные сроки и значительно превышен бюджет<ref>Шаблон:Книга</ref>. В отчётах НАСА того периода выражаются сомнения в компетентности руководства компании «Перкин-Элмер» и её способности успешно завершить проект такой важности и сложности. В целях экономии средств НАСА отменило заказ на резервное зеркало и перенесло дату запуска на октябрь 1984 года. Окончательно работы завершились к концу 1981 года, после нанесения отражающего покрытия из алюминия толщиной 75 нм и защитного покрытия из фторида магния толщиной в 25 нм<ref name="IR">Шаблон:Статья</ref><ref>Шаблон:Книга</ref>.

Несмотря на это, сомнения в компетентности «Перкин-Элмер» оставались, поскольку сроки окончания работ над остальными компонентами оптической системы постоянно отодвигались, а бюджет проекта рос. Графики работ, предоставляемые компанией, НАСА охарактеризовало как «неопределённые и изменяющиеся ежедневно» и отложило запуск телескопа до апреля 1985 года. Тем не менее, сроки продолжали срываться, задержка росла в среднем на один месяц каждый квартал, а на завершающем этапе росла на один день ежедневно. НАСА было вынуждено ещё дважды перенести старт, сначала на март, а затем на сентябрь 1986 года. К тому времени общий бюджет проекта вырос до 1,175 млрд долларов<ref name="dunar" />.

Космический аппарат

Файл:Early stages of Hubble construction.jpg
Начальные этапы работ над космическим аппаратом, 1980

Другой сложной инженерной проблемой было создание аппарата-носителя для телескопа и остальных приборов. Основными требованиями были защита оборудования от постоянных перепадов температур при нагреве от прямого солнечного освещения и охлаждения в тени Земли и особо точное ориентирование телескопа. Телескоп смонтирован внутри лёгкой алюминиевой капсулы, которая покрыта многослойной термоизоляцией, обеспечивающей стабильную температуру. Жёсткость капсулы и крепление приборов обеспечивает внутренняя пространственная рама из углепластика<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Хотя работы по созданию космического аппарата проходили более успешно, чем изготовление оптической системы, «Локхид» также допустила некоторое отставание от графика и превышение бюджета. К маю 1985 года перерасход средств составил около 30 % от первоначального объёма, а отставание от плана — 3 месяца. В докладе, подготовленном Космическим центром Маршалла, отмечалось, что при проведении работ компания не проявляет инициативу, предпочитая полагаться на указания НАСА<ref name="dunar" />.

Координация исследований и управление полётом

В 1983 году, после некоторого противоборства между НАСА и научным сообществом был учреждён Научный институт космического телескопа. Институт управляется Ассоциацией университетов по астрономическим исследованиям (AURA) и располагается в кампусе университета Джонса Хопкинса в Балтиморе, штат Мэриленд. Университет Хопкинса — один из 32 американских университетов и иностранных организаций, входящих в ассоциацию. Научный институт космического телескопа отвечает за организацию научных работ и обеспечение доступа астрономов к полученным данным; эти функции НАСА хотело оставить под своим контролем, но учёные предпочли передать их академическим учреждениямШаблон:SfnШаблон:Sfn. Европейский координационный центр космического телескопа был основан в 1984 году в городе Гархинг, Германия для предоставления аналогичных возможностей европейским астрономам<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Управление полётом было возложено на Центр космических полётов Годдарда, который находится в городе Гринбелт, Мэриленд, в 48 километрах от Научного института космического телескопа. За функционированием телескопа ведётся круглосуточное посменное наблюдение четырьмя группами специалистов. Техническое сопровождение осуществляется НАСА и компаниями-контакторами через Центр Годдарда<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Запуск и начало работы

Файл:STS-31 Launch - GPN-2000-000684.jpg
Старт шаттла «Дискавери» с телескопом «Хаббл» на борту

Первоначально запуск телескопа на орбиту планировался на октябрь 1986 года, но катастрофа «Челленджера» 28 января приостановила программу «Спейс шаттл» на несколько лет, и запуск пришлось отложить<ref>И. Л. Розенталь. Вселенная и частицы. Приложение: Трудный старт космического телескопа, стр 51-52. Москва: издательство Знание. 11.1990. Серия «Космонавтика, астрономия». Тираж 28159 экз.</ref>

Всё это время телескоп хранился в помещении с искусственно очищенной атмосферой, его бортовые системы были частично включены. Расходы на хранение составляли около 6 млн долл. в месяц, что ещё больше увеличило стоимость проекта<ref name="Tatarewicz371">Шаблон:Cite web</ref>.

