Jdi na obsah Jdi na menu
 


Hubblov vesmírny ďalekohľad

8. 6. 2006

Hubblov vesmírny ďalekohľad

Hubblov vesmírny ďalekohľad (HST) predstavuje jeden z najväčších technologických úspechov 20. storočia. Nie je síce najväčším ďalekohľadom, ale je umiestnený mimo rušivých vplyvov zemskej atmosféry. Práve preto jeho prostredníctvom získavame množstvo predtým nedosiahnuteľných záberov. Pozornosť najširšej verejnosti priťahujú práve tieto nádherné obrázky, takisto ako oprava jeho chybnej optiky mimoriadnou výpravou raketoplánu.

Od plánov ku štartu

HST - prípravné štádiá projektu Hubblov vesmírny ďalekohľad je pomenovaný po významnom americkom astronómovi Edwinovi Hubblovi (1889 - 1953), ktorý v 20. rokoch na základe svojich pozorovaní zistil, že galaxie nie sú oblaky plynu, ale vzdialené skupiny hviezd. Hubble tiež zaviedol triedenie galaxií podľa ich tvaru. Najväčším prínosom bolo zistenie, že väčšina galaxií sa od nás vzďaľuje. Iba blízke galaxie sú navzájom zviazané gravitáciou s našou galaxiou. Tieto skutočnosti ako prvý astronóm interpretoval tak, že sa celý vesmír rozpína.V tej dobe, presnejšie v roku 1923, bola v Nemecku vydaná kniha Die Rakete zu den Planetenräumen (Raketou do medziplanetárneho priestoru). V nej jej autor popisuje okrem iného vesmírnu stanicu vybavenú ďalekohľadom. Myšlienka vesmírneho ďalekohľadu je ďalej rozvinutá v koncepcii ďalekohľadu umiestneného na planétke, ktorá je využitá ako pevná základňa pre prístroj, ktorým tak možno fotografovať hviezdne objekty. Prvý pokus o vysvetlenie výhod vesmírneho dalekohladu bol započatý v roku 1946 astronómon L. Spitzerom. Navrhol leteckej spoločnosti Douglas Aircraft Company zkonštruovať ďalekohľad umiestený mimo Zem. Jeho návrh bol progresívny a zahrňoval úplne nový pohľad na problematiku vesmírnych prístrojov. Zpätne môzeme Spitzera považovať za duchovného otca Hubblovho vesmírneho ďalekohľadu. V samotnej NASA sa o stavbe vesmírneho ďalekohľadu vážnejšie neuvažovalo ani v 60. rokoch. Za prípravný krok k vypusteniu ďalekohľadu možno považovať štart dvoch malých vesmírnych observatóríí OAO 2 a predovšetkým OAO 3, nazvané Copernicus. Po úspechu týchto prístrojov (Copernicus bol vybavený ďalekohľadom o priemeru 81 cm) sa začal výskum a vývoj veľkého teleskopu, ktorý mal za úlohu pracovať na obežnej dráhe niekoľko rokov. Behom desaťročí sa plány na prístroj veľakrát výrazne zmenili. Časom sa z hľadiska nákladov ukázal ako najvýhodnejší prístroj o priemeru 2,4 m. Konečne bol projekt ďalekohľadu včítane pomocných prístrojov hotový a v roku 1979 bola zahájená jeho výstavba. Vynesenie ďalekohľadu bolo naplánované na let raketoplánu v roku 1986. Nie dlho pre plánovaným dátumom však postihla americký vesmírny program pohroma.Raketoplán Challanger sa 28. januára 1986 krátko po svojom štartu zrútil. NASA všetky ďalšie lety pozastavila až do vyjasnenia príčin katastrofy. Preto až 24. apríla 1990 mohol odštartovať raketoplán Discovery z Kennedyho vesmírneho strediska. V nákladovom priestore vynášal Hubblov vesmírny dalekohlad, naše "OKNO DO VESMÍRU".

