Hubblov vesmírny dalekohlad

Hubblov vesmírny dalekohlad
Hubblov vesmírny dalekohlad (HST) predstavuje jeden z najväcších technologických
úspechov 20. storocia. Nie je síce najväcším dalekohladom, ale je umiestnený mimo
rušivých vplyvov zemskej atmosféry. Práve preto jeho prostredníctvom získavame
množstvo predtým nedosiahnutelných záberov. Pozornost najširšej verejnosti pritahujú
práve tieto nádherné obrázky, takisto ako oprava jeho chybnej optiky mimoriadnou
výpravou raketoplánu.
Od plánov ku štartu
Hubblov vesmírny dalekohlad je pomenovaný po významnom americkom astronómovi
Edwinovi Hubblovi (1889 - 1953), ktorý v 20. rokoch na základe svojich pozorovaní
zistil, že galaxie nie sú oblaky plynu, ale vzdialené skupiny hviezd. Hubble tiež zaviedol
triedenie galaxií podla ich tvaru. Najväcším prínosom bolo zistenie, že väcšina galaxií
sa od nás vzdaluje. Iba blízke galaxie sú navzájom zviazané gravitáciou s našou
galaxiou. Tieto skutocnosti ako prvý astronóm interpretoval tak, že sa celý vesmír
rozpína.V tej dobe, presnejšie v roku 1923, bola v Nemecku vydaná kniha Die Rakete
zu den Planetenräumen (Raketou do medziplanetárneho priestoru). V nej jej autor
popisuje okrem iného vesmírnu stanicu vybavenú dalekohladom. Myšlienka vesmírneho
dalekohladu je dalej rozvinutá v koncepcii dalekohladu umiestneného na planétke,
ktorá je využitá ako pevná základna pre prístroj, ktorým tak možno fotografovat
hviezdne objekty. Prvý pokus o vysvetlenie výhod vesmírneho dalekohladu bol
zapocatý v roku 1946 astronómon L. Spitzerom. Navrhol leteckej spolocnosti Douglas
Aircraft Company zkonštruovat dalekohlad umiestený mimo Zem. Jeho návrh bol
progresívny a zahrnoval úplne nový pohlad na problematiku vesmírnych prístrojov.
Zpätne môzeme Spitzera považovat za duchovného otca Hubblovho vesmírneho
dalekohladu. V samotnej NASA sa o stavbe vesmírneho dalekohladu vážnejšie
neuvažovalo ani v 60. rokoch. Za prípravný krok k vypusteniu dalekohladu možno
považovat štart dvoch malých vesmírnych observatóríí OAO 2 a predovšetkým OAO 3,
nazvané Copernicus. Po úspechu týchto prístrojov (Copernicus bol vybavený
dalekohladom o priemeru 81 cm) sa zacal výskum a vývoj velkého teleskopu, ktorý
mal za úlohu pracovat na obežnej dráhe niekolko rokov. Behom desatrocí sa plány na
prístroj velakrát výrazne zmenili. Casom sa z hladiska nákladov ukázal ako
najvýhodnejší prístroj o priemeru 2,4 m. Konecne bol projekt dalekohladu vcítane
pomocných prístrojov hotový a v roku 1979 bola zahájená jeho výstavba.
Vynesenie dalekohladu bolo naplánované na let raketoplánu v roku 1986. Nie dlho pre
plánovaným dátumom však postihla americký vesmírny program pohroma.Raketoplán
Challanger sa 28. januára 1986 krátko po svojom štartu zrútil. NASA všetky dalšie lety
pozastavila až do vyjasnenia prícin katastrofy. Preto až 24. apríla 1990 mohol
odštartovat raketoplán Discovery z Kennedyho vesmírneho strediska. V nákladovom
priestore vynášal Hubblov vesmírny dalekohlad, naše "OKNO DO VESMÍRU".
Ako dalekohlad pracuje
Hubblov dalekohlad je založený na takých istých princípoch ako pozemské prístroje.
