Текст книги "Непридуманные космические истории"

Преграды

Первым препятствием, с которым столкнулся «Хаббл», была попытка найти деньги на его строительство. В начале 1970-х годов Конгресс Соединенных Штатов отклонил потенциальную стоимость проекта в 400 млн долларов и отменил то, что тогда называли большим космическим телескопом. Но это дало возможность Европейскому космическому агентству (ЕКА) заявить о своем желании участвовать в начинании, что принесло как средства, так и опыт европейцев.

– Вы, наверное, заметили, что я говорю с акцентом, – с обворожительной улыбкой сказал своим баритоном, напоминающим голос Арнольда Шварценеггера, Йенкнер. Австриец по происхождению, он присоединился к проекту в 1983 году как представитель ЕКА. – «Хаббл» – это международный проект, и многообразие подходов безмерно помогло его развитию, принеся опыт со всего мира, из всех областей. Пройдите по залам института, и вы услышите самые разные акценты.

Первой задачей Йенкнера была помощь в составлении каталога опорных звезд. На «Хаббле» используются так называемые датчики системы точного наведения, которые с невероятной точностью отслеживают положение звезд, чтобы помочь телескопу определить его путь, когда он исследует небеса, и удерживаться наведенным на цель. Для правильной работы «Хаббл» должен наводиться на цель с отклонением, не превышающим 0,007 угловой секунды, то есть на ширину волоса с расстояния в милю. Для удержания в таком неподвижном положении у телескопа имеется шесть гироскопов и четыре свободно вращающихся механизма поворота, которые называются силовыми маховиками. Йенкнер в период составления каталога опорных звезд работал главным системным аналитиком. Он вместе с группой других молодых астрономов и инженеров, которые замечательно разбирались в технике того времени, создал компьютерную программу, которая помогала «Хабблу» самостоятельно выбирать пару опорных звезд независимо от того, куда именно он был в данный момент направлен, что позволяло точно определить его текущую ориентацию. Чтобы получить этот результат, пришлось отсканировать примерно 1500 стеклянных пластинок, переводя их в электронную форму.

Техника астрономической фотографии претерпела революционные изменения в 1969 году, когда появились полупроводниковые светочувствительные матрицы (англ. charge-coupled device, CCD). Эти детекторы изображения теперь стоят везде – от камеры в вашем телефоне до самых больших космических телескопов, включая «Хаббл». Но в начале 1980-х годов почти все исторически накопленные астрономические снимки имелись на стеклянных фотопластинках, тех же самых, которые употреблялись с 1850-х годов.

Йенкнер и его коллеги должны были создать детальную базу данных на основе набора стеклянных фотопластинок, но проблема заключалась в том, что информации там было примерно в сто раз больше, чем в любом ранее составленном звездном каталоге, – предстояло систематизировать почти 20 млн объектов.

Гельмут Йенкнер (в темном костюме) пожимает руки Дрю Фьюстелу, Джону Грунсфелду и другим астронавтам, готовившимся в 2009 году посетить на орбите «Хаббл» для ремонта, когда они наносят визит в Научный институт космического телескопа. Источник: NASA, Европейское космическое агентство и материалы студии Дж. Койла для Научного института космического телескопа

– Мы справились с задачей, но, оглядываясь назад, я жалею, что никто нам не сказал, что это невыполнимо, – смеется Йенкнер. – Мы были слишком молоды и переполнены энтузиазмом, чтобы понимать: то, за что мы взялись, почти невозможно сделать. Мы достигли имевшегося в то время предела возможностей обработки больших объемов данных.

Постройка сложного телескопа, требующая не применявшихся никогда ранее систем и процедур, представляла ряд проблем. В их число входила задача создания огромных зеркал высочайшего качества (главное зеркало телескопа «Хаббл» имеет размер 2,4 м в диаметре), которым надо было придать идеально выверенную форму и сделать так, чтобы им не повредило путешествие на космической ракете. Кроме того, свой путь на орбиту космический телескоп «Хаббл» должен был совершить на пилотируемом шаттле, и, значит, он должен отвечать требованиям безопасности к оборудованию в пилотируемых полетах. Борьба с техническими трудностями вызывала задержки в работе, а они, в свою очередь, тянули за собой повышение расходов. Но весь коллектив усердно трудился, намереваясь выполнить запуск к концу 1986 года.

