Takie piękne zdjęcia kosmosu dał nam teleskop Hubble - każde z nich ma ciekawą historię tak jak ten 31-letni instrument

Nie ma chyba na świecie drugiego instrumentu naukowego, który byłby tak dobrze znany jak teleskop Hubble. Można go nawet zbudować z klocków Lego. Być może centrum naukowe CERN pod Genewą cieszy się też taką rozpoznawalnością, ale fizyka wysokich energii nie jest tak przystępna dla ludzi jak obserwacje kosmosu.

Dziś emocjonujemy się przede wszystkim misją łazika Perseverance na Marsie, jego helikopterem Ingenuity, który już dwa razy latał w atmosferze Czerwonej Planety, a także zdolnościami do wytwarzania tlenu (choć w tej chwili nie ma tam nikogo, kto by z tego skorzystał) i dalszymi planami NASA na eksploracje krateru Jezero. W piątek 23 kwietnia rozpoczęła się także misja SpaceX Crew-2, a niedawno obchodziliśmy 60-lecie lotu pierwszego człowieka w Kosmos i 40-lecie lotu pierwszego wahadłowca na orbitę.

Przez ponad 10 lat Hubble czerpał energię ze zwijanych paneli słonecznych, w 2002 roku zastąpiono jest sztywnymi i rozkladanymi - fot: ESA/Hubble

Przy tym wszystkim mogłaby umknąć nam pewna inna rocznica, która co prawda nie jest okrągła, ale budzi ogromne uznanie. 31 lat temu w dniu 24 kwietnia 1990 roku na orbitę Ziemi trafił teleskop Hubble, a miesiąc później rozpoczął pracę. Został on wyniesiony przez wahadłowiec Discovery w trakcie misji STS-31. Teleskop odłączono od wahadłowca 25 kwietnia. 

Komu zawdzięcza nazwę teleskop Hubble

Nazwa teleskopu stanowi uhonorowanie wkładu w astronomię jaki wniósł Edwin Powell Hubble. Jego najważniejszym osiągnięciem jest odkrycie bezmiaru kosmosu. Otóż przed rokiem 1924, gdy Hubble ogłosił, że obserwowane przez astronomów mgławice leżą daleko poza Galaktyką, uważano że Kosmos jest znacznie mniejszy. Co prawda już od dawna rósł w naszych oczach i w głowach astronomów, ale wciąż brakowało dowodów na coś większego niż Droga Mleczna, ba niektórzy nie wierzyli, że istnieje cokolwiek poza nią. Dlatego wszystkie obiekty, w tym niewyraźne mgławice, które od prawie 100 lat utożsamiamy już z galaktykami, traktowano jako znajdujące się w naszej galaktyce.

Fragment M31 w Andromedzie, najdokładniejsze zdjęcie tej galaktyki w historii, na którym widać pojedyncze gromady gwiazd - fot: ESA/Hubble

Odkrycie Hubble’a polegało na wykorzystaniu Cefeid w tychże mgławicach do pomiaru odległości. Cefeida to masywna gwiazda na późnym etapie ewolucji, która ma ściśle określone własności, w tym relację jasność - okres pulsacji. Pierwszą mgławicą była galaktyka (kiedyś mgławica) M31 w Andromedzie. Dziś nie tylko Cefeidy, ale i inne obiekty oraz zjawiska pomagają powszechnie mierzyć i kalibrować odległości w kosmosie.

Edwin Hubble wyliczył na podstawie swoich obserwacji odległość do mgławicy w Andromedzie, okazała się ona kilka razy większa niż rozmiar Galaktyki wcześniej oszacowany za pomocą tej samej metody przez astronoma Harlowa Shapleya. To dowodziło, że na Drodze Mlecznej cały Wszechświat się nie kończy

Kilka lat później Hubble wywnioskował z dalszych obserwacji, że Wszechświat się rozszerza. Te odkrycia kompletnie wywróciły do góry nogami pojmowanie Wszechświata. Hubble opracował też system klasyfikacji galaktyk na podstawie ich cech wizualnych, który stosowany jest stosowany do dziś, choć ewidentnie wymaga aktualizacji.

