Historia Teleskopu Kosmicznego Hubble’a. Część 7

Rozwiązanie problemu

Naukowcy pracujący nad teleskopem przedstawili NASA zaczątki planu – kolejne instrumenty posiadałyby wbudowaną optykę korekcyjną. Był to dobry, prosty plan. Niestety, nie było planu na naprawę instrumentów takich jak FOC, FOS, HRS i HSP. Wmontowanie optyki korekcyjnej na orbicie było niewykonalne, a zbudowanie nowych instrumentów przed 1993 też nie wchodziło w grę z powodu zbyt małego budżetu w NASA. Dodatkowo, STIS i NICMOS miały polecieć dopiero w 1996 roku i nie dało się ich przyśpieszyć. 

Riccardo Giacconi, dyrektor Instytutu Hubble’a, naciskał na NASA w celu szybkiej naprawy teleskopu, ale wciąż trzeba było opracować plan, jak to zrobić. Dlatego Giacconi pozwolił Holandowi Fordowi stojącemu za FOS na uformowanie zespołu roboczego, który miał opracować konkretny plan. W skład tego zespołu wszedł Bob Brown, następca Roberta O’Della, a także Lyman Spitzer, Sandra Faber czy Chris Burrows. Zespół Forda analizował różne pomysły, niektóre bardzo ambitne, niektóre dziwaczne – ale takie mieli zadanie. Kolejne miesiące przebiegały pod znakiem spotkań naukowców i inżynierów i spotkań komisji, które równolegle do Forda szukały rozwiązań. NASA była pewna jeszcze jednej rzeczy – żadna wymiana instrumentów nic nie da, póki panele solarne będą trzęsły teleskopem w wyniku zmian temperatur. Do tego doszły analizy samych astronautów, którzy czarno na białym określili, co są w stanie zrobić na orbicie – to uśmierciło wiele ambitnych planów naprawy Hubble’a. 

I wtedy, w drugiej połowie roku 1990, na scenę wszedł Jim Crocker, członek zespołu Forda. Crocker był doświadczonym inżynierem, pracującym w Instytucie Hubble’a od 1981 roku. Opowieść o sposobie, w jaki Crocker postanowił naprawić teleskop kosmiczny, jest już niemal legendarna – biorąc prysznic, Crocker zwrócił uwagę na sposób, w jaki wysokość słuchawki prysznica może być regulowana na jej montażu, w górę i w dół, oraz na boki. Crocker wpadł na pomysł – zastąpić jeden z instrumentów naukowych nowym urządzeniem, które, z pomocą mechanicznych wysięgników poruszających się w górę i w dół oraz na boki, umieszczałoby zestaw optyki korekcyjnej w odpowiednim miejscu dla każdego instrumentu naukowego z osobna. 

Wkrótce Crocker przedstawił pomysł grupie roboczej – natychmiast przystąpiono do dokładnej analizy. Bob Brown szybko zasugerował, by wykorzystać zbudowany wcześniej moduł STAR, skrót od Space Telescope Axial Replacement – był to pusty moduł dla Hubble’a, zbudowany na wszelki wypadek. Miał on być zainstalowany w teleskopie, gdyby jakiś instrument naukowy spóźnił się na tyle, że HST musiałby startować bez niego. Jednak okazało się, że tańszym rozwiązaniem będzie zbudowanie nowego modułu od zera – tak narodziła się idea Corrective Optics STAR, czyli COSTAR. Inżynierowie opracowali moduł optyki korekcyjnej. Zmodyfikowano ideę wysięgników z optyką, ale wciąż był to dość prosty mechanizm. W lutym 1991 roku pomysł COSTAR został przedstawiony NASA. 

Agencja od razu zaczęła przesuwać budżet – poświęciło na cel ratowania Hubble’a nawet część pieniędzy przeznaczonych na budowę obserwatorium orbitalnego Chandra. W końcu udało się zbudować nowy moduł, składający się z czterech wysięgników i dziesięciu dodatkowych luster. Wszystko to zbudowano z bardzo wysoką precyzją, by nie było już więcej niespodzianek. W międzyczasie, Europejska Agencja Kosmiczna dostarczyła nowe panele solarne, a inżynierowie w NASA opracowali plan dodatkowych napraw – niektóre elementy, takie jak żyroskopy, zdążyły się już zepsuć pomiędzy startem teleskopu, a pierwszą misją serwisową, teleskop bowiem był używany na bieżąco, mimo swoich codziennych problemów.

