Неоднократно перерожденный: «Хабблу» – 35 лет!

Народный телескоп

Несложно догадаться, почему «Хаббл» получил прозвище «народный телескоп». Пожалуй, в мире нет человека, который не рассматривал бы завораживающие фотографии астрономических объектов – среди них наверняка были снимки этой обсерватории. «Хаббл» открыл глаза человечеству на многие явления, которые прятались за колоссальными расстояниями и «прикованностью» науки к Земле. Измерение скорости расширения Вселенной, наблюдения за атмосферой планет-гигантов, раскрытие тайн черных дыр и самых далеких галактик – «Хаббл» приложил свою руку к открытиям во всех сферах астрономической науки. И это самый часто упоминаемый инструмент в мире в исследовательских публикациях по астрономии.

Но «народным» телескоп стал не только из-за долгих лет службы, подарившей десятки тысяч открытий, научных исследований и красочных фото. Само его создание отстаивали «всем миром».

История началась еще в середине прошлого века, когда астроном Лайман Спитцер опубликовал статью, в которой описывал все преимущества размещения обсерватории за пределами Земли. Тогда это не было очевидным. Ему удалось убедительно выявить два ключевых аспекта, определяемых отсутствием влияния земной атмосферы на наблюдения. Даже кажущаяся идеально прозрачной и недвижимой воздушная масса обладает турбулентностью, создающей искажения, которые ограничивают доступное угловое разрешение телескопа. Это сейчас, при современном развитии нанотехнологий, ультрасовременной электроники и искусственного интеллекта мы можем добиться того, чтобы наземные обсерватории парировали эти искажения. Да и доступно такое пока далеко не всем. А почти 80 лет назад о подобном разве что только мечтали.

Второй же недостаток вовсе компенсировать не получится никогда. Космический телескоп способен более полноценно наблюдать объекты в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах, волны в которых сильно поглощаются атмосферой Земли. Но путь от статьи Спитцера даже к идее «Хаббла» был очень долгим. Ученый несколько десятилетий доказывал, что большой телескоп на орбите способен дать научный прорыв. И если Спитцера можно считать отцом «Хаббла», то общепринято называть его матерью Нэнси Грейс Роман. Она тоже не год и не два в научном и политическом сообществе популяризовала эту идею, убедительно демонстрируя, на что будет способен такой телескоп. Интересно, что Роман возила с собой на лекции модель условной космической обсерватории, которая оказалась буквально пророческой – она почти точная копия «Хаббла», хотя в то время никакой реальной концепции и близко не было.

Еще что любопытно: имена Спитцера и Роман в итоге присвоили большим космическим обсерваториям. Но не «Хабблу», за который они бились. Телескоп «Спитцер» исследовал Вселенную в инфракрасном диапазоне, а телескоп «Роман» только готовится к запуску. Так что инженерное и научное сообщество отблагодарило Спитцера и Роман за сражение во славу «Хаббла». Впрочем, тогда до победы было еще далеко.

Лишь в 1968 году NASA согласилось с тем, что большой телескоп на орбите нужен. Предварительно с помощью небольших экспериментов и пусков недорогих прототипов ученые убедились, что из-за пределов земной атмосферы исследовать Вселенную получается более качественно в ряде диапазонов. Проект назвали незамысловато – Большой космический телескоп (LST). Запланировали запуск на 1979 год, прикинули, что это будет рефлектор с диаметром зеркала 3 метра, и занялись поиском финансирования.

Работа профильных комитетов продолжалась несколько лет. Одна группа создавала инженерный проект того, что еще никогда не строили. А другая определяла для него научные цели и возможности. Но в 1974 году потребовалось сократить бюджет, и NASA вовсе отказалось от идеи создания такого телескопа – к тому времени проект не обрел конкретики, и это не шло ему на пользу.

Блеф по-крупному

Тут мы приближаемся к еще одному раунду «народности». В 1977 году администратор NASA Джеймс Флетчер, выслушав негодования и запросы ученых, предложил построить небольшой телескоп стоимостью 5 миллионов долларов. Этим он хотел удовлетворить аппетиты астрономов, но выглядело как желание отмахнуться от назойливых «звездочетов». И здесь уже сказал свое слово «теневой отец» «Хаббла» Ноэль Хиннерс, который работал помощником администратора по науке. Он настоял на полной отмене проекта. «Как так?» – удивитесь вы. Что же тут хорошего?

