Великий "Хаббл"

15 лет на околоземной орбите работает Космический Телескоп имени Хаббла\Hubble Space Telescope. Это первый орбитальный оптический прибор, который по своей разрешающей способности и светочувствительности многократно превзошел самые мощные наземные телескопы. "Хаббл" позволил обнаружить свыше ста планет, уточнить возраст мироздания, обнаружить снижение скорости расширения космического пространства и доказать, что в центральных ядрах абсолютного большинства галактик имеются сверхмассивные черные дыры.

В общей сложности с космического телескопа поступило на Землю свыше 700 тыс. обычных и спектральных фотографий космических объектов, сделанных как в видимом свете, так и в инфракрасных и ультрафиолетовых лучах. Полученные с "Хаббла" сведения оказали огромное влияние на развитие современной астрономии, астрофизики и космологии. Телескоп имени Хаббла стал не только самым результативным, но и самым знаменитым инструментом космической астрономии за все время ее существования.

В 1977 году Конгресс США\Congress выделил на строительство новой орбитальной обсерватории $475 млн. Эти ассигнования позволили начать шлифовку главного зеркала телескопа и изготовление остальной аппаратуры. Над этими системами работало множество фирм; в качестве главного подрядчика проекта была выбрана аэрокосмическая корпорация Lockheed.

Корпорация Lockheed не случайно стала основным изготовителем "Хаббла". В 1970-е и 1980-е годы она строила разведывательные спутники нового поколения KH-11, которые можно считать его прямыми технологическими предшественниками. Эти тринадцатитонные аппараты фактически представляли из себя летающие телескопы, нацеленные на нашу планету. Каждый спутник был оснащен 230-см рефлектором и небольшим вращающимся зеркалом, которое использовалось для сканирования земной поверхности. Для регистрации изображений впервые были использованы полупроводниковые приборы с зарядовой связью, которые позволяли передавать на Землю оцифрованную информацию в реальном масштабе времени. Точно такие же устройства были позднее установлены и на "Хаббле". Диаметр главного зеркала космического телескопа был лишь немногим больше - 240 см.

Первоначально космический телескоп предполагалось вывести на орбиту в 1983 году, однако в намеченные сроки его не удалось не только запустить, но даже и построить. В том же 1983 году телескоп получил имя, под которым он приобрел мировую известность. Ему дали имя крупнейшего американского астронома первой половины 20-го века Эдвина Хаббла\Edwin Powell Hubble (1889-1953). Через двадцать лет таким же образом были отмечены и заслуги Спитцера на ниве создания космических обсерваторий. В 2003 году НАСА отправило в околоземное пространство названный в его честь инфракрасный телескоп.

Запуск "Хаббла" был запланирован на 1986 год, однако его отложили из-за гибели космического корабля Challenger. В результате телескоп еще три года пролежал в разобранном виде на заводе, и на космодром на мысе Канаверал его доставили лишь в октябре 1989 года. 24 апреля телескоп был отправлен в космос на борту корабля Discovery. На следующий день, когда "шаттл" совершал четырнадцатый виток, астронавты отправили обсерваторию в свободный полет. 20 мая "Хаббл" передал на Землю свою первую фотографию. Это был снимок звездного скопления NGC 3532, находящегося в нашей Галактике на расстоянии 1.3 тыс. световых лет от Солнца.

Анализ первых фотографий с "Хаббла" показал, что они были недостаточно резкими, причем специалистам никакими способами не удавалось повысить их четкость. Причиной неполадок оказалась неточность шлифовки главного зеркала телескопа. Его центральная зона примерно соответствовала заданной гиперболической геометрии, однако на периферии зеркало было чуть-чуть менее вогнутым, нежели требовалось. Сама по себе погрешность была ничтожной, в максимуме всего два микрона, однако этого оказалось достаточно для возникновения заметной сферической аберрации.

Последствия этого дефекта шлифовки основного зеркала можно было до какой-то степени нейтрализовать, но лишь за счет снижения светочувствительности телескопа. Для этого надо было посылать в электронные фотокамеры телескопа только свет, отраженный от центра зеркала, и затем улучшать оцифрованные изображения с помощью корректирующих компьютерных программ. Команда "Хаббла" именно так и делала. Однако при этом терялось свыше 80% света, прошедшего через апертуру.Тем самым сводилось к нулю основное достоинство космического телескопа, его способность фотографировать очень  тусклые космические объекты.

