Historia Teleskopu Kosmicznego Hubble’a. Część 9

Druga misja serwisowa (SM2)

Po naprawieniu pierwotnej wady optycznej teleskopu, Hubble przez wiele lat obserwował kosmos, pomagając naukowcom w dokonywaniu wielu odkryć. Technologia jednak nie stała w miejscu. Rozwijała się elektronika, usprawniano instrumenty naukowe – Hubble nie mógł zostać w tyle. Dlatego zdecydowano się na kolejną misję serwisową. Podobnie jak kilka lat wcześniej, w 1997 prom kosmiczny miał wystartować na misję trwającą dziesięć dni, w czasie których zmodernizowano by instrumenty Hubble’a i dokonano pomniejszych napraw. 

Misja wahadłowca dostała oznaczenie STS-82, a w kosmos miał polecieć prom Discovery, dokładnie ten sam, który pierwotnie wyniósł Hubble’a w przestrzeń w 1990 roku. Głównym zadaniem misji była instalacja dwóch nowych instrumentów obserwacyjnych, których technologia nie istniała wcześniej, kiedy budowano Hubble’a. Tymi instrumentami była kamera dla spektrum podczerwieni i spektrograf NICMOS, oraz spektrograf STIS. Ukończone one zostały w czasie, kiedy inżynierowie opracowywali pierwszą misję serwisową na 1993 rok. By zainstalować te dwa instrumenty, astronauci musieli na orbicie zdemontować z teleskopu spektrografy FOS i GHRS. 

Prom Discovery wystartował z przylądka Canaveral na Florydzie ze stanowiska startowego 39A, dokładnie o 8:55:17 GMT 11 lutego 1997 roku. Na pokładzie był dowódca misji Kenneth D. Bowersox, pilot Scott J. Horowitz i specjaliści misji:Mark C. Lee, Steven A. Hawley, Gregory J. Harbaugh, Steven L. Smith i Joseph R. Tanner.

Po dotarciu do teleskopu po dwóch dniach lotu, robotyczne ramię promu kontrolował Hawley, który 7 lat wcześniej robił to, umieszczając Hubble’a na orbicie. Tak jak odbyło się to w czasie pierwszej misji serwisowej, także i teraz teleskop został umieszczony pionowo nad ładownią wahadłowca. Przystąpiono do pracy. 

Lee i Smith wykonali pierwsze wyjście w przestrzeń, wymieniając FOS i GHRS na nowe instrumenty.

Instalacja spektrografu NICMOS, składającego się z trzech kamer, umożliwiła naukowcom zajrzenie w serca galaktyk i poznanie tajemnic formowania się gwiazd i planet. Spektrograf ten pozwolił też obserwować kosmos w bliskiej podczerwieni, co dało zupełnie nowe, nie obserwowane wcześniej wizje otaczającego nas Wszechświata.

Natomiast STIS to urządzenie wyczulone na spektrum ultrafioletowe, znacznie bardziej zaawansowane od wcześniejszego spektrografu UV na pokładzie Hubble’a. STIS pozwolił na dogłębne badanie rozmieszczenia masy we Wszechświecie, formowanie się gwiazd w odległych galaktykach i analizowanie supermasywnych czarnych dziur. 

W czasie misji serwisowej astronauci dokonali też drobnych napraw i zmian w teleskopie Hubble’a. Podmieniono sensory FGS, odpowiedzialne za pozycjonowanie teleskopu w czasie obserwacji, oraz powiązaną z nimi elektronikę i kilka elementów mechanicznych.

Wymieniono też dwa zestawy elektroniki sterującej panelami solarnymi i jednostki DIU odpowiedzialne za kontrolowanie przesyłu danych. Wymieniono również urządzenie do zapisu danych z taśmowego na cyfrowe, SSR. 

Prawdziwą zabawą a’la MacGyver była naprawa uszkodzeń w izolacji teleskopu, kiedy wykorzystano linkę od spadochronu, izolację teflonową trzymającą się na rzepach, miedziany drut i plastikowe zaciski. I to zanim Marsjanin wszedł na ekrany kin. Problemy z izolacją zauważyli Harbaugh i Tanner w czasie drugiego wyjścia, jednak NASA zdecydowała się na naprawę problemu po kilku godzinach – astronauci musieli wykonać piąty, nie planowany wcześniej spacer kosmiczny. Wcześniej jednak zaimprowizowali materiały do naprawy izolacji, co udało się w czasie ostatniego, 5-godzinnego wyjścia w kosmos. W sumie, załoga Discovery w czasie misji STS-82 wykonała pięć wyjść, które trwały łącznie 33 godziny i 11 minut.