Ako ďalekohľad pracuje


Hubblov ďalekohľad je založený na takých istých princípoch ako pozemské prístroje. Základom je dvojica zrkadiel, ktoré odrážajú svetlo. Väčším z nich, zvaným objektív, sa svetlo odráža na sekundárne zrkadlo na opačnom konci ďalekohľadu. Toto ekundárne zrkadlo potom odráža svetlo vnútrajškom Hubblova vesmírneho ďalekohľadu do otvoru uprostred objektívu. Sústredené svetlo potom prechádza časťou prístroja, v ktorej je množstvo kamier a iných zariadení. Podľa potreby je sveteľný zväzok nasmerovaný do určitého zariadenia. Hubblov ďalekohľad je projektovaný na päť detekčných zriadení, z ktorých dve sú kamery. Prístroj pomenovaný kamera pre slabé objekty (Faint Object Camera - FOC) je určený pre pozorovanie detailov na veľmi malých plochách. Druhý hlavný detektor - širokouhlá a planetárna kamera (Wide Field and Planetary Camera - WF / PC) - je vďaka svojmu veľkému zornému poľu určená k snímkovaniu veľkých objektov. Ako doplnok týchto kamier je do prístorja zabudovaná dvojica spektrografov pre výzkum chemického zloženia vesmírnych objektov. Pôvodne tu bol spektrograf pre slabé objekty (Faint Object Spectrograph - FOS) a Goddardov spektrograf pre vysoké rozlíšenia (Goddard High Resolution Spectrograph - GHRS). Neskôr boli tieto prístroje nahradené kamerou pre blízku infračervenú oblasť s viacnásobným spektrometrom (Near - Infrared Camera and Multi - Object Spectrometer - NICMOS) a spektrografom pre snímky vesmírneho ďalekohľadu (Space Telescope Imaging Spectrograph - STIS). Piatym prístrojom je vysokorýchlostný fotometer (High Speed Photometer - HSP), ktorý meria zmeny v jasnosti nebeských objektov.

Hmlovina NGC 6543 vyfotografovaná pomocou HST Ďalekohľad obieho okolo Zeme po nízkej obežnej dráhe vo výške 500 km. Na tejto obežnnej dráhe je ďalekohľad hlavne preto, aby bol ľahko prístupný pre raketoplány, ktoré zaisťujú jeho servis a inováciu jeho techniky. Nevýhodou nízkej dráhy je postupná strata výšky ďalekohľadu, a teda nutnosť jej korekcie pri plánovaných opravách. Ďalekohľad nie je v neustálom spojení s pozemským riadiacim centrom, každých dvadsať minút počas približne deväťdesiat - minútového obletu Zeme je spojenie prerušené, pretože HST je nad opačnou pologuľou. Aby bola dosiahnutá možnosť nepretržitej komunikácie, je použitý zložitejší systém. Ďalekohľad prenáša svoje údaje prostredníctvom dvoch satelitov zapojených do satelitného systému prenosu dát (TDRSS). Obe spojovacie družice sa nachádzajú na veľmi vysokej dráhe - okolo 35 000 km. Táto dráha sa nazýva geostacionárna, pretože družica umiestnená v tejto výške má takú dobu obehu ako je rotácia Zeme; zostáva teda nad rovnakým miestom zemského povrchu. Pomocou satelitov sa informácie prenášajú na základňu White Sands v Novom Mexiku. Odtiaľ sú údaje prostredníctvom ďalšej spojovacej družice predávané do Goddardovho strediska vesmírnych letov vo Washingtone. To spracováva technické údaje. Nezpracované vedecké údaje sú prenášané pomocou bežnej telefónnej siete do Vedeckého strediska vesmírneho ďalekohľadu (STScl) v Baltimore.

