Historia Teleskopu Kosmicznego Hubble’a. Część 1

Słowem wstępu: jest to treść e-booka napisanego przeze mnie kilka lat temu, teraz publikowanego w postaci serii artykułów. Proszę, aby czytelnik nie zdziwił się, jeśli miejscami mówię “ta książka” :).

Wszyscy jesteśmy pyłem gwiezdnym.
– Carl Sagan

Wprowadzenie

Cytat z wcześniejszej strony to prawdopodobnie najbardziej znane słowa Carla Sagana – astronoma, naukowca i popularyzatora nauki. Odnosi się on do następującego faktu – praktycznie każdy atom naszego ciała istniał kiedyś, miliardy lat temu, w sercach wielkich gwiazd.1 Ale cytat ten odnosi się jeszcze od jednej rzeczy, którą ukazał nam teleskop Hubble’a. W porównaniu do ogromu Wszechświata, jesteśmy tylko pyłkiem.

Od 25 lat krążący na orbicie Ziemi Teleskop Kosmiczny Hubble’a, w skrócie HST, dokonuje rewolucji w naszym postrzeganiu i rozumieniu Wszechświata. Mimo ciężkich początków, ten pierwszy kosmiczny teleskop optyczny okazał się być jednym z największych osiągnięć technologicznych i naukowych XX wieku. 

To dzięki Hubble’owi naukowy wykazali, że galaktyki uformowały się z mniejszych skupisk materii u początków Wszechświata. To Hubble pomógł wykazać, że wielkie galaktyki zawierają w swych sercach supermasywne czarne dziury. To obserwacje Hubble’a pozwoliły wyliczyć, że ilość normalnej materii nie jest w stanie pokryć całego wpływu grawitacyjnego, jaki obserwujemy w kosmosie, co pośrednio potwierdziło teorię ciemnej materii. I to Hubble pomógł naukowcom ukuć pierwsze zaczątki koncepcji ciemnej energii, która przyśpiesza ekspansję Wszechświata. 

Hubble ma dla mnie również osobiste znaczenie.

Pamiętam, jak pewnego jesiennego wieczoru, kiedy zapadł już zmierzch, moja siostra wróciła z wyprawy do pobliskiego miasta, gdzie wyruszyła – o czym przekonałem się właśnie tegoż wieczora – w poszukiwaniu mojego prezentu urodzinowego. Nie mogłem mieć wtedy więcej, niż 12 lat, pamiętam bowiem, że już w 6 klasie szkoły podstawowej chwaliłem się tym, co dostałem. Siostra wręczyła mi “Wszechświat w obiektywie” autorstwa Stuarta Clarka. Była to przede wszystkim książka albumowa poświęcona Teleskopowi Kosmicznemu Hubble’a. Wpatrywałem się w kolorowe strony całymi tygodniami, zgłębiając się w skromne, jak na moje dzisiejsze standardy, ilości tekstu. Była to moja pierwsza książka o astronomii, choć tematem interesowałem się od dłuższego już czasu. Marzyłem nawet, by zostać astronomem. Moje umiejętności zapamiętywania sztywnych definicji fizycznych i matematycznych, a także sposób ówczesnego edukowania, nie pozwoliły mi jednak na realizację tego marzenia. Książka jednak rozpaliła moje zainteresowanie pięknem nieba i tajemnicami otaczającego nas kosmosu. I było to również moje pierwsze spotkanie z cudem techniki i nauki, jakim z pewnością jest Teleskop Kosmiczny Hubble’a.

***

Niniejsza książka to historia tego cudu technologii, od pierwszych koncepcji teleskopu orbitalnego przez wszystkie misje serwisowe po najnowsze i najważniejsze odkrycia dokonane z pomocą HST. A historia ta jest bardzo dynamiczna.

Timothy Ferris pisał dla National Geographic: „Wyniesiony na orbitę (…) pośród tumanów nadziei i ekscytacji, Teleskop Kosmiczny Hubble’a prędko stracił swój blask. Miast wpatrywać się w obiekty gwiezdne, trząsł się i drżał (…) kiedy tylko światło spłynęło na jego panele solarne. (…) promienie naszej gwiazdy wstrząsały teleskopem tak bardzo, że wpadał w rodzaj elektronicznej śpiączki. Najgorsze było to, że Hubble okazał się cierpieć na krótkowzroczność.”2

