Hubblův dalekohled rozšiřuje obzory

Hubblův dalekohled je největší optický dalekohled obíhající Zemi. Byl koncipován jako trvalá družicová observatoř, která má sloužit mezinárodní astronomii po patnáct roků. Vznikl spoluprací americké NASA a evropské kosmické agentury ESA. Nese jméno astronoma Edwina Powella Hubbla (1889 – 1953), který pracoval na hvězdárně Mt. Wilson a později na Mt. Palomaru v Kalifornii. Ve dvacátých letech tento americký astronom objevil rozpínání vesmíru a dokázal, že galaxie jsou obrovské systémy hvězd a ne mlhoviny. (Přesto svou knížku o galaxiích ještě nazval The Realm of Nebulae = Království mlhovin).

Historie Hubblova dalekohledu

Návrh družicového dalekohledu podala roku 1962 skupina astronomů, kterou vedl nedávno zesnulý Lyman Spitzer z Princetonu (viz Vesmír 76, 293, 1997/5). Plán se měnil a byly potíže s Kongresem, který uvolňoval finance na realizaci. Konečný návrh předložila skupina vědců z 38 ústavů až r. 1977 a týž rok Kongres uvolnil finance. Dalekohled byl dokončen roku 1985.

Na oběžnou dráhu měl být dalekohled vynesen v r. 1986 raketoplánem. Havárie raketoplánu Challenger v lednu toho roku však posunula vypuštění o čtyři roky. A když byl konečně 25. dubna 1990 dalekohled úspěšně vynesen raketoplánem Discovery na oběžnou dráhu, přišla další Jobova zvěst: hlavní zrcadlo dalekohledu je chybně vybroušeno. Je příliš ploché. Okraj zrcadla byl při broušení o dvě tisíciny milimetru snížen proti plánům. To je chyba dvěstěkrát větší, než je přesnost, s jakou zrcadlo bylo broušeno (10 nanometrů). Bod se zobrazoval jako rozmazaná malá skvrnka a rozlišovací schopnost se tím značně zhoršila. To byla smutná zpráva pro astronomy po celém světě, a zvláště v USA.

Chybu naštěstí zcela napravili astronauti po třech letech při prvém plánovaném obslužném letu. Širokoúhlá kamera byla vyměněna za dokonalejší a astronauti přidali korekční člen (COSTAR, „brýle“), který vykompenzoval vadu hlavního zrcadla pro ostatní tři přístroje. Výsledky byly nad očekávání dobré. Rozlišovací schopnost se podstatně zlepšila.

Mamutí, a přesto velmi jemný a citlivý

Hubblův dalekohled je dvanáctitunový kolos (obrázek obrázek). Obíhá Zemi ve výšce 600 kilometrů jednou za 95 minut. Je to upravený Cassegrainův (tzv. Ritcheyův-Chrétienův) optický systém. Hlavní zrcadlo je z křemene s velmi malou teplotní roztažností. Váží 820 kilogramů a má průměr 2,4 metru. Povrch zrcadla je neuvěřitelně hladký: nerovnosti nepřesahují jednu stotisícinu milimetru (deset nanometrů). Je pokoven tenkou vrstvičkou čistého hliníku, která velmi dobře odráží světlo. Ještě tenčí vrstvička fluoridu hořečnatého pokrývá hliník. Fluorid chrání hliník před okysličením a odráží ultrafialové záření. Dalekohled pozoruje ve světle, v ultrafialovém a v infračerveném záření.

Pět metrů nad hlavním zrcadlem je umístěno pomocné (sekundární) zrcadlo. Má průměr 30 cm. Odráží dopadající paprsky zpět do otvoru v hlavním zrcadle. Část oblohy zobrazená v ohnisku je stejně velká, jakou zabírá Měsíc (29 obloukových minut).

Vědecké přístroje

Za hlavním zrcadlem jsou umístěny vědecké přístroje. Ve vnitřní části zorného pole pracují dvě kamery:

• širokoúhlá/planetární kamera 2 WF/PC2 (Wide Field/Planetary Camera 2; ta předcházející WF/PC1 byla odstraněna při prvém obslužném letu v r.1993),
• kamera pro slabé objekty FOC (Faint Object Camera), vybudovaná Evropskou kosmickou agenturou (ESA) a dva spektrografy:
• spektrograf pro slabé objekty FOS (Faint Object Spectrograph),
• Goddardův spektrograf s vysokým rozlišením GHRS (Goddard High Resolution Spectrograph).

