Hubble’i kosmoseteleskoop

Hubble’i kosmoseteleskoop

Maal segab astronoomilisi vaatlusi atmosfäär. Isegi parima kliimaga kohtades muudab õhu liikumine taevakehade kujutised hägusaks. Praeguseks on astronoomide unistus teha suure teleskoobiga vaatlusi ülevalpool segavat atmosfääri teoks saanud – juba 12 aastat tiirleb ümber Maa Hubble’i kosmoseteleskoop.

Tõnu Tuvikene

Vaatlustega tegeleva astronoomi suurim vaenlane, nagu öeldud, on Maa atmosfäär. Vähe sellest, et mõnikord (Eestis näiteks liigagi tihti) kattub taevas pilvedega ja vaatlused muutuvad üldse võimatuks – isegi parimates tingimustes muudavad õhuliikumised kujutised ebateravaks. Peale selle neelab atmosfäär suurema osa temale langevast kiirgusest. See on küll hea kõigele elusale, sest kaitseb teda kahjuliku kiirguse eest, kuid paha astronoomiale, sest taevakehadelt saabuv info jääb ühekülgseks. Lahendus nendele probleemidele on silmanähtav – tuleb pääseda atmosfäärist (või vähemalt selle põhiosast) kõrgemale. See püüd väljendub üha kõrgemale mägedesse ehitatud observatooriumides, vaatlustes lennukitelt, õhupallidelt, ballistilistelt rakettidelt. Neist esimestega ei jõua kuigi kõrgele, rakettidelt tehtavad vaatlused on aga väga lühiajalised, kestes vaid kümmekond minutit. Tõeliselt hea lahenduse, kosmoses ümber Maa tiirleva orbitaalobservatooriumi idee pakkus välja saksa raketinduse pioneer Hermann Oberth juba 1923. aastal. Kulus siiski ligi pool sajandit, enne kui Oberthi idee teoks sai.

Esimene tehiskaaslane, mida võib julgelt nimetada kosmoseteleskoobiks, oli 1968. aastal startinud OAO-2. Tema pardal oli neli kosmiliste objektide ultraviolettkiirguse uurimiseks mõeldud 32 cm läbimõõduga teleskoopi. Neli aastat hiljem startinud OAO-3, mida tuntakse rohkem Koperniku nime all, ultraviolett-piirkonna teleskoobi läbimõõt oli juba 81 cm, kuid tollal kuni viie meetrini küündivate peeglitega maapealsete sõsaratega võrreldes oli seegi väike. Oma väiksuse tõttu olidki esimesed kosmoseteleskoobid mõeldud taevakehade uurimiseks ultraviolett-, infrapuna-, röntgen- ja gammakiirguses, mida Maa atmosfäär suuremal või vähemal määral läbi ei lase, mistõttu oli iga mõõtmine oluline, ükskõik kui tagasihoidlike vahenditega see ka tehtud polnud.

Universumi uuriv tehnika

Seoses kosmosetehnika arenguga ja eriti teleskoobi teenindamiseks sobiva korduvalt kasutatava kosmosesüstiku Space Shuttle’i loomisega oli aeg hakata mõtlema suurema kosmoseteleskoobi peale, mis oleks oma läbimõõdult võrreldav maapealsetega, atmosfääri segava mõju puudumise tõttu aga ületaks neid tulemuslikkuselt, seda eriti lahutusvõime osas. 1973. aastal moodustas NASA teadlaste rühma sellise teleskoobi projekti väljatöötamiseks ja 1977 eraldas USA kongress selle elluviimiseks raha. NASA andis tulevasele teleskoobile tuntud ameerika astronoomi, universumi paisumise avastaja Edwin Hubble’i (1889–1953) nime.

Hubble’i kosmoseteleskoobi (ingl k Hubble Space Telescope, lühend HST) peapeegli läbimõõdu 2,4 m määrab kosmosesüstiku lastiruumi laius, suurem ei mahuks ära. Sellelt tagasipeegelduvad kiired langevad 0,34 m läbimõõduga abipeeglile, mis suunab nad peapeegli keskele tehtud ava kaudu selle taha, kus asuvad vaatlusriistad. Korraga saab HST pardal olla viis erinevat vaatlusriista. Need, nagu ka paljud muud HST komponendid, on tehtud moodulitena, mida astronaudid saavad avakosmoses viibides uute vastu vahetada. Vaatlusriistade moodul on oma suuruse poolest võrreldav taksofoniputkaga. Astronautide tegevuse hõlbustamiseks on HST välispinnal kinnihoidmiseks kümneid käepidemeid. Kokku on HST-l praeguseni olnud üheksa vaatlusriista, kaks ootavad veel üles viimist. Nad võib jagada kolme rühma: taevakehadest ilusaid pilte tegevad kaamerad, nende spektreid registreerivad spektromeetrid ja heleduse muutusi uurivad fotomeetrid. Peale selle saab uurimistööks pruukida ka teleskoobi etteantud suunas hoidmiseks kasutatavaid andureid.
Elektrienergiat annavad kosmoseteleskoobile päikesepatareid, mille koguvõimsus ületab praegu viit kilovatti. Maa varjus viibides saab teleskoop elektrienergiat akupatareidest.

