Pôvodne vedci rátali, že Hubble bude skúmať vesmír pätnásť rokov. Dnes už je to viac ako dvojnásobok.
Hubblov vesmírny ďalekohľad na obežnej dráhe Zeme. Zdroj: NASA
„Je to v poriadku? Isto to má takto vyzerať?“
Ozvalo sa v riadiacej miestnosti Goddardovho centra pre vesmírne lety, keď sa pred napätým osadenstvom zjavila vôbec prvá fotografia z Hubblovho vesmírneho ďalekohľadu. Nie, takto to rozhodne nemalo vyzerať! Namiesto jasnej dvojhviezdy bola na obrázku rozmazaná machuľa.
Dlho očakávaný projekt, vďaka ktorému sme mali uvidieť vesmír ako nikdy predtým, mal problém, už ďalší v poradí. Smiali sa z neho aj v hollywoodskych filmoch. Našťastie netrvalo dlho a inžinieri problém vyriešili. Z Hubbla sa nakoniec stal legendárny prístroj, ktorý sa dostal do povedomia nielen vedeckej obce, ale aj laikov.
„Za 31 rokov činnosti poskytol pozorovacie materiály pre odvážne kozmologické teórie vrátane štúdií o rozložení tmavej hmoty, pozoroval zrážky galaxií, prejavy obrovských čiernych dier, mapoval miesta zrodu hviezd i záverečné štádiá ich vývoja. V našej slnečnej sústave priniesol zábery planét, ich mesiacov, asteroidov i komét, ktoré prekonali len sondy snímajúce tieto objekty z bezprostrednej blízkosti,“ zhodnotil význam ďalekohľadu pre Vedu na dosah astronóm Ján Svoreň z Astronomického ústavu SAV.
Zrod Hubbla nebol vôbec ľahký. Jeho pôvodná misia mala trvať pätnásť rokov, no vďaka prezieravej konštrukcii je už natiahnutá na viac ako dvojnásobok. A napriek občasným problém sa nezdá, že by sa mala skončiť.
Treba obísť atmosféru
Prečo treba vynášať ďalekohľad veľký ako bežný autobus bez kĺbu do vesmíru, keď na Zemi môžeme postaviť obrovské observatóriá a navyše ešte s oveľa väčším zrkadlom?
Dôvod je jednoduchý. Zemská atmosféra je totiž najväčším nepriateľom astronómov. Malé teplotné rozdiely vo vrstvách atmosféry spôsobujú, že jas hviezd náhodne kolíše – blikajú, chvejú sa, jagajú. Prach a vlhkosť zas spôsobujú, že nie všetky farby prejdú vrstvami vzduchu, a tak sa vedci nedozvedia všetko, čo by chceli. A hoci atmosféra neprepúšťa pre nás škodlivé ultrafialové žiarenie, astronómovia nemôžu študovať mladé alebo veľmi horúce hviezdy.
Dostupná technika umožňuje do určitej miery niektoré prekážky obísť. Jediná možnosť, ako sa im vyhnúť úplne, je vyniesť ďalekohľad do vesmíru. Ako prvý s touto myšlienkou prišiel zrejme nemecký raketový inžinier Herman Oberth v roku 1923.
Realistickejší plán predstavil o viac ako dvadsať rokov neskôr americký teoretický fyzik Lyman Spitzer, ktorý ho aj začal spolu s ďalšími vedcami vrátane astronómky Nancy Grace Romanovej presadzovať. Práve ona sa dostala do povedomia ako matka Hubbla za rolu, ktorú zohrala pri jeho vzniku.
Okuliare pre ďalekohľad
Pôvodná myšlienka teleskopu spočívala v raketoplánoch, ktoré by ho pravidelne vynášali do vesmíru a po čase sa poň vrátili. Lenže škrty v rozpočte nakoniec viedli k zmene plánu. Rozhodlo sa, že Hubble ostane na obežnej dráhe, kde ho budú astronauti opravovať. V polovici 80. rokov bol už teleskop pripravený na let, keď došlo ku katastrofe raketoplánu Challenger, ktorá tieto stroje uzemnila na takmer tri roky.