Pierwsze chwile teleskopu Hubble na wolności - fot:ESA/Hubble & NASA

Nic więc zaskakującego, że ostatecznie zaproponowano nazwisko tego astronoma jako patrona. Warto tutaj wspomnieć, że teleskop Hubble nie jest pierwszym teleskopem kosmicznym, największym, ani jedynym obecnie w przestrzeni kosmicznej. Za jego następcę, choć nie ze względu długości fal światła w jakich będzie obserwować, uznaje się teleskop Jamesa Webba. Jest on już gotowy do umieszczenia na orbicie, ale nawet jeśli dojdzie do niego jesienią 2021, to nastąpi to wiele lat po pierwszym spodziewanym terminie, a już na pewno nie spowoduje przerwania pracy Hubble’a.

Teleskop Hubble miał kiepski początek, ale dziś zaskakuje formą

Teleskop Hubble jako pomysł i idea, która zyskała uznanie NASA, nabrał sensu już w latach 60. XX, gdy loty w kosmos nabrały rozpędu. Trudniej było przekonać kongres, który w 1974 roku nawet odwołał finansowanie projektu. Lecz w 1977 projekt otrzymał stabilne finansowanie, a w 1978 rozpoczęto prace nad głównym zwierciadłem. W 1983 roku nadano mu ostateczną nazwę - Hubble.

Teleskop był gotowy w 1985 roku i początkowo na orbicie miał go umieścić w 1986 wahadłowiec Challenger (sam teleskop budowano tak, by maksymalnie wykorzystać przestrzeń ładunkową tych pojazdów orbitalnych), ale jego katastrofa powstrzymała projekt na lata.

Słynne zdjęcie galaktyki M100, które ilustruje jak bardzo poprawił się "wzrok" teleskopu po instalacji "okularów". Dziś teleskop widzi jeszcze lepiej

I to znacznie dłużej niż wynika z daty umieszczenia Hubble’a na orbicie. Niestety błędnie wyszlifowane zwierciadło główne uniemożliwiało prawie trzy lata wykorzystanie teleskopu zgodnie z jego przeznaczeniem. Zdjęcia, które robił Hubble były nieostre niczym obrazy jakie widzi krótkowidz bez okularów. Dopiero pierwsza misja serwisowa teleskopu w 1993 roku pozwoliła na instalację instrumentu nazwanego COSTAR, który korygował wady optyki i przywracał ostrość widzenia teleskopu. Przy okazji zainstalowano także kamerę WFPC2, o większych możliwościach obserwacyjnych niż oryginalny instrument WFPC (Wide Field and Planetary Camera)

To zdjęcie Jowisza wykonano z orbity Ziemi, po lewej widoczny jego księżyc Europa - fot: ESA/Hubble

Od tej pory Hubble nie przestaje nas zachwycać pięknymi obrazami kosmosu - planet, gwiazd, mgławic, galaktyk, a także planetoid w odległych rubieżach Układu Słonecznego.

Galaktyka NGC 1275, charakteryzuje się potężnym polem magnetycznym, które przenika przestrzeń i wpływa na kształt włókien materii (kolor czerwony) - fot: ESA/Hubble

Tę fotografię z kolei wykonano rok temu na 30-lecie teleskopu. Pokazuje ona dwie mgławice w Wielkim Obłoku Magellana, w których powstają gwiazdy. Natura jak widać potrafi być bardzo kolorowa, choć dopiero taki teleskop jak Hubble jest w stanie nam to pokazać - fot: ESA/Hubble 

Zdjęcia wykonywane są w różnych filtrach, w zakresie fal od ultrafioletu (115 nm) do podczerwieni (2500 nm), dlatego nie zawsze odpowiadają kolorami rzeczywistości. Przed ich upublicznieniem są modyfikowane tak, by najlepiej pokazać charakter danego ciała niebieskiego i zrobić wrażenie na publiczności. Operatorzy Hubble czasem kierują teleskop w to samo miejsce po wielu latach, by pokazać jak zmieniły się jego możliwości obserwacyjne. Świetnym przykładem jest ikoniczna fotografia Filary Stworzenia, którą w 2015 roku powtórzono po 20 latach od wykonania jej po raz pierwszy. 

Żłobek gwiezdny, czyli miejsce gdzie rodzą się gwiazdy, w mgławicy Kil (Carina) - fot: ESA/Hubble

Łączenie wielu zdjęć, czasem wykonywanych na przestrzeni wielu lat, pozwala zajrzeć prawie do początku

Zdjęcia, które wykonuje teleskop Hubble to nie tylko pojedyncze ekspozycje. Kosmologowie, którzy lubią dłubać w przeszłości kosmosu, postanowili zajrzeć Hubble'm w najdalsze zakątki Wszechświata. A skoro najdalsze to i najmłodsze. I tak powstała seria zdjęć, które pokazują fragmenty nieba, gdzie nie ma gwiazd, ale są bardzo odległe galaktyki. Tak odległe, że niektóre z nich dopiero powstały, a światło wyemitowały w chwili gdy Wszechświat miał kilkaset milionów lat. Takie obrazy to połączenie nawet setek obserwacji, w jedno ultragłębokie zdjęcie. Pierwszy taki obraz z 1995 powstał poprzez złożenie kilkuset ekspozycji wykonywanych przez 10 dni. Potem były jeszcze dokładniejsze obrazy, fotografowano inne miejsca na niebie, także na południowej półkuli.