Вынужденная задержка позволила произвести ряд усовершенствований: солнечные батареи были заменены на более эффективные, был модернизирован бортовой вычислительный комплекс и системы связи, а также изменена конструкция кормового защитного кожуха с целью облегчить обслуживание телескопа на орбите<ref name="Tatarewicz371"/><ref>Шаблон:Cite web</ref>. Кроме того, программное обеспечение для управления телескопом было не готово в 1986 году и фактически было окончательно написано только к моменту запуска в 1990 году<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

После возобновления полётов шаттлов в 1988 году запуск был окончательно назначен на 1990 год. Перед запуском накопившаяся на зеркале пыль была удалена при помощи сжатого азота, а все системы прошли тщательное тестированиеШаблон:Нет АИ.

Шаттл «Дискавери» STS-31 стартовал 24 апреля 1990 года и на следующий день вывел телескоп на расчётную орбиту<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

От начала проектирования до запуска было затрачено 2,5 млрд долл. при начальном бюджете в 400 млн; общие расходы на проект, по оценке на 1999 год, составили 6 млрд долл. с американской стороны и 593 млн евро, оплаченных ЕКА<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Приборы, установленные на момент запуска

На момент запуска на борту были установлены шесть научных приборов:

Дефект главного зеркала

Уже в первые недели после начала работы полученные изображения показали 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. Изображения точечных источников имели радиус свыше 1,0 угловой секунды вместо фокусировки в окружность диаметром 0,1 секунды, согласно спецификации<ref>Шаблон:Статья</ref><ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Анализ изображений показал, что источником проблемы является неверная форма главного зеркала. Несмотря на то, что это было, возможно, наиболее точно рассчитанное зеркало из когда-либо созданных, а допуск составлял не более 1/20 длины волны видимого света, оно было изготовлено слишком плоским по краям. Отклонение от заданной формы поверхности составило лишь 2 мкм<ref>Шаблон:Cite web</ref>, но результат оказался катастрофическим — зеркало имело сильную сферическую аберрацию (оптический дефект, при котором свет, отражённый от краёв зеркала, фокусируется в точке, отличной от той, в которой фокусируется свет, отражённый от центра зеркала)<ref name="Tatarewicz, SP-4219, p. 375"/>.

Влияние дефекта на астрономические исследования зависело от конкретного типа наблюдений — характеристики рассеяния были достаточны для получения уникальных наблюдений ярких объектов с высокой разрешающей способностью, и спектроскопия также практически не пострадала<ref name="link1">Шаблон:Cite web</ref>. Тем не менее потеря значительной части светового потока из-за расфокусировки 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<ref name="Tatarewicz, SP-4219, p. 375">Шаблон:Cite web</ref>.

Причины дефекта

Анализируя изображения точечных источников света, астрономы установили, что коническая константа зеркала составляет −1,0139 вместо требуемой −1,00229<ref>Шаблон:Cite web</ref><ref>Шаблон:Cite web</ref>. То же число было получено путём проверки нуль-корректоров (приборы, позволяющие измерять с высокой точностью кривизну полируемой поверхности), использованных компанией «Перкин-Элмер», а также из анализа интерферограмм, полученных в процессе наземного тестирования зеркала<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Комиссия, возглавляемая Лью Алленом, директором Лаборатории реактивного движения, установила, что дефект возник в результате ошибки при монтаже главного нуль-корректора, полевая линза которого была сдвинута на 1,3 мм относительно правильного положения. Сдвиг произошёл по вине техника, осуществлявшего сборку прибора. Он ошибся при работе с лазерным измерителем, применявшимся для точного размещения оптических элементов прибора, а когда после окончания монтажа заметил непредвиденный зазор между линзой и поддерживающей её конструкцией, то просто вставил обычную металлическую шайбу<ref name="AllenReport">Шаблон:Cite web</ref>.

В процессе полировки зеркала его поверхность проверялась при помощи двух других нуль-корректоров, каждый из которых правильно указывал на наличие сферической аберрации. Эти проверки были специально предусмотрены для исключения серьёзных оптических дефектов. Несмотря на чёткие инструкции по контролю качества, компания проигнорировала результаты измерений, предпочитая верить, что два нуль-корректора менее точны, чем главный, показания которого свидетельствовали об идеальной форме зеркалаШаблон:Sfn.

Комиссия возложила вину за произошедшее в первую очередь на исполнителя. Отношения между оптической компанией и НАСА серьёзно ухудшились в процессе работы над телескопом из-за постоянного срыва графика работ и перерасхода средств. НАСА установило, что компания «Перкин-Элмер» не относилась к работам над зеркалом как к основной части своего бизнеса и пребывала в уверенности, что заказ не может быть передан другому подрядчику после начала работ. Хотя комиссия подвергла компанию суровой критике, часть ответственности лежала также и на НАСА, в первую очередь — за неспособность обнаружить серьёзные проблемы с контролем качества и нарушение процедур со стороны исполнителя<ref name="AllenReport"/><ref>Selected Documents in the History of the U.S. Civil Space Program Volume V: Exploring the Cosmos / John M. Logsdon, editor. 2001</ref>.