Kiedy inżynierowie i naukowcy pracowali nad COSTARem i planami pozostałych napraw, NASA opracowała plan lotu i przypisała do niego załogę, która ćwiczyła w wielkich basenach, symulujących mikrograwitację, krok po kroku cały proces naprawy Hubble’a na orbicie. Nie było miejsca na błędy, toteż astronauci spędzili cały rok na ćwiczeniach w wodnej symulacji stanu nieważkości. W basenie zbudowano makietę teleskop, a astronauci pracowali z makietami instrumentów i modułów. Start, ustalony na 2 grudnia 1993 roku, zbliżał się wielkimi krokami. 

Pierwsza misja serwisowa (SM1)

Choć problem z aberracją sferyczną głównego lustra Hubble’a potwierdzony został po kilku tygodniach od wyniesienia teleskopu na orbitę, to naprawa problemu miała potrwać dłużej. Pierwotne plany zakładały, że teleskop zostanie sprowadzony na Ziemię z ładowni wahadłowca, który miałby po Hubble’a polecieć. Plan ten był jednak bardzo drogi – zakładał wysłanie wahadłowca po teleskop, a także kolejny start promu celem ponownego wyniesienia instrumentu na orbitę. Koszta takiego przedsięwzięcia byłyby olbrzymie. Ostatecznie więc zrezygnowano z pomysłu, który szybko przestał wchodzić w grę. Zapadła decyzja: odbędzie się tylko jedna misja wahadłowca. Astronauci przeprowadzą naprawdę na orbicie, bez ściągania teleskopu na Ziemię.62

Cel wydawał się realny – teleskop był dość blisko, w zasięgu lotów wahadłowcem. Od samego początku był budowany tak, by można było go serwisować z pomocą promów. Odpowiedni instrument mógł być zbudowany. Pozostało więc go stworzyć, a astronautów przeszkolić do wykonania tej bardzo skomplikowanej misji. Przez kolejne dwa i pół roku miały, od czerwca 1990 roku, potrwać: trening astronautów oraz budowa instrumentu. Moduł z optyką korekcyjną nie miał zastąpić lustra – miał tylko korygować sposób, w jaki światło trafiało do instrumentów Hubble’a. Tak powstał moduł COSTAR.

By jednak zainstalować moduł, trzeba było zrobić na niego miejsce w trzewiach teleskopu. Coś trzeba było usunąć. Wybór padł na szybki fotometr HSP, który był mało wymaganym elementem wyposażenia Hubble’a. Astronauci mieli więc usunąć fotometr i w jego miejsce umieścić COSTAR’a. COSTAR składa się z pięciu par luster, które miały korygować światło padające na główne instrumenty Hubble’a, rozwiązując problem rozmytych obrazów. 

Między odkryciem aberracji sferycznej w teleskopie, a wystrzeleniem promu, do listy prac naprawczych dodano kilka dodatkowych drobnostek. Kamera szerokokątna WF/PC miała zostać zastąpiona nowszą wersją, WF/PC-2, co zwiększyło wrażliwość Hubble’a na ultrafioletową część spektrum elektromagnetycznego. Astronauci mieli również podmienić panele fotowoltaiczne wraz z ich elektroniką sterującą, procesory, sensory oraz żyroskopy elektroniczne.

Tak oto opracowano plan pierwszej misji serwisowej Teleskopu Kosmicznego Hubble’a. Każdy element misji musiał być dokładnie przećwiczony. Na orbicie nie byłoby miejsca na błąd czy niepewność. 

Misja, której nadano oznaczenie STS-61, miała trwać ponad tydzień. 

Start

15 listopada 1993 roku, olbrzymi transporter NASA przewiózł wahadłowiec Endeavour z hali montażowej na stanowisko startowe 39B na przylądku Canaveral, na Florydzie. Zaczęły się ostateczne przygotowania do startu. Pierwotnie, Endeavour miał startować ze stanowiska 39A, jednak doszło tam do zanieczyszczenia komory wymiany ładunku63, co zmusiło NASA do zmiany stanowiska startowego.

