Historia Teleskopu Kosmicznego Hubble’a. Część 2

Narodziny idei

Za pierwsze wzmianki o idei teleskopu kosmicznego, tj. umieszczonego ponad atmosferą ziemską, uznaje się opis takiego teleskopu w pracy Hermanna Obertha, Die Rakete zu den Planetenraumen z 1923 roku. W 1933 zaś Henry Norris Russel, ten sam, który rozwinął ideę diagramu Hertzsprunga, teraz znanego jako diagram Hertzsprunga-Russella,13 wspominał o swoim pragnieniu wyniesienia obserwatorium na orbitę i dalej, nawet na powierzchnię Księżyca.14 W 1940 roku Richard Richardson, astronom, wspomniał w piśmie fantastycznym Astounding Science Fiction o idei dużego teleskopu księżycowego.15

Jednak dopiero student Henry’ego Russela, już jako pełnoprawny astronom, przedstawił ideę teleskopu kosmicznego w przystępny, a co ważniejsze, możliwy do realizacji sposób. Tym człowiekiem był Lyman Spitzer – astronom z wykształcenia i zapalony wspinacz górski. Poprzez swojego znajomego Davida Griggsa, Lyman Spitzer nawiązał współpracę z powstałą zaraz po II Wojnie Światowej organizacją RAND – choć dziś grupa jest dość otwarta i jawna, jednak w tamtych czasach, w drugiej połowie lat 40-tych, była tajnym projektem, którego pierwszym zadaniem było opracowanie raportu dla Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych na temat wykorzystania rakiet i satelit okołoziemskich do celów wojskowych. Griggs zadał Spitzerowi jedno konkretne pytanie – czy pomysł teleskopu na orbicie byłby przydatny dla astronomii? Był to rok 1945. 16

Spitzer, jako astronom, podjął wyzwanie i już w 1946 roku, kiedy RAND zostało oficjalnie uformowane w Santa Monica w Kalifornii na terenach fabryki Douglas Aircraft, młody astronom spędził tam kilka tygodni i napisał swój raport zatytułowany „Pożytki dla astronomii płynące z obserwatorium pozaziemskiego”. To właśnie w tym raporcie z 1946 roku Spitzer,17 aktualnie uważany za ojca teleskopu Hubble’a, opisał w szczegółowy sposób zalety płynące z umieszczenia teleskopu poza atmosferą ziemską. 

Raport Spitzera był inny od wszystkiego, o czym mówili poprzednicy tacy jak Oberth czy Russell. Spitzer bowiem oparł swój raport o realnie istniejącą w 1946 roku technologię, dodatkowo biorąc pod uwagę możliwości prawdopodobnego rozwoju tejże technologi w kolejnych latach. Z perspektywy ówczesnych czasów, teleskop Spitzera był możliwy do zbudowania – mimo to, społeczność naukowa pozostała sceptyczna. Spitzer bowiem wpierw zaproponował mały teleskop kosmiczny o lustrze średnicy zaledwie 25 centymetrów, ale już po jakimś czasie rozwinął swoją ideę, proponując teleskop ze zwierciadłem głównym o średnicy od 5 do 15 metrów. 18

W 1946 roku były to rozmiary nie do pomyślenia w kategoriach sprzętu orbitalnego – trzeba pamiętać, że to wciąż dekada przed lotem Sputnika, jednocześnie największym w tych latach teleskopem miał być teleskop Hale’a z Palomar Mountain w Kalifornii, mając zaledwie 5,1 metrów średnicy, który w 1946 roku wciąż był w fazie konstrukcji. Ostatecznie otwarty do użytku został w 1948 roku, a liczby z nim związane były wręcz przerażające – samo lustro waży ponad 14 ton, a sam teleskop z całą konstrukcją sięgnął wagi 500 ton.19 Nawet z perspektywy dzisiejszych technologii kosmicznych wyniesienie takiego olbrzyma na orbitę byłoby niemożliwe. Tymczasem 10 lat po Hale’u, Sputnik ważył zaledwie 80 kilogramów i były to jedyne możliwość techniczne na tamten czas. 

