Historia Teleskopu Kosmicznego Hubble’a. Część 5

Perkin-Elmer

Perkin-Elmer został wybrany jako podwykonawca Centrum Marshalla i jego zadaniem było zbudowanie głównego szkieletu teleskopu kosmicznego, zwierciadła głównego oraz systemu celowniczego, który pozwoliłby LST utrzymywać skupienie na konkretnym obiekcie kosmicznym w ramach obserwacji.53 Już w grudniu 1978 roku do fabryki firmy w Wilton dostarczono główną taflę szkła, która miała stać się wkrótce zwierciadłem głównym teleskopu. Perkin-Elmer został wybrany do wykonania zwierciadła z uwagi na to, że miał już sprzęt, formy i doświadczenie w tej pracy. Wykonywał wcześniej zwierciadła dla satelitów wojskowych USA. 

27 marca 1979 roku skończono wstępne polerowanie zwierciadła. Wtedy pojawił się pierwszy problem, inżynierowie bowiem zauważyli sieć małych pęknięć w okolicach krańców lustra. Przez kilka tygodni zastanawiali się, co zrobić. Zdecydowano się na standardową procedurę wywiercenia pęknięć i zatkania tak powstałych otworów, co uchroniło by zwierciadło przed postępowaniem pęknięć, a jednocześnie nie miałoby wpływu na zdolności skupiające lustra. Do tego okazało się, co potwierdzili kontrolerzy prac, Bill Keathley i Robert O’Dell, że pracowników Perkin-Elmer cechował wewnętrzny chaos – zdawało się, że nikt tak naprawdę nie wiedział, co robi w wyniku goniących terminów, kolejnych problemów i dziur budżetowych. Perkin-Elmer, jak okazało się w czasie budowana teleskopu, dość swobodnie złożył ofertę do przetargu. Innymi słowy, zaniżył koszty teleskopu poniżej realnej sumy i w rezultacie nie miał pieniędzy, by zrealizować zamówienie na zwierciadło i pozostałe komponenty LST. W efekcie doszło do przetasowania w kadrze zarządzającej i do Perkin-Elmer trafił Fred Speer, który miał ratować projekt teleskopu po stronie podwykonawcy. Speer szybko dokonał przebudowania procesów w Perkin-Elmer, ale jednocześnie zaczął irytować środowisko naukowców stojących za LST, proponując radykalne cięcia kosztów, na przykład przez usunięcie przednich drzwi teleskopu, redukcję liczby aktuatorów za zwierciadłem głównym, czy ograniczenie liczby testów instrumentów naukowych. Speer chciał również ograniczyć modułową budowę teleskopu, żeby tylko zmieścić się w budżecie. O’Dell dał radę uchronić drzwi i aktuatory, ale nie testy i moduły, których liczba została zmniejszona, tym samym ograniczając ilość sprzętu w teleskopie, który mógł być łatwo wymieniany na orbicie przez astronautów w czasie misji serwisowych.

O’Dell ostatecznie sam zaczął naciskać na swoich podwykonawców, zaczynając od Centrum Goddarda, gdzie dwa spektrografy, FOS i HRS, znacznie się opóźniały w budowie. O’Dell planował nawet całkowicie opóźnić ich instalację w teleskopie. Brał pod uwagę, że kontrola naziemna Hubble’a będzie miała do dyspozycji regularne misje wahadłowców kosmicznych, dzięki czemu jakikolwiek dodatkowy instrument naukowy mógł być bez problemu zainstalowany już na orbicie, jeśli nie udałoby się go zbudować odpowiednio wcześnie. Speerowi ten pomysł się spodobał – niestety, tym razem środowisko naukowe nie było zbyt przychylne. 

O’Dell pod koniec lat 70-tych zaczął tracić poparcie wśród członków projektu teleskopu kosmicznego. Wielu jego znajomych nie pracowało już nad LST – Spitzer stracił swój Widikon, Nancy Roman przeszła na emeryturę, a administracja NASA zmuszała O’Della do coraz intensywniejszego cięcia kosztów. To sprawiło, że twarda ręka O’Della zniechęciła do niego wielu naukowców i inżynierów. Kiedy w 1980 roku na spotkaniu grupy roboczej Speer z O’Dellem zaproponowali odsunięcie instalacji spektrografów i wysłanie teleskopu tylko z główną kamerą i fotometrem, nawet kierownicy z NASA byli przeciwni temu pomysłowi. Spotkanie to miało miejsce 26 lipca – kiedy pomysły spotkały się z falą krytyki, O’Dell stracił ostatecznie zapał do pracy nad teleskopem. Dla O’Della był to początek końca jego przygody z LST. 7 września 1982 roku, po dziesięciu latach ciężkiej pracy, O’Dell przyjął posadę profesora astronomii na Uniwersytecie w Rice, a 1 października 1983 oficjalnie zrezygnował ze stanowiska szefa naukowego LST w Marshallu. Zastąpił go Bob Brown.