Поиски решения

Поскольку конструкция телескопа изначально предусматривала обслуживание на орбите, учёные немедленно начали поиск потенциального решения, которое можно было бы применить во время первой технической миссии, запланированной на 1993 год. Хотя «Кодак» закончила изготовление запасного зеркала для телескопа, замена его в космосе не представлялась возможной, а снимать с орбиты телескоп для замены зеркала на Земле было бы слишком долго и дорого. Факт, что зеркало с высокой точностью было отполировано до неправильной формы, привёл к идее разработать новый оптический компонент, который бы выполнял преобразование, эквивалентное ошибке, но с обратным знаком. Новое устройство работало бы подобно очкам для телескопа, корректируя сферическую аберрацию<ref>Шаблон:Книга</ref>.

Из-за разницы в конструкции приборов требовалось разработать два различных корректирующих устройства. Одно предназначалось для широкоформатной планетарной камеры, которая имела специальные зеркала, перенаправлявшие свет на её датчики, и коррекция могла осуществляться за счёт использования зеркал иной формы, которые бы полностью компенсировали аберрацию. Соответствующее изменение было предусмотрено в конструкции новой планетарной камеры. Прочие приборы не имели промежуточных отражающих поверхностей и, таким образом, нуждались во внешнем корректирующем устройстве<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Система оптической коррекции (COSTAR)

Система, предназначенная для коррекции сферической аберрации, получила название COSTAR и состояла из двух зеркал, одно из которых компенсировало дефектШаблон:Sfn. Для установки COSTAR на телескоп было необходимо демонтировать один из приборов, и учёные приняли решение пожертвовать высокоскоростным фотометром<ref name="nk1993-25"/><ref name="nasa-sts-61"/>.

В течение первых трёх лет работы, до установки корректирующих устройств, телескоп выполнил большое количество наблюдений<ref name="link1" /><ref>Шаблон:Cite web</ref>. В частности, дефект не оказывал большого влияния на спектроскопические замеры. Несмотря на отменённые из-за дефекта эксперименты, было достигнуто множество важных научных результатов, в том числе разработаны новые алгоритмы улучшения качества изображений с помощью деконволюции<ref>Шаблон:Книга</ref>.

Техническое обслуживание телескопа

Обслуживание «Хаббла» производилось во время выходов в открытый космос с космических кораблей многоразового использования «Спейс шаттл»<ref>Шаблон:Cite web</ref><ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Всего были осуществлены четыре экспедиции по обслуживанию телескопа «Хаббл», одна из которых была разбита на два вылета<ref>Шаблон:Cite web</ref><ref name="sm3a">Шаблон:Cite web</ref>.

Первая экспедиция

Файл:Upgrading Hubble during SM1.jpg
Работы на телескопе во время первой экспедиции

В связи с выявившимся дефектом зеркала значение первой экспедиции по обслуживанию было особенно велико, поскольку она должна была установить на телескопе корректирующую оптику. Полёт «Индевор» STS-61 состоялся 2—13 декабря 1993 года, работы на телескопе продолжались в течение десяти дней. Экспедиция была одной из сложнейших за всю историю, в её рамках были осуществлены пять длительных выходов в открытый космосШаблон:Нет АИ.

Высокоскоростной фотометр был заменён на систему оптической коррекции, Широкоугольная и планетарная камера — на новую модель (Широкоугольная и планетарная камера 2) с системой внутренней оптической коррекции<ref name="nk1993-25">Шаблон:Статья</ref><ref name="nasa-sts-61">Шаблон:Cite web</ref>. Камера имела три квадратных ПЗС-матрицы, соединённых углом, и меньшую «планетарную» матрицу более высокого разрешения в четвёртом углу. Поэтому снимки камеры имеют характерную форму выщербленного квадрата<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Кроме этого, были заменены солнечные батареи и системы управления приводами батарей, четыре гироскопа системы наведения, два магнитометра, и был обновлён бортовой вычислительный комплекс. Также была произведена коррекция орбиты, необходимая из-за потери высоты вследствие трения о воздух при движении в верхних слоях атмосферы.

31 января 1994 года НАСА объявило об успехе миссии и продемонстрировало первые снимки значительно лучшего качества<ref>Шаблон:Статья</ref>. Успешное завершение экспедиции было крупным достижением, как для НАСА, так и для астрономов, которые получили в своё распоряжение полноценный инструмент.

