Космический телескоп имени Хаббла (коротко, просто «Хаббл») был выведен на околоземную орбиту ровно четверть века назад. Его запуск стал эпохальным событием в истории астрономии. Благодаря реализации этого проекта наука о Вселенной получила уникальный инструмент с очень широкими возможностями.
Уникальный потенциал новой обсерватории был использован на полную катушку. Общее количество научных статей, основанных на присланной с «Хаббла» информации, сейчас приближается к 13 тысячам, а число ссылок на них зашкаливает за полмиллиона. Обработка наблюдений «Хаббла» привела к защите примерно пяти сотен докторских диссертаций.
С помощью «Хаббла» было сделано немало важнейших открытий. Возможно, главным из них стало существенное уточнение одного из главных космологических параметров, названного в честь замечательного американского астронома, чье имя носит орбитальная обсерватория. Параметр Хаббла (который часто, но не точно называют хаббловской постоянной) характеризует скорость расширения Вселенной. Еще в 1980-е годы разброс его значений, полученных различными методами, составлял десятки процентов, однако наблюдения переменных звезд из класса цефеид, выполненные с помощью Хаббла, позволили снизить его примерно на порядок. Данные с «Хаббла» также подтвердили обнаруженное в конце 1990-х годов ускорение расширения Вселенной и позволили доказать, что в ценитральных зонах абсолютного большинства галактик находятся сверхмассивные черные дыры. Они позволили впервые получить информацию о химическом составе атмосфер гигантских газовых экзопланет и показали, что первые галактики возникли не позже, чем через полмиллиарда лет после Большого Взрыва. И это, конечно, далеко не полный список.
Идея орбитального телескопа много старше его самого. Судя по всему, впервые она пришла в голову одному из отцов-основателей ракетной техники Герману Оберту (1894-1989). В своей вышедшей в 1923 г. книге «Ракеты в космическом пространстве» Оберт предложил поставить телескоп на искусственый спутник, вращающийся по геостационарной орбите. А в 1946 г. американский астрофизик Лайман Спитцер подготовил для корпорации РЭНД обширный доклад «Астрономические преимущества внеземной обсерватории». В этой воистину пророческой работе он не только доказал, что крупные орбитальные телескопы неизмеримо расширят возможности изучения внеземных объектов, но и наметил развернутую программу подобных исследований. Соображения Спитцера произвели столь сильное впечатление на начальство РЭНД и ее патрона, авиастроительной фирмы «Дуглас», что те предпочли их засекретить.
Когда космические полеты стали реальностью, Спитцер стал добиваться практического воплощения своих идей. В немалой степени по его инициативе НАСА утвердило первую программу создания автоматических орбитальных обсерваторий, предназначенных для изучения дальнего космоса. В ее рамках были запущены четыре спутника (успешно — всего два, в 1968 и 1972) с приборами для наблюдений в ультрафиолетовых и рентгеновских лучах. Помимо прочей аппаратуры, они несли ультрафиолетовые телескопы-рефлекторы, самый большой из которых был оснащен 80-сантиметровым зеркалом.
Спитцер, тем не менее, мечтал о большем. Он понимал, что для подлинно революционных открытий астрономии необходим мощный орбитальный телескоп, работающий и в оптическом диапазоне, и в прилегающих к нему зонах электромагнитного спектра. В те годы разрешающая способность крупнейших земных телескопов не превышала одной дуговой секунды (в оптимальных условиях — половины секунды). Они не позволяли вести наблюдения ни в в ультрафиолетовых, ни в инфракрасных лучах, сильно поглощаемых и рассеиваемых атмосферой. Внеземной телескоп не имел этих ограничений, и по расчетам, его разрешающая способность должна была составить около одной десятой секунды в видимом спектре и одной двадцатой — в ультрафиолете. И наконец, он позволял наблюдать объекты, нижний порог светимости которых в 50 раз уступал аналогичному показателю лучших земных инструментов. Первоначально у проекта космического телескопа было не слишком много сторонников, но они обладали высоким авторитетом и умели им пользоваться. Спитцер умел убеждать не только коллег-астрономов, но и чиновников НАСА и членов Конгресса. Благодаря этому он и возглавил комитет по планированию крупного космического телескопа, учрежденный в 1965 г. Национальной академией наук США. После четырех лет дискуссий комитет опубликовал доклад, в котором содержались серьезные аргументы в пользу запуска телескопа. В середине 70-х годов Спитцер и его единомышленники заручились поддержкой не только американского астрономического сообщества и руководителей НАСА, но также законодателей и президента США Джеральда Форда.
