Historia Teleskopu Kosmicznego Hubble’a. Część 8

Czas Hubble’a

Od stycznia 1994 roku, Teleskop Kosmiczny Hubble’a stanowi jeden z najważniejszych instrumentów naukowych świata. Dostęp do jego możliwości i danych ma praktycznie każdy naukowiec na świecie – i nie tylko. Ciekawostką jest, że każde ze zdjęć wykonanych przez HST, udostępnianych opinii publicznej, ma charakter naukowy. Nie są to zaledwie piękne obrazki, ale cenne materiały badawcze. Warto zdać sobie sprawę z tego, iż dowolne zdjęcie wykonane przez Hubble’a, a dostępne choćby na stronach internetowych Europejskiej Agencji Kosmicznej, jest dokładnie tym samym, z którego korzystają naukowcy w swoich odkrywczych badaniach. 

Na początku 1990 roku to właśnie ten fakt był powodem, dla którego naukowcy pracujący z HST tak niechętnie podchodzili do pomysłu udostępnienia pierwszych zdjęć wykonanych przez teleskop kosmiczny. Argumentowali, iż do zdjęcia wydrukowanego w lokalnej gazecie, każdy amator może przyłożyć linijkę i dokonać rewolucyjnego odkrycia. Tego typu przypadki miały miejsce już w przeszłości w przypadku misji Voyagerów. 

Dziś jednak środowiska naukowe są bardziej otwarte, a dane zbierane przez teleskop Hubble’a są znacznie łatwiej dostępne dla każdego chętnego.

Proces planowania obserwacji

Do lat 70-tych, wiele teleskopów naziemnych było operowanych przez konkretne uczelnie, które rezerwowały swoje teleskopy dla swoich własnych naukowców. Kiedy zaczęto formować konsorcja uczelni, dostęp do teleskopów poszerzył się, ale dopiero teleskop kosmiczny zmienił to podejście, umożliwiając dostęp do HST praktycznie każdemu naukowcowi z całego świata, stowarzyszonemu czy nie. To samo podejście zaadaptowały współczesne duże teleskopy naziemne – dziś, co pierwotnie funkcjonowało tylko w przypadku HST, każdy może zgłosić wniosek o obserwacje do komitetu naukowców zarządzającego danym teleskopem. A obserwacje, po pewnym „prywatnym” czasie przyznanym danemu naukowcowi, są w końcu udostępniane publicznie każdemu zainteresowanemu.

Naukowcy z całego świata mogą zgłosić swoją chęć wykorzystania możliwości teleskopu kosmicznego. Ponieważ jednak naukowców chętnych na skorzystanie z HST jest wielu, nie każdy dostanie tę możliwość. We wniosku kierowanym do specjalnej komisji trzeba wykazać, że żaden inny teleskop nie jest w stanie wykonać planowanej obserwacji i tylko Hubble nadaje się do wykonania wnioskowanego zadania. Wniosków o skorzystanie wpływa sześć razy więcej, niż jest akceptowane. 

Wnioski składa się co roku – na kolejny rok pracy teleskopu. Dzieli się je na kategorie takie jak Układ Słoneczny, gwiazdy, czarne dziury i tak dalej. Każdy wniosek musi być podparty chęcią rozwiązania jakiegoś zagadnienia naukowego. Wnioski przyjmuje Instytut Naukowy Teleskopu Kosmicznego. W takim wniosku naukowiec opisuje cel obserwacji, naukowy powód, listę instrumentów do wykorzystania i szacowany czas obserwacji, liczony w 55-minutowych cyklach orbitalnych. 

Wnioski trafiają do komisji w Instytucie, która poddaje je dokładnej analizie. To faza pierwsza. Wszystkie wnioski są następnie dzielone i trafiają albo do kategorii GO, czyli głównych obserwacji wymagających kilku cyklów orbitalnych, lub do kategorii drugiej, wymagającej mniej niż 45 minut cyklu orbitalnego. Te drugie projekty mogą wypełnić czas pomiędzy głównymi obserwacjami. Ostatecznie, po analizie, komisja składa swój raport do dyrektora Instytutu Teleskopu Kosmicznego, który dokonuje, na bazie raportu komisji, ostatecznego wyboru na kolejny rok. Tak oto wnioski trafiają do drugiej fazy.