Ostateczne szlifowanie zwierciadła

W połowie czerwca 1980 roku Perkin-Elmer przeniósł wypolerowane lustro z Wilton do Danbury, gdzie mieścił się inny warsztat firmy. W Danbury zwierciadło LST miało przejść ostateczny proces polerowania i zostać w pełni wykończone. Prace nad głównym lustrem były poważnie opóźnione, przynajmniej o 9 miesięcy. W tym czasie nie tylko naprawiano małe spękania tafli szkła, ale też musiano naprawiać poważniejsze rysy w regionie połączenia – zwierciadło było bowiem polerowane z dwóch połączonych tafli, a problematyczne rysy i rowki musiały być wycięte. Gdyby tego nie zrobiono, lustro mogłoby popękać w czasie startu. Jak wspomina szef projektu, Bud Rigby, czas gonił jego zespół tak bardzo, że sypiano w biurach, zapominając o własnych domach.54

Ilustracja 2: Sprawdzanie jakości lustra głównego (NASA)

W celu wykonania głównego zwierciadła, Perkin-Elmer wykonał mniejsze lustro, by przetestować technologię. Teleskop kosmiczny wymagał znacznie dokładniejszego lustra, niźli satelity wojskowe. Polerowanie luster wklęsłych wymaga dokładnych instrumentów pomiarowych – taki instrument mierzy powierzchnię lustra i wskazuje, gdzie należy dokonać dodatkowego polerowania, by lustro uzyskało dokładny kształt. Perkin-Elmer zmodyfikował dla lustra LST urządzenie zwane Reflective Null Corrector – RNC. Składało się ono z dwóch luster i soczewki. W urządzeniu tym lustro lasera padało na zwierciadło główne RNC, a potem odbijało się na zwierciadła wtórne. Wszystko było tak ustawione, iż urządzenie tworzyło obraz składający się z naprzemiennych wzorów jasnych i ciemnych, zwane interferogramem – wzory te można przyrównać do konturów i linii na mapach topograficznych. Gdy powierzchnia polerowanego lustra nie jest odpowiednia według specyfikacji, RNC stworzy obraz pokręconych i wygiętych wzorów, zamiast prostych – dzięki temu inżynierowie wiedzą, gdzie należy lustro poprawić.

RNC został skonfigurowany na potrzeby lustra testowego o średnicy 1,52 metra. Dlatego inżynierowie w Perkin-Elmer musieli skonfigurować RNC na potrzeby właściwego lustra o średnicy 2,4 metra. W tym celu przestawili dwa lustra wtórne RNC i poprawili pozycję soczewki głównej tak, by znalazła się dokładnie 58 centymetrów poniżej punktu skupienia światła dolnych luster wtórnych urządzenia. Cały RNC zamontowany był pod sufitem pomieszczenia testowego w warsztacie Perkin-Elmer. Do każdego testu zwierciadła, inżynierowie przenosili lustro z pomieszczenia do polerowania do pomieszczenia testowego z RNC. Miernik był tak wysoko ustawiony, że dostać się do niego, zwłaszcza do soczewki skupiającej na dole, trzeba było z pomocą odpowiedniego rusztowania. 

Precyzja była niezbędna – soczewka musiała być ustawiona w stosunku do punktu skupienia promieni świetlnych odbijanych przez lustra, dlatego Perkin-Elmer zbudował specjalny pręt pomiarowy zbudowany z materiału, który nie kurczył się pod wpływem temperatur i warunków zewnętrznych. Na górze pręta znalazła się nieprzeźroczysta zasłonka z otworem w środku, dzięki czemu światło lasera trafiało do środka pręta. Pręt został umieszczony w RNC, a laser świecił przez otwór w zasłonce – jeśli laser nie trafił by w ten otwór, inżynierowie by go nie zobaczyli i wiedzieli by, że pręt musi być przesunięty. Gdy pręt znalazł się na pozycji, można było ustawić w końcu wysokość soczewki RNC. 

