Надо Знать

добавить знаний



Хаббл (телескоп)


Hubble 01.jpg

План:


Введение

Космический телескоп "Хаббл" ( англ. Hubble Space Telescope , HST) - американский оптический телескоп, расположенный на околоземной орбите 1990 года. Совместный проект NASA и Европейского космического агентства (ЕКА). Телескоп назван в честь Эдвина Хаббла.

Телескоп "Хаббл" - уникальная многоцелевая орбитальная обсерватория, крупнейшая среди запущенных в космос в XX веке. Несмотря на неудачное начало работы (телескоп был запущен на орбиту с дефектом главного зеркала) усилиями космической экспедиции дефект удалось почти полностью компенсировать, что дало возможность приблизиться к расчетных характеристик [1]. Дальнейшие экспедиции усовершенствовали телескоп и с его помощью осуществлено много важных наблюдений.


1. История

1.1. Предыстория, концепции, ранние проекты

Первое упоминание концепции орбитального телескопа встречается в книге Германа Роберта "Ракета в межпланетном пространстве" ( нем. "Die Rakete zu den Planetenraumen" , 1923).


1946 года американский астрофизик Лаймен Спитцер опубликовал статью "Астрономические преимущества внеземной обсерватории" ( англ. Astronomical advantages of an extra-terrestrial observatory ). В статье указано два главных преимущества такого телескопа:

  1. его угловая разрешение ограничено только дифракцией, а не турбулентными потоками в атмосфере, на то время разрешение наземных телескопов была от 0,5 до 1,0 угловой секунды, тогда как теоретический предел разрешения по дифракции для телескопа с зеркалом 2,5 метра составляет около 0,1 угловой секунды.
  2. космический телескоп мог бы осуществлять наблюдение в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах, в которых поглощение излучения земной атмосферой весьма значительное [2].

Спитцер посвятил значительную часть своей научной карьеры продвижению проекта. 1962 года Национальной академией наук США опубликован доклад, который рекомендовал внести разработку орбитального телескопа до космической программы, и 1965 года Спитцера был назначен председателем комитета, в компетенцию которого входило определение научных задач для крупного космического телескопа.

Космическая астрономия стала развиваться после окончания Второй Мировой войны. 1946 года впервые было получено ультрафиолетовый спектр Солнца. Орбитальный телескоп для исследований Солнца был запущен Великобританией 1962 года в рамках программы "Ариэль", а 1966 года NASA запустила в космос первую орбитальную обсерваторию OAO-1 ( англ. Orbiting Astronomical Observatory ). Миссия не нашла успеха из-за отказа аккумуляторов через три дня после старта. 1968 года была запущена OAO-2, которая осуществляла наблюдение ультрафиолетового излучения звезд и галактик до 1972 года, значительно превысив расчетный срок эксплуатации в 1 год.

Миссии OAO послужили наглядной демонстрацией роли, которую могут сыграть орбитальные телескопы, и 1968 года NASA утвердили план строительства телескопа-рефлектора с зеркалом диаметром 3 м. Проект получил условное название LST ( англ. Large Space Telescope ). Запуск планировался на 1972 год. Программа подчеркивала необходимость регулярных пилотируемых экспедиций для обслуживания телескопа с целью обеспечения продолжительной работы дорогостоящего прибора. Программа Спейс Шаттл, развивавшейся параллельно, давала надежду на соответствующую возможность [3].


1.2. Борьба за финансирование проекта

Благодаря успеху программы ОАО в астрономическом сообществе сложился консенсус относительно того, что строительство большого орбитального телескопа должно стать приоритетной задачей. 1970 года NASA учредило два комитета: один - для изучения и планирования технических аспектов, задачей второго была разработка программы научных исследований. Следующей серьезной преградой было финансирование проекта, затраты на который должны превзойти стоимость любого наземного телескопа. Конгресс США поставил под сомнение многие статьи предложенного сметы и существенно сократил ассигнования, сначала предполагая масштабные исследования инструментов и конструкции обсерватории. 1974 года, в рамках инициированной президентом Фордом программы сокращений расходов бюджета, Конгресс полностью отменил финансирование проекта.

В ответ на это астрономы развернули широкую кампанию лоббирование. Многие ученые лично встретились с сенаторами и конгрессменами, было также проведено несколько значительных рассылок писем в поддержку проекта. Национальная Академия Наук опубликовала доклад, в котором была подчеркнута важность создания большого орбитального телескопа, и, в результате, сенат согласился выделить половину средств по бюджету, утвержденному Конгрессом сначала.

Финансовые проблемы привели к сокращениям, главным из которых было решение уменьшить диаметр зеркала с 3 до 2,4 метра, для сокращения затрат и получения компактной конструкции. Также было отменено проект телескопа с полутораметровым зеркалом, который предполагалось запустить с целью тестирования и отладки систем, и принято решение о кооперации с Европейским космическим агентством. ЕКА согласилась участвовать в финансировании, а также предоставить некоторые инструменты и солнечные батареи для обсерватории, зато по европейским астрономами резервировалось не менее 15% времени наблюдений. 1978 года Конгресс утвердил финансирование в размере 36 миллионов долларов и сразу после этого начались полномасштабные работы по проектированию. Запуск планировался на 1983 год. В начале 80-х телескоп получил имя Эдвина Хаббла.


1.3. Организация проектирования и строительства

Работу по созданию космического телескопа была поделена между многими компаниями и учреждениями. Космический центр Маршалла отвечал за разработку, проектирование и строительство телескопа, Центр космических полетов Годдарда осуществлял общее руководство разработкой научных приборов и был избран как наземный центр управления. Центр Маршалла заключил контракт с компанией Перкин-Элмер ( англ. Perkin-Elmer ) На проектирование и изготовление оптической системы телескопа ( англ. Optical Telescope Assembly (OTA)) и датчиков точного наведения. Корпорация Локхид получила контракт на строительство космического аппарата для телескопа [4].


