Телескоп Hubble работает в космосе, чтобы наблюдать выше искажающей и поглощающей атмосферы Земли. На орбите звёздный свет не дрожит из-за турбулентности, ультрафиолет доступен детекторам, а изображение остаётся очень стабильным. Hubble не обязательно крупнее наземного телескопа: его главное зеркало имеет диаметр 2,4 метра. Преимущество создают положение, точная оптика и обслуживаемая научная платформа.
Что атмосфера делает со светом
Слои воздуха с разной температурой постоянно движутся и по-разному преломляют лучи. Звезда мерцает, а её изображение быстро меняет форму. Длительная экспозиция усредняет эти колебания в пятно. Высокогорная обсерватория уменьшает путь через воздух, а адаптивная оптика исправляет часть искажений, но не устраняет атмосферу целиком.
Газы также поглощают диапазоны излучения. Это защищает жизнь от опасного ультрафиолета и рентгеновских лучей, но закрывает их для наземного прибора. Космический телескоп может изучать ультрафиолет и получать стабильные данные от видимого до ближнего инфракрасного диапазона.
Как родилась идея орбитальной обсерватории
После Второй мировой войны астроном Лайман Спитцер подробно обосновал преимущества большого телескопа вне атмосферы. Ракеты уже поднимали небольшие инструменты, а серия орбитальных астрономических обсерваторий NASA показала, что сложные наблюдения в космосе возможны.
Проект будущего большого космического телескопа развивался десятилетиями. Он требовал сотрудничества NASA и ESA, точного зеркала, приборов, системы наведения, наземного управления и способа обслуживания. Название Hubble телескоп получил в честь Эдвина Хаббла.
Как Hubble удерживает далёкий объект
Обсерватория движется по низкой околоземной орбите примерно раз в полтора часа. Гироскопы измеряют вращение, реакционные колёса поворачивают аппарат без постоянного расхода топлива, а датчики точного наведения фиксируются на опорных звёздах. Система должна удерживать цель с чрезвычайно малым дрожанием во время экспозиции.
Положение в космосе не означает неподвижность. Hubble проходит из солнечного света в тень, нагревается и охлаждается, испытывает микровибрации приборов. Инженеры планируют наблюдения с учётом Земли, Солнца, Луны и зон повышенной радиации.
Почему первые снимки оказались размытыми
После запуска шаттлом Discovery 24 апреля 1990 года выяснилось, что главное зеркало имеет сферическую аберрацию. Край был отполирован примерно на 2,2 микрометра не по требуемой форме. Ошибка очень мала для обычной детали, но огромна по меркам точного волнового фронта.
Причиной стала неверная настройка измерительного прибора при изготовлении. Проверки содержали признаки расхождения, но процесс не остановили. Телескоп видел, однако свет распределялся в ореол, ухудшая контраст и резкость слабых объектов.
Как астронавты исправили зрение телескопа
Hubble проектировали с заменяемыми блоками. Во время первой сервисной миссии в декабре 1993 года астронавты установили прибор COSTAR с корректирующей оптикой и новую Wide Field and Planetary Camera 2, имевшую встроенную компенсацию. Это было похоже на точно рассчитанные «очки», исправляющие известную форму ошибки.
После миссии телескоп получил резкие изображения. Последующие приборы тоже учитывали аберрацию собственными оптическими элементами. Ошибка не исчезла из главного зеркала, но система компенсировала её до научно полезного результата.
Зачем понадобились ещё сервисные полёты
Пять миссий шаттлов заменяли камеры, спектрографы, гироскопы, солнечные батареи, компьютеры и другие узлы. Обсерватория не была одноразовой коробкой. Модульность позволила устанавливать детекторы, которых не существовало при первоначальном проектировании, и продлить научную жизнь на десятилетия.
Обслуживание было рискованным и дорогим, а после завершения программы Space Shuttle такой возможности нет. Опыт Hubble показал достоинство доступной орбиты, но будущая обсерватория Webb выбрала другое место и конструкцию, которые не рассчитаны на обычную миссию шаттла.
Чем Hubble изменил астрономию
Телескоп измерял расширение Вселенной, исследовал далёкие галактики, звёздообразование, атмосферы экзопланет и объекты Солнечной системы. Deep Field и последующие глубокие поля показали тысячи галактик в участке неба, который кажется пустым.
Научная сила заключается не только в красивых снимках. Спектрографы анализируют состав и движение, серии наблюдений отслеживают изменения, а архив позволяет использовать данные для новых вопросов. Время телескопа распределяется по научным заявкам, проходящим экспертный отбор.
Ещё одно преимущество – повторяемая точечная функция рассеяния. Наземная атмосфера меняется от кадра к кадру, а стабильность Hubble облегчает сравнение яркости и формы слабых объектов. Это особенно важно при поиске небольших изменений, гравитационном линзировании и измерении далёких сверхновых.
Как данные возвращаются на Землю
Hubble записывает наблюдения в бортовую память и передаёт их через спутниковую систему связи. Наземный комплекс проверяет телеметрию, выполняет первичную калибровку и помещает файлы в архив. Изображение, которое видит публика, проходит путь от электрического заряда детектора до научно документированного продукта.
Телескоп не выбирает объекты самостоятельно. Институт космического телескопа составляет расписание из одобренных программ, учитывая положение цели, освещение, работу приборов и необходимость калибровок. Поэтому орбитальная обсерватория является распределённой системой людей, программ и аппаратуры.
Являются ли цвета настоящими
Камеры часто снимают через несколько фильтров. Монохромные изображения объединяют, назначая диапазонам цветовые каналы. Иногда это близко к человеческому зрению, иногда подчёркивает ультрафиолет, инфракрасный свет или излучение определённых элементов.
Обработанное изображение остаётся представлением измерений, если метод описан. Цвет помогает сравнивать физические компоненты, а не обязательно имитирует вид из иллюминатора.
Почему Hubble не заменяет все телескопы
Наземные обсерватории имеют зеркала намного крупнее и могут получать новые приборы без космического запуска. Радиотелескопу атмосфера мешает иначе, а рентгеновские и гамма-обсерватории требуют других конструкций. Одна платформа не охватывает весь спектр и все масштабы.
Webb также не является простым «новым Hubble». Он имеет большее сегментированное зеркало, работает преимущественно в инфракрасном диапазоне и охлаждается за огромным солнцезащитным экраном далеко от низкой орбиты. Следующий этап объясняет, как Webb наблюдает инфракрасную Вселенную.
