Vesoljski teleskop Hubble (HST): zgodovina, tehnologija in odkritja

Vesoljski teleskop Hubble (HST) je prvi večji optični vesoljski teleskop. Ker deluje nad atmosfero, lahko opazuje nebo veliko ostrneje kot teleskop na tleh: zemeljsko ozračje zamegli in razprši svetlobo zvezd, preden ta doseže Zemljo. Teleskop je poimenovan po astronomu Edwinu Hubblu in lahko opazuje praktično 24 ur na dan, razen kadar ga ovira Zemlja (zasedba v orbiti) ali notranja vzdrževalna potreba. Njegovo glavno zrcalo ima premer 94,5 palca (2,4 metra), kar mu omogoča zelo natančne in globoke posnetke oddaljenih objektov.

Zgodovina in izstrelitev

Hubble sta razvila in izdelala skupaj NASA in ESA. V vesolje je bil izstreljen 24. aprila 1990 z vesoljsko raketoplano in je nameščen v nizki zemeljski orbiti, približno 547 km nad Zemljo. V orbiti potuje z zelo visoko hitrostjo — približno 7,5 km/s (približno 5 milj/s ali okoli 17.000 milj na uro) — zato opazovanja načrtujejo zelo skrbno, da se izognejo takojšnjim zasedbam s strani Zemlje in delovnemu območju, kot je Južnoatlantski anomali.

Hubble je velik približno kot velik šolski avtobus (dolžina okoli 13,2 m, premer cevi okoli 4,2 m), vendar dovolj kompakten, da so ga spravili v tovornem prostoru vesoljskega raketoplana. Kmalu po izstrelitvi so odkrili težavo s kakovostjo slike — primarno zrcalo je imelo napako v izrobitvi (sferično aberacijo), zaradi katere so posnetki izgubili ostrino. Napako so odpravili med prvo fazo servisne misije leta 1993 (Servicing Mission 1), ko so namestili korekcijsko optiko in novo kamero. Ta popravilo je Hubble približalo prvotnim načrtom in sprožilo dobo izjemnih odkritij.

Servisne misije in instrumenti

HST je zasnovan tako, da omogoča servisne misije s človeško posadko. Skupno je prejel pet glavnih servisnih misij, ki so mu podaljšale življenjsko dobo in nadgradile zmogljivosti:

1993 (SM1) – odprava sferične aberacije z COSTAR in vgradnja kamere WFPC2.
1997 (SM2) – namestitev spektrografov in infrardečih naprav, med drugim STIS in NICMOS.
1999 (SM3A) – zamenjava žiroskopov in vzdrževalna dela.
2002 (SM3B) – namestitev Advanced Camera for Surveys (ACS) in popravila.
2009 (SM4) – zadnja servisna misija, v kateri so vgradili kamero WFC3 in spektrograf COS ter popravili/posodobili več sistemov (žiroskopi, baterije, elektronika), s čimer so močno izboljšali zmogljivosti v UV, vidnem in bližnjem infrardečem področju.

Glavni instrumenti Hubblea so vključivali (v času različnih misij):

WFPC (in kasneje WFPC2) – širokopolna kamera
WFC3 (Wide Field Camera 3) – širokopolna kamera z občutljivostjo v UV/vidnem/near-IR
ACS (Advanced Camera for Surveys) – za širokopolne opazovanja in iskanje šibkih objektov
STIS (Space Telescope Imaging Spectrograph) – spektrograf za široko področje valovnih dolžin
COS (Cosmic Origins Spectrograph) – izjemno občutljiv ultravioletni spektrograf
NICMOS – infrardeča kamera (včasih hlajena) za bližnji IR
FGS (Fine Guidance Sensors) – natančno usmerjanje in opravila astrometrije

Tehnologija in zmogljivosti

HST deluje predvsem v ultravijoličnem (UV), vidnem in bližnjem infrardečem (near-IR) delu spektra — območja, ki jih iz površja Zemlje močno omejuje ozračje. Zaradi stabilne orbite in velikega zrcala dosega prostorsko ločljivost približno 0,05 arcsekunde v vidnem delu, kar pomeni izjemno ostrino in možnost ločevanja podrobnosti, ki jih zemeljski teleskopi brez adaptivne optike ne bi videli.