Hubble sa do vesmíru nakoniec dostal 25. apríla 1990, keď ho vypustili z nákladového priestoru raketoplánu Discovery. Umiestnili ho do výšky 540 kilometrov nad zemský povrch, pričom planétu obieha rýchlosťou vyše 28-tisíc kilometrov za hodinu.
Avšak toľko očakávaná, atmosférou nenarušená prvá fotografia bola obrovským sklamaním. Namiesto čistého a jasného záberu dvojhviezdy Hubble poslal rozmazaný a nevýrazný záber, len o niečo lepší, ako by vyhotovili pozemské ďalekohľady. Inžinieri prekontrolovali všetky kamery, gyroskopy, ktoré ďalekohľadu umožňujú otáčať sa a zamerať sa na cieľ, skrátka, všetko, čo sa dalo, no nič nepomohlo. Až keď skontrolovali dizajn zrkadla, prišli na problém – zle nastavené brúsenie pri výrobe spôsobilo, že jeho okraje boli zahnuté nesprávne, a tak nedokázalo sústrediť všetky slnečné lúče do jedného ohniska.
Výmena zrkadla neprichádzala do úvahy. Našťastie prišli inžinieri s jednoduchším riešením. Zhotovili sadu korekčných šošoviek, ktoré v podstate fungovali ako okuliare pre krátkozrakého človeka. Tie nakoniec astronauti nainštalovali v roku 1993 počas prvej servisnej misie. Hubble začal prinášať výsledky, ktoré sa od neho čakali. Dovtedy vedci spracovávali Hubblove snímky rôznymi rekonštrukčnými postupmi, ktoré do určitej miery problém so zrkadlom zmiernili.
Porovnanie snímok pred (vľavo) a po nainštalovaní (vpravo) korekčných šošoviek na Hubblov ďalekohľad. Zdroj: NASA
Ako vznikajú fotky?
Hubble patrí medzi reflexné ďalekohľady. To znamená, že namiesto šošoviek používa zrkadlá, čo prináša hneď niekoľko výhod. V prvom rade je oveľa jednoduchšie vyrobiť veľké zrkadlá než veľké šošovky, ktoré by boli aj veľmi ťažké a nepraktické. Taktiež spôsobujú menej obrazových nedokonalostí.
Primárne veľké zbiera svetlo zo vzdialených objektov. Úlohou sekundárneho je zas odraziť nazbierané svetlo do okulára. Hubble, pochopiteľne, nemá okulár, a tak jeho sekundárne zrkadlo nasmeruje svetlo do otvoru v primárnom, cez ktorý sa dostane do prístrojov.
V súčasnosti sú aktívne štyri: kamera na zábery vo viditeľnom spektre (WFC3), spektrograf na analýzu svetla (STIS), schopný aj obrazového záznamu, ultrafialový spektrograf (COS) na skúmanie počiatkov vesmíru a viacúčelová kamera (ACS). Prístroj na snímanie v infračervenom spektre (NICMOS) zatiaľ po sérii zlyhaní hibernuje.
Kamery v ďalekohľade fungujú v princípe rovnako ako digitálny fotoaparát, ktorý máte doma. Základ tvoria čipy CCD, ktoré sú vysoko citlivé na veľmi slabé svetlo. Tie však nedokážu samostatne zaznamenať farbu, len jas. A v tom spočíva zásadný rozdiel. Čipy v bežne dostupných aparátoch majú na jednotlivých pixeloch buď zelený, červený, alebo modrý filter.
Hubblov spôsob fotenia je trochu iný. Pri snímaní zakryje jedným filtrom všetky pixely, zhotoví snímku, vymení filter za iný a znovu odfotí objekt. A takých filtrov má mnoho, v závislosti od toho, čo chcú astronómovia skúmať. Tým sa zaistí, že ďalekohľad zaznamená oveľa viac farieb, než dokážu bežné čipy. Ďalekohľad posiela na Zem zábery, ktorým vedci následne priradia farby podľa použitých filtrov a spoja ich do výslednej fotky. Mnohé plnofarebné snímky vznikli kombináciou troch, ktoré boli odfotené červeným, modrým a zeleným filtrom. Tieto tri farby spoločne vytvoria takmer všetky, ktoré vníma ľudské oko. A keďže určité spektrá nevidíme, vedci im priradia také farby, ktoré sa im vo viditeľnom spektre približujú.
