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
Вот уже 24 года как на орбите Земли находится космический телескоп Хаббл, благодаря которому ученые сделали множество открытий и помогли нам лучше понять Вселенную. Однако фотографии телескопа Хаббл — это не только подспорье для научных исследователей, но и удовольствие для любителей космоса и его тайн. Нужно признать, что на снимках телескопа Вселенная выглядит потрясающе. Смотрите самые последние фотографии телескопа Хаббл.
12 ФОТО
1. Галактика NGC 4526.
За бездушным именем NGC 4526 скрывается небольшая галактика, расположенная в так называемом скоплении галактик Девы. Имеется в виду созвездие Девы. «Черный пылевой пояс в сочетании с четким свечением галактики создает эффект так называемого ореола в темной пустоте космоса», — так описали этот снимок на сайте Европейского космического агентства (ЕКА). Снимок был сделан 20 октября 2014 года. (Фото: ESA).
2. Большое Магелланово Облако. На снимке видна только часть Большого Магелланова Облака — одной из самых близких галактик к Млечному Пути. Она видна с Земли, но к сожалению, не выглядит столь впечатляюще, как на фотографиях телескопа Хаббл, который «показал людям восхитительные вращающиеся облака газа и сияющие звезды», — пишет ЕКА. Снимок был сделан 13 октября. (Фото: ESA).
3. Галактика NGC 4206. Еще одна галактика из созвездия Девы. Видите на снимке вокруг центральной части галактики много маленьких точек голубого цвета? Это рождаются звёзды. Удивительно, правда? Снимок был сделан 6 октября. (Фото: ESA).
4. Звезда AG Киля. Эта звезда в созвездии Киль находится на конечной стадии эволюции абсолютной яркости. Она в миллионы раз ярче, чем Солнце. Космический телескоп Хаббл сфотографировал ее 29 сентября. (Фото: ESA).
5. Галактика NGC 7793. NGC 7793 — это спиральная галактика в созвездии Скульптора, которая находится от Земли на расстоянии в 13 миллионов световых лет. Снимок был сделан 22 сентября. (Фото: ESA).
6. Галактика NGC 6872. NGC 6872 находится в созвездии Павлина, которое расположено на краю Млечного Пути. Его необычная форма вызвана воздействием на нее меньшей галактики — IC 4970, которая видна на снимке прямо над ней. Эти галактики находится на расстоянии в 300 миллионов световых лет от Земли. Хаббл фотографировал их 15 сентября. (Фото: ESA).
7. Галактическая аномалия IC 55. На этом снимке, сделанном 8 сентября, видна очень необычная галактика IC 55 с аномалиями: ярко-голубыми «всплесками» звёзд и неправильной формой. Она напоминает нежное облако, но на самом деле состоит из газа и пыли, из которой рождаются новые звезды. (Фото: ESA).
8. Галактика PGC 54493. Эта красивая спиральная галактика находится в созвездии Змеи. Она была изучена астрономами в качестве примера слабого гравитационного линзирования — физического явления, связанного с отклонением лучей света в поле тяжести. Фотография сделана 1 сентября. (Фото: ESA).
9. Объект SSTC2D J033038.2 + 303212. Дать такое название объекту — это конечно что-то. За непонятным и длинным числовым названием скрывается так называемый «молодой звездный объект» или, говоря по-простому, рождающаяся звезда. Потрясающе, эта рождающаяся звезда окружена светящимся спиральным облаком содержащим материал, из которого она будет построена. Снимок сделан 25 августа. (Фото: ESA).
10. Несколько красочных галактик различного цвета и формы. Космический телескоп Хаббл сфотографировал их 11 августа. (Фото: ESA).
11. Шаровое звёздное скопление IC 4499. Шаровые скопления состоят из старых звезд, связанных между собой гравитацией, которые перемещаются вокруг своей главной галактики. Такие скопления состоят обычно из большого количества звезд: от ста тысяч до миллиона. Снимок сделан 4 августа. (Фото: ESA).
12. Галактика NGC 3501. Эта тонкая, светящаяся, ускоряющаяся галактика мчится навстречу другой галактике — NGC 3507. Фотография сделана 21 июля. (Фото: ESA).
С удивительными фотографиями, сделанными космическим телескопом Хаббла, можно ознакомиться на сайте Spacetelescope.org.
С самого момента зарождения астрономии, со времен Галилея астрономы преследуют одну общую цель: видеть больше, видеть дальше, видеть глубже. И космический телескоп Хаббл (Hubble Space Telescope), запущенный в 1990 году – огромный шаг в этом направлении. Телескоп находится на земной орбите над атмосферой, которая могла бы искажать и не пропускать излучение, приходящее от космических объектов. Благодаря ее отсутствию астрономы получают с помощью Хаббла снимки высочайшего качества. Переоценить ту роль, которую телескоп сыграл для развития астрономии практически невозможно – «Хаббл» – один из наиболее удачных и долговременных проектов космического агентства NASA. Он послал на Землю сотни тысяч снимков, проливающих свет на многие тайны астрономии. Он помог определить возраст Вселенной, идентифицировать квазары, доказать, что в центре галактик располагаются массивные черные дыры и даже ставить опыты по обнаружению темной материи.
Открытия изменили взгляд астрономов на Вселенную. Возможность видеть в мельчайших деталях помогла превратить некоторые астрономические гипотезы в факты. Было отброшено множество теорий, чтобы идти в одном верном направлении. Среди достижений Хаббла, одно из основных – определение возраста Вселенной, который сегодня ученые оценивают в 13 – 14 млрд. лет. Это, несомненно, точнее предыдущих данных в 10 – 20 млрд. лет. Хаббл сыграл также ключевую роль в обнаружении темной энергии, таинственной силы, которая заставляет Вселенную расширяться со все возрастающей скоростью. Благодаря Хабблу астрономы смогли увидеть галактики на всех стадиях их развития, начиная от формирования, происходившего еще в молодой Вселенной, что помогло ученым понять, как происходило их зарождение. С помощью телескопа были найдены протопланетные диски, скопления газа и пыли вокруг молодых звезд, вокруг которых вскоре (по астрономическим меркам, естественно) появятся новые планетные системы. Он смог найти источники гамма взрывов – странных, неправдоподобно мощных выбросов энергии – в удаленных галактиках во время коллапса сверхмассивных звезд. И это только часть открытий уникального астрономического инструмента, но уже доказывающих, что потраченные на создание, вывод на орбиту и обслуживание $2,5 млрд. являются выгоднейшим вложением средств в масштабе всего человечества.
Космический орбитальный телескоп Хаббл
Хаббл обладает удивительной производительностью. Все астрономическое сообщество пользуется его способностью видеть глубины Вселенной. Каждый астроном может послать запрос на определенное время пользования его услугами, и группа специалистов решает, возможно ли это сделать. После проведения наблюдения проходит, как правило, год, прежде чем астрономическое сообщество получит результаты исследований. Поскольку данные, полученные с помощью телескопа доступны каждому, любой астроном может проводить свои изыскания, согласуя данные с обсерваториями всего мира. Такая политика делает исследования открытыми, а значит более эффективными. Однако уникальные возможности телескопа означают и высочайший уровень спроса на его него – астрономы всего мира борются за право пользоваться услугами Хаббла в свободное от основных миссий время. Каждый год поступает более тысячи заявок, среди которых выбираются лучшие по мнению экспертов, но по статистике удовлетворяются лишь 200 – только пятая часть от общего количества желающих проводят при помощи Хаббла свои исследования.
