Takie piękne zdjęcia kosmosu dał nam teleskop Hubble - każde z nich ma ciekawą historię tak jak ten 31-letni instrument

Nie ma chyba na świecie drugiego instrumentu naukowego, który byłby tak dobrze znany jak teleskop Hubble. Można go nawet zbudować z klocków Lego. Być może centrum naukowe CERN pod Genewą cieszy się też taką rozpoznawalnością, ale fizyka wysokich energii nie jest tak przystępna dla ludzi jak obserwacje kosmosu.

Dziś emocjonujemy się przede wszystkim misją łazika Perseverance na Marsie, jego helikopterem Ingenuity, który już dwa razy latał w atmosferze Czerwonej Planety, a także zdolnościami do wytwarzania tlenu (choć w tej chwili nie ma tam nikogo, kto by z tego skorzystał) i dalszymi planami NASA na eksploracje krateru Jezero. W piątek 23 kwietnia rozpoczęła się także misja SpaceX Crew-2, a niedawno obchodziliśmy 60-lecie lotu pierwszego człowieka w Kosmos i 40-lecie lotu pierwszego wahadłowca na orbitę.

Przy tym wszystkim mogłaby umknąć nam pewna inna rocznica, która co prawda nie jest okrągła, ale budzi ogromne uznanie. 31 lat temu w dniu 24 kwietnia 1990 roku na orbitę Ziemi trafił teleskop Hubble, a miesiąc później rozpoczął pracę. Został on wyniesiony przez wahadłowiec Discovery w trakcie misji STS-31. Teleskop odłączono od wahadłowca 25 kwietnia. 

Nazwa teleskopu stanowi uhonorowanie wkładu w astronomię jaki wniósł Edwin Powell Hubble. Jego najważniejszym osiągnięciem jest odkrycie bezmiaru kosmosu. Otóż przed rokiem 1924, gdy Hubble ogłosił, że obserwowane przez astronomów mgławice leżą daleko poza Galaktyką, uważano że Kosmos jest znacznie mniejszy. Co prawda już od dawna rósł w naszych oczach i w głowach astronomów, ale wciąż brakowało dowodów na coś większego niż Droga Mleczna, ba niektórzy nie wierzyli, że istnieje cokolwiek poza nią. Dlatego wszystkie obiekty, w tym niewyraźne mgławice, które od prawie 100 lat utożsamiamy już z galaktykami, traktowano jako znajdujące się w naszej galaktyce.

Odkrycie Hubble’a polegało na wykorzystaniu Cefeid w tychże mgławicach do pomiaru odległości. Cefeida to masywna gwiazda na późnym etapie ewolucji, która ma ściśle określone własności, w tym relację jasność - okres pulsacji. Pierwszą mgławicą była galaktyka (kiedyś mgławica) M31 w Andromedzie. Dziś nie tylko Cefeidy, ale i inne obiekty oraz zjawiska pomagają powszechnie mierzyć i kalibrować odległości w kosmosie.

Edwin Hubble wyliczył na podstawie swoich obserwacji odległość do mgławicy w Andromedzie, okazała się ona kilka razy większa niż rozmiar Galaktyki wcześniej oszacowany za pomocą tej samej metody przez astronoma Harlowa Shapleya. To dowodziło, że na Drodze Mlecznej cały Wszechświat się nie kończy

Kilka lat później Hubble wywnioskował z dalszych obserwacji, że Wszechświat się rozszerza. Te odkrycia kompletnie wywróciły do góry nogami pojmowanie Wszechświata. Hubble opracował też system klasyfikacji galaktyk na podstawie ich cech wizualnych, który stosowany jest stosowany do dziś, choć ewidentnie wymaga aktualizacji.

Nic więc zaskakującego, że ostatecznie zaproponowano nazwisko tego astronoma jako patrona. Warto tutaj wspomnieć, że teleskop Hubble nie jest pierwszym teleskopem kosmicznym, największym, ani jedynym obecnie w przestrzeni kosmicznej. Za jego następcę, choć nie ze względu długości fal światła w jakich będzie obserwować, uznaje się teleskop Jamesa Webba. Jest on już gotowy do umieszczenia na orbicie, ale nawet jeśli dojdzie do niego jesienią 2021, to nastąpi to wiele lat po pierwszym spodziewanym terminie, a już na pewno nie spowoduje przerwania pracy Hubble’a.