А Хиннерс позднее в интервью признался, что это был блеф с его стороны. Он понимал настроения научного сообщества лучше, чем политическая и административная части NASA. И знал, что если ученые «проглотят» проект за 5 миллионов долларов, если удовлетворятся этой подачкой, то получат некий обрубок, который ничем от упомянутых ранее прототипов отличаться не будет и прослужит год-другой. А вот если громко заявить, что «никакого телескопа вам не светит, господа астрономы», то те возмутятся, поднимут новую волну лобби и дружной толпой продавят политиков.

Ставка Хиннерса сработала. Писались петиции, статьи в прессе, проводились встречи с конгрессменами – научное сообщество закипело, зашумело, и власти стали понимать, что проект Большого космического телескопа весьма ценен и востребован. В конце концов программу возобновили, но с некоторыми ограничениями, которые в целом на возможности LST не влияли. Это уменьшение диаметра зеркала до 2,4 метра, а также отказ от тестового прототипа с зеркалом 1,5 метра. Даже удалось выбить финансовую поддержку от Европейского космического агентства, которое выделило деньги в обмен на использование данных «Хаббла» в будущем.

Главная победа была одержана – средства появились, и в 1978 году проектирование началось. Целью был запуск в 1983 году.

Волна задержек

Как понимаете, никто, конечно, в 1983 году «Хаббл» не запустил. В том году, кстати, LST как раз и получил свое нынешнее название – в честь знаменитого астронома Эдвина Хаббла, который подтвердил, что Вселенная расширяется. Потом еще телескоп его имени уточнял скорость этого расширения, что символично.

Итак, проект разделили: Центр космических полетов имени Маршалла контролировал строительство телескопа, а Центр космических полетов имени Годдарда занимался научной составляющей. Главным подрядчиком по сборке обсерватории, обеспечению ее функционирования стал «Локхид» (еще пока без «Мартина»), а создание главного инструмента обсерватории – ее оптического узла – доверили «Перкин-Элмер». Тогда эта компания обладала передовыми технологиями обработки зеркал и линз, она была одним из первопроходцев в автоматизации этого процесса. По сути, это был опыт, который раньше никто не практиковал.

Сборка. Фото: NASA, science.nasa.gov

Интересно, что в NASA попросили у «Перкин-Элмер» заключить «страховочный» контракт с фирмой «Кодак», которая параллельно создавала бы зеркало с использованием традиционных методов полировки. Оно в итоге не пригодилось и даже не было доделано – зато теперь украшает Национальный музей авиации и космонавтики в Смитсоновском институте. Кстати, у итогового решения – не пользоваться услугами «Кодак» – через годы возникли серьезные последствия, о которых позже.

Получившееся зеркало, работа над которым заняла два года, представляло собой своеобразный сандвич, где верхняя и нижняя пластины толщиной 25 миллиметров разделяла сотовая конструкция. Полировка стала одной из сложнейших инженерных задач того времени. С помощью системы из 130 кронштейнов для зеркала имитировали условия микрогравитации, чтобы учесть любые деформации, которые возникнут, когда телескоп окажется на орбите. Микроскопическая ошибка могла погубить весь дорогостоящий проект.

Главное зеркало космического телескопа «Хаббл». Фото: NASA, science.nasa.gov

Затем на зеркало нанесли отражающее покрытие из алюминия толщиной 65 нанометров и защиту из фторида магния толщиной 25 нанометров. Но все эти работы у «Перкин-Элмер» постоянно затягивались. Конечно, стояла нетривиальная задача. Однако уже тогда и чиновники, и инженеры NASA понимали, что подрядчик относится не слишком ответственно к срокам, поскольку знал, что остался один, и у агентства не будет возможности все переиграть.

В итоге планируемый запуск пришлось перенести сначала на 1985 год, а потом и на 1986-й. У «Локхид» параллельно дела шли получше, хотя тоже с небольшой задержкой. Компания занималась более привычным для себя делом – конструировала корпус и прочие компоненты спутниковой платформы для телескопа.

Когда же все было готово к пуску в 1986 году, случилась катастрофа шаттла «Челленджер». Эта трагедия заставила NASA на несколько лет отложить полеты челноков, а выведение «Хаббла» планировалось именно на нем. Поэтому уже готовый телескоп законсервировали в специальной камере, продуваемой азотом. Поскольку он там не просто лежал, а требовал тщательного обслуживания, то в месяц на «Хаббл» уходило несколько миллионов долларов. Собранный космический телескоп лежал на Земле, «ничего не делал» и прожирал миллионы и миллионы. Правда, заминка помогла поставить более эффективные солнечные панели и обновить «мозг» обсерватории.