Oprava ďalekohľadu

Opravy  HST Štart Hubblovho vesmírneho ďalekohľadu bol jedinečnou udalosťou v histórii NASA. Hlavným prínosom prístroja je posunutie hraníc pozorovacej techniky. Dňa 20. mája 1990 prebehla u vesmírneho ďalekohľadu skúška, ktorá je pre konštruktérov akéhokoľvek astronomického prístroja takmer posvätná - ďalekohľad bol po prvý raz namierený na nejaký objekt. Ako sa ukázalo neskôr, pre kozmický ďalekohľad bolo toto "prvé svetlo" nanajvýš dôležité. Keď sa Hubblov vesmírny ďalekohľad po prvýkrát zahľadel do vesmíru, oči celého sveta sa obrátili k vesmírnemu ďalekohľadu. Prvým objektom sa stala hviezdokopa NGC 3532 v súhvezdí Lodného kýlu. Právo prvého snímku bolo prisúdené širokouhlej a planetárnej kamere. Obraz tohto prvého objektu sa postupne ukazoval na obrazovke, ktorou sledovali napätí astronómovia a vzrušení reportéri. Z vedeckého ani z iného hľadiska nebol tento obraz nijako výnimočný. Iba doložil, že Hubblov vesmírny ďalekohľad je schopný pracovať.

Pri obrazovke vládlo vzrušenie a nikto nepredpokladal nijaké problémy. Ale v zákulisí už zavládli obavy. Hneď nasledujúci deň na konferencii zoznamujúcej s prvými výsledkami sa ozvali hlasy, že objektív nemá správny tvar. Nasledujúci mesiac intenzívneho výzkumu potvrdil, že plocha primárneho zrkadla je skutočne chybne vyrobená. Ako už to býva, správe o nesprávnej konštrukcii prístroja sa venovalo viacej miesta, než koľko by zabrala správa o jeho správnej funkcii. Výsledkom bolo, že Hubblov vesmírny ďalekohľad vošiel do povedomia verejnosti ako obrovský prehmat. V titulkoch novín bolo možné čítať aj označenia ako "Kiks za 1,5 miliardy dolárov". Problém spočíval v guľovej vade hlavného zrkadla. Môžme povedať, že je to školácka chyba konštrukcie zrkadlových ďalekohľadov, pri ktorej lúče odrazené rôznymi časťami zrkadla sa nestretnú presne v ohnisku. Výsledný obraz hviezdy potom nie je bodový, ale vplyvom tejto zásadnej chyby je rozmazaný do podložky. Po odhalení tejto chyby boli ihneď zahájené práce na jej odstránenie. Ako najlepší sa zdal byť návrh zniesť HST z obežnej dráhy na Zem. Potom by mohla byť oprava prevedená za laboratórnej kontroly. Pokiaľ by sa tak stalo, musela by NASA vyslať tretiu výpravu raketoplánu, ktorá by ďalekohľad opäť umiestnila na obežnú dráhu. Ako obtiažnejšia sa javila oprava priamo na obežnej dráhe. Vyžadovala by jeden z najdlhších pobytov vo vesmírnom priestore, ale zároveň by v prípade úspechu znamenala medzník v skúsenostiach práce v otvorenom vesmírnom priestore. Pri debatách o najlepšom spôsobe, sa diskutovalo aj o jednotlivých detailoch opravy. Konečným rozhodnutím bolo vytvoriť optický člen, ktorý sa na obežnej dráhe vloží pred jednotlivé detektory a bude korigovať skrelený obraz. Pri tomto riešení bolo treba obetovať jeden z prístrojov, aby sa získalo miesto pre korekčný člen. Bola to vlasne malá cena za veľkú opravu. Obetovaným prístrojom bol vysokorýchlostný fotometer. širokouhlá a planetárna kamera bola nahradená korekčným optickým členom, a musela byť preto premiestnená. Korekčný člen sa v prekladu volá optický člen pre vesmírny ďalekohľad (COSTAR).