Teleskoobi suunamiseks vaatlusobjektidele kasutatakse hoorattaid, mida on kokku neli ja millest vähemalt kolm peavad olema töökorras. HST-l puuduvad täielikult rakettmootorid, sest neist väljuvad gaasid saastaksid teleskoobi optikat ja tema ümbrust. Ühenduse pidamine juhtimiskeskusega toimub sidetehiskaaslaste TDRS vahendusel. Tänu sellele võib teleskoobiga võtta ühendust orbiidi igas punktis, ootamata ära tema jõudmist lühikeseks ajaks maapealsete antennide vaatevälja. Mõnda aega võib vaatlusandmeid säilitada ka HST pardal. Algselt selleks kasutatud kolmest magnetlindiseadmest on nüüdseks kaks asendatud pooljuhtmäluga, mis on sarnane arvutites pruugitavaga.

Ehitamise käigust

Teleskoobi ehitajaks valiti tuntud USA optikafirma Perkin-Elmer, abisüsteemide valmistajaks ja kõige selle tehiskaaslaseks kokkumonteerijaks aga veelgi kuulsam Lockheed. Projekti kaasati ka Euroopa kosmoseagentuur (ESA), tema osaks jäid päikesepatareid ning üks vaatlusriist. 1983. a hakkas John Hopkinsi ülikooli juures (Baltimore, Marylandi osariik) tööle spetsiaalselt tulevase kosmoseteleskoobi abil vaatluste korraldamiseks ja tulemuste esmaseks töötlemiseks loodud Kosmoseteleskoobi teadusinstituut (Space Telescope Science Institute, lühend STscI). Teleskoobile vaatlusülesannete andmisega ei tegele muidugi mitte ainult selle instituudi töötajad, seda võib põhimõtteliselt teha iga astronoom maailmas. Eelduseks on vaid see, et tema ettepanek oleks parem kui teiste oma. Seda saavutada pole aga põrmugi lihtne, konkursid vaatlusajale sarnanevad oma suuruse poolest konkurssidele meie kõrgkoolidesse sisseastumiseks. 1985. aastal hakkas tööle juhtimiskeskus NASA Goddardi-nimelises kosmosekeskuses. See saab teadusinstituudilt vaatlusülesanded, koostab nende põhjal juhtimiskäsud ning saadab siis teleskoobile. Saadud vaatlustulemused edastab ta omakorda pärast standardkujule teisendamist teadusinstituudile.

Teleskoobi ehitus edenes jõudsalt. 1981. aastal saadi valmis peapeegel, 1983 jõudis NASAsse vaatlusaparatuur ning 1985 monteeriti kõik kokku tehiskaaslaseks. Orbiidile pidi ta jõudma järgmisel, 1986. aastal, kuid sama aasta jaanuaris toimunud kosmosesüstiku Challenger katastroof lõi plaanid sassi. Seetõttu saabus ta Kennedy-nimelisse kosmosekeskusesse Floridas alles 1989. aasta oktoobris, kust ta siis kosmosesüstik Discovery lastiruumis 24. aprillil 1990 kosmosesse suundus. Järgmisel päeval tõstsid astronaudid ta süstiku käpa abil 600 km kõrgusel maapinnast orbiidile ning teleskoobi katsetamine võis alata.

Kes teeb, sel juhtub

Täpselt kaks kuud hiljem selgus kurb tõsiasi – maailma parima kvaliteediga optikat kandva teleskoobi asemel oli valminud üks kehvemaid (vähemalt tema suurust silmas pidades) – HST tehtud pildid olid udused. Lähemal uurimisel selgus, et peegli servaalasid oli ettenähtud pinnakujust 2 mikromeetrit sügavamaks lihvitud, mistõttu ühest punktist (näiteks tähest) lähtuvad kiired ei koondunud pärast peegli erinevatelt aladelt peegeldumist samasse punkti (fookusesse), vaid moodustasid uduse laigu. Seda nähtust tuntakse optikas sfäärilise aberratsioonina. Kuidas küll võis nii tähtsa teleskoobi peegli lihvimisel tekkida nii suur kõrvalekalle, mida oleksid kindlasti märganud isegi asjaarmastajatest teleskoobivalmistajad? Selgus, et viga oli sündinud peegli testimisel. Tehnik oli katseseadme ülespanemisel eksinud, mille tõttu paistis, nagu tuleks peeglit õige kujutise saavutamiseks veel lihvida, kuigi tegelikult oli seda juba piisavalt tehtud. Raha kokkuhoiu tõttu oli ära jäetud peegli uurimine teise metoodikaga. Edaspidi tuli selle vea parandamiseks muidugi kulutada kokkuhoitud rahast palju suurem summa.