1 grudnia załoga i obsługa naziemna szykowały się na start, jednak warunki pogodowe nie niego nie pozwoliły. Start odłożono do kolejnego dnia. W końcu o godzinie 9:27:00 GMT, prom Endeavour wystartował. Na pokładzie znajdowali się dowódca misji Richard O. Covey, pilot promu Kenneth D. Bowersox, dowódca ładunku F. Story Musgrave i specjaliści misji: Kathryn C. Thornton, Claude Nicollier, Jeffrey A. Hoffman i Tom Akers. Rozpoczęła się jedna z najtrudniejszych misji wahadłowca kosmicznego w historii NASA. Jeśli by się powiodła, byłoby to olbrzymie osiągnięcie dla Amerykańskiej Agencji Kosmicznej w kwestii możliwości promów kosmicznych.

Musiały minąć trzy dni, nim wahadłowiec dotarł do Hubble’a. Z pomocą robotycznego ramienia, astronauta Claude Nicollier pochwycił teleskop Hubble’a i umieścił go pionowo nad ładownią wahadłowca. Rozpoczęła się główna część misji. Pięć wyjść w przestrzeń kosmiczną miało wystarczyć na wykonanie wszystkich zadań, które opracowano na Ziemi. Wszystkie wyjścia zajęły w sumie 35 godzin i 28 minut. Wbrew obawom NASA, większość zadań została wykonana bardzo sprawnie i przed czasem. 

Po każdym wykonaniu zadania przez astronautów, obsługa teleskopu w Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda na Ziemi testowała poszczególne elementy teleskopu Hubble’a, by upewnić się, że wszystko idzie zgodnie z planem. 

***

Czwartego dnia misji, Musgrave i Hoffman wykonali wspólny, pierwszy spacer kosmiczny do Hubble’a. Wymienili drobne elementy elektroniczne, niemal bijąc przy tym rekord najdłuższego w historii wyjścia w przestrzeń. Spacer Musgrave’a i Hoffmana trwał 7 godzin i 54 minuty. Najdłuższy spacer kosmiczny miał miejsce w czasie misji STS-49 i trwał 8 godzin, 29 minut.

Piątego dnia misji, Thornton i Akers zainstalowali nowe, wykonane przez Europejską Agencję Kosmiczną, panele fotowoltaiczne, dzięki którym Hubble’a miał stałe zasilanie w prąd elektryczny i w końcu mógł zapomnieć o drgawkach. Kamera szerokokątna WF/PC została wymieniona w rekordowym tempie 40 minut, choć plan zakładał, że potrwa to aż 4 godziny. Miało to miejsce szóstego dnia. Wymiana kamery była potrzebna, bowiem nowa wersja posiadała poprawki, kompensujące problemy z głównym lustrem teleskopu. 

Misja nie przebiegała bez problemów – momentami astronauci musieli improwizować, choćby w momencie, kiedy radio w skafandrze Thornton przestało odbierać komunikaty z Ziemi i musiała ona polegać na Akersie, który przekazywał je polecenia z centrum kontroli lotów.64

Najbardziej oczekiwano siódmego dnia misji, kiedy Thornton i Akers usunęli z Hubble’a fotometr HSP i zainstalowali zbudowany na Ziemi moduł COSTAR. Odbyło się to bez problemu. Astronauci zainstalowali też nowe procesory i moduły pamięci w komputerach Hubble’a. 

Ostatnie wyjście w przestrzeń ósmego dnia Hoffman i Musgrave zainstalowali ostatnie mniejsze komponenty na teleskopie. Kontrola naziemna uruchomiła nowe panele, a Hubble został wyniesiony przez prom na wyższą orbitę, na wysokość 595 kilometrów nad Ziemią. 

Dziewiątego dnia Teleskop Kosmiczny Hubble’a został wypuszczony z ładowni wahadłowca. Prom skierował się w drogę powrotną na Ziemię. 