Teleskop Hubble jako pomysł i idea, która zyskała uznanie NASA, nabrał sensu już w latach 60. XX, gdy loty w kosmos nabrały rozpędu. Trudniej było przekonać kongres, który w 1974 roku nawet odwołał finansowanie projektu. Lecz w 1977 projekt otrzymał stabilne finansowanie, a w 1978 rozpoczęto prace nad głównym zwierciadłem. W 1983 roku nadano mu ostateczną nazwę - Hubble.

Teleskop był gotowy w 1985 roku i początkowo na orbicie miał go umieścić w 1986 wahadłowiec Challenger (sam teleskop budowano tak, by maksymalnie wykorzystać przestrzeń ładunkową tych pojazdów orbitalnych), ale jego katastrofa powstrzymała projekt na lata.

I to znacznie dłużej niż wynika z daty umieszczenia Hubble’a na orbicie. Niestety błędnie wyszlifowane zwierciadło główne uniemożliwiało prawie trzy lata wykorzystanie teleskopu zgodnie z jego przeznaczeniem. Zdjęcia, które robił Hubble były nieostre niczym obrazy jakie widzi krótkowidz bez okularów. Dopiero pierwsza misja serwisowa teleskopu w 1993 roku pozwoliła na instalację instrumentu nazwanego COSTAR, który korygował wady optyki i przywracał ostrość widzenia teleskopu. Przy okazji zainstalowano także kamerę WFPC2, o większych możliwościach obserwacyjnych niż oryginalny instrument WFPC (Wide Field and Planetary Camera)

Od tej pory Hubble nie przestaje nas zachwycać pięknymi obrazami kosmosu - planet, gwiazd, mgławic, galaktyk, a także planetoid w odległych rubieżach Układu Słonecznego.

Zdjęcia wykonywane są w różnych filtrach, w zakresie fal od ultrafioletu (115 nm) do podczerwieni (2500 nm), dlatego nie zawsze odpowiadają kolorami rzeczywistości. Przed ich upublicznieniem są modyfikowane tak, by najlepiej pokazać charakter danego ciała niebieskiego i zrobić wrażenie na publiczności. Operatorzy Hubble czasem kierują teleskop w to samo miejsce po wielu latach, by pokazać jak zmieniły się jego możliwości obserwacyjne. Świetnym przykładem jest ikoniczna fotografia Filary Stworzenia, którą w 2015 roku powtórzono po 20 latach od wykonania jej po raz pierwszy. 

Zdjęcia, które wykonuje teleskop Hubble to nie tylko pojedyncze ekspozycje. Kosmologowie, którzy lubią dłubać w przeszłości kosmosu, postanowili zajrzeć Hubble'm w najdalsze zakątki Wszechświata. A skoro najdalsze to i najmłodsze. I tak powstała seria zdjęć, które pokazują fragmenty nieba, gdzie nie ma gwiazd, ale są bardzo odległe galaktyki. Tak odległe, że niektóre z nich dopiero powstały, a światło wyemitowały w chwili gdy Wszechświat miał kilkaset milionów lat. Takie obrazy to połączenie nawet setek obserwacji, w jedno ultragłębokie zdjęcie. Pierwszy taki obraz z 1995 powstał poprzez złożenie kilkuset ekspozycji wykonywanych przez 10 dni. Potem były jeszcze dokładniejsze obrazy, fotografowano inne miejsca na niebie, także na południowej półkuli.

Najlepsze zdjęcie tego typu powstało w ramach projektu UVUDF czyli Ultraviolet Coverage of Ultra Deep Field. Połączono tu dane zbierane od 2002 do 2012 roku, z użyciem różnych instrumentów, ze szczególnym naciskiem na ultrafiolet. To umożliwiło nie tylko obserwacje odległych galaktyk, ale poszukiwanie procesów gwiazdotwórczych w takich młodych strukturach.

Hubble był w historii serwisowany 5 razy. Te wyprawy realizowane przez wahadłowce służyły nie tylko wymianie zepsutych elementów, ale także wymianie instrumentów na bardziej zaawansowane (lepsze kamery, nowe procesory, akumulatory, żyroskopy, panele słoneczne). Choć od ostatniej misji serwisowej upłynęło 12 lat, a w tym czasie Hubble dorobił się kilku awarii w tym ważnych dla utrzymania pozycji żyroskopów, to i tak jest to sprzęt o wiele nowocześniejszy niż 31 lat temu.

W 2009 roku układ korekcyjny COSTAR przestał być potrzebny, bo wymieniono wszystkie oryginalne instrumenty, zastępując je urządzeniami z wbudowaną weń korekcją optyki. W ten sposób Hubble przeszedł niejako operację oczu, nie potrzebował już okularów, bo każdy instrument pozwalał na dobre widzenie.

