STS-125 Atlantis – Hubbleův vesmírný dalekohled

S výstavbou velkého vesmírného dalekohledu, který by kroužil na oběžné dráze kolem Země, uvažovali astronomové již od poloviny 50. let minulého století. Technika však musela ještě hodně pokročit, aby se lidstvo takového přístroje dočkalo. Stalo se tak 24. dubna 1990, kdy raketoplán Discovery při misi STS-31 vynesl na oběžnou dráhu Hubbleův vesmírný dalekohled (HST – Hubble Space Telescope) [1, 2, 3]. Cesta k jeho vypuštění však byla dlouhá a doprovázela ji i jedna z nejhorších katastrof americké kosmonautiky.

Obr. 1: Primární zrcadlo Hubbleova vesmírného dalekohledu. [3]

Obr. 2: Hubbleův vesmírný dalekohled po třetí opravářské misi. [3]

Obr. 3: Astronauti pracují na opravě Hubbleova vesmírného dalekohledu. [3]

Obr. 4: Galaxie M104. [3]

Obr. 5: Planetární mlhovina M57. [3]

Obr. 6: Snímek Marsu pořízený pomocí Hubbleova vesmírného dalekohledu. [3]

Obr. 7: Velká mlhovina v Orionu. [3]

Vraťme se ale nyní do roku 1968, kdy probíhal program kosmických observatoří OAO (Orbiting Astronomical Observatory) [4]. Tehdy se začaly rodit plány na výstavbu velkého kosmického dalekohledu s průměrem primárního zrcadla 3 metry. Vypuštění bylo naplánováno na rok 1979 a pro dalekohled se zatím provizorně používala označení Large Orbiting Telescope nebo Large Space Telescope. Přišla však první rána. V roce 1974 zrušil americký Kongres financování projektu výstavby vesmírného dalekohledu. Nastalo celonárodní lobování astronomů u kongresmanů a senátorů, potřebu vesmírného dalekohledu vyjádřila také Národní akademie věd. Kongres nakonec v roce 1977 odsouhlasil uvolnění počátečních 38 milionů dolarů na projekt stavby dalekohledu. Z důvodu snížení financí oproti, původnímu plánu z roku 1968, byl zmenšen průměr primárního zrcadla na 2,4 metru. Start byl naplánován na rok 1983 a dalekohled přejmenován na počest slavného amerického astronoma Edwina Powella Hubblea [5].

Srdcem Hubbleova vesmírného dalekohledu je optický systém OTA (Optical Telescope Assembly), jehož největší a nejdůležitější částí je primární zrcadlo. Jeho výroba začala v roce 1977 ve společnosti PerkinElmer a v letech 1979 až 1981 probíhalo leštění s přesností na 30 nm. Protože práce nepostupovaly tak rychle jak se předpokládalo, došlo k odložení startu na říjen roku 1984. Zpoždění na vývoji pokračovalo a start se tak odložil na duben 1985, později březen 1986, a nakonec až na září téhož roku.

Vraťme se ale ještě na chvíli ke konstrukci dalekohledu. Ve výsledku je délka HST 15,9 metru, průměr 4,2 metru a hmotnost okolo 11 tun (svými rozměry se dalekohled může srovnat s autobusem). Dodávku elektrické energie zajišťuje dvojice solárních panelů a palubních akumulátorů, komunikace se Zemí pak probíhá pomocí přenosu dat přes síť družic TDRS (Tracking and Data Relay Satellites) [6]. Výrobní náklady Hubbleova vesmírného dalekohledu dosáhly astronomické částky 2,5 miliardy dolarů, ale to je pochopitelné, jedná se přece o astronomický přístroj. Celý projekt poté stál více jak 6 miliard.

Vědecká „výzbroj“ dalekohledu čítala v počátcích šest přístrojů [2]:

• Wide-Field Planetary Camera 1 (WF/PC-1) – kombinovaná širokoúhlá a planetární kamera pracující v rozsahu vlnových délek 115 – 1 100 nm. Systém obsahuje 4 CCD prvky o rozměrech 800 x 800 px.
• Faint Object Camera (FOC) – kamera pro záznam velmi slabých objektů pracující v rozsahu vlnových délek 115 – 650 nm.
• Faint Object Spectrograph (FOS) – spektrograf slabých objektů pracující v rozsahu vlnových délek 115 – 800 nm.
• Goddard High Resolution Spectrograph (GHRS) – vysokorozlišující spektrometr pracující v rozsahu vlnových délek 105 – 320 nm.
• High Speed Photometer (HSP) – vysokorychlostní fotometr, který je schopen provést 100 000 měření za sekundu.
• Fine Guidance Sensors (FGS) – systém přesné pointace pro astrometrická měření.