Spitzer jednak przedstawił swój raport – teleskop kosmiczny, jak wspomniał w swojej pracy, mógł po raz pierwszy w historii dać ludzkości obrazy kosmosu nie zmącone przez ziemską atmosferę, pomagając przy tym „odsłonić rzeczy nie do pomyślenia, a być może i zmienić nasze postrzeganie czasu i przestrzeni.”20

Jednak druga połowa lat 40-tych nie była przychylna Spitzerowi w kontekście teleskopu kosmicznego. Większość naukowców i biurokratów stwierdziła, iż pomysł Spitzera był zbyt oderwany od rzeczywistości. Dlatego Spitzer zajął się swoimi badaniami naukowymi, gdy tylko idea teleskopu orbitalnego ucichła – jednak całkowicie o niej nie zapomniał. W latach 40-tych i 50-tych kontynuował promowanie idei eksploracji kosmosu i rozwoju technologii kosmicznej. Wierzył, że na teleskop kosmiczny jeszcze przyjdzie pora. 

W międzyczasie Spitzer nawiązał współpracę z innym naukowcem, Martinem Schwarzschildem. Formalnie Schwarzschild pracował dla Spitzera w Princeton. W 1954 roku, jak wspomina Spitzer, spotkał się ze Schwarzschildem i Jamesem Van Allenem na obiedzie, kiedy to Van Allen zasugerował, że w celu polepszenia jakości badań astronomicznych, wysyłać sprzęt obserwacyjny w górę na balonach – była to odpowiedź na frustracje Schwarzschilda, który miał problemy z obserwacją Słońca w owym czasie. Spitzer przekonał więc Schwarzschilda do eksperymentowania z balonami obserwacyjnymi dla celów astronomii.21

I tak Schwarzschild zajął się koordynacją budowy teleskopu balonowego, a Spitzer poszukał finansowania, które znalazł w Office of Naval Research, jednostce badań naukowych Marynarki Wojennej USA. Budową teleskopu zajęła się firma Perkin-Elmer – znana już wtedy z budowy precyzyjnych sprzętów optycznych dla wojska i nauki. Systemy celowania i kontrolne miała stworzyć Ball Brothers – później zajęła się budową precyzyjnych instrumentów dla NASA. I tak po kilku latach pracy, w 1957 roku, pierwszy teleskop „nienaziemny” wzbił się w powietrze – ze zwierciadłem o średnicy 30 centymetrów wykonał kilka lotów, produkując dziesiątki tysięcy zdjęć. Pierwszy lot z 22 sierpnia 1957 roku przetestował systemy celowania, a już 25 września tego samego roku balon wykonał 8 tysięcy zdjęć Słońca. Choć tylko część zdjęć miała jakość przedstawiającą wartość dla astronomii, teleskop balonowy był wielkim osiągnięciem – po raz pierwszy instrument obserwacyjny wzbił się ponad powierzchnię Ziemi. Projekt Schwarzschilda z balonem był częścią większej idei, tak zwanego Międzynarodowego Roku Geofizyki, ogłoszonego w połowie lat 50-tych. Naukowcy z całego świata zachęcani byli do rozwijania technologii badawczej, a częścią projektu było też zbudowanie pierwszego sztucznego satelity Ziemi. 

Naukowcom udało się przekonać ważne osobistości w Narodowej Radzie Nauki i w Narodowej Fundacji Nauki do namówienia rządu USA, by ten zbudował sztucznego satelitę jako pierwszy kraj na świecie. Rozmowy były długie i monotonne, ale już w 1955 roku Biały Dom ogłosił projekt Vanguard – miał to być pierwszy sztuczny satelita Ziemi. 

USA jednak planowało zbudować satelitę o średnicy kilkunastu centymetrów – i nie planowało robić nic poza tym. Eksploracja kosmosu wydawała się bezsensownym marnowaniem środków finansowych – mimo nacisków ze strony naukowców i firm prywatnych, USA nie planowało podbijać kosmosu. 

Podejście to utrzymano aż do 4 października 1957 roku, kiedy ZSRR wystrzeliło z powodzeniem Sputnika. Tego dnia rozpoczął się wyścig kosmiczny. A dla Lymana Spitzera była to kolejna szansa, by przypomnieć środowisku naukowemu ideę teleskopu kosmicznego.

