Астрономические наблюдения – весьма сложная штука. Плохая погода, высокая влажность, городская засветка, и, пожалуй, самое главное, наличие атмосферы - все это мешает делать качественные снимки небесных объектов. Поэтому, обсерватории строят высоко в горах (или сухих пустынях), вдали от больших городов. Однако даже это не помогает полностью избавиться от влияния атмосферы. В первую очередь проблемой становятся движущиеся потоки воздуха разной плотности, которые по-разному преломляют свет от небесных объектов. Из-за этого мы не может получить четкое изображение звезды, оно как бы плавает (атмосферное дрожание). Второй минус – атмосфера прозрачна не во всем диапазоне длин волн (что, конечно, хорошо для людей, так как большая часть вредного ультрафиолета и рентгена поглощается атмосферой и не вредит нашему здоровью). Существует 2 больших окна прозрачности - в видимом диапазоне, и в радиодиапазоне, длины волн 1 мм – 30 м (более длинные волны отражаются ионосферой, а более короткие волны поглощаются молекулами воздуха). Существуют также небольшие окна в других частях спектра. Что же делать? Ответ кажется очевидным: нужно поднять телескоп повыше. Сейчас работает, например, стратосферная обсерватория SOFIA: телескоп, снимающий в ИК-режиме, который размещён на борту летящего самолёта. Но почему бы не поднять телескоп еще выше, за пределы атмосферы? Так подумал и американский астрофизик Лайман Спитцер и в 1946 году опубликовал статью, расписывающую преимущества такой внеземной обсерватории. Так началась история орбитальных наблюдений.
Пожалуй, самым известным стал орбитальный телескоп – Хаббл, названый в честь астронома Эдвина Хаббла (в честь которого назвали еще и постоянную Хаббла). Он был выведен на орбиту в 1990 году, работает сейчас и не собирается останавливаться: его программа была продлена до 2021 года. Общие характеристики телескопа: длина – 13,5 метров, вес – 11 тонн, высота его орбиты примерно 550 км, он облетает Землю за 95 минут. Хаббл каждую неделю передает на Землю около 140 гигабит данных. Работает он за счет солнечных батарей.
Вообще телескопы делятся на 2 основных типа – рефлекторы (у которых свет собирается зеркалом) и рефракторы (у них главную роль исполняет линза). Сейчас все крупные телескопы, в том числе и Хаббл, являются рефлекторами. Зеркало – глаза телескопа и самое важное, что у него есть. Оптическая система Хаббла называется система Ричи-Кретьена. У него есть большое (2,4 метра в диаметре) гиперболическое зеркало, называемое главным, с круглым отверстием в центре, которое и собирает весь свет. Напротив него установлено еще одно гиперболическое зеркало диаметром 0,3 метра, которое называется вторичным. Лучи света попадают сначала на главное зеркало, отражаются, попадают на вторичное зеркало, отражаются от него, формируя пучок света, который проходя через отверстие в главном зеркале, попадает уже на приборы, и анализируется ими.
На самом деле Хаббл является целой исследовательской лабораторией, на его борту расположено несколько камер, большое количество фильтров, чтобы выделять из всего спектра интересующие диапазоны, несколько спектрографов. Все это окружено несколькими слоями теплоизоляции, так как в, например, ИК диапазоне нагрев телескопа может сильно исказить картинку. Он может производить измерения в недоступных с Земли диапазонах, регистрировать ультрафиолет и инфракрасный свет, да и оптические измерения получаются с разрешением, примерно в 10 раз превышающей даже самые крупные земные телескопы (заметим, что телескоп сравнительно небольшой, такое качество результат отсутствия атмосферных турбулентностей).
Но не все так гладко у этого инженерного шедевра. Во-первых, при его разработке у NASA были проблемы с финансированием. Из-за этого пришлось уменьшить диаметр зеркала с 3 метров до 2,4. Также, по разным причинам, имели место постоянные переносы дедлайнов. Поэтому, хотя проект телескопа родился в 1970 году, запустили его только в 1990. И второе - проблемы с главным зеркалом. Вообще, изготовление зеркал для телескопов невероятно сложная задача. Зеркало должно быть очень гладким и «очень гиперболическим» (то есть, его форма должна быть рассчитана практически идеально). Поэтому шлифуют такие зеркала долго и очень аккуратно. Несколько лет компанией PerkinElmer велись работы по шлифовке главного зеркала телескопа Хаббл, но, в итоге, когда его уже собрали и запустили на орбиту, качество изображений, которые он передавал было гораздо ниже предполагаемого. Оказалось, форма зеркала была неправильной – оно было слишком плоским по краям, что привело к большим сферическим аберрациям (свет, отраженный от разных частей зеркала, фокусировался в разных точках). Это ставило крест на большей части программ, которые предполагалось провести. Заменить зеркало на орбите не представлялось возможным, а спускать телескоп на Землю и отправлять обратно заново было слишком дорого. Поэтому была разработана система корректировки изображения и вмонтирована вместо одного из приборов. На картинке вы можете видеть результат работы этой системы.
Было совершено всего 5 экспедиций к телескопу, в ходе которых заменили все изначально установленные туда приборы, обновили матрицы. Можно заметить изменения при просмотре двух фотографий области звездообразования в Орле, называемой «Столпы творения». Изначально матрицы были поделены на 4 части, 3 одинаковые, и на четвертой формировалось изображение с бОльшим увеличением, поэтому, чтобы получить одну цельную картинку, изображение с 4й матрицы необходимо было уменьшить. Поэтому фото слева имеет такую странную форму.
Этот телескоп поднял астрономию на новый уровень. На основе данных Хаббла опубликовано более 10 000 научных статей. С его помощью была уточнена постоянная Хаббла, а вместе с ней и возраст Вселенной. Он показал ученым галактики на всех этапах эволюции, и даже то, как они выглядели на начальных стадиях образования Вселенной, что прояснило картину образования галактик вообще. Он обнаружил протопланетные диски, скопления газа и пыли вокруг молодых звезд, которые, вероятно, служат почвой для рождения новых планет. С его помощью обнаружили, что гамма-всплески - странные, невероятно мощные вспышки, происходят в далеких галактиках, когда коллапсируют массивные звезды. Так, этот сравнительно небольшой телескоп привел в гигантским астрономическим открытиям.