Základom je dvojica zrkadiel, ktoré odrážajú svetlo. Väcším z nich, zvaným objektív, sa
svetlo odráža na sekundárne zrkadlo na opacnom konci dalekohladu. Toto ekundárne
zrkadlo potom odráža svetlo vnútrajškom Hubblova vesmírneho dalekohladu do otvoru
uprostred objektívu. Sústredené svetlo potom prechádza castou prístroja, v ktorej je
množstvo kamier a iných zariadení. Podla potreby je svetelný zväzok nasmerovaný do
urcitého zariadenia. Hubblov dalekohlad je projektovaný na pät detekcných zriadení, z
ktorých dve sú kamery. Prístroj pomenovaný kamera pre slabé objekty (Faint Object
Camera - FOC) je urcený pre pozorovanie detailov na velmi malých plochách. Druhý
hlavný detektor - širokouhlá a planetárna kamera (Wide Field and Planetary Camera -
WF / PC) - je vdaka svojmu velkému zornému polu urcená k snímkovaniu velkých
objektov. Ako doplnok týchto kamier je do prístorja zabudovaná dvojica spektrografov
pre výzkum chemického zloženia vesmírnych objektov. Pôvodne tu bol spektrograf pre
slabé objekty (Faint Object Spectrograph - FOS) a Goddardov spektrograf pre vysoké
rozlíšenia (Goddard High Resolution Spectrograph - GHRS). Neskôr boli tieto prístroje
nahradené kamerou pre blízku infracervenú oblast s viacnásobným spektrometrom
(Near - Infrared Camera and Multi - Object Spectrometer - NICMOS) a spektrografom
pre snímky vesmírneho dalekohladu (Space Telescope Imaging Spectrograph - STIS).
Piatym prístrojom je vysokorýchlostný fotometer (High Speed Photometer - HSP), ktorý
meria zmeny v jasnosti nebeských objektov.
Dalekohlad obieho okolo Zeme po nízkej obežnej dráhe vo výške 500 km. Na tejto
obežnnej dráhe je dalekohlad hlavne preto, aby bol lahko prístupný pre raketoplány,
ktoré zaistujú jeho servis a inováciu jeho techniky. Nevýhodou nízkej dráhy je
postupná strata výšky dalekohladu, a teda nutnost jej korekcie pri plánovaných
opravách.
Dalekohlad nie je v neustálom spojení s pozemským riadiacim centrom, každých
dvadsat minút pocas približne devätdesiat - minútového obletu Zeme je spojenie
prerušené, pretože HST je nad opacnou pologulou. Aby bola dosiahnutá možnost
nepretržitej komunikácie, je použitý zložitejší systém. Dalekohlad prenáša svoje údaje
prostredníctvom dvoch satelitov zapojených do satelitného systému prenosu dát
(TDRSS). Obe spojovacie družice sa nachádzajú na velmi vysokej dráhe - okolo 35 000
km. Táto dráha sa nazýva geostacionárna, pretože družica umiestnená v tejto výške
má takú dobu obehu ako je rotácia Zeme; zostáva teda nad rovnakým miestom
zemského povrchu. Pomocou satelitov sa informácie prenášajú na základnu White
Sands v Novom Mexiku. Odtial sú údaje prostredníctvom dalšej spojovacej družice
predávané do Goddardovho strediska vesmírnych letov vo Washingtone. To spracováva
technické údaje. Nezpracované vedecké údaje sú prenášané pomocou bežnej telefónnej
siete do Vedeckého strediska vesmírneho dalekohladu (STScl) v Baltimore.
Oprava dalekohladu
Štart Hubblovho vesmírneho dalekohladu bol jedinecnou udalostou v histórii NASA.
Hlavným prínosom prístroja je posunutie hraníc pozorovacej techniky. Dna 20. mája
1990 prebehla u vesmírneho dalekohladu skúška, ktorá je pre konštruktérov
akéhokolvek astronomického prístroja takmer posvätná - dalekohlad bol po prvý raz
namierený na nejaký objekt. Ako sa ukázalo neskôr, pre kozmický dalekohlad bolo toto
"prvé svetlo" nanajvýš dôležité. Ked sa Hubblov vesmírny dalekohlad po prvýkrát
zahladel do vesmíru, oci celého sveta sa obrátili k vesmírnemu dalekohladu. Prvým
objektom sa stala hviezdokopa NGC 3532 v súhvezdí Lodného kýlu. Právo prvého
snímku bolo prisúdené širokouhlej a planetárnej kamere. Obraz tohto prvého objektu
sa postupne ukazoval na obrazovke, ktorou sledovali napätí astronómovia a vzrušení
reportéri. Z vedeckého ani z iného hladiska nebol tento obraz nijako výnimocný. Iba
doložil, že Hubblov vesmírny dalekohlad je schopný pracovat.
Pri obrazovke vládlo vzrušenie a nikto nepredpokladal nijaké problémy. Ale v zákulisí už
zavládli obavy. Hned nasledujúci den na konferencii zoznamujúcej s prvými výsledkami
sa ozvali hlasy, že objektív nemá správny tvar. Nasledujúci mesiac intenzívneho
výzkumu potvrdil, že plocha primárneho zrkadla je skutocne chybne vyrobená. Ako už
to býva, správe o nesprávnej konštrukcii prístroja sa venovalo viacej miesta, než kolko
by zabrala správa o jeho správnej funkcii. Výsledkom bolo, že Hubblov vesmírny
dalekohlad vošiel do povedomia verejnosti ako obrovský prehmat. V titulkoch novín
bolo možné cítat aj oznacenia ako "Kiks za 1,5 miliardy dolárov".