Podívejme se nyní na vypuštění Hubbleova vesmírného dalekohledu. Jak už bylo uvedeno výše, start byl naplánován na druhou polovinu roku 1986. Bohužel dne 21. ledna 1986 došlo k tragické havárii raketoplánu Challenger (mise STS-51L), při které zahynula celá posádka. Starty raketoplánů byly pozastaveny a tím pádem nemohlo ani dojít k vypuštění HST. K tomu došlo až o čtyři roky později, 24. dubna 1990, při misi STS-31 raketoplánu Discovery [7]. Již z prvních snímků pořízených z oběžné dráhy bylo jasné, že překonávají snímky pořízené pozemními dalekohledy stejných parametrů. Přesto však nebyly snímky nijak dokonalé a nesplnily očekávání vědců. Na vině byla výrobní vada (sférická aberace) na primárním zrcadle, která způsobila rozmazání výsledného obrazu. Za vše přitom mohla odchylka pouhé 2 μm.

Už od počátku projektu Hubbleova vesmírného dalekohledu se plánovalo se servisními misemi raketoplánu, kdy by posádka naložila dalekohled do nákladového prostoru a přivezla jej k údržbě na Zemi. U tohoto plánu se zůstalo s jedinou změnou, a to opravami přímo na oběžné dráze kolem Země. A právě při první servisní misi byla naplánována i korekce optické vady primárního zrcadla.

Dne 2. prosince 1993 odstartoval raketoplán Endeavour (STS-61) [8] k první servisní misi Hubbleova vesmírného dalekohledu. V jejím průběhu se uskutečnilo celkem pět výstupů do volného prostoru, tzv. EVA (Extra- Vehicular Activity) při kterých byly vyměněny panely slunečních baterií, čtyři gyroskopy stabilizačního systému a instalován nový palubní počítač. Odstraněn byl fotometr HSP a kamerový systém WF/PC-1, které nahradily dvě nová zařízení [2]:

• Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement (COSTAR) – systém korektivní optiky nainstalovaný místo HSP. Účelem je korekce aberace primárního zrcadla pro původní přístroje. všechny nově nainstalovaná zařízení mají již vlastní optické korekční členy.
• Wide-Field Planetary Camera 2 (WF/PC-2) – vylepšená kombinovaná širokoúhlá a planetární kamera pracující opět v rozsahu vlnových délek 115 – 1 100 nm. Systém obsahuje 4 CCD prvky o rozměrech 800 x 800 px a 48 filtrů.

Zajímavostí první servisní mise je účast astronauta Franklina Story Musgraveho, který se jako jediný člověk na světe „proletěl“ ve všech orbiterech flotily amerických raketoplánů (Columbia, Challenger, Atlantis, Discovery a Endeavour); na raketoplánu Challenger dokonce dvakrát.

Druhá servisní mise byla zahájena 11. února 1997 startem raketoplánu Discovery (STS-83). Stejně jako v předchozím případě, i nyní bylo naplánováno pět výstupů do volného prostoru, kdy byl vyměněn záznamník dat, systém precizní pointace FGS a opět nainstalován nový a výkonnější počítač. Odstraněn byl spektrometr GHRS a spektrograf slabých objektů FOS, které nahradily dně nová zařízení [2]:

• Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS) – obrazový spektrograf pracující v rozsahu vlnových délek 115 – 1 000 nm obsahující tři snímací prvky (1 x CCD a 2x Multi-Anode Microchannel Array (MAMA)) o rozměrech 1 024 x 1 024 px.
• Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS) – kamera a spektrometr pracující v blízké infračervené oblasti. Celý systém pracuje při nízkých teplotách, proto je chlazen tuhým dusíkem.

V průběhu roku 1999 se začaly projevovat závady na třetím gyroskopu orientačního systému, které vyvrcholily 20. dubna jeho selháním. Na palubě HST tak byly funkční pouze tři gyroskopy ze šesti a pro bezpečnou orientaci jsou potřeba minimálně dva. Dne 13. listopadu 1999 došlo k selhání v pořadí již čtvrtého gyroskopu a Hubbleův vesmírný dalekohled přešel do bezpečnostního módu. Bylo nutné neprodleně vyměnit vadné gyroskopy za nové. Bohužel kompletní výbava pro třetí servisní misi ještě nebyla připravena a tak bylo rozhodnuto ji rozdělit na dvě části. K servisní mise 3A odstartoval 20. prosince 1999 raketoplán Discovery (STS-103) [9]. Při třech kosmických vycházkách se podařilo vyměnit všech šest gyroskopů za nové, vyměnit část systému FGS a nainstalovat nový počítač (řada Intel 486). Druhá polovina mise (3B) se uskutečnila až o tři roky později. Dne 1. března 2002 odstartoval k zatím poslední servisní misi raketoplán Columbia (STS-109) [10]. Jednalo se mimochodem také o poslední úspěšný let tohoto raketoplánu před osudným 1. únorem 2003, kdy byl raketoplán zničen a zahynula celá posádka. V rámci mise se uskutečnilo pět výstupů do volného prostoru, při kterých byly vyměněny solární panely, gyroskop a instalován nový chladící systém pro NICMOS. Za kameru FOC byl namontován nový přístroj [2]:

• Advanced Camera for Surveys (ACS) – systém tří kamer (širokoúhlá kamera WFC, kamera s vysokým rozlišením HRC a kamera pro pozorování Slunce SBC). Rozměry zdvojených CCD prvků jsou 2 048 x 4 096 px a přístroj ACS se tak stal nejlepším zařízením pracujícím na HST.

Další servisní mise k Hubbleovu vesmírnému dalekohledu, původně naplánována na únor 2005, se ale nekonala. Na vině byla již zmiňovaná havárie raketoplánu Columbia. Jedním z hlavních závěrů vyšetřovací komise totiž bylo omezení letů raketoplánu pouze k Mezinárodní kosmické stanici ISS. Následovalo další kolo lobování u představitelů NASA, avšak administrátor Sean O'Keefe odmítl jakoukoli pilotovanou misi k HST. Dne 11. srpna 2004 doporučil O'Keefe vypracovat detailní studii na robotickou servisní misi k Hubbleovu vesmírnému dalekohledu. To však bylo, jak se později ukázalo, velmi nereálné řešení. Náklady na takovou misi by dosáhly téměř 500 milionů dolarů a šance na úspěch by byla asi 50%. Naděje na záchranu HST byla téměř nulová a astronomové se pomalu začali smiřovat se skutečností, že budou několik let bez výkonného vesmírného dalekohledu. V dubnu 2005 však došlo k obratu. Do čela NASA se dostal Mike Griffin, který začal přehodnocovat scénář záchranné servisní mise. Nakonec byl dne 31. října 2006 vydán oficiální souhlas s uskutečněním pilotované servisní mise raketoplánem Atlantis (STS-125) se startem plánovaným na 10. října 2008 (po několika odkladech). Naplánováno je celkem pět výstupů do volného prostoru, při kterých budou vyměněny všechny gyroskopy, nainstalovány nové baterie, opraveno poškozené vybavení a dojde k instalaci dvou nových přístrojů Wide-Field Planetary Camera 3 (WF/PC-3), Cosmic Origins Spectrograph (COS) a FGS [2]. V případě, že vše proběhne bez problému, bude životnost HST prodloužena do roku 2013. Více informací o aktuální servisní opravě se dočtete v následujícím článku STS-125 Atlantis – průběh mise.

A jak je na tom Hubbleův vesmírný dalekohled nyní? V srpnu 2004 došlo k neopravitelné závadě v napájecím obvodu obrazového spektrografu STIS, který od té doby přestal fungovat a dodávat vědecká data. Další zařízení, které postihla závada byl systém ACS, u nějž došlo v červnu 2006 k poškození elektroniky a bylo nutné přejít na záložní elektronický systém. Vědecká činnost pokračovala až do konce ledna 2007, kdy došlo k proudovému přetížení záložní elektroniky. V současné době funguje z ACS pouze kamera SBC pro sledování Slunce. Systém orientačních gyroskopů začíná také pomalu dosluhovat a nyní jsou v provozuschopném stavu pouze dva gyroskopy, s tím, že počítačový model předpověděl jejich nefunkčnost nejpozději v třetím čtvrtletí roku 2008.

Pojďme se ještě podívat na pár, pro laickou veřejnost jistě zajímavých, pozorování, která provedl Hubbleův vesmírný dalekohled. V období od května do července roku 1994 pozoroval HST rozpad komety Shoemaker-Levy 9, jejíž části poté dopadly na planetu Jupiter. Po několik týdnů byly v atmosféře Jupiteru dobře pozorovatelné pozůstatky po dopadech. V případě, že by podobná srážka potkala Zemi, nikdo z nás by již tyto řádky nečetl.