Вторая экспедиция

Второе техобслуживание было произведено 11—21 февраля 1997 года в рамках миссии «Дискавери» STS-82<ref name="nk">Шаблон:Статья</ref>. Спектрограф Годдарда и Спектрограф тусклых объектов были заменены на Шаблон:Iw (англ. Шаблон:Lang-en2) и Камеру и многообъектный спектрометр ближнего инфракрасного диапазона (англ. Шаблон:Lang-en2)Шаблон:Нет АИ.

NICMOS позволяет проводить наблюдения и спектрометрию в инфракрасном диапазоне от 0,8 до 2,5 мкм. Для получения необходимых низких температур детектор прибора помещён в сосуд Дьюара и охлаждался до 1999 года жидким азотом<ref name="nk"/><ref name="NICMOStemp">Шаблон:Cite web</ref>.

STIS имеет рабочий диапазон 115—1000 нм и позволяет вести двумерную спектрографию, то есть получать спектр одновременно нескольких объектов в поле зренияШаблон:Нет АИ.

Файл:STS-103 Hubble EVA.jpg
«Хаббл» в грузовом отсеке шаттла, астронавты заменяют гироскопы. Экспедиция STS-103

Был также заменён бортовой регистратор, произведён ремонт теплоизоляции и выполнена коррекция орбиты<ref name="nk"/><ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Третья экспедиция (A)

Экспедиция 3A («Дискавери» STS-103) состоялась 19—27 декабря 1999 года, после того, как было принято решение о досрочном проведении части работ по программе третьего сервисного обслуживания. Это было вызвано тем, что три из шести гироскопов системы наведения вышли из строя. Четвёртый гироскоп отказал за несколько недель до полёта, сделав телескоп непригодным для наблюдений. Экспедиция заменила все шесть гироскопов, датчик точного наведения и бортовой компьютер. Новый компьютер использовал процессор Intel 80486 в специальном исполнении — с повышенной устойчивостью к радиации. Это позволило производить часть вычислений, выполнявшихся ранее на Земле, при помощи бортового комплекса<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Третья экспедиция (B)

Файл:Hubble on the payload bay just prior to being released by the STS-109 crew.jpg
«Хаббл» в грузовом отсеке шаттла перед возвращением на орбиту, на фоне восходящей Земли. Экспедиция STS-109

Экспедиция 3B (четвёртая миссия) выполнена 1—12 марта 2002 года, в ходе полёта «Колумбии» STS-109. В ходе экспедиции камера съёмки тусклых объектов была заменена на Шаблон:Нп2 (ACS). Восстановлено функционирование инструмента NICMOS (камера ближнего инфракрасного диапазона и многообъектный спектрометр), в системе охлаждения которого в 1999 году закончился жидкий азот — система охлаждения заменена на холодильную установку с замкнутым контуром, работающую по обратному циклу Брайтона<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

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 чему стала возможна одновременная работа со всеми приборами, установленными на борту обсерватории. Также был заменён узел распределения энергии, что потребовало полного выключения электропитания на борту — впервые с момента запуска<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Произведённые работы существенно расширили возможности телескопа. Два прибора, введённые в строй в ходе работ — ACS и NICMOS — позволили получить изображения глубокого космосаШаблон:Нет АИ.

Четвёртая экспедиция

Ошибка скрипта: Модуля «Основная статья» не существует.

Файл:STS-125 EVA4 Working inside Hubble.jpg
Работы на телескопе во время четвёртой экспедиции

Пятое и последнее техобслуживание (SM4) было произведено 11—24 мая 2009 года, в рамках миссии «Атлантис» STS-125. Ремонт включал замену одного из трёх датчиков точного наведения, всех гироскопов, установку новых аккумуляторов, блока форматирования данных и починку теплоизоляции. Также была восстановлена работоспособность усовершенствованной обзорной камеры и регистрирующего спектрографа и были установлены новые приборы<ref name="SM4">Шаблон:Cite web</ref>.

Дебаты

Ранее очередная экспедиция была назначена на февраль 2005 года, но после катастрофы шаттла «Колумбия» в марте 2003 была отложена на неопределённый срок, что поставило под угрозу дальнейшую работу «Хаббла». Даже после возобновления полётов шаттлов миссия была отменена, поскольку было принято решение, что каждый отправляющийся в космос челнок должен иметь возможность достичь МКС в случае обнаружения неисправностей, а из-за большой разницы в наклонении и высоте орбит шаттл не мог пристыковаться к станции после посещения телескопа<ref>Шаблон:Cite web</ref><ref name="STS400">Шаблон:Cite web</ref>.

Под давлением Конгресса и общественности, требовавших принятия мер по спасению телескопа, 29 января 2004 Шаблон:Нп2, бывший тогда администратором НАСА, объявил, что изучит ещё раз решение об отмене экспедиции к телескопу<ref name="Gugliotta"/>.