Podobnie jak w czasie poprzedniej misji serwisowej, także i teraz Discovery wykonał manewr podniesienia orbity Hubble’a. Z biegiem czasu, w wyniku tarcia atmosfery, która, choć rzadka, wciąż jest obecna na wysokości lecącego teleskopu, a także pod wpływem grawitacji, orbita teleskopu się obniża i trzeba go od czasu do czasu “podnieść”. Hubble nie posiada własnych silników manewrowych zdolnych do tego typu rzeczy. 

19 lutego teleskop został wypuszczony z promu Discovery, a kontrola naziemna przetestowała instrumenty Hubble’a. Przez kolejne tygodnie trzeba było kalibrować nowe instrumenty, a pierwsze zdjęcia po misji serwisowej miały pojawić się po około 8 tygodniach. 

Misja trwała 9 dni, 23 godziny, 37 minut i 9 sekund – Discovery bezpiecznie wylądował 21 grudnia o 8:32 GMT w Centrum Kosmicznym Kennediego. 

Druga misja serwisowa teleskopu Hubble’a była kolejnym sukcesem NASA. Agencja pokazała, że z pomocą promów kosmicznych jest w stanie wykonywać skomplikowane misje na orbicie w sposób rutynowy, nie tylko jednorazowy. Te doświadczenia miałby być bardzo przydatne przy budowie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.

Czarne dziury i ciemna energia

Terence Dickinson w swojej książce Hubble’s Universe wymienia kilka najważniejszych odkryć naukowych, które umożliwił HST. Pierwszym były badania związane z ewolucją galaktyk, opisane wcześniej.

Drugim wielkim odkryciem według Dickinsona było odkrycie, że supermasywne czarne dziury znajdują się w jądrach praktycznie każdej galaktyki. Już w 1786 roku naukowcy spekulowali istnienie “czarnych gwiazd”, które byłyby tak masywne, że nawet światło nie mogłoby uciec z ich pola grawitacyjnego. W latach 60-tych XX wieku termin “czarnej dziury” ukuł astrofizyk John Wheeler, tworząc koncepcję gwiazdy, która po zapadnięciu się staje się właśnie supermasywnym obiektem grawitacyjnym. Kilka lat później naukowcy odkryli pierwsze czarne dziury o masie kilku mas słonecznych dzięki badaniom w podczerwieni.70

Naukowcy podejrzewali też, że musi istnieć bardziej masywny rodzaj czarnej dziury, by wyjaśniać niektóre fenomeny astronomiczne takie jak kwazary. Kwazary potrafią wyrzucać w przestrzeń kosmiczną gigantyczne ilości energii, a tym samym być bardzo jasnymi obiektami na niebie. Naukowcy poszukiwali źródła tej energii przez długi czas, ale na ratunek przyszedł dopiero HST. W 1994 roku Hubble obserwował jądro galaktyki M87 w gwiazdozbiorze Panny. Obliczenia wykazały, że masa jądra w M87 wynosi 3 miliardy mas słonecznych, lecz masa ta nie była widoczna, jedynie wyliczalna, na bazie wykonanych obserwacji – był to dowód na istnienie tam supermasywnej czarnej dziury, pierwszej w historii. Kolejne obserwacje wykonane przez Hubble wykazały, że supermasywne czarne dziury znajdują się w jądrach kolejnych 27 pobliskich galaktyk. I to pozwoliło naukowcom postawić teorię o tym, iż supermasywne czarne dziury znaleźć można praktycznie w każdej galaktyce, co potwierdziły i wciąż potwierdzają kolejne badania. Nasza własna Droga Mleczna nie jest wyjątkiem – w jej sercu tkwi Sagittarius A*, supermasywna czarna dziura.

Ilustracja 8: Dysk akrecyjny wokół czarnej dziury (Roeland P. van der Marel (STScI), Frank C. van den Bosch (Univ. of Washington), and NASA/ESA)

Dickinson wspomina również o ważnym odkryciu, jakim było potwierdzenie istnienia ciemnej energii. Na bazie obserwacji Edwina Hubble’a z początku XX wieku naukowcy stworzyli koncepcję Wielkiego Wybuchu oraz koncepcję ekspansji Wszechświata. W momencie wystrzelenia HST na orbitę wiedzieliśmy już, że Wszechświat się rozszerza, ale naukowców ciekawiło, jak szybko ta ekspansja zwalnia. Spowolnienie rozszerzania się Wszechświata było według naukowców dość logiczną rzeczą. Naukowcy więc do lat 90-tych przekonani byli, że siła grawitacyjna wszystkich obiektów w kosmosie sprawi, że tempo ekspansji zwolni, a Wszechświat może wręcz zacząć się ponownie zapadać. W 1990 roku potwierdzono teorię Wielkiego Wybuchu, mierząc promieniowanie tła, wciąż widoczne po wielu miliardach lat od początku kosmosu. 