Szansa dla teleskopu

Kiedy Sowieci wystrzelili Sputnika, Amerykę przeszedł dreszcz, zaczynając od przedstawicieli rządu, przez środowiska naukowe i biznesowe, na zwykłych obywatelach kończąc. W wyniku tego powołano NASA.22 Oficjalnie rozpoczęto amerykański program kosmiczny – celem nadrzędnym było wysłanie człowieka w kosmos, a potem lądowanie na Księżycu.

NASA musiała się bardzo szybko organizować – w ciągu kilku miesięcy agencja zaczęła rozrastać się w kwestiach personelu, budynków i posiadanego sprzętu. Dla historii teleskopu kosmicznego ważnym jest moment, kiedy Homer Newell, zarządzający programem naukowym NASA zaraz po uformowaniu agencji, przeniósł sporą grupę pracowników z laboratorium naukowego Marynarki23 (LNM) w Waszyngtonie prosto do agencji kosmicznej, tworząc nową sekcję – która już wkrótce miała być znana jako Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda z siedzibą w Greenbelt, w stanie Maryland.24 Newell przez kolejne miesiące intensywnie kompletował zespół do pracy w nowej agencji. 

Zbiegiem okoliczności, dawny pracownik laboratorium Marynarki, John Clark, kilka miesięcy po uformowaniu NASA, w czasie wykładów w siedzibie agencji spotkał swoją dawną koleżankę po fachu z LNM, zadając pytanie: „przy okazji, czy nie wiesz, kto by chciał poprowadzić w NASA program astronomii orbitalnej?” Tą koleżanką była Nancy Roman – młoda astronom, wpierw pracująca na Uniwersytecie Chicago, w obserwatorium Yerkes, a potem w laboratorium Marynarki w dziale radioastronomii. Roman – astronom z pasji – nie zastanawiała się długo i już w 1959 roku przyjęła posadę głównego astronoma w NASA. W ramach tej posady miała w kolejnych latach między innymi zarządzać projektami budowy instrumentów naukowych.25

Co jednak wcześniej dla tego typu projektów przyziemnych było całkiem łatwe, teraz dla Roman miało okazać się wyzwaniem, które nadwyręży jej reputację w środowisku naukowym. Przed Sputnikiem wielkie teleskopy finansowane były przez prywatnych biznesmenów, ale NASA nie mogła już szukać pieniędzy u prywaciarzy. Jako agencja rządowa, musiała walczyć o budżet przyznawany przez Kongres USA – były to więc pieniądze podatników. Ich wydawanie było przedmiotem ciągłej dyskusji i kontroli. Dla Roman szybko okazało się, że praca w NASA wymaga żonglowania budżetem i często odrzucania kolejnych projektów, których finansowo nie dało się zrealizować. 

W latach 50. i 60. Kongres chętnie dawał pieniądze na programy lotów załogowych, dzięki którym USA miało wygrać wyścig kosmiczny, ale naukowa strona NASA nie była już tak łatwa do finansowania, zwłaszcza, że ówcześnie sami naukowcy nie widzieli dużej potrzeby dla finansowania teleskopów orbitalnych. Zbudowany teleskop Hale’a był wciąż w doskonałym stanie i pozwalał na skuteczne badania. Do tego jego zbudowanie trwało 20 lat i było bardzo problematyczne. W końcu, praktycznie każdy obawiał się, że aktualna – na tamte czasy – technologia nie pozwoli na wyniesienie teleskopu na orbitę. Mimo braku wsparcia w środowisku naukowców, a także mimo problemów z finansowaniem tego typu projektów, już wkrótce pierwsze instrumenty astronomiczne miały polecieć na orbitę Ziemi. 

