Trzy dekady legendy. Okrągła rocznica wystrzelenia Teleskopu Hubble'a

Oprócz zapierających dech obrazów kosmosu, Kosmiczny Teleskop Hubble'a dostarczył przez lata swojego dotychczasowego działania bezcennych danych o gwiazdach, planetach, czarnych dziurach i całej przestrzeni kosmicznej. W annałach współczesnej astronomii na stałe zapisały się takie wykonane nim obserwacje, jak te ukazujące Głębokie Pole Hubble’a ("Hubble Deep Field") z setkami galaktyk pierwotnych, ulokowanymi blisko krańca widzialnego Wszechświata na dystansie sięgającym 12 miliardów lat świetlnych. W miarę trwania misji, dołączyły do tego zbioru zasług również zobrazowania ukazujące Ultragłębokie Pole Hubble'a, na którym dostrzeżono galaktyki tak odległe, że ich wychwycone światło zostało wyemitowane najprawdopodobniej zaledwie 600 mln lat po Wielkim Wybuchu.

Teleskop Hubble'a stanowi ziszczenie dawno ukutej koncepcji, zakładającej możliwość obserwowania przestrzeni kosmicznej bez niedogodności związanych z wpływem ziemskiej atmosfery. Gazowa otoczka Ziemi pochłania bowiem część fal elektromagnetycznych i powoduje zniekształcenie odbieranego obrazu. Ucieczka poza jej zasięg oddziaływania pozwala te kłopoty wyeliminować.

Tak więc teleskop Hubble'a jako pierwszy otworzył człowiekowi nowe możliwości prowadzenia obserwacji astronomicznych - choć nie od razu. Radość z przeprowadzonego pomyślnie wystrzelenia, które przypadło na 24 kwietnia 1990 roku z wykorzystaniem wahadłowca Discovery (po wielu miesiącach opóźnień) - nie trwała długo. Po wykonaniu pierwszych obserwacji (20 maja 1990 roku) stwierdzono problematyczne rozmazanie niektórych szczegółów wykonanych zobrazowań. Po wykonaniu analiz okazało się, że zwierciadło główne o średnicy 2,4 m wykazuje aberrację sferyczną, zaistniałą na skutek niewłaściwego wypolerowania w toku procesu produkcyjnego. Lustro teleskopu posiadało odchylenie od normy o 2 mikrometry (2 tysięczne milimetra), co wystarczyło, by światło odbijane od zwierciadła ogniskowało się w rozbieżnych punktach)

Był to poważny problem, który niwelował plany obserwacyjne NASA na początku misji. Rozważano wówczas nawet możliwość sprowadzenia teleskopu z powrotem na Ziemię, by usunąć zaistniałą wadę - szybko jednak to wykluczono, skupiając się na szansie zaaplikowania modułu korygującego aberrację w trakcie pierwszej misji serwisowej. Warto tutaj wspomnieć, że Hubble jest jedynym teleskopem kosmicznym przystosowanym do serwisowania na orbicie przez astronautów. Na przestrzeni minionych lat wykonano aż pięć takich misji z wykorzystaniem wahadłowców kosmicznych, wydatnie przedłużając żywotność instrumentu.

Do wykonania pierwszej, kluczowej operacji doszło w grudniu 1993 roku. Załoga promu Endeavour z powodzeniem wymieniła moduł optyczny z kamerą na taki, który skompensował wadę w krzywiźnie zwierciadła. Zmodernizowano przy tym również mechanizmy żyroskopowe i panele słoneczne potężnego instrumentu.

Od tego momentu teleskop stał się w pełni funkcjonalnym urządzeniem naukowym. Kolejne wykonywane z jego użyciem obserwacje ukazywały coraz bardziej spektakularne i cenne widoki.

W czasie 30 lat działania przeprowadził półtora miliona obserwacji. Przesłał obrazy gwiazd, galaktyk, mgławic, supernowych, planet i innych ciał. Dzięki temu udało się lepiej zrozumieć, jak powstają i ewoluują struktury i ciała kosmiczne. Teleskop Hubble'a pomógł też badać planety pozasłoneczne, a nawet atmosferyczne zjawiska i zorze na planetach Układu Słonecznego. Dostarczył obrazy najstarszych galaktyk, które powstały krótko po wielkim wybuchu. Pomógł lepiej zrozumieć ciemną materię. Pozwolił doprecyzować wiek wszechświata - z zakładanego szerokiego zakresu 10-20 do konkretnego wymiaru 13,8 mld lat. To dzięki jego obserwacjom astronomowie dokonali przełomowego odkrycia, że tempo ekspansji wszechświata przyspiesza.