Na Zemi je veľmi obtiažne napodobniť beztiažne prostredie, a preto sa často používa tréning pod vodnou hladinou. Vo vode sa človek môže pohybovať skoro tak voľne ako v beztiažnom stave vo vesmíre. Kozmonauti si oblečú skafander a potopia sa do ohromného bazénu nazývaného vztlakový simulátor. Tu trénujú s dokonalými maketami prístrojov, ktoré budú používať pri skutočnej práci v kozmu. Okrem bazénu sa pre simuláciu vesmírnej opravy používala aj virtuálna realita.

Opravy HST Detailné plánovanie opravy ďalekohľadu začalo už v roku 1990, krátko po objavení problému. Ako sa dalo očakávať, okrem tohto problému sa objavilo i mnoho ďalších. Boli postupne pripisované do zoznamu prác, ktoré mali kozmonauti spraviť počas prvej servisnej výpravy k vesmírnemu ďalekohľadu. Pre výpravu bolo vybraných sedem kozmonautov: Jeffrey Hoffman, Thomas Ankers, Dick Covey, Claude Nicollier, Story Musgrave, Kathryn Thorntová a Ken Bowersox. Celý rok sa táto posádka pripravovala, aby bola schopná splniť predpísané úlohy, a aby ju nezaskočila žiadna, čo i len trohu predvídateľná okolnosť. Prvé misie údržby Hubblovho vesmírneho ďalekohľadu bola jednoznačne úspešná. Raketoplán Endeavour štartoval skoro zrána 2. decembra 1993. Nasledujúcich jedenásť dní boli udalosti na jeho palube živo prenášané do celého sveta. Zjavná ľahkosť, s akou sa kozmonauti chopili obtiažnej úlohe, budila zdanie, že sa vo vesmíru neodohráva nič zásadné, ale bežná rutinná práca. Výsledok práce znamenal ohromný úspech pre astronómov i pre obraz NASA v očiach verejnosti. O čo ľahšie prebiehala samotná oprava, o to napätejšie očakávanie prišlo po skončení opravy: čakanie na výsledky testovania opraveného prístroja. I keď mnohí boli vo svojom očakávaní skeptický, nebolo po Vianociach 1993 možné pochybovať. Prístroj bol dobre opravený. Nielen to. Výsledok predčil očakávania. Podľa pôvodného plánu sa malo 70 % svetl hviezdy sústrediť do veľmi malého bodu. Pritom najlepší dosiahnuteľný výsledok je sústredenie 87 % do tej istej plochy. S korekčným optickým členom je Hubblov vesmírny ďalekohľad schopný sústrediť 84 % svetla do jedného bodu. Stručne povedané: ďalekohľad sa stal najpresnejšim prístrojom, ktorý kedy ľudstvo vyrobilo pre výzkum vesmíru. Táto skutočnosť bola po prvýkrát predložená na tlačovej konferencii 13. januára 1994, keď netrpezliví novinári dostali k dispozícii súbor fotografií galaxií a hmlovín. Hubblov vesmírny ďalekohľad bol prehlásený za prvý prístroj, ktorý ešte pred koncom tisícročia astronómom umožnil pozrieť na možnosti 21. storočia.

Tretia oprava ďalekohľadu

Foto NASA Druhej návštevy sa 12-tonové observatórium, ktoré obletí našu planétu vo výške 600 km každú 1 a pol hodinu, dočkalo vo februári 1997. Podarilo sa vymeniť niekoľko starnúcich zariadení a pribudla infračervená kamera. Ďalšia omladzovacia kúra mala podľa predstáv technikov, astronómov i úradníkov NASA, nasledovať najskôr v apríli 2000.