Były to projekty OAO – Orbitujących Obserwatoriów Astronomicznych.26

Jak wspomina Zimmerman w swojej książce, OAO to historia ówczesnych starć między NASA a astronomami. Nim Roman pojawiła się w agencji, Lyman Spitzer oraz inni astronomowie – Arthur Code, Leo Goldberg, Fred Whipple oraz Albert Boggess zostali poproszeni przez NASA o zaproponowanie pierwszych obserwacyjnych instrumentów orbitalnych – tak właśnie powstała seria OAO. Spitzer i Code chcieli teleskopu do obserwacji spektrum ultrafioletowego. Goldberg pracował nad teleskopem solarnym, a Whipple nad małym, 30-centymetrowym teleskopem optycznym.27 Kilka OAO w końcu poleciało na orbitę, udowadniając, że możliwym jest wyniesienie w kosmos instrumentów naukowych, które będą przydatne dla nauki, ale realizacja tych projektów była wyzwaniem od strony biurokratycznej. Z podobnymi problemami biurokracji musiał później zmagać się projekt dużego teleskopu kosmicznego.

W przypadku OAO, NASA, by ciąć koszty, chciała umieścić kilka instrumentów w jednym satelicie, natomiast naukowcy chcieli, by każdy instrument leciał osobno. Niektórzy z naukowców chcieli również mniejszych kosztów i mniejszych rakiet – na co NASA nie mogła sobie pozwolić z powodu braku technologii. Jeszcze inni naukowcy chcieli większych teleskopów, niż można było unieść w rakiecie, a inni – jak Riccardo Giacconi, pragnęli instrumentów zdolnych obserwować promienie Roentgena odbijane przez Księżyc – co było niemożliwe z punktu widzenia nauki, co świadczy o tym, jak dziwna wydawała się ówczesna astronomia.28

Nancy Roman wyrobiła do siebie niechęć środowisk naukowych między innymi przez skrupulatne odrzucanie projektów, które albo nie mogły się powieść z punktu widzenia nauki, albo z punktu widzenia aktualnej na owe czasy technologii.29 Jak podaje Zimmerman, niektórzy naukowcy często też martwili się o pieniądze – gdyby takowe przeznaczyć na instrumenty orbitalne, brakłoby funduszy na teleskopy naziemne. Tego typu głosy pojawiały się często pośród ludzi, którzy w jakiś sposób związani byli z instrumentami naziemnymi. 

Połowa XX wieku nie była zbyt przychylna dla nowej dziedziny, jaką była rodząca się astronomia orbitalna. Dyskusje między NASA a środowiskiem naukowym spowolniały proces budowy jakiegokolwiek instrumentu orbitalnego. NASA próbowała organizować konferencje naukowe, by zrobić jakieś postępy, jednak początek lat 60. sprowadzał się tylko do dyskusji. Jedni naukowcy, włączając w to Spitzera, sugerowali wystartować z projektem dużego teleskopu kosmicznego, podczas gdy inni naukowcy otwarcie mówili, że taka technologia nie jest na razie dostępna. I z tymi ostatnimi zgadzała się Nancy Roman, która niechętnie patrzyła na projekt teleskopu kosmicznego. Nie była jego przeciwniczką, wręcz przeciwnie – chciała zbudować taki teleskop, ale była też świadoma, że w latach 60. nie było wymaganej technologii. Roman chciała czekać, aż technologia się pojawi. 

Teleskop kosmiczny, by skutecznie obserwować obiekty w odległych regionach kosmosu, musiałby być w stanie wykonywać długie obserwacje w celu zebrania wystarczającej ilości światła. Tymczasem w 1962 roku nie istniała nawet technologia, umożliwiająca utrzymanie teleskopu na jego celu obserwacji przez kilka minut, a co dopiero godzin, praktycznie bez żadnego przesunięcia, które mogłoby rozmywać obraz obiektu. Innym przykładem jest fakt przesyłania danych – w 1962 roku satelity szpiegowskie wysyłały zdjęcia na filmie fotograficznym na Ziemię w małych kapsułach, przechwytywanych w powietrzu przez samoloty.30 Satelity pogodowe wykorzystywały sygnał telewizyjny, ale to też nie nadawało się jakościowo do obserwacji astronomicznych. Spitzer, w 1962 roku proponując swój teleskop o średnicy zwierciadła 250 centymetrów po prostu nie miał możliwości przełamania oporów środowiska naukowego i NASA, mimo początkowych sukcesów OAO.

Ale konferencje z 1962 roku pokazały NASA jedno – naukowcy chcą dużego teleskopu i pomysłu nie można zabić, a tylko odstawić na półkę i poczekać na lepsze czasy.