Для чего же был необходим вывод телескопа в околоземное космическое
пространство, и благодаря чему аппарат пользуется столь высоким спросом
среди ученых-астрономов? Дело в том, что телескоп Хаббла смог решить
сразу две проблемы наземных телескопов. Во-первых, размытие сигнала
земной атмосферы ограничивает возможности наземных телескопов независимо
от их технического совершенства. Благодаря атмосферному размытию мы
видим мигание звезд, когда смотрим на небо. Во-вторых, атмосфера поглощает
излучение с определенной длиной волны, сильнее всего ультрафиолетовое,
рентгеновское и гамма излучение. И это серьезная проблема, поскольку
изучение космических объектов тем эффективнее, чем больший энергетический
диапазон берется.
И именно во избежание негативного влияния атмосферы на качество получаемых
снимков телескоп находится над ней, на расстоянии 569 километров над
поверхностью. При этом один оборот вокруг Земли телескоп совершает за
97 минут, двигаясь со скоростью 8 километров в секунду.
Оптическая система телескопа Хаббла
Телескоп Хаббла представляет собой
системы Ричи-Кретьена, или улучшенный вариант системы Кассегрена, в
котором свет изначально попадает на главное зеркало, отражается и попадает
на вторичное зеркало, фокусирующее свет и направляющее его в систему
научных инструментов телескопа сквозь маленькое отверстие в главном
зеркале. Часто люди ошибочно считают, что телескоп увеличивает изображение.
На самом деле, он лишь собирает максимальное количество света от объекта.
Соответственно, чем больше главное зеркало, тем больше света оно соберет
и тем четче получится изображение. Второе зеркало лишь фокусирует излучение.
Диаметр главного зеркала Хаббла – 2,4 метра. Оно кажется небольшим,
если учесть, что диаметр зеркал наземных телескопов достигают 10 метров
и более, но отсутствие атмосферы, все же, является огромным преимуществом
комического варианта.
Для наблюдения за космическими объектами телескоп располагает рядом
научных инструментов, работающих совместно или по отдельности. Каждый
из них по-своему уникален.
Усовершенствованная обзорная камера (Advanced Camera for Surveys – ACS). Самый новый инструмент наблюдений в видимом диапазоне, предназначен для исследований ранней Вселенной, и установленный в 2002 году. Эта камера помогла составить карту распределения черной материи, обнаружить наиболее удаленные объекты и исследовать эволюцию галактических скоплений.
Камера близкого инфракрасного диапазона и многообъектный спектрометр (Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer – NICMOS). Инфракрасный сенсор, детектирует тепло, когда объекты скрыты межзвездной пылью или газом, как, например, в областях активного звездообразования.
Камера близкого инфракрасного диапазона и многообъектный спектрометр (Space Telescope Imaging Spectrograph – STIS). Действует подобно призме, разлагая свет. Из полученного спектра можно получить информацию о температуре, химическом составе, плотности и движении исследуемых объектов. STIS прекратил работу 3 августа 2004 года из-за технических неисправностей, но в 2008 году во время планового ремонта телескопа будет отремонтирован.
Широкоугольная и планетная камера-2 (Wide Field and Planetary Camera 2 – WFPC2). Универсальный инструмент, при помощи которого было сделано большинство известных каждому фотографий. Благодаря 48 фильтрам позволяет видеть объекты в достаточно широком диапазоне длин волн.
Датчики точного наведения (Fine Guidance Sensors – FGS). Не только
отвечают за управление и ориентацию телескопа в пространстве - ориентируют
телескоп по отношению к звездам и не позволяет сбиться с курса, но и
делают прецизионные измерения расстояний между звездами и фиксирует
относительное движение.
Как и для многих космических аппаратов на орбите Земли, источником энергии
для телескопа Хаббла является солнечное излучение, фиксируемое двумя
двенадцатиметровыми солнечными панелями, и накапливаемое для бесперебойной
работы во время прохода по теневой стороне Земли. Весьма интересна и
конструкция системы наведения
на нужную цель – объект во Вселенной – ведь успешное фотографирование
далекой галактики или квазара на скорости 8 километров в секунду – весьма
сложная задача. Система ориентации телескопа включает в себя следующие
компоненты: уже упоминавшиеся датчики точного наведения, которые отмечают
положение аппарата относительно двух «ведущих» звезд; датчики положения
относительно Солнца – не только вспомогательные инструменты для ориентации
телескопа, но и необходимые инструменты для определения необходимости
закрытия/открытия апертурной двери, предотвращающей «сгорание» аппаратуры
при попадании на нее сфокусированного солнечного света; магнитные датчики,
ориентирующие космический аппарат относительно магнитного поля Земли;
система гироскопов, отслеживающих движение телескопа; и электрооптический
детектор, следящий за положением телескопа относительно выбранной звезды.
Все это обеспечивает не только возможность управления телескопом, «прицеливания»
на нужный космический объект, но и предотвращает поломку ценной аппаратуры,
которую невозможно оперативной заменить на работоспособную.
Однако работа Хаббла была бы бессмысленна без возможности передачи полученных данных для изучения в земных лабораториях. И для решения этой задачи на Хаббл установили четыре антенны, которые и обмениваются информацией с центром управления полетами (Flight Operations Team) Центра Космических Полетов Годдарда (Goddard Space Flight Center) в Гринбелте (Greenbelt). Для связи с телескопом и задания координат используются находящиеся на земной орбите спутники, они же отвечают и за ретрансляцию данных. У Хаббла есть два компьютера и несколько менее сложных подсистем. Один из компьютеров управляет навигацией телескопа, все остальные системы отвечают за работу инструментов и связь со спутниками.
Схема передачи информации с орбиты на землю
Данные от наземной исследовательской группы поступают в Центр Космических Полетов Годдарда, далее в Исследовательский Институт Космической Телескопии (Space Telescope Science Institute), где группа специалистов обрабатываю данные, и записываю их на магнитооптические носители. Каждую неделю телескоп посылает на Землю информацию, способную заполнить более двадцати DVD-дисков, и доступ к этому огромному массиву ценнейшей информации открыт для всех желающих. Основной объем данных хранится в цифровом формате FITS, весьма удобном для анализа, но крайне неподходящем для публикаций в СМИ. Именно поэтому наиболее интересные для широкой общественности снимки публикуются в более распространенных форматах изображений – TIFF и JPEG. Таким образом, телескоп Хаббла стал не просто уникальным научным инструментом, но и одной из немногих возможностей взглянуть на красоты Космоса любому желающему – профессионалу, любителю, и даже незнакомому с астрономией человеку. К некоторому сожалению приходится говорить о том, что доступ астроному-любителю к телескопу сегодня закрыт в связи со снижением финансирования проекта.