Успешному выполнению этих планов способствовало соглашение с Европейским космическим агентством, которое взяло на себя 15% расходов. Первоначально предполагалось вывести на орбиту телескоп с трехметровым рефлектором, но конце концов восторжествовала концепция более дешевого инструмента с 240-сантиметровым зеркалом, который можно было доставить в космос в грузовом отсеке космического корабля многоразового использования. В каком-то смысле появлению на свет нового телескопа помогло само существование шаттлов — НАСА хотело оправдать истраченные на них огромные деньги.
В 1977 г. Конгресс выделил на космическую обсерваторию 475 миллионов долларов, после чего началась шлифовка главного зеркала и изготовление прочей аппаратуры. В этой работе принимало участие множество фирм, возглавляемых авиакосмической корпорацией «Локхид». Телескоп был смонтирован на ее заводе в Саннивейле, одном из городов Силиконовой Долины.
«Локхид» не случайно стала основным изготовителем «Хаббла». В 70-80-е годы она строила разведывательные спутники KH-11, которые можно считать его прямыми технологическими предшественниками. Фактически эти тринадцатитонные аппараты были орбитальными телескопами, нацеленными на поверхность нашей планеты. На борту каждого спутника находился 230-сантиметровый телескоп-рефлектор, дополненный небольшим вращающимся зеркалом, сканирующим земную поверхность. Для регистрации изображений впервые использовались фоточувствительные интегральные схемы, позволяющие передавать на Землю оцифрованную информацию в реальном масштабе времени. Точно такие же устройства позднее были установлены и на «Хаббле».
Генеалогия главных зеркал спутников KH-11 включает еще одного военного предка космического телескопа, существовавшего, правда, лишь на бумаге. Их поставляла оптическая компания «Перкин-Элмер», которая получила (и фактически провалила — но об этом позже) заказ на зеркало для «Хаббла». Первоначально их спроектировали для пилотируемой космической станции MOL (Manned Orbiting Laboratory), которую в 60-е годы Пентагон собирался вывести на околоземную орбиту для сбора развединформации. Программа MOL так и не состоялась, а вот созданная под нее технология изготовления зеркал космического базирования весьма пригодилась.
Первый в мире орбитальный астрономический телескоп должен был
приступить к работе в 1983 г. Однако в намеченные сроки его не
только не вывели на орбиту, но даже не построили. Запуск заменили
на церемонию крещения — именно тогда телескопу присвоили имя
Хаббла. НАСА к тому же пришлось не раз испрашивать у Конгресса
дополнительных ассигнований на завершение проекта. В конечном
счете разработка, изготовление и запуск «Хаббла» обошлись без
малого в два миллиарда.
«Хаббл» имел все шансы отправиться в космос в 1986 г., но старт
отложили из-за катастрофы «Челленджера». В результате еще три
года разобранный телескоп пролежал на заводе в Саннивейле. В
октябре 1989 г. упрятанную в контейнер одиннадцатитонную
обсерваторию перевезли на авиабазу Моффет Филд, погрузили на
военно-транспортный самолет С-5А и под покровом секретности
доставили на мыс Канаверал. 29 марта 1990 г. ее разместили в
грузовом отсеке корабля «Дискавери», который ушел в космос 24
апреля. На следующий день, 25 мая, на четырнадцатом витке шаттла,
астронавты отправили обсерваторию в свободный полет. 20 мая
«Хаббл» передал на Землю первый снимок космического объекта NGC
3532 — мелкого звездного скопления из нашей Галактики, отстоящего
от Солнца на 1300 световых лет.
