30 lat temu dokonano najsłynniejszej operacji wzroku. Jedynej w kosmosie

Teleskop Hubble do momentu wystrzelenia Webba był najbardziej znanym teleskopem kosmicznym jaki udało się zbudować ludziom. Celowo nie piszę najpotężniejszym, bo wszystko zależy od tego w jakich długościach fal elektromagnetycznych obserwuje dany instrument. Jednak gdy mowa o świetle widzialnym to istotnie, Hubble nie ma sobie równych. Jednak nie od razu euforia udzieliła się astronomom. Pierwsze chwile w 1990 roku, gdy Hubble trafił na orbitę, były naznaczone rozczarowaniem, a kolejne lata intensywnymi pracami nad wyeliminowaniem poważnego problemu.

To zdjęcie regionu gwiazdotwórczego w Wielkim Obłoku Magellana wykonano teleskopem Hubble w marcu 2006 roku. Nie byłoby jednak ono możliwe, gdyby teleskop nie pozwalał na orbitalną naprawę już w pierwszych latach po jego uruchomieniu. (fot: NASA/Hubble)

Zepsute oczy teleskopu Hubble

Tym problemem okazał się kiepski wzrok teleskopu. Gdy pierwsze obrazy spłynęły na ziemskie komputery okazało się, że daleko im do tego co spodziewano się zobaczyć. Winnym okazał się jak zwykle człowiek, bo komputery, które odpowiadały za odpowiednie przygotowanie optyki, zrobiły dokładnie to co im nakazano.

Sławne zdjęcie galaktyki M100, sprzed instalacji korekcji wzroku w 1993 roku, po zainstalowaniu kamery WFPC2 i późniejsza fotografia z 2018 roku wykonana jeszcze nowszym instrumentem WFC3. Która zmiana była najważniejsza widać na pierwszy rzut oka. (fot: NASA)

Hubble tworzył niewyraźnie obrazy, gdyż jego główne zwierciadło zostało nieprawidłowo wyszlifowane. Był to mikroskopijny z perspektywy laika błąd, bo różnica pomiędzy prawidłowym kształtem, a uzyskanym, sięgała jedynie 1/50 grubości ludzkiego włosa. Jednak dla uzyskiwanych obrazów ten błąd miał katastrofalny wpływ.

Tak wyglądał obraz pojedynczej gwiazdy przed i po instalacji układu korygującego aberrację zwierciadła głównego. Podobną zmianę przy obserwacji punktów świetlnych dostrzegają osoby z wadą wzroku po założeniu okularów korekcyjnych. (fot: NASA)

Za ten błąd odpowiadała aparatura kontrolująca proces szlifowania zwierciadła, która była błędnie skalibrowana. Teoretycznie więc, wszystko wskazywało, że lustro Hubble’a jest wykonane z największą w historii precyzją. Tyle, że ta precyzja odnosiła się do błędnego założenia. I nikomu nie przyszło do głowy, by sprawdzić, czy urządzenie kontrolujące działa prawidłowo.

Naziemna inspekcja stanu zwierciadła teleskopu Hubble przed 1990 rokiem. Ciekawe co wtedy myślał ten pan wskazujący na zwierciadło? (fot: NASA)

Operacja wzroku w kosmosie. Taką przeszedł teleskop Hubble w 1993 roku

Optyka ma jednak tę zaletę, że najczęściej to co się popsuło w ścieżce promieni optycznych, da się naprawić odwracając efekt. Niekoniecznie jest to prosta i tania operacja, ale nawet drobna poprawa w przypadku ludzkiego wzroku poprawia komfort życia. A w przypadku Hubble’a miała dać lepsze naukowe obserwacje. Zresztą nie tylko naukowe, bo gdyby Hubble nie zaczął ostro widzieć, prawdopodobnie nigdy nie zapisałby się w naszej pamięci tak dobrze.