Орбитальный телескоп Хаббл
Прошлое телескопа Хаббла не менее интересно его настоящего. Впервые идея создания подобной установки возникла еще в 1923 году у Германа Оберта (Hermann Oberth), основателя ракетной техники Германии. Именно он первым сказал о возможности доставки телескопа на околоземную орбиту при помощи ракеты, хотя даже самих ракет тогда еще не существовало. Эту идею в 1946 году развил в своих публикациях о необходимости создания космической обсерватории американский астрофизик Лиман Спитцер (Lyman Spitzer). Он предсказывал возможность получения уникальных фотографий, которые в наземных условиях сделать просто невозможно. В течение последующих пятидесяти лет астрофизик активно продвигал эту идею вплоть до начала ее реального применения.
Спитцер был лидером в разработке нескольких проектов орбитальных обсерваторий, включая спутник (Copernicus satellite) и Орбитальную Астрономическую Обсерваторию (Orbiting Astronomical Observatory). Благодаря ему проект Большой Космический Телескоп (Large Space Telescope) был одобрен в 1969 году, к сожалению, из-за недостатка финансирования несколько были уменьшены габариты и комплектация телескопа, включая размер зеркал и количество инструментов.
В 1974 году было предложено сделать заменяемые инструменты с разрешением 0,1 угловой секунды и рабочим диапазоном длин волн от ультрафиолетового до видимого и инфракрасного. Шаттл должен был доставить телескоп на орбиту и возвращать его на Землю для проведения обслуживания и ремонта, который был возможен и в космосе.
В 1975 году NASA совместно с Европейским Космическим Агентством (ESA) приступили к работе над телескопом Хаббл. В 1977 Конгрессом было одобрено финансирование телескопа.
После этого решения стал составляться список научных инструментов телескопа, были выбраны пять победителей конкурса на создание аппаратуры. Впереди предстояла огромная работа. Телескоп решили назвать в честь , астронома, показавшего, что небольшие «лоскутки», видимые в телескоп – это удаленные галактики, - и доказавшего, что Вселенная расширяется.
После всевозможных отсрочек запуск был назначен на октябрь 1986 года, но 28 января 1986 года космический шаттл Челленджер (Challenger) взорвался через минуту после старта. Проверка шаттлов продолжалась более двух лет, а значит и запуск на орбиту телескопа Хаббл был перенесен на четыре года. В течение этого времени телескоп усовершенствовался, 24 апреля 1990 года уникальный аппарат поднялся на свою орбиту.
Запуск шаттла с телескопом Хаббла на борту
В декабре 1993 года шаттл Endeavor с экипажем из семи человек был доставлен на орбиту для проведения обслуживания телескопа. Были заменены две камеры, а также солнечные панели. В 1994 году с телескопа были получены первые фотографии, качество которых потрясло астрономов. Хаббл полностью оправдал себя.
Обслуживание, модернизация и замена камер, солнечных батарей, проверка теплозащитной обшивки, а также техническое обслуживание проводились еще трижды: в 1997, 1999 и 2002 годах.
Модернизация телескопа Хаббл, 2002 год
Следующий полет должен был состояться в 2006 году, но 1 февраля 2003
года из-за проблем с обшивкой сгорел в атмосфере при возвращении космический
шаттл Коламбия (Columbia). Как следствие, назрела необходимость в проведении
дополнительных изучений возможности дальнейшего применения Шаттлов которые
завершились только 31 октября 2006 года. Именно это привело к переносу
очередного планового обслуживания телескопа на сентябре 2008 года.
Сегодня телескоп работает в штатном режиме, передавая 120 Гб информации
еженедельно. Также разрабатывается и последователь Хаббла - Космический
Телескоп Уэбба (Webb Space Telescope), который будет исследовать объекты
ранней Вселенной, обладающие большим красным смещением. Он будет находиться
на высоте 1,5 миллиона километров, запуск назначен на 2013 год.
Конечно, Хаббл не вечен. Очередной ремонт назначен на 2008 год, но все же телескоп постепенно изнашивается и становится неработоспособным. Это произойдет приблизительно в 2013 году. Когда это случится, телескоп останется на орбите, пока она не деградирует. Тогда по спирали Хаббл начнет падать на Землю, и либо последует за станцией «Мир», либо будет благополучно доставлен на Землю и станет музейным экспонатом с уникальной историей. Но все же, наследство телескопа Хаббл: его открытия, его пример почти безупречной работы и фотографии, известные каждому – останутся. Можно быть уверенными, что его достижения еще долго будут помогать в раскрытии тайн Вселенной как триумф удивительно богатой жизни телескопа Хаббл.
В конце сентября 2008 года на телескопе им. Хаббла вышел из строя блок, ответственный за передачу информации на Землю. Миссия по ремонту телескопа была перенесена на февраль 2009 года.
Технические характеристики телескопа им. Хаббла:
Запуск: 24 Апреля 1990 12:33 UT
Размеры: 13,1 х 4,3 м
Масса: 11 110 кг
Оптическая схема: Ричи-Кретьена
Виньетирование: 14 %
Поле зрения: 18" (для научных целей), 28" (для гидирования)
Угловое разрешение: 0,1" на длине волны 632,8 нм
Спектральный диапазон: 115 нм - 1 мм
Точность стабилизации: 0,007" за 24 ч
Расчетная орбита КА: высота - 693 км, наклонение - 28,5°
Период вращения вокруг Зесли: между 96 и 97 минутами
Планируемое время функционирования: 20 лет (с обслуживанием)
Стоимость телескопа и КА: 1,5 млрд. долл. (в долл. 1989 г.)
Главное зеркало: Диаметр 2400 мм; Радиус кривизны 11 040 мм; Квадрат
эксцентриситета 1,0022985
Вторичное зеркало: Диаметр 310 мм; Радиус кривизны 1,358 мм; Квадрат
эксцентриситета 1,49686
Расстояния: Между центрами зеркал 4906,071 мм; От вторичного зеркала
до фокуса 6406,200 мм
На орбите Земли есть три объекта, о которых знают даже далекие от астрономии и космонавтики люди: Луна, Международная Космическая Станция и космический телескоп Хаббл. Последний на целых восемь лет старше МКС и застал еще Орбитальную Станцию «Мир». Многие считают его просто большим фотоаппаратом в космосе. Реальность же немного сложнее, не зря ведь люди, работающие с этим уникальным аппаратом с уважением называют его небесной обсерваторией.
Очень много картинок!
История постройки Хаббла - это постоянное преодоление трудностей, борьба за финансирование и поиск решений в непредвиденные ситуации. Роль же Хаббла в науке бесценна. Невозможно составить полный список открытий в астрономии и смежных направлениях, совершенных благодаря снимкам телескопа, настолько много работ ссылаются на полученную им информацию. Тем не менее, официальная статистика говорит о почти 15 тысячах публикаций.