Hubble mógł więc zbadać tempo “zwalniania” Wszechświata poprzez obserwację odległych supernowych – wybuchów supermasywnych gwiazd. Dane zebrane przez teleskop Hubble’a pozwoliły Adamowi Riessowi z Johns Hopkins University na stworzenie programu komputerowego w 1998 roku, w który wprowadzono dane z obserwacji HST. Program miał wyliczyć tempo zwalniania kosmosu – tymczasem wyrzucił błąd, wskazując na ujemną masę Wszechświata – naukowcy się tego nie spodziewali. Ale komputer się nie pomylił – Riess nie wziął pod uwagę jednej koncepcji – koncepcji, że Wszechświat nie tylko wciąż się rozszerza, ale wręcz przyśpiesza swoje tempo ekspansji. Do tych samych wniosków doszedł drugi zespół naukowców pracujących nad tym samym zagadnieniem w Lawrence Berkeley National Laboratory. 

Naukowcy odkryli tym samym potwierdzenie w rzeczywistości stałej kosmicznej, opracowanej przez Alberta Einsteina na początku XX wieku, która w obliczeniach matematycznych sprawiała, że Wszechświat się nie zapadał – fenomen tej stałej, tego nieznanego czynnika, który w rzeczywistości przyśpiesza ekspansję Wszechświata, nazwano ciemną energią. Kolejne obserwacje wykonane przez HST tylko potwierdziły istnienie tej nieznanej wcześniej siły. 

Ale tu nie kończy się historia Einsteina i Edwina Hubble’a – Einstein był przekonany, iż Wszechświat jest wieczny – w przeciwnym wypadku, według jego obliczeń, mógłby albo dosłownie wybuchnąć, rozpadając się na kawałki, albo zapaść – Einstein odrzucił swoją koncepcję stałej kosmologicznej, związanej z ciemną energią, która nie pasowała do ówcześnie akceptowanych teorii i poglądów. Ale już kilka lat po przedstawieniu teorii względności, Edwin Hubble dał namacalne dowody na to, iż Wszechświat ma skończony wiek – rozszerza się, a co za tym idzie, kiedyś miał swój początek, niejako punkt wyjścia. Stała Hubble’a mówi nam, że im dalej znajduje się dany obiekt, tym szybciej się od nas oddala. Obliczając tempo tej ekspansji, naukowcy byli w stanie wyliczyć wiek Wszechświata. By jednak dokonać poprawnych obliczeń, musimy sięgnąć daleko w przeszłość kosmosu. 

Pozwolił nam na to teleskop Hubble’a i jego obserwacje Cefeid, czyli gwiazd zmiennych, które pozwalają na obliczanie odległości we Wszechświecie. Teleskop Hubble’a, widząc dalej, mógł też widzieć znacznie odleglejsze Cefeidy niż kiedykolwiek wcześniej. W 1990 roku naukowcy mniej więcej obliczyli wiek Wszechświata na ilość pomiędzy 8 a 16 miliardami lat – dosłownie były to ogólne obliczenia, brakowało nam bowiem danych obserwacyjnych. Niestety, naukowcy natknęli się na olbrzymi problem – jeśli Wszechświat miałby tylko 8 miliardów lat, to byłby młodszy od jego najstarszych gwiazd. 

Badania jednak postępowały, zwłaszcza dzięki nowym danym dostarczanym przez HST. Już w 1994 roku Wendy L. Freedman wprowadziła dokładniejszą liczbę – 10 miliardów lat – ale i to sprawiało, że kosmos wciąż był młodszy od niektórych gwiazd. Naukowcy albo mylili się w wyliczeniu wieku Wszechświata, albo cała teoria ewolucji gwiazd wymagała poprawek. Adam Riess prowadził intensywne obserwacje Cefeid i supernowych, biorąc pod uwagę również czynnik ciemnej energii, obliczając ostateczny – a przynajmniej aktualnie akceptowany – wiek Wszechświata na 13,7 miliarda lat. 

W ten oto sposób, Teleskop Kosmiczny Hubble’a pomógł nam uzmysłowić sobie ilość czarnych dziur w kosmosie, odkryć, iż Wszechświat się rozszerza i do tego określić wiek tegoż Wszechświata – a wszystko to w ciągu zaledwie kilku lat od wyniesienia na orbitę Ziemi.