Ostatnia misja w 2009 roku pozostawiła Hubble z następującym zestawem aktywnych instrumentów (jeden dodatkowy, spektrometr bliskiej podczerwieni jest wyłączony):

• Wide Field Camera 3 - wykonuje zdjęcia w widzialnym zakresie widma światła,
• Cosmic Origins Spectrograph - przeznaczony do obserwacji spektroskopowych i w ultrafiolecie,
• Advanced Camera for Surveys - obserwacje w szerokim zakresie widma (od ultrafioletu do bliskiej podczerwieni), pozwala na różnego typu blokowanie/filtrowanie światła (obecnie działa jedynie w reżimie obserwacji o szerokim polu widzenia),
• Space Telescope Imaging Spectrograph - spektrograf, który pracuje w świetle UV, IR i widzialnym,
• Fine Guidance Sensor - służy potwierdzaniu pozycji teleskopu w przestrzeni, ale przydaje się też do pomiarów astrometrycznych. 

Teleskop jest także wyposażony w mechanizm ułatwiający ewentualną robotyczną lub załogową misję serwisową w przyszłości. W zamierzeniu, miał on kiedyś powrócić na Ziemie i zająć należne mu miejsce w muzeum.

• był serwisowany 5 razy, a trzecia misja naprawcza była realizowana w trakcie dwóch lotów wahadłowców na przestrzeni ponad 2 lat,
• średnica zwierciadła teleskopu wynosi 2,4 metra, teleskop ma 4,2 metra średnicy i 13,2 metra długości,
• waga teleskopu to 12,2 tony (więcej niż w momencie startu),
• budżet energetyczny zapewniany przez panele fotowoltaiczne to 5,5 kW, z których do pracy średnio wykorzystywane jest 2,1 kW,
• znajduje się w odległości średnio 540 km od Ziemi, to o 140 km wyżej niż obecna orbita Międzynarodowej Stacji Kosmicznej,
• ma 0 silników manewrowych, do zmiany pozycji wykorzystuje koła zamachowe,
• wykonując zdjęcia porusza się wokół Ziemi z prędkością około 7,6 kilometra na sekundę, a mimo to jest w stanie zmieniać pozycję z dokładnością przekładającą się na ułamki piksela na zdjęciach,
• utrzymuje pozycję tak dokładnie, że mógłby wykonać nieporuszone zdjęcie 20 groszówki z odległości 320 km (odległość Warszawa - Wrocław), gdyby pozwoliła mu na to rozdzielczość,
• od początku obserwacji, wykonano 1,5 miliona obserwacji około 48 tysięcy obiektów w kosmosie, bliskim jak i dalekim (obserwował obiekty w odległościach liczonych w minutach świetlnych, a także te od których dzieli nas ponad 13 miliardów lat świetlnych),
• teleskop okrążył Ziemię już 181 tysięcy razy, przebył w tym czasie 7,2 miliarda kilometrów (dla porównania, Pluton znajduje się obecnie w odległości 5,1 miliarda kilometrów od Ziemi),
• objętość surowych danych zgromadzonych przez teleskop to 169 terabajtów, są one dostępne dla każdego zainteresowanego badacza,
• na podstawie obserwacji teleskopu opublikowano dotychczas ponad 18 tysięcy artykułów naukowych (900 z tych prac ukazało się w roku 2020).

Potrzeba zbudowania teleskopu takiego jak Hubble wynikała z dwóch powodów. Jeden z nich, ogromna rozdzielczość obserwacji niezakłócona przez wpływ atmosfery, nieosiągalna z Ziemi w czasach gdy był projektowany, został w dużym stopniu wyeliminowany poprzez postęp w astronomii obserwacyjnej. Teleskopy z optyką aktywną i adaptatywną, są w stanie dziś rywalizować z tym co osiąga Hubble, a dzięki jeszcze większej powierzchni zwierciadeł nawet przekroczyć niektóre jego osiągi.

Drugiego problemu jednak żaden postęp naukowy nie wyeliminuje. Ponownie chodzi o atmosferę, ale tym razem pochłanianie przez nią pewnych długości promieniowania elektromagnetycznego. Ochrona przez promieniowaniem rentgenowskim i gamma w przypadku Hubble nie jest istotna, ale atmosfera absorbuje także większość promieniowania UV i liczne pasma w bliskiej podczerwieni, które dla astronomów są bardzo istotne.