В рамках подготовки к отправке на орбиту в 1990 году «Хаббл» установлен вертикально в камере для акустических и вибрационных испытаний компании Lockheed Martin. Орбитальный телескоп был спроектирован и построен в 1970-х и 1980-х годах, но его запуск задержался из-за катастрофы космического корабля Challenger в 1986 году. Если приглядеться, на снимке можно увидеть часть поручней общей длиной почти 70 м, опоясывающих снаружи корпус космического аппарата и предназначенных для того, чтобы за них держались астронавты во время работы в космосе. Источник: NASA

Но затем в январе 1986 года многоразовый транспортный корабль Challenger взорвался в полете вскоре после старта, оборвав жизнь семерых находившихся на его борту астронавтов. Вся программа Space Shuttle была приостановлена, а поскольку «Хаббл» планировали отправить в космос со следующим «челноком», стало понятно, что пройдет не меньше двух лет, прежде чем такой полет состоится. И хотя это было трудное время для американской космонавтики, задержка на несколько лет дала возможность исправить допущенные ошибки в конструкции «Хаббла» и расширить его возможности – особенно это касалось компьютерных программ, предназначенных для управления космическим телескопом с Земли.

Пуск космического корабля Discovery с космическим телескопом «Хаббл» на борту. Источник: NASA

В конце концов космический телескоп «Хаббл» начал свое путешествие на борту космического корабля многоразового использования Discovery в полете STS-31 24 апреля 1990 года. Астронавты успешно поместили телескоп стоимостью 1,5 млрд долларов на рабочую орбиту, и казалось, все прошло успешно.

Астронавты работают в открытом космосе, обслуживая телескоп «Хаббл», закрепленный в отсеке полезной нагрузки шаттла Endeavour во время первой экспедиции обслуживания в 1993 году. Астронавт Стори Масгрейв укрепился на якоре на конце руки-манипулятора, а Джеффри Хоффман работает ниже его. Источник: NASA

Но вскоре после того, как «Хаббл» вошел в строй, ученые увидели, что получаемые снимки космических объектов размыты. Оказалось, что зеркало телескопа давало эффект сферической аберрации: это означало, что при полировке ему придали слегка неверную форму – размер отклонения был всего лишь 2 микрона. Толщина листа бумаги составляет около 100 микрон, поэтому изъян главного зеркала «Хаббла» был исключительно мал. Но этого хватило, чтобы его «зрение» пострадало и изображения получались искаженными.

NASA, Европейское космическое агентство и астрономы всего мира были потрясены и опечалены, общественность разочарована, а политики разгневаны. «Хаббл» стал всеобщим посмешищем и огромным «чемоданом без ручки» в космосе.

«Очумелые ручки» в космосе

Но, конечно же, история «Хаббла» на этом не закончилась. На самом деле, она только началась.

Если бы у какого-то другого космического телескопа оказалось дефектное зеркало, его бы просто объявили потерянным. Но что касается «Хаббла», была надежда исправить недостаток, и коренилась она в том факте, что этот космический аппарат спроектирован с учетом возможности модульной замены агрегатов и приборов, подлежащих модернизации. Новые части должны были доставляться на околоземную орбиту шаттлами, астронавты которых выполняли бы такую замену. NASA уже составило расписание полетов обслуживания к «Хабблу», и в первом же из них мог представиться шанс исправить обнаруженный в телескопе дефект. Но как это сделать? Менять или настраивать можно научные инструменты, но не зеркало телескопа. Во всем мире стали напряженно думать, что именно можно сделать в этой ситуации.

– Для каждого работника NASA это было время чудовищного стресса и нервотрепки, – говорит Фрэнк Сеполлина, возглавлявший группу обслуживания космического телескопа «Хаббл» в расположенном в городе Гринбелт (штат Мэриленд) подразделении NASA – Центре космических полетов имени Годдарда. Сеполлина помог разработать концепцию модульного космического аппарата гибкой конструкции, и он же отвечал за планирование и разработку деталей экспедиций обслуживания, в которых астронавты должны были заняться ремонтом и модернизацией «Хаббла». Но когда первая из этих экспедиций стала вопросом жизни и смерти для телескопа, Сеполлина и его команда врубили полный ход. И масштаб предстоящей задачи вызывал у них восторг.