Wtedy okazało się, że śruby mocujące soczewkę nie pozwalają na jej odpowiednie obniżenie tak, jak wykazał to pręt mierniczy – nikt jednak nie wiedział, dlaczego tak się dzieje. Pręt wskazywał, że soczewka musi być obniżona o dodatkowe 1,3 milimetra. Terminy i budżet goniły, więc inżynierowie zdecydowali się na naprawę w stylu domowym – pod mocowania soczewki podłożono trzy małe podkładki pod śruby, obniżając ostatecznie soczewkę o 1,3 milimetra. Pręt mierniczy został usunięty, rusztowanie służące do dostępu do RNC zdemontowano i operacja, w oczach inżynierów, zakończyła się sukcesem.

Do RNC nie było już dostępu, a inżynierowie zabrali się za polerowanie zwierciadła teleskopu kosmicznego. Nikt nie sprawdził miernika, nikt nie zadał pytania, skąd wziął się błąd 1,3 milimetra. Nikt z NASA nie przyszedł na kontrolę. Zapomniano o problemie z dodatkowym milimetrem, zapomniano o podkładkach, nawet projektant RNC niczego się nie dowiedział od Perkin-Elmer. Dodatkowo, tajność wielu projektów w Perkin-Elmer poważnie ograniczała dostęp kontrolerów NASA do warsztatów firmy. 

I tak 3 sierpnia 1980 roku rozpoczęło się polerowanie lustra głównego LST, które miało potrwać kolejne 9 miesięcy. Prace postępowały, a zwierciadło było regularnie sprawdzane pod miernikiem RNC. I nawet, kiedy okazało się, że pomiary RNC każą zdjąć z tafli więcej materiału, niźli przewidywano w projektach, nikt nie zastanawiał się, dlaczego tak jest – polerowano więc dalej. 

Był rok 1980 – dziesięć lat później śledztwo wykaże, jak błaha była przyczyna dodatkowego milimetra, a jak poważne były konsekwencje pośpiechu i braku zainteresowania ze strony kogokolwiek w NASA czy Perkin-Elmer. Wtedy też ostatecznie okaże się, że dziesiątki wcześniejszych lat walk o budżet, niedofinansowanie, złe pierwotne oszacowania kosztów i goniące terminy, wszystko to było przyczyną jednego z najsłynniejszych problemów instrumentu naukowego w historii. 

Zimmerman w swojej książce kładzie nacisk na serce problemu, czyli decyzję Fletchera o oszacowaniu budżetu LST na 300 milionów dolarów. Ale też kontynuuje, wskazując, jak problematyczne były walki pomiędzy wszystkimi podwykonawcami teleskopu i jak problematyczne były sposoby prowadzenia interesów przez NASA w latach 70-tych i 80-tych – budżet szacowano na zbyt mały, a kolejne pieniądze z opóźnieniem były wyciągane z budżetu federalnego. W takich nastrojach nie dało się normalnie prowadzić projektów naukowych, stąd pojawiały się walki i opóźnienia.55

Dalsze opóźnienia

Perkin-Elmer nie przejmował się aż tak problemami z budową, co z jej terminami – regularne negocjacje z NASA pozwoliły firmie na zwiększenie budżetu i na zatrudnienie nowych ludzi, ale to również nie pomogło sytuacji teleskopu kosmicznego, którego budowa coraz bardziej się opóźniała. Pod koniec 1980 roku Perkin-Elmer zatrudnił nowego managera, Dona Fordyce’a, który miał zająć się projektem LST, który był już opóźniony o cztery miesiące na koniec 1980 roku. Choć Fordyce się starał, poddał się w grudniu 1982 roku – nie widział szans, by Perkin-Elmer wyrobił się z budową teleskopu, jeśli NASA nie wpompowałaby w firmę olbrzymiej sumy.

W styczniu kolejnego roku Fordyce udał się do NASA i nakreślił sytuację administracji. Ówczesny dyrektor NASA, Jim Beggs, choć niechętnie, wynegocjował w Kongresie przelewy z różnych projektów na cele LST i w ten sposób, teleskop kosmiczny dostał nową porcję gotówki. Centrum Marshalla zatrudniło setki specjalistów, którzy przeniesieni zostali do warsztatów Perkin-Elmer w celu dokończenia budowy teleskopu. W rezultacie, Fred Speer został też usunięty ze stanowiska managera projektu. Jego miejsce zajął April Lucas, który, w przeciwieństwie do Speera, miał inny styl zarządzania – na jego spotkaniach rzadko mówiono o problemach. Co samo w sobie było problemem. 

