Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 46 – vyšlo 7. listopadu, ročník 6 (2008) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

46/2008

Hubbleův vesmírný dalekohled

Petr Kulhánek

Hubbleův vesmírný dalekohled – přístroj, o kterém slyšel snad každý. Dalekohled na oběžné dráze, jehož snímky obletěly svět a staly se ozdobou astronomických publikací. Dalekohled, kterému nevadí atmosférické turbulence, déšť vítr, bouře ani sníh. Na oběžné dráze je již 18 let – od roku 1990. Pojmenován byl po Edwinu Hubblovi, který si jako první uvědomil, že mlhavé obláčky na obloze jsou další galaxieGalaxie – kompaktní seskupení hvězd, hvězdných asociací, otevřených a kulových hvězdokup, mezihvězdné látky a temné hmoty. Galaxie se liší svou strukturou (spirální, eliptické, nepravidelné,…), vyzařovaným výkonem (neaktivní, aktivní, rádiové, Seyfertovy,…) a zejména svojí hmotností. Hmotnost je udávána v miliardách až stovkách miliard hmotností Slunce. Galaxie jsou obvykle součástmi vyšších celků, jako jsou kupy, nadkupy, vlákna a stěny. V centrech většiny galaxií se nacházejí obří černé díry. – cizí světy podobné naší Mléčné dráze. Při pozorování těchto galaxií zjistil, že vesmír expanduje a stal se tak otcem současné kosmologie. Dalekohled nesoucí jeho jméno mu rozhodně nedělá ostudu a má na svém kontě řadu významných objevů. Život dalekohledu je ale bytostně závislý na servisních misích. Kosmonauti přivážejí nové přístroje, opravují poruchy, vyměňují gyroskopy nutné k navádění dalekohledu, atd. Zkrátka údržba, bez níž by se dalekohled stal hromadou starého železa. Čtvrtá servisní mise byla několikrát odložena a aktuální plán počítal s počátkem října 2008. I tak již bylo spíše po dvanácté než za pět minut dvanáct. Poslední zářijový víkend se na Hubbleu objevila porucha a přestal předávat data pozemskému středisku. Servisní mise byla okamžitě zrušena. Letět nepřipraveni k nefungujícímu stroji nedávalo žádný smysl. Komunikaci se podařilo obnovit 25. října, nicméně servisní mise již musí proběhnout v náhradním termínu, snad na počátku roku 2009.

HST (Hubble Space Telescope) – Hubblův vesmírný dalekohled. Největší dalekohled na oběžné dráze kolem Země, kde byl v roce 1990 umístěn do výšky 614 km. Průměr primárního zrcadla je 2,4 m. Z hlediska kosmologie je zajímavý HST Key Project (klíčový projekt HST), který v roce 1999 posloužil k prvnímu přesnému určení Hubbleovy konstanty. V lednu 2004 NASA zrušila servisní mise k tomuto unikátnímu přístroji, nicméně v roce 2006 bylo rozhodnuto o poslední servisní misi, která měla proběhnout v roce 2008. Mise byla kvůli závadě na dalekohledu odložena a uskutečnila se v květnu 2009. COSTAR – Corrective Optical Space Telescope Axial Replacement, speciální optika pro korekci nesprávného chodu paprsků, který způsobilo chybné vyleštění primárního zrcadla Hubbleova dalekohledu. Jednotka COSTAR byla namontována při první servisní misi v roce 1993. NICMOS – Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer, infračervená kamera na HST pro blízké IR chlazená na 77 K pomocí Dewarovy nádoby se 114 kg kapalného dusíku. Instalována byla v roce 1997 při druhé servisní misi, při třetí misi byl znovu vychlazen chladící systém kamery. STIS – Space Telescope Imaging Spectrograph, výkonný mnohaúčelový spektrograf na HST, pracuje od UV po IR obor. byl nainstalován při druhé servisní misi v roce 1997. V roce 2004 došlo k poruše přístroje. Opraven byl při 4. servisní misi. ACS – Advanced Camera for Surveys, přístroj umístěný na HST při třetí servisní misi v březnu 2002 namísto starší kamery FOC. ACS má ostřejší obraz, širší zorné pole (202″×202″) a větší vlnový rozsah (blízké IR, V, celé UV) než WFPC2. Přístroj je složen ze širokoúhlé kamery, kamery s vysokým rozlišením a z kamery pro pozorování Slunce. V roce 2007 kamera selhala. Opravena byla při poslední servisní misi v roce 2009. WFPC2 – širokoúhlá planetární kamera, na HST byla instalována v roce 1993 při první servisní misi, kdy nahradila starší širokoúhlou kameru. Rozlišení je 0,05″, kamera obsahuje 4 CCD matice po 640 000 pixlech. Ze spektra (blízké IR, V, blízké UV) může být vybrán úzký obor pomocí padesáti filtrů.

