Rymdteleskopet Hubble

Historia

Lyman Spitzer, 'fadern' till rymdteleskop

Redan 1946 föreslog astronomen Lyman Spitzer att ett teleskop utanför jordens atmosfär skulle kunna ta bilder med en upplösning som är omöjlig att uppnå från jordens yta. På jorden störs observationer av ett fenomen kallat seeing, orsakat av den turbulenta temperaturskiftningen i atmosfären, som får stjärnor att 'blinka'. År 1965 tillsattes Spitzer som ledare för en kommitté med mål att arbeta för ett rymdteleskop. Åren 1966 och 1968 sköts OAO-1 respektive OAO-2 (förkortning av Orbiting Astronomical Observatory) upp, två rymdteleskop som utnyttjade det ultravioletta spektrumet. Dessa gjorde många viktiga upptäckter och banade väg för Hubble.

Det fanns nu ett konsensus om att ett stort rymdteleskop med ett spegelteleskop borde konstrueras. I och med rymdfärjornas utveckling skulle det bli möjligt att underhålla ett dyrt rymdteleskop, så att det skulle kunna fungera under lång tid. Det visade sig dock vara svårt för NASA att skaffa pengar till projektet. Projektets omfattning reducerades därför och ett samarbete med den Europeiska rymdorganisationen inleddes. I slutet av 1970-talet började teleskopet så småningom planeras och konstrueras. Konstruktionen av de olika delarna utfördes på många olika håll runt om i världen av olika företag och organisationer. Bland annat tillverkade det amerikanska företaget PerkinElmer den 2,4 meter breda spegeln. År 1986 inträffade Challenger-olyckan, och rymdfärjetrafiken fick ett långt avbrott.

Efter många förseningar och budgetöverskridningar sköts Hubble-teleskopet upp den 24 april 1990n med hjälp av rymdfärja Discovery på dess uppdrag STS-31. Fram till dess hade hela projektet kostat cirka 2 miljarder dollar, vilket kan jämföras med den ursprungliga kostnadskalkylen på 400 miljoner dollar. Det visade sig dock att teleskopets spegel led av sfärisk aberration, vilket kraftigt reducerade dess kapacitet. År 1993 återställdes dock teleskopet till sitt planerade skick efter ett lyckat reparationsuppdrag, då man satte in Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement (COSTAR). Den 1 mars 2002 installerades den kamera som kallas Advanced Camera for Surveys i Hubble (STS-109). Kameran innebar en effektivitetsförbättring på 10 ggr.

Teleskopet har 2006 tjänstgjort i 16 år och är nu i behov av ytterligare reparationer. Den totala kostnaden för projektet beräknas till mellan 4 och 6,5 miljarder dollar, medan Europa dessutom har bidragit med 593 miljoner euro (till och med år 1999).

Teknik, konstruktion och instrument

Rymdfärjefärderna

Uppskjutningen

Discovery/STS-31 24 - 29 april 1990

Servicefärd 1

Astronauter arbetar med Hubble under det första serviceuppdraget

Teleskopet konstruerades så att man skulle kunna utföra underhåll på det även efter att det placerats i omloppsbana. När problemen med speglen uppdagats blev det angeläget att göra ett första serviceuppdrag. Astronauterna var tvungna att utföra svåra ingrepp i bytet av optiken. De sju som valdes ut för uppdraget tränades intensivt för att kunna använda de hundratals verktyg som tagits fram speciellt för uppdraget. Uppdraget STS-61 med rymdfärjan Endeavour ägde rum i december 1993 och involverade installationen av ett antal instrument och annan utrustning. Uppdraget pågick i 10 dagar.

Utveckligen i Hubbles bilder efter det första serviceuppdraget

I första hand skulle High Speed Photometer bytas ut mot COSTARs korrigerande optik, och WFPC skulle ersättas med Wide Field and Planetary Camera 2en (WFPC2). Till detta skulle solpanelerna och dess drivelektronik ersättas, liksom fyra av gyroskop som används för att rikta teleskopet. Datorerna ombord uppgraderades också, varpå den återstående uppgiften var att korrigera teleskopets omloppsbana efter det att det sakta hade sjunkit i tre års tid på grund av det svaga luftmotstånd som trots allt skapas av den tunna övre atmosfären.

Den 13 januari, 1994, meddelade NASA att uppdraget hade varit en framgång och visade därefter många av de skarpare bilderna.Trauger J.T., Ballester G.E., Burrows C.J., Casertano S., Clarke J.T., Crisp D. (1994), The on-orbit performance of WFPC2, Astrophysical Journal Letters, v. 435, p. L3-L6 Uppdraget hade varit ett av de mest komplexa någonsin med bland annat fem långa rymdpromenader. Framgången var viktig för NASA och astronomin som nu återigen hade ett fullt fungerande teleskop att utforska okända galaxer med.

Servicefärd 2

Serviceuppdrag 2 skedde med hjälp av Discovery (STS-82) i februari 1997 ersatte GHRS och FOS med Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS) och Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS), en vetenskaplig bandspelare byttes ut mot en ny Solid State-spelare, värmeisoleringen reparerades och Hubbles omloppsbana höjdes återigen. NICMOS, byggt av Ball Aerospace; innehåller en kylare med fast kväve för att reducera värmebrus, men kort efter att den installerats skedde en oväntad expansion, vilket gjorde att kylaren kom i kontakt med en optisk omvandlare. Detta ledde till att instrumentet kommer att värmas upp fortare och sänkte dess ursprungliga livstid från 4,5 år till ungefär 2 år.

Servicefärd 3A

Serviceuppdrag 3A skedde med hjälp av Discovery (STS-103en) i december 1999, en uppdelning från Serviceuppdrag 3 efter att tre av de sex gyroskop ombord hade upphört att fungera. (Ett fjärde slutade fungera några få veckor innan uppdraget, vilket gjorde att teleskopet inte kunde utföra några observationer). Uppdraget bytte ut alla sex gyroskopen, ersatte rörelsesensor och en dator, installerade en Voltage/temperature Improvement Kit (VIK) för att förebygga överladdning i batterierna, och ersatte värmeisoleringsplattor. Den nya datorn var baserad på en strålningsskyddad Intel 486 och gjorde att några arbetsuppgifter, som tidigare endast kunde utföras på jorden, nu