Kolejne lata zaczęły przynosić postępy – NASA wystartowała ze swoimi programami sond Mariner i Ranger. Mariner 2 wykonał przelot obok Venus, a Rangery zebrały tysiące zdjęć Księżyca z bliska. Dlatego też w 1965 roku, kiedy Mariner 4 ruszył w drogę na Marsa, NASA zebrała swoich astronomów na kolejnej konferencji. Spitzer ponownie zaproponował budowę dużego teleskopu, tym razem ze zwierciadłem głównym o średnicy 304 centymetrów. Nastroje były przyjaźniejsze, bowiem technologia zaczynała iść do przodu. A co więcej, 4 lata przed lądowaniem Neila Armstronga na Księżycu, pojawiały się już głosy o budowie satelitów i obiektów kosmicznych, utrzymywanych stale przez astronautów, którzy mogliby wykonywać misje serwisowe tak samo, jak mechanik utrzymuje dobry stan samochodu. 

3 lata po nieudanej próbie uruchomienia projektu przez Spitzera, w 1965 roku w Woods Hole w Massachusetts w końcu coś ruszyło i po raz pierwszy pojawił się obszerny raport oraz nazwa – LST, czyli Large Space Telescope, Duży Teleskop Kosmiczny.

Przypisy

13 Diagram Hertzsprunga-Russella jest diagramem ilustrującym zależność jasności gwiazdy od jej temperatury. Przedstawia on praktycznie wszystkie możliwe rodzaje gwiazd występujących we Wszechświecie.

14 Ta koncepcja teleskopu, ale też radioteleskopu księżycowego, jest wciąż rozważana.

15 Zimmerman, R., The Universe in a Mirror. The Saga of the Hubble Telescope and the Visionaries Who Built It. Wyd. Princeton University Press, 2010, s. 10

16 Zimmerman, s. 8-9.

17 To właśnie imieniem Lymana Spitzera nazwany jest teleskop kosmiczny Spitzera, służący do obserwacji kosmosu w spektrum podczerwieni.

18 Zimmerman, s. 10.

19 The 200-inch (5.1-meter) Hale Telescope, dostęp on-line: ttp://www.astro.caltech.edu/palomar/about/telescopes/hale.html

20 Zimmerman, s. 11.

21 Zimmerman, s. 17.

22 Zaraz po II Wojnie Światowej, technologią kosmiczną w USA trudniła się agencja NACA – jej budżet był jednak mały, a zainteresowanie ze strony rządu niewielkie. Po kryzysie Sputnika, Kongres zdecydował się szybko działać. W lutym 1958 roku utworzono jednostkę badawczą ARPA, która zajęła się rozwijaniem technologii kosmicznych, które można było zastosować wojskowo. Tymczasem ówczesny prezydent Stanów Zjednoczonych chciał również położyć nacisk na pokojową eksplorację kosmosu. Z jego decyzji 29 lipca 1958 roku NACA weszła w fazę likwidacji, a już 1 października 1958 roku nowy dekret prezydencki oficjalnie utworzył NASA. 

23 Czyli Naval Research Laboratory.

24 Do 1 maja 1959 roku, ośrodek ten nazywał się Centrum Kosmicznym Beltsville, dopiero później nazwano go imieniem Roberta Goddarda, pioniera technologii rakietowej.

25 Zimmerman, s. 26.

26 Ang. Orbiting Astronomical Observatories.

27 W tym momencie zawsze odnosimy się do średnicy zwierciadła głównego teleskopu. 

28 Zimmerman, s. 28-30.

29 W przypadku Giacconiego akurat udało się – sfinansowany przez armię satelita wystrzelony w 1962 roku wykrył pierwsze kosmiczne promienie Roentgena – nie odbite przez Księżyc, ale pochodzące z głebi kosmosu. Tak odkryto pierwszą gwiazdę neutronową.

30 Zimmerman, s. 32 | Niektóre kapsuły lądowały na oceanie, gdzie albo zostały wyłowione przez okręt marynarki, albo specjalne mechanizmy po dwóch dniach zatapiały ładunek. Ale faktycznie niektóre kapsuły opadały na spadochronach, gdzie następnie były przechwytywane przez samoloty Sił Powietrznych.

Author: Wojciech Usarzewicz

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