1.4. Изготовление оптической системы

Полировка главного зеркала телескопа, лаборатория компании Перкин-Элмер, Май 1979

Зеркало и оптическая система в целом были наиболее важными частями конструкции телескопа, и к ним предъявлялись особо жесткие требования. Обычно зеркала телескопов изготавливаются с допуском примерно в десятую часть длины волны видимого света, но поскольку космический телескоп предназначался для наблюдений в диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного, а разрешение должно было быть десять раз выше, чем у наземных приборов, допуск для изготовления его главного зеркала был установлен в 1/20 длины волны видимого света (примерно 30 нано метров).

Резервное зеркало телескопа, Смитсоновский музей авиации и космонавтики, Вашингтон

Компания "Перкин-Элмер? намеревалась применить новые станки с числовым программным управлением для изготовления зеркала заданной формы. Компания "Кодак" получила контракт на изготовление запасного зеркала с использованием традиционных методов полировки, на случай непредвиденных проблем с неапробированных технологиями (зеркало, изготовленное компанией "Кодак" сейчас находится в экспозиции музея Смитсоновского института [5]). Работы над основным зеркалом начались 1979 года, для изготовления применены стекло со сверхнизким коэффициентом расширения. Для уменьшения веса зеркало состояло из двух поверхностей - нижней и верхней -, соединенных решетчатой ​​конструкцией сотовой структуры.

Работы по полировке зеркала продолжались до мая 1981 года, при этом был нарушен начальные сроки и значительно превышен бюджет. В отчетах NASA того периода выражаются сомнения в компетентности руководства компании "Перкин-Элмер? и ее способности успешно завершить проект такой важности и сложности. С целью экономии средств NASA отменила заказ на резервное зеркало и перенесло дату запуска на октябрь 1984 года. Окончательно работы завершились к концу 1981 года после нанесения отражающего покрытия из алюминия толщиной 75 нм и защитного покрытия из фторида магния толщиной 25 нм.

Несмотря на это, сомнения в компетентности "Перкин-Элмер? оставались, поскольку сроки окончания работ над остальными компонентами оптической системы постоянно сдвигались, а бюджет проекта рос. Графики работ, предоставляемых компанией, NASA охарактеризовала как "неопределенные и такие, которые изменяются каждый день", и запуск телескопа было отложено до апреля 1985 года. Однако сроки продолжали срываться, задержка росла каждого квартала в среднем на месяц, а на завершающем этапе - в день ежедневно. NASA была вынуждена еще дважды перенести старт, сначала - на март, а затем - на сентябрь 1986 года. К тому времени общий бюджет проекта вырос до 1,175 млрд. долларов США [4].


1.5. Космический аппарат

Начальные этапы работ над космическим аппаратом, 1980

Другой сложной инженерной проблемой было создание космического корабля для телескопа и остальных приборов. Основными требованиями были защита оборудования от постоянных перепадов температур (из-за нагрева от прямого солнечного освещения и охлаждения в тени Земли), а также особо точное ориентирование телескопа. Телескоп смонтирован внутри легкой алюминиевой капсулы, которую покрыто многослойной термоизоляцией, что обеспечивает стабильную температуру. Жесткость капсулы и крепление приборов обеспечивает внутренняя пространственная рама из углеродного волокна.

Хотя работы по созданию космического аппарата осуществлялись успешно, чем изготовление оптической системы, Локхид также допустила некоторого отставания от графика и превышения бюджета. До мая 1985 года перерасход средств составил около 30% от первоначального объема, а отставание от плана - 3 месяца. В подготовленном Космическим центром Маршалла докладе отмечалось, что при проведении работ компания не проявляет инициативы, предпочитая полагаться на указания NASA [4].


1.6. Координация исследований и управление полетом

1983, после некоторого противостояния между NASA и научным сообществом, был основан Научный институт космического телескопа [6]. Институт руководствуется Ассоциацией университетов по астрономическим исследованиям ( англ. AURA ) И располагается в кампусе университета Джона Хопкинса в Балтиморе, штат Мэриленд. Университет Хопкинса - один из 32 американских университетов и иностранных организаций, входящих в ассоциацию. Научный институт космического телескопа отвечает за организацию научных работ и обеспечение доступа астрономов к полученным данным - функции, которые NASA хотела оставить под своим контролем, но ученые предпочли передать их академическим учреждениям.

Европейский координационный центр космического телескопа был основан 1984 года в городе Гархинг ( нем. Garching bei M?nchen ), Германия для предоставления аналогичных возможностей европейским астрономам.

Управление полетом было возложено на Центр космических полетов Годдарда (en: Goddard Space Flight Center), расположенный в городе Гринбелт, Мэриленд в 48 километрах от Научного института космического телескопа. За функционированием телескопа ведется круглосуточное посменно наблюдения четырьмя группами специалистов.

Техническое сопровождение осуществляется NASA и компаниями-контакторами через Центр Годдарда.


2. Запуск и начало работы

Старт шаттла "Дискавери" с телескопом "Хаббл" на борту
Телескоп Хаббл на орбите

Запуск телескопа на орбиту планировался на октябрь 1986 года, но 28 января катастрофа "Челленджера" прекратила программу "Спейс Шаттл" на несколько лет, и запуск пришлось отложить. Вынужденная задержка позволила осуществить ряд усовершенствований: солнечные батареи были заменены на более эффективные, модернизировано бортовой вычислительный комплекс и системы связи, а также изменена конструкция кормового защитного кожуха с целью облегчить обслуживание телескопа на орбите [7]. Все это время части телескопа хранились в помещениях с искусственно очищенной атмосферой, что увеличило затраты на проект.