История
Идея разместить телескоп на орбите возникла почти сто лет назад. Научное обоснование важности постройки такого телескопа в виде статьи опубликовал астрофизик Лайман Спитцер в 1946-м году. В 65-м его сделали главой комитета академии наук, которая определила задачи такого проекта.В шестидесятых удалось провести несколько успешных запусков и доставить на орбиту более простые устройства, и в 68-м НАСА дало зеленый свет предтече Хаббла - аппарату LST, Большому Космическому Телескопу, с более крупным диаметром зеркала - 3 метра против хаббловских 2,4 - и амбициозной задаче запустить его уже в 72-м году, с помощью находящегося тогда в разработке космического шаттла. Но расчетная проектная смета вышла слишком дорогой, с деньгами возникали трудности, а в 74-м финансирование и вовсе отменили. Активное лоббирование проекта астрономами, привлечение Европейского Космического Агентства и упрощение характеристик приблизительно до хаббловских позволили в 78-м получить финансирование от Конгресса в размере смешных по итоговым затратам 36-и миллионов долларов, что на сегодняшний день равно примерно 137-и миллионам.
Тогда же будущий телескоп назвали в честь Эдвина Хаббла , астронома и космолога, подтвердившего существование других галактик, создавшего теорию расширения Вселенной и давшего свое имя не только телескопу, но еще научному закону и величине.
Телескоп разрабатывали несколько компаний, отвечающих за разные элементы, из которых самые сложные: оптическая система, которой занималась Перкин-Элмер , и космический аппарат, который создавала Локхид . Бюджет вырос уже до 400 млн долларов.
Локхид затянула создание аппарата на три месяца и превысила свой бюджет на 30%. Если посмотреть на истории строительства похожих по сложности аппаратов, то это нормальная ситуация. У Перкин-Элмер же все было значительно хуже. Компания полировала зеркало по инновационной технологии до конца 81-го года, сильно превысив бюджет и испортив отношения с НАСА. Интересно, что болванку зеркала им сделала компания Корнинг , которая сегодня выпускает стекла Горилла Гласс, активно используемые в телефонах. Кстати, Кодак получил контракт на изготовление запасного зеркала с использованием традиционных методов полировки, если с полировкой основного зеркала возникнут проблемы. Задержки по созданию остальных компонентов тормозили процесс настолько, что стала известной цитата из характеристики НАСА по поводу графиков работ, которые были «неопределенными и изменяющимися ежедневно».
Запуск стал возможен лишь к 86-у году, но из-за катастрофы Челленжера, запуски шаттлов приостановили на время доработок.
Хаббл по частям положили на хранение в специальные продуваемые азотом камеры, что обходилось в шесть миллионов долларов в месяц.
В итоге, 24 апреля 1990-го года, шаттл Дискавери стартовал с телескопом на орбиту. К этому моменту на Хаббл потратили 2,5 миллиарда долларов. Общие затраты на сегодня подбираются к десяти миллиардам.
Со времени запуска произошло несколько драматичных событий с участием Хаббла, но главное произошло в самом начале.
Когда после вывода на орбиту, телескоп начал свою работу, оказалось, что его резкость на порядок ниже расчетной. Вместо десятой доли угловой секунды получалась целая секунда. После нескольких проверок, оказалось, что зеркало телескопа слишком плоское по краям: на целых два микрометра не совпадает с расчетным. Аберрация вследствие этого в буквальном смысле микроскопического дефекта делала большинство планируемых исследований невозможными.
Была собрана комиссия, члены которой нашли причину: невероятно точно рассчитанное зеркало неправильно отшлифовали. Более того, еще до запуска такие же отклонения показывала используемая в тестах пара нуль-корректоров - устройств, которые здесь отвечали за нужную кривизну поверхности. Но тогда этим показаниям не стали доверять, положившись на показания главного нуль-корректора, который показывал правильные результаты и по которому производили шлифовку. И одна из линз которого, как оказалось, была неправильно установлена.
Человеческий фактор.
Установить новое зеркало прямо на орбите было технически невозможно, а спускать телескоп и затем снова выводить - слишком дорого. Решение нашлось изящное.
Да, зеркало было сделано неправильно. Но оно было сделано неправильно с очень высокой точностью. Искажение было известно, и его оставалось лишь компенсировать, для чего разработали специальную систему корректировки COSTAR . Установить ее решили в рамках первой экспедиции по обслуживанию телескопа. Такая экспедиция - это сложная десятидневная операция с выходами астронавтов в открытый космос. Более футуристической работы и представить нельзя, а ведь это всего лишь техобслуживание. Всего экспедиций за время работы телескопа было четыре, с двумя вылетами в рамках третьей.
2 декабря 1993-го года шаттл Индевор, для которого это был пятый полет, доставил астронавтов к телескопу. Те установили Костар и заменили камеру.
Костар скорректировала сферическую аберрацию зеркала, сыграв роль самых дорогостоящих очков в истории. Система оптической коррекции выполняла свою задачу до 2009-го года, когда нужда в ней отпала в связи с использованием во всех новых приборах собственной корректирующей оптики. Она уступила драгоценное место в телескопе спектрографу и заняла почетное место в Национальном музее воздухоплавания и астронавтики, после демонтажа в рамках четвертой экспедиции по обслуживанию Хаббла в 2009-м году.
Управление
Управляется и контролируется телескоп в реальном времени 24/7 из центра управления в городе Гринбелт в штате Мэриленд. Задачи центра делятся на два вида: технические (обслуживание, управление и мониторинг состояния) и научные (выбор объектов, подготовка задач и непосредственно сбор данных). Еженедельно Хаббл получает с Земли более 100 000 разных команд: это корректирующие орбиту инструкции, и задания на съемку космических объектов.В ЦУПе сутки разбиты на три смены за каждой из которых закреплена отдельная команда из трех-пяти человек. Во время экспедиций к самому телескопу штат работников увеличивается до нескольких десятков.
Кстати, существует отдельный сайт, разработанный Крисом Питом, где можно отследить положение небесной обсерватории. Там же есть данные и по другим искусственным орбитальным объектам:
www.heavens-above.com
Хаббл - телескоп занятой, но даже его плотный график позволяет помочь совершенно любому, даже непрофессиональному, астроному. Ежегодно в поступает по тысяче заявок на бронирование времени от астрономов из разных стран. Около 20% заявок получают одобрение экспертной комиссии и, по данным НАСА, благодаря международным запросам проводится плюс-минус 20 тысяч наблюдений ежегодно. Все эти заявки стыкуются, программируются и отправляются Хабблу из все того же центра в Мэриленде.