13 grudnia 1993 roku o 17:25:37 GMT, Endeavour wylądował bezpiecznie w Centrum Kosmicznym Kennediego na Florydzie. STS-61 trwała 10 dni, 19 godzin, 58 minut i 37 sekund. Misja serwisowa się zakończyła – obsługa Hubble’a musiała teraz przekonać się, czy wszystko poszło zgodnie z planem.

Ilustracja 4: Instalacja COSTARa w teleskopie kosmicznym (NASA/ESA)

Kiedy słyszy się o kolejnych odkryciach, których pomógł dokonać Teleskop Kosmiczny Hubble’a, lub kiedy oglądamy kolejne piękne zdjęcia kosmosu, często nie myśli się, że wszystko to zawdzięcza się ciągłemu rozwijaniu i utrzymywaniu w sprawności kosmicznego teleskopu. Wiele odkryć i pięknych zdjęć zawdzięczamy instrumentom naukowym, które nie istniały w momencie, kiedy w kwietniu 1990 roku Hubble był wynoszony na orbitę. Misje serwisowe – naprawy i modyfikacje teleskopu w kosmosie – stanowią ważną część historii HST. Trzeba mieć świadomość, że wiele odkryć nie byłaby możliwa, gdyby astronauci nie ryzykowali swojego życia, by na pokładzie wahadłowców dotrzeć do Hubble’a w celu wykonania postawionego przed nimi zadania. 

Misja z grudnia 1990 roku, pierwsza misja serwisowa HST, była kamieniem milowym. NASA pokazała, że promy kosmiczne są w stanie serwisować satelity orbitalne. Wiedza i doświadczenie zdobyte tego miesiąca pomogły rozwijać amerykański program kosmiczny przez kolejne 20 lat i mocno przyczyniły się do ostatecznej misji wahadłowców: zbudowania Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. 

Czy się udało?

Mimo problemów z optyką, Teleskop Kosmiczny Hubble’a okazał się cennym instrumentem naukowym – jego zdolności obserwacyjne, mimo aberracji, przebijały możliwości teleskopów naziemnych. Dlatego w latach 1990-1993 pomagał już naukowcom w wykonywaniu badań naukowych. Wszyscy wciąż jednak oczekiwali, że HST spełni ich oczekiwania, planowane od dziesiątek lat. 

Zaraz po pierwszej misji serwisowej, Goddard nie zorganizował konferencji prasowej – naukowcy zebrali się natomiast w Baltimore. Tym razem wystarczyło kilka dni na kalibracje i testy teleskopu – 18 grudnia HST, z pomocą kamery szerokokątnej WF/PC-2 wykonał zdjęcie gwiazdy w gwiazdozbiorze Żyrafy. 

Wszyscy wpatrywali się w monitor, oczekując rezultatów „drugiego światła”. Po kilku sekundach ładowania się zdjęcia, naukowcy krzyknęli z radością. Zdjęcie było idealnie ostre – i nawet sami naukowcy nie spodziewali się takiej jakości. Teleskop Kosmiczny Hubble’a był sprawny.

Tu jednak historia postanowiła się nie skończyć, a Hubble miał wkrótce okazać się jeszcze lepszy – Chris Burrows na bazie kolejnych symulacji komputerowych zasugerował dodatkowe zmiany. Następne dni naukowcy i inżynierowie poświęcili właśnie na jeden ciągły proces: zdjęcie, symulacje Burrowsa, sugestie i kolejne zdjęcie. Z każdym naświetleniem Hubble robił coraz lepsze fotografie kosmos – dodatkowe kalibracje, które miały zająć długie miesiące, wykonano w ciągu kilku dni.65 Pod koniec grudnia naukowcy byli już pewni, że HST jest w stanie robić zdjęcia idealne. Zbliżała się konferencja Amerykańskiego Stowarzyszenia Astronomicznego (AAS), która miała mieć miejsce na początku stycznia 1994 roku. Zespół Hubble’a wiedział, że tym razem muszą pokazać efekty pracy Hubble’a całemu światu.