***

Kolejna misja serwisowa była planowana na lipiec 2000 roku. Hubble jednak nie dał rady czekać tak długo – trzeci z sześciu żyroskopów teleskopu przestał działać w 1999 roku, jako kolejny po dwóch wcześniejszych. Misja serwisowa SM3 musiała być przyśpieszona, dlatego NASA podzieliła ją na dwie – 19 grudnia 1999 roku prom miał wystartować do wcześniejszej misji SM3a. Dla NASA była to dobra decyzja, choć jeszcze tego nie wiedzieli. Na miesiąc przed startem misji, 13 listopada, czwarty żyroskop uległ zepsuciu. Hubble musiał przejść w stan hibernacji, bowiem bez co najmniej trzech żyroskopów, teleskopem nie dało się sterować. Discovery musiał jeszcze raz ruszyć w przestrzeń kosmiczną.

Trzecia Misja Serwisowa (SM3A)

W grudniu 1999 roku, Discovery ponownie ruszył do Hubble’a celem wymienienia wszystkich żyroskopów, a także kilka innych elementów sterujących systemami celowania teleskopem. 

Pierwotnie, Discovery miał startować z misją STS-103 już 14 października 1999 roku, ale wcześniej, w sierpniu, odkryto problemy z elektryką w promie Columbia, co zmusiło NASA do przeglądu wszystkich promów. To sprawiło, że misja została przesunięta i Discovery mógł wystartować najwcześniej 28 października. 

Okazało się jednak, że elektrykę w Discovery trzeba było poprawić, co przesunęło misję do 19 listopada. Niecały tydzień wcześniej zepsuł się czwarty żyroskop w teleskopie Hubble’a. Jednak naprawy musiały być wykonane w wahadłowcu, więc misję przesunięto aż do 2 grudnia. Odkryto jednak problemy z jednym z trzech silników promu, więc przed startem cały silnik wymieniono już na stanowisku startowym. I wtedy w promie odkryto jeszcze dodatkowe problemy z elektryką – wpierw przesunięto start na 6 grudnia, a potem jeszcze raz, na 11 grudnia.

To nie był jednak koniec – przy silnikach odnaleziono kolejne wady techniczne, które naprawiano do 16 grudnia. Jednak już 14 grudnia odnaleziono podejrzany spaw na głównym zbiorniku paliwa i inżynierowie znowu przełożyli start do 17 grudnia – musieli dokładnie sprawdzić jakość spawu. Analizy dokumentacji wykazały, że spaw był poprawny i start mógł się odbyć. 17 grudnia pogoda nie pozwoliła jednak na lot, podobnie jak 18 grudnia okazał się nieprzyjemny. I tak misja ostatecznie przełożona została na 19 grudnia.

Discovery wystartował o 12:50:00 GMT ze stanowiska 39B 19 grudnia 1999 roku, osiem dni po pierwotnym terminie. Na pokładzie znajdowali się dowódca misji Curtis L. Brown, pilot Scott J. Kelly oraz specjaliści misji:Steven L. Smith, Michael Foale, John M. Grunsfield, Claude Nicollier i Jean-Francois Clervoy.

Misja trwała 8 dni, a astronauci – oprócz wymiany żyroskopów – wykonali też wiele innych napraw. Przede wszystkim wymieniono komputer pokładowy – nowy był o 20 razy szybszy i miał 6 razy więcej pamięci, niż wcześniejsza wersja. Wymieniono również sześć jednostek VIK, odpowiedzialnych za kontrolowanie temperatury baterii – moduły VIK chronią w Hubble’u baterie przed przegrzaniem i przed przeładowaniem. Było to ważne, by je zamontować – trzeba pamiętać, że w momencie tej misji serwisowej Hubble i jego akumulatory miały już prawie 10 lat. 

Wymieniono też stare systemy nagrywania danych ESTR na nowe, SSR. Zamontowano nowy system komunikacji SSAT, służący do przesyłania danych na Ziemię. 

Zmieniono też całkowicie zewnętrzne warstwy osłony termalnej, dzięki której Hubble jest w stanie bez problemu wykonywać swoją 90-minutową orbitę, w czasie której doświadcza gwałtownych zmian temperatury. 

I to wszystko w ciągu zaledwie trzech wyjść w przestrzeń kosmiczną. 25 grudnia 1999 Hubble został wypuszczony z wahadłowca z nową elektroniką i sprawnymi żyroskopami. Nawet przy ewentualnym braku kolejnej misji serwisowej, Hubble był gotowy na kolejne 10 lat obserwacji.

Discovery bezpiecznie wylądował o 15:01:34 GMT 27 grudnia na w Centrum Kosmicznym Kennediego.

Przypisy

70 Dickinson, s. 50

Author: Wojciech Usarzewicz

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