Оптика
Актуальный набор инструментов:
NICMOS
Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer
Камера и мультиобъектный спектрометр ближнего инфракрасного диапазона
ACS
Advanced Camera для Surveys
Усовершенствованная обзорная камера
WFC3
Wide Field Camera 3
Широкоугольная камера 3
COS
Cosmic Origins Spectrograph
Ультрафиолетовый спектрограф
STIS
Space Telescope Imaging Spectrograph
Регистрирующий спектрограф космического телескопа
FGS
Fine Guidance Sensor
Система наведения
Основная оптика Хаббла сделана по системе Ричи-Кретьена . Она состоит из круглого, гиперболически изогнутого, зеркала диаметром 2,4 м с отверстием в центре. Это зеркало отражает на вторичное зеркало тоже гиперболической формы, которое отражает в центральное отверстие первичного пригодный к оцифровке пучок. Для отсеивания лишних частей спектра и выделения нужных диапазонов используются всевозможные фильтры.
В таких телескопах используют именно систему зеркал, а не линз, как в фотокамерах. Тому много причин: перепады температур, допуски полировки, общие размеры и отсутствие потерь пучка внутри самой линзы.
Основная оптика на Хаббле не менялась с самого начала. А набор разнообразных инструментов, ее использующих, полностью сменили за несколько обслуживающих экспедиций. Хабблу обновляли инструментарий, и за время его существования там работало тринадцать разных инструментов. Сегодня он несет шесть, один из которых в гибернации.
За фотографии в оптическом диапазоне отвечали Широкоугольные и планетарные камеры первого и второго поколения, и Широкоугольная камера третьего сейчас.
Потенциал первой WFPC так и не был раскрыт из-за проблем с зеркалом. А экспедиция 93-го года, установив Костар, заодно и заменила ее на вторую версию.
У камеры WFPC2 было четыре квадратных матрицы, изображения с которых формировали большой квадрат. Почти. Одна матрица - как раз-таки «планетарная» - получала изображение с бо́льшим увеличением, и при восстановлении масштаба эта часть изображения захватывает меньше шестнадцатой части общего квадрата вместо четверти, но в более высоком разрешении. Остальные три матрицы отвечали за «широкоугольность». Именно поэтому полные снимки камеры выглядят как квадрат, у которого отъели 3 блока с одного угла, а не из-за проблем с загрузкой файлов или других неполадок.
WFPC2 заменили на WFC3 в 2009-м. Разницу между ними хорошо иллюстрируют переснятые Столпы Творения, о которых позже.
Кроме оптического и ближнего инфракрасного диапазона широкоугольной камерой, Хаббл видит:
- с помощью спектрографа STIS в ближнем и дальнем ультрафиолете, а также от видимого до ближнего ифракрасного;
- там же с помощью одного из каналов ACS , другие каналы которой перекрывают огромный диапазон частот от инфракрасной до ультрафиолетовой области;
- слабые точечные источники в ультрафиолетовом диапазоне спектрографом COS .
Снимки
Снимки Хаббла - это не совсем фотографии в привычном понимании. Очень много информации недоступно в оптическом диапазоне. Многие космические объекты активно излучают в других диапазонах. Хаббл оборудован множеством устройств с разнообразными фильтрами, что позволяют уловить данные, которые позже астрономы обрабатывают и могут свести в наглядное изображение. Богатство цветов обеспечивают разные диапазоны излучения звезд и ионизированных ими частиц, а также их отраженный свет.Фотографий очень много, расскажу лишь о нескольких, самых захватывающих. Все фотографии имеют свой ID, по которому легко находятся на сайте Хаббла spacetelescope.org или прямо в Гугле. Многие снимки лежат на сайте в высоком разрешении, здесь же я оставляю screensize-версии.
Свой самый знаменитый кадр Хаббл сделал первого апреля 95-го года, не отвлекаясь от умной работы в день дурака. Это Столпы Творения, названные так потому, что из этих скоплений газа формируются звезды, и потому, что напоминают формой. На снимке - небольшой кусочек центральной части туманности Орел. Туманность эта интересная тем, что крупные звезды в ее центре частично ее же развеяли, да еще и как раз со стороны Земли. Такая удача позволяет посмотреть в самый центр туманности и, например, сделать знаменитый выразительный снимок.
Другие телескопы тоже снимали этот регион в разных диапазонах, но в оптическом Столпы выходят выразительнее всего: ионизированный теми самыми звездами, что развеяли часть туманности, газ светится синим, зеленым и красным цветами, создавая красивые переливы.
В 2014-м году Столпы пересняли обновленным оборудованием Хаббла: первую версию снимала камера WFPC2, а вторую - WFC3.
Роза, сделанная из галактик
ID: heic1107a
Объект Арп 273 - красивый пример коммуникации между галактиками, оказавшимися близко друг к другу. Ассиметричная форма верхней - это следствие так называемых приливных взаимодействий с нижней. Вместе они образуют грандиозный цветок, подаренный человечеству в 2011-м году.
Магическая галактика Сомбреро
ID: opo0328a
Мессье 104 - величественная галактика, которую как будто придумали и нарисовали в Голливуде. Но нет, прекрасная сто-четвертая находится на южной окраине созвездия Девы. И она настолько яркая, что видна даже в домашние телескопы. Хабблу эта красавица позировала в 2004-м году.
Новый вид туманности Конской головы в инфракрасном спектре - изображение на 23-ю годовщину Хаббла
ID: heic1307a 
В 2013-м году Хаббл переснял Барнард 33 в инфракрасном спектре. И мрачная туманность Конская Голова в созвездии Ориона, почти непрозрачная и черная в видимом диапазоне, предстала в новом свете. То есть, диапазоне.
До этого Хаббл уже фотографировал ее в 2001-м:
Хаббл запечатлел звездообразовательный регион S106
ID: heic1118a
S106 - звездообразовательная область в созвездии Лебедя. Красивая структура обусловлена выбросами молодой звезды, что окутана пылью в форме пончика в центре. Эта пылевая завеса имеет бреши сверху и снизу, через которые вещество звезды вырывается активнее, образуя форму, напоминающую известную оптическую иллюзию . Снимок сделан в конце 2011-го года.
Кассиопея А: красочные последствия смерти звезды
ID: heic0609a
Вы, вероятно слышали о взрывах Сверхновых звезд. А этот снимок наглядно показывает один из сценариев дальнейшей судьбы таких объектов.
На фото 2006-го года - последствия взрыва звезды Кассиопеи А, что случилось прямо в нашей галактике. Прекрасно видна волна разлетающегося из эпицентра вещества, со сложной и детальной структурой.
Изображение Хаббла Arp 142
ID: heic1311a
И снова снимок, демонстрирующий последствия взаимодействия двух галактик, оказавшихся близко одна к другой во время своего Вселенского пути.
NGC 2936 и 2937 столкнулись и повлияли друг на друга. Это уже само по себе интересное событие, но в этом случае добавился еще один аспект: нынешняя форма галактик напоминает пингвина с яйцом, что работает как большой плюс для популярности этих галактик.
В милой картинке 2013-го года можно увидеть следы случившегося столкновения: например, глаз пингвина сформирован, по большей части, телами из галактики-яйца.
Зная возраст обеих галактик, можно наконец-то ответить, что же было раньше: яйцо или пингвин.