Об этом событии НАСА сообщило с большой помпой, хотя на самом деле радоваться было еще рано. Космические картинки не были достаточно резкими, и специалистам не никак удавалось увеличить их четкость. Поначалу эту информацию скрывали от публики, но 27 июня руководство НАСА созвало пресс-конференцию и предало ее гласности. Дорогостоящий проект, от которого ждали великих астрономических открытий, грозил обернуться полным провалом.
Здесь будет уместна дополнительная информация. Оптическая система
«Хаббла» представляет собой модификацию схемы
телескопа-рефлектора, предложенной в 1672 г. французским
католическим священником Лораном Кассегреном, который преподавал
естественные науки в Шартрском колледже. В ее основе лежит
комбинация из главного вогнутого зеркала и соосного с ним
выпуклого зеркала меньшего диаметра. Главное зеркало отбрасывает
световые лучи на вспомогательное, откуда они возвращаются,
проходят через отверстие в центре основного рефлектора и
фокусируются позади него. Использование второго зеркала в
несколько раз увеличивает фокусное расстояние инструмента и в то
же время делает его более компактным (фокусное расстояние
«Хаббла» равно 58 м, а длина — всего лишь 13 м). Аналогичную
бизеркальную систему в 1663 г. изобрел англичанин Джеймс Грегори,
но в его конструкции оба зеркала были вогнутыми.
В схеме Кассегрена главное зеркало — параболоид вращения, а
вспомогательное — выпуклый гиперболоид. В начале двадцатого века
американский астроном Джордж Ритчи и француз Анри Кретьен
показали, что качество изображения улучшится, если оба зеркала
сделать гиперболическими. Эта конструкция и реализована в
Космическом телескопе имени Хаббла.
Причиной неполадок оказался дефект шлифовки главного зеркала. Его центральная зона примерно соответствовала заданной гиперболической геометрии, однако на периферии оно оказалось чуть менее вогнутым, нежели требовалось. Сама по себе эта погрешность была ничтожной, не больше двух микронов, но и этого хватило для возникновения значительной сферической аберрации.
Стрелочников обнаружили быстро. Оказалось, что техники фирмы «Перкин-Элмер» проверяли точность шлифовки лазерным интерферометром с неправильно установленными линзами. Неисправный прибор завысил кривизну зеркала, и его перешлифовали, сделав чересчур плоским. Любопытно, что «Перкин-Элмер» получила от НАСА контракт на изготовление зеркала прежде всего потому, что запросила на 30 миллионов меньше, чем ее основной конкурент «Кодак». Но «Кодак» обещал произвести дополнительный всестороннний контроль качества рефлектора, а вот «Перкин-Элмер» этого не гарантировала. Начальство НАСА прельстилось дешевизой и получило дефектное зеркало. В конечном счете «Перкин-Элмер» стребовала с федеральной казны 450 миллионов долларов, что составило более шести первоначальных стоимостей контракта.
Малоприятные последствия дефекта шлифовки основного зеркала можно было до некоторой степени нейтрализовать за счет снижения светочувствительности телескопа. Для этого в его электронные фотокамеры следовало посылать только свет, отраженый от центра зеркала, и совершенствовать оцифрованные изображения с помощью корректирующих компьютерных программ. Команда «Хаббла» именно так и поступала, однако при этом терялось более восьмидесяти процентов прошедшего через апертуру света. Это сводило к нулю основное достоинство космического телескопа — способность фотографировать очень тусклые космические объекты. Такому горю можно помочь, увеличив выдержку, но только частично. В итоге качество снимков с «Хаббла» было ненамного лучшим, чем у крупнейших земных телескопов.
Специалисты нашли выход. «Хаббл» нес пять астрономических приборов: широкоугольную фотокамеру, способную осуществлять обзорные съемки и работать в режиме наблюдения планет, камеру для съемки туслых объектов, два спектрографа и высокоскоростной фотометр. Эксперты рекомендовали заменить основную фотокамеру на аналогичную модель с модифицированной оптикой, исправляющей сферическую аберрацию. В этих же целях было решено оснастить «Хаббл» зеркальным оптическим преобразователем COSTAR, позволяющим улучшить работу спектрографов и камеры для съемки слабосветящихся объектов. Для его размещения потребовалось убрать фотометр, но другого выхода все равно не было.