13 июля 2004 года официальная комиссия Академии наук США приняла рекомендацию, что телескоп должен быть сохранён, невзирая на очевидный риск, и 11 августа того же года О’Киф поручил Центру Годдарда приготовить детальные предложения о проведении обслуживания телескопа при помощи робота. После изучения этот план был признан «технически неосуществимым»<ref name="Gugliotta">Шаблон:Cite web</ref>.

31 октября 2006 года Майклом Гриффином, новым администратором НАСА, было официально объявлено о подготовке последней миссии по ремонту и модернизации телескопа<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Работы по ремонту

К началу ремонтной экспедиции на борту накопился ряд неисправностей, неустранимых без посещения телескопа: отказали резервные системы питания у Регистрирующего спектрографа (STIS) и Усовершенствованной обзорной камеры (ACS), в результате чего STIS прекратил работу в 2004 году, а ACS работала ограниченно. Из шести гироскопов системы ориентации функционировали только четыре. К тому же требовали замены никель-водородные аккумуляторы телескопа<ref>Шаблон:Cite web</ref><ref>Шаблон:Cite web</ref><ref>Шаблон:Cite web</ref><ref>Шаблон:Cite web</ref><ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Неисправности были полностью устранены в ходе ремонта, при этом на «Хаббл» были установлены два совершенно новых прибора: Шаблон:Iw (англ. Шаблон:Lang-en2) был установлен вместо системы COSTAR; поскольку все находящиеся на данный момент на борту приборы имеют встроенные средства корректировки дефекта главного зеркала, надобность в системе отпала. Широкоугольная камера WFC2 была заменена на новую модель — WFC3 (англ. Шаблон:Lang-en2), которая отличается бо́льшим разрешением и чувствительностью, особенно в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах<ref name="НАСА">Шаблон:Cite web</ref>.

Планировалось, что после этой миссии телескоп «Хаббл» продолжит работу на орбите по крайней мере до 2014 года<ref name="НАСА" />.

Достижения

Файл:Eagle nebula pillars.jpg
«Столпы Творения» — один из самых известных снимков, полученных телескопом. Рождение новых звёзд в Туманности Орёл

За 15 лет работы на околоземной орбите «Хаббл» получил 1,022 млн изображений небесных объектов — звёзд, туманностей, галактик, планет. Поток данных, которые он ежемесячно генерирует в процессе наблюдений, составляет около 480 ГБ<ref>Шаблон:Cite web</ref>. Общий их объём, накопленный за всё время работы телескопа, на 2018 год превысил 80 терабайт<ref name="ESAfacts"/>. Более 3900 астрономов получили возможность использовать его для наблюдений, опубликовано около 4000 статей в научных журналах. Установлено, что, в среднем, индекс цитирования астрономических статей, основанных на данных этого телескопа, в два раза выше, чем статей, основанных на других данных. Ежегодно в списке 200 наиболее цитируемых статей не менее 10 % занимают работы, выполненные на основе материалов «Хаббла». Нулевой индекс цитирования имеют около 30 % работ по астрономии в целом и только 2 % работ, выполненных с помощью космического телескопа<ref>STScI newsletter. Vol. 20. Issue 2. Spring 2003</ref>.

Тем не менее цена, которую приходится платить за достижения «Хаббла», весьма высока: специальное исследование, посвящённое изучению влияния на развитие астрономии телескопов различных типов, установило, что, хотя работы, выполненные при помощи орбитального телескопа, имеют суммарный индекс цитирования в 15 раз больше, чем у наземного рефлектора с 4-метровым зеркалом, стоимость содержания космического телескопа выше в 100 и более раз<ref>Benn C. R., Sánchez S. F. (2001) Scientific Impact of Large Telescopes // Publications of the Astronomical Society of the Pacific. Vol. 113. P. 385</ref>.

Наиболее значимые наблюдения

Доступ к телескопу

Любой человек или организация может подать заявку на работу с телескопом — не существует ограничений по национальной или академической принадлежности. Конкуренция за время наблюдений очень высока, обычно суммарно запрошенное время в 6—9 раз превышает реально доступное<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Файл:Hubble ultra deep field.jpg
На изображении, полученном по программе Hubble Ultra Deep Field, видны сотни галактик, самые красные и тусклые образовались всего через 800 млн лет после Большого взрыва

Конкурс заявок на наблюдение объявляется примерно раз в год. Заявки делятся на несколько категорийШаблон:Нет АИ:

  • Общие наблюдения (англ. Шаблон:Lang-en2). В эту категорию попадает большинство заявок, требующих обычной процедуры и длительности наблюдений.
  • Блиц-наблюдения (англ. Шаблон:Lang-en2), наблюдения, требующие не более Шаблон:Num, включая время наведения телескопа, позволяют заполнить паузы между общими наблюдениями.
  • Срочные наблюдения (англ. Шаблон:Lang-en2), для изучения явлений, которые можно наблюдать в течение ограниченного, заранее известного промежутка времени.