Бабочка, появляющаяся из остатков звезды в планетарной туманности NGC 6302
ID: heic0910h
Иногда раскаленные до 20 тысяч градусов потоки газа, летящие со скоростью почти в миллион км/ч выглядят как крылышки хрупкой бабочки, нужно лишь найти правильный ракурс. Хабблу не пришлось искать, туманность NGC 6302 - ее еще называют туманностью Бабочка или Жук - сама повернулась к нам подходящей стороной.
Создает эти крылья умирающая звезда нашей галактики в созвездии Скопиона. Форму крыльев потоки газа получают снова из-за кольца пыли вокруг звезды. Эта же пыль закрывает саму звезду от нас. Возможно, кольцо было сформировано потерей вещества звездой вдоль экватора на относ ительно низкой скорости, а крылья - более быстрой потерей от полюсов.
Фотография сделана в 2009-м году.
Deep Field
Есть несколько снимков Хаббла, в названии которых имеется Deep Field . Это кадры с огромным многодневным временем экспозиции, демонстрирующие маленький кусочек звездного неба. Чтобы их снять, пришлось очень тщательно выбирать подходящий для такого экспонирования участок. Его не должны были перекрывать Земля и Луна, поблизости не должно было быть ярких объектов и так далее. В итоге Дип Филд стали очень полезными для астрономов кадрами, по которым можно изучать процессы формирования вселенной.Самый последний такой кадр - Hubble Extreme Deep Field 2012-го года - достаточно скучный на обывательский взгляд - это беспрецедентная съемка с выдержкой в два миллиона секунд (~23 дня), показавшая 5,5 тысяч галактик, самые тусклые из которых имеют яркость в десять миллиардов меньше чувствительности человеческого зрения.
Из своего земного дома мы вглядываемся вдаль, стремясь представить себе устройство мира, в котором родились. Ныне мы глубоко проникли в пространство. Близкие окрестности мы знаем уже довольно хорошо. Но по мере продвижения вперёд наши познания становятся всё менее полными, пока мы не подходим к неясному горизонту, где в тумане ошибок ищем едва ли более реальные ориентиры. Поиски будут продолжаться. Стремление к знаниям древнее истории. Оно не удовлетворено, его нельзя остановить.
Эдвин Пауэлл Хаббл
На заре ХХ века теоретики космонавтики мечтали о том, что когда-нибудь человечество научится запускать в космос телескопы. Земная оптика в то время была несовершенна, астрономическим наблюдениям часто мешала плохая погода и «засветка» неба, поэтому казалось разумным отправить телескоп за пределы атмосферы, чтобы изучать планеты и звёзды без помех. Но даже фантасты не смогли бы в то время предсказать, сколько удивительных и неожиданных открытий принесут орбитальные телескопы.
СЧАСТЛИВЫЙ БРАК
Самым известным орбитальным телескопом является «Хаббл» (Hubble Space Telescope, HST), названный в честь знаменитого американского астронома Эдвина Пауэлла Хаббла, доказавшего, что галактики являются звёздными системами, и открывшего их разбегание.
Телескоп «Хаббл» входит в четвёрку Больших обсерваторий NASA. Имея главное зеркало диаметром 2,4 метра, он долгое время оставался самым большим оптическим инструментом на орбите, пока в 2009 году Европейское космическое агентство не запустило туда инфракрасный телескоп «Гершель» с диаметром зеркала 3,5 метра. На Земле такого размера инструменты не могут полностью реализовать свою разрешающую способность: дрожание атмосферы размывает изображение.
Проект мог провалиться, если бы телескоп изначально не был рассчитан на обслуживание астронавтами. Фирма «Кодак» быстро изготовила второе зеркало, однако заменить его в космосе было невозможно, и тогда специалисты предложили создать космические «очки» - систему оптической коррекции COSTAR из двух особых зеркал. Чтобы установить систему на «Хаббл», 2 декабря 1993 года на орбиту отправился шаттл Endeavour. Астронавты совершили пять сложнейших выходов в открытый космос и вернули дорогостоящий телескоп к жизни.
Позднее астронавты NASA летали к «Хабблу» ещё четыре раза, значительно продлив срок его эксплуатации. Очередная экспедиция была назначена на февраль 2005 года, но в марте 2003-го, после катастрофы шаттла Columbia, она была отложена на неопределённый срок, что поставило под угрозу дальнейшую работу телескопа.
Под давлением общественности в июле 2004 года комиссия Академии наук США постановила сохранить телескоп. Через два года новый директор NASA Майкл Гриффин объявил о подготовке последней экспедиции по ремонту и модернизации телескопа. Предполагается, что после этого «Хаббл» проработает на орбите до 2014 года, после чего его сменит более совершенный телескоп «Джеймс Вебб».
«Хаббл» был доставлен на орбиту 24 апреля 1990 года в грузовом отсеке шаттла Discovery. По иронии судьбы «Хаббл», начав работу в космосе, дал изображение хуже, чем такой же по размерам наземный телескоп. Причиной была ошибка при изготовлении главного зеркала
РАБОТА С «ХАББЛОМ»
С «Хабблом» может поработать любой человек, имеющий диплом астронома. Однако придётся подождать в очереди. Конкуренция за время наблюдений высока: обычно запрошенное время в шесть, а иногда в девять раз превышает реально доступное.
В течение нескольких лет часть времени из резерва выделялась астрономам-любителям. Их заявки рассматривались специальным комитетом. Основным требованием к заявке была оригинальность темы. В период между 1990 и 1997 годом было произведено 13 наблюдений по программам, предложенным астрономами-любителями. Затем из-за недостатка времени эту практику прекратили.
Открытия, сделанные с помощью «Хаббла», трудно переоценить: первые изображения астероида Церера, карликовой планеты Эрида, далёкого Плутона. В 1994 году «Хаббл» предоставил высококачественные снимки столкновения кометы Шумейкеров-Леви-9 с Юпитером. «Хаббл» отыскал множество протопланетных дисков вокруг звёзд в Туманности Ориона - таким образом астрономы смогли доказать, что процесс формирования планет происходит у большинства звёзд нашей галактики. По результатам наблюдений квазаров была построена космологическая модель Вселенной - оказалось, что наш мир расширяется с ускорением и заполнен загадочной тёмной материей. Кроме того, наблюдения «Хаббла» позволили уточнить возраст Вселенной - 13,7 миллиарда лет.
За 15 лет работы на околоземной орбите «Хаббл» получил 700 тысяч изображений 22 тысяч небесных объектов: планет, звёзд, туманностей и галактик. Поток данных, которые он ежедневно генерирует в процессе наблюдений, составляет 15 гигабайт. Общий их объём уже превысил 20 терабайт.
В этой подборке мы представляем наиболее интересные из снимков, сделанных «Хабблом». Тема - туманности и галактики. Ведь «Хаббл» прежде всего создавался для на- блюдения за ними. В следующих статьях «МФ» обратится к снимкам других космических объектов.
ТУМАННОСТЬ АНДРОМЕДЫ
Туманность Андромеды, получившая в каталоге Мессье обозначение М31, хорошо известна любителям как астрономии, так и научной фантастики. И все они знают, что это вовсе не туманность, а ближайшая к нам галактика. Благодаря наблюдениям за ней Эдвин Хаббл сумел доказать, что многие из туманностей являются звёздными системами, подобными нашему Млечному Пути.