Zaznamenať čo najviac farieb je dôležité, pretože vedcom napovedia veľa napríklad o teplote či zložení telesa, ale aj o tom, cez aké prostredie svetlo prechádza. Napríklad vďaka analýze svetla hviezdy HD 189733 dokázali vytvoriť názornú ukážku, ako by vyzerala, keby ste leteli atmosférou planéty, ktorá ju obieha.
Prázdnota. Alebo nie?
Pre problémy so zrkadlom si z Hubbla začali ľudia robiť žarty, dokonca aj v Hollywoode. Objavil sa napríklad v komédii Bláznivá strela 2 1/2. Vo filme bola scéna, ktorá sa odohrávala v Bare porazených. Na jednej zo stien viseli fotografie obrovských katastrof vrátane parníka Lusitania, vzducholode Hindenburg, a teda aj Hubbla.
Po prvej servisnej misii sa situácia pomaly začala obracať, no aj tak sa vedci obávali, čo by sa mohlo ešte stať. Nikto nechcel ďalšiu katastrofu. No presne tento dojem mali kolegovia astronóma Roberta Williamsa, ktorý bol v roku 1995 riaditeľom Vedeckého inštitútu vesmírneho ďalekohľadu (STScI). Navrhoval totiž, aby Hubble strávil sto hodín drahocenného pozorovacieho času pozeraním sa do prázdnoty. Všetci Williamsa odhovárali, no on si presadil svoje. Veril totiž, že v čiernote pri rukoväti súhvezdia Veľký voz by sa dalo čosi objaviť. A tak sa Hubble koncom roka 1995 pozeral do ničoho, aspoň tak sa vedcom vtedy zdalo.
Výsledný záber, ktorý z pozorovania vzišiel a ktorý zverejnili v januári nasledujúceho roka, všetkých ohromil. Namiesto prázdnoty bol plný galaxií. Bolo ich viac ako tritisíc. Fotka sa stala známa ako Hubblovo hlboké pole a poslúžila astronómom ako obrovský zdroj informácií napríklad o tom, ako vyzerali galaxie pred dvanástimi miliardami rokov.
Tým sa vymenovanie významných poznatkov, ktoré sa vedci dozvedeli vďaka ďalekohľadu, len začína. Napríklad pomohol oveľa presnejšie stanoviť vek vesmíru, a to na 13,7 miliardy rokov, kým predtým astronómovia uvažovali v rozmedzí desať až dvadsať miliárd. Taktiež priniesol dôkazy, že rýchlosť rozpínania vesmíru sa zvyšuje a v centrách galaxií sa nachádzajú čierne diery. V slnečnej sústave zas pozoroval zrážku kométy Shoemaker-Levy 9 s Jupiterom, odhalil piaty mesiac Pluta a tiež skúmal rozpad komét, vývoj asteroidov, ľadové objekty na okraji sústavy či polárne žiary nad Ganymedom, z čoho vedci usúdili, že pod povrchom mesiaca je obrovský oceán.
Výskumníci na základe údajov z Hubbla napísali viac ako pätnásťtisíc štúdií.
Hubblovo hlboké pole. Zdroj: R. Williams (STScI)/Hubble Deep Field Team/NASA/ESA
Opravy na obežnej dráhe
Dizajnovo bol ďalekohľad navrhnutý tak, aby sa dal opravovať priamo vo vesmíre na obežnej dráhe Zeme. Mnohé jeho súčiastky a prístroje sa dajú vymeniť, čo astronauti napokon robili počas piatich servisných misií medzi rokmi 1993 až 2009. Mnohé staršie veľakrát aj nahradili modernejšími.