Ve dnech od 18. do 28. prosince 1995 bylo pořízeno 342 snímků, v souhvězdí Velké Medvědice, s délkou expozice 15 až 45 minut. Po složení těchto snímků a počítačovém zpracování se otevřel neuvěřitelný pohled na objekty vzdálené 12 miliard světelných let. Tento snímek vešel do dějin astronomie pod názvem Hubbleovo hluboké pole (Hubble Deep Field). V říjnu 1998 byl obdobným způsobem pořízen snímek malé části oblohy v souhvězdí Tukana. Tento snímek nese název Hubbleovo jižní hluboké pole (Hubble Deep Field South). V průběhu září 2003 až ledna 2004 pořídil HST přes 800 snímků s celkovou expoziční dobou kolem 1 000 000 sekund! Na služeném snímku, který získal příznačně jméno Hubbleovo ultrahluboké pole (Hubble Ultra Deep Field), bylo objeveno na 10 000 galaxií, z nichž nejvzdálenější jsou kolem 13 miliard světelných let daleko. Tyto objekty můžeme přiřadit k nejstarším galaxiím ve vesmíru [11]. Vědeckých poznatků, ale i nádherných obrázků objektů jak ve sluneční soustavě, tak i ve vzdáleném vesmíru přinesl Hubbleův vesmírný dalekohled nepřeberné množství. Stačí navštívit některé z odkazů [1, 2, 3] a kochat se …

Nástupcem Hubbleova vesmírného dalekohledu se má stát James Webb Space Telescope (JWST) [12] pojmenovaný po druhém administrátorovi NASA Jamesi Edwinu Webbovi. Na vývoji tohoto dalekohledu se podílí nejenom NASA, ale také Kanadské kosmická agentura CSA a Evropská kosmická agentura ESA. Vypuštění JWST je naplánováno na rok 2013 pomocí evropské nosné rakety Ariane 5 ESC-A. Nový vesmírný dalekohled nebude pracovat na oběžné dráze kolem Země jako HST, ale bude umístěn v Lagrangeově bodě L2 soustavy Země – Slunce. Hmotnost JWST bude 6 200 kg a jeho hlavním posláním zkoumání vzdáleného vesmíru v infračervené oblasti. Rozpočet na celý projekt je v současné době 3,5 miliardy dolarů.

Základem dalekohledu Jamese Webba je optický systém s primárním zrcadlem o průměru 6,5 metru. Protože by se takto velké zrcadlo vybroušené z jednoho kusu velmi špatně dopravovalo do vesmíru, bylo rozhodnuto ho sestavit z 18 menších hexagonálních segmentů. Výroba zrcadlových segmentů probíhala ze nejpřísnějších podmínek v letech 2004 až 2007 a bylo vyrobeno 19 segmentů (jeden náhradní), z nichž každý má hmotnost pouze 20 kg, což je dáno použitím berylia pro jeho stavbu.

Největší součástí JWST bude sluneční štít, který bude chránit aparaturu dalekohledu před přímým slunečním zářením. To je podmínka, která musí být dodržena, pokud chceme provádět precizní pozorování v infračervené oblasti spektra. Tento štít bude mít rozměry přibližně 24 x 12 metrů. Další součástí je technický a podpůrný systém, který bude umístěn na opačné straně slunečního štítu, než pozorovací aparatura. Jeho součástí bude elektrický, orientační, komunikační, povelový, pohonný subsystém a subsystém řízení prostředí (hlavně z důvodu chlazení). Vědeckou výbavu dalekohledu Jamese Webba tvoří čtyři přístroje:

• Mid-Infrared Instrument (MIRI) – detektory v infračerveném oboru, jejichž účelem bude zkoumání velmi starých a vzdálených hvězd, určování velikosti těles Kuiperova pásu a hledání slabých komet.
• Near Infrared Camera (NIRCam) – kamera v blízké infračervené oblasti. Náplní činnosti přistroje bude detekce velmi starých galaxií a prvních hvězd, dále pak objevování supernov a detekce temné hmoty.
• Near Infrared Spectrograph (NIRSpec) – spektroskop v blízké infračervené oblasti. Jeho činností bude sledování chemického složení mladých galaxií a sledování rozložení prvků v závislosti na stáří pozorované oblasti.
• Fine Guidaence Sensor (FGS) – systém vysoce precizní pointace.

Hlavními cíli James Webb Space Telescope jsou:

• určení topologie vesmíru
• vysvětlení vývoje galaxií
• porozumění vzniku a vývoji hvězd
• určení tvorby planetárních systémů
• určení tvorby vesmíru a jeho tvoření
• zkoumání povahy skryté hmoty

Inovacemi použitými na James Webb Space Telescope jsou:

• optika z vylehčených materiálů
• sklápěcí segmentové zrcadlo
• zlepšené detektory
• kryogenní zařízení a adaptivní optika

Na závěr nezbývá než popřát posádce opravářské mise STS-125 raketoplánu Atlantis hodně štěstí a doufat, že Hubbleův vesmírný dalekohled HST bude sloužit vědě ještě několik následujících let.