Как следует из названия, туманность расположена в созвездии Андромеды и находится от нас на расстоянии 2,52 миллиона световых лет. В 1885 году в галактике вспыхнула сверхновая SN 1885A. За всю историю наблюдений это пока единственное подобное событие, зарегистрированное в М31.
В 1912 году было установлено, что Туманность Андромеды приближается к нашей галактике со скоростью 300 км/с. Столкновение двух галактических систем произойдёт приблизительно через 3-4 миллиарда лет. Когда это произойдёт, они сольются в одну большую галактику, которую астрономы называют Млечномедой. Возможен вариант, что при этом наша Солнечная система будет выброшена в межгалактическое пространство мощными гравитационными возмущениями
КРАБОВИДНАЯ ТУМАННОСТЬ
Крабовидная туманность - одна из самых знаменитых газовых туманностей. Она занесена в каталог французского астронома Шарля Мессье под номером один (М1). Сама идея создать каталог космических туманностей пришла к Мессье после того, как, наблюдая небо 12 сентября 1758 года, он принял Крабовидную туманность за новую комету. Чтобы избежать таких ошибок в будущем, француз и взялся регистрировать подобные объекты.
Крабовидная Туманность находится в созвездии Тельца, на расстоянии 6,5 тысяч световых лет от Земли, и представляет собой остатки от взрыва сверхновой. Сам взрыв наблюдали арабские и китайские астрономы 4 июля 1054 года. Согласно сохранившимся записям, вспышка оказалась настолько яркой, что была видна даже днём. С тех пор туманность расширяется с чудовищной скоростью - около 1000 км/с. Её протяжённость сегодня составляет более десяти световых лет. В центре туманности находится пульсар PSR B0531+21 - десятикилометровая нейтронная звезда, оставшаяся после взрыва сверхновой. Свое название Крабовидная туманность получила от рисунка астронома Уильяма Парсонса, сделанного в 1844 году, - в этом наброске она очень напоминала краба
У орбитальной астрономии есть своя история. К примеру, во время полного солнечного затмения 19 июня 1936 года московский астроном Пётр Куликовский совершил подъём на субстратостате для фотографирования короны и ореола Солнца. В 1950-х годах француз Одуен Дольфюс предпринял серию стратосферных полётов в специально сконструированной для этой цели гермокабине, поднимаемой гирляндой из 104-х небольших воздушных шаров, привязанных к 450-метровому тросу. Кабина была снабжена 30-сантиметровым телескопом, и с его помощью снимались спектры планет. Развитием этих экспериментов стала беспилотная гондола «Астролаб», с которой французы выполнили серию стратосферных наблюдений, - её система ориентации и стабилизации уже создавалась на основе космических технологий.
Для американских астрономов первым шагом к орбитальным телескопам стала программа «Стратоскоп», которой руководил известный астрофизик Мартин Шварцшильд. С 1955 года начались полёты «Стратоскопа-1» с солнечным телескопом, а 1 марта 1963 года свой первый ночной полёт совершил «Стратоскоп-2», оснащённый высококачественным рефлектором системы Кассегрена - с его помощью были получены инфракрасные спектры планет и звёзд. Последний и наиболее удачный полёт состоялся в марте 1970 года. За девять часов наблюдения были получены снимки планет-гигантов и ядра галактики NGC 4151. Полётом управляла группа во главе с сотрудником Принстонского университета Робертом Даниельсоном, который позднее вошёл в группу проектантов телескопа «Хаббл».
СТОЛПЫ ТВОРЕНИЯ
Столпы Творения - фрагменты газопылевой туманности Орла (М16), которую можно разглядеть в созвездии Змеи. «Хаббл» снял их в апреле 1995 года, и этот снимок стал одним из самых популярных в коллекции NASA. Первоначально считалось, что в Столпах Творения рождаются новые звёзды - отсюда и название. Однако более поздние исследования показали обратное - как раз там материала для образования звёзд недостаточно. Пик рождения светил в туманности Орла завершился уже миллион лет назад, и первые молодые и горячие солнца своим излучением успели разогнать газ в центре
Столпы Творения являются частью нашей галактики, но отстоят на 7 тысяч световых лет. Они колоссальны (высота левого - треть парсека), но весьма неустойчивы. Недавно астрономы обнаружили, что около 9 тысяч лет назад рядом с ними взорвалась сверхновая. Ударная волна достигла Столпов 6 тысяч лет на- зад и уже уничтожила их, но с учетом удалённости земляне ещё нескоро смогут наблюдать разрушение одного из самых необычных и красивых космических объектов.
ИНКУБАТОР МИРОВ
Если в туманности Орла процесс рождения новых звёзд завершился, то в созвездии Ориона пока ещё нет. Газопылевая туманность Ориона (М42) находится в том же спиральном рукаве галактики, что и Солнце, но на расстоянии 1300 световых лет от нас. Это ярчайшая туманность ночного неба, она хорошо различима невооружённым глазом. Размеры туманности велики - её протяжённость составляет 33 световых года. Там находится около тысячи светил в возрасте менее миллиона лет (по космическим меркам, это младенцы) и десятки тысяч звёзд, которым чуть больше десяти миллионов лет. Благодаря «Хабблу» удалось разглядеть протопланетные диски рядом с юными звёздами, причём на разных стадиях формирования. Наблюдая за туманностью, астрономы могут наконец составить ясное представление о том, как рождаются планетные системы. Однако происходящие в туманности Ориона процессы настолько активны, что уже через 100 тысяч лет она распадётся и прекратит существование, оставив после себя скопление звёзд с планетами.
БУДУЩЕЕ СОЛНЦА
В космосе можно увидеть не только рождение миров, но и их смерть. На снимке «Хаббла», полученном в 2001 году, запечатлена Муравьиная туманность, которая известна астрономам под обозначением Mz3 (Menzel 3). Туманность расположена в нашей галактике на расстоянии 3 тысяч световых лет от Земли и образовалась в результате выбросов газа из звезды, похожей на наше Солнце. Её протяжённость более светового года.
Муравьиная туманность озадачила астрономов. Пока они не могут ответить на вопрос, почему вещество умирающей звезды разлетается не в виде расширяющейся сферы, а в виде двух независимых выбросов, придающих туманности вид муравья, - это плохо согласуется с существующей теорией эволюции звёзд. Одно из возможных объяснений: у затухающей звезды есть очень близкая звезда-компаньон, сильные гравитационные приливные силы которой оказыва- ют влияние на формирование потоков газа. Другое объяснение: при вращении затухающей звезды её магнитное поле приобретает сложную закручивающуюся структуру, влияя на заряженные частицы, разлетающиеся в пространстве со скоростью до 1000 км/с. Так или иначе, но пристальное наблюдение за Муравьиной туманностью поможет нам увидеть возможное будущее нашего родного светила.