Orbitalna hitrost in rotacija Zemlje pomenita, da opazovanja pogosto vključujejo kratke intervale, ko je cilj skrit za Zemljo ali kadar Hubble prehaja skozi območja z večjo sevalno aktivnostjo. Zato je planiranje opazovanj kompleksno in zahteva natančno sinhronizacijo.

Glavna odkritja in znanstveni prispevek

Hubble je bil in je še vedno eden najvplivnejših znanstvenih instrumentov v zgodovini astronomije. Med najpomembnejšimi dosežki so:

Hubble Deep Field (1995), Hubble Ultra Deep Field (2003–2004) in Hubble eXtreme Deep Field — zelo globoki posnetki, ki so razkrili tisoče oddaljenih galaksij in pomagali razumeti zgodnjo evolucijo galaksij.
Meritve hitrosti širjenja vesolja in natančnejše določanje Hubbleove konstante preko opazovanj cepheidskih spremenljivk in supernov tipa Ia, kar je prispevalo k razumevanju starosti vesolja.
Dopolnila dokaze o pospeševanju širjenja vesolja (temna energija) z opazovanji supernov.
Izboljšanje znanja o rasti in združevanju galaksij ter kartiranje porazdelitve temne snovi z opazovanji gravitacijskih leč.
Podrobne slike nastajanja zvezd in protoplanetarnih diskov (npr. proplyds v Orionu) ter osupljive fotografije meglic, kot so "Pillars of Creation".
Dokazi in merjenja supermasivnih črnih lukenj v središčih galaksij ter določanje njihovih mas.
Opazovanja atmosfer eksoplanetov in odkrivanje sledi elementov v njihovih atmosferah (na primer natrija), kar je odprlo pot proučevanju sestave zunanjih svetov.

Sodelovanje z drugimi teleskopi in prihodnost

Hubble je pogosto deloval v tandemu z zemeljskimi observatoriji in kasneje z vesoljskimi teleskopi, kot je James Webb Space Telescope (JWST), ki ga nadgrajuje v infrardečem delu spektra. Medtem ko JWST osredotoča močneje na daljši infrardeči spekter in je namenjen gledanju še bolj oddaljenih in starejših struktur, Hubble nudi neprecenljive UV in vidne opazave, zato oba teleskopa medsebojno dopolnjujeta spoznanja o vesolju.

Čeprav Hubble postopoma strada z zastarelo opremo in omejenimi resursi (npr. število delujočih žiroskopov), ostaja operativen in še vedno prispeva pomembne podatke. Njegova dolgoživost in izjemni znanstveni izplen so pokazali, kako pomembna je kombinacija modularne zasnove in rednih nadgradenj.

Hubble je prinesel ikonične podobe in globoko znanstveno razumevanje vesolja ter navdihnil tako strokovnjake kot širšo javnost. Njegova zapuščina bo vplivala na astronomijo še desetletja.

Vesoljski teleskop Hubble

Ena najbolj znanih slik, ki jih je posnel Hubblov teleskop: "stebri stvarstva" v meglici Orel

Začetek

Teleskop je bil izstreljen leta 1990 z raketoplanom. Ko je vstopil v orbito, je bilo vse v redu. Vendar se je s teleskopom pojavila težava, ki so jo odkrili šele, ko je začel fotografirati.

Astronavta Musgrave in Hoffman nameščata korekcijsko optiko med SM1

Izboljšanje Hubblovih slik po SM1

Težave

Ko je HST posnel prve slike, so bili astronomi veseli, da so jih videli, vendar niso bile tako ostre in jasne, kot so pričakovali. Teleskopi v vesolju lahko naredijo boljše slike kot teleskopi na Zemlji, vendar iz nekega razloga slike niso bile boljše od slik, posnetih na Zemlji. Odkrili so težavo z ogledalom teleskopa. Zrcalo ni bilo pravilno ukrivljeno. Napačno je bilo le za 2,2 mikrona (1/50 debeline lista papirja). Kljub temu je bilo to dovolj, da so bile slike zamegljene. Nekateri so rekli, da je bil Hubble kratkoviden.