Naukowcy, którzy złożyli wybrane wnioski, muszą następnie ustalić z pracownikami Instytutu dokładne szczegóły obserwacji. Wszystkie obserwacje wpisuje się w grafik obserwacji, na bazie którego teleskop jest programowany do wykonania danego zadania. Każdy wniosek badawczy dostaje swojego koordynatora i naukowca pracującego dla Instytutu. Ci pomagają naukowcom składającym wnioski w dobraniu jak najlepszych warunków obserwacyjnych celem jak najefektywniejszego wykorzystania możliwości teleskopu. Faza druga jednak nie gwarantuje wykonania obserwacji. Naukowcy i koordynatorzy muszą sprawdzić, czy wniosek nie zawiera niezauważonych błędów. Sprawdzane są też aktualnie wykonywane obserwacje i obserwacje przeszłe, by nie pojawiły się duplikaty. Jeśli wszystko jest poprawne, wnioski obserwacyjne trafiają do grupy planującej. Ta ostatecznie układa oficjalny grafik obserwacyjny. 

Obserwacje wymagają precyzji i dokładnego planowania. Obiekty kosmiczne mogą być oślepione przez Słońce, zasłonięte przez Ziemię lub Księżyc, dlatego proces planowania zajmuje sporo czasu. W końcu, wnioski podzielone są na obserwacje tygodniowe i tak przygotowany grafik trafia do Centrum Goddarda, które jeszcze raz sprawdza, czy wszystko się zgadza. Jeśli tak, plan obserwacji zostaje zaprogramowany i wgrany do komputerów pokładowych teleskopu kosmicznego.66

By ujednolicić proces udostępniania danych, pracownicy Instytutu Teleskop Kosmicznego sami kalibrują sprzęt i przygotowują dane, które potem udostępniane są naukowcom. Dzięki temu, wszystkie dane są jednakowo ujednolicone przez ekspertów, którzy wiedzą, jak pracować z HST. Ogranicza to ilość błędnych danych i nadinterpretacji wynikających z nieznajomości sprzętu. Model ten również przeniknął do obserwatoriów naziemnych. Naukowcy, którzy nie umieją operować teleskopem, nie muszą się już martwić o jego kalibrację – mogą skupiać się na zebranych danych. 

Barwy Wszechświata

Jednym z częstych pytań przejawiających się w temacie astrofotografii jest zagadnienie: czy zdjęcia kosmosu przedstawiają realne barwy? Czy to, co widzimy na zdjęciach jest dokładnie tym, co można zobaczyć gołym okiem? Prawda nie jest taka prosta. Otóż, w niektórych przypadkach możemy zobaczyć realne kolory obiektu astronomicznego – na przykład barwy planet Układu Słonecznego, czy odcienie gwiazd. Ale wiele obiektów jest od nas tak bardzo oddalonych, że nasze czopki w ogóle nie reagują – czopki to fotoreceptory w oku, które reagują na kolor. Drugim rodzajem fotoreceptorów są pręciki, które reagują po prostu na światło – i te receptory reagują na odległe obiekty astronomiczne, pozwalając nam je obserwować w skali szarości. 

Obiekty astronomiczne takie jak planety mają swój zestaw kolorów dzięki temu, iż składniki ich atmosfer czy powierzchni absorbują pewne fale świetlne, przepuszczając inne. Zaś gwiazdy czy chmury gazów kosmicznych emitują światło z uwagi na swoją temperaturę, mają więc swoją barwę. Ale, z uwagi na odległość, odległe mgławice widzimy w skali szarości, z rzadka z nutką kolorów. Tak się dzieje, patrząc własnym okiem przez teleskop. 

Kamery teleskopów natomiast są tak konstruowane, by dosłownie widzieć zakres promieniowania niewidzialny dla naszego oka. Ale tu pojawia się komplikacja. Dane zebrane przez Hubble’a to całe dziesiątki, nawet setki terabajtów. Przechowywane są one na serwerach w postaci surowej. Kiedy zdjęcie ma być “pobrane”, musi przejść obróbkę komputerową, która ujednolica obraz z różnych detektorów. Najpierw usuwane są artefakty wywołane przez promieniowanie kosmiczne, które tworzy dodatkowe zabrudzenia na “zdjęciu”. Ale zdjęcie takie składa się w wielu naświetleń – obserwowane obiekty zawsze są takie same, ale wzory uderzeń promieniowania kosmicznego są już różne. Oprogramowanie komputerowe analizuje wszystkie naświetlenia danego obiektu i usuwa artefakty, następnie łącząc czyste naświetlenia w całość. 