Problém spocíval v gulovej vade hlavného zrkadla. Môžme povedat, že je to školácka
chyba konštrukcie zrkadlových dalekohladov, pri ktorej lúce odrazené rôznymi castami
zrkadla sa nestretnú presne v ohnisku. Výsledný obraz hviezdy potom nie je bodový,
ale vplyvom tejto zásadnej chyby je rozmazaný do podložky. Po odhalení tejto chyby
boli ihned zahájené práce na jej odstránenie. Ako najlepší sa zdal byt návrh zniest HST
z obežnej dráhy na Zem. Potom by mohla byt oprava prevedená za laboratórnej
kontroly. Pokial by sa tak stalo, musela by NASA vyslat tretiu výpravu raketoplánu,
ktorá by dalekohlad opät umiestnila na obežnú dráhu. Ako obtiažnejšia sa javila oprava
priamo na obežnej dráhe. Vyžadovala by jeden z najdlhších pobytov vo vesmírnom
priestore, ale zároven by v prípade úspechu znamenala medzník v skúsenostiach práce
v otvorenom vesmírnom priestore. Pri debatách o najlepšom spôsobe, sa diskutovalo aj
o jednotlivých detailoch opravy. Konecným rozhodnutím bolo vytvorit optický clen,
ktorý sa na obežnej dráhe vloží pred jednotlivé detektory a bude korigovat skrelený
obraz. Pri tomto riešení bolo treba obetovat jeden z prístrojov, aby sa získalo miesto
pre korekcný clen. Bola to vlasne malá cena za velkú opravu. Obetovaným prístrojom
bol vysokorýchlostný fotometer. širokouhlá a planetárna kamera bola nahradená
korekcným optickým clenom, a musela byt preto premiestnená. Korekcný clen sa v
prekladu volá optický clen pre vesmírny dalekohlad (COSTAR).
Na Zemi je velmi obtiažne napodobnit beztiažne prostredie, a preto sa casto používa
tréning pod vodnou hladinou. Vo vode sa clovek môže pohybovat skoro tak volne ako v
beztiažnom stave vo vesmíre. Kozmonauti si oblecú skafander a potopia sa do
ohromného bazénu nazývaného vztlakový simulátor. Tu trénujú s dokonalými
maketami prístrojov, ktoré budú používat pri skutocnej práci v kozmu. Okrem bazénu
sa pre simuláciu vesmírnej opravy používala aj virtuálna realita.
Detailné plánovanie opravy dalekohladu zacalo už v roku 1990, krátko po objavení
problému. Ako sa dalo ocakávat, okrem tohto problému sa objavilo i mnoho dalších.
Boli postupne pripisované do zoznamu prác, ktoré mali kozmonauti spravit pocas prvej
servisnej výpravy k vesmírnemu dalekohladu. Pre výpravu bolo vybraných sedem
kozmonautov: Jeffrey Hoffman, Thomas Ankers, Dick Covey, Claude Nicollier, Story
Musgrave, Kathryn Thorntová a Ken Bowersox. Celý rok sa táto posádka pripravovala,
aby bola schopná splnit predpísané úlohy, a aby ju nezaskocila žiadna, co i len trohu
predvídatelná okolnost.
Prvé misie údržby Hubblovho vesmírneho dalekohladu bola jednoznacne úspešná.
Raketoplán Endeavour štartoval skoro zrána 2. decembra 1993. Nasledujúcich jedenást
dní boli udalosti na jeho palube živo prenášané do celého sveta. Zjavná lahkost, s akou
sa kozmonauti chopili obtiažnej úlohe, budila zdanie, že sa vo vesmíru neodohráva nic
zásadné, ale bežná rutinná práca. Výsledok práce znamenal ohromný úspech pre
astronómov i pre obraz NASA v ociach verejnosti. O co lahšie prebiehala samotná
oprava, o to napätejšie ocakávanie prišlo po skoncení opravy: cakanie na výsledky
testovania opraveného prístroja. I ked mnohí boli vo svojom ocakávaní skeptický,
nebolo po Vianociach 1993 možné pochybovat. Prístroj bol dobre opravený. Nielen to.