Popravilo

Kmalu so poslali še en raketoplan, da bi popravil vesoljski teleskop. Popravilo ni bilo enostavno. Astronavti so morali namestiti nekaj manjših zrcal, da so popravili svetlobo z velikega zrcala. Veliko zrcalo je bilo še vedno mogoče uporabljati. Za to je bilo potrebnih pet dni vesoljskih sprehodov. Ko je astronavt odprl ena od vrat na Hubblu, da bi namestil novo kamero, se vrata niso hotela zapreti. Astronavti so se morali domisliti ustvarjalnega načina, kako zaobiti težavo. Na koncu je bil Hubble popravljen.

Vesoljski teleskop Hubble je bil petkrat popravljen in servisiran, da bi ostal v orbiti in bil zaradi izboljšanja tehnologije še boljši. Program vesoljskih raketoplanov je trajal dlje, kot je bilo načrtovano, da so lahko Hubblov vesoljski teleskop poslali na dodatno odpravo za končni popravek.

Dosežki

Na začetku, leta 1994, je Hubble deset dni opazoval domnevno prazno območje vesolja. Ugotovil je, da je tam dejansko veliko galaksij, vendar zelo šibkih in zelo oddaljenih. Tega ne bi mogel videti noben drug teleskop.
Leta 2004 je Hubble v Hubblovem ultraglobokem polju pogledal nekaj milijard let nazaj do prvih galaksij.
Z njo je bilo mogoče določiti starost vesolja na približno 13,7 milijarde let. Pred Hubblom so znanstveniki vedeli le, da je vesolje staro od 10 do 20 milijard let.
Prvič je posnel planet zunaj našega osončja in ugotovil, kakšno atmosfero imajo morda drugi planeti.

Galaksija Sombrero v infrardeči svetlobi (vesoljski teleskop Hubble in vesoljski teleskop Spitzer)

Prihodnost

Hubbla bo nadomestil vesoljski teleskop Jamesa Webba, ki bo nameščen še dlje od Zemlje. V orbiti so zdaj še drugi teleskopi, kot sta vesoljski observatorij Herschel in vesoljsko plovilo Kepler, ki je bilo izdelano posebej za iskanje Zemlji podobnih planetov okoli drugih zvezd.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je Hubblov vesoljski teleskop?

O: Hubblov vesoljski teleskop (HST) je prvi veliki optični vesoljski teleskop. Izdelali sta ga skupaj NASA in ESA, opazuje pa lahko 24 ur na dan.

V: Kako veliko je glavno zrcalo HST?

O: Glavno zrcalo HST ima premer 94,5 palca (2,4 metra).

V: Kaj omogoča, da s HST vidimo stvari od daleč?

O: Ker je HST nad atmosfero, lahko vidi nebo jasneje kot teleskop na tleh, kar omogoča opazovanje objektov, ki jih je skoraj nemogoče videti od koder koli drugje.

V: Kdaj je bil Hubble izstreljen v vesolje?

O: Hubble je bil izstreljen v vesolje 24. aprila 1990.

V: Kako hitro potuje Hubble v nizki zemeljski orbiti?

O: V nizki Zemljini orbiti Hubble potuje s hitrostjo 5 milj (10 km) na sekundo.

V: Kako velik je Hubble v primerjavi z drugimi objekti?

O: Hubble je po velikosti primerljiv z velikim šolskim avtobusom, vendar je še vedno dovolj majhen, da ga lahko spravimo v tovorni prostor vesoljskega raketoplana.

V: Ali je bilo na Hubblu po izstrelitvi kdaj opravljeno kakšno popravilo? O: Da, leta 1993 so bila opravljena popravila zaradi težav s kakovostjo slike.