После возобновления полетов шаттлов 1988 года запуск был окончательно назначен на 1990 год. Перед запуском пыль, скопившийся на зеркале, было удалено с помощью сжатого азота, осуществлено тщательное тестирование всех систем.

Шаттл "Дискавери" STS-31 стартовал 24 апреля 1990 года и на следующий день вывел телескоп на рассчитанную орбиту.

От начала проектирования до запуска было затрачено 2,5 млрд. долларов США (по первоначального бюджета в 400 млн). Общие затраты на проект по состоянию на 1999 год оцениваются в 6 млрд. долларов с американской стороны и 593 миллиона евро, которые были уплачены ЕКА [8].


2.1. Приборы, установленные на время запуска

На момент запуска на борту были установлены пять научных приборов:

  • Широкоугольная и планетарная камера ( англ. Wide Field and Planetary Camera , WFPC). Камера была сконструирована в Лаборатории реактивного движения NASA. Она была оснащена набором из 48 светофильтров для выделения участков спектра, составляющих особый интерес для астрофизических наблюдений. Прибор имел 8 ПЗС -матриц, распределенных между двумя камерами (каждая имела по 4 матрицы). Широкоугольная камера имела большой угол обзора, тогда как Планетарная камера имела большее фокусное расстояние, и, следовательно, давала увеличенное изображение.
  • Спектрограф высокого разрешения Годдарда ( англ. Goddard High Resolution Spectrograph (GHRS)). Спектрограф предназначался для работы в ультрафиолетовом диапазоне. Прибор был создан в центре космических полетов Годдарда, его спектральное разрешение достигала 90000 линий [9].
  • Камера съемки тусклых объектов ( англ. Faint Object Camera (FOC)). Прибор разработан ЕКА. Камера предназначалась для съемки в ультрафиолетовом диапазоне с высоким разрешением (до 0,05 ").
  • Спектрограф тусклых объектов ( англ. Faint Object Spectrograph (FOS)). Предназначался для исследования особенно тусклых объектов в ультрафиолетовом диапазоне.
  • Высокоскоростной фотометр ( англ. High Speed ​​Photometer (HSP)). Разработанный в университете Висконсина, предназначался для наблюдений за переменными звездами и другими объектами с яркостью меняется. Мог выполнять до 10000 измерений в секунду с точностью около 2%.
  • Датчики точного наведения ( англ. Fine Guidance Sensors ) Могут применяться в научных целях, обеспечивая астрометрию с точностью до угловой миллисекунды. Это позволяет вычислять параллакс и собственное движение объектов с точностью до 0,2 угловой миллисекунды и наблюдать орбиты двойных звезд с угловым диаметром до 12 миллисекунд [10].

2.2. Дефект главного зеркала

Уже в первые недели после начала работы полученные изображения продемонстрировали серьезную проблему в оптической системе телескопа. Хотя качество изображений было лучше, чем в наземных телескопов, "Хаббл" не мог достичь заданной четкости, и допуск снимков было значительно хуже ожидаемого. Изображение точечных источников имели радиус свыше одной угловую секунду вместо фокусировки в круг диаметром 0,1 секунды, согласно спецификации [11] [12].

Анализ изображений показал, что источником проблемы является неправильная форма главного зеркала. Несмотря на то, что он был рассчитан, пожалуй, точнее из когда-либо созданных, а допуск не превышал 1/20 длины волны видимого света, он был изготовлен слишком плоским по краям. Отклонение поверхности от заданной формы составляло лишь 2 микрометры, но результат оказался катастрофическим - сильная сферическая аберрация (оптический дефект, когда свет, отраженный от краев зеркала, фокусируется в другой точке, чем свет, отраженный центральными участками зеркала).

Влияние дефекта на астрономические исследования зависело от типа наблюдений - характеристики рассеяния были достаточны для осуществления уникальных наблюдений ярких объектов с достаточно высоким разрешением, также практически не пострадала и спектроскопия. Однако, потеря значительной части светового потока через расфокусировки значительно уменьшила пригодность телескопа для наблюдений тусклых объектов и получения изображений с высокой контрастностью. Итак, практически все космические программы стали просто невыполнимыми, поскольку требовали наблюдений тусклых объектов.


2.3. Причины дефекта

Анализируя изображения точечных источников света, астрономы установили, что коническая постоянная зеркала составляет -1,0139 (вместо нужной -1,00229). Такое же число было получено путем проверки нуль-корректоров (приборов для измерения кривизны полированной поверхности с высокой точностью), примененных компанией "Перкин-Элмер", а также из анализа интерферограм, полученных в процессе наземного тестирования зеркала.

Комиссия, возглавляемая Лю Алленом ( англ. Lew Allen ), Директором Лаборатории реактивного движения, установила, что дефект возник вследствие ошибки при монтаже главного нуль-корректора, полевую линзу которого был сдвинут на 1,3 мм относительно правильного расположения. Оползень произошел по вине техника, собирал прибор. Он ошибся при работе с лазерным измерителем, применявшимся для точного расположения оптических элементов прибора, а когда после окончания монтажа заметил непредвиденную щель между линзой и конструкцией, поддерживает ее, то просто вставил обычную металлическую шайбу [13].