Кроме того, 10 % времени наблюдений остаётся в так называемом «резерве директора института космического телескопа»<ref>Шаблон:Cite web</ref>. Астрономы могут подавать заявки на использование резерва в любое время, обычно он используется для наблюдений незапланированных краткосрочных явлений, таких как взрывы сверхновых. Съёмки глубокого космоса по программам Hubble Deep Field и Hubble Ultra Deep Field также были осуществлены за счёт директорского резерваШаблон:Нет АИ.

В течение первых нескольких лет часть времени из резерва выделялась астрономам-любителям<ref>Шаблон:Cite web</ref>. Их заявки рассматривались комитетом, состоящим также из наиболее видных астрономов-непрофессионалов. Основными требованиями к заявке были оригинальность исследования и несовпадение темы с поданными запросами профессиональных астрономов. В общей сложности, в период между 1990 и 1997 годом было произведено 13 наблюдений по программам, предложенным астрономами-любителями. В дальнейшем, из-за сокращения бюджета института, предоставление времени непрофессионалам было прекращено<ref>Шаблон:Книга</ref><ref>Шаблон:Статья</ref>.

Планирование наблюдений

Планирование наблюдений является чрезвычайно сложной задачей, так как необходимо учитывать влияние множества факторов:

  • Поскольку телескоп находится на низкой орбите, что необходимо для обеспечения обслуживания, значительная часть астрономических объектов затемнена Землёй чуть меньше половины времени обращения. Существует так называемая «зона длительной видимости», примерно в направлении 90° к плоскости орбиты, однако из-за прецессии орбиты точное направление изменяется с восьминедельным периодом<ref name="Cycle18"/>.
  • Из-за повышенного уровня радиации наблюдения невозможны, когда телескоп пролетает над Южно-Атлантической аномалией<ref name="Cycle18">Шаблон:Cite web</ref><ref name="SM2"/>.
  • Минимально допустимое отклонение от Солнца составляет около 50° для предотвращения попадания прямого солнечного света в оптическую систему, что, в частности, делает невозможными наблюдения Меркурия, а прямые наблюдения Луны и Земли допустимы при отключённых датчиках точного наведения<ref name="SM2">Шаблон:Cite web</ref>.
  • Так как орбита телескопа проходит в верхних слоях атмосферы, плотность которых меняется с течением времени, невозможно точно предсказать местоположение телескопа. Ошибка шестинедельного предсказания может составлять до 4 тыс. км. В связи с этим, точные расписания наблюдений составляются всего на несколько дней вперёд, чтобы избежать ситуации, когда выбранный для наблюдения объект будет не виден в назначенное время<ref name="Cycle18"/>.

Передача, хранение и обработка данных телескопа

Передача на Землю

Данные «Хаббла» сначала сохраняются в бортовых накопителях, на момент запуска в этом качестве использовались катушечные магнитофоны, в ходе экспедиций 2 и 3A они были заменены на твердотельные накопители. Затем, через систему коммуникационных спутников TDRSS, расположенных на геостационарной орбите, данные передаются в Центр Годдарда<ref name="Telemetry">Шаблон:Cite web</ref>.

Архивирование и доступ к данным

В течение первого года с момента получения данные предоставляются только основному исследователю (подателю заявки на наблюдение), а затем помещаются в архив со свободным доступом<ref>Шаблон:Cite web</ref>. Исследователь может подать просьбу на имя директора института о сокращении или увеличении этого срока<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Наблюдения, выполненные за счёт времени из резерва директора, а также вспомогательные и технические данные, становятся общественным достоянием немедленноШаблон:Нет АИ.

Данные в архиве хранятся в формате FITS, удобном для астрономического анализа<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Анализ и обработка информации

Астрономические данные, снятые с ПЗС-матриц приборов, должны пройти ряд преобразований, прежде чем станут пригодными для анализа. Институт космического телескопа разработал пакет программ для автоматического преобразования и калибрации данных. Преобразования производятся автоматически при запросе данных. Из-за большого объёма информации и сложности алгоритмов обработка может занять сутки и более<ref name="PrimerSection7.2.1"/>.

Астрономы могут также получить необработанные данные и выполнить эту процедуру самостоятельно, что удобно, когда процесс преобразования отличается от стандартного<ref name="PrimerSection7.2.1">Шаблон:Cite web</ref>.