Tohto roku vo februári, súhrou niekoľko udalostí, však došlo ku strategickej zmene: V januári totiž vypovedal službu už tretí zo šiestich gyroskopov, špeciálnych zotrvačníkov zabezpečujúce orientáciu ďalekohľadu v priestore. Závada na ďalšom by potom viedla k neodvratnému elektronickému spánku observatória. Ruka v ruke s tým našťastie došlo k výraznému oneskoreniu výstavby Medzinárodnej kozmickej stanice, iného prestížneho projektu NASA. Preto bola tretia servisná výprava rozdelená na dve misie: "A" na jeseň 1999 a "B" v polovici 2001. Oprávnenosť takéhoto rozhodnutia potvrdil 13. november, kedy sa odmlčal už štvrtý gyroskop. Hubble sa tak prepol do kľudného režimu: na svej dráhe okolo Zeme sa pomaly otáča a snaží sa udržať panely slnečných batérií smerom ku Slnku. S riadiacim strediskom v Baltimore síce i naďalej komunikuje, ale už sa nedokáže nasmerovať na jediný astronomický objekt...

Niektoré zo zariadení, ktoré budú vymenené Hubblov vesmírny ďalekohľad, ktorého mesačná prevádzka mimochodom amerických daňových poplatníkov prijde na 21 miliónov dolárov, si takúto starostlivosť určite zaslúži: Od apríla 1990 urobil 259 tisíc záberov asi 13 tisíc objektov a dal tak za vznik 2400 vedeckým článkom. Teleskop neni iba cennou zbraňou pri poznávaniu vesmíru, je taktiež je jedným z najznámejších projektov amerického Národného úradu pre letectvo a kozmonautiku, ktorý má v poslednej dobe svoju povesť značne pokazenú...
Čo všetko ja na programu desaťdenného letu Discovery? V priebehu niekoľko šesťhodinových výstupov do voľného kozmického priestoru John Grunsfeld, Steven Smith, veterán z Miru Michael Foale a Claude Niccolier vyslaný Európskou kozmickou agentúrou postupne vo dvojčlenných tímoch nainštaľujú:

  • Tri jednotky, vždy s dvoma kľúčovými gyroskopmi.
  • Senzor pre presnú navigáciu.
  • Radiácii odolný počítač s procesorom Intel 486 nahradí starší za 386.
  • Magnetofón pre záznam dátbez pohyblivých častí.
  • Regulátor predlžujúci životnosť batérií.
  • Záložný vysielač v pásmu S.
  • Vonkajšiu tepelnú izoláciu ďalekohľadu.
  • Súčasne pripravia pôdu pre servisnú výpravu 3B, ktorá sa pomocou raketoplánu Columbia plánuje na jún 2001. Ich hlavnou úlohou bude výmena oboch panelov slnečných batérií, nová kamera a chladiaci systém pre infračervený detektor NICMOS.