Kiedy więc 26 maja 1981 inżynier Albert Slomba z pomocą miernika optycznego postanowił zbadać poprawność kształtu głównego zwierciadła na warsztacie Perkin-Elmer, zdziwił się swoimi wynikami, które jasno pokazywały, że zwierciadło ma wadę. Jego test miał na celu wykazać położenie centrum wklęsłości lustra, nie jego kształt, ale i tak wyniki były dla Slomby podejrzane – jego test wykazał, że środek lustra znajduje się tam, gdzie powinien być, ale już całe lustro wokół centralnego punktu wykazywało wadę. Udał się więc do projektanta głównego RNC, Luciena Montagnino, który jednak zapewnił Slombę, że jego mały przyrząd nie ma takiej dokładności, jak montagninowski duży RNC. Montagnino nawet nie zamierzał nic sprawdzać – nie podejrzewał problemów, jako iż inżynierowie Perkin-Elmer nie poinformowali go błędzie 1,3 milimetra i zastosowaniu podkładek w RNC. W rezultacie, Slomba swojego odkrycia praktycznie nigdzie nie zgłosił, będąc przekonanym o kiepskiej jakości swojego urządzenia pomiarowego. Jego raport trafił jednak wyżej do NASA, ale i tam został on zignorowany. 

Niektórzy inżynierowie chcieli jeszcze raz mierzyć zwierciadło główne, ale administracja Perkin-Elmer się na to nie zgodziła – terminy wciąż goniły. Carl Fuller, pracownik NASA, który miał przetestować jakość zwierciadła, nie dostał na ten cel żadnego budżetu, choć dostał odpowiedzialność. Gdy przyszło mu podpisać dokumentację poprawności zwierciadła, odmówił i nigdy tego nie podpisał, ponieważ nie miał fizycznych możliwości sprawdzenia lustra – nikt w NASA się tym nie przejął. Kiedy nadzorca prac w Perkin-Elmer otrzymał w końcu raport o dodaniu podkładek w RNC, schował go do szuflady, nie przekazując go do Centrum Marshalla. 

Mimo to, prace postępowały – minęły już lata od planowanego startu teleskopu w 1977 roku, ale budowa nie stała w miejscu mimo dużych opóźnień.

Narodziny HST

W 1983 roku NASA oficjalnie zaprzestała stosowania nazwy LST na rzecz nowej – teleskop kosmiczny nazwano imieniem Edwina Hubble’a. 

Teleskop Kosmiczny Hubble’a nosi swoją nazwę po wielkim astronomie XX wieku – Edwinie Powellu Hubble’u. To dzięki niemu nasza perspektywa na Wszechświat zmieniła się całkowicie, a nasz kosmos rozszerzył się do niewyobrażalnych rozmiarów, i to dosłownie. Edwin Hubble to człowiek, który ostatecznie umieścił Ziemię poza centrum Wszechświata. Hubble urodził się w Missouri, w 1889 roku. W wieku 9 lat jego rodzina przeniosła się do Chicago. Szkołę średnią skończył w 1906 roku, słysząc te słowa od swojego dyrektora: “Edwinie Hubble’u, w ciągu czterech lat nigdy nie widziałem, byś uczył się przez więcej, jak 10 minut.” Po krótkiej przerwie dla uzyskania dramatycznego efektu, dyrektor oznajmił Hubble’owi przyznanie stypendium na Uniwersytet w Chicago – dla Hubble’a wiedza przychodziła bowiem z łatwością. 

W 1910 roku Hubble uzyskał swój dyplom z matematyki i astronomii. Później uzyskał stypendium na Uniwersytecie Oxfordu, gdzie zgodnie z wolą swojego ojca, zaczął studiować prawo, mimo swego zamiłowania do astronomii. Powrócił do Stanów Zjednoczonych w 1913 roku, gdzie uzyskał prawo do wykonywania zawodu. Przez 1914 rok nauczał hiszpańskiego, fizyki i matematyki oraz koszykówki w liceum w New Albany w Indianie, ale już rok później zdecydował się skupić na astronomii. Zaczął robić swój doktorat w 1914 roku na Uniwersytecie Chicago. 