Dziś wszystkie instrumenty teleskopu, które zostały po raz ostatni wymienione lub naprawione w 2009 roku podczas misji wahadłowca Atlantis, nie mają problemu z widzeniem, choć zwierciadło pozostaje to samo od 33 lat. Jest tak, gdyż każdy z nich ma swój własny korektor. Jednak w 1993 roku tak nie było i należało zainstalować oddzielny instrument na drodze światła z teleskopu, by skorygować wadliwą krzywiznę zwierciadła.

Przygotowania do pierwszej misji serwisowej Hubble'a prowadzono pod wodą i w świecie rzeczywistości wirtualnej. (fot: NASA)

Ten instrument nazwany był COSTAR, czyli Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement. Ze względu na modularność teleskopu Hubble, można było go umieścić zamiast innego instrumentu, w tym przypadku HSP, czyli High Speed Photometer. Poprawiał on pracę takich narzędzi jak FOC (Faint Object Camera), GHRS (Goddard High Resolution Spectrograph) oraz FOS (Faint Object Spectrograph). Swoją własną wersję COSTAR zintegrowana z instrumentem miała za to kamera WFPC2 (Wide Field and Planetary Camera 2), którą również zainstalowano w czasie pierwszej misji serwisowej.

Przygotowania do instalacji COSTAR wewnątrz teleskopu. (fot: NASA)

Prace podczas wymiany kamery WFPC na WFPC2. (fot: NASA)

Można więc powiedzieć, stosując medyczne porównanie, że w 1993 roku Hubble zyskał okulary dwuogniskowe, choć w praktyce każdy z instrumentów był wykorzystywany do obserwacji ciał niebieskich w różnych odległościach. Układ sensorów w instrumencie WFPC2, czyli trzy układy kamery szerokokątnej i jeden mniejszy kamery planetarnej, odpowiada za charakterystyczne kształtem zdjęcia, choćby ikoniczną pierwszą fotografię Filarów Stworzenia z 1995 roku.

Wszystkich misji serwisowych było 5 (lata 1993, 1997, 1999, 2002, 2009), ale jedną o numerze 3 w roku rozbito na dwa loty 3A i 3B, dlatego końcowa miała numer 4. Za każdym razem albo wymieniano instrumenty na nowe, już nie ze względu na ich złe funkcjonowanie, ale zwykły postęp technologii i zmieniające się wymagania astronomów. Teleskop miał także wymieniane żyroskopy, komputery, baterie oraz panele słoneczne. Z początku były to giętkie panele rozwijane, a po 2002 roku sztywne (takie same jak stosowane w satelitach Iridium). Panele wymieniono jednak także w 1993 roku, gdyż naukowcy chcieli sprawdzić ich stan po kilku latach na orbicie 600 km ponad Ziemią.

Teleskop Hubble zadokowany do wahadłowca Endeavour podczas naprawy. (fot: NASA)

I choć dziś najważniejszy jest dla nas stan Hubble’a w jakim pozostawiono go po 4 misji serwisowej, to ta pierwsza stanowiła największy przełom.

Pierwsza misja serwisowa do teleskopu Hubble. Ruszyła na orbitę 2 grudnia 1993 roku

Pierwsza misja serwisowa teleskopu Hubble była realizowana w trakcie misji STS-61. Wahadłowiec Endeavour wystartował rankiem 2 grudnia 1993 roku. Po wykonaniu 163 obiegów Ziemi, wymianie elementów teleskopu, która wymagała pięciu spacerów kosmicznych trwających w sumie 35 godzin i 28 minut, Endeavour wylądował na Ziemi 13 grudnia 1993 roku.