Simulácia NASA Špecialisti predpokladajú, že si splnenie všetkých úloh vyžiada tri výstupy, ničmenej sa počíta i so štvrtou, dodatočnou vychádzkou. Astronauti pritom všetky úlohy nacvičovali od augusta 1998, pričom iba vo špeciálnej vodnej nádrži simulujúcej beztiažny stav strávili viacej než 250 hodín.
Raketoplán Discovery mal pôvodne štartovať už 14. októbra, avšak problémy s elektrorozvodom pri júlovom lete prinútili technikov k rozsiahlej inšpekcii celej kozmickej lode, najmä potom 160 kilometrov najrôznejších vodičov. Niekoľko objevených defektov si potom vynútilo odklad najskôr na november a nakoniec až na december.
Prvý problém nastane už pri chytaní ďalekohľadu. Discovery dostihne Hubbla za zhruba dva dni. Potom ho Jean Clervoy asi 15 metrov dlhým manipulátorom zachytí a umiestni na zvláštnu plošinu v nákladovom priestore raketoplánu. Ten deň v noci sa uskutoční aj prvá výprava: Smith s Grunsfeldom najskôr vymenia všetkých 6 dosluhujúcich gyroskopov. Vzhľadom k nedostatku miesta nepôjde o jednoduchú úlohu, jeden z astronautov sa dokonca prakticky celý dostane do vnútra ďalekohľadu. Samozrejme, že musí dávať nesmierny pozor na všetky značne citlivé zariadenia, často v hodnote niekoľko sto miliónov dolárov... Pokiaľ sa im podarí pripojiť konektory, prevedie riadiace stredisko sériu testov. Po kladnom výsledku potom opravári pred svojim návratom ešte vypustia z nádrží všetok dusík určený na chladenie infračerveného detektoru NICMOS. Tým zjednoduší jeho výmenu v roku 2001.
V druhej vlne vybehnú von Foale a Nicollier, na ktorých čaká prehodenie Hubblovho hlavného počítača s procesorom Intel 286 za rýchlejší 486. Tým sa mimochodom značne znížia finančné nároky na prevádzkovanie ďalekohľadu. Okrem toho taktiež nahradia jeden z troch navigačných senzorov.
Smith a Grunsfeld potom pri tretej vychádzke, samozrejme pokiaľ pôjde všetko bez problémov, nainštaľujú elektroniku nového senzoru, záložný vysielač, nový dátový magnetofón a ku koncu pripevnia na tubus ďalekohľadu tenkú fóliu, ktorá zlepší tepelnú ochranu citlivej elektroniky. Dokončenie jej inštalácie môže byť hlavnou náplňou štvrtej vychádzky. Na záver omladzovacej kúry bude prostredníctvom manipulátoru Hubble poslaný späť do voľného priestoru. Na rozdiel od minulých výprav ho však Discovery nevynesie na vyššiu obežnú dráhu. Columbia, ktorá k observatóriu priletí za dva roky, je totiž príliš ťažká a nemusela by sa tak k nej dostať.

Zosumarizované informácie o HST

miery a váhy: Foto NASA

  • váha 11 110 kg, dĺžka 15,9 m, predný štít 3,1 m, priemer 4,2 m
  • primárne zrkadlo 2,4 m, sekundárne 0,3 m, systém ritchey-chretien
  • presnosť pointácie 0,007", dosah 5 až 29 mag, citlivosť 110 až 1100 nm
  • obežná dráha: 593 km (priemer), sklon 28,5°, perióda 97 minút

Vedecké zariadenia:

  • Space Telescope Imaging Spectograph (STIS)
  • Slúži k rozboru svetla vesmírnych objektov ve väčšom rozsahu než je možné zo Zeme od ultrafialového až po viditeľné svetelné spektrum. Umožňuje pritom simultánne vyhotoviť spektrum v niekoľko najrôznejších miestach jedného objektu.
  • Faint Object Camera (FOC)
  • V roku 2001 bude nahradená Advanced Camera for Surveys, ktorá vo výrazne väčšom zornom poli zvládne také isté zábery ako WFPC2 v prípade znamého južného a severného hlbokého pohľadu.
  • Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS)
  • Vzhľadom k predčasnému vyčerpaniu chladiaceho dusíku v januári 1999 bude až do polovice 2001 mimo prevádzky. Potom dostane nový chladiaci systém.
  • Correstice Optics Space Telescope Axial Replacement (COSTAR)
  • Optika korigujúca vady hlavného zrkadla, v súčasnosti mimo prevádzky. Pri piatej servisnej výprave bude nahradený za Cosmic Origins Spectrograph, pre štúdium medzihviezdneho prostredia.
  • Wide Field and Planetary Camera 2 (WFPC 2)
  • Je z dielne známej Jet Propulsion Laboratory a sprostredkúvava zábery cez sadu filtrov vo dvoch volených zväčšeniach.
  • Fine Guidance Sensors (FGS)
  • Tri tieto detektory poprvé slúžia k presnému pointovaniu ostatných vedeckých zariadení, podruhé k určovaniu polohy a jasnosti vybraných objektov. Hrá napríklad rolu pri hľadaní planét u cudzích hviezd.