Telescopio Hubble)

telescopio espacial Hubble
inglés  telescopio espacial Hubble

Vista del Hubble desde la nave espacial Atlantis STS-125
Organización NASA / ESA
Rango de onda 0,11 - 2,4 micras ( ultravioleta , visible , infrarrojo )
ID COSPAR 1990-037B
ID de NSSDCA 1990-037B
SCN 20580
Ubicación en el espacio
tipo de órbita órbita terrestre baja , casi circular [1]
Altitud orbital ESTÁ BIEN. 545 kilometros [1]
Período de circulación 96-97 minutos [1]
Velocidad orbital ESTÁ BIEN. 7500 m/s [1]
Aceleración 8,169 m/s²
Fecha de lanzamiento 24 de abril de 1990 12:33:51 UTC [2]
Duración del vuelo 32 años 6 meses 10 días
ubicación de lanzamiento cabo Cañaveral
Lanzador de órbita "Descubrimiento"
fecha de salida después de 2030 [3]
Peso 11 toneladas [4]
tipo de telescopio telescopio reflector del sistema Ritchey-Chrétien [4]
Diámetro 2,4 metros [5]

Superficie de recogida		 ESTÁ BIEN. 4,5 m² [6]
Longitud focal 57,6 metros [4]
instrumentos cientificos
cámara infrarroja/espectrómetro [7]
  • ACS
 cámara de observación óptica [7]
  • WFPC3
 cámara para observaciones en una amplia gama de ondas [7]
  • ITS
 espectrómetro óptico/cámara [7]
  • porque
 espectrógrafo ultravioleta [7]
  • FGS
 tres sensores de navegación [7]
logotipo de la misión
Sitio web http://hubble.nasa.gov https://hubblesite.org https://www.spacetelescope.org
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El telescopio espacial Hubble ( HST ; inglés  Hubble Space Telescope , HST ; código de observatorio "250" ) es un observatorio automático ( telescopio ) en órbita alrededor de la Tierra , llamado así por el astrónomo estadounidense Edwin Hubble . Hubble es un proyecto conjunto entre la NASA y la Agencia Espacial Europea [2] [4] [8] y es uno de los grandes observatorios de la NASA [9] . Lanzado el 24 de abril de 1990 .

La colocación de un telescopio en el espacio permite registrar la radiación electromagnética en los rangos en los que la atmósfera terrestre es opaca; principalmente en el rango infrarrojo . Debido a la ausencia de la influencia de la atmósfera, la resolución del telescopio es de 7 a 10 veces mayor que la de un telescopio similar ubicado en la Tierra [10] .

Historia

Antecedentes, conceptos, primeros diseños

La mención del concepto de un telescopio orbital superior a los instrumentos terrestres se puede encontrar en el libro de Hermann Oberth "Rocket to interplanetary space" ( Die Rakete zu den Planetenräumen ), publicado en 1923 [11] .

En 1946, el astrofísico estadounidense Lyman Spitzer publicó el artículo Ventajas astronómicas de un observatorio extraterrestre . El artículo señala dos ventajas principales de dicho telescopio. Primero, su resolución angular estará limitada únicamente por la difracción , y no por los flujos turbulentos en la atmósfera; en ese momento, la resolución de los telescopios terrestres estaba entre 0,5 y 1,0 segundos de arco , mientras que el límite teórico de resolución de difracción para un telescopio en órbita con un espejo de 2,5 metros es de aproximadamente 0,1 segundos. En segundo lugar, un telescopio espacial podría realizar observaciones en los rangos infrarrojo y ultravioleta, en los que la absorción de radiación por parte de la atmósfera terrestre es muy significativa [10] [12] .

Spitzer dedicó gran parte de su carrera científica al avance del proyecto. En 1962, un informe publicado por la Academia Nacional de Ciencias de EE. UU. recomendó que el desarrollo de un telescopio en órbita se incluyera en el programa espacial, y en 1965 Spitzer fue nombrado jefe de un comité encargado de establecer objetivos científicos para un gran telescopio espacial [13]. ] .

La astronomía espacial comenzó a desarrollarse después del final de la Segunda Guerra Mundial, mucho antes del lanzamiento de los primeros satélites en órbita. En 1946, el espectro ultravioleta del Sol fue obtenido por primera vez por instrumentos en un cohete que despegaba verticalmente [14] . El Telescopio Orbital para la Investigación Solar fue lanzado por el Reino Unido en 1962 como parte del programa Ariel , y en 1966 la NASA lanzó el primer observatorio orbital OAO - 1 al espacio [15] . La misión no tuvo éxito debido a una falla en la batería tres días después del despegue. En 1968 se lanzó el OAO-2, que realizó observaciones de la radiación ultravioleta de estrellas y galaxias hasta 1972 , superando significativamente el tiempo de vida estimado de 1 año [16] .

Las misiones OAO sirvieron como una clara demostración del papel que podían desempeñar los telescopios en órbita, y en 1968 la NASA aprobó un plan para construir un telescopio reflector con un espejo de 3 m de diámetro, proyecto que recibió el nombre provisional de LST ( Large Space Telescope ). El lanzamiento estaba previsto para 1972. El programa enfatizó la necesidad de expediciones tripuladas regulares para mantener el telescopio a fin de garantizar la operación continua de un instrumento costoso. El programa del transbordador espacial , que se desarrollaba en paralelo , dio esperanzas de obtener oportunidades apropiadas [17] .

Lucha por la financiación de proyectos

Debido al éxito del programa OAO , existe un consenso en la comunidad astronómica de que la construcción de un gran telescopio en órbita debería ser una prioridad. En 1970, la NASA estableció dos comités, uno para estudiar y planificar aspectos técnicos, el segundo para desarrollar un programa de investigación científica. El siguiente gran obstáculo fue la financiación del proyecto, que habría costado más que cualquier telescopio terrestre. El Congreso de los Estados Unidos cuestionó muchos de los elementos del presupuesto propuesto y recortó significativamente las asignaciones presupuestarias que originalmente implicaban una investigación a gran escala sobre los instrumentos y el diseño del observatorio. En 1974 , como parte de los recortes presupuestarios iniciados por el presidente Ford , el Congreso canceló por completo la financiación del proyecto [18] .

