Trei decenii de la lansarea pe orbită a telescopului spațial Hubble, cel mai important progres în domeniul astronomiei de la telescopul lui Galileo

Din zorii omenirii până acum 400 de ani, tot ce ştiam despre Univers provenea din observaţii realizate cu ochiul liber. Apoi Galileo şi-a îndreptat telescopul spre ceruri în 1610 şi perspectiva omenirii asupra locului ei în Univers nu a mai fost niciodată aceeaşi. Plasarea pe orbită a telescopului spaţial Hubble în aprilie 1990 a marcat cel mai important progres în domeniul astronomiei de la telescopul lui Galileo. După cinci misiuni de reparaţii şi mentenanţă şi peste 25 de ani de funcţionare pe orbită, Hubble le-a oferit astronomilor date şi informaţii care conturează viziunea modernă asupra Universului.

La începuturi

Înţelegerea Universului a fost limitată de acuitatea vizuală şi imaginaţia celor care îşi ridicau privirea spre cerul nopţii. Telescopul ne-a deschis spre Univers şi ne-a temperat mândria antropocentristă, pe măsură ce observaţiile derulate de Copernic, Galileo şi Kepler în secolele XVI şi XVII au infirmat concepte vechi de mii de ani conform cărora Pământul se afla în centrul Universului şi au declanşat Revoluţia Ştiinţifică, aminteşte NASA.

Deja în secolul XVIII, telescopul se impusese ca instrument indispensabil pentru a cerceta cosmosul nemărginit. Telescoape din ce în ce mai mari şi mai performante au fost construite în întreaga lume. Planetele, stelele şi nebuloasele care nu puteau fi văzute cu ochiul liber, au fost descoperite, studiate şi documentate. Progresele obţinute în domeniile fotografiei, spectroscopiei (analiza luminii în funcţie de culorile componente) şi fotometria (măsurarea strălucirii obiectelor cereşti) au crescut versatilitatea telescoapelor, sensibilitatea şi puterea lor.

Edwin Hubble

Până la începutul secolului XX, majoritatea astronomilor au crezut că Universul observabil este format dintr-o singură galaxie, Calea Lactee, o oază de stele, praf şi gaze cosmice, pierdută în oceanul spaţiului. Însă în 1924, astronomul american Edwin Hubble a folosit telescopul Hooker, de pe Muntele Wilson, din apropiere de Los Angeles, California, pentru a studia multe alte galaxii decât Calea Lactee şi a aflat că aproape în totalitate acestea par să se îndepărteze unele de altele. Acest lucru sugera că Universul se extinde, ceea ce a deschis o cutie a Pandorei de ipoteze şi teorii despre posibilul început şi sfârşit al Universului – teorii care sunt încă dezbătute şi în prezent.

 

Foto: (c) Carnegie Institution of Washington

---

Indiferent însă de dimensiunile şi calităţile telescoapelor folosite, astronomii se confruntau cu un obstacol major care le afectează şi în prezent capacitatea de a vedea clar Universul: atmosfera terestră. Atmosfera este un fluid haotic în care se amestecă gaze şi praf. Ea estompează lumina, face ca strălucirea stelelor să varieze şi îngreunează descoperirea şi observarea stelelor cu luminozitate mai mică. Atmosfera împiedică sau absoarbe complet alte lungimi de undă ale luminii, făcând observaţiile pe lungimi de undă precum infraroşu, ultraviolet, radiaţii gamma sau radiaţii X dificile sau aproape imposibile.

Drept urmare, observatoarele astronomice au început să fie construite pe vârfuri de munte, la distanţă de poluarea luminoasă a marilor oraşe. Sisteme optice adaptative, ce folosesc oglinzi deformabile pentru a refocaliza lumina difuză captată din cosmos au început să fie folosite pentru a reduce din efectele atmosferei asupra acestui tip de observaţii astronomice, dar fără să poată să le elimine complet.

Un telescop în spaţiu

În 1923, omul de ştiinţă german Hermann Oberth, unul dintre cei trei oameni de ştiinţă consideraţi părinţii tehnologiilor de lansare spaţială moderne (alături de Robert Goddard şi de Konstantin Tsiolkovsky), a publicat lucrarea „Die Rakete zu den Planetenraumen” („The Rocket into Planetary Space”), în care susţinea că un telescop poate fi ridicat pe orbita Pământului cu ajutorul unei rachete. În 1946, astrofizicianul de la Princeton Lyman Spitzer a scris despre beneficiile ştiinţifice ale amplasării unui telescop în spaţiu, deasupra atmosferei turbulente a Pământului.

După lansarea satelitului sovietic Sputnik, în 1957, NASA a lansat cu succes două Observatoare Astronomice Orbitale (OAO) pe orbită. Acestea au realizat o serie de observaţii în spectrul ultraviolet şi au reprezentat baza tehnologică şi ştiinţifică pentru lansarea viitoarelor observatoare spaţiale.

 

Foto: (c) NASA

---

Marele Telescop Spaţial

Între timp, grupuri ştiinţifice, guvernamentale şi industriale au pregătit următorul pas după programul OAO. Spitzer a obţinut susţinerea altor astronomi pentru construcţia unui „mare telescop orbital” şi a răspuns îngrijorărilor ridicate de criticii acestui proiect. În 1969, Academia Naţională de Ştiinţe a SUA şi-a dat aprobarea pentru proiectul Large Space Telescope (LST) şi au început studiile de fezabilitate privind construcţia acestuia.

După „uriaşul salt pentru omenire” făcut de Neil Armstrong pe Lună în 1969, finanţarea pentru programul spaţial al NASA a început să scadă, ceea ce a pus în pericol programul LST. NASA a trebuit să conceapă acest telescop sub imperativul unor constrângeri bugetare. În consecinţă, s-a avut în vedere micşorarea telescopului prin folosirea unei oglinzi principale mai mici, s-a renunţat la o serie de alte instrumente ştiinţifice ce urmau să fie instalate pe telescopul orbital şi chiar s-au produs mai puţine piese de schimb şi s-a desfăşurat un număr limitat de teste. În cele din urmă, dimensiunea oglinzii principale a fost redusă de la 305 centimetri la 239 de centimetri.

 

Foto: (c) NASA

---

Naveta spaţială

NASA şi partenerii săi industriali (contractorii) au adus în discuţie opţiunea construcţiei unui vehicul care să poată ajunge pe orbită, să revină apoi intact pe Pământ şi să fie refolosit în mod repetat: aşa s-a născut conceptul de navetă spaţială. Naveta spaţială putea să transporte telescopul LST pe orbită şi să-l aducă înapoi pe Pământ, iar inginerii care lucrau la telescop l-au construit ca să poată încăpea în burta navetei spaţiale.

NASA dorea ca perioada de funcţionare a telescopului spaţial să fie de 15 ani, ceea ce implica înlocuirea periodică a instrumentelor pe pământ şi/sau reparaţia şi mentenanţa lor pe orbită. De asemenea, oamenii de ştiinţă trebuiau să pună în balanţă dimensiunile şi numărul de instrumente ştiinţifice, pe de-o parte, şi costurile lor, de cealaltă parte. Prea multe instrumente însemna că se vor obţine mai greu fondurile necesare pentru proiect, iar de cealaltă parte, un instrumentar de capacitate minimă ar fi fost sinonim cu pierderea interesului ştiinţific pentru acest proiect. Agenţia Spaţială Europeană (ESA) s-a alăturat acestui proiect în 1975 şi a contribuit cu 15% din fondurile necesare pentru LST, realizând panourile solare şi instrumentul Faint Object Camera (FOC). În schimb, NASA i-a garantat ESA accesul la cel puţin 15% din timpul efectiv de observaţii prin acest telescop. În 1977 Congresul american a aprobat finanţarea pentru construcţia unuia dintre cei mai sofisticaţi sateliţi din câţi s-au realizat vreodată.

 

Foto: (c) NASA

---

Ce atribuţii reveneau părţilor?

NASA a ales Centrul de Zboruri Spaţiale Marshall din Huntsville, Alabama, drept principalul centru pentru designul, dezvoltarea şi construcţia telescopului spaţial. La rândul său, Centrul Marshall a delegat companiei Perkin-Elmer Corporation (în prezent Hughes Danbury Optical Systems) sarcina de a realiza ansamblul telescopului optic şi senzorii de ghidare fină. Lockheed Missiles and Space Company (în prezent Lockheed Martin) a fost aleasă de Centrul Marshall pentru a construi structura exterioară şi Modulul pentru Sistemele de Suport (sistemele interne de suport ce includ computerul de bord, alimentarea cu energie, sistemele de comunicaţii şi de control) şi apoi pentru a asambla telescopul spaţial.

Centrul Spaţial Goddard din Greenbelt, Maryland, a fost ales pentru a coordona designul şi construcţia instrumentelor ştiinţifice din dotarea telescopului spaţial. De asemenea, tot la Goddard va funcţiona şi echipa de control a misiunii. Centrul Spaţial Johnson din Houston, Texas şi Centrul spaţial Kennedy, din Florida, au contribuit la construcţia navetelor spaţiale.

O serie de întârzieri în derularea proiectului, de la subestimarea costurilor şi până la problemele de proiectare şi construcţie a acestui telescop au dus la amânarea datei iniţiale de lansare, din decembrie 1983 pentru cea de-a doua jumătate a anului 1986.

 

Foto: (c) NASA

---

Naşterea telescopului Hubble

Pentru mentenanţa telescopului spaţial, NASA a luat decizia efectuării lucrărilor direct pe orbită. A fost un concept inovator şi mai ieftin decât scoaterea telescopului de pe orbită, repararea sa la sol şi apoi relansarea sa pe orbită. În acest spirit inovator, telescopul a fost redenumit Hubble Space Telescope (HST), iar până în 1985 era asamblat şi gata de lansare.

Însă, în 1986, proiectul a fost afectat de o catastrofă. Pierderea navetei Challenger a obligat NASA să decidă stoparea misiunilor spaţiale cu flotila sa de navete timp de 2 ani. În acest interval de timp, specialiştii NASA au continuat să îmbunătăţească capacităţile telescopului şi l-au supus la teste care imitau condiţiile dure din spaţiul cosmic.

În cele din urmă, la 24 aprilie 1990, naveta spaţială Discovery a fost lansată pe orbită, transportând în cală telescopul Hubble. În ziua următoare, Hubble a fost plasat pe orbită, gata de operare.

Problema oglinzii

Primele date transmise de Hubble spre Pământ nu au fost însă imaginile clare ale diferitelor stele spre care a fost îndreptat, ci imagini neclare, în care respectivele stele apăreau înconjurate de halouri mari de lumină difuză. NASA a înţeles apoi că această problemă este legată de un „microdefect” de construcţie – marginile oglinzii primare a telescopului erau şlefuite prea plat, diferenţa fiind de o fracţiune din grosimea unui fir de păr. Deşi perfect netedă, oglinda nu putea concentra lumina într-un singur punct.

Deşi inginerii au conceput numeroase componente de rezervă pentru Hubble, oglinda principală nu se număra printre ele. În cele din urmă, faptul că acest telescop a fost construit pentru a putea fi modernizat pe orbită, a oferit soluţia acestei probleme aparent insurmontabile.

Înainte de lansarea lui Hubble, inginerii NASA lucrau deja la o cameră mai bună, de a doua generaţie, pentru telescop. Acest instrument, denumit Wide Field and Planetary Camera 2 (WFPC2), urma să fie instalat ulterior de astronauţi. Experţii în optică şi-au dat seama că pot adapta sistemul optic al acestei camere pentru a corecta defectul oglinzii principale.

 

Foto: (c) NASA

---

Misiunile de mentenanţă

Hubble a fost conceput pentru ca astronauţii să poată efectua lucrări de mentenanţă în spaţiu – componentele sale sunt modulare şi pot fi înlocuite cu relativă uşurinţă în spaţiu. Acest lucru i-a permis telescopului să fie reechipat cu instrumente şi tehnologii mai noi şi mai fiabile, în cursul a cinci misiuni de mentenanţă derulate între 1993 şi 2009.

În decembrie 1993 a fost lansată prima astfel de misiune de mentenanţă (SM1). Atunci a fost instalată camera WFPC2 şi telescopul a început să transmită imagini clare. Celelalte patru misiuni de mentenanţă au avut loc în februarie 1997, noiembrie 1999, martie 2002 şi mai 2009. Fiecare dintre acest misiuni a fost crucială pentru succesul şi longevitatea telescopului Hubble, fiind schimbate piese şi subansambluri care au dus la sporirea capacităţilor telescopului şi la noi descoperiri fascinante despre Univers.

 

Foto: (c) NASA

---

Hubble în prezent

Misiunea telescopului Hubble a fost să scruteze timp de cel puţin 15 ani cele mai îndepărtate colţuri ale Universului vizibil. Hubble şi-a depăşit cu mult acest obiectiv, anul acesta împlinindu-se 30 de ani de la lansarea sa pe orbită. În această perioadă, telescopul a realizat peste 1,4 milioane de observaţii, iar astronomii au folosit aceste date pentru a publica peste 16.000 de lucrări ştiinţifice în regim peer-review, pe o gamă largă de subiecte.

În prezent, Hubble este un instrument îmbătrânit. NASA nu a mai programat nicio altă misiune de reparaţii sau de înlocuire a echipamentelor telescopului. Chiar şi aşa, o echipă dedicată de ingineri şi oameni de ştiinţă lucrează în continuu pentru a menţine acest telescop în stare de operare cât mai mult timp cu putinţă. Spre exemplu, echipa Hubble a descoperit o modalitate prin care a menţinut telescopul operaţional deşi mai are un singur giroscop funcţional, folosind alte tipuri de senzori pentru a compensa pentru giroscoapele nefuncţionale. Acest tip de inovaţii şi altele vor menţine telescopul operaţional şi în anii ce vor urma.

În cei 30 de ani de operare pe orbită, Hubble a avut numeroase contribuţii ştiinţifice, de la observaţii care au dus la înţelegerea modului în care cresc galaxiile, la faptul că în centrul fiecărei galaxii se află găuri negre supermasive, de la modul în care se nasc stelele până la modul în care acestea mor, sau cu privire la compoziţiile atmosferice ale unor exoplanete. Telescopul Hubble ne-a modificat în mod fundamental percepţia asupra Universului şi va continua să ne ofere noi indicii din vastul puzzle cosmic şi în anii ce vor urma.

Foto: Telescopul spațial Hubble / Sursa: NASA