Najlepsze zdjęcie tego typu powstało w ramach projektu UVUDF czyli Ultraviolet Coverage of Ultra Deep Field. Połączono tu dane zbierane od 2002 do 2012 roku, z użyciem różnych instrumentów, ze szczególnym naciskiem na ultrafiolet. To umożliwiło nie tylko obserwacje odległych galaktyk, ale poszukiwanie procesów gwiazdotwórczych w takich młodych strukturach.

Prawie każdy obiekt, który widać na tym zdjęciu to galaktyka - fot: NASA 

Upływ czasu odcisnął piętno na teleskopie Hubble, jednak wyszło mu to na dobre

Hubble był w historii serwisowany 5 razy. Te wyprawy realizowane przez wahadłowce służyły nie tylko wymianie zepsutych elementów, ale także wymianie instrumentów na bardziej zaawansowane (lepsze kamery, nowe procesory, akumulatory, żyroskopy, panele słoneczne). Choć od ostatniej misji serwisowej upłynęło 12 lat, a w tym czasie Hubble dorobił się kilku awarii w tym ważnych dla utrzymania pozycji żyroskopów, to i tak jest to sprzęt o wiele nowocześniejszy niż 31 lat temu.

Hubble usprawniany po raz ostatni - fot: ESA/Hubble

W 2009 roku układ korekcyjny COSTAR przestał być potrzebny, bo wymieniono wszystkie oryginalne instrumenty, zastępując je urządzeniami z wbudowaną weń korekcją optyki. W ten sposób Hubble przeszedł niejako operację oczu, nie potrzebował już okularów, bo każdy instrument pozwalał na dobre widzenie.

Teleskop Hubble po ostatniej misji serwisowej w 2009 roku - fot: ESA/Hubble

Ostatnia misja w 2009 roku pozostawiła Hubble z następującym zestawem aktywnych instrumentów (jeden dodatkowy, spektrometr bliskiej podczerwieni jest wyłączony):

• Wide Field Camera 3 - wykonuje zdjęcia w widzialnym zakresie widma światła,
• Cosmic Origins Spectrograph - przeznaczony do obserwacji spektroskopowych i w ultrafiolecie,
• Advanced Camera for Surveys - obserwacje w szerokim zakresie widma (od ultrafioletu do bliskiej podczerwieni), pozwala na różnego typu blokowanie/filtrowanie światła (obecnie działa jedynie w reżimie obserwacji o szerokim polu widzenia),
• Space Telescope Imaging Spectrograph - spektrograf, który pracuje w świetle UV, IR i widzialnym,
• Fine Guidance Sensor - służy potwierdzaniu pozycji teleskopu w przestrzeni, ale przydaje się też do pomiarów astrometrycznych. 

Teleskop jest także wyposażony w mechanizm ułatwiający ewentualną robotyczną lub załogową misję serwisową w przyszłości. W zamierzeniu, miał on kiedyś powrócić na Ziemie i zająć należne mu miejsce w muzeum.

Dlaczego musiał powstać teleskop taki jak Hubble?

Potrzeba zbudowania teleskopu takiego jak Hubble wynikała z dwóch powodów. Jeden z nich, ogromna rozdzielczość obserwacji niezakłócona przez wpływ atmosfery, nieosiągalna z Ziemi w czasach gdy był projektowany, został w dużym stopniu wyeliminowany poprzez postęp w astronomii obserwacyjnej. Teleskopy z optyką aktywną i adaptatywną, są w stanie dziś rywalizować z tym co osiąga Hubble, a dzięki jeszcze większej powierzchni zwierciadeł nawet przekroczyć niektóre jego osiągi.