К моменту запуска на шаттле «Дискавери» 24 апреля 1990 года на «Хаббл» потратили 2,5 миллиарда долларов вместо планируемых 400 миллионов. А к настоящему времени она превысила 16 миллиардов долларов с поправкой на инфляцию. Так что это самая дорогая астрономическая миссия, можно сказать. И это еще без учета стоимости сервисного обслуживания, которое тоже обходилось в сотни миллионов долларов за раз.

Запуск шаттла «Дискавери» с телескопом «Хаббл» на борту, 1990 г. Фото: NASA, science.nasa.gov

Развертывание телескопа «Хаббл». Фото: NASA, science.nasa.gov

Корабль Тесея

Мы приблизились к еще одной уникальной особенности «Хаббла». Это единственный исследовательский аппарат, который обслуживался и ремонтировался людьми в космосе, если не считать пилотируемые корабли и станции. Что удивительно, такую возможность в нем закладывали изначально – вот уж век утраченных технологий. Сейчас это сделать практически нереально.

Изначальным требованием к конструкции телескопа была и модульность блоков с научными инструментами. Авторы проекта предполагали, что со временем удастся разработать более современные приборы и потом их можно будет установить, заменив старые. Модульность и доступность для обслуживания пригодились сразу же.

Первые наблюдения показали, что с обсерваторией что-то не так. Изображения получались более качественными, чем у наземных телескопов, но очень далекими от того, на что рассчитывали инженеры и ученые. Быстро выяснилось, что дело – в дефекте зеркала. К краю оно было отполировано сильнее, чем следовало. Ошибка составила всего лишь 2 микрометра, но этого оказалось достаточно для создания сферической аберрации, при которой свет от краев зеркала фокусируется не в той же точке, что из центральной его части.

Нужно было что-то предпринимать. NASA пережило едва ли не сложнейшие два года. Агентство подвергалось жестким нападкам, критике и насмешкам из-за допущенной ошибки. Политики грозили урезать финансирование, а комики шутили по поводу «криворукости» инженеров. Большая комиссия провела тщательное расследование, выяснив, что один из техников «Перкин-Элмер», собиравших конструкцию для полировки зеркала, допустил неправильную установку контролирующего прибора и не стал уведомлять об ошибке коллег, когда обнаружил ее, а вручную подправил, не придав значения. Более того, аналогичную трудовую дисциплину, скажем так, проявили и другие сотрудники. На стадии контроля качества сферическую аберрацию, оказывается, выявили. Но в компании решили, что это ошибка измерительных приборов, потому что основной-то, «подкрученный» техником, показывал правильные данные.

В общем, эта история окончательно убедила NASA в стандарте, которого агентство придерживается до сих пор: нужно всегда выбирать как минимум двух подрядчиков для выполнения сложных программ. Так есть гарантии не остаться у разбитого корыта, если у кого-то из партнеров ничего не получится. Можно взять свежий пример с доставкой астронавтов на МКС. NASA заключило контракты со SpaceX и Boeing. В итоге первые возят экипажи успешно не один год, а вторые не могут закончить испытательные полеты своего корабля много лет. Возможно, если бы компании «Кодак» позволили стать полноценным конкурентом «Перкин-Элмер», все отнеслись к задачам более серьезно, и всей этой истории не случилось бы.

Кстати, «Кодак» была готова отправить свое зеркало для замены на орбиту. Но там провести эту процедуру не представлялось возможным. Инженеры думали о других способах исправить ситуацию. Тем временем ученые использовали даже урезанные возможности «Хаббла». Например, аберрация не мешала работе спектрографа. Да и другие инструменты использовались с некоторыми поправками, вносимыми на Земле. Так что нельзя сказать, что три года телескоп болтался мертвым грузом на орбите.

Решение проблемы придумали весьма изящное. Что мы делаем, когда у нас проблемы со зрением? Подбираем и надеваем очки. То же самое решили провернуть и с «Хабблом». Инженеры быстро сконструировали инструмент COSTAR с корректирующей оптикой. Она с помощью включения обратной аберрации намеренной ошибки подправляла искаженный свет от зеркала, направляя его в приборы уже в скорректированном виде. Единственное, что блок занимал бы отдельную нишу, и одним из пяти научных инструментов стартового набора пришлось пожертвовать. Им стал высокоскоростной фотометр (HSP).