„Hubble patrí k veľmi ojedinelým vesmírnym satelitom, ku ktorým boli uskutočnené servisné misie. Okrem iného doviezli naspäť na Zem množstvo hardvéru pomerne dlhodobo „exponovaného“ nehostinnému prostrediu. Týmto vznikla veľmi cenná spätná väzba aj pre kozmických inžinierov, ktorí takto mohli študovať vplyvy vesmíru na spomenuté zariadenia a získané vedomosti využiť pri konštrukcii nových systémov,“ ozrejmuje pre Vedu na dosah vesmírny konštruktér Ján Baláž z Ústavu experimentálnej fyziky SAV v Košiciach.
„Išlo najmä o štúdium použitých štrukturálnych materiálov, napríklad grafitových kompozitov, poškodenie či kontamináciu optických povrchov, radiačné poškodenie elektronických komponentov, opotrebenie mechanizmov, degradáciu teplotných izolácií a podobne.“
Prínosom teleskopu nie je teda len fotografovanie vesmíru, ale aj konštrukčná stránka. So žiadnou ďalšou servisnou misiou sa však už neráta. Americký Národný úrad pre letectvo a vesmír a Európska vesmírna agentúra uvažujú podľa Jána Svoreňa o prevádzke do roku 2030. No vyskytli sa špekulácie, že Hubble by mohol skončiť po úspešnom vypustení a rozbehnutí vesmírneho ďalekohľadu Jamesa Webba (JWST). Dôvodom by boli obmedzené financie.
Budúcnosť Hubbla
Od poslednej misie k ďalekohľadu v roku 2009 sa postupne objavujú problémy. Viackrát zlyhali gyroskopy, zo šiestich sú funkčné už len tri. Práve tento počet je potrebný pre optimálnu stabilizáciu a orientáciu. Pri minulých zlyhaniach v NASA uvažovali, že Hubble by mohol fungovať aj s jedným gyroskopom, no veľmi obmedzene.
„S jedným gyroskopom sa značne zredukuje počet pozorovateľských a kalibračných orbít, predlžuje sa doba zberu dát, vzrastá relatívny počet zlyhaných expozícií. Slnko a k nemu blízke uhly sú z pozorovaní, samozrejme, vylúčené, avšak problémom je okultácia (prekrytie telesa iným, ktoré prechádza medzi ním a pozorovateľom, pozn. red.) Zemou, keď sú vyradené aj hviezdne senzory. S jedným gyroskopom je možné v jednom čase sledovať asi 40 až 50 percent nebeskej sféry,“ ozrejmuje vesmírny konštruktér.
Len v júni tohto roku prestal pracovať počítač užitočného zaťaženia, ktorým sa ovládajú a koordinujú vedecké prístroje. Hlavný počítač prepol prístroje do bezpečnostného módu. Problém sa nakoniec podarilo odstrániť a v polovici júla teleskop opäť nabehol.
„V prípade takého drahého zariadenia sú všetky kritické systémy zdvojené. Týka sa to energetických systémov, počítačov, kritických senzorov. Medzi kritické senzory patria už neraz medializované gyroskopy, ktoré podliehajú určitému opotrebeniu, ich zotrvačníky levitujú na plynových ložiskách a otáčajú sa rýchlosťou 320 otáčok za sekundu,“ vysvetľuje Baláž.
„Zlyhanie celého teleskopu nastane, keď zlyhá ktorýkoľvek z kritických systémov vrátane jeho záloh.“
NASA pôvodne rátala s tým, že Hubbla na konci života vyzdvihne raketoplán, ktorý ho privezie späť na Zem. Vzhľadom na ukončenie programu to však už nie je možné. Pokiaľ sa nič nezmení, Hubble ostane po vypnutí na obežnej dráhe, pokým ho jeho klesajúca dráha neprivedie do atmosféry, kde by mal takmer celý zhorieť. Stať by sa tak mohlo medzi rokmi 2028 až 2040. Dovtedy však bude snímať vesmír a odhaľovať jeho záhady.
Zdroje: NASA, ESA, SETI, National Geographic, The Guardian, Oli Usher a Lars Lindberg Christensen – The Universe Through the Eyes of Hubble.