В процессе полировки зеркала его поверхность проверялась при помощи двух других нуль-корректоров, каждый из которых правильно указывал на наличие сферической аберрации. Эти проверки было предусмотрено именно для предотвращения серьезных оптических дефектов. Несмотря на четкие инструкции по контролю качества, компания проигнорировала результаты измерений, предпочитая верить, что два ноль-корректоры менее точные, чем главный, измерения которого свидетельствовали об идеальной форме зеркала. Комиссия возложила вину за произошедшее в первую очередь на исполнителя. Отношения между оптической компанией и NASA серьезно ухудшились в процессе работы над телескопом из-за постоянного срыва графика работ и перерасхода средств. NASA установила, что компания не относилась к работам над зеркалом как к основной части своего бизнеса, и пребывала в уверенности, что заказ не может быть передано другому подрядчику после начала работ.

Хотя комиссия подвергла компанию суровой критике, часть ответственности возложена также на NASA, в первую очередь за неспособность выявить серьезные проблемы с контролем качества и нарушения процедур со стороны исполнителя [14].


2.4. Поиски решения

Поскольку дизайн телескопа изначально предусматривал обслуживание на орбите, ученые немедленно начали поиск потенциального решения, которое можно было бы применить во время первой технической миссии, запланированной на 1993 год. Хотя Кодак завершил изготовление запасного зеркала для телескопа, замена его в космосе не представлялась возможной, а снимать телескоп с орбиты для замены зеркала на Земле было бы слишком долго и дорого. Тот факт, что зеркало было отполировано до неправильной формы с высокой точностью, привел к идее разработать новый оптический компонент, который бы выполнял обратное преобразование, эквивалентное ошибке. Новое устройство работал бы для телескопа подобно очков, корректируя сферическую аберрацию.

Из-за разницы в конструкции приборов требовалось разработать два разных корректирующие устройства. Один предназначался для Широкоформатной и Планетарной камеры, которая имела специальные зеркала направляли свет на ее сенсоры и коррекция могла осуществляться за счет использования зеркал особой формы, которые бы компенсировали аберрацию. Соответствующее замену было предусмотрено в конструкции новой Планетарной камеры. Другие приборы не имели промежуточных отражательный поверхностей, и, таким образом, требовали внешнего корректирующего устройства.


2.5. Система оптической коррекции (COSTAR)

Корректировка аберрации телескопа. Снимок галактики М100 до и после установки COSTAR

Система предназначена для корректировки сферической аберрации, получила название COSTAR и состояла из двух зеркал, одно из которых компенсировало дефект [15]. Для установления COSTAR на телескоп необходимо было демонтировать один из приборов, и ученые приняли решение пожертвовать высокоскоростным фотометром.

В течение первых трех лет работы, к установлению корректирующих устройств телескоп совершил большое количество наблюдений. В частности, дефект не очень влиял на спектроскопические измерения. Несмотря на отмененные из-за дефекта эксперименты, было получено множество важных научных результатов, в частности, созданы новые алгоритмы улучшения качества изображений с помощью деконволюции.


3. Техническое обслуживание телескопа

Обслуживание "Хаббла" осуществляется при выходов в открытый космос с космических кораблей многоразового использования типа " Спейс Шаттл" .

Всего было совершено четыре экспедиции по обслуживанию телескопа.

3.1. Первая экспедиция

Работы на телескопе во время первой экспедиции

В связи с выявленным дефектом зеркала значение первой экспедиции по обслуживанию было особенным, поскольку она должна была установить на телескоп корректирующую оптику. Полет "Индевор" STS-61 состоялся 2-13 декабря 1993 года, работы на телескопе продолжались в течение десяти дней. Экспедиция была одной из самых сложных за всю историю, в течение нее было совершено пять длительных выходов в открытый космос.

Высокоскоростной фотометр была заменена на систему оптической коррекции, широкоугольные и планетарную камеру заменили на новую модель ( англ. Wide Field and Planetary Camera 2 (WFPC2)) с системой внутренней коррекции.

Кроме того было заменено солнечные батареи и системы управления двигателями батарей, четыре гироскопы системы наведения, два магнетометром, обновлено бортовой вычислительный комплекс. Также была осуществлена ​​коррекция орбиты, необходимую из-за потери высоты вследствие трения о воздух при движении в верхних слоях атмосферы.

31 января 1994 года NASA объявило об успехе миссии и продемонстрировало первые снимки более высокого качества [16]. Успешное завершение экспедиции было большим достижением как для NASA, так и астрономов, получили в свое распоряжение полноценный инструмент.


3.2. Вторая экспедиция

Второе техническое обслуживание было осуществлено 11-21 февраля 1997 года, в рамках миссии "Дискавери" STS-82. Спектрограф Годдарда и Спектрограф тусклых объектов были заменены Регистрирующий спектрограф космического телескопа ( англ. Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS)) и Камера и мульти-объектный спектрометр ближнего инфракрасного диапазона ( англ. Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS)). Было также заменено бортовой регистратор, произведен ремонт теплоизоляции и выполнена коррекция орбиты.


3.3. Третья экспедиция (А)

Экспедиция 3А ("Дискавери" STS-103) состоялась 19-27 декабря 1999 года, после того, как было принято решение о досрочном проведении части работ по программе третьего сервисного обслуживания. Это было вызвано тем, что вышли из строя три из шести гироскопов системы наведения. Четвертый гироскоп отказал за несколько недель до полета, сделав телескоп непригодным для наблюдений. Экспедиция заменила все шесть гироскопов, датчик точного наведения и бортовой компьютер. Новый компьютер содержал процессор Intel -486 особого производства - с повышенной устойчивостью к радиации. Это позволило с помощью бортового комплекса осуществлять часть вычислений, ранее выполнявшиеся на Земле.