– Кто угодно на нашем месте стал бы бегать по потолку и нервничать, а нам это было в радость, – с упоением говорит Сеполлина, вспоминая горячечные, пьянящие адреналином дни, когда NASA обратилось к его команде с просьбой совершить невозможное. – Нам предстояло сделать то, что не делал еще никто и никогда. И вышло так, что победу одержала изобретательность и находчивость: удалось понять, как исправить зеркало диаметром 2,4 м с ничтожной ошибкой, допущенной в процессе полировки, и получилось придумать, как именно провести операцию по ремонту.

Идея состояла в том, чтобы сделать для «Хаббла» специальные «очки». Ученые, инженеры и эксперты в области оптики трудились совместно, создавая набор корректировочных линз под названием «Система оптической коррекции» (англ. Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement, COSTAR) для трех регистрирующих инструментов на борту «Хаббла».

– Построить COSTAR было само по себе непростой задачей, – говорит Сеполлина, – но правильно разместить эти «очки» и подогнать фокусное расстояние индивидуально для каждого инструмента оказалось настоящим кошмаром для инженера. Конструкторам пришлось спроектировать и изготовить образцы этих приборов и довести полировкой корректировочные линзы до самого лучшего качества; и, опять же, все это проделывалось впервые.

Другой задачей, поставленной перед Фрэнком Сеполлиной – ему сейчас за семьдесят, и он все еще активно занимается созданием роботехнических систем в Центре имени Годдарда, – было создать специальные инструменты, при помощи которых астронавты могли бы в условиях космической невесомости выполнять тонкую, деликатную работу, будучи при этом одетыми в громоздкие скафандры с перчатками на руках, еще более толстыми, чем теплые зимние.

Сравнение двух снимков галактики М100 показывает, до какой степени космический телескоп «Хаббл» стал лучше видеть Вселенную. Изображение слева было получено широкоугольной и планетарной камерой № 1 (WFPC-1) 27 ноября 1993 года, всего лишь за несколько дней до начала первой экспедиции обслуживания. На нем видно, как сказывался дефект главного зеркала телескопа – изображение размыто, и разрешающая способность не дает рассмотреть мелкие детали объекта. Новый кадр (справа) выполнен инструментом второго поколения – широкоугольной и планетарной камерой № 2 (WFPC-2) – 31 декабря 1993 года и демонстрирует, как корректирующая оптика, встроенная в новую камеру, компенсирует оптическую аберрацию и позволяет «Хабблу» изучать Вселенную с непревзойденной отчетливостью и разрешением деталей. Источник: NASA

После разработки системы COSTAR Сеполлина и его группа больше года потратили на то, чтобы подготовить астронавтов к выполнению одной из самых сложных операций в космосе, которые когда-либо осуществлялись. Кроме того, что эта экспедиция, обозначаемая «Экспедиция обслуживания 1» (англ. Servicing Mission 1, SM1), была критически важна для будущего телескопа «Хаббл», ее успех стал бы мощным толчком к развитию взаимодействия человека с роботами. С применением таких технологий астронавты смогли бы ремонтировать вышедшие из строя спутники – эту идею Сеполлина усиленно рекламировал годами.

Во время десятидневного полета, состоявшегося в конце 1993 года, астронавтам шаттла Endeavour потребовалось совершить пять изматывающих выходов в открытый космос, чтобы установить на «Хаббл» систему COSTAR вместе с другим оборудованием, включая усовершенствованную широкоугольную и планетарную камеру № 2 с собственной корректирующей оптикой, новые гироскопы и панели солнечных батарей. Каждый обновленный компонент был предназначен для исправления или улучшения имеющихся систем, чтобы космический телескоп «Хаббл» мог работать не хуже, чем изначально от него ожидалось, или, может быть, даже лучше. Мир, замерев от волнения, наблюдал и ждал подтверждения того, что тяжелая и рискованная работа астронавтов принесла свои плоды.

В начале января 1994 года NASA опубликовало первую серию новых снимков, полученных при помощи исправленной оптики «Хаббла». На них прекрасно, ясно и отчетливо было видно галактику, удаленную на миллионы световых лет от Земли, и различались детали структур размером до 30 световых лет в поперечнике. «Хаббл» удалось превратить в тот телескоп, которого так долго ждали, и он выполнил все данные по поводу него обещания.

– Очень хорошо помнятся те первые снимки, – говорит Йенкнер. – Думаю, мы все выдохнули с облегчением, узнав, что экспедиции обслуживания удалось компенсировать дефект телескопа. А были и такие, кто говорил, что эта экспедиция, возможно, спасла и NASA в целом.