Porównanie ostrości zdjęć wykonanych teleskopem VLT, jednym z najpotężniejszych na Ziemi i teleskopem Hubble, który ma ponad 3 razy mniejszą średnicę zwierciadła - fot: ESO (kadr oryginalnego zdjęcia), NASA (oryginał)

Drugiego problemu jednak żaden postęp naukowy nie wyeliminuje. Ponownie chodzi o atmosferę, ale tym razem pochłanianie przez nią pewnych długości promieniowania elektromagnetycznego. Ochrona przez promieniowaniem rentgenowskim i gamma w przypadku Hubble nie jest istotna, ale atmosfera absorbuje także większość promieniowania UV i liczne pasma w bliskiej podczerwieni, które dla astronomów są bardzo istotne.

Ogromną zaletą teleskopu Hubble jest jego modularność. Pozwoliła ona na przestrzeni prawie 20 lat usprawniać i naprawiać teleskop, bez ściągania go z orbity

Obserwacje z orbity pomogły uzyskać dane, które znacząco zmieniły astronomię, ale też nauczyły nas radzić sobie z nowymi wyzwaniami. Dla przykładu, obrazy z teleskopu Hubble’a były tak ostre, że obrazów daleki asteroid w Układzie Słonecznym trudno było na pierwszy rzut oka odróżnić od śladów promieni kosmicznych. Na szczęście Hubble trafił na epokę szybkiego rozwoju technologii komputerowych.

Każde zdjęcie z Hubble, tak jak jubileuszowy obraz gwiazdy AG Carinae łączy się z ciekawą historią

W astronomii obserwacyjnej fajne jest to, że nie tylko pozwala cieszyć się nam fajnymi zdjęciami, ale o każdym z nich można długo i ciekawie opowiadać. I tak na jubileuszowej fotografii znalazła się gwiazda AG Carinae, która należy do kategorii jasnych niebieskich zmiennych. Ta nazwa pochodzi od własności tej bardzo masywnej gwiazdy, które charakteryzują schyłek jej istnienia. Krótkiego z kosmicznej perspektywy, bo trwającego jedynie 5 do 6 milionów lat. Poniżej wideo, które pokazuje lokalizację tej gwiazdy, a zarazem precyzję z jaką zagląda w kosmos teleskop Hubble.

AG Carinae to jedna z największych gwiazd jakie znamy. Jej masę ocenia się nawet na 70 mas Słońca, a jasność porównuje do jasności miliona Słońc. Wspomniana zmienność polega na przeplataniu spokojniejszych okresów świecenia, w trakcie których taka gwiazda pulsuje zwiększając i zmniejszając swój rozmiar, okresem znacznie zwiększonej jasności, nawet o kilka rzędów (jeden rząd wielkości to 10-krotne zwiększenie mocy świecenia).

Duże zmiany jasności i wiążące się z nimi wyrzuty zewnętrznej materii są sprytnie zaprojektowanym przez naturę procesem, który ma przedłużyć życie gwiazd takich jak AG Carinae. Utrata masy pozwala bowiem promieniowaniu emitowanemu przez gwiazdę jeszcze dłużej stawiać czoło grawitacji, która dąży do zapadnięcia się obiektu i wybuchu supernowej. W przypadku AG Carinae może to być nawet super supernowa, w trakcie której powstają duże ilości pierwiastków cięższych niż żelazo.

AG Carinae i otaczająca ją materia wcześniej wyrzucona z tej gwiazdy - fot: ESA/Hubble

To co widać na zdjęciu, które jest połączeniem obrazów wykonanych w świetle widzialnym i ultrafiolecie, to kształt naszkicowany przez naturę. Gwiazda teraz jest „spokojna”, ale wciąż wiejący od niej wiatr gwiazdowy ma ogromną prędkość (około miliona km/h) i odgrywa dużą rolę w formowaniu się obserwowanej struktury. Przedziera się przez chłodną materię kiedyś odrzuconą od AG Carinae i poruszającą się znacznie wolniej.

Każdy kolor coś mówi astronomom. Czerwień to wodór z domieszką azotu. Tam gdzie czerwony jest bardziej rozmazany, wiatr gwiazdowy przedarł się przez otoczkę z materii. Niebieski kolor to pył, który oświetlany jest przez światło gwiazdy. Im bardziej nasycony i jaśniejszy, tym gęstsza jest jego struktura.