Ilustracja 5: Galaktyka M100 przed COSTARem (NASA/ESA)

31 grudnia 1993 roku, w sylwestrowy wieczór naukowcy pracujący przy Hubble’u wstrzymali oddech. WF/PC-2 miała sfotografować galaktykę M100. I w końcu naukowcy zobaczyli to:

Ilustracja 6: M100 po naprawie optyki (NASA/ESA)

Wszystko było już pewne – Teleskop Kosmiczny Hubble’a został naprawiony.

Nowe zdjęcie przedstawiało galaktykę spiralną M100 – była to dokładnie ta sama galaktyka, którą fotografowano wcześniej, kiedy Hubble miał jeszcze wadę. 

Co ciekawe, samo zwierciadło teleskopu cały czas ma wadę – ta nie została nigdy naprawiona, zwierciadła nie da się bowiem wymienić na orbicie. COSTAR pełnił funkcję okularów korekcyjnych. Jak pokazało 25 lat pracy Hubble’a, „okulary” te sprawdziły się doskonale. 

Pierwsza misja serwisowa teleskopu Hubble’a okazała się olbrzymim sukcesem. NASA pokazała, że jest w stanie dokonać skomplikowanej operacji w kosmosie – misja tego typu była wcześniej nie do pomyślenia. Opinia publiczna uspokoiła się, bowiem pieniądze nie zostały wyrzucone w błoto. A Hubble, z biegiem czasu, dostarczył nam gigantycznych ilości danych naukowych, które zmieniły nasze pojmowanie wszechświata. Chwile niepewności się skończyły – teleskop kosmiczny był sukcesem. Nie było już co do tego wątpliwości. Jednak Hubble nie miał pozostać taki sam na przestrzeni lat, bowiem przyszłość przyniosła kolejne misje serwisowe, które regularnie podmieniały instrumenty teleskopu, rozwijając jego zdolności coraz bardziej i bardziej. 

Na przełomie 1993 i 1994 roku, zaczynała się era wielkich odkryć astronomicznych – era Hubble’a. 

Kamera WF/PC-2 była fenomenalna, a naukowcy zaczęli intensywnie używać też samego COSTARa – zdjęcia z jego pomocą trwały dłużej, bowiem wszyscy dopiero się uczyli kalibracji jego 10 luster. Uczyli się szybko. Jeszcze przed konferencją AAS, pracownicy Instytutu Teleskopu posiadali już zdjęcia wykonane przez inne instrumenty, korzystające właśnie z COSTARa. Na AAS przygotowano szybko prezentację naukową, która miała miejsce 14 stycznia 1994 roku. Środowisko naukowe poznało wtedy możliwości naprawionego teleskopu kosmicznego. 

Można było rozpocząć obserwacje naukowe. Jednak możliwości Hubble’a okazały się nie być tak ograniczone jak sądzono, dzięki temu, że lata wcześniej postanowiono zbudować ten teleskop w systemie modułowym, na co naciskali i o co walczyli Spitzer, Robert O’Dell czy Ed Weiler. Kolejne misje serwisowe miały aktualizować sprzęt na pokładzie – i choć misje były przekładane w porównaniu do pierwotnych planów, to – dzięki promom kosmicznym – miały jednak miejsce. Z każdym nowym instrumentem teleskop kosmiczny widział lepiej, ostrzej, dalej. 50 lat po wizji Lymana Spitzera, Teleskop Kosmiczny Hubble’a stał się faktem.

Przypisy

62 Clark, S., Wszechświat w obiektywie. Historia teleskopu Hubble’a. Wyd. RTW, 1997, s. 17

63 Promy kosmiczne startowały z naprawdę olbrzymich wież startowych. Komora wymiany ładunku (ang. Payload Changeout Room), znana potocznie jako „biały pokój”, to dosłownie duża komora, znajdująca się na RSS – rotacyjnej części wieży. Komora ta szczelnie dopasowywała się do promu kosmicznego, zamykając się wokół jego ładownii. Umożliwiało to bezpieczne i sterylne załadowanie wahadłowca bez strachu o zanieczyszczenie ładunku czy samego promu. Po zakończonym przeładunku, ładowania promu była zamykana, a komora, wraz z całą sekcją RSS, odjeżdżała na bok – prom był gotowy do startu. 

64 Zimmerman, s. 153-154.

65 Zimmerman, s. 161.

Author: Wojciech Usarzewicz

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