Йенкнер вспоминает первую экспедицию обслуживания и еще по одной причине:

– Мне выпал шанс пригласить девушку, с которой я встречался тогда, в институт, чтобы вместе смотреть выходы астронавтов в космос. А несколько месяцев спустя мы поженились.

В последовавших в 1997, 1999, 2002 и 2009 годах экспедициях обслуживания «Хаббл» успешно модернизировали и ремонтировали. Все работы, необходимые для того, чтобы оснастить телескоп новыми инструментами и другими жизненно важными деталями, выполняли астронавты.

– С каждой новой экспедицией, – объясняет Сеполлина, – сложность действий все больше возрастала, потому что мы хотели, чтобы астронавты делали больше за меньшее время, в каждой новой экспедиции им приходилось заменять все больше частей на космическом аппарате. К моменту нашей предпоследней экспедиции в ней хотели принять участие даже те, кто изначально не считал, что эти экспедиции – хорошая идея!

«Шарик на день рождения»: этот космический пузырь, похожий на воздушный шарик, создан очень горячей, массивной звездой и так и называется: туманность Пузырь. Снимок был опубликован в ознаменование 26-й годовщины работы космического телескопа «Хаббл» на орбите. Пузырь-гигант имеет размер семь световых лет в поперечнике – это в полтора раза больше, чем расстояние от Солнца до ближайшей к нему звезды-соседки – Альфы Центавра. Туманность Пузырь удалена от Земли на 7100 световых лет и видна в созвездии Кассиопеи. Источник: NASA, Европейское космическое агентство и команда «Наследие Хаббла» под эгидой Научного института космического телескопа (STScI) и Университетской ассоциации астрономических исследований (AURA)

– Экспедиции такого типа всегда заставляют нервничать до того, что грызешь себе ногти, – говорит Кен Сембах. – С моей точки зрения, несмотря на то что сами полеты очень хороши, еще лучше, еще радостнее вести подготовку к полету, обсуждать детали, принимать решения, строить работу в команде и жить духом товарищества и братства.

Достойно похвалы то, что в 2016 году текущий доклад о состоянии систем «Хаббла», проработавшего 26 лет, похож на описание фактически нового космического телескопа.

– «Хаббл» работает прекрасно, – заверяет Сембах. – Если же говорить о нем с точки зрения количества созданных с его помощью научных публикаций, самый продуктивный год «Хаббла» был 2015-й, когда ученые опубликовали 846 научных статей с использованием его материалов – это больше двух статей ежедневно. Сама орбитальная обсерватория работает хорошо, инструменты в прекрасном состоянии, ни на одну из подсистем – гироскопы, двигатели-маховики, системы связи, солнечные батареи – нет нареканий. И сейчас мы уверены, что и в первой половине 20-х годов сможем получать с ее помощью качественные научные результаты.

Космический школьный автобус

В длину «Хаббл» 13,2 м – это примерно соответствует размеру школьного автобуса, а его масса составляет 11 110 кг.

Одна из самых важных частей любого телескопа – его зеркало, поскольку мощный телескоп – это не тот, который сильнее других увеличивает далекие объекты, а тот, какой собирает максимальное количество света. Чем больше зеркало, тем значительнее его способность собирать лучи света и, значит, тем лучше «зрение» телескопа.

По меркам профессионального телескопостроения в размере зеркала «Хаббла» нет ничего выдающегося. Оно имеет диаметр 2,4 м и значительно меньше, чем 10,4-метровое зеркало Большого Канарского телескопа, установленного на Канарских островах, – на данный момент это самый большой телескоп в мире. А по сравнению с Гигантским Магеллановым телескопом, который сейчас строится в Чили и будет иметь светособирающую поверхность 25 м в поперечнике, состоящую из семи 8,4-метровых сегментов, «Хаббл» просто лилипут.

Работники изучают главное 2,4-метровое зеркало космического телескопа «Хаббл» во время его постройки в 1990 году. Источник: NASA

Но скромный размер «Хаббла» с лихвой восполняется его отличной оптикой и критически важным преимуществом: он находится за пределами атмосферы Земли, что позволяет получать наиболее четкие снимки. «Хаббл» различает объекты в десять миллионов раз тусклее, чем может заметить невооруженный человеческий глаз, а его разрешение в десяток раз лучше, чем у некоторых наземных телескопов большего размера, особенно в оптическом и ультрафиолетовом диапазонах. Космический телескоп «Хаббл» показал себя как невероятно отказоустойчивая универсальная обсерватория и продолжает радовать всех новыми открытиями и поразительными снимками.