3.4. Третья экспедиция (B)

"Хаббл" в грузовом отсеке шаттла перед возвращением на орбиту, на фоне Земли, Солнца. Экспедиция STS-109.

Экспедицию 3В (четвертая миссия) был осуществлен 1-12 марта 2002, полет "Колумбии" STS-109. В ходе экспедиции Камера съемки тусклых объектов были заменены Усовершенствованную обзорную камеру ( англ. Advanced Camera for Surveys (ACS)), и восстановлено функционирование Камеры и спектрометра ближнего инфракрасного диапазона (NICMOS), в системе охлаждения которых 1999 года закончился жидкий азот [17].

Было второй заменены солнечные батареи. Новые панели были на треть меньше по площади (что значительно уменьшило потери на трение в атмосфере), но производили на 30% больше энергии, благодаря чему стала возможной одновременная работа всех приборов, установленных на борту обсерватории. Также было заменено узел распределения энергии требовало полного выключения электропитания на борту - впервые с момента запуска.

Осуществленные работы существенно расширили возможности телескопа. Два введенных в действие приборы, ACS и NICMOS, позволили получить изображения глубокого космоса.


3.5. Четвертая экспедиция

Очередную экспедицию по обслуживанию с целью замены аккумуляторов и гироскопов, а также установление новых усовершенствованных инструментов, был назначен на февраль 2005 года, но после катастрофы космического корабля "Колумбия" 1 марта 2003 было отложено на неопределенный срок, что поставило под угрозу дальнейшую работу "Хаббла ". Даже после возобновления полетов шаттлов, миссия была отменена, поскольку было принято решение, что каждый челнок направляется в космос, должен иметь возможность добраться МКС в случае обнаружения неисправностей. Однако, из-за большой разницы в наклоне и высоте орбит, шаттл не может выйти на орбиту станции после посещения телескопа.

Под давлением Конгресса и общественности, требовавших мер по спасению телескопа, 29 января 2004, Шон О'Киф ( англ. Sean OKeefe ), Который был тогда администратором NASA, объявил, что изучит решение об отмене экспедиции к телескопу еще раз.

13 июля 2004, официальная комиссия Академии наук США приняла рекомендацию, что телескоп должен быть сохранен, несмотря на очевидный риск.

11 августа того же года О'Киф поручил Центра Годдарда подготовить детальные предложения об обслуживании телескопа с помощью работа. После изучения этот план был признан "технически невыполнимой" [18].

31 октября 2006 новым администратором NASA Майклом Гриффином было официально объявлено о подготовке последней миссии по ремонту и модернизации телескопа [19]. Экспедицию к телескопу был назначен на середину 2008 года, ее продолжительность - 11 дней.

На борту был ряд неисправностей, устранить которые без посещения телескопа было невозможно:

  • 3 августа 2004 года отказала резервная система питания регистрирующих спектрометра (основная сломалась еще в мае 2001), прибор находился в нерабочем состоянии
  • Из шести гироскопов системы ориентации работали только четыре, и с 31 августа 2005 телескоп был переведен в режим ориентации на двух гироскопах, два оставались в резерве. В нормальном режиме используются три гироскопы, в случае ориентации на двух зону обзора ограничены, а точное наведение затруднено.
  • 29 января 2007 года вышла из строя резервная система питания совершенствования обзорной камеры. Основная система была частично неисправна с 2006 года. Переключение на нее было возможным, но камера работала только в ультрафиолетовом диапазоне.

Миссия " Атлантиса" STS-125 началась 11 мая 2009 года, когда космический челнок стартовал с космодрома на мысе Канаверал в штате Флорида. На борту корабля находился экипаж из 7 астронавтов. Как спасательный корабль был подготовлен и установлен на стартовую позицию шаттл "Дискавери". В течение миссии астронавты "Атлантиса" пять раз выходили в открытый космос и выполнили все поставленные перед ними задачи. Они установили на телескоп новый стыковочный устройство; установили новую камеру Wide Field Camera 3, которая является основным рабочим инструментом телескопа, и заменили Wide Field Planetary Camera 2, что эксплуатировалась в течение 16 лет. Кроме того астронавты заменили компьютерную систему обработки и передачи данных телескопа, который отвечает за работу всех компонентов "Хаббла" и передачу данных с телескопа на Землю, частично отремонтировали основную камеру (Advanced Camera for Surveys), снабжен "Хаббл" Чувствительным ультрафиолетовым спектрографом ( Cosmic Origins Spectrograph), заменили гироскопы и аккумуляторы телескопа, установили новый сенсор для ориентации аппарата в пространстве и новое защитное покрытие для телескопа.

Что касается телескопа в целом, то по результатам осуществленных четвертой экспедицией работ срок его работы был увеличен на 5-10 лет. Предполагается, что "Хаббл" будет работать на орбите до 2013 года, когда его должен изменить космический телескоп "Джеймс Уэбб", после чего "Хаббл" будет затоплен в Тихом океане. Других ремонтных миссий для него не планируется.


4. Технические данные

Общий вид телескопа.

4.1. Параметры орбиты

4.2. Космический аппарат

  • Длина космического аппарата - 13,3 м, диаметр - 4,3 м, две солнечные батареи имеют размеры 2,6 ? 7,1 м, масса 11 000 кг (с установленными приборами около 12500 кг).