Ogromną zaletą teleskopu Hubble jest jego modularność. Pozwoliła ona na przestrzeni prawie 20 lat usprawniać i naprawiać teleskop, bez ściągania go z orbity

Obserwacje z orbity pomogły uzyskać dane, które znacząco zmieniły astronomię, ale też nauczyły nas radzić sobie z nowymi wyzwaniami. Dla przykładu, obrazy z teleskopu Hubble’a były tak ostre, że obrazów daleki asteroid w Układzie Słonecznym trudno było na pierwszy rzut oka odróżnić od śladów promieni kosmicznych. Na szczęście Hubble trafił na epokę szybkiego rozwoju technologii komputerowych.

W astronomii obserwacyjnej fajne jest to, że nie tylko pozwala cieszyć się nam fajnymi zdjęciami, ale o każdym z nich można długo i ciekawie opowiadać. I tak na jubileuszowej fotografii znalazła się gwiazda AG Carinae, która należy do kategorii jasnych niebieskich zmiennych. Ta nazwa pochodzi od własności tej bardzo masywnej gwiazdy, które charakteryzują schyłek jej istnienia. Krótkiego z kosmicznej perspektywy, bo trwającego jedynie 5 do 6 milionów lat. Poniżej wideo, które pokazuje lokalizację tej gwiazdy, a zarazem precyzję z jaką zagląda w kosmos teleskop Hubble.

AG Carinae to jedna z największych gwiazd jakie znamy. Jej masę ocenia się nawet na 70 mas Słońca, a jasność porównuje do jasności miliona Słońc. Wspomniana zmienność polega na przeplataniu spokojniejszych okresów świecenia, w trakcie których taka gwiazda pulsuje zwiększając i zmniejszając swój rozmiar, okresem znacznie zwiększonej jasności, nawet o kilka rzędów (jeden rząd wielkości to 10-krotne zwiększenie mocy świecenia).

Duże zmiany jasności i wiążące się z nimi wyrzuty zewnętrznej materii są sprytnie zaprojektowanym przez naturę procesem, który ma przedłużyć życie gwiazd takich jak AG Carinae. Utrata masy pozwala bowiem promieniowaniu emitowanemu przez gwiazdę jeszcze dłużej stawiać czoło grawitacji, która dąży do zapadnięcia się obiektu i wybuchu supernowej. W przypadku AG Carinae może to być nawet super supernowa, w trakcie której powstają duże ilości pierwiastków cięższych niż żelazo.

To co widać na zdjęciu, które jest połączeniem obrazów wykonanych w świetle widzialnym i ultrafiolecie, to kształt naszkicowany przez naturę. Gwiazda teraz jest „spokojna”, ale wciąż wiejący od niej wiatr gwiazdowy ma ogromną prędkość (około miliona km/h) i odgrywa dużą rolę w formowaniu się obserwowanej struktury. Przedziera się przez chłodną materię kiedyś odrzuconą od AG Carinae i poruszającą się znacznie wolniej.

Każdy kolor coś mówi astronomom. Czerwień to wodór z domieszką azotu. Tam gdzie czerwony jest bardziej rozmazany, wiatr gwiazdowy przedarł się przez otoczkę z materii. Niebieski kolor to pył, który oświetlany jest przez światło gwiazdy. Im bardziej nasycony i jaśniejszy, tym gęstsza jest jego struktura.

Idea teleskopu kosmicznego narodziła się jeszcze w międzywojniu, gdy podróże orbitalne wciąż były jedynie teorią. Zanim wykiełkowała do postaci Hubble’a, na orbicie znalazły się inne teleskopy. OSO czyli Orbitalne Obserwatorium Słoneczne w kilku wersjach umieszczano na orbicie pomiędzy 1962 a 1975 rokiem. Coś co przypominało kształtem i działaniem jubilata, było kilkukrotnie umieszczane w kosmosie przez USA począwszy od 1966 roku, pod nazwą OAO czyli Orbitalne Obserwatorium Astronomiczne. Nie wszystkie teleskopy pomyślnie trafiły na orbitę, a najbardziej udana była misja numer 4, czyli Copernicus dla uczczenia 500-lecia urodzin Kopernika. Był to teleskop przeznaczony do obserwacji w świetle ultrafioletowym, ale dodatkowo umieszczono na nim detektor promieni rentgenowskich.

Teleskop przeznaczony do obserwacji Słońca określany jako ATM (Apollo Telescope Mount), był zintegrowany ze stacją kosmiczną Skylab. Uczestnicy kolejnych misji na tej stacji mieli stały do niego dostęp i mogli stosować zwykły film fotograficzny do rejestracji zdjęć. Inne teleskopy orbitalne albo wykorzystywały film, który odzyskiwano po powrocie pojazdu na Ziemię, albo bazowały na różnego typu detektorach promieniowania, z których sygnał był zapisywany na napędach taśmowych.