Kuni vea parandamiseni oli piltide teravust võimalik tõsta ka neid arvutiga töödeldes, kuid see ei korvanud veast tingitud valguse kadusid ning oli seetõttu kasutatav vaid heledamate objektide puhul.

Teeninduslennud

HST oli algusest peale konstrueeritud orbiidil astronautide poolt modifitseeritava ja parandatavana, kuid peapeegli vahetamist polnud muidugi ette nähtud. Parima vea likvideerimise meetodi leidmiseks moodustas NASA komisjoni. See vaatas läbi üle kümne variandi, mille hulgas olid ka näiteks ettepanekud peegli mehaaniliseks või termiliseks õigeks painutamiseks, ning otsustas kasutada olemasolevate vaatlusriistade puhul kompenseerivaid lisapeegleid. Need on monteeritud erilisse moodulisse COSTAR, mis asendab üht senist vaatlusseadet – uutel, seniseid asendavatel vaatlusriistadel tuleb aga vastavad muudatused teha juba nende endi optikas.

Esimene teeninduslend pidi plaani järgi aset leidma 1993. aastal, nüüd muutus ta remondilennuks. Lend toimuski ja oli edukas, nagu ka kõik järgnevad teeninduslennud. Kõigepealt vahetati välja päikesepatareid, sest senised kippusid järskudel temperatuurimuutustel Maa varju minekul ja sealt tulekul hakkama vibreerima, segades nii vaatlusi kui elektriga varustamist. Kaamera WFPC vahetati välja uuema vastu, millel on peapeegli viga korrigeeriv optiline osa. Kiire fotomeetri HSP asemele paigutasid astronaudid seadme COSTAR, mis korrigeerib kujutist ülejäänud kolme seadme jaoks. Kosmoseteleskoobi nägemisteravuse taastamine õnnestus üle ootuste hästi, astronoomideni hakkasid jõudma sellised pildid ja spektrid, nagu temalt oli juba algusest peale oodatud.

Teine teeninduslend toimus 1997. aasta veebruaris. Lisaks nähtava valguse ja ultraviolettkiirguse uurimiseks mõeldud aparatuurile sai HST nüüd võime teha vaatlusi ka infrapunapiirkonnas lainepikkuste vahemikus 0,8–2,5 mikromeetrit. Selleks mõeldud aparaat NICMOS vahetas välja spektromeetri FOS – NICMOSiga saab teha nii fotosid kui ka pildistada spektreid (spekter näitab kiirguse intensiivsuse jaotust lainepikkuse järgi. Taevakeha spektri põhjal saavad astronoomid leida tema temperatuuri, keemilise koostise, liikumiskiiruse jms. Kõige tuntum spekter on vikerkaar – see on Päikese spekter hästi jämedalt (kehva lahutusvõimega)). Infrapunakiirguse registreerimine eeldab kiirgusvastuvõtja jahutamist. NICMOSi puhul kasutati selleks lämmastikku, mille varudest pidi jätkuma viieks aastaks.

GHRS asendati parema lahutusvõimega spektromeetriga STIS, mis võib vastu võtta spektreid mitmest objektist korraga. Üks vaatlusandmeid salvetanud lindiseadmetest vahetati pooljuhtmälu vastu, millega kasvas nii salvestamise maht kui ka kiirus, ja tehti veel mitmeid muid töid.

Järgmine teeninduslend pidi toimuma aastal 2001, kuid muutunud asjaolud sundisid tegema lennugraafikus korrektiive. Et suunata HST vaatlusobjektidele, kasutatakse liikumise kontrollimiseks güroskoope, mida on kokku kuus. Töötamiseks vajatakse neist kolme, ülejäänud on tagavaraks. 1999. aasta algul oligi olukord selline, et tagavaraks polnud enam ühtegi güroskoopi ja NASA otsustas jagada kolmanda teeninduslennu kaheks. Neist esimene, mis sai tähiseks 3A, pidi güroskoopide väljavahetamiseks toimuma juba sama aasta lõpul. Kuigi ettevalmistused selleks lennuks tehti erakordse kiirusega, jõudis sündmuste areng ette ja 13. (!) novembril 1999 juhtuski see, mida kardeti – rikki läks ka neljas güroskoop. Ainult kahega vaatlusi teha ei saa ja HST viidi nn turvaseisundisse (Safe Mode), kus ta tegeles vaid oma asendi säilitamisega. Esimest korda üheksa aasta jooksul ei saabunud teleskoobilt enam vaatlustulemusi.