Teleskopy kosmiczne przed erą Hubble

Idea teleskopu kosmicznego narodziła się jeszcze w międzywojniu, gdy podróże orbitalne wciąż były jedynie teorią. Zanim wykiełkowała do postaci Hubble’a, na orbicie znalazły się inne teleskopy. OSO czyli Orbitalne Obserwatorium Słoneczne w kilku wersjach umieszczano na orbicie pomiędzy 1962 a 1975 rokiem. Coś co przypominało kształtem i działaniem jubilata, było kilkukrotnie umieszczane w kosmosie przez USA począwszy od 1966 roku, pod nazwą OAO czyli Orbitalne Obserwatorium Astronomiczne. Nie wszystkie teleskopy pomyślnie trafiły na orbitę, a najbardziej udana była misja numer 4, czyli Copernicus dla uczczenia 500-lecia urodzin Kopernika. Był to teleskop przeznaczony do obserwacji w świetle ultrafioletowym, ale dodatkowo umieszczono na nim detektor promieni rentgenowskich.

Teleskop ATM w hangarze i na orbicie, połączony z panelami slonecznymi - fot: NASA

Teleskop przeznaczony do obserwacji Słońca określany jako ATM (Apollo Telescope Mount), był zintegrowany ze stacją kosmiczną Skylab. Uczestnicy kolejnych misji na tej stacji mieli stały do niego dostęp i mogli stosować zwykły film fotograficzny do rejestracji zdjęć. Inne teleskopy orbitalne albo wykorzystywały film, który odzyskiwano po powrocie pojazdu na Ziemię, albo bazowały na różnego typu detektorach promieniowania, z których sygnał był zapisywany na napędach taśmowych.

Sukcesy misji OSO i OAO miały zaowocować tak zwanym LST czyli Wielkim Teleskopem Kosmicznym dostępnym już w 1979 roku, ale rozwijający się program wahadłowców kosmicznych pchnął plany na inną znaną nam już ścieżkę. Równoległy rozwój technologii CCD tylko w tym pomógł - to astronomia jako jedna z pierwszych zaczęła intensywnie korzystać z dobrodziejstw kamer cyfrowych.

Najmniejsze teleskopy jakie umieszczono na orbicie - dwa z nich zbudowano w Polsce

Polskie instytucje naukowe od czasu do czasu dokładały swoje pięć groszy do projektów teleskopów kosmicznych, ale dopiero program BRITE zapisał się w historii jako coś nad czym polscy naukowcy mieli pełną kontrolę. To nanosatelity z miniaturowymi teleskopami o średnicy zwierciadła 3 cm. Dwa z nich zbudowano w Polsce. Lem (pracował w świetle niebieskim) powstał z komponentów dostarczonych z zagranicy, a Heweliusz (obserwował w świetle czerwonym) był już w pełni polską konstrukcją zrealizowaną w Centrum Badań Kosmicznych PAN.

Teleskopy, które dopiero trafią w Kosmos

Obecnie spodziewany maksymalny czas pracy teleskopu Hubble, przy założeniu, że nic nie będzie się już poważnie psuło, to połowa lat 30. XXI wieku. Jednak wtedy będzie to już mocno przestarzały instrument naukowy, bo w kolejce czekają nowe.

Teleskop JWST - fot: NASA

Oprócz wspomnianego teleskopu JWST, należy wspomnieć o teleskopie Nancy Grace Roman, który bazuje na konstrukcji przypominającej Hubble’a. Jeśli pamiętacie, w 2012 roku Narodowe Biuro Rozpoznania zaoferowało NASA dwa niewykorzystane teleskopy, które można zaadoptować do celów naukowych. Teleskop NGR miał wystartować 2025 roku, ale kłopoty finansowe i cięcia budżetowe w związku z epidemią COVID-19 najpewniej opóźnią realizację projektu.

Mamy tu podobnie jak w Hubble 2,4-metrowe zwierciadło, ale o innej konstrukcji układu optycznego. Dzięki temu teleskop NGR osiągnie 100 razy większe niż Hubble pole widzenia. Główna kamera ma mieć 300 Mpix rozdzielczość.

Nie sposób zapomnieć także o projekcie radioteleskopu, który znalazłby się na niewidocznej stronie Księżyca, a zbudowany zostałby przez niewielkie roboty. NASA zaakceptowało właśnie dalsze finansowanie tego pomysłu.

Źródło: NASA, inf. własna, ESA, JPL, Caltech

Czytaj więcej na temat obserwacji astronomicznych:

• Dzień Ziemi - zobacz jak wygląda z Kosmosu, choćby dlatego warto ją chronić
• Gliese 1132 b to planeta, która straciła atmosferę, ale zrobiła sobie kolejną
• I na Marsie najlepszy aparat to ten, który jest pod ręką - nawet jeśli tylko o rozdzielczości VGA