En respuesta, los astrónomos lanzaron una campaña masiva de cabildeo. Muchos astrónomos se han reunido personalmente con senadores y congresistas, y ha habido varios grandes envíos de cartas en apoyo del proyecto. La Academia Nacional de Ciencias publicó un informe que enfatiza la importancia de construir un gran telescopio en órbita y, como resultado, el Senado acordó asignar la mitad del presupuesto aprobado originalmente por el Congreso [18] .

Los problemas económicos llevaron a recortes, entre los que destaca la decisión de reducir el diámetro del espejo de 3 metros a 2,4 metros para reducir costes y conseguir un diseño más compacto. También se canceló el proyecto de un telescopio con un espejo de un metro y medio, que se suponía que se lanzaría para probar y desarrollar sistemas, y se tomó la decisión de cooperar con la Agencia Espacial Europea . La ESA acordó participar en la financiación, así como proporcionar una serie de instrumentos y paneles solares para el observatorio, a cambio de que los astrónomos europeos reservaran al menos el 15% del tiempo de observación [19] . En 1978, el Congreso aprobó $ 36 millones en fondos y el trabajo de diseño a gran escala comenzó inmediatamente después. La fecha de lanzamiento estaba prevista para 1983 . A principios de la década de 1980, el telescopio recibió el nombre de Edwin Hubble . .

Organización de diseño y construcción

El trabajo de construcción del telescopio espacial se ha repartido entre muchas empresas e instituciones. El Centro Espacial Marshall fue responsable del desarrollo, diseño y construcción del telescopio, el Centro de Vuelo Espacial Goddard fue responsable de la dirección general del desarrollo de instrumentos científicos y fue seleccionado como centro de control terrestre. El Marshall Center otorgó un contrato a Perkin-Elmer para diseñar y fabricar el conjunto de telescopio óptico  ( OTA ) y los sensores de puntería fina del telescopio.  Lockheed Corporation recibió un contrato para construir una nave espacial para el telescopio [20] .

Realización de un sistema óptico

El espejo y el sistema óptico en su conjunto fueron las partes más importantes del diseño del telescopio, y se les impusieron requisitos especialmente estrictos. Por lo general, los espejos de los telescopios se fabrican con una tolerancia de aproximadamente una décima parte de la longitud de onda de la luz visible, pero dado que el telescopio espacial estaba destinado a observaciones en el rango ultravioleta e infrarrojo cercano, y la resolución tenía que ser diez veces mayor que la de instrumentos terrestres, la tolerancia de fabricación de su espejo principal se fijó en 1/20 de la longitud de onda de la luz visible, o aproximadamente 30 nm .

La empresa Perkin-Elmer tenía la intención de utilizar nuevas máquinas CNC para hacer un espejo de una forma determinada. Se contrató a Kodak para fabricar un espejo de reemplazo utilizando métodos de pulido tradicionales en caso de problemas imprevistos con tecnología no probada (un espejo fabricado por Kodak se encuentra actualmente en exhibición en el Museo Smithsonian [21] ). El trabajo en el espejo primario comenzó en 1979 utilizando vidrio con un coeficiente de expansión térmica ultra bajo . Para reducir el peso, el espejo constaba de dos superficies: la inferior y la superior, conectadas por una estructura de celosía de una estructura de panal. .

El trabajo de pulido de espejos continuó hasta mayo de 1981 , mientras que los plazos originales se interrumpieron y el presupuesto se superó significativamente [22] . Los informes de la NASA de ese período expresaron dudas sobre la competencia de la gerencia de Perkin-Elmer y su capacidad para completar con éxito un proyecto de tal importancia y complejidad. Para ahorrar dinero, la NASA canceló la orden del espejo de respaldo y retrasó la fecha de lanzamiento hasta octubre de 1984 . El trabajo finalmente se completó a fines de 1981, después de la aplicación de una capa reflectante de aluminio de 75 nm de espesor y una capa protectora de fluoruro de magnesio de 25 nm de espesor [23] [24] .

A pesar de esto, persistieron las dudas sobre la competencia de Perkin-Elmer, ya que los plazos para completar el trabajo en los componentes restantes del sistema óptico se retrasaron constantemente y el presupuesto del proyecto creció. La NASA describió los horarios de trabajo proporcionados por la empresa como "inciertos y cambiantes a diario" y pospuso el lanzamiento del telescopio hasta abril de 1985 . Sin embargo, se siguió incumpliendo los plazos, creciendo la demora en promedio un mes cada trimestre, y en la etapa final creció un día diario. La NASA se vio obligada a posponer el lanzamiento dos veces más, primero a marzo y luego a septiembre de 1986 . En ese momento, el presupuesto total del proyecto había aumentado a 1175 millones de dólares [20] .

Nave espacial

Otro problema de ingeniería difícil fue la creación de un aparato portador para el telescopio y otros instrumentos. Los principales requisitos eran la protección del equipo frente a las constantes fluctuaciones de temperatura cuando se calienta con la luz solar directa y se enfría a la sombra de la Tierra , y en especial la orientación precisa del telescopio. El telescopio está montado dentro de una cápsula de aluminio liviano, que está cubierta con aislamiento térmico multicapa para garantizar una temperatura estable. La rigidez de la cápsula y la sujeción de los dispositivos son proporcionadas por el marco espacial interno hecho de fibra de carbono [25] .

Aunque la nave espacial tuvo más éxito que el sistema óptico, Lockheed también se retrasó un poco y superó el presupuesto. En mayo de 1985, el sobrecosto era de aproximadamente el 30% del monto original y el retraso del plan era de 3 meses. En un informe elaborado por el Centro Espacial Marshall , se señaló que la empresa no toma la iniciativa en la realización del trabajo, prefiriendo confiar en las instrucciones de la NASA [20] .