СМЕРТЬ МИРА
Звёзды, превышающие по массе Солнце, обычно заканчивают свою жизнь превращением в сверхновую. «Хабблу» удалось запечатлеть несколько таких вспышек, но, пожалуй, самым эффектным выглядит снимок сверхновой 1994D, которая взорвалась на окраинах диска галактики NGC 4526 (видна на фотографии как яркое пятно внизу слева). Сверхновая 1994D не была чем-то особенным - наоборот, она интересна как раз тем, что очень похожа на другие. Имея представление о сверхновых, астрономы по блеску 1994D могут определить расстояние до неё и уточнить, как расширяется Вселенная. Сам снимок наглядно демонстрирует масштабы явления - по своей светимости сверхновая сопоставима со светимостью целой галактики.
ПОЖИРАТЕЛЬ ГАЛАКТИК
В космосе существуют не только звёзды, туманности и галактики, но и чёрные дыры. Чёрная дыра - это область в пространстве, гравитационное притяжение в которой настолько велико, что её не может покинуть даже свет. Счи- тается, что можно встретить несколько типов чёрных дыр: возникших в момент Большого взрыва, зародившихся в результате коллапса массивной звезды и сформировавшихся в центрах галактик. Астрономы говорят, что огромные чёрные дыры есть в центре любой спиральной и эллиптической галактики. Но как увидеть то, из чего не способен вырваться даже свет? Оказывается, обнаружить чёрную дыру можно по её взаимодействию с пространством.
На снимке «Хаббла», полученном в 2000 году, запечатлён центр эллиптической галактики М87 - крупнейшей в скоплении созвездия Девы. Она находится от нас на расстоянии 50 миллионов световых лет и является источником мощнейшего радио- и гамма-излучения. Ещё в 1918 году было установлено, что из центра галактики бьёт струя раскалённых газов, скорость внутри которой близка к световой. Протяжённость струи - 5 тысяч световых лет! Изучение галактики М87 показало: феноменальную плотность вещества в её центре и чудовищную струю можно объяснить, только если предположить, что там находится гигантская чёрная дыра, масса которой в 6,4 миллиарда раз больше солнечной. Наличие этого «пожирателя» галактик и периодические выбросы вещества из области рядом с ним препятствуют рождению новых звёзд. Астрономы уверены: если бы в центре М87 находилась обычная чёрная дыра, то галактика имела бы спиральный вид, а по яркости в 30 раз превосходила бы нашу.
ЮНОСТЬ ВСЕЛЕННОЙ
Орбитальный телескоп «Хаббл» может служить не только оптическим инструментом, но и настоящей «машиной времени» - например, с его помощью можно разглядеть объекты, появившиеся практически сразу после Большого взрыва. В 2004 году «Хаббл» посредством новой чувствительной камеры сумел сфотографировать скопление из 10 тысяч самых удалённых и, соответственно, самых древних галактик. Эти галактики находятся от нас на рекордном расстоянии - 13,1 миллиарда световых лет. Если наша Вселенная родилась 13,7 миллиарда лет назад, то получается, что обнаруженные галактики появились всего-то спустя 650-700 миллионов лет после Большого взрыва. Разумеется, мы видим не сами эти галактики, а лишь их свет, который наконец-то добрался до Земли
Таким образом, на фотографии отображены события, которые происходили в первый миллиард лет жизни нашей Вселенной. По оценкам учёных, на том этапе эволюции она была на порядок меньше своих сегодняшних размеров, а находившиеся в ней объекты располагались ближе друг к другу. Некоторые из сфотографированных галактик напрочь лишены чёткой внутренней структуры, присущей нашей галактике. Другие - явно переживают период столкновения, когда чудовищные гравитационные силы придают им необычную форму.
Регион древнейших галактик астрономы условно называют Ultra Deep Field. Он находится чуть ниже созвездия Ориона.
ТУМАННОСТЬ КОНСКАЯ ГОЛОВА
Туманность Конская Голова (или Barnard 33) находится в созвездии Ориона на расстоянии около 1600 световых лет от Земли. Её линейный размер - 3,5 световых года. Она - часть огромного газопылевого комплекса, названного Облаком Ориона. Эта туманность известна даже людям, далёким от астрономии, ведь она и впрямь похожа на конскую голову. Красное свечение голове придает ионизация водорода, находящегося за туманностью, под действием излучения от ближайшей яркой звезды - Альнитак. Истекающий из туманности газ движется в сильном магнитном поле. Яркие пятна в основании туманности Конская Голова - это молодые звёзды, находящиеся в процессе формирования. Благодаря своей необычной форме туманность привлекает внимание: её часто рисуют и фотографируют. Наверное, именно поэтому снимок Конской Головы, сделанный «Хабблом», был признан лучшим по итогам голосования пользователей интернета.
ГАЛАКТИКА СОМБРЕРО
Сомбреро (М104) - это спиральная галактика в созвездии Девы, которая находится на расстоянии 28 миллионов световых лет от нас. Диаметр галактики - 50 тысяч световых лет. Свое название она получила благодаря выступающей центральной части (балджу) и ребру из тёмного вещества (не путать с тёмной материей!), придающим галактике сходство с мексиканской шляпой. Центральная часть галактики излучает во всех диапазонах электромагнитного спектра. Как установили учёные, там находится гигантская чёрная дыра, масса которой в миллиард раз превосходит солнечную. Пылевые кольца M104 содержат большое количество молодых ярких звёзд и обладают крайне сложной структурой, которая пока не поддаётся объяснению.
Снимок галактики Сомбреро был признан лучшим снимком «Хаббла» по мнению астрономов, опрошенных корреспондентами британской газеты Daily Mail. Наверное, своим выбором астрономы хотели сказать, что познание Вселенной не сводится к кропотливому изучению тысяч фотографий звёздного неба, к построению графиков и к бесконечным вычислениям. Познавая Вселенную, мы ещё и наслаждаемся её фантастической красотой. И в этом нам помогает уникальное творение человеческих рук - орбитальный телескоп «Хаббл».
Эдвин Пауэлл Хаббл - выдающийся американский астроном ХХ века. Родился 20 ноября 1889 года в Маршфилде (штат Миссури). Умер 28 сентября 1953 года в Сан-Марино (штат Калифорния). Основные труды Хаббла посвящены изучению галактик.
- В 1922 году Хаббл предложил разделить наблюдаемые туманности на внегалактические (галактики) и галактические (газопылевые).
- В 1923 году учёный ввёл классификацию внегалактических туманностей, разделив их на эллиптические, спиральные и иррегулярные.
- В 1924-м астроном выявил на фотографиях некоторых ближайших галактик звёзды, из которых они состоят, чем доказал: галактики представляют собой звёздные системы, подобные Млечному Пути.
- В 1929 году Хаббл обнаружил зависимость между красным смещением в спектре галактик и расстоянием до них (закон Хаббла). Он вычислил коэффициент, связывающий расстояние до галактики со скоростью её удаления (постоянная Хаббла). Разбегание галактик стало прямым доказательством того, что Вселенная возникла в результате Большого взрыва и продолжает быстро расширяться.