Новую аппаратуру нужно было изготовить и отъюстировать, а это требовало времени. Более того, ее могли установить лишь инженеры-астронавты, а у трех шаттлов и так хватало работы. Поэтому еще более трех лет «Хаббл» проработал в нештатном режиме и был отремонтирован лишь в декабре 1993 г. К этому времени у него начали барахлить солнечные панели и отказали два банка электронной памяти и три гироскопа системы ориентации. Поэтому ремонт отнюдь не ограничился заменой астрономической аппаратуры. Все работы выполнил экипаж космического корабля «Индивер», затратив в общей сложности 35 часов. И тогда-то «Хаббл» впервые стал действовать в полную силу.
Позднее «Хаббл» модернизировали еще четырежды — в 1997, 1999, 2002 и 2009 годах. Он получил новые спектрографы, гироскопы и запоминающие устройства, более мощный бортовой компьютер, высокоэффективные солнечные панели и сверхсовременную видеоаппаратуру. Без этих усовершенствований «Хаббл» уже давно либо перестал бы работать, либо, как минимум, сильно устарел. Теперь же, как считается, он сможет функционировать вплоть до запуска своего преемника, Космического телескопа имени Джеймса Уэбба с главным зеркалом диаметром 650 см, который запланирован на 2018 год. Эта обсерватория, в отличие от «Хаббла», будет работать не на околоземной, а на околосолнечной орбите в окрестности второй точки Лагранжа на расстоянии полутора миллионов километров от Земли. Поскольку она будет вести наблюдения в длинноволновой части видимого спектра, а также в ближней и средней инфракрасной зоне, ее разрешающая способность не превысит одной десятой угловой секунды. Ориентировочная стоимость этого телескопа приближается к 9 миллиардам долларов. Таким образом, она примерно на 2 миллиарда превышает цену Большого адронного коллайдера и в три с половиной раза — стоимость «Хаббла», который в конечном счете обошелся в два с половиной миллиарда. Ничего не поделаешь, космос — дело дорогое.
Разрешающая способность «Хаббла» в видимом свете сейчас составляет 70 дуговых миллисекунд, что несколько лучше, нежели планировалось изначально. Однако этот показатель давно уже не является рекордным. Благодаря адаптивной оптике с лазерным отслеживанием атмосферных возмущений, максимальное угловое разрешение наземных телескопов с 8-10-метровыми зеркалами составляет 30-60 миллисекунд. Более того, четверка телескопов Южной Европейской обсерватории, известная как Очень Большой Телескоп (Very Large Telescope, VLT) при совместной работе обеспечивает разрешение вплоть до одной миллисекунды. Однако это не отменяет того факта, что в течение многих лет «Хаббл» был абсолютным лидером по четкости изображения среди всех астрономических обсерваторий, ведущих наблюдения в оптическом диапазоне. Честь ему и хвала.
Напоследок еще немного истории. Орбитальный телескоп имени Хаббла положил начало серии из четырех крупных астрономических инструментов космического базирования, которые НАСА окрестило «Большими обсерваториями» (Great Observatories). Почти через год после запуска «Хаббла», 5 апреля 1991 г., космический корабль «Атлантис» доставил в околоземное пространство 17-тонную Обсерваторию имени Комптона, которая проводила наблюдения в жестком рентгене и в гамма-диапазоне. Из-за поломки гироскопов она проработала лишь 9 лет и 4 июня 2000 г. была снята с орбиты и затоплена в Тихом океане. 23 июля 1999 года в грузовом отсеке шаттла «Колумбия» отправилась Рентгеновская обсерватория «Чандра», которая затем вышла на на сильно вытянутую околоземную орбиту, где и пребывает по настоящее время. Четвертый представитель семейства «Больших Обсерваторий», Инфракрасный телескоп имени Спитцера, посланный в космос 25 августа 2003 г., трудится во славу науки на гелиоцентрической орбите.