Vnější obvodovou část zorného pole využívají jemná čidla vedení. Ta jsou natolik směrově citlivá, že se používají k astrometrickým účelům. Katalog, který slouží k nasměrování dalekohledu, obsahuje údaje o 19 milionech hvězd. Čidla udržují směr dalekohledu s vysokou přesností (setiny úhlové vteřiny) i během mnohahodinových expozic.

Zatímco pozemské dalekohledy jen zřídka dosáhnou lepšího rozlišení než jedna úhlová vteřina, Hubblův dalekohled může dosáhnout setin vteřiny. Tak vysoká rozlišovací schopnost umožnila uvidět podrobnosti na povrchu planet, disk hvězdy Betelgeuse (viz Vesmír 75, 195, 1996/4) a obří komety v umírající planetární soustavě Helix.

Hubblův dalekohled je i vysoce citlivý na intenzitu světla. Je desetimiliardkrát citlivější než sítnice našeho oka. Je tak jemný a citlivý, že by uviděl svatojánského broučka v Paříži. A kdyby tam byl brouček i se svou maminkou (vzdálenou jen centimetr), dalekohled by je rozpoznal oba dva.

Nervové centrum Hubblova dalekohledu

Veškerou technickou činnost dalekohledu kontroluje Operační kontrolní středisko Hubblova dalekohledu. Je v Goddardově středisku kosmických letů (GSFC) v Greenbeltu (Maryland), nedaleko Washingtonu DC. Je mozkem dalekohledu po stránce technické. Operační středisko je s dalekohledem neustále ve spojení. Dává mu příkazy co, kde, kdy a jak má pozorovat. Naopak přijímá od dalekohledu všechna pozorovaná data.

Dorozumívání Hubblova dalekohledu s Operačním a kontrolním střediskem v Greenbeltu vzorně funguje, přestože není bezprostřední (viz obr. obrázek). Napozorovaná data (např. barevný obraz galaxie) i technické údaje o funkci všech systémů dalekohledu posílá dalekohled v binární formě. Velmi rychle (Mb za vteřinu) jsou předávána prostřednictvím systému geostacionárních družic na pozemní stanici na White Sands Missile Center v Novém Mexiku. Odtud jsou informace zasílány (přes vnitrostátní geostacionární družici) do Operačního kontrolního střediska. Tam výkonné počítače nejprve prověří data a roztřídí je na technická (určená pro Operační kontrolní středisko) a vědecká. Všechny vědecké informace jsou předávány do zvláštního ústavu v Baltimore v Marylandu.

Zanech nadějí kdo sem vcházíš

Odpovědnost za provádění a koordinaci všech vědeckých operací Hubblova dalekohledu byla svěřena Vědeckému ústavu kosmického dalekohledu (STScI = Space Telescope Scientific Institute) na Hopkinsově univerzitě v Baltimore. Ústav spadá pod Sdružení univerzit pro výzkum v astronomii (AURA). O pozorovací čas dalekohledu žádají astronomové z mnoha zemí světa ředitelství ústavu. Žádosti jsou posuzovány po stránce vědecké i technické. Kapacita Hubblova dalekohledu může vyhovět pouze každému desátému žadateli.

Pro žadatele – pokud je jeho žádost vyřízena – pak nastane krušný čas, neboť pozorování Hubblovým dalekohledem je mnohem složitější a náročnější než u pozemského dalekohledu. Zkušení astronomové říkají, že se daleko snadněji a pohodlněji pozoruje velkým pozemským dalekohledem, který zlobí, než Hubblovým dalekohledem, který vzorně poslouchá. Pracovníci ústavu chtěli dát nad vchod citát uvedený v nadpisu kapitoly (z Dantova Pekla). Je však třeba zdůraznit, že získané poznatky jsou jedinečné a věru stojí za veškerá trápení a námahu.

Co Hubblův teleskop pozoruje?

V minulých šesti letech dalekohled pozoroval osm tisíc nebeských objektů. Je to daleko více než počet hvězd viditelných na noční obloze pouhým okem. Přinesl řadu překvapivých objevů a nových poznatků. Značně rozšířil náš vesmírný obzor a prohloubil dřívější vědomosti o vesmíru. Uveďme několik příkladů.