Данные могут быть обработаны при помощи различных программ, но Институт телескопа предоставляет пакет Шаблон:Lang-en2 (англ. Шаблон:Lang-en2 — «Система анализа научных данных космического телескопа»). Пакет содержит все необходимые для обработки данных программы, оптимизированные для работы с информацией «Хаббла». Пакет работает как модуль популярной астрономической программы IRAF<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Палитра Хаббла

Широкоугольная камера, главный прибор «Хаббла», сама по себе чёрно-белая, но оснащена широким магазином узкополосных светофильтров. Под названием «палитра Хаббла» в историю вошла сборка цветного изображения из трёх снимков в разных длинах волн<ref>Шаблон:Cite web</ref>:

  • Красный канал — две линии серы SII (672 и 673 нм, багрово-красный).
  • Зелёный канал — линия водорода Hα (656 нм, красный), а также две расположенные рядом и более тёмные линии азота NII.
  • Синий канал — две линии кислорода OIII (501 и 496 нм, изумрудный).

Снимки выравнивают по яркости, совмещают и объявляют каналами RGB-изображения. Именно в этой палитре сделаны большинство известных цветных изображений с Хаббла<ref>Шаблон:Cite web</ref>. Нужно понимать, что цвета не истинные, и при съёмке в истинных цветах (например, на фотоаппарат) туманность Пузырь будет красной или малиновой<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Связи с общественностью

Файл:Horsehead-Hubble.jpg
В 2001 году, в честь 11-й годовщины запуска, НАСА предоставило пользователям Интернета выбрать объект наблюдения, подавляющее большинство проголосовало за туманность Конская Голова<ref>Шаблон:Cite web</ref>

Для проекта космического телескопа всегда было важно привлечь внимание и воображение широкой публики, и в особенности американских налогоплательщиков, внёсших наиболее значительный вклад в финансирование «Хаббла»Шаблон:Нет АИ.

Одним из наиболее важных для связей с общественностью является проект Шаблон:Iw (англ. Шаблон:Lang-en2)<ref>Шаблон:Cite web</ref>. Его задачей является публикация наиболее визуально и эстетически эффектных изображений, полученных телескопом. Галереи проекта содержат не только оригинальные снимки в форматах JPG и TIFF, но и созданные на их основе коллажи и рисунки. Проекту выделено небольшое количество времени наблюдений для получения полноценных цветных изображений объектов, фотографирование которых в видимой части спектра не было необходимым для исследованийШаблон:Нет АИ.

Кроме того, Институт космического телескопа поддерживает несколько веб-сайтов с изображениями и исчерпывающей информацией о телескопе<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

В 2000 году для координации усилий различных ведомств было создано Бюро по связям с общественностью (англ. Шаблон:Lang-en2)Шаблон:Нет АИ.

В Европе с 1999 года связями с общественностью занимается Шаблон:Iw (англ. Шаблон:Lang-en2, Шаблон:Lang-en2), учреждённый при Европейском координационном центре космического телескопа. Центр также отвечает за образовательные программы ЕКА, связанные с телескопом<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

В 2010 году на экраны вышел фильм «Хаббл IMAX 3D» в формате IMAX, рассказывающий о телескопе и о космических далях. Режиссёр фильма — Тони Майерс.

Будущее «Хаббла»

Телескоп «Хаббл» проработал на орбите уже более Шаблон:Num. Предполагалось, что после ремонтных работ, выполненных четвёртой экспедицией, «Хаббл» проработает на орбите до 2014 года<ref>Шаблон:Cite web</ref>, после чего его должен был сменить космический телескоп «Джеймс Уэбб». Но значительное превышение бюджета и отставание от графика постройки «Джеймса Уэбба» вынудили НАСА перенести предполагаемую дату старта миссии сначала на сентябрь 2015 года, а затем — на октябрь 2018 года (запуск состоялся лишь в декабре 2021 года)<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

В ноябре 2021 года контракт на эксплуатацию телескопа был продлён до 30 июня 2026 года<ref>Шаблон:Cite press release</ref>.

После завершения эксплуатации «Хаббл» затопят в Тихом океане, выбрав для этого несудоходный район. По предварительным оценкам, несгоревшими останутся около 5 тонн обломков при общей массе космического телескопа 11 тонн. Согласно расчётам, он должен сойти с орбиты после 2030 годаШаблон:Нет АИ<ref>Американские компании Astroscale и Momentus предложили поднять орбиту телескопа Hubble на 50 километров для перезапуска его работы в дальнейшем Шаблон:Wayback // 17 мая 2023</ref>.