Výsledok predcil ocakávania. Podla pôvodného plánu sa malo 70 % svetl hviezdy
sústredit do velmi malého bodu. Pritom najlepší dosiahnutelný výsledok je sústredenie
87 % do tej istej plochy. S korekcným optickým clenom je Hubblov vesmírny
dalekohlad schopný sústredit 84 % svetla do jedného bodu. Strucne povedané:
dalekohlad sa stal najpresnejšim prístrojom, ktorý kedy ludstvo vyrobilo pre výzkum
vesmíru. Táto skutocnost bola po prvýkrát predložená na tlacovej konferencii 13.
januára 1994, ked netrpezliví novinári dostali k dispozícii súbor fotografií galaxií a
hmlovín. Hubblov vesmírny dalekohlad bol prehlásený za prvý prístroj, ktorý ešte pred
koncom tisícrocia astronómom umožnil pozriet na možnosti 21. storocia.
Tretia oprava dalekohladu
Druhej návštevy sa 12-tonové observatórium, ktoré obletí našu planétu vo výške 600
km každú 1 a pol hodinu, dockalo vo februári 1997. Podarilo sa vymenit niekolko
starnúcich zariadení a pribudla infracervená kamera. Dalšia omladzovacia kúra mala
podla predstáv technikov, astronómov i úradníkov NASA, nasledovat najskôr v apríli
2000.
Tohto roku vo februári, súhrou niekolko udalostí, však došlo ku strategickej zmene: V
januári totiž vypovedal službu už tretí zo šiestich gyroskopov, špeciálnych zotrvacníkov
zabezpecujúce orientáciu dalekohladu v priestore. Závada na dalšom by potom viedla k
neodvratnému elektronickému spánku observatória. Ruka v ruke s tým naštastie došlo
k výraznému oneskoreniu výstavby Medzinárodnej kozmickej stanice, iného
prestížneho projektu NASA. Preto bola tretia servisná výprava rozdelená na dve misie:
"A" na jesen 1999 a "B" v polovici 2001. Oprávnenost takéhoto rozhodnutia potvrdil 13.
november, kedy sa odmlcal už štvrtý gyroskop.
Hubble sa tak prepol do kludného režimu: na svej dráhe okolo Zeme sa pomaly otáca a
snaží sa udržat panely slnecných batérií smerom ku Slnku. S riadiacim strediskom v
Baltimore síce i nadalej komunikuje, ale už sa nedokáže nasmerovat na jediný
astronomický objekt...
Hubblov vesmírny dalekohlad, ktorého mesacná prevádzka mimochodom amerických
danových poplatníkov prijde na 21 miliónov dolárov, si takúto starostlivost urcite
zaslúži: Od apríla 1990 urobil 259 tisíc záberov asi 13 tisíc objektov a dal tak za vznik
2400 vedeckým clánkom. Teleskop neni iba cennou zbranou pri poznávaniu vesmíru, je
taktiež je jedným z najznámejších projektov amerického Národného úradu pre letectvo
a kozmonautiku, ktorý má v poslednej dobe svoju povest znacne pokazenú...
Co všetko ja na programu desatdenného letu Discovery? V priebehu niekolko
šesthodinových výstupov do volného kozmického priestoru John Grunsfeld, Steven
Smith, veterán z Miru Michael Foale a Claude Niccolier vyslaný Európskou kozmickou
agentúrou postupne vo dvojclenných tímoch nainštalujú:
* Tri jednotky, vždy s dvoma klúcovými gyroskopmi.
* Senzor pre presnú navigáciu.
* Radiácii odolný pocítac s procesorom Intel 486 nahradí starší za 386.
* Magnetofón pre záznam dátbez pohyblivých castí.
* Regulátor predlžujúci životnost batérií.
* Záložný vysielac v pásmu S.
* Vonkajšiu tepelnú izoláciu dalekohladu.
* Súcasne pripravia pôdu pre servisnú výpravu 3B, ktorá sa pomocou raketoplánu
Columbia plánuje na jún 2001. Ich hlavnou úlohou bude výmena oboch panelov
slnecných batérií, nová kamera a chladiaci systém pre infracervený detektor NICMOS.
Špecialisti predpokladajú, že si splnenie všetkých úloh vyžiada tri výstupy, nicmenej sa
pocíta i so štvrtou, dodatocnou vychádzkou. Astronauti pritom všetky úlohy nacvicovali
od augusta 1998, pricom iba vo špeciálnej vodnej nádrži simulujúcej beztiažny stav
strávili viacej než 250 hodín.
Raketoplán Discovery mal pôvodne štartovat už 14. októbra, avšak problémy s
elektrorozvodom pri júlovom lete prinútili technikov k rozsiahlej inšpekcii celej
kozmickej lode, najmä potom 160 kilometrov najrôznejších vodicov. Niekolko
objevených defektov si potom vynútilo odklad najskôr na november a nakoniec až na
december.
Prvý problém nastane už pri chytaní dalekohladu. Discovery dostihne Hubbla za zhruba
dva dni. Potom ho Jean Clervoy asi 15 metrov dlhým manipulátorom zachytí a umiestni
na zvláštnu plošinu v nákladovom priestore raketoplánu. Ten den v noci sa uskutocní aj
prvá výprava: Smith s Grunsfeldom najskôr vymenia všetkých 6 dosluhujúcich
gyroskopov.
Vzhladom k nedostatku miesta nepôjde o jednoduchú úlohu, jeden z astronautov sa
dokonca prakticky celý dostane do vnútra dalekohladu. Samozrejme, že musí dávat
nesmierny pozor na všetky znacne citlivé zariadenia, casto v hodnote niekolko sto
miliónov dolárov.. Pokial sa im podarí pripojit konektory, prevedie riadiace stredisko
sériu testov. Po kladnom výsledku potom opravári pred svojim návratom ešte vypustia
z nádrží všetok dusík urcený na chladenie infracerveného detektoru NICMOS. Tým
zjednoduší jeho výmenu v roku 2001.
V druhej vlne vybehnú von Foale a Nicollier, na ktorých caká prehodenie Hubblovho
hlavného pocítaca s procesorom Intel 286 za rýchlejší 486. Tým sa mimochodom
znacne znížia financné nároky na prevádzkovanie dalekohladu. Okrem toho taktiež
nahradia jeden z troch navigacných senzorov.
Smith a Grunsfeld potom pri tretej vychádzke, samozrejme pokial pôjde všetko bez
problémov, nainštalujú elektroniku nového senzoru, záložný vysielac, nový dátový
magnetofón a ku koncu pripevnia na tubus dalekohladu tenkú fóliu, ktorá zlepší tepelnú
ochranu citlivej elektroniky. Dokoncenie jej inštalácie môže byt hlavnou náplnou štvrtej
vychádzky. Na záver omladzovacej kúry bude prostredníctvom manipulátoru Hubble
poslaný spät do volného priestoru. Na rozdiel od minulých výprav ho však Discovery
nevynesie na vyššiu obežnú dráhu. Columbia, ktorá k observatóriu priletí za dva roky,
je totiž príliš tažká a nemusela by sa tak k nej dostat.
Zosumarizované informácie o HST
miery a váhy:
váha 11 110 kg, dlžka 15,9 m, predný štít 3,1 m, priemer 4,2 m
primárne zrkadlo 2,4 m, sekundárne 0,3 m, systém ritchey-chretien
presnost pointácie 0,007", dosah 5 až 29 mag, citlivost 110 až 1100 nm
obežná dráha: 593 km (priemer), sklon 28,5°, perióda 97 minút
Vedecké zariadenia:
Space Telescope Imaging Spectograph (STIS)
Slúži k rozboru svetla vesmírnych objektov ve väcšom rozsahu než je možné zo Zeme
od ultrafialového až po viditelné svetelné spektrum. Umožnuje pritom simultánne
vyhotovit spektrum v niekolko najrôznejších miestach jedného objektu.
Faint Object Camera (FOC)
V roku 2001 bude nahradená Advanced Camera for Surveys, ktorá vo výrazne väcšom
zornom poli zvládne také isté zábery ako WFPC2 v prípade znamého južného a
severného hlbokého pohladu.
Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS)
Vzhladom k predcasnému vycerpaniu chladiaceho dusíku v januári 1999 bude až do
polovice 2001 mimo prevádzky.
Potom dostane nový chladiaci systém.
Correstice Optics Space Telescope Axial Replacement (COSTAR)
Optika korigujúca vady hlavného zrkadla, v súcasnosti mimo prevádzky. Pri piatej
servisnej výprave bude nahradený za Cosmic Origins Spectrograph, pre štúdium
medzihviezdneho prostredia.
Wide Field and Planetary Camera 2 (WFPC 2)
Je z dielne známej Jet Propulsion Laboratory a sprostredkúvava zábery cez sadu filtrov
vo dvoch volených zväcšeniach.
Fine Guidance Sensors (FGS)
Tri tieto detektory poprvé slúžia k presnému pointovaniu ostatných vedeckých
zariadení, podruhé k urcovaniu polohy a jasnosti vybraných objektov. Hrá napríklad
rolu pri hladaní planét u cudzích hviezd.