Coordinación de investigación y control de misión

En 1983 , después de algunas luchas entre la NASA y la comunidad científica, se estableció el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial . El Instituto es operado por la Asociación  de Universidades para la Investigación en Astronomía ( AURA) y está ubicado en el campus de la Universidad Johns Hopkins en Baltimore , Maryland . Hopkins University es una de las 32 universidades estadounidenses y organizaciones extranjeras que son miembros de la asociación. El Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial es responsable de organizar el trabajo científico y proporcionar a los astrónomos acceso a los datos obtenidos; La NASA quería mantener estas funciones bajo su control, pero los científicos prefirieron transferirlas a instituciones académicas [26] [27] . El Centro Europeo de Coordinación del Telescopio Espacial fue fundado en 1984 en Garching , Alemania , para proporcionar instalaciones similares a los astrónomos europeos [28] .

El control de vuelo estuvo a cargo del Centro de Vuelo Espacial Goddard , que está ubicado en Greenbelt , Maryland , a 48 kilómetros del Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial. El funcionamiento del telescopio es monitoreado las 24 horas por turnos por cuatro grupos de especialistas. El apoyo técnico lo proporciona la NASA y empresas contratistas a través del Centro Goddard [29] .

Lanzamiento y puesta en marcha

El lanzamiento del telescopio en órbita estaba originalmente programado para octubre de 1986 , pero el desastre del Challenger el 28 de enero detuvo el programa del transbordador espacial durante varios años y el lanzamiento tuvo que retrasarse. .

Todo este tiempo, el telescopio estuvo almacenado en una habitación con una atmósfera purificada artificialmente, sus sistemas a bordo estaban parcialmente encendidos. Los costes de almacenamiento fueron de unos 6 millones de dólares al mes, lo que incrementó aún más el coste del proyecto [30] .

El forzado retraso permitió realizar una serie de mejoras: se sustituyeron los paneles solares por otros más eficientes, se actualizó el sistema informático de a bordo y los sistemas de comunicación, y se cambió el diseño de la carcasa protectora de popa para facilitar el mantenimiento de la telescopio en órbita [30] [31] . Además, el software para controlar el telescopio no estaba listo en 1986 y, de hecho, finalmente no se escribió hasta el momento de su lanzamiento en 1990 [32] .

Después de la reanudación de los vuelos del transbordador en 1988, el lanzamiento finalmente se programó para 1990 . Antes del lanzamiento, el polvo acumulado en el espejo se eliminó con nitrógeno comprimido y todos los sistemas se probaron a fondo. .

El transbordador Discovery STS-31 se lanzó el 24 de abril de 1990 y al día siguiente lanzó el telescopio a su órbita prevista [33] .

Desde el comienzo del diseño hasta el lanzamiento, se gastaron $2500 millones contra un presupuesto inicial de $400 millones; el costo total del proyecto, según una estimación para 1999 , ascendió a 6 mil millones de dólares por parte estadounidense y 593 millones de euros pagados por la ESA [34] .

Instrumentos instalados en el momento del lanzamiento

En el momento del lanzamiento, se instalaron a bordo seis instrumentos científicos:

Defecto del espejo primario

Ya en las primeras semanas tras el inicio de los trabajos, las imágenes obtenidas mostraban un grave problema en el sistema óptico del telescopio. Aunque la calidad de la imagen fue mejor que la de los telescopios terrestres, Hubble no pudo lograr la nitidez especificada y la resolución de las imágenes fue mucho peor de lo esperado. Las imágenes de fuente puntual tenían un radio superior a 1,0 segundo de arco en lugar de centrarse en un círculo con un diámetro de 0,1 segundo, como se especifica en [39] [40] .

El análisis de imágenes mostró que el origen del problema es la forma incorrecta del espejo primario. Aunque fue quizás el espejo calculado con mayor precisión jamás fabricado, y con una tolerancia de no más de 1/20 de longitud de onda de luz visible, se hizo demasiado plano en los bordes. La desviación de la forma de la superficie dada fue de solo 2 μm [41] , pero el resultado fue catastrófico: el espejo tenía una fuerte aberración esférica (un defecto óptico en el que la luz reflejada en los bordes del espejo se enfoca en un punto diferente de aquel en el que se enfoca la luz reflejada) desde el centro del espejo) [42] .

El efecto del defecto en la investigación astronómica dependía del tipo específico de observación: las características de dispersión eran suficientes para obtener observaciones únicas de alta resolución de objetos brillantes, y la espectroscopia tampoco se vio afectada prácticamente [43] . Sin embargo, la pérdida de una parte importante del flujo de luz debido al desenfoque redujo significativamente la idoneidad del telescopio para observar objetos oscuros y obtener imágenes con alto contraste. Esto significó que casi todos los programas cosmológicos se volvieron simplemente inviables, ya que requerían observaciones de objetos especialmente tenues [42] .

Razones del defecto

Al analizar imágenes de fuentes de luz puntuales, los astrónomos encontraron que la constante cónica del espejo es −1.0139 en lugar del requerido −1.00229 [44] [45] . El mismo número se obtuvo comprobando los correctores nulos (dispositivos que miden la curvatura de la superficie pulida con alta precisión) utilizados por la empresa Perkin-Elmer, así como analizando los interferogramas obtenidos durante las pruebas en tierra del espejo [46] .

La comisión, encabezada por Lew Allen , director del Laboratorio de Propulsión a Chorro , determinó que el defecto se debió a un error en el montaje del corrector nulo principal, cuya lente de campo se desplazó 1,3 mm de la posición correcta. El cambio fue por culpa del técnico que montó el aparato. Cometió un error al trabajar con un dispositivo de medición láser, que se usaba para colocar con precisión los elementos ópticos del dispositivo, y cuando, después de completar la instalación, notó un espacio inesperado entre la lente y su estructura de soporte, simplemente insertó una arandela de metal ordinaria [47] .