Hubbleův vesmírný dalekohled
start	24. dubna 1990
nosná raketa	raketoplán Discovery
oběžná dráha	614 km
průměr primárního zrcadla	2,4 m
průměr sekundárního zrcadla	30 cm
hmotnost	11 600 kg
nominální výkon	2 400 W

Počáteční problémy

Hubbleův dalekohled od počátku provázely problémy. Hned při prvních testech se objevil zvláštní jev. V pravidelných intervalech se těleso celé observatoře rozkmitalo. Po týdnu zjistili odborníci z NASA příčinu jevu. Zdrojem kmitání byly panely slunečních baterií. Rozkmitání nastávalo vždy při přechodu ze světla do stínu. Závada byla odstraněna v dubnu 1991 programovým řešením.

Dalším problémem bylo generování hvězdného pole v blízkosti požadovaného objektu. Příčinou byla chyba znaménkové konvence v jednom z použitých vzorců pro výpočet. Chyba byla celkem snadno odstraněna.

Největší šok přišel 20. května 1990 v průběhu technologických zkoušek a prvního snímkování oblohy. Citlivost byla na předpokládané úrovni, ale obraz byl rozostřen. Zaostřit se nedařilo posunem ani náklonem sekundárního zrcadla. Po další zkoušce bylo konstatováno, že optická část dalekohledu má sférickou aberaci. Důvodem bylo podleštění o 4 μm. Díky tomu vznikl rozdíl ohniskových vzdáleností okrajového a středového paprsku 38 mm. Závadu nebylo možno jednoduše opravit (např. počítačovým zpracováním obrazu). Při první servisní misi v roce 1993 musela být nainstalována korekční technika COSTARCOSTAR – Corrective Optical Space Telescope Axial Replacement, speciální optika pro korekci nesprávného chodu paprsků, který způsobilo chybné vyleštění primárního zrcadla Hubbleova dalekohledu. Jednotka COSTAR byla namontována při první servisní misi v roce 1993. upravující chod paprsků. Teprve poté se stal dalekohled dokonalým strojem, jak ho známe dnes.

Zrcadlo dalekohledu. Pracovníci v tuto chvíli ještě netuší, že je chybně vyleštěno.

Jak Hubble funguje?

Navigační systém dalekohledu má tři základní části: setrvačníky RSURSU – Rate Sensing Unit, setrvačníková jednotka na Hubbleově vesmírném dalekohledu. Jde o základní součást navigačního systému. HST obsahuje 3 jednotky RSU obsazené po dvou setrvačnících., reakční kola RWARWA – Reaction Wheel Assembly, reakční kola umožňující pohyb dalekohledu HST. a optické senzory polohy FGSFGS – Fine Guidance Sensors, optické senzory zjišťující polohu Hubbleova dalekohledu.. Srdcem jsou tři dvojice setrvačníků uložené ve třech jednotkách RSURSU – Rate Sensing Unit, setrvačníková jednotka na Hubbleově vesmírném dalekohledu. Jde o základní součást navigačního systému. HST obsahuje 3 jednotky RSU obsazené po dvou setrvačnících.. Pomocí setrvačníků lze zjistit jakoukoli změnu polohy, protože rotační osy setrvačníků jsou stálé vzhledem ke hvězdám. Počítač může poté vydat pokyn ke změně směru. Fyzicky dalekohledem otáčí reakční rotující kola RWARWA – Reaction Wheel Assembly, reakční kola umožňující pohyb dalekohledu HST.. Princip je jednoduchý. Jde o stejnosměrný elektrický motor. Při zvýšení otáček se tělo dalekohledu, které je pevně spojeno se statorem motoru, začne otáčet na druhou stranu než rotor. Poslední částí navigačního systému jsou tři jemné optické senzory FGSFGS – Fine Guidance Sensors, optické senzory zjišťující polohu Hubbleova dalekohledu., které kontrolují polohu dalekohledu vzhledem k vybraným hvězdám.

Schéma dalekohledu

Optický systém dalekohledu je uzavíratelný krytkou, lze ji využít například v situaci, kdy Země prolétá meteorickým rojem. Je-li krytka otevřena, paprsky procházejí nejprve na primární zrcadlo (2,4 metru), od něho se odrážejí na sekundární zrcadlo (30 cm) a poté procházejí otvorem v primárním zrcadle do přístrojové sekce. Základem jsou čtyři pozice, z nichž jedna je trvale obsazena korekční optikou COSTARCOSTAR – Corrective Optical Space Telescope Axial Replacement, speciální optika pro korekci nesprávného chodu paprsků, který způsobilo chybné vyleštění primárního zrcadla Hubbleova dalekohledu. Jednotka COSTAR byla namontována při první servisní misi v roce 1993., v druhé je infračervená kamera NICMOSNICMOS – Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer, infračervená kamera na HST pro blízké IR chlazená na 77 K pomocí Dewarovy nádoby se 114 kg kapalného dusíku. Instalována byla v roce 1997 při druhé servisní misi, při třetí misi byl znovu vychlazen chladící systém kamery., v další spektrograf STISSTIS – Space Telescope Imaging Spectrograph, výkonný mnohaúčelový spektrograf na HST, pracuje od UV po IR obor. byl nainstalován při druhé servisní misi v roce 1997. V roce 2004 došlo k poruše přístroje. Opraven byl při 4. servisní misi. sloužící pro pořizování spekter a v poslední špičková širokoúhlá kamera ACSACS – Advanced Camera for Surveys, přístroj umístěný na HST při třetí servisní misi v březnu 2002 namísto starší kamery FOC. ACS má ostřejší obraz, širší zorné pole (202″×202″) a větší vlnový rozsah (blízké IR, V, celé UV) než WFPC2. Přístroj je složen ze širokoúhlé kamery, kamery s vysokým rozlišením a z kamery pro pozorování Slunce. V roce 2007 kamera selhala. Opravena byla při poslední servisní misi v roce 2009.. Mimo tyto čtyři základní pozice je upevněna širokoúhlá kamera WFPC 2WFPC2 – širokoúhlá planetární kamera, na HST byla instalována v roce 1993 při první servisní misi, kdy nahradila starší širokoúhlou kameru. Rozlišení je 0,05″, kamera obsahuje 4 CCD matice po 640 000 pixlech. Ze spektra (blízké IR, V, blízké UV) může být vybrán úzký obor pomocí padesáti filtrů.. Dalekohled je schopen pozorovat od blízkého IR po UV obor v rozsahu vlnových délek od 115 nm až do 1 000 nm. Pořízená data jsou nahrávána na pevné médium umístěné v dalekohledu. Není bez zajímavosti, že v počátku existence dalekohledu se data nahrávala ještě na magnetofonový pásek. Poté jsou pomocí antény předána družici TDRS (Tracking and Data Relay Satellite) na nízké oběžné dráze, ze které teprve putují do pozemské stanice ve White Sands a odsud jsou poslány k finálnímu zpracování do Goddardova kosmického letového střediska.

Úspěchy HST

Dalekohled HST posunul astronomické znalosti v mnoha směrech a výčet jeho úspěchů by byl velmi dlouhý. Proto se omezíme jen na některé, jakousi první desítku, která je ale dána osobním výběrem autora.

Důležité objevy a významná pozorování
Změření Hubbleovy konstanty. Na základě měření červeného posuvu galaxií v Kupě galaxií v Panně byla určena Hubbleova konstantaHubbleův zákon – Edwin Hubble zjistil v roce 1929, že čím vzdálenější galaxie, tím vyšší rychlostí se od nás vzdaluje. Koeficient úměrnosti se nazývá Hubbleova konstanta a označujeme ji H. Tento vztah samozřejmě platí jen pro velmi vzdálené galaxie, pro blízké galaxie je rychlost expanze malá a převládají vzájemné pohyby galaxií. s přesností 10 %, a to 72 ± 8 km/s/Mpc. Předchozí odhady byly spíše řádové. Vzdálenosti byly určovány na základě vyhledáváni cefeidCefeidy – proměnné hvězdy se známou závislostí perioda/svítivost, využívají se při odhadech vzdáleností. Pojmenovány jsou podle hvězdy δ Cephei, jejíž proměnnost objevil John Goodricke (1764–1786). K určování vzdáleností využila tento typ proměnných hvězd poprvé Henrietta Swan Leavittová (1868–1921) v roce 1912.. (2001)
Vyfotografování povrchu hvězdy. S pomocí HST se podařilo vyfotografovat povrch hvězdy Betelgeuse ze souhvězdí Orionu. Bylo to poprvé, kdy hvězda nebyla na fotografii jako bodový zdroj. (1995)
Sledování rodících se hvězd. HST nalezl řadu globulí a čerstvě narozených hvězd ve Velké mlhovině v Orionu. Obdobné objekty nalezl také v Orlí mlhovině, jejíž fotografie prosluly jako tzv. sloupy stvoření.
Sledování rodících se planet. HST nalezl u některých mladých hvězd v Mlhovině v Orionu plynoprachové disky, ze kterých se rodí planetární soustavy.
Pozorování mnoha černých děr. HST provádí systematický výzkum černých děr, proslul objevem teoreticky vypočtených turbulencí v akrečním disku obří černé díry v jádře galaxie NGC 4261. (1995)
Studium aktivních jader galaxií. HST systematicky zkoumá výtrysky z černých děr v jádrech aktivních galaxií.
Snímek HDF (Hubble Deep Field). Snímek malé, pečlivě vybrané oblasti vesmíru složené z mnoha fotografií, na kterých jsou tisíce galaxií v různých vývojových stadiích. Později byl udělán ještě podrobnější snímek HUDF. (2005)
Pozorování srážky dvou galaxií. Hubble pořídil snímky srážejících se galaxií NGC 4038 a NGC 4039, kterým říkáme Tykadla. Dnes víme, že srážky galaxií jsou ve vesmíru běžné. (1997)
Pozorování srážky komety Shoemaker Levy 9 s Jupiterem. Hubble pozoroval v „přímém přenosu“ rozpad komety a dopad jejích přibližně dvaceti úlomků na planetu Jupiter. (1994)
Objev organických molekul na planetách. HST jako první detekoval organické molekuly na extrasolární planetě HD 189733b. (2007)

Tykadla – srážející se galaxie. HST 1997.

Čtvrtá servisní mise

Čtvrtá servisní mise měla především za úkol vyměnit nefunkční setrvačníky. Bez nich je Hubble neovladatelný. Ke správné funkci jsou potřeba tři, v nouzovém režimu postačí dva. Po havárii raketoplánu Columbia v roce 2003 se vedení NASANASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, byl založen prezidentem Eisenhowerem 29. července 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších. v roce 2004 rozhodlo s definitivní platností mise k Hubbleu ukončit a jeho životnost neprodlužovat. Podle tehdejších optimistických odhadů by setrvačníky a baterie mohly vydržet do roku 2008. Vědecký svět byl zděšen a tak pod silným tlakem protestů NASA v roce 2006 rozhodla o poslední čtvrté servisní misi k HST v roce 2008, která by jeho životnost prodloužila snad až do roku 2014, čímž by se překlenulo období do vypuštění Hubbleových nástupců (infračervený HerschelHerschel – sonda ESA, která byla vynesena do vesmíru 14. května 2009. Jde o obří infračervenou observatoř se zrcadlem o průměru 3,5 metru, která byla umístěna do Lagrangeova bodu L2 soustavy Země-Slunce. Observatoř pokrývala obor vlnových délek od 55 μm do 672 μm a byla pojmenována po vynikajícím anglickém astronomovi a objeviteli infračerveného záření Williamu Herschelovi. Šlo o vůbec největší dalekohled umístěný lidstvem ve vesmíru. Mise byla po spotřebování zásob tekutého hélia používaného na chlazení ohniska ukončena dne 29. dubna 2013. a dalekohled JWSTJWST (James Webb Space Telescope) – James Webb Space Telescope, vesmírný dalekohled Jamese Webba, následovník Hubblova dalekohledu připravený třemi kosmickými agenturami: americkou NASA, evropskou ESA a kanadskou CSA. Dalekohled vynesla do vesmíru evropská nosná raketa Ariane na konci roku 2021. Je umístěn v Lagrangeově bodě L2 soustavy Země-Slunce. Průměr segmentovaného zrcadla je 6,5 m. Dalekohled je pojmenován po řediteli NASA, který Ameriku úspěšně dovedl k přistání na Měsíci. Dalekohled Jamese Webba je určený primárně pro pozorování v infračerveném oboru.).

Hlavními cíli čtvrté servisní mise jsou: výměna setrvačníků, výměna baterií, výměna optických senzorů FGS, oprava porouchaného spektrografu STISSTIS – Space Telescope Imaging Spectrograph, výkonný mnohaúčelový spektrograf na HST, pracuje od UV po IR obor. byl nainstalován při druhé servisní misi v roce 1997. V roce 2004 došlo k poruše přístroje. Opraven byl při 4. servisní misi., oprava porouchané kamery ACSACS – Advanced Camera for Surveys, přístroj umístěný na HST při třetí servisní misi v březnu 2002 namísto starší kamery FOC. ACS má ostřejší obraz, širší zorné pole (202″×202″) a větší vlnový rozsah (blízké IR, V, celé UV) než WFPC2. Přístroj je složen ze širokoúhlé kamery, kamery s vysokým rozlišením a z kamery pro pozorování Slunce. V roce 2007 kamera selhala. Opravena byla při poslední servisní misi v roce 2009., výměna kamery WFPC 2WFPC2 – širokoúhlá planetární kamera, na HST byla instalována v roce 1993 při první servisní misi, kdy nahradila starší širokoúhlou kameru. Rozlišení je 0,05″, kamera obsahuje 4 CCD matice po 640 000 pixlech. Ze spektra (blízké IR, V, blízké UV) může být vybrán úzký obor pomocí padesáti filtrů. za WFC 3, výměna spektroskopu NICMOSNICMOS – Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer, infračervená kamera na HST pro blízké IR chlazená na 77 K pomocí Dewarovy nádoby se 114 kg kapalného dusíku. Instalována byla v roce 1997 při druhé servisní misi, při třetí misi byl znovu vychlazen chladící systém kamery. za desetkrát citlivější COSCOS – Cosmic Origin Spectrograph, citlivý spektrograf pro ultrafialový obor, který byl umístěn na HST při čtvrté servisní misi v roce 2009. COS pracuje pro vlnové délky115÷320 nm a je desetkrát citlivější než minulý spektrograf NICMOS. a výměna poškozené vnější odrazivé vrstvy (tepelné izolace). Na konci září 2008 došlo k závažné poruše přenosu dat z HST na Zemi. Komunikaci se podařilo zprovoznit za pomoci záložních zařízení 25. 10. 2008. Mezitím byla ovšem čtvrtá servisní mise odsunuta na počátek roku 2009. Je otázkou, zda do té doby vydrží setrvačníky a dalekohled bude ještě ovladatelný. Při trošce štěstí snad ano. Hubble bude při poslední misi také připraven na svůj zánik. Bude na něho připevněn úchyt, pomocí kterého bude řízeně svržen do atmosféry tak, aby dopadl do Tichého oceánu. Pokud by se z jakýchkoli důvodů nepodařilo HST zajistit důstojný odchod a padl neřízeně na Zemi, je jen velmi malá pravděpodobnost (1:700), že by neshořelé části dopadly do obydleného území. V každém případě doufejme, že se poslední mise a poslední oprava HST podaří a že osmnáctiletý dalekohled – důchodce, který se stal ikonou současné astronomie, bude sloužit ještě několik roků.

Záběr z třetí servisní mise v roce 2002. Hubble je při opravě připoután k raketoplánu.

Klip týdne: HST – čtvrtá servisní mise

HST – čtvrtá servisní mise. Poslední servisní mise se uskuteční na počátku roku 2009 a má za úkol prodloužit životnost Hubbleova vesmírného dalekohledu do roku 2014. Vyměněny budou především setrvačníky a baterie, dále dvě kamery a dvě opraveny. Dojde také k výměně optických senzorů pro navádění. V klipu vidíte uložení jednotlivých vyměňovaných dílů. Klip končí připevněním konstrukce na zadní část dalekohledu, která bude sloužit k jeho likvidaci. Za tuto konstrukci bude dalekohled zachycen a řízeně svržen do Tichého oceánu. Zdroj NASA. (wmv, 7 MB)

Odkazy