Выход был найден. "Хаббл" нес пять астрономических приборов: широкоугольную фотокамеру, способную осуществлять обзорные съемки и работать в режиме наблюдения планет, камеру для съемки тусклых объектов, два спектрографа и высокоскоростной фотометр. Эксперты рекомендовали заменить основную фотокамеру на аналогичную модель с модифицированной оптикой. Было также решено оснастить "Хаббл" зеркальным оптическим преобразователем COSTAR, меняющим фокусировку отраженного от главного зеркала света и тем самым исправляющим сферическую аберрацию. Эта система позволяла улучшить работу спектрографов и камеры для съемки слабосветящихся объектов. Правда, для размещения системы COSTAR требовалось убрать фотометр, но другого выхода не было.

Ремонт "Хаббла" был выполнен только в декабре 1993 года. Он не ограничился заменой одной лишь астрономической аппаратуры. К тому времени уже работали два банка электронной памяти и три гироскопа системы ориентации, и плохо действовали солнечные панели, снабжавшие станцию электричеством. Устранение всех этих неполадок и монтаж новых приборов выполнили члены команды космического корабля Endeavour. После этого телескоп стал действовать в штатном режиме.

Позднее астронавты НАСА еще трижды модернизировали обсерваторию - в 1997, 1999 и 2002 годы. "Хаббл" получил новое спектроскопическое оборудование, усовершенствованные гироскопы и запоминающие устройства, более мощный бортовой компьютер и камеру для обзорных съемок, которая позволила вести наблюдения в очень широком спектральном диапазоне - от ближней инфракрасной зоны до ультрафиолета.

Несколько лет назад считалось, что "Хаббл" нормально прослужит до 2010 года. Однако в августе 2004 года отказал спектрограф из-за неисправностей в системе питания. В этом не было бы ничего страшного, если бы можно было провести очередное техобслуживание телескопа, запланированное на февраль следующего года. Но после гибели космического корабля Columbia 1 февраля 2003 года, НАСА отменило все запуски "шаттлов".

Космический телескоп нуждается в визите астронавтов и по другим причинам. Он ориентируется в пространстве с помощью гироскопов, которые подвержены износу. До недавнего времени его стабилизировали три гироскопа, однако 28 августа 2005 года контролеры решили перевести один из них в пассивный режим. Существует опасность, что к 2008 году у "Хаббла" останется лишь один действующий гироскоп, и тогда телескоп может просто перестать работать. "Хабблу" также требуются новые электрические аккумуляторы, поскольку емкость старых снижается, и после 2010 года они не смогут обеспечивать его энергией. Так что пятая по счету миссия техобслуживания телескопа попросту необходима для продления его работоспособности.

Руководство НАСА не исключает возможности очередной модернизации "Хаббла", однако на практике она пока не планируется. "Шаттлы" бездействуют уже более двух с половиной лет, и возобновление их полетов может состояться не ранее мая 2006 года. Если первые запуски пройдут безупречно, появятся шансы на посылку корабля к "Хабблу". При удачном завершении очередного ремонта "Хаббл" сможет проработать как минимум до 2013 года. К этому сроку НАСА планирует вывести на орбиту Космический Телескоп имени Джеймса Уэбба\The James Webb Space Telescope, который рассматривается в качестве преемника "Хаббла".

Космические телескопы

История космических телескопов началась в июне 1946 года, когда с американского ракетного полигона Уайт Сэндз в штате Нью- Мексико были проведены первые запуски трофейных немецких ракет "Фау-2"\V-2 с приборами для наблюдения солнечного спектра (в СССР такие запуски начались в ноябре 1947 года).

Этими исследованиями руководил сотрудник оптического отдела Исследовательской Лаборатории ВМФ США\Naval Research Laboratory Ричард Тоуси\Richard Tousey. Эксперименты Тоуси и его коллег впервые позволили получить спектрограммы солнечного ультрафиолетового излучения, которое не достигает земной поверхности из-за поглощения в атмосфере. Вскоре на ракеты "Фау-2" начали устанавливать детекторы космических лучей, чем занимались сотрудники основанной Джеймсом Ван Алленом\James Van Allen группы высотных экспериментов Лаборатории Прикладной Физики Университета Джонса Хопкинса\Johns Hopkins University. С 1947 года с полигона Уайт-Сэндз стали запускать разработанные Ван Алленом геофизические ракеты Aerobee 170, предназначенные для изучения верхних слоев земной атмосферы и ближнего космоса. Ракета этого типа могла поднять груз весом 250 фунтов на высоту в 265 км.