Неисправности

5 октября 2018 года отказал третий из шести гироскопов ориентации телескопа, при попытке ввести в строй последний резервный гироскоп обнаружилось, что скорость его вращения значительно превышает нормальные показатели и телескоп был переведен в безопасный режим. Путем выполнения серии манёвров и многократного включения гироскопа в разных режимах проблему удалось решить и телескоп был переведен в нормальный режим 26 октября. Полноценное функционирование телескопа требует наличия трех рабочих гироскопов, в связи с исчерпанием резервных гироскопов после следующего отказа телескоп будет переведен в режим работы с одним гироскопом, а второй оставшийся будет переведен в резерв. Это уменьшит точность наведения и может сделать невозможным некоторые виды наблюдений, но позволит максимально продлить работу «Хаббла»<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

8 января 2019 года широкоугольная камера телескопа — Wide Field Camera 3 автоматически отключилась в связи с нештатными уровнями напряжения в цепи питания<ref>Шаблон:Cite web</ref>. В ходе работ по восстановлению функционирования прибора, было установлено, что камера функционирует нормально, а нештатные значения напряжения поступают из-за сбоев в работе контрольно-измерительной аппаратуры. После перезапуска соответствующих блоков проблема была устранена и 17 января функционирование камеры было полностью восстановлено<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Шаблон:Якорь13 июня 2021 года бортовой компьютер полезной нагрузки NSSC-1 (NASA Standard Spacecraft Computer-1), который управляет и координирует работу научных инструментов, перестал отвечать на команды. На следующий день операционная группа не смогла ни перезагрузить компьютер, ни переключиться на резервный модуль памяти. Вечером 17 июня в НАСА потерпели неудачу при повторных попытках перезагрузки и переключения, а далее безуспешно пытались исправить сбой в бортовом компьютере и возобновить научные наблюдения; всё это время телескоп функционировал в безопасном режиме. В НАСА заявили, что сам телескоп и научные инструменты на нём находятся в «хорошем состоянии»<ref>NASA уже неделю бьётся над возвращением в строй космического телескопа «Хаббл» после компьютерного сбоя Шаблон:Wayback [1] Шаблон:Wayback // ixbt.com, 19 июня 2021</ref><ref>НАСА сообщило о безуспешной попытке оживить телескоп Хаббл Шаблон:Wayback // Лента.ру, 21 июня 2021</ref>. 15 июля 2021 года инженеры НАСА успешно переключились на резервное оборудование и ввели в эксплуатацию компьютер полезной нагрузки<ref>Космический телескоп Hubble отремонтирован после месяца простоя Шаблон:Wayback, 17 июля 2021</ref>. Научные наблюдения возобновились во второй половине дня 17 июля 2021 года<ref>Hubble returns to full science observations and releases new images Шаблон:Wayback, July 20, 2021</ref>.

Технические данные

Файл:HubbleExplodedRus.svg
Общий вид телескопа

Параметры орбиты

Космический аппарат

Приборы

Телескоп имеет модульную структуру и содержит пять отсеков для оптических приборов. Один из отсеков в течение долгого времени (1993—2009 годы) занимала корректирующая оптическая система (COSTAR), установленная во время первой экспедиции обслуживания в 1993 году для компенсации неточности изготовления главного зеркала. Поскольку все приборы, установленные после запуска телескопа, имеют встроенные системы коррекции дефекта, во время последней экспедиции стало возможно демонтировать систему COSTAR и использовать отсек для установки ультрафиолетового спектрографаШаблон:Нет АИ.

Хронология установки приборов на борту космического телескопа (вновь установленные приборы выделены цветом)Шаблон:Нет АИ:

Отсек 1 Отсек 2 Отсек 3 Отсек 4 Отсек 5
Запуск телескопа (1990) Широкоугольная и планетарная камера Спектрограф высокого разрешения Годдарда Камера съёмки тусклых объектов Спектрограф тусклых объектов Высокоскоростной фотометр
Первая экспедиция (1993) Шаблон:Да Спектрограф высокого разрешения Годдарда Камера съёмки тусклых объектов Спектрограф тусклых объектов Шаблон:Да
Вторая экспедиция (1997) Широкоугольная и планетарная камера — 2 Шаблон:Да Камера съёмки тусклых объектов Шаблон:Да Система COSTAR
Третья экспедиция (B) (2002) Широкоугольная и планетарная камера — 2 Регистрирующий спектрограф космического телескопа Шаблон:Да Камера и мульти-объектный спектрометр ближнего инфракрасного диапазона Система COSTAR
Четвёртая экспедиция (2009) Шаблон:Да Регистрирующий спектрограф космического телескопа Усовершенствованная обзорная камера Камера и мульти-объектный спектрометр ближнего инфракрасного диапазона Шаблон:Да

Как отмечалось выше, система наведения также используется в научных целяхШаблон:Нет АИ.

См. также

Примечания

Шаблон:Примечания

Литература

Ссылки

Шаблон:Навигация

Шаблон:Placemark (3D-модель — файл KMZ для Google Earth)

Шаблон:Внешние ссылки Шаблон:Европейское космическое агентство Шаблон:Космические телескопы Шаблон:Космический телескоп «Хаббл» Шаблон:К лишению статуса избранной

Источник — https://camokathomelab.servebeer.com/mediawiki/index.php?title=Хаббл_(телескоп)&oldid=21353