Obejrzyj w

Najbardziej medialną częścią pierwszej misji serwisowej była wymiana instrumentów obserwacyjnych, na takie, które korygowały wady optyki teleskopu, ale astronauci w trakcie misji zmodernizowali teleskop w znacznie większym stopniu:

• pierwsze dwa dni poświęcono na stopniowe zbliżanie się do Hubble’a, a także przygotowanie załogi do pierwszego spaceru kosmicznego
• trzeciego dnia nastąpiło przechwycenie teleskopu za pomocą ramienia robotycznego, dokonano oceny stanu teleskopu i rozpoczęto pierwszy spacer kosmiczny, wymieniono wszystkie żyroskopy teleskopu i elektronikę sterującą, rozpoczęto także zwijanie paneli słonecznych
• piątego dnia podczas spaceru kosmicznego dokonano wymiany paneli słonecznych, stare panele odrzucono w przestrzeń
• szósty dzień upłynął pod znakiem wymiany starej kamery WFPC na nową WFPC 2, ale dokonano także wymiany magnetometrów
• siódmego dnia nastąpiła zamiana instrumentu HSP na COSTAR, czyli słynna instalacja okularów Hubble’a
• ósmego dnia dokonano finalnych zmian, podłączenia elektroniki sterującej panelami słonecznymi (SADE) i aktywowano system łączności teleskopu
• dziewiątego dnia Hubble został odłączony od wahadłowca, ale zanim to nastąpiło kontrola naziemna musiała poradzić sobie z błędnym funkcjonowaniem systemu wewnętrznej komunikacji teleskopu

Załoga misji STS-61. Od lewej F. Story Musgrave, Richard O. Covey, Claude Nicollier, Jeffrey A. Hoffman, Kenneth D. Bowersox, Kathryn C. Thornton oraz Thomas D. Akers.

Pierwsza misja serwisowa zwiększyła wydajność obliczeniową elektroniki teleskopu. Początkowo był on sterowany przez powolny komputer DF-224, który wykorzystywał technologie pamiętające jeszcze czasy misji Apollo. W trakcie misji serwisowej zainstalowano moduł koprocesora, z jednostkami Intel 80386 i 80387. Dopiero w 1999 roku dokonano kompletnej wymiany komputera teleskopu na moduł z układem Intel 80486, co zwiększyło wydajność przetwarzania danych 20-krotnie.

Teleskop Hubble dzisiaj. Nie zawsze wesołe jest życie staruszka

Obecnie teleskop Hubble, od którego ostatniej misji serwisowej minęło już ponad 14 lat, czyli prawie tyle na ile początkowo przewidywano funkcjonowanie teleskopu w 1990 roku, musi polegać na tym co w nim jeszcze działa i na pomysłowości kontroli naziemnej. Misje naprawcze, choć brane pod uwagę jako projekty koncepcyjne, na razie nie wchodzą w rachubę.

Hubble wciąż zachwyca nas pięknymi zdjeciami i dzielnie współpracuje z Webbem, choć ostatnie dni nie należą do najszczęśliwszych. Od kilkunastu dni problemy sprawia jeden z żyroskopów, czyli element kluczowy przy pozycjonowaniu teleskopu podczas obserwacji. Teleskop wszedł w tryb awaryjny 19 listopada, potem udało się przywrócić normalne funkcjonowanie, ale 21 listopada znowu coś zadziałało źle. Centrum kontroli teleskopu miało powtórkę z rozrywki jeszcze 23 i 29 listopada. Na razie teleskop jest wciąż w trybie awaryjnym.

Możliwe są dwie ścieżki postepowania. Albo uda się naprawić szwankujący żyroskop i Hubble dalej będzie prowadził obserwacje jak przez ostatnie lata. Albo konieczne będzie zmodyfikowanie planu sterowania teleskopem tak, by obserwacje były możliwe tylko z wykorzystaniem dwóch wciąż działających poprawnie żyroskopów. W 2009 roku Hubble pozostawiony był z kompletem sześciu sprawnych żyroskopów. Możliwe jest by Hubble działał nawet z jednym żyroskopem, więc końca ery tego teleskopu nie należy spodziewać się tak szybko.

Źródło: NASA, ESA, inf. własna