В 1993 году экипаж шаттла «Индевор» провел беспрецедентную ремонтную операцию, которая потребовала десяти дней работы на орбите и невероятной подготовки. Команда установила COSTAR, а также заменила Широкоугольную и планетарную камеру (WFPC), внутрь которой встроили корректирующий компонент. Заодно обновили солнечные панели и их приводы, увеличили мощность бортового компьютера, поменяли часть гироскопов и магнитометров в блоке наведения. Эта миссия по обслуживанию до сих пор остается одной из самых сложных и тщательно спланированных в истории космонавтики. Так NASA вывело себя из-под насмешек и доказало, что может выполнять архитяжелые задачи. А «Хаббл» получил свое кристально чистое зрение.

Установка COSTAR. Фото: NASA, flickr.com/photos/nasahubble/

Дальше оставалось только периодически летать к «Хабблу» для обновления научных инструментов. Собственно, поэтому мы и вынесли в подзаголовок название знаменитой истории про корабль Тесея, который, по сути, перестал быть собой из-за постепенной замены одной доски на другую. С «Хабблом» то же самое. Ни один из пяти оригинальных инструментов не дожил до сегодняшнего дня. Они все были заменены. Некоторые и не раз.

Более того, «Хабблу» даже удалось избавиться от «очков». Спасший телескоп прибор COSTAR демонтировали в ходе заключительной миссии обслуживания в 2009 году. В нем больше не нуждались, потому что к этому времени все новые научные инструменты уже имели встроенные системы корректировки аберрации. Кстати, тот самый COSTAR, снятый с «Хаббла», также выставляется в Национальном музее авиации и космонавтики в Смитсоновском институте.

Но давайте вкратце пробежимся по тому, как обслуживалась обсерватория. Второй сервисный полет на шаттле «Дискавери» выполнили в 1997 году. Заменили спектрографы на более современные, а магнитофон, на который писались данные, уступил место твердотельным накопителям. Экспедиция тоже продолжалась десять дней. Потому что это были не просто рутинные визиты. Телескоп тщательно осматривали, помещая манипулятором в грузовой отсек челнока. Меняли изоляцию, например, при необходимости. В общем, техосмотр был полнейший.

Когда размеренно планировали третий сервисный полет, у «Хаббла» стали отказывать гироскопы. Это вообще слабое место любой системы ориентации. Поэтому NASA решило поспешить с плановым ремонтом, разбив эту сессию обслуживания на две. Подсуетились вовремя. К 1999 году, когда «Дискавери» прибыл к «Хабблу», у него работали только два гироскопа из шести, и нормально наводиться на цели для наблюдений он не мог. Команда заменила все гироскопы, а также обновила датчик ориентации, бортовой компьютер и теплоизоляцию.

Замена гироскопов, третий сервисный полет, 1999 г. Фото: NASA, science.nasa.gov

В 2002 году состоялась вторая часть третьего сервисного полета. Ее выполнил экипаж шаттла «Колумбия». Тогда же «корабль Тесея», можно сказать, завершил свое обновление. Астронавты заменили последний оригинальный прибор «Хаббла» – камеру для тусклых объектов (FOC) – на усовершенствованную камеру (ACS) – с этого момента «очки» телескопу уже были не нужны, COSTAR снимут с него во время следующей миссии. Кроме того, обновили во второй раз солнечные панели, поставив более современные и эффективные.

Камера ACS. Фото: Ball Aerospace & Technologies Corp., esa.int

Пятый полет к «Хабблу» планировался в 2005 году. Однако за два года до этого случилась катастрофа с шаттлом «Колумбия», и программу полетов челноков приостановили, решив позднее вообще свернуть. Вокруг судьбы телескопа вспыхнули новые дискуссии – подобные тем, что происходили еще до его создания. Общество разделилось: кто-то поддерживал решение отменить миссии к обсерватории из-за риска, а кто-то призывал спасти «Хаббл» и слетать-таки к нему еще хоть раз.

После смены руководителя NASA удалось-таки склонить чашу весов в пользу сторонников ремонта. К тому времени у обсерватории снова выходили из строя гироскопы, а блок обработки данных стал давать сбои, причем как основной, так и резервный. Без него телескоп был бы непригоден для использования. В результате в 2009 году снарядили экспедицию на шаттле «Атлантис».