Choć Hubble, podobnie jak ludzkie oko, odbiera światło widzialne, to jego zakres działania jest szerszy - jego detektory reagują także na część promieniowania podczerwonego i ultrafioletowego. To daje mu dodatkowe możliwości. Podczerwień przenika przez chmury pyłu i gazu, co pozwala praktycznie prześwietlać je na wylot. Można więc np. zobaczyć gwiazdy rodzące się wewnątrz mgławicy. Promienie tego typu emitowane są też przez chłodniejsze ciała, które nie wydzielają światła widzialnego. W tym zakresie obserwuje się też bardzo dalekie obiekty, np. stare galaktyki.

Wyemitowane przez nie światło, w czasie swojej liczącej miliardy lat podróży, rozciągało się (ulegając tzw. przesunięciu ku czerwieni) w wyniku rozszerzania się Wszechświata. Światło widzialne zamieniło się zatem w promieniowanie podczerwone. Promieniowanie UV powstaje tymczasem np. w młodych i gorących gwiazdach czy też zorzach. Dzięki swojej specyfice, pomagają w badaniach składu atmosfery egzoplanet, a także pozwalają na uzyskanie dokładniejszych obrazów planet Układu Słonecznego.

Przy tym wszystkim teleskop Hubble'a niejednokrotnie działał "zespołowo" z innymi teleskopami. W ten sposób uzyskiwano obrazy nakładane na siebie w różnych zakresach fal. Na przykład na zdjęciu Mgławicy Kraba, wykonanym przez pięć teleskopów, widać pozostałości po wybuchu gwiazdy. W zakresie fal radiowych widać, jak emitowane przez centralną gwiazdę neutronową cząsteczki oddziałują na mgławicę, powodując właśnie emisję radiową. Z kolei żółta warstwa obrazu wykonana w podczerwieni pokazuje świecące cząstki pyłu pochłaniające światło widzialne i promienie UV. Niebieska część pochodząca z obserwacji w ultrafiolecie i purpurowa - z obserwacji w zakresie promieni X ukazują natomiast chmurę wysokoenergetycznych elektronów napędzanych przez szybko obracającą się neutronową gwiazdę. I wreszcie, warstwa obserwowana jako zielona pochodzi z teleskopu Hubble’a (zarejestrowana w świetle widzialnym), ukazując rozciągające się w mgławicy włókniste struktury.

Kosmiczne obserwacje to jednak nie jedyna korzyść, jaką uzyskano z budowy Kosmicznego Teleskopu Hubble’a. Przy jego tworzeniu konieczne było opracowanie licznych nowych rozwiązań technicznych. Wiele z nich znalazło później zastosowanie na Ziemi. Na przykład użyte w kamerach czujniki stosuje się dziś w badaniach medycznych. Detektory podczerwieni wykorzystano z kolei w badaniach rękopisów z Qumran, czyli tzw. zwojów znad Morza Martwego. Algorytmy do analizy gwiazd pomogły w śledzeniu pokrytych charakterystycznymi kropkami wielorybów. Wspierające optykę lasery skanują paczki, a technologia wygładzania luster miała swój udział w triumfie Amerykanina Chrisa Witty’ego, który w 2002 roku zdobył złoty olimpijski medal w łyżwiarstwie szybkim. Jego łyżwy zostały wyszlifowane nową metodą.

Teleskop wciąż działa. Tylko w kwietniu z jego pomocą udało się dokonać dwóch wyjątkowych odkryć. Prowadzone przez niego obserwacje pokazały, że obiekt w dalekim układzie to nie planeta, jak zakładano, ale prawdopodobnie chmura pyłu powstała po zderzeniu dwóch ciał. Hubble pozwolił też określić skład chemiczny komety Borisov, która przybyła do Układu Słonecznego z międzygwiezdnej przestrzeni.

Hubble unosi się nad Ziemią na wysokości ponad 500 km, 15 razy na dobę okrążając planetę. W przybliżeniu ma on wielkość szkolnego autobusu i waży ponad 10 ton. Teleskop zbudowany jest w systemie Cassegraina - główne zwierciadło (w tym wypadku o średnicy 2,4 m) umieszczone w głębi tuby zbiera światło i odbija je do mniejszego lustra z przodu, które ponownie je odbija w kierunku otworu w zwierciadle głównym. Tędy światło wędruje do detektorów. Zakodowane w falach radiowych obrazy wędrują najpierw do satelity, a potem na Ziemię.

Opracowanie: PAP-Marek Matacz/MK