Õnneks ei tulnud enam kaua oodata. 19. detsembril startis kosmosesüstik Discovery teeninduslennule 3A. Selle käigus vahetati kõik kuus güroskoopi ja ka pardaarvuti.

Vaatlused võisid taas alata, kuid paraku mitte kõigi instrumentidega, sest 1999. aasta jaanuaris oli otsa saanud NICMOSi jahutamiseks vajalik lämmastik ning ta tuli välja lülitada. See probleem sai lahenduse alles järgmise teeninduslennu 3B käigus, mis toimus käesoleva aasta märtsis. Lämmastiku lisamise asemel vahetati välja hoopis terve jahutussüsteem, mis töötab nüüd sarnaselt külmkapiga ja kus seetõttu pole edaspidi enam karta millegi otsalõppemist. Lennu käigus asendati ka viimane stardist saadik töötanud vaatlusriist, kaamera FOC. Tema asemel on nüüd eelkäijast tundlikum kaamera ACS. Välja vahetati ka päikesepatareid. Uued on vanadest lühemad, kuid annavad sellegipoolest rohkem energiat. Seoses suurema võimsusega tuli asendada ka toiteplokk, milleks esmakordselt pärast HST orbiidile viimist lülitati välja toide. See oli riskantne operatsioon, kuid kõik läks siiski hästi ja teleskoop hakkas uuesti tööle.

HST töö kavatsetakse lõpetada 2010. aastal. Selleni jäänud aja jooksul on kavas veel vaid üks teeninduslend. See peaks toimuma 2004. aasta algul ning selle käigus asendatakse kaks vaatlusriista. Üle kümne aasta käigus olnud WFPC 2 asemele pannakse kolmanda põlvkonna kaamera WFC 3 ning praeguseks täiesti kasutut korrigeerimisseadet COSTAR asendab uus spektromeeter COS.

Mida toob tulevik?

Veel enne, kui HST oma töö lõpetab ja ta kosmosesüstikuga orbiidilt alla tuuakse, on aastal 2008 plaanis üles saata hoopis võimsam uue põlvkonna kosmoseteleskoop NGST (Next Generation SpaceTelescope). Selle peapeegli läbimõõt peaks olema vähemalt 8 meetrit ning ta töötab erinevalt Hubble’i kosmoseteleskoobist ainult infrapunapiirkonnas lainepikkuste vahemikus 0,6 kuni 10 mikromeetrit. Ka ei tiirle ta HSTi kombel ümber Maa, vaid asub koduplaneedist 1,5 miljoni kilomeetri kaugusel nn Lagrange’i punktis L2, kus Maa varjab teda päikesekiirguse eest.
Loodetavasti avardab ta oma planeeritud 20aastase tööaja jooksul Hubble’i kosmoseteleskoobiga võrreldes veelgi meie silmapiiri universumis – seda nii otseses kui kaudses mõttes.

HSTi olulisemad saavutused

Tehtud vaatlused
+ näitasid, et paljude, kui mitte kõikide galaktikate tuumades on ülimassiivsed mustad augud,
+ näitasid, et kvasarid on tegelikult aktiivsete galaktikate tuumad,
+ näitasid, et universum oli oma algusaegadel täidetud palju väiksemate ja ebakorrapärasema kujuga galaktikatega kui praegu,
+ näitasid, et noori tähti ümbritsevad sageli pannkoogitaolised tolmukettad, millest arvatakse moodustuvat planeedid,
+ aitasid täpsustada galaktikate kauguste skaalat, täpsustada universumi paisumise kiirust (nn Hubble’i konstant) ning näidata, et universumi paisumine kiireneb.

Tema abil tehtud fotodel on
+ seni ainsana näha Pluuto pinda ja märgata sellel laike,
+ Jupteril, Saturnil ja Jupteri kaaslasel Ganimedesel näha virmalisi,
+ hästi jälgitav komeedi Shoemaker-Levy 9 tükkide langemine Jupiteri atmosfääri.

Artikkel avaldatud Tehnikamaailmas september '2002

printerisõbralik versioon esita küsimus