Команда установила новый блок обработки данных, отремонтировала два других научных прибора, обновила батареи, заменила снова все гироскопы (теперь использовали более продвинутую технологию их сборки) и поставила обновленные инструменты: спектрограф (COS), который занял нишу, освобожденную «очками» COSTAR, а также камеру широкого обзора (WFC3), которая до сих пор является основным поставщиком научных данных с «Хаббла».

Это мощное обновление сохранило функциональность обсерватории, сделав ее современной. И в старом корпусе «Локхид» со старым дефектным зеркалом «Перкин-Элмер», по сути, работал совсем другой уже телескоп – не тот, что запускали в 1990 году.

Обновленный «Хаббл» в 2009 г. Фото: NASA, science.nasa.gov

Запас прочности «Хаббла» оказался гораздо более внушительным, чем предполагалось даже после заключительного ремонта в 2009 году. Инженеры, наученные горьким опытом выходящих из строя гироскопов, приспособились к тому, чтобы настраивать ориентацию аппарата с минимумом использования этих инструментов. Так, с бережным отношением, удалось сохранить хотя бы часть из них до сих пор. Но порой, после сбоев «Хабблу» приходилось выкручиваться с помощью одного только гироскопа. Это ограничивало «поворотливость» обсерватории и доступное время для наблюдений.

Туманные перспективы

Примерно с 2018 года у «Хаббла» сбои случаются регулярно. Уже не только с гироскопами. К счастью, аппаратных проблем не так много. И это позволяет команде придумывать способы дистанционного обхода программных ошибок. Где-то подводила система обработки сигналов с датчиков, где-то «вылетал» комплекс питания. Но продуманное резервирование и грамотная диагностика позволяли находить решение проблем.

Эти решения наверняка можно было бы отыскивать и дальше. Вспомните, как ловко инженеры справляются со сбоями в «древней» системе «Вояджеров», которые летят за окраины Солнечной системы с 1977 года. Но у «Хаббла» есть другая экзистенциальная угроза – его орбита постепенно снижается. Да, на высоте более 540 километров сопротивление атмосферы минимально. Но остатки ее там все же присутствуют. И они постепенно притормаживают обсерваторию. Дошло до того, что запланировать сильно заранее какие-то наблюдения не получается. То есть можно стратегически, глобально замыслить план обзоров – так и происходит. Но конкретный час и дату уточняют непосредственно перед пролетом точки интереса, откуда виден желаемый объект. Все потому, что из-за сопротивления атмосферы, особенно когда та немного раздувается из-за солнечной активности, расчет местоположения обсерватории может иметь ошибку до 4 тысяч километров. Вот такие нюансы обитания на низкой околоземной орбите.

Если текущие темпы снижения сохранятся, то в 2030-х годах «Хаббл» просто войдет в плотные слои атмосферы и сгорит. Поэтому сейчас усилия направлены на то, чтобы попытаться поднять орбиту. Это делали шаттлы каждый раз во время обслуживания. Теперь сервис затруднен, но для разгона аппарата особых хитрых технологий не нужно. И пару лет назад миллиардер Джаред Айзекман вместе со SpaceX предложили NASA провести такую процедуру. Однако агентство после консультаций и колебаний отвергло идею из-за риска повредить обсерваторию.

Иронично, что новым администратором NASA в Белом доме Дональда Трампа станет как раз Айзекман. Так что, возможно, идея с поднятием орбиты «Хаббла» воплотится в реальность. Другое дело, что теперь та же самая администрация сурово режет бюджет агентства. А обычно под сокращение попадает финансирование старых проектов. О закрытии программы «Хаббла» из-за нехватки денег говорят все громче. Может сложиться и так, что полностью функциональный и не упавший еще с орбиты легендарный телескоп просто отключат. Тогда ему наверняка вновь придется бороться за перерождение и оправдывать звание «народного телескопа». Есть ощущение, что это получится. Несмотря на конкуренцию со стороны более нового и мощного «Джеймса Уэбба». Главное преимущество «старичка» перед этой новой обсерваторией в том, что он может вести наблюдения и в ультрафиолетовом, и в видимом, и в инфракрасном диапазоне, тогда как «Уэбб» способен видеть лишь средний и дальний инфракрасный спектр. Так что «Хаббл» еще поборется за место на страницах научных статей, на заставках ваших смартфонов и за право отметить еще один юбилей как минимум.