Ve sluneční soustavě sleduje povrch i atmosféru planet, jejich družice a prstence. Sledoval komety, zvláště pak dopad jednotlivých kusů roztrhané komety SL9 na Jupitera (viz Vesmír 75, 316, 1996/6). Dvě desítky nových objektů (superkomet, kentaurů) z Kuiperova pásu – to jest z pomezí sluneční soustavy – jsme poznali díky Hubblovu teleskopu. Do této nově objevené skupiny členů sluneční soustavy patří patrně i Pluto, jehož povrch nám teleskop ukázal (viz Vesmír 75, 293, 1996/5).

Cenné poznatky přinesl o zrodu, vývoji a zániku hvězd. Hvězda začíná vznikat globulí – chladným zhustkem mezihvězdného prachu a plynu. Na pozadí zářících mlhovin se globule jeví jako černé chomáčky. Těch je všude bezpočtu a byly známy už dříve. Vlastní gravitací se smršťují do vejčitého či kulového tvaru. V takovém pokročilejším vývojovém stadiu je objevil Hubblův dalekohled v mlhovině M16 (nazývané Orlí hnízdo). To už mají vejčitý tvar, a proto se jim někdy říká orlí vejce nebo obecně mezihvězdná vejce.

Vznik planetárních soustav. Další stupeň zrodu hvězd objevil dalekohled ve Velké mlhovině v Orionově meči. Tam už v řadě případů středová část mezihvězdného vejce září a je obklopena pracho-plynovým prstencem. Je to zbylý materiál z globule, z něhož vzniknou planety kolem rodící se hvězdy. Těm diskům kroužícím kolem rodících se hvězd se říká protoplanetární disky, nebo též proplydy. Protoplanetárních disků kolem rodících se hvězd nebo mladých hvězd je už známo mnoho. Planetární soustavy jsou ve Vesmíru běžným jevem.

Hubblův dalekohled nám dovolil nahlédnout do sklonku hvězdného života. Zánik hvězd je dokumentován na řadě snímků. Hvězdy podobné našemu Slunci ke konci svého života odvrhují vnější vrstvy a zůstává z nich jen malý degenerovaný bílý trpaslík. Rozpínající se žhavé vrstvy „vypaří všechny planety“, jimiž byla zanikající hvězda obklopena. Pozůstatek takové hvězdné agonie je planetární mlhovina. V rozpínajících se plynech jsou atomy pocházející nejen z hvězdy samé, ale i z jejích planet. Možná i z inteligentních bytostí na oněch planetách. Jisté je, že i naše Slunce se svými planetami skončí jako planetární mlhovina. Za sedm miliard roků.

Hvězdy hmotnější než naše Slunce končí svůj vývoj kolapsem vnitřní části a katastrofálním výbuchem částí vnějších. Takovou dramatickou agonii hvězdných obrů pozorujeme jako supernovu. Hubblovy snímky supernovy 1987a ve Velkém Magellanově oblaku, ale i supernov v jiných galaxiích nám dávají nahlédnout do procesů, v nichž se z vodíku budují chemické prvky.

Vesmír galaxií. Některé aktivní galaxie jsou velmi intenzivním zdrojem radiového záření. Z jejich jader jsou vyvrhována obrovská oblaka žhavých plynů rychlostmi mnoha tisíc kilometrů za vteřinu. Vytvářejí laloky dlouhé až miliony světelných let. K takovým dramatickým výbuchům jsou zapotřebí nepředstavitelná množství energie. Jejím zdrojem může být toliko gravitace obří černé díry, která se nachází ve středu galaxie. Hmotnost obřích černých děr je mnohomilionkrát až miliardkrát větší než hmotnost našeho Slunce.

Hubblův dalekohled skutečně dokázal existenci obří černé díry ve středu aktivní galaxie (viz Vesmír 74, 91, 1995/2). Spektrograf dalekohledu určil rychlost, s jakou prstenec plynů prachu a hvězd krouží kolem onoho neviditelného něčeho. Z rychlosti obíhání a vzdálenosti prstence od středu lze snadno vypočítat hmotnost onoho neviditelného. Je to obrovská hmotnost, miliardy hmotností našeho Slunce, a vměstnaná do poměrně malého prostoru ve středu galaxie. Je to obří černá díra, kterou přímo nelze spatřit; nemůže z ní totiž uniknout žádný paprsek světla.