5. Достижения

"Столпы творения", один из самых известных снимков, полученных телескопом. Рождение молодых звезд в Туманности Орла

За 15 лет работы на околоземной орбите "Хаббл" получил 700 тысяч изображений 22 тысяч небесных объектов - звезд, туманностей, галактик, планет. Поток данных, которые он ежедневно генерирует в процессе наблюдений, составляет около 15 Гб. Общий их объем, накопленный за все время работы телескопа, превышает 20 терабайт. Около 4000 астрономов получили возможность применять его для наблюдений, опубликовано около 4000 статей в научных журналах. Установлено, что в среднем индекс цитирования астрономических статей, основанных на данных телескопа, вдвое выше, чем статей, основанных на других данных. Ежегодно в списке 200 наиболее цитируемых статей не менее 10% занимают работы, выполненные на основе материалов "Хаббла". Нулевой индекс цитирования имеют в общей сложности около 30% работ по астрономии и только 2% работ, выполненных с помощью космического телескопа [21].

Однако цена, которую приходится платить за достижение "Хаббла", весьма высока: специальное исследование, посвященное изучению влияния на развитие астрономии телескопов различных типов, установило, что хотя работы выполнены с помощью орбитального телескопа имеют суммарный индекс цитирования в 15 раз больше, чем у наземного рефлектора с 4-метровым зеркалом, стоимость их содержания выше в 100 и более раз [22].


5.1. Значимые наблюдения

На изображении, полученном по программе Hubble Ultra Deep Field, видны сотни галактик, самый красный и тусклые образовались всего через 800 млн. лет после Большого Взрыва
  • С помощью измерения расстояний до цефеид в Скоплении Девы было уточнено значение постоянной Хаббла. К наблюдений орбитального телескопа погрешность определения постоянной оценивалась в 50%, наблюдения позволили повысить точность до 10%.
  • "Хаббл" предоставил высококачественные изображения столкновения кометы Шумейкера-Леви 9 с Юпитером 1994 года.
  • Впервые получены карты поверхности Плутона и Эриды.
  • Впервые наблюдались ультрафиолетовые полярные сияния на Сатурне [23], Юпитере и Ганимеде.
  • Получены дополнительные данные (в частности, спектрометрические) о планетах вне солнечной системы.
  • Найдено большое количество протопланетных дисков вокруг звезд в Туманности Ориона [24].
  • Доказано, что процесс формирования планет происходит у большинства звезд Млечного Пути.
  • Частично подтверждено теорию о сверхмассивные черные дыры в центрах галактик, на основе наблюдений выдвинута гипотеза, связывающая массу черных дыр со свойствами галактики.
  • По результатам наблюдений квазаров построена современная космологическую модель: Вселенная расширяется с ускорением и заполнен темной энергией, уточнен возраст Вселенной - 13,7 млрд. лет.
  • Выявлено эквиваленты гамма-вспышек в оптическом диапазоне ( 1995 г).
  • 2004 года было сфотографировано участок размером одну тридцатимиллионному часть площади неба (Hubble Ultra Deep Field), с эффективной выдержкой около 10 6 секунд (11,3 суток). Полученное изображение содержит несколько тысяч тусклых галактик, что позволило продолжить изучение отдаленных галактик вплоть до эпохи образования первых звезд. Впервые было получено изображение протогалактик, первых сгустков материи, которые сформировались менее чем через миллиард лет после Большого Взрыва. Сравнение этого участка на другой, расположенной в другой части неба (Hubble South Deep Field), подтвердило гипотезу о изотропию Вселенной.
  • открыто более 1500 новых галактик.

5.2. Уточнение постоянной Хаббла

Астрономы выполнили точно на сегодняшний день исчисления постоянной Хаббла - величины, характеризующей зависимость скорости удаления объекта и его расстояния от наблюдателя. Работа астрофизиков будет опубликован в журнале The Astrophysical Journal [25].

В этом исследовании ученые изучали около 240 цефеид в семи галактиках. На первом этапе они вычислили среднюю светимость цефеид в галактике NGC 4258. Для этого им понадобилась видимая звездная величина этих объектов, а также расстояние до этой галактики, которая была известна из наблюдений NGC 4258 с помощью радиотелескопов.

Цефеиды - это переменные звезды, отличающиеся известной зависимостью между периодом колебания и светимостью. Наблюдая первый показатель, астрономы могут определить второй. Сравнивая светимость с видимой звездной величиной ученые способны вычислить расстояние до цефеиды. Именно этим методом воспользовались исследователи для вычисления расстояний до остальных шести галактик по видимым в них цефеидами.

Наконец, полученные расстояния была применена для калибровки данных наблюдений сверхновых типа Ia (в частности, зависимости их светимости от времени), вспышки которых незадолго до того наблюдались именно в этих скоплениях. Полученные данные о светимость сверхновых ученые применили для определения расстояний до еще более отдаленных звездных скоплений, в которых тоже наблюдались сверхновые. Вычислив расстояние, а также измерив красное смещение в их спектре излучения, который определяет скорость удаления, астрофизики вычислили новое значение постоянной Хаббла.

Оказалось, что она равна 74,2 (? 3,6) км / сек на один мега парсек. Например, это означает, что объект, расположенный на расстоянии 10 мегапарсек (около 33 миллионов световых лет) от Земли, удаляется со скоростью около 742 километров в секунду (? 36 километров в секунду).

Специально для достижения такой точности все измерения проводились с помощью одного прибора - телескопа "Хаббл". Это было сделано, чтобы уменьшить систематическую погрешность, которая возникает в результате измерений, сделанных несколькими приборами. Кроме того, наблюдения осуществлялись в диапазоне волн, близком к инфракрасного, поскольку случайные отклонения колебаний светимости цефеид минимальные именно в этом диапазоне.