Двигаясь по орбите высотой 552 км над Землей, «Хаббл» огибает нашу планету каждые 97 минут, а его скорость составляет около 8 км/с. При удачном совпадении условий вы сами можете увидеть космический телескоп, пролетающий в ночном небе. Чтобы узнать, когда спутники наподобие «Хаббла» или Международной космической станции будут пролетать над вашим домом, вы можете посетить различные веб-сайты, например «Heavens Above» («Небо над головой») по адресу www.heavens-above.com.

Новый взгляд на Вселенную

Вскоре после того, как астронавты починили «Хаббл», телескоп начал проводить наблюдения, навсегда изменившие облик астрономической науки. Двумя ранними эпизодами наблюдений «Хаббл» завоевал внимание общественности… и ее любовь.

Выполненная 17 мая 1994 года космическим телескопом «Хаббл» фотография кометы Шумейкеров – Леви 9, на которой видна цепочка из 21 фрагмента ледяного ядра кометы, растянувшаяся на 1,1 млн км в космосе перед столкновением с Юпитером. Источник: NASA, Европейское космическое агентство и Х. Уивер совместно с Э. Смит (Научный институт космического телескопа – STScI)

Летом 1994 года астрономы открыли комету, названную кометой Шумейкеров – Леви 9, которая опасно приблизилась к Юпитеру. Гравитация гигантской планеты разорвала комету, превратив ее в цепочку из двадцати одного фрагмента – некоторые ученые называли эту цепочку «нитка жемчуга», – и стало ясно, что все они собираются врезаться в Юпитер. Это было событие, какого никто никогда ранее не наблюдал; астрономам удалось благодаря «Хабблу» словно бы занять место в первом ряду на этом космическом представлении и увидеть, как фрагменты кометы рухнули в юпитерианские облака, взрываясь наподобие атомных бомб и оставляя тучи темного дыма. Астрономы мчались на пресс-конференции, потрясая последними фотоснимками этого события, и поднимали волну всеобщего ажиотажа.

Туманность Конская Голова – популярный объект для наблюдений как любителей, так и профессиональных астрономов. «Хаббл» в разные годы сделал много снимков этой легко узнаваемой по своему неземному облику туманности. Эта опубликованная в 2013 году фотография была выполнена и в инфракрасном, и в видимом диапазонах спектра, и на ней туманность, как богато расшитый гобелен, выделяется на фоне звезд Млечного Пути и далеких галактик. Источник: NASA, Европейское космическое агентство и команда «Наследие Хаббла» под эгидой Научного института космического телескопа (STScI) и Университетской ассоциации астрономических исследований (AURA)

Один из самых широко известных снимков «Хаббла» – это фотография туманности Орел, огромного далекого облака космического газа и пыли, где зарождаются новые звезды. Потрясающий воображение снимок 1995 года, названный «Столпы Творения», показал с беспрецедентной детальностью, что происходит в районах звездообразования. Этот снимок «Хаббла» стал настолько популярным, что попал на обложку журнала «Тайм», фигурировал в кинолентах и телевизионных передачах, его печатали на футболках, наволочках для подушек и даже на почтовой марке.

С тех пор как он был сделан, список сфотографированных «Хабблом» объектов разросся и стал похож на перечень «хитов века»: туманность Конская Голова; туманность Конус; фотоснимки планет Сатурн, Марс и Юпитер; остатки сверхновых; далекие галактики. И эти фотографии публика принимала с восторгом.

– Прозорливее всех оказался наш первый директор, астрофизик Риккардо Джаккони, который с самого начала предусмотрел режим открытых публикаций обо всем, чем мы занимаемся, – рассказывает Йенкнер. – Возможно, этим наш проект удивил меня больше всего – не считая научных открытий, которые изменили наше понимание природы Вселенной. Их мы в определенной степени ждали. Но я и предположить не мог, что наши пресс-релизы, фотоснимки и образовательные программы будут интересны миллионам людей и что публика начнет говорить о «Хаббле» «наш телескоп». Это призывает нас, ученых, к определенной скромности.