Sukcesy misji OSO i OAO miały zaowocować tak zwanym LST czyli Wielkim Teleskopem Kosmicznym dostępnym już w 1979 roku, ale rozwijający się program wahadłowców kosmicznych pchnął plany na inną znaną nam już ścieżkę. Równoległy rozwój technologii CCD tylko w tym pomógł - to astronomia jako jedna z pierwszych zaczęła intensywnie korzystać z dobrodziejstw kamer cyfrowych.

Wszystkich teleskopów kosmicznych było kilkadziesiąt, ale też trzeba pamiętać, że tylko nieliczne z nich wykorzystywały zakres promieniowania elektromagnetycznego zbliżony do światła widzialnego i miały konstrukcję taką jak znane nam naziemne teleskopy. Dlatego część z nich trudno nawet tak określać, bliżej im do detektorów. Te najważniejsze to:

• IRAS - pierwszy teleskop, który obserwował całe niebo w podczerwieni
• teleskop kosmiczny Spitzera - wyposażony w kamery i spektroskop do obserwacji w podczerwieni

• obserwatorium kosmiczne Kepler - przeznaczony do masowych obserwacji pól gwiazdowych w poszukiwaniu potencjalnych planet pozasłonecznych
• teleskop XMM Newton - obserwator przeznaczony do obserwacji rentgenowskich, ale miał na pokładzie niewielki teleskop pracujący w świetle widzialnym i ultrafiolecie
• teleskop Gaia - przeznaczony do precyzyjnych pomiarów astrometrycznych (pozycji gwiazd na niebie), a pośrednio do detekcji planet pozasłonecznych, kwazarów, a także asteroid i komet w Układzie Słonecznym, następca teleskopu Hipparcos
• TESS - teleskop do poszukiwania planet metodą tranzytów (detekcja zaciemnienia gwiazd przez planety przesuwające się przed ich tarczą)
• obserwatorium Herschela – największy z teleskopów, który znalazł się na orbicie, prowadził obserwacje w dalekiej podczerwieni (całkowicie blokowanej przez ziemską atmosferę)

Polskie instytucje naukowe od czasu do czasu dokładały swoje pięć groszy do projektów teleskopów kosmicznych, ale dopiero program BRITE zapisał się w historii jako coś nad czym polscy naukowcy mieli pełną kontrolę. To nanosatelity z miniaturowymi teleskopami o średnicy zwierciadła 3 cm. Dwa z nich zbudowano w Polsce. Lem (pracował w świetle niebieskim) powstał z komponentów dostarczonych z zagranicy, a Heweliusz (obserwował w świetle czerwonym) był już w pełni polską konstrukcją zrealizowaną w Centrum Badań Kosmicznych PAN.

Obecnie spodziewany maksymalny czas pracy teleskopu Hubble, przy założeniu, że nic nie będzie się już poważnie psuło, to połowa lat 30. XXI wieku. Jednak wtedy będzie to już mocno przestarzały instrument naukowy, bo w kolejce czekają nowe.

Oprócz wspomnianego teleskopu JWST, należy wspomnieć o teleskopie Nancy Grace Roman, który bazuje na konstrukcji przypominającej Hubble’a. Jeśli pamiętacie, w 2012 roku Narodowe Biuro Rozpoznania zaoferowało NASA dwa niewykorzystane teleskopy, które można zaadoptować do celów naukowych. Teleskop NGR miał wystartować 2025 roku, ale kłopoty finansowe i cięcia budżetowe w związku z epidemią COVID-19 najpewniej opóźnią realizację projektu.

Mamy tu podobnie jak w Hubble 2,4-metrowe zwierciadło, ale o innej konstrukcji układu optycznego. Dzięki temu teleskop NGR osiągnie 100 razy większe niż Hubble pole widzenia. Główna kamera ma mieć 300 Mpix rozdzielczość.

Nie sposób zapomnieć także o projekcie radioteleskopu, który znalazłby się na niewidocznej stronie Księżyca, a zbudowany zostałby przez niewielkie roboty. NASA zaakceptowało właśnie dalsze finansowanie tego pomysłu.

Źródło: NASA, inf. własna, ESA, JPL, Caltech

Czytaj więcej na temat obserwacji astronomicznych:

• Dzień Ziemi - zobacz jak wygląda z Kosmosu, choćby dlatego warto ją chronić
• Gliese 1132 b to planeta, która straciła atmosferę, ale zrobiła sobie kolejną
• I na Marsie najlepszy aparat to ten, który jest pod ręką - nawet jeśli tylko o rozdzielczości VGA