V nejzazších oblastech vesmíru – tedy v minulosti asi deseti miliard roků – Hubblův dalekohled pozoruje rození galaxií. Přesně řečeno, pozoroval chomáčky svítících plynů a nově zrozených hvězd (tzv subgalaktické zhustky). Jsou to základní stavební jednotky, jejichž srážkami a stmelením postupem času galaxie vzniknou. Subgalaktické zhustky mají rozměry několika tisíc světelných let a obsahují miliardy nově zrozených hvězd. Z některých subgalaktických zhustků se vyvinuly kulové hvězdokupy. Ten proces budování galaxií ze subgalaktických zhustků, kulových hvězdokup a mezigalaktického plynu pokračuje dodnes jako tzv. galaktický kanibalizmus. Na galaktické srážky i na galaktický kanibalizmus je v archivech Hubblova teleskopu mnoho příkladů.

To bylo jen několik zajímavých výsledků z Hubblova dalekohledu. Měli bychom ještě hovořit o oblastech překotného zrodu hvězd, o srážkách galaxií, o gravitačních čočkách (viz barevné obrázky), o nejvzdálenějších končinách – a tedy nejmladších obdobích – vesmíru, kam až Hubblův dalekohled v prosinci 1995 dohlédl. Měli bychom se také zmínit o objevu reliktového helia v mezigalaktických prostorách (vznikl v prvých minutách vesmíru), o hnědých trpaslících, o kvazarech ve středu hostitelských galaxií, o kosmickém ultrafialovém laseru, o měření rychlosti, s jakou se vesmír rozpíná ...

Je toho příliš mnoho, co Hubblův teleskop spatřil a zaznamenal pro nás. Vždyť už uběhl asi půldruhé miliardy kilometrů, a přitom byl stále činný. Pořídil asi sto tisíc snímků osmi tisíc kosmických objektů. Všechna jeho pozorování jsou uložena v Ústavu dalekohledu v Baltimore asi na 400 optických discích (na jeden optický disk se vejde tolik informací jako na dvanáct disků CD-ROM). Evropská kosmická agentura (ESA) má uloženy totožné kopie v Evropském koordinačním ústavu pro Hubblův dalekohled v Garchingu u Mnichova.

Plány do budoucna

Podle původních plánů by měl Hubblův dalekohled skončit svou činnost v roce 2005, tedy po patnáctileté činnosti. Aby jeho činnost byla průběžně modernizována, byly k němu plánovány v tříletých intervalech obslužné lety. V rámci prvého, nejrozsáhlejšího letu v r. 1993 byly napraveny chyby hlavního zrcadla a vyměněna širokoúhlá kamera.

Při druhém obslužném letu v únoru 1997 astronauti odstranili kameru slabých objektů (FOC) a spektrograf s vysokým rozlišením (GHRS). Místo nich umístili zobrazující spektrograf STIS (Space Telescope Imaging Spectrograph) a infračervenou kameru se spektrografem pro mnoho objektů NICMOS (Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrograph). STIS je citlivý na široké spektrum – od ultrafialového po infračervené. Je pozoruhodný tím, že snímá 500 bodů současně, v jediné expozici. Podstatně zlepšil účinnost a rychlost snímání. NICMOS umožnil dalekohledu dohlédnout do větších vzdáleností, neboť infračervené záření snadno proniká mezihvězdným prachem.

NASA ve svém výhledovém plánu zatím počítá s dalšími dvěma expedicemi astronautů na kosmických raketoplánech k Hubblovu dalekohledu, a to v prosinci 1999 (STS-103) a v srpnu 2002 (STS-127). Během nich kromě běžné údržby vymění astronomické přístroje za modernější. Už dnes se však výhledově počítá s dalším letem v roce 2005.

Hubblův dalekohled podstatně rozšířil náš vesmírný obzor. Prohloubil dřívější znalosti a ukázal „děsivou krásu vesmíru“. Žádný dalekohled nezískal v krátké době šesti let tolik nových a překvapivých poznatků o vesmíru jako Hubblův. Období jeho činnosti se proto někdy označuje jako zlatá éra kosmického výzkumu.