Durante el pulido del espejo, se comprobó su superficie mediante otros dos correctores nulos, cada uno de los cuales indicaba correctamente la presencia de aberración esférica . Estos controles han sido diseñados específicamente para descartar defectos ópticos graves. A pesar de las claras instrucciones de control de calidad , la empresa ignoró los resultados de la medición y prefirió creer que los dos correctores nulos eran menos precisos que el principal, cuyas lecturas indicaban la forma ideal del espejo [48] .

La comisión culpó de lo sucedido principalmente al artista. Las relaciones entre la empresa óptica y la NASA se deterioraron seriamente durante el trabajo en el telescopio debido a la interrupción constante del horario de trabajo y los sobrecostos. La NASA descubrió que Perkin-Elmer no consideraba el trabajo de los espejos como una parte importante de su negocio y confiaba en que el pedido no podría transferirse a otro contratista una vez que comenzara el trabajo. Aunque la comisión criticó severamente a la empresa, parte de la responsabilidad también recayó en la NASA, principalmente por no detectar problemas graves en el control de calidad y violación de procedimientos por parte del contratista [47] [49] .

Encontrar una solución

Dado que el telescopio fue diseñado originalmente para ser reparado en órbita, los científicos inmediatamente comenzaron a buscar una posible solución que pudiera aplicarse durante la primera misión técnica, programada para 1993 . Aunque Kodak había terminado de fabricar un espejo de repuesto para el telescopio, no era posible reemplazarlo en el espacio y sacar el telescopio de la órbita para reemplazar el espejo en la Tierra sería demasiado largo y costoso. El hecho de que el espejo fuera pulido a una forma irregular con alta precisión llevó a la idea de desarrollar un nuevo componente óptico que realizara una conversión equivalente a un error, pero con el signo opuesto. El nuevo dispositivo funcionaría como los anteojos de un telescopio, corrigiendo la aberración esférica [50] .

Debido a la diferencia en el diseño de los instrumentos, fue necesario desarrollar dos dispositivos correctores diferentes. Uno era para una cámara planetaria de gran formato, que tenía espejos especiales que redirigían la luz a sus sensores, y la corrección se podía hacer usando espejos de una forma diferente que compensaría por completo la aberración. Se proporcionó un cambio correspondiente en el diseño de la nueva cámara planetaria. Otros dispositivos no tenían superficies reflectantes intermedias y, por lo tanto, necesitaban un dispositivo corrector externo [51] .

Sistema de Corrección Óptica (COSTAR)

El sistema diseñado para corregir la aberración esférica se denominó COSTAR y constaba de dos espejos, uno de los cuales compensaba el defecto [52] . Para instalar COSTAR en el telescopio, fue necesario desmontar uno de los instrumentos, y los científicos decidieron donar el fotómetro de alta velocidad [53] [54] .

Durante los tres primeros años de funcionamiento, antes de la instalación de los dispositivos correctores, el telescopio realizó un gran número de observaciones [43] [55] . En particular, el defecto tuvo poco efecto en las mediciones espectroscópicas. A pesar de los experimentos cancelados debido a un defecto, se han logrado muchos resultados científicos importantes, incluido el desarrollo de nuevos algoritmos para mejorar la calidad de la imagen mediante la deconvolución [56] .

Mantenimiento del telescopio

El mantenimiento del Hubble se llevó a cabo durante las caminatas espaciales del transbordador espacial " Space Shuttle " .

En total, se llevaron a cabo cuatro expediciones para dar servicio al telescopio Hubble, una de las cuales se dividió en dos incursiones [57] [58] .

Primera expedición

En relación con el defecto revelado del espejo, la importancia de la primera expedición de mantenimiento fue especialmente grande, ya que hubo que instalar ópticas correctoras en el telescopio. El vuelo "Endeavour" STS-61 tuvo lugar del 2 al 13 de diciembre de 1993 , el trabajo en el telescopio continuó durante diez días. La expedición fue una de las más difíciles de la historia, como parte de la cual se realizaron cinco largas caminatas espaciales. .

Se reemplazó el fotómetro de alta velocidad por un sistema de corrección óptica, se reemplazó la Cámara Planetaria y de Campo Amplio por un nuevo modelo ( WFPC2 ( Cámara Planetaria y de Campo Amplio 2 ) con sistema interno de corrección óptica [53] [54]) . La cámara tenía tres CCD cuadrados conectados en una esquina y un sensor "planetario" más pequeño y de mayor resolución en la cuarta esquina. Por lo tanto, los planos de cámara tienen la forma característica de un cuadrado desportillado [59] .  

Además, se reemplazaron los paneles solares y los sistemas de control de la batería, cuatro giroscopios del sistema de guía , dos magnetómetros y se actualizó el sistema informático a bordo. También se realizó una corrección de órbita, necesaria debido a la pérdida de altitud por el rozamiento del aire al moverse en la alta atmósfera .

El 31 de enero de 1994, la NASA anunció el éxito de la misión y mostró las primeras imágenes de mucha mejor calidad [60] . La finalización exitosa de la expedición fue un gran logro tanto para la NASA como para los astrónomos, que ahora tienen un instrumento completo a su disposición.

Segunda expedición

El segundo mantenimiento se realizó del 11 al 21 de febrero de 1997 como parte de la misión Discovery STS-82 [61] . El espectrógrafo Goddard y el espectrógrafo de objetos tenues han sido reemplazados por el espectrógrafo de imágenes del telescopio espacial STIS ) y la cámara de infrarrojo cercano y el espectrómetro de objetos múltiples (NICMOS )   .

NICMOS permite observaciones y espectrometría en el rango infrarrojo de 0,8 a 2,5 µm. Para obtener las bajas temperaturas necesarias, el detector del dispositivo se colocó en un recipiente Dewar y se enfrió hasta 1999 con nitrógeno líquido [61] [62] .

STIS tiene un rango de trabajo de 115-1000 nm y le permite realizar espectrografía bidimensional, es decir, obtener el espectro de varios objetos simultáneamente en el campo de visión. .

También se sustituyó el registrador de a bordo, se reparó el aislamiento térmico y se corrigió la órbita [61] [63] .

Tercera Expedición (A)

La expedición 3A ( Discovery STS-103 ) tuvo lugar del 19 al 27 de diciembre de 1999 , luego de que se tomara la decisión de llevar a cabo parte del trabajo del tercer programa de servicio antes de lo previsto. Esto se debió al hecho de que fallaron tres de los seis giroscopios del sistema de guía. El cuarto giroscopio falló unas semanas antes del vuelo, dejando el telescopio inutilizable para las observaciones. La expedición reemplazó los seis giroscopios, el sensor de guía fina y la computadora a bordo . La nueva computadora usó el procesador Intel 80486 en un diseño especial, con mayor resistencia a la radiación. Esto hizo posible realizar algunos de los cálculos que se realizaban anteriormente en la Tierra utilizando el complejo a bordo [64] .

Tercera expedición (B)

Expedición 3B (cuarta misión) completada del 1 al 12 de marzo de 2002, durante el vuelo STS-109 de Columbia . Durante la expedición, la cámara de objetos oscuros fue reemplazada por una Cámara avanzada para encuestas ( ACS) .  El instrumento NICMOS (cámara de infrarrojo cercano y espectrómetro multiobjeto), cuyo sistema de enfriamiento se quedó sin nitrógeno líquido en 1999, volvió a funcionar; el sistema de enfriamiento se reemplazó con una unidad de refrigeración de circuito cerrado que opera en el ciclo Brayton inverso [65 ] .

Los paneles solares fueron reemplazados por segunda vez . Los nuevos paneles eran un tercio más pequeños en área, lo que redujo significativamente las pérdidas por fricción en la atmósfera, pero al mismo tiempo generó un 30% más de energía, lo que hizo posible trabajar simultáneamente con todos los instrumentos instalados a bordo del observatorio. También se reemplazó la unidad de distribución de energía, lo que requirió un corte total de energía a bordo por primera vez desde el lanzamiento [66] .

El trabajo realizado amplió significativamente las capacidades del telescopio. Dos instrumentos puestos en funcionamiento durante el trabajo -ACS y NICMOS- permitieron obtener imágenes del espacio profundo .

Cuarta expedición

El quinto y último mantenimiento (SM4) se realizó del 11 al 24 de mayo de 2009 , como parte de la misión Atlantis STS-125 . La reparación incluyó el reemplazo de uno de los tres sensores de guía de precisión, todos los giroscopios, la instalación de baterías nuevas, la unidad formateadora de datos y la reparación del aislamiento térmico. También se restauró el rendimiento de la cámara de observación mejorada y el espectrógrafo de grabación, y se instalaron nuevos instrumentos [67] .

Debate

Anteriormente, la próxima expedición estaba prevista para febrero de 2005 , pero tras el desastre del transbordador Columbia en marzo de 2003, se pospuso indefinidamente, lo que puso en peligro el trabajo posterior del Hubble. Incluso después de la reanudación de los vuelos del transbordador, la misión se canceló porque se decidió que todo transbordador que viajara al espacio debería poder llegar a la ISS en caso de mal funcionamiento, y debido a la gran diferencia de inclinación y altitud de las órbitas, el El transbordador no pudo atracar en la estación después de visitar el telescopio [68] [69] .

Bajo la presión del Congreso y del público para tomar medidas para salvar el telescopio, el 29 de enero de 2004, Sean O'Keefe , entonces administrador de la NASA, anunció que reconsideraría la decisión de cancelar la expedición al telescopio [70] .  

El 13 de julio de 2004, un comité oficial de la Academia de Ciencias de EE. UU. aceptó la recomendación de preservar el telescopio a pesar del evidente riesgo, y el 11 de agosto de ese año, O'Keeffe instruyó al Centro Goddard para que preparara propuestas detalladas de robótica . mantenimiento del telescopio . Después de estudiar este plan, se reconoció como "técnicamente inviable" [70] .

El 31 de octubre de 2006, Michael Griffin, el nuevo administrador de la NASA, anunció oficialmente la preparación de la última misión para reparar y actualizar el telescopio [71] .

Trabajos de reparación

Al comienzo de la expedición de reparación, se habían acumulado una serie de fallas a bordo que no podían eliminarse sin una visita al telescopio: los sistemas de energía de respaldo del espectrógrafo de grabación (STIS) y la cámara de inspección avanzada (ACS) fallaron, como por lo que STIS dejó de operar en 2004, y ACS trabajó de forma limitada. De los seis giroscopios del sistema de orientación, solo funcionaban cuatro. Además, las baterías de níquel-hidrógeno del telescopio requerían reemplazo [72] [73] [74] [75] [76] .

Los fallos de funcionamiento se eliminaron por completo durante la reparación, mientras que se instalaron dos instrumentos completamente nuevos en el Hubble: se instaló el espectrógrafo ultravioleta ( Espectrógrafo de origen cósmico en inglés  , COS ) en lugar del sistema COSTAR; Dado que todos los instrumentos actualmente a bordo tienen medios incorporados para corregir el defecto del espejo principal, la necesidad del sistema ha desaparecido. La cámara gran angular WFC2 ha sido reemplazada por un nuevo modelo - WFC3 ( Wide Field Camera 3 ), que tiene mayor resolución y sensibilidad, especialmente en los rangos infrarrojo y ultravioleta [77] .  

Se planeó que después de esta misión, el telescopio Hubble continuaría operando en órbita al menos hasta 2014 [77] .

Logros

Durante 15 años de trabajo en la órbita cercana a la Tierra, Hubble recibió 1,022 millones de imágenes de objetos celestes: estrellas, nebulosas, galaxias, planetas. El flujo de datos que genera mensualmente en el proceso de observaciones es de unos 480 GB [78] . Su volumen total acumulado durante toda la vida útil del telescopio superó los 80 terabytes en 2018 [1] . Más de 3900 astrónomos han podido utilizarlo para observaciones, se han publicado unos 4000 artículos en revistas científicas . Se ha establecido que, en promedio, el índice de citación de artículos astronómicos basados ​​en datos de este telescopio es el doble que el de artículos basados ​​en otros datos. Cada año, en la lista de los 200 artículos más citados, al menos el 10% son trabajos basados ​​en materiales del Hubble. Aproximadamente el 30 % de los artículos sobre astronomía en general y solo el 2 % de los artículos realizados con la ayuda del telescopio espacial tienen un índice de citas cero [79] .

Sin embargo, el precio que hay que pagar por los logros del Hubble es muy alto: un estudio especial sobre el impacto de varios tipos de telescopios en el desarrollo de la astronomía encontró que, aunque los trabajos realizados con el telescopio en órbita tienen una citación total índice 15 veces mayor que el de un reflector terrestre con un espejo de 4 metros, el costo de mantenimiento de un telescopio espacial es 100 o más veces mayor [80] .

Observaciones más significativas

  • Al medir las distancias a las Cefeidas en el Cúmulo de Virgo , se refinó el valor de la constante de Hubble . Antes de las observaciones del telescopio en órbita, el error en la determinación de la constante se estimaba en un 50 %; las observaciones han reducido el error, primero al 10 % [81] y ahora al 1,3 % [82] .
  • Hubble proporcionó imágenes de alta calidad del impacto de 1994 del cometa Shoemaker-Levy 9 en Júpiter .
  • Por primera vez se obtuvieron mapas de la superficie de Plutón [83] y Eris [84] .
  • Las auroras ultravioletas se observaron por primera vez en Saturno [85] , Júpiter y Ganímedes .
  • Se han obtenido datos adicionales sobre planetas fuera del sistema solar , incluidos datos espectrométricos [86] .
  • Se ha encontrado un gran número de discos protoplanetarios alrededor de estrellas en la Nebulosa de Orión [87] . Está comprobado que el proceso de formación de planetas ocurre en la mayoría de las estrellas de nuestra Galaxia .
  • Confirmó parcialmente la teoría de los agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias ; sobre la base de las observaciones, se planteó una hipótesis que vinculaba la masa de los agujeros negros y las propiedades de la galaxia [88] [89] .
  • Sobre la base de los resultados de las observaciones de los cuásares , se obtuvo un modelo cosmológico moderno , que es un Universo que se expande con aceleración, lleno de energía oscura , y se especificó la edad del Universo  : 13.700 millones de años [90] .
  • Se constató la presencia de equivalentes de estallidos de rayos gamma en el rango óptico [91] .
  • En 1995, Hubble realizó un estudio de una sección del cielo ( Hubble Deep Field ) con un tamaño de una treintamillonésima parte del área del cielo, que contenía varios miles de galaxias tenues. La comparación de esta zona con otra situada en otra parte del cielo ( Hubble Deep Field South ) confirmó la hipótesis sobre la isotropía del Universo [92] [93] .
  • En 2004 se fotografió una sección del cielo ( Hubble Ultra Deep Field ) con una exposición efectiva de unos 106 segundos (11,3 días), lo que permitió continuar el estudio de las galaxias lejanas hasta la era de la formación de las primeras. estrellas. Por primera vez se obtuvieron imágenes de protogalaxias, los primeros cúmulos de materia que se formaron menos de mil millones de años después del Big Bang [94] .
  • En 2012, la NASA lanzó la imagen Hubble Extreme Deep Field (XDF), que es una combinación de la región central de HUDF y nuevos datos de exposición de 2 millones de segundos [95] .
  • En 2013, tras estudiar las imágenes tomadas por el telescopio en 2004-2009, se descubrió el satélite Hippocampus de Neptuno .
  • En marzo de 2016, los astrónomos que usaron el telescopio Hubble descubrieron una galaxia brillante GN-z11 [96] en las imágenes .
  • En 2018, en la reunión 231 de la Sociedad Astronómica Estadounidense en Washington , se supo que el telescopio logró tomar una fotografía de cerca de una de las galaxias más antiguas conocidas en el Universo , que existe desde hace 500 millones de años después del Big Bang . [97] .
  • En mayo de 2019, se publicó una sección del cielo de 30 segundos de arco ( Hubble Legacy Field ), que combina datos recopilados de 7.500 imágenes durante 16 años de funcionamiento del telescopio [98] .

Acceso al telescopio

Cualquier persona u organización puede postularse para trabajar con el telescopio; no existen restricciones nacionales o académicas. La competencia por el tiempo de observación es muy alta, normalmente el tiempo total solicitado es de 6 a 9 veces mayor que el tiempo realmente disponible [99] .

Una convocatoria de propuestas para la observación se anuncia aproximadamente una vez al año. Las aplicaciones se dividen en varias categorías. :

  • Observaciones generales ( ing.  Observador general ). La mayoría de las aplicaciones que requieren el procedimiento habitual y la duración de las observaciones entran en esta categoría.
  • Las observaciones instantáneas ,  las observaciones que no requieren más de 45 minutos , incluido el tiempo de orientación del telescopio, permiten llenar los espacios entre las observaciones generales.
  • Objetivo de oportunidad , para estudiar fenómenos que se pueden observar dentro de una cantidad de tiempo limitada y predeterminada . 

Además, el 10% del tiempo de observación permanece en la llamada "reserva del Director del Instituto del Telescopio Espacial " [100] . Los astrónomos pueden solicitar el uso de la reserva en cualquier momento, generalmente se usa para observaciones de fenómenos no planificados a corto plazo, como explosiones de supernovas . Los estudios del espacio profundo bajo los programas Hubble Deep Field y Hubble Ultra Deep Field también se llevaron a cabo a expensas de la reserva del director. .

Durante los primeros años, parte del tiempo de la reserva se asignó a astrónomos aficionados [101] . Sus aplicaciones fueron consideradas por un comité compuesto también por los astrónomos laicos más destacados. Los principales requisitos para la postulación fueron la originalidad del estudio y la discrepancia entre el tema y las solicitudes presentadas por astrónomos profesionales. En total, entre 1990 y 1997 se realizaron 13 observaciones utilizando programas propuestos por astrónomos aficionados. Posteriormente, debido a recortes en el presupuesto del Instituto, se suspendió la provisión de tiempo para no profesionales [102] [103] .

Planificación de la observación

La planificación de la observación es una tarea extremadamente compleja, ya que es necesario tener en cuenta la influencia de muchos factores:

  • Dado que el telescopio está en órbita baja, lo cual es necesario para brindar servicio, la Tierra oscurece una proporción significativa de objetos astronómicos durante poco menos de la mitad del tiempo orbital. Hay una llamada "zona de visibilidad a largo plazo", aproximadamente en la dirección de 90° con respecto al plano de la órbita, sin embargo, debido a la precesión de la órbita, la dirección exacta cambia con un período de ocho semanas [104 ] .
  • Debido al aumento de los niveles de radiación , las observaciones no son posibles cuando el telescopio sobrevuela la Anomalía del Atlántico Sur [104] [105] .
  • La desviación mínima permisible del Sol es de unos 50° para evitar que la luz solar directa entre en el sistema óptico, lo que, en particular, imposibilita las observaciones de Mercurio , y se permiten las observaciones directas de la Luna y la Tierra con los sensores de guía fina apagados. [105] .
  • Debido a que la órbita del telescopio atraviesa la atmósfera superior, cuya densidad cambia con el tiempo, es imposible predecir con precisión la ubicación del telescopio. El error de una predicción de seis semanas puede ser de hasta 4.000 km. En este sentido, los horarios de observación exactos se elaboran solo con unos pocos días de anticipación para evitar la situación en la que el objeto elegido para la observación no es visible a la hora señalada [104] .

Transmisión, almacenamiento y procesamiento de datos telescópicos

Transmisión a la Tierra

Los datos del Hubble se almacenan primero en unidades integradas, las grabadoras de cinta de carrete a carrete se usaron en esta capacidad en el momento del lanzamiento , durante las Expediciones 2 y 3A se reemplazaron con unidades de estado sólido . Luego, a través de un sistema de satélites de comunicación TDRSS ubicados en órbita geoestacionaria, los datos son transmitidos al Centro Goddard [106] .

Archivo y acceso a datos

Durante el primer año a partir de la fecha de recepción, los datos son entregados únicamente al investigador principal (solicitante de observación), y luego colocados en un archivo de libre acceso [107] . El investigador puede presentar una solicitud al director del instituto para una reducción o ampliación de este plazo [108] .

Las observaciones realizadas a expensas del tiempo de la reserva del director, así como los datos auxiliares y técnicos, pasan a ser de dominio público de forma inmediata. .

Los datos en el archivo se almacenan en el formato FITS , lo cual es conveniente para el análisis astronómico [109] .

Análisis y procesamiento de la información

Los datos astronómicos tomados de las matrices CCD de instrumentos deben sufrir una serie de transformaciones antes de que sean adecuados para el análisis. El Instituto del Telescopio Espacial ha desarrollado un paquete de software para la conversión y calibración automática de datos. Las transformaciones se realizan automáticamente cuando se solicitan los datos. Debido a la gran cantidad de información y la complejidad de los algoritmos , el procesamiento puede demorar un día o más [110] .

Los astrónomos también pueden tomar los datos sin procesar y realizar este procedimiento ellos mismos, lo cual es útil cuando el proceso de conversión es diferente del estándar [110] .

Los datos se pueden procesar usando varios programas, pero el Telescope Institute proporciona el paquete STSDAS ( Eng.  Space Telescope Science Data Analysis System  - "Science Telescope Science Data Analysis System"). El paquete contiene todos los programas necesarios para el procesamiento de datos, optimizados para trabajar con información del Hubble. El paquete funciona como un módulo del popular programa de astronomía IRAF [111] .

Paleta Hubble

La cámara gran angular, el principal instrumento del Hubble, es en sí misma en blanco y negro, pero está equipada con un amplio cargador de filtros de banda estrecha. Bajo el nombre de "paleta de Hubble", el ensamblaje de una imagen en color a partir de tres imágenes en diferentes longitudes de onda pasó a la historia [112] :

Las imágenes se alinean por brillo, se combinan y se declaran como canales de imágenes RGB . Es en esta paleta donde se crearon la mayoría de las imágenes en color conocidas del Hubble [113] . Debe comprender que los colores no son verdaderos, y cuando se dispara en colores verdaderos (por ejemplo, con una cámara), la Nebulosa de la Burbuja será roja .

Relaciones Públicas

Siempre ha sido importante para el proyecto del Telescopio Espacial captar la atención y la imaginación del público en general y, en particular, de los contribuyentes estadounidenses que han hecho la contribución más significativa a la financiación del Hubble. .

Uno de los más importantes para las relaciones públicas es el proyecto Hubble Heritage [ [ 115] .  Su misión es publicar las imágenes más agradables visual y estéticamente tomadas por el telescopio. Las galerías de proyectos contienen no solo imágenes originales en formato JPG y TIFF , sino también collages y dibujos creados a partir de ellas. Al proyecto se le asignó una pequeña cantidad de tiempo de observación para obtener imágenes en color completas de los objetos, cuya fotografía en la parte visible del espectro no fue necesaria para la investigación. .

Además, el Instituto del Telescopio Espacial mantiene varios sitios web con imágenes e información completa sobre el telescopio [116] .

En 2000, se creó la Oficina de Alcance Público para coordinar los esfuerzos de varios departamentos .  .

En Europa, desde 1999, el Centro Europeo de Información ( Eng.  Hubble European Space Agency Information Center , HEIC ), establecido en el Centro Europeo de Coordinación del Telescopio Espacial , se ha dedicado a las relaciones públicas . El centro también es responsable de los programas educativos de la ESA relacionados con el telescopio [117] .

En 2010, se estrenó la película " Hubble IMAX 3D " en formato IMAX , que habla sobre el telescopio y las distancias espaciales. Película dirigida por Tony Myers .

El futuro del Hubble

El telescopio Hubble ha estado en órbita durante más de 30 años . Después de las reparaciones realizadas por la Expedición 4, se esperaba que Hubble operara en órbita hasta 2014 [118] , después de lo cual sería reemplazado por el telescopio espacial James Webb . Pero un exceso de presupuesto significativo y un retraso en la construcción del James Webb obligaron a la NASA a posponer la fecha prevista de lanzamiento de la misión, primero a septiembre de 2015 y luego a octubre de 2018. El lanzamiento tuvo lugar el 25 de diciembre de 2021 [119] .

En noviembre de 2021 se prorrogó el contrato de operación del telescopio hasta el 30 de junio de 2026 [120] .

Tras la finalización de la operación, el Hubble será hundido en el Océano Pacífico, eligiendo para ello una zona no navegable. Según estimaciones preliminares, unas 5 toneladas de escombros permanecerán sin quemar, con una masa total del telescopio espacial de 11 toneladas. Según los cálculos, debería salir de órbita después de 2030. .

Fallos

El 5 de octubre de 2018 falló el tercero de los seis giroscopios de orientación del telescopio; al intentar poner en funcionamiento el último giroscopio de respaldo, se descubrió que su velocidad de rotación era muy superior a la normal, y el telescopio fue puesto en modo seguro. . Al realizar una serie de maniobras y encender repetidamente el giroscopio en diferentes modos, el problema se resolvió y el telescopio se cambió al modo normal el 26 de octubre. El funcionamiento completo del telescopio requiere la presencia de tres giroscopios de trabajo, debido al agotamiento de los giroscopios de reserva, después de la próxima falla, el telescopio cambiará al modo de operación con un giroscopio, y el segundo restante será transferido a la reserva Esto reducirá la precisión de puntería y puede hacer que ciertos tipos de observaciones sean imposibles, pero permitirá que el Hubble funcione el mayor tiempo posible [121] .

El 8 de enero de 2019, la cámara de campo amplio 3 del telescopio se apagó automáticamente debido a niveles anormales de voltaje en el circuito de alimentación [122] . En el curso del trabajo para restaurar el funcionamiento del dispositivo, se encontró que la cámara funciona normalmente y los valores de voltaje anormales se deben a fallas en el funcionamiento de los equipos de control y medición. Después de reiniciar las unidades pertinentes, el problema se solucionó y el 17 de enero se restableció por completo el funcionamiento de la cámara [123] .

El 13 de junio de 2021, la computadora de carga útil a bordo NSSC-1 (NASA Standard Spacecraft Computer-1), que controla y coordina el trabajo de los instrumentos científicos, dejó de responder a los comandos. Al día siguiente, el equipo de operaciones no pudo reiniciar la computadora ni cambiar al módulo de memoria de repuesto. En la noche del 17 de junio, la NASA falló en repetidos intentos de reiniciar y cambiar, y luego intentó sin éxito arreglar la falla en la computadora a bordo y reanudar las observaciones científicas; todo este tiempo el telescopio funcionó en modo seguro. La NASA declaró que el propio telescopio y los instrumentos científicos en él están en "buenas condiciones" [124] [125] . El 15 de julio de 2021, los ingenieros de la NASA cambiaron con éxito al equipo de reserva y pusieron en marcha la computadora de carga útil [126] . Las observaciones científicas se reanudaron en la tarde del 17 de julio de 2021 [127] .

Datos técnicos

Parámetros de órbita

Nave espacial

  • La nave espacial mide 13,3 m de largo , 4,3 m de diámetro (dos paneles solares tienen un tamaño de 2,6 × 7,1 m ) y pesa 11 toneladas [1] (alrededor de 12,5 toneladas con los instrumentos instalados ).
  • El telescopio es un reflector Ritchey-Chrétien con un espejo principal de 2,4 m de diámetro , lo que permite obtener una imagen con una resolución óptica de aproximadamente 0,1  segundos de arco [4] [129] .

Electrodomésticos

El telescopio tiene una estructura modular y contiene cinco compartimentos para instrumentos ópticos. Uno de los compartimentos estuvo ocupado durante mucho tiempo (1993-2009) por un sistema óptico correctivo (COSTAR), instalado durante la primera expedición de mantenimiento en 1993 para compensar imprecisiones en la fabricación del espejo primario. Dado que todos los instrumentos instalados después del lanzamiento del telescopio tienen sistemas de corrección de defectos incorporados, durante la última expedición fue posible desmantelar el sistema COSTAR y usar el compartimiento para instalar un espectrógrafo ultravioleta. .

Cronología de las instalaciones de instrumentos a bordo del telescopio espacial (los instrumentos recién instalados están en cursiva) :

Compartimento 1 Compartimento 2 Compartimento 3 Compartimento 4 Compartimento 5
Lanzamiento del telescopio (1990) Cámara gran angular y planetaria Espectrógrafo Goddard de alta resolución Cámara para fotografiar objetos oscuros Espectrógrafo de objetos tenues fotómetro de alta velocidad
Primera expedición (1993) Cámara gran angular y planetaria - 2 Espectrógrafo Goddard de alta resolución Cámara para fotografiar objetos oscuros Espectrógrafo de objetos tenues sistema COSTAR
Segunda expedición (1997) Cámara gran angular y planetaria - 2 Espectrógrafo de grabación de telescopio espacial Cámara para fotografiar objetos oscuros Cámara y espectrómetro multiobjeto NIR sistema COSTAR
Tercera expedición (B) (2002) Cámara gran angular y planetaria - 2 Espectrógrafo de grabación de telescopio espacial Cámara de visión general avanzada Cámara y espectrómetro multiobjeto NIR sistema COSTAR
Cuarta expedición (2009) Cámara ancha - 3 Espectrógrafo de grabación de telescopio espacial Cámara de visión general avanzada Cámara y espectrómetro multiobjeto NIR espectrógrafo ultravioleta

Como se señaló anteriormente, el sistema de orientación también se utiliza con fines científicos. .

Véase también

Notas

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Literatura

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