6. Доступ к телескопу

Любой человек или организация может подать заявку на работу с телескопом, не существует ограничений по национальной или академической принадлежности. Конкуренция за время наблюдений очень высока, обычно суммарно востребован время в 6-9 раз превышает реально доступен [26].

Конкурс заявок на наблюдение объявляется примерно раз в год. Заявки делятся на несколько категорий:

  • Обычные наблюдения ( англ. General observer ). В эту категорию попадает большинство заявок, требующих обычной процедуры и продолжительности наблюдений
  • Блиц-наблюдения ( англ. Snapshot observations ) Для тех наблюдений, требующих не более 45 минут (включая время наведения телескопа). Они позволяют заполнить паузы между общими наблюдениями
  • Срочные наблюдения ( англ. Target of Opportunity ), Для изучения явлений, которые можно наблюдать в течение ограниченного, заранее известного промежутка времени.

Кроме того, 10% времени наблюдений остается в так называемом "резерве директора института космического телескопа". Астрономы могут подать заявку на использование резерва в любое время, обычно он используется для наблюдений незапланированных краткосрочных явлений, таких, как вспышки сверхновых. Съемки глубокого космоса по программам Hubble Deep Field и Hubble Ultra Deep Field также было осуществлено за счет директорского резерва.

В течение первых нескольких лет часть времени из резерва выделялась астрономам-любителям. Их заявки рассматривались комитетом, также состоял из выдающихся астрономов-непрофессионалов. Основными требованиями к заявке были оригинальность исследования и несовпадение темы с поданными запросами профессиональных астрономов. В целом в период между 1990 и 1997 годом было совершено 13 наблюдений по программам, которые предложили любители. В дальнейшем, из-за сокращения бюджета института, предоставление времени непрофессионалам было прекращено.


7. Планирование наблюдений

Планирование наблюдений является чрезвычайно сложной задачей, поскольку необходимо учитывать влияние многих факторов:

  • Телескоп находится на низкой орбите, что необходимо для обеспечения обслуживания, и значительную часть астрономических объектов затенены Землей чуть меньше половины времени обращения. Существует так называемая "зона длительной видимости" (в направлении примерно 90 ? к плоскости орбиты), однако из-за прецессию орбиты это направление меняется с восьминедельная периодом
  • Из-за повышенного уровня радиации наблюдения невозможны, когда телескоп пролетает над Южно-Атлантической аномалией
  • Минимальное отклонение от Солнца составляет 45 ?, чтобы предотвратить попадание прямого солнечного света в оптической системы, что, в частности, делает невозможными наблюдения Меркурия; прямые наблюдения Луны и Земли допустимы при отключенных датчиках точного наведения
  • Поскольку орбита телескопа проходит в верхних слоях атмосферы, плотность которых изменяется с течением времени, невозможно точно предсказать расположение телескопа. Ошибка шестинедельного прогноза может составлять до 4 тыс. километров. В связи с этим точное расписание наблюдений состоит всего на несколько дней вперед, чтобы избежать ситуации, когда выбранный для наблюдения объект будет невидимым в определенное время.

8. Передача, хранение и обработка данных телескопа

8.1. Передача на Землю

Данные "Хаббла" сначала накапливаются на борту. На время запуска для этого применялись катушечные магнитофоны, в течение экспедиций 2 и 3А их заменили на твердотельные диски. Затем, через систему коммуникационных спутников TDRS, данные передают в Центр Годдарда. Бортовое оборудование рассчитано на передачу данных со скоростью 1 Мбит / с [1].

8.2. Архивирование и доступ к данным

В течение первого года с момента получения данные предоставляются только основном исследователю (заявителю наблюдения), а затем размещаются в архиве со свободным доступом. Исследователь может подать прошение о сокращении или увеличении летнего срока.

Наблюдение, осуществленные за счет времени из резерва директора становятся общественным достоянием немедленно, как и вспомогательные и технические данные.

Данные в архиве хранятся в формате FITS, удобном для астрономического анализа. Проект "Наследие Хаббла" публикует небольшую, визуально эффектную часть данных в форматах TIFF и JPEG для широкой общественности.


8.3. Анализ и обработка информации

Астрономические данные, снятые с ПЗС -матриц приборов, должны пройти ряд преобразований, прежде чем станут пригодными для анализа. Институт космического телескопа разработал пакет программ для автоматического преобразования и калибровки данных. Преобразование выполняются автоматически по запросу данных. Из-за большого объема информации и сложности алгоритмов обработка может длиться сутки и более.

Астрономы могут получить также необработанные данные и выполнить процедуру обработки самостоятельно, что удобно, когда процесс преобразования отличается от стандартного.

Данные могут быть обработаны с помощью различных программ, но Институт телескопа предоставляет пакет STSDAS (Система анализа научных данных космического телескопа, англ. Space Telescope Science Data Analysis System ). Пакет содержит все необходимые для обработки данных программы, оптимизированные для работы с информацией "Хаббла". Пакет работает как модуль популярной астрономической программы IRAF.


9. Связи с общественностью

Для проекта космического телескопа всегда было важно привлечь внимание и воображение широкой общественности и, особенно, американских налогоплательщиков, внесших наибольший вклад в финансирование "Хаббла".

Одним из важнейших по связям с общественностью является проект "Наследие Хаббла" ( англ. The Hubble Heritage ). Его задачей является публикация визуально и эстетически эффектных изображений, полученных телескопом. Галереи проекта содержат не только оригинальные снимки, но и созданные на их основе коллажи и рисунки. Проекта выделено небольшое количество времени наблюдений для получения полноценных цветных изображений объектов, фотографирование которых в видимой части спектра ненужное для исследований.