Początek Hubble’a okazał się straszny dla wszystkich, którzy w pocie czoła nad nim pracowali. Media nie zostawiły na teleskopie suchej nitki – stał się szybko „bublem za miliard dolarów”, jak głosiły nagłówki w gazetach. Naukowcy, którzy nie pracowali nad Hubblem, ale chcieli z niego korzystać, byli niezadowoleni podwójnie. Chcieli bowiem teleskopu większego i umieszczonego wyżej, tymczasem dostali mniejszy i z wadą. Inżynierowie postawili na swoim – stworzyli teleskop, który mógł zmieścić się w ładowni wahadłowca kosmicznego, orbitując na wysokości około 536 kilometrów nad Ziemią.3

„Lecz wahadłowce okazały się zbawieniem Hubble’a”, pisze dalej Ferris. To dzięki promom udało się uratować drogi teleskop kosmiczny. Ale i to byłoby niemożliwe, gdyby u początków projektu, inżynierowie i projektanci Hubble’a nie zaprojektowali go tak, by praktycznie każdy z elementów konstrukcji miał charakter modularny. Panele solarne, komputery, banki pamięci, kamery, spektrografy, żyroskopy – każdy z tych elementów mógł być wyjęty na orbicie i zastąpiony innym modułem, lub przynajmniej wymieniony na nową, sprawną część. 

To dzięki ludziom, którzy budowali teleskop, te 12 ton orbitalnego obserwatorium stało się prawdopodobnie najbardziej znanym instrumentem naukowym na świecie. By jednak do tego doszło, trzeba było zacząć od idei, która przejawiła się, nim dobrnięto do połowy XX wieku.

Ilustracja 1: Teleskop Hubble’a na orbicie Ziemi (NASA/ESA)

Kilka słów wstępu o samym teleskopie

W momencie pisania tych słów, Teleskop Kosmiczny Hubble’a powoli wchodzi w swój 26 rok pracy na orbicie okołoziemskiej. Szacuje się, iż naukowcy z 35 krajów napisali ponad 10 tysięcy prac naukowych na bazie danych zebranych przez HST.4 Ten krążący 600 kilometrów nad Ziemią teleskop pokonuje swoją orbitę w 97 minut (aktualna orbita). Waży ponad 11 ton, ma długość 13 metrów i średnicę 4,2 metra. Samo zwierciadło główne waży 828 kilogramów. Co ciekawe, znajdując się na szerokościach geograficznych poniżej 30 stopni, można nawet dostrzec teleskop lecący po swojej orbicie, podobnie jak można dostrzec niektóre satelity czy Międzynarodową Stację Kosmiczną.5

Sam teleskop Hubble’a, w skrócie znany też jako HST (ang. Hubble Space Telescope) jest teleskopem optycznym, zdolnym do obserwacji kosmosu w zakresie ultrafioletu, podczerwieni i światła widzialnego, co stanowi części spektrum promieniowania elektromagnetycznego.

Jak działa teleskop kosmiczny

Każdy teleskop, czy to profesjonalny czy amatorski, który można kupić w odpowiednim sklepie optycznym, jest urządzeniem, skupiającym światło. Dzięki temu procesowi skupiania światła, przez teleskop możemy dostrzec więcej, niźli gołym okiem – obiekty są większe, bowiem teleskop je powiększa, ale jest też ich więcej, bowiem teleskop skupia ich światło. Tym samym, obiekty słabe stają się łatwiej widoczne. 

Dokładnie tak samo działa teleskop kosmiczny. Istnieją dwa rodzaje teleskopów: refraktory, skupiające światło w soczewkach, oraz reflektory, wpierw odbijające i skupiające światło przy użyciu luster.6 W czasie projektowania HST, zdecydowano się na użycie konstrukcji popularnej w przypadku teleskopów profesjonalnych, które są reflektorami (teleskopami zwierciadlanymi). HST jest więc reflektorem, a dokładnie teleskopem Ritcheya–Chrétiena. To zaś rodzaj teleskopu Cassegraina. Laurent Cassegrain opracował swój teleskop zwierciadlany w 1672 roku, dwa lata po teleskopie opracowanym przez Isaaka Newtona. George W. Ritchey i Henri Chrétien zmodyfikowali pomysł na początku XX wieku.7

Hiperboliczne zwierciadło HST wykonane jest ze szkła i ma średnicę 240 centymetrów. Pokryte jest warstwą aluminium i warstwą fluorku magnezu celem zabezpieczenia i uzyskania idealnych zdolności odbijania światła. 

Światło zbierane przez teleskop trafia wpierw na zwierciadło główne, znajdujące się w środku teleskopu. Światło jest odbijane na zwierciadło wtórne, które znowu kieruje promienie w otwór w zwierciadle głównym – tam już, z tyłu teleskopu, czekają instrumenty naukowe, które rejestrują światło. Im słabsze obiekty kosmiczne chce się sfotografować, tym dłuższe naświetlenia trzeba wykonać. Z tego względu teleskop jest wyposażony w zaawansowane systemy celowania, na które składają się detektory i czujniki, koła reakcyjne i żyroskopy. Dzięki temu HST jest w stanie utrzymać się na celu przez wiele godzin bez najmniejszego drgnięcia. 

Od idei do realizacji

O poranku 24 kwietnia, 1990 roku, widownia zebrała się w okolicach Centrum Kosmicznego Kennediego na Florydzie, by obserwować kolejny start misji wahadłowca – dumy amerykańskiej myśli technologicznej. Do startu zostało już tylko kilka minut. W centrum kontroli lotów obsługa naziemna analizowała ostatnie dane, dając pozwolenie na start. Na pokładzie promu kosmicznego, do rutynowej misji, gotowi byli astronauci: dowódca misji Loren J. Shriver, pilot Charles F. Bolden Jr i specjaliści misji: Steven A. Hawley, Bruce McCandless II i Kathryn D. Sullivan. 

O godzinie 13:33:51 czasu GMT, z platformy startowej 39B, w obłokach dymu i ognia, na orbitę ruszył wahadłowiec Discovery, oficjalnie rozpoczynając misję STS-31. W ładowni promu czekał efekt pracy inżynierów i naukowców, którzy poświęcili niezliczone ilości godzin, by marzenia stały się rzeczywistością. Teleskop Kosmiczny Hubble’a rozpoczął swoją odyseję w kosmos. 

By jednak dotrzeć do tego momentu, Hubble musiał przebyć podróż od narodzin koncepcji po umieszczenie gotowego teleskopu w ładowni wahadłowca. A nie była to podróż łatwa.

Dlaczego teleskop kosmiczny?

Mrugaj, mrugaj gwiazdko ma – tymi słowami zaczyna się dziecięca piosenka, kojąca dzieci do snu. Jednak kiedy mrugające gwiazdki dzieciom kojarzyć mogą się z chwilą wytchnienia, od tysiącleci były i wciąż pozostają przekleństwem astronomii. 

Dlaczego w ogóle pojawił się pomysł zbudowania teleskopu, który miałby pracować na orbicie? Jego koszty byłyby przecież olbrzymie. Za cenę jednego Hubble’a można by zbudować kilka teleskopów naziemnych, co zresztą było argumentem walk o budżet w Kongresie w latach 70-tych.. Odpowiedź na to pytanie znajdziemy w nauce, a konkretnie to w tej jej części, która zajmuje się falami elektromagnetycznymi. 

Otóż astronomia i astrofizyka to w dużej mierze nauki, oparte o to, co widać. Na podstawie widzialnego światła z gwiazd czy galaktyk, naukowcy są w stanie uzyskać wiele odpowiedzi na naukowe pytania o naturę Wszechświata.8 W celu rozwijania nauki, musimy coraz więcej widzieć. W latach 70-tych oraz 80-tych, kiedy dopiero planowano i budowano teleskop Hubble’a, astronomowie dysponowali tylko naziemnymi teleskopami optycznymi i radioteleskopami. Jednak już wtedy wiedzieliśmy, dzięki zastosowaniu prostych instrumentów orbitalnych, czy nawet zwykłych balonów, że nie wszystko, co emitują obiekty kosmiczne, dociera na powierzchnię Ziemi – i nie wszystko jest widzialne.

Zarówno światło widzialne, jak i fale radiowe, to rodzaje promieniowania elektromagnetycznego. Promieniowanie to cechuje się różnymi długościami fali. Część tego promieniowania o konkretnej długości fali jest przez nas nazywana światłem widzialnym. Wbrew pozorom, nie ma w nim nic szczególnego – z uwagi na to, że ten rodzaj promieniowania jest dość mało szkodliwy dla życia i dociera do powierzchni naszej planety, w ramach ewolucji nasze oczy rozwinęły się tak, by ten zakres promieniowania elektromagnetycznego widzieć.

Fale krótsze od światła widzialnego to ultrafiolet, jeszcze krótsze to promieniowanie Roentgena, a w końcu najkrótsze fale to promieniowanie gamma. Fale dłuższe niźli fale światła widzialnego to podczerwień. Dłuższe fale to znowu mikrofale, a potem mamy już fale radiowe: do komunikacji, krótkie i długie. I to jest właśnie pełne spektrum promieniowania elektromagnetycznego opisane w skrócie.

Światło jest rodzajem takiego promieniowania i emitowane jest przez różne obiekty. Ale nie jest jedynym rodzajem promieniowania – gwiazdy, galaktyki, kwazary9, chmury gazów, dyski akrecyjne10 i tym podobne, wszystkie te kosmiczne obiekty promieniują na różne sposoby. Jeśli naprawdę chcemy poznać Wszechświat, musimy go obserwować w pełni. Każdy z obiektów musimy zobaczyć we wszystkich możliwych częściach spektrum elektromagnetycznego. I tutaj naukowcy trafili na bardzo poważny problem. Tym problemem był fakt, że żyjemy na Ziemi.

Ziemia, nasza mała, życiodajna skała w kosmosie, jest naszym domem. Otoczona jest warstwą atmosfery, składającej się z azotu, tlenu i innych gazów. Atmosfera ta chroni nas przed niebezpieczeństwem wielkiego kosmosu. A niebezpieczeństw jest dużo – promieniowanie gamma, promienie Roentgena, mikrofale, promieniowanie UV (ultrafiolet) – brzmi znajomo? Te same części spektrum elektromagnetycznego, których potrzebujemy do zgłębiania wiedzy, są jednocześnie dla nas śmiertelnie niebezpieczne. Gdyby nie atmosfera, która to promieniowanie zatrzymuje, życie na Ziemi mogłoby się nigdy nie rozwinąć.

I to właśnie problem, z jakim spotkali się naukowcy – Ziemska atmosfera blokuje spory zakres promieniowania elektromagnetycznego.11 Promieniowanie gamma jest pochłaniane na wysokości około 20-40 kilometrów nad poziomem morza, podobnie jak mikrofale. Promieniowanie UV powstrzymywane jest przez warstwę ozonową na wysokości około 100 kilometrów. Promieniowanie Roentgena pochłaniane jest na wysokości od 50 do 100 kilometrów. 

Teleskopy naziemne nie były w stanie wykrywać dużej ilości informacji, jaka krążyła po kosmosie. Zaczęto sobie z tym radzić wynosząc detektory na balonach i samolotach na coraz większe wysokości już w latach 50-tych. Jednakże nie było to zbyt pomocne, bowiem udało się dzięki temu tylko zaobserwować pewne spektrum podczerwieni. Do reszty promieniowania były potrzebne satelity. Ale nie był to jedyny problem astronomii w latach 1950-1980. 

Atmosfera ogranicza nas bowiem nie tylko w zakresie odbieranych fal – ogranicza także jakość promieniowania widzialnego. I tu docieramy do dziecięcej piosenki sprzed kilku stron. Choć światło widzialne dociera do nas bez problemu, to jego jakość pozostawia sporo do życzenia. By się o tym przekonać, wystarczy wyjść w bezchmurną noc na zewnątrz i spojrzeć na gwiazdy – zwróć uwagę, że wyraźnie widać ich migotanie. Dostrzegasz je? Wiedz, że gwiazdy nie migoczą – gwiazdy promieniują światłem stałym. Migotanie wywołane jest przez ziemską atmosferę. Wynika z tego, że na różnej wysokości temperatura i gęstość atmosfery bywa różna – światło ulega załamaniu, co obserwujemy jako migotanie gwiazd na niebie. To dokładnie to samo zjawisko, które występuje, gdy widzimy falowanie powietrza nad gorącą powierzchnią – czy to na żywo, czy na jednym z tych starych amerykańskich filmów drogi.

Problem ten był bardzo poważny dla astronomów jeszcze do lat 90-tych XX wieku. Teleskopy naziemne miały po prostu ograniczone możliwości obserwacji, bowiem obserwowane obiekty stawały się, w wyniku obecności atmosfery, rozmyte. Przez to właśnie, jakość i możliwości astronomii „widzialnej” były ograniczone. Nasze teleskopy miały wadę wzroku, ale nie mogliśmy dla nich zbudować okularów korekcyjnych – nie dysponowaliśmy wtedy odpowiednią technologią.12

Z problemem rozmywającej obraz atmosfery radzono sobie, budując teleskopy na wysokich górach, by ograniczyć ilość atmosfery znajdującej się nad teleskopem. Innym problemem atmosferycznym było zbyt duże zanieczyszczenie światłem – takim, generowanym przez miasta i miasteczka. Światło to potrafi się odbijać od atmosfery, jeszcze bardziej ograniczając widzialność gwiazd i obiektów w kosmosie. Tu też oddalenie się od centrów miejskiej aktywności trochę poprawiało jakość obserwacji.

Z problemem falującej atmosfery poradzono sobie w ostatnich latach, kiedy zaczęto stosować optykę adaptatywną, sterowaną komputerowo. Komputer potrafi wyliczyć stopień rozmazania obrazu i z pomocą mikrosilników dostosować lustra teleskopu, by zredukować rozmazanie obrazu. W ostatnich latach udało się nawet doścignąć jakość obrazu teleskopu Hubble’a, przynajmniej do pewnego stopnia. Jednak w latach, kiedy Hubble był budowany, tego typu technologia dla teleskopów naziemnych nie istniała.

Bardzo ważnym dla naukowców był też punkt widzenia Hubble’a. I to dosłownie. Wszystkie teleskopy naziemne mają ograniczoną mobilność – dosłownie ograniczoną do zera. Mogą obserwować niebo tylko z miejsca, w którym się znajdują. I tak na przykład teleskopy na półkuli północnej mogą obserwować tylko niebo półkuli północnej i fragmenty tego nieba południowego, które, w ramach ruchu Ziemi, pojawi się nad horyzontem. Ale nie dostrzegą nieba, które znajduje blisko południowego bieguna nieba. 

Lecz teleskop Hubble’a nie ma takich ograniczeń – jest w stanie obserwować dosłownie całe niebo. 

Te wszystkie aspekty sprawiły, że naukowcy byli zgodni – teleskop kosmiczny był bardzo potrzebny. Dzięki niemu, problem falowania atmosfery znikł by całkowicie, a do naszych instrumentów naukowych dotarłyby nowe informacje z niewidzialnego dla zwykłego oka zakresu promieniowania. Nim jednak naukowcy zaczęli popierać tę ideę, ktoś musiał podsunąć pomysł.

Przypisy

1 Wynika to z tego, iż u początku Wszechświata w kosmosie istniał zaledwie wodór i hel. Dopiero reakcje jądrowe w pierwszych gwiazdach pozwoliły na uformowanie się cięższych pierwiastków, z których zbudowana jest Ziemia, a w końcu też istoty żyjące, choć uformowanie się niektórych ciężkich pierwiastków wciąż jest dla naukowców zagadką. 

2 Ferris, T., Hubble’s Greatests Hits. National Geographic Magazine, Kwiecień 2015, s. 62-75.

3 Dla porównania, Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (ISS) utrzymuje orbitę pomiędzy 330 a 435 kilometrami nad Ziemią. ISS, dzięki silnikom manewrowym, jest w stanie samodzielnie podwyższyć lub obniżyć swoją orbitę. W późniejszych latach, orbita Hubble’a została podniesiona do powyżej 600 kilometrów.

4 Chen, J. L., A Guide to Hubble Space Telescope Objects. Wyd. Springer, 2015, s. 9

5 Whitfield, S., Hubble, kosmiczny teleskop. Wyd. Prószyński Media, 2006,, s. 5

6 Pierwszy refraktor skonstruował Galileo Galigeusz, natomiast pierwszy reflektor zbudował Isaak Newton.

7 Chen, s. 2

8 Od lutego 2016 roku możemy mówić również o rozwoju nowej dziedziny astronomii, opartej o badnie fal grawitacyjnych.

9 Kwazary, choć nazwa pochodzi od terminu obiektu „gwiazdo-podobnego”, jest źródłem silnego promieniowania elektromagnetycznego i stanowi rodzaj galaktyki aktywnej. Galaktyki aktywne to galaktyki, w których większa część promieniowania elektromagnetycznego nie pochodzi z normalnych źródeł, takich jak gwiazdy czy gazy, ale z samego jądra, w którym toczą się dynamiczne procesy, najczęściej będące efektem istnienia tam supermasywnej czarnej dziury.

10 Dyskami akrecyjnymi nazywamy dyski gazów, otaczające nowo powstałe gwiazdy, lub czarne dziury. 

11 Padmanabhan, T., Gdy minęły pierwsze trzy minuty. Wyd. Amber, 1998, s. 60

12 Od początku XXI wieku nowoczesne teleskopy naziemne są wyposażane w coraz to bardziej zaawansowaną optykę adaptatywną, na którą składa się komputer sterujący i system wskaźników laserowych. Laser świeci w niebo, tworząc „sztuczną gwiazdę”, która pozwala komputerowi na ustawienie obiektu odniesienia i, dzięki obliczeniom matematycznym, korygowanie zarówno ustawień zwierciadła teleskopu, jak i poprawianie danych zbieranych przez instrument. Na zdjęciach obserwatoriów często można zobaczyć promienie laserów strzelające w niebo – to właśnie lasery dla optyki adaptatywnej.

Author: Wojciech Usarzewicz

Pisał dla Blomedia i Antyweb, komponuje muzykę, na co dzień pracuje w branży wydawniczej.