Następnie kontrast i stosunek jasności są edytowane ręcznie przez ekspertów w Instytucie Teleskopu. W dalszej kolejności zdjęcia są kolorowane – dosłownie. Każde z naświetleń obiektu kosmicznego wykonywane jest w innym zakresie kolorów – poprzez filtry czerwone, zielone i niebieskie. Dzięki temu uzyskuje się bardzo wysoką rozdzielczość obserwowanych obiektów, co ma duże znaczenie w nauce.67 Kolejne naświetlenia wykonane są z pomocą filtrów w teleskopie, które dodają informacje o kolorze, na przykład mgławic: wodór jest różowy, azot czerwony, tlen zielony, a siarka niebieska. 68 Ponieważ wiele gazów ogrzewanych było w laboratoriach tu na Ziemi, wiemy już, jakich barw powinniśmy się spodziewać w kosmosie. W innych przypadkach, niektóre kolory przypisane są stałe do pewnych zakresów spektrum i nie odzwierciedlają realnych barw obiektu. Wszystko potem składa się w całość – w ten sposób powstają kolorowe zdjęcia wykonane przez Hubble’a. Choć brzmi to dość ogólnie i faktycznie nie zawsze odzwierciedla realne barwy kosmosu, to technika ta jest bardzo naukowa, bowiem rozdzielczość połączona z ustalonymi kolorami, opartymi o setki lat nauki i badań, pozwala odzwierciedlić Wszechświat na tyle, że naukowcy są w stanie go odczytać. Dalszy proces obróbki łączy różne części nieba w mozaikę, usuwa kolejne artefakty. W ten sposób powstają zdjęcia Wszechświata.

Bardzo podobnie wygląda sytuacja ze zdjęciami z podczerwieni lub ultrafiolecie – normalnie nasze oko nie widzi tych barw, ale na potrzeby zdjęć barwy są sztucznie przypisane. Na przykład dla podczerwieni krótkie fale podczerwone barwi się na niebiesko, zieleń stosuje się do średnich fal, a najdłuższe fale są po prostu czerwone. 

***

W 1990 roku, zanim Hubble został wyniesiony na orbitę, najpotężniejsze ziemskie teleskopy były w stanie dostrzec zaledwie kawałek Wszechświata – wiele rzeczy, takich jak supermasywne czarne dziury czy ciemna energia, w ogóle nie istniały w naszej świadomości – to znaczy nie były znane nauce, choć pojawiały się koncepcje i zalążki teorii.

Przed teleskopem kosmicznym Hubble’a postawiono różne cele naukowe, przede wszystkim Hubble miał pomóc naukowcom określić wiek Wszechświata oraz tempo jego ekspansji. Cele te faktycznie osiągnął, ale co najważniejsze, Hubble pomógł też odpowiedzieć na wiele pytań, których w latach 70-tych i 80-tych naukowcy jeszcze nawet nie zadawali. Hubble pomógł odkryć ciemną energię i wyliczyć ilość ciemnej materii. Pomógł też dostrzec kiedyś jeszcze teoretyczne supermasywne czarne dziury w sercach praktycznie każdej galaktyki. Pomógł przebadać atmosferę odległych pozasłonecznych egzoplanet. 

Jednym z najczęściej przytaczanych osiągnięć teleskopu kosmicznego jest tak zwane Głębokie Pole.

Głębokie Pole Hubble’a

Dzięki Hubble’owi, naukowcy rozwinęli swoją wiedzę na temat ewolucji galaktyk, odkrywając, iż te ewoluują z mniejszych struktur w większe. To jedno z ważniejszych odkryć, których dokonano z pomocą HST.

Światło płynie przez Wszechświat z ograniczoną prędkością, zwaną po prostu prędkością światła, która wynosi około 300 tysięcy kilometrów na sekundę. Oznacza to, że światło potrzebuje sekundy, by przebyć odległość 300 tysięcy kilometrów. Światło ma więc ograniczoną prędkość – w ciągu roku jest w stanie pokonać odległość zaledwie 9,5 biliona kilometrów. Samo światło płynące do nas z powierzchni Słońca potrzebuje około 8 minut, by dotrzeć do Ziemi. Im dalej oddalony obiekt, tym dłużej jego światło docierało do nas. Innymi słowy, obrazy kosmosu docierające do nas są obrazami przeszłości. Galaktyki oddalone od nas o 7 miliardów lat świetlnych to galaktyki, których światło docierało do nas przez 7 miliardów lat. A więc to co widzimy, to obraz galaktyki takiej, jaką była 7 miliardów lat temu. 

Patrząc w dal kosmosu, patrzymy w przeszłość i możemy zobaczyć, jak wyglądał Wszechświat miliardy lat temu.

***

W 1985 roku naukowcy, którzy mieli zamiar korzystać z Hubble’a w swoich badaniach, martwili się, czy teleskop ten będzie w ogóle w stanie dostrzec światło pierwszych galaktyk. Nim nastała era Hubble’a, naukowcy byli w stanie dostrzegać galaktyki oddalone od nas o 7 miliardów lat świetlnych, nie więcej. Obawiano się, że światło z odleglejszych obiektów będzie rozmazane i HST nic tu nie zdziała. Prawda była zupełnie inna. Hubble był w stanie dostrzec galaktyki o przesunięciu ku czerwieni z=1,5, co odpowiada odległości 9 miliardów lat świetlnych, a w lutym 2016 roku oznajmiono, iż Hubble sfotografował galaktykę odległą od nas o ponad 13 miliardów lat, bijąc tym samym rekord.

Każda misja serwisowa teleskopu Hubble’a pozwalała temu obserwatorium sięgać swoim wzrokiem coraz dalej w otchłanie czasu. W 1995 roku Hubble był w stanie widzieć Wszechświat takim, jakim był, mając zaledwie 1,5 miliarda lat. Ale już misja serwisowa z 2009 roku umożliwiła HST zobaczyć kosmos takim, jakim był, mając zaledwie 480 milionów lat. Naukowcy są przekonani, że budowany aktualnie Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba pozwoli zerknąć jeszcze dalej, kiedy kosmos miał zaledwie 200 milionów lat. 

Teleskop Hubble’a, patrząc w przeszłość, pozwolił naukowcom zobaczyć młode galaktyki o dziwnych kształtach, niepodobnych do tego, co dostrzegamy w przypadku młodych galaktyk, do tego o znacznie mniejszych wymiarach niż to, co dostrzegamy “współcześnie”. Te odkrycia pozwoliły naukowcom rozwinąć wiedzę na temat ewolucji galaktyk, kiedy to małe protogalaktyki zderzały się ze sobą regularnie, tworząc coraz większe obiekty. 

Jedno z największych osiągnięć HST miało miejsce wkrótce po pierwszej misji serwisowej.

Pomiędzy latami 1993-1998, Robert Williams przeprowadził eksperymenty z Głębokim Polem Hubble’a, sięgając wzrokiem teleskopu dalej, niż ktokolwiek myślał, że jest możliwe.

Do wykonania zdjęć Głębokiego Pola naukowców zainspirowały pierwsze fotografie wykonane zaraz po misji serwisowej. Zdjęcia te pokazywały słabe, odległe galaktyki o dziwnych kształtach. Zainspirowani, naukowcy zdecydowali się na wykonanie obserwacji HDF-N. W święta 1995 roku przez 100 godzin naświetlano obszar w pobliżu gwiazdozbioru Wielkiej Niedźwiedzicy. Wybrano obszar wyjątkowo ciemny i pusty, w którym nic nie było widać. I tak przez 100 godzin Hubble naświetlał ten mały wycinek nieba. Efektem było zdjęcie zawierające prawie 3 tysiące galaktyk, wyjątkowo młodych, wyjątkowo dziwnych pod względem kształtu. Niektóre z tych galaktyk nie tworzyły jeszcze swoich własnych gwiazd.

Ilustracja 7: Pierwsze Głębokie Pole Hubble’a. Każdy z widocznych obiektów to odległa galaktyka (R. Williams (STScI), the Hubble Deep Field Team and NASA/ESA)

Dzięki kamerze ACS, Steve Beckwith rozwinął ideę głębokiego pola, prowadząc projekt Ultra Głębokiego Pola, patrząc jeszcze dalej w przeszłość kosmosu. W 2004 roku wykonano obserwację Ultra Głębokiego Pola, w którym nowa kamera ACS obserwowała region w gwiazdozbiorze Pieca. Efektem było zdjęcie bardzo młodych galaktyk, które pojawiły się krótko po Wielkim Wybuchu. Były to jednak wciąż galaktyki widoczne w świetle widzialnym. Z uwagi na rozszerzanie się Wszechświata, pewne galaktyki wciąż były niewidoczne z uwagi na przesunięcie ku czerwieni. Z tego względu NICMOS wykonał obserwacje pierwotnego HDF-N w spektrum podczerwieni, a region gwiazdozbioru Pieca sfotografowano w podczerwieni dopiero po instalacji WFC3 w 2009, dostrzegając obiekty istniejące we Wszechświecie mającym zaledwie 450 milionów lat.69

Każda z tych obserwacji pomogła naukowcom zobaczyć dalej – dostrzec coraz młodsze galaktyki, rozwijając naszą wiedzę o ewolucji tychże.

Przypisy

66 Chen, s. 215-218

67 W przypadku zwykłych kamer dostępnych na rynku, jeden piksel rezerwowany jest dla jednej z trzech barw podstawowych, to znaczy jeden piksel może zapisać jedną z trzech barw – dzięki temu kamera jest tańsza dla zwykłego Kowalskiego, ale jej rozdzielczość jest zbyt niska. Kamery naukowe w teleskopach składają obraz z różnych detektorów – każda z barw ma swój osobny piksel. Dzięki temu uzyskuje się bardzo wysoką rozdzielczość.

68 Dickinson, s. 118.

69 Dickinson, s. 49

Author: Wojciech Usarzewicz

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