Кроме того, Институт космического телескопа поддерживает несколько веб-сайтов с изображениями и исчерпывающей информацией о телескопе.

2000 года для координации усилий различных ведомств было создано Бюро по связям с общественностью ( англ. Office for Public Outreach ).

В Европе 1999 года связями с общественностью занимается Европейский информационный центр ( англ. Hubble European Space Agency Information Centre (HEIC)), основанный Европейским координационным центром космического телескопа. Центр также отвечает за образовательные программы ЕКА, связанные с телескопом.


10. Хаббл отпраздновал свое 20-летие

24 апреля 2010 г. исполнилось 20 лет со дня вывода космического телескопа "Хаббл" на околоземную орбиту. По этому поводу НАСА подготовило специальный фильм [27], где рассказывается о самых значительных открытия, осуществлено с помощью телескопа "Хаббл" в течение всего периода его активной работы. Особое внимание уделяется последнем открытию "Хаббл" источников звездообразования в туманности Киля, где хорошо видно выбросы газа из аккреционного диска вокруг протозори [27].


См.. также

11. Сноски

  1. а б в г д е Хаббла космический телескоп / / Астрономический энциклопедический словарь / Под общей редакцией И. А. Климишин и А. А. Корсунь. - М.: ЛНУ-ГАО НАНУ, 2003. - С. 506-507. - ISBN 966-613-263-X, УДК 52 (031)
  2. Исторический обзор на официальном сайте, ч.2
  3. Spitzer, Lyman S ( 1979), "History of the Space Telescope", Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society, v. 20 p. 29
  4. а б в Dunar AJ, Waring SP ( 1999), Power To Explore-History of Marshall Space Flight Center 1960 - 1990, US Government Printing Office, ISBN 0-16-058992-4 (Chapter 12 Hubble Space telescope: [1]) (Англ.)
  5. Информация с сайта НАСА (Англ.)
  6. Chapter Three: Exploring the Universe: Space-Based Astronomy and Astrophysics / / Exploring the unknow. Selected Documents in the History of the US Civil Space Program / ​​John M. Logsdon, Editor with Amy Paige Snyder, Roger D. Launius, Stephen J. Garber, and Regan Anne Newport. - Washington, DC: National Aeronautics and Space Administration, NASA History Office, Office of Policy and Plans, 2001. - Т. V: Exploring the Cosmos. - С. 536.
  7. Исторический очерк на официальном сайте, ч.3
  8. "The European Homepage for the NASA / ESA Hubble Space Telescope - Frequently Asked Questions" . http://www.spacetelescope.org/about/faq.html . Проверено 2007-01-10 . (Англ.)
  9. Brandt JC et al (1994), "The Goddard High Resolution Spectrograph: Instrument, goals, and science results", Publications of the Astronomical Society of the Pacific, v. 106, p. 890-908
  10. Benedict, G. Fritz; McArthur, Barbara E. (2005), High-precision stellar parallaxes from Hubble Space Telescope fine guidance sensors, Transits of Venus: New Views of the Solar System and Galaxy, Proceedings of IAU Colloquium # 196, Ed. DW Kurtz. Cambridge University Press, p.333-346
  11. Burrows CJ et al (1991), The imaging performance of the Hubble Space Telescope, Astrophysical Journal, v.369, p.21
  12. Сравнение реальных и рассчитанных графиков точечных объектов (Англ.)
  13. Отчет комиссии Аллена The Hubble Space Telescope Optical Systems Failure Report, 1990, Lew Allen, Chairman, NASA Technical Report NASA-TM-103443 (Англ.)
  14. Selected Documents in the History of the US Civil Space Program Volume V: Exploring the Cosmos, (2001), John M. Logsdon, Editor
  15. Jedrzejewski RI, Hartig G., Jakobsen P., Crocker JH, Ford HC (1994), "In-orbit performance of the COSTAR-corrected Faint Object Camera", Astrophysical Journal Letters, v. 435, p. L7-L10
  16. Trauger JT, Ballester GE, Burrows CJ, Casertano S., Clarke JT, Crisp D. (1994), The on-orbit performance of WFPC2, Astrophysical Journal Letters, v. 435, p. L3-L6
  17. STSci NICMOS pages (Англ.)
  18. Gugliotta, Guy, " Nominee Backs a Review Of NASA's Hubble Decision ", Washington Post, 2005-04-12. Проверено 2007-01-10. (Англ.)
  19. NASA Press-release: "NASA Approves Mission and Names Crew for Return to Hubble" (31 октября 2006) (Англ.)
  20. "HST Orbit data" (en). heavens-above . http://www.heavens-above.com/orbit.aspx?lat=0&lng=0&alt=0&loc=Unspecified&TZ=CET&satid=20580 .
  21. STSCi newsletter, v. 20 issue 2, Spring 2003
  22. Benn CR, S?nchez SF (2001), Scientific Impact of Large Telescopes, Publications of the Astronomical Society of the Pacific, v. 113, p.385
  23. Информация на сайте телескопа
  24. Астрономический сайт К.Гамильтона (Англ.)
  25. Ray Villard, Adam Riess (7 мая 2009). "Refined Hubble Constant Narrows Possible Explanations for Dark Energy" . http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2009/08/full/ . Проверено 14 апреля 2011 . (Англ.)
  26. Hubble Space Telescope Call for Proposals for Cycle 14 (2004), eds. Neill Reid and Jim Younger
  27. а б "Starry-Eyed Hubble Celebrates 20 Years of Awe and Discovery". 11 апреля 2010 . http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2010/13/ . Проверено 14 апреля 2011 . (Англ.)

12. Зовнинши ссылки

Хорошая статья


код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам