Hubble, primul telescop spaţial lansat vreodată, un instrument fabulos care a reuşit să revoluţioneze astronomia şi să modifice modul în care ne raportăm la Univers, împlineşte 30 de ani de la plasarea pe orbita Pământului. Prezentăm în continuare structura acestui proiect ştiinţific care va continua să ne ofere noi indicii din vastul puzzle cosmic şi în anii ce vor urma.

1. Observator spaţial

Telescopul Spaţial Hubble a fost primul observator astronomic plasat pe o orbită în jurul Terrei ce are capacitatea de a înregistra imagini în lungimi de undă ale spectrului luminos care variază de la ultraviolet la infraroşu-apropiat. Lansat pe 24 aprilie 1990, la bordul navetei spaţiale americane Discovery, Hubble se află în prezent la o distanţă de aproximativ 547 de kilometri deasupra Pământului, de unde realizează 15 rotaţii complete în jurul Terrei pe zi - una la fiecare 95 de minute. Satelitul se deplasează cu o viteză de circa 8 kilometri pe secundă, suficient de repede pentru a traversa teritoriul Statelor Unite în 10 minute.

Telescopul

Hubble face parte din categoria reflectoarelor Cassegrain, denumite astfel după clericul francez din secolul al XVII-lea Laurent Cassegrain, unul dintre primii cercetători care au sugerat acest design optic de bază. Lumina ce atinge oglinda principală - denumită şi primară - a telescopului este reflectată într-o oglindă mai mică, secundară, suspendată deasupra celei primare. La rândul ei, oglinda secundară reflectă lumina printr-o fantă spre oglinda primară, unde intră în funcţiune instrumentele lui Hubble (camere şi spectrografe) pentru o focalizare finală, înainte ca aceasta să ajungă la detectoare. Oglinda principală a telescopului Hubble este foarte bine şlefuită, are un diametru de 2,4 metri şi colectează o cantitate uriaşă de lumină. Hubble poate să detecteze obiecte cosmice de 10 miliarde de ori mai puţin luminoase decât cele vizibile cu ochiul liber. Poziţionat mult deasupra efectelor de blurare cauzate de atmosfera Terrei, Hubble poate de asemenea să obţină o imagine mult mai clară a Cosmosului decât telescoapele aflate la sol. Telescopul spaţial poate să distingă obiecte astronomice cu un diametru unghiular de doar 0,05 arcsecunde - echivalentul vizualizării diametrului unei monede privite de la distanţa de 138 de kilometri. Această rezoluţie este de 10 ori mai mare decât cea mai bună performanţă obţinută de telescoapele terestre, care au oglinzi mult mai mari. Rezoluţiile înalte îi permit lui Hubble să localizeze astfel de obiecte cosmice în discurile de praf ce înconjoară stelele şi în nucleele strălucitoare ale unor galaxii extrem de îndepărtate.

 

De asemenea, întrucât se află deasupra atmosferei terestre, Hubble poate să vadă obiecte astronomice într-o gamă mai largă a spectrului electromagnetic decât telescoapele de la sol, care sunt limitate în funcţionarea lor de absorbţia atmosferică a lungimilor de undă luminoase. Acest detaliu oferă astronomilor care folosesc telescopul Hubble o perspectivă mai amplă asupra procesului energetic care creează radiaţia vizibilă şi măsurabilă.

Totodată, observaţiile ştiinţifice realizate de Hubble sunt, în mod previzibil, consecvente. Condiţiile în care funcţionează Hubble nu se modifică de la o zi la alta şi nici orbitele sale nu se schimbă. Astronomii pot să revadă anumite obiecte cosmice şi să se aştepte să obţină imagini de aceeaşi calitate de fiecare dată. Această stabilitate optică este critică pentru detectarea celor mai mici mişcări sau a celor mai mici variaţii la nivelul corpurilor celeste. Nu la fel se întâmplă şi în cazul telescoapelor terestre, ale căror condiţii de observare variază odată cu prognoza meteorologică şi influenţează în mod direct calitatea imaginilor obţinute.

Dispozitivul spaţial

Hubble are o lungime de 13,2 metri şi o lăţime de 4,2 metri în partea sa din spate, care găzduieşte instrumentele ştiinţifice plasate la bordul său. Cântărind aproximativ 12.246 de kilograme, telescopul are aproximativ aceeaşi mărime şi greutate ca un autobuz şcolar. Observatorul spaţial este alimentat de două panouri solare care convertesc lumina Soarelui în energie electrică, stocată în şase baterii mari. Bateriile îi permit observatorului să funcţioneze în porţiunile de umbră de pe orbita lui Hubble, când Terra îi blochează vederea spre Soare.

 

Sursa foto: nasa.gov

---

La mijlocului dispozitivului spaţial, aproape de centrul său de gravitaţie, se află patru roţi de reacţie cu greutatea de 45 de kilograme, folosite pentru a reorienta observatorul în spaţiu. Bazându-se pe Principiul al III-lea al mecanicii, enunţat de Isaac Newton - pentru fiecare acţiune există o forţă de reacţie de putere egală şi de sens contrar -, acţionarea unei roţi de reacţie într-o anumită direcţie îl face pe Hubble să reacţioneze, orientându-se în direcţia opusă. Satelitul ştie unde şi când să se întoarcă spre o anumită zonă din spaţiu, în funcţie de un program prestabilit şi care îi este transmis de Centrul de control. Computerul principal de la bordul lui Hubble efectuează apoi o serie de calcule pentru a identifica roţile care trebuie să încetinească şi cele care trebuie să se învârtă mai repede, pentru a manevra cât mai eficient dispozitivul spaţial spre direcţia dorită.

Observatorul spaţial foloseşte giroscoape de înaltă precizie pentru a determina viteza şi direcţia sa de mişcare. Modul tipic de operare al telescopului Hubble utilizează trei giroscoape, însă are la dispoziţie şase astfel de instrumente din care poate să aleagă. Celelalte trei rămân ca sisteme de rezervă, în condiţiile în care giroscoapele se uzează în timp. La bordul său există şi modele de operare în sistem "backup", ce îi permit lui Hubble să continue să colecteze date ştiinţifice folosind un singur giroscop, dacă este nevoie, însă eficienţa sa este în acest caz mai scăzută.

Pe lângă giroscoape, Hubble are şi trei Senzori de Ghidare Fină (Fine Guidance Sensors - FGS), care funcţionează în cadrul sistemului central de calibrare şi control al telescopului, permiţându-i să rămână virtual nemişcat în timp ce efectuează observaţii ştiinţifice. Hubble se mişcă mai puţin de 7 miliarcsecunde într-o perioadă de 24 de ore, odată ce şi-a fixat camerele foto asupra unei ţinte din Univers. Acest fapt echivalează cu un diametru mai mic decât cel al unei monede monitorizate de la o distanţă de 320 de kilometri în acelaşi interval de timp.

Comenzile şi datele sunt transmise între dispozitivul spaţial şi Centrul de control prin intermediul a două antene cu semnal puternic, care comunică cu o reţea de sateliţi concepută de NASA, Tracking Data and Relay Satellite System, aflată pe o orbită geosincronă. Datele ştiinţifice sunt apoi trimise mai departe de Centrul de control către Space Telescope Science Institute prin intermediul unei ample reţele computerizate pentru prelucrare, diseminare şi arhivare.

2. Optică

Sistemul optic al Telescopului Spaţial Hubble, bazat pe oglinzi, colectează şi concentrează lumina captată din Univers pentru a fi analizată de instrumente ştiinţifice şi de ghidare. Sistemul optic, denumit Optical Telescope Assembley (OTA), îi oferă lui Hubble o perspectivă unică asupra Universului prin captarea luminii în spectrele infraroşu, vizibil şi ultraviolet.

 

Foto: (c) NASA's Goddard Space Flight Center

---

OTA este sprijinit de un schelet din grafit epoxidic. Grafitul epoxidic, folosit la fabricarea croselor de golf, bicicletelor şi rachetelor de tenis de câmp, a fost ales pentru a asigura structura acelui cadru de susţinere, deoarece este un material uşor, compact şi rezistent. Deşi cadrul se contractă uşor atunci când vaporii de apă pe care îi conţine "evadează" din structura sa, grafitul epoxidic este rezistent la dilatarea şi contracţia provocate de fluctuaţiile extreme de temperatură cu care se confruntă Hubble în timp ce orbitează Pământul. Fluctuaţiile de temperatură ar putea de asemenea să curbeze oglinzile lui Hubble, iar din acest motiv oglinzile telescopului sunt păstrate într-un mediu cu o temperatură constantă de aproximativ 21 de grade Celsius.

Captarea luminii

 

Sursa foto: nasa.gov

---

Hubble foloseşte două oglinzi, dispuse conform designului telescoapelor Cassegrain, pentru a colecta şi a focaliza lumina. Aceasta, după ce străbate întreaga lungime a telescopului, ajunge la oglinda primară, care este concavă (are forma unui bol). Lumina este reflectată de oglinda primară şi călătoreşte înapoi spre partea din faţă a telescopului. Acolo ajunge la cea de-a doua oglindă, cea secundară, care este convexă (are forma unui dom). Oglinda secundară concentrează lumina într-o rază cu diametrul unei farfurii, care călătoreşte din nou spre partea din spate a telescopului şi ajunge, prin intermediul unei fante, la oglinda principală. Apoi, lumina este direcţionată spre instrumentele ştiinţifice şi de ghidare pentru a fi analizată.

Oglinzile lui Hubble sunt curbate hiperbolic, ceea ce înseamnă că au o curbură mai adâncă în comparaţie cu oglinzile standard, parabolice, utilizate de telescoapele clasice Cassegrain. Această variaţie, denumită design Ritchey-Chretien, furnizează imagini mai clare, obţinute dintr-un câmp mai larg de observaţie.

 

Sursa foto: nasa.gov

---

Oglinda principală are diametrul de 2,4 metri, iar cea secundară un diametru de doar 30,5 centimetri. Mărimea oglinzii principale permite colectarea unei cantităţi de lumină de 40.000 de ori mai mare decât cea percepută de ochiul uman, ceea ce înseamnă că Hubble ar putea vedea din Washington luminile de aterizare ale unui avion care coboară pe o pistă în San Francisco. Deşi oglinda principală este mare, ea a fost concepută pentru a fi cât mai uşoară cu putinţă. În loc să aibă un centru solid, oglinda principală a telescopului Hubble are un centru în formă de fagure, fapt care îi reduce greutatea de la 3.636 de kilograme la 818 kilograme.

Ambele oglinzi sunt acoperite cu straturi de aluminiu şi fluorură de magneziu. Stratul de aluminiu are o grosime de doar 0,00007 milimetri şi asigură capacitatea oglinzilor de a reflecta lumina. Stratul de fluorură de magneziu este aplicat deasupra celui de aluminiu pentru a-l proteja de oxidare şi pentru a spori capacitatea de reflectare a luminii ultraviolete.

Remedierea unui defect

Deşi oglinda principală a lui Hubble avea netezimea potrivită, ea nu deţinea curbura corectă. După ce Hubble a fost lansat pe orbită în 1990, inginerii de la NASA au descoperit că oglinda principală conţinea o eroare denumită "aberaţie sferică". Curbura oglinzii diferea cu mai puţin de un micron - echivalent cu a 50-a parte din diametrul unui fir de păr uman. În pofida acestei erori microscopice, ea a fost suficientă pentru ca imaginile furnizate iniţial de Hubble să fie uşor neclare în comparaţie cu cele pe care ar fi trebuit să le ofere cercetătorilor. Dar, chiar şi cu acea eroare optică, Hubble a putut să realizeze observaţii ştiinţifice imposibil de obţinut la sol.

 

Sursa foto: nasa.gov

---

Pentru a remedia aberaţia sferică, NASA a colaborat cu Ball Aerospace pentru a fabrica Corrective Optical Space Telescope Axial Replacement (COSTAR). Instalat la bordul telescopului de un echipaj de astronauţi americani în 1993, COSTAR conţine mici oglinzi pe braţele sale robotizate pentru a corecta razele de lumină care pătrund în instrumentele ştiinţifice originale ale lui Hubble (cu excepţia Wide Field and Planetary Camera: acel instrument a fost înlocuit în 1993 cu Wide Field and Planetary Camera 2, care deţine propriul sistem de corecţie optică). Toate instrumentele ştiinţifice aduse ulterior la bordul lui Hubble au fost concepute pentru a ţine cont de acea eroare, iar COSTAR a fost în cele din urmă extras de la bordul telescopului în anul 2009. După ce vederea i-a fost corectată, Hubble a putut să capteze imagini în detalii incredibil de clare cu ajutorul puternicului său sistem OTA (Optical Telescope Assembley).

3. Instrumente

Telescopul Spaţial Hubble deţine trei tipuri de instrumente care analizează lumina din Univers: camere foto, spectrografe şi interferometre.

Camerele foto

Hubble are două sisteme principale de camere foto care captează imagini din cosmos. Denumite Advanced Camera for Surveys (ACS) şi Wide Field Camera 3 (WFC3), aceste două sisteme funcţionează în conjuncţie pentru a furniza imagini spectaculoase în camp larg şi într-o gamă vastă de lungimi de undă.

 

Sursa foto: nasa.gov

---

Instalat la bordul lui Hubble în 2002, sistemul ACS a fost conceput iniţial pentru a capta imagini dintr-un câmp larg în lungimi ale spectrului vizibil, deşi poate să detecteze şi lumina ultravioletă şi pe cea în infraroşu-apropiat. ACS are trei camere, denumite "canale", ce captează tipuri diferite de imagini. O defecţiune de natură electronică produsă în ianuarie 2007 a făcut ca două dintre cele mai folosite canale să devină inoperabile. În 2009, astronauţii americani au reuşit să repare unul dintre aceste canale şi au restaurat capacitatea ACS de a capta imagini de înaltă rezoluţie şi în câmp larg.

Instalat pe Hubble în 2009, WFC3 produce imagini de câmp larg în spectrele luminoase ultraviolet, vizibil şi infraroşu. WFC3 a fost conceput ca un sistem complementar pentru ACS şi extinde, în general, abilităţile de imagistică ale telescopului Hubble. În timp ce ACS este folosit în principal pentru imagini în spectrul vizibil, WFC3 sondează Universul mai în profunzime, pe lungimi de undă în infraroşu şi ultraviolet, oferind astfel inginerilor de la NASA o vedere completă asupra cosmosului.

Spectrografe

Aceste instrumente practică spectroscopia, ştiinţa care desface lumina în părţile ei componente, similar felului în care o prismă transformă lumina albă într-un curcubeu. Orice obiect care absoarbe sau emite lumină poate fi studiat cu un spectrograf pentru a determina caracteristici precum temperatura, densitatea, compoziţia chimică şi viteza de deplasare.

 

Foto: (c) NASA, ESA and the Hubble SM4 ERO Team

---

În prezent, Hubble foloseşte două spectrografe: Cosmic Origins Spectrografph (COS) şi Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS). COS şi STIS sunt instrumente complementare, ce oferă oamenilor de ştiinţă date spectrale detaliate despre o varietate de obiecte celeste.

În timp ce STIS este un spectrograf versatil, "multifuncţional", care se ocupă foarte bine de obiectele luminoase, COS măsoară niveluri extrem de slabe de lumină ultravioletă provenind din surse cosmice îndepărtate, precum quasarii din galaxiile aflate la mare distanţă de Terra. Lucrând împreună, aceste două spectrografe reprezintă un set complet de instrumente spectroscopice, folosite pentru studii în domeniul astrofizicii.

Interferometre

Interferometrele lui Hubble au un scop dublu - ajută telescopul să se menţină focalizat asupra unui obiectiv fix şi servesc totodată ca instrumente ştiinţifice. Cele trei interferometre de la bordul lui Hubble au fost denumite Senzori de Ghidare Fină (Fine Guidance Sensors - FGS). Ele măsoară poziţiile relative şi nivelurile de strălucire ale stelelor.

 

Sursa foto: nasa.gov

---

Când Hubble se fixează asupra unei ţinte de studiat, doi dintre cei trei FGS sunt utilizaţi pentru a bloca telescopul asupra acelei ţinte. Pentru anumite observaţii, al treilea FGS poate fi folosit pentru a colecta informaţii ştiinţifice despre obiectul cosmic studiat, precum diametrul său unghiular şi poziţia stelei în cauză, iar aceste date au o acurateţe de zeci de ori mai mare decât aceea furnizată de telescoapele terestre.