Вертикальные ракетные запуски позволяли доставлять в космическое пространство научные приборы лишь на сравнительно малые высоты и, главное, на короткое время, не превышавшее нескольких минут. Поэтому по-настоящему космическая астрономия начала развиваться только с 1958 года, когда в США и в СССР стали запускать искусственные спутники с научной аппаратурой. Ее первым крупным достижением было открытие радиационных поясов Земли, достоверная информация о которых была получена в ходе полета первого американского спутника Explorer-1, сконструированного и построенного под руководством все того же Ван Аллена (сейчас эти пояса носят его имя). В том же 1958 году была создана Национальная Администрация Аэронавтики и Исследований Космического Пространства (НАСА)\National Aeronautics and Space Administration (NASA), которая взяла на себя организацию научных программ космической астрономии. Под эгидой НАСА началась разработка спутников с приборами для изучения Солнца, получивших название Орбитальных Солнечных Обсерваторий\Orbiting Solar Observatories (OSO). В течение 1962-75 годов было проведено девять таких запусков, восемь из которых оказались удачными. Эти спутники оснащались детекторами для регистрации ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения, однако ни на одном из них не было оптического телескопа.

В те же годы в США сформировалась группа влиятельных ученых, ратующих за разработку орбитальных обсерваторий, способных вести наблюдения как Солнечной системы, так и дальнего космоса в оптическом диапазоне. Ее лидером был физик и астрофизик Лайман Спитцер\Lyman Spitzer, профессор астрономии Принстонского Университета\Princeton University. Это был очень разносторонний ученый, выполнивший фундаментальные исследования в области физики плазмы, термоядерного синтеза, звездной динамики и космической астрономии. Еще в 1946 году Спитцер подготовил подробный доклад, в котором доказал, что орбитальные телескопы сильно расширят возможности астрономических наблюдений. Будучи в 1960-62 годах президентом Американского Астрономического Общества\American Astronomical Society, Спитцер развернул кампанию за создание космических платформ для мощных телескопов. В немалой степени по его инициативе в 1962 г. администрация НАСА попросила Совет по Космическим Исследованиям\Space Science Board Национальной Академии Наук США\National Academy of Science создать рабочую группу для изучения этой проблемы. Хотя мнения членов группы разделились, большинство высказалось за строительство орбитальной обсерватории с телескопом-рефлектором диаметром не менее 100 дюймов (250 см.). Однако дальше этой рекомендации тогда дело не пошло

В 1965 году Академия предложила Спитцеру возглавить экспертный комитет, которому было поручено провести анализ целесообразности строительства крупной орбитальной оптической обсерватории и оценить технические возможности осуществления этого проекта. В те годы многие астрономы были настроены против этой идеи, поскольку опасались, что ее реализация сократит ассигнования на строительство гигантских наземных телескопов. Однако Спитцеру и его единомышленникам удалось нейтрализовать эти возражения, в результате чего члены комитета в 1969 году рекомендовали осуществить вывод на околоземную орбиту большого космического телескопа. Ближайшими единомышленниками Спитцера были астрофизики Джон Баколл\John Bahcall и Джордж Филд\George Field, некогда аспирант Спитцера.

Несмотря на заключение Академии Наук, с середины 1960-х до середины 1970-х годов шансы на строительство и запуск крупной орбитальной обсерватории весом свыше десяти тонн были практически нулевыми. В то время в центре усилий НАСА были лунные пилотируемые полеты по программе "Аполлон"\Apollo, которые осуществлялись в 1968-75 годах. Однако сторонники развития космической астрономии добились утверждения проектов четырех орбитальных астрономических обсерваторий\Orbiting Astronomical Observatories (OAO) меньшего размера, предназначенных для исследования глубокого космоса в ультрафиолетовых и рентгеновских лучах. Обсерватория OAO-1, весящая 1774 кг, была выведена на орбиту в 1996 году, однако проработала лишь двое суток из-за неисправности блока питания. В 1970 году другой спутник этого типа OAO-B был потерян сразу после запуска  из-за неисправности последней ступени ракеты-носителя. Двухтонные обсерватории OAO-2 (7 декабря 1968 – январь 1973) и OAO-3 (21 августа 1972 – февраль 1981) были успешно доставлены на расчетные траектории и проработали весь положенный срок в штатном режиме. Станция OAO-3, сконструированная под непосредственным руководством Спитцера, после запуска была названа Обсерваторией имени Коперника\Copernicus Observatory. Она была оснащена ультрафиолетовым телескопом, диаметр главного зеркала которого составлял 80 см. Хотя этот инструмент не был рассчитан на работу в оптическом диапазоне, его эксплуатация показала, что программа создания крупного телескопа космического базирования вполне реальна.

Утверждению этой программы серьезно помогло и то обстоятельство, что во второй половине 1970-х годов НАСА уже приступило к испытаниям пилотируемых космических кораблей многоразового использования, способных маневрировать на околоземных траекториях и транспортировать туда многотонные грузы. Их предполагалось использовать как для доставки космического телескопа на расчетную орбиту, так и для его последующего обслуживания.