Pracując wciąż nad swoim doktoratem, w 1917 roku Hubble został zaproszony przez George’a Hale’a do jego zespołu w Pasadenie, gdzie Hale zbudował obserwatorium astronomiczne na Mount Wilson. Hubble jednak odmówił – skończył pisać swój doktorat, obronił go i zaciągnął się do armii, by walczyć w Wielkiej Wojnie. Po służbie wrócił do USA w 1919 roku – major Edwin Hubble stawił się w końcu w obserwatorium na Mount Wilson. Hubble trafił idealnie – w obserwatorium właśnie zakończono montaż teleskopu Hookera i to właśnie w tym obserwatorium zaczęła rodzić się dziedzina astrofizyki. 

W Mount Wilson pracował wtedy Harlow Shapley, który zyskał rozgłos po tym, jak dzięki obserwacji Cefeid56 obliczył rozmiar Drogi Mlecznej – między 150 a 200 tysięcy lat świetlnych, czyli znacznie więcej niż ówcześnie myślano. Ale Hubble miał dokonać czegoś więcej – Shapley bowiem, podobnie jak większość astronomów ówczesnych czasów, przekonany był, że Droga Mleczna jest wszystkim, co istnieje we Wszechświecie – i nie ma nic więcej. Hubble miał dokonać rewolucji.

Hubble przez wiele lat pracował przy teleskopie Hookera, obserwując nocne niebo. W październiku 1923 roku zaobserwował coś, co miało prowadzić do przełomu. Dostrzegł coś, co według jego pierwszych myśli miało być supernową, która rozbłysła w mgławicy M31 w gwiazdozbiorze Andromedy. Jego smykałka badawcza skierowała go jednak do analiz płyt fotograficznych wykonanych wcześniej przez innych astronomów. Hubble odkrył, że zaobserwowany przez niego obiekt był tak naprawdę Cefeidą. Hubble wykorzystał więc technikę Shapleya by zmierzyć dystans do nowo odkrytej Cefeidy – i to był przełom. Hubble wyliczył, że nowa Cefeida oddalona była od Ziemi o milion lat świetlnych, czyli znacznie dalej, niż granica Drogi Mlecznej. Hubble nagle zrozumiał, że M31 nie jest mgławicą, ale całą nową galaktyką, którą dziś znamy jako M31 Andromeda. Kosmos nagle stał się olbrzymi, a wiele obiektów wcześniej uważanych za mgławice okazało się być kolejnymi galaktykami. 

Odkrycie to było po prostu wielkie dla całego świata, a nawet i New York Times wspomniał o nim w druku. Ale nie było to ostatnie odkrycie Hubble’a. Zaczął on badać prędkość wszystkich znanych mgławic w oparciu o ich spektrum światła. W 1929 roku zauważył, że wszystkie obserwowane galaktyki oddalają się od nas z coraz większą prędkością – im większa odległość między galaktykami, tym większa prędkość “ucieczki”. Zależność tę znamy dziś jako Prawo Hubble’a. I sprowadza się do prostego faktu, odkrytego przez Hubble’a – Wszechświat się rozszerza. Kilka lat wcześniej ekspansję Wszechświata przewidział Albert Einstein, a Hubble potwierdził to swoimi obserwacjami, za co dostał osobiste podziękowania od Einsteina.

Hubble pracował na Mount Wilson do 1942 roku, kiedy ruszył walczyć na froncie II Wojny Światowej. Wrócił do pracy w 1946 roku i w kolejnych latach pracował nad opracowaniem nowego teleskopu Hale’a, który dziś znajduje się w obserwatorium Palomar. Hubble zmarł w 1953 roku.

Przypisy

53 Wiele zdjęć kosmosu wymaga bardzo długich naświetleń, od kilkunastu minut do kilkudziesięciu godzin. To sprawia, iż teleskop musi być wyposażony w dokładne systemy celowania, dzięki którym cały czas będzie nakierowany na swój cel, nie powodując tym samym rozmycia obrazu.

54 Zimmerman, s. 107.

55 Zimmerman, s. 111-112.

56 Cefeidy są gwiazdami zmiennymi, które pulsują w równych odstępach czasu, a co w związku z tym, zmieniają swoją jasność. Zmiany te, obserwowane na Ziemi, pozwalają na obliczenie odległości między obiektami kosmicznymi, co pierwsza omówiła Henrietta Leavitt w 1912 roku. To właśnie dzięki Cefeidom mierzymy odległości między galaktykami.

Author: Wojciech Usarzewicz

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