FGS sunt instrumente foarte sensibile. Ele caută surse de lumină stabile (denumite "stele-ghid") şi apoi se fixează asupra lor pentru a menţine telescopul într-o poziţie fixă. Când o lumină de pe bolta cerească nu provine dintr-o astfel de sursă stabilă, senzorii FGS nu se pot fixa asupra ei şi, astfel, nu pot analiza acea stea-ghid. Adeseori, o stea-ghid respinsă de FGS este în realitate o galaxie îndepărtată sau un sistem stelar binar. Întrucât Hubble a fost lansat în 1990, FGS au detectat de-a lungul anilor sute de sisteme binare, considerate până atunci stele singulare.

Instrumente din trecut

Doar unul dintre instrumentele rămase la bordul lui Hubble - al treilea FGS - a fost lansat odată cu observatorul spaţial, în 1990. Celelalte instrumente au fost instalate cu ocazia celor cinci misiuni de mentenanţă realizate ulterior de NASA. Pe lângă instalarea unor instrumente noi, astronauţii americani au reparat şi două instrumente vechi (ACS şi STIS) în timp ce au ajuns la bordul telescopului Hubble cu ocazia Misiunii de Mentenanţă 4, în 2009. Camera în Infraroşu-Apropiat (Near-Infrared Camera) şi Spectrometrul Multi-Obiectiv (Multi-Object Spectrometer - NICMOS) de la bordul lui Hubble se află în prezent în stare de hibernare, în urma unei anomalii a sistemului de răcire, însă cele mai multe dintre sarcinile lor în infraroşu au fost preluate ulterior de WFC3.

Instrumentele folosite în trecut de Hubble sunt următoarele:

High Speed Photometer
Faint Object Camera
Faint Object Spectrograph
Goddard High Resolution Spectrograph
Wide Field and Planetary Camera
Wide Field and Planetary Camera 2

Instrumentele actuale

Advanced Camera for Surveys (ACS) - ACS este o cameră foto de a treia generaţie. Este o cameră optimizată pentru a realiza monitorizări şi campanii foto de amploare.

Cosmic Origins Spectrograph (COS) - COS se concentrează exclusiv pe lumina ultraviolet (UV) şi este cel mai sensibil spectrograf în ultraviolet construit vreodată, crescând sensibilitatea lui Hubble de cel puţin 10 ori în spectrul UV şi de până la 70 de ori atunci când telescopul analizează corpuri cereşti cu luminozitate extrem de slabă. COS observă cel mai bine puncte luminoase, precum stele şi quasari.

Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS) - STIS este un spectrograf de a doua generaţie, fiind folosit pentru a detecta spectre de înaltă rezoluţie ale obiectelor studiate şi are capacitatea de a obţine simultan imagini de la mai multe puncte luminoase analizate odată cu ţinta principală.

Wide Field Camera 3 (WFC3) - WFC3 este principalul sistem foto al telescopului. Deţine o cameră care înregistrează lungimi de undă vizibile şi ultraviolet (UV) şi este de 35 de ori mai sensibil în spectrul UV decât predecesorul său, Wide Field and Planetary Camera 2. O a doua cameră din acest sistem a fost concepută pentru a capta lumina în spectrul infraroşu (IR) şi a crescut rezoluţia IR a telescopului Hubble de la 65.000 la 1 milion de pixeli.

Fine Guidance Sensor (FGS) - FGS furnizează informaţii punctuale fixându-se asupra "stelelor-ghid". Senzorii FGS pot de asemenea să funcţioneze ca un instrument ştiinţific măsurând cu precizie poziţiile relative ale stelelor, detectând modificările rapide din strălucirea lor şi identificând sistemele stelare binare ce apar ca surse punctuale chiar şi pe camerele foto ale lui Hubble. La bordul telescopului Hubble se află trei senzori FGS.

Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS) - NICMOS are capacitatea de a obţine imagini şi observaţii spectroscopice despre ţintele astronomice studiate în lungimea de undă infraroşu-apropiat. Deşi NICMOS este în prezent inactiv, cele mai multe dintre funcţiile sale au fost preluate de celelalte instrumente ştiinţifice aflate la bordul lui Hubble.AGERPRES/(AS - autor: Florin Bădescu, editor: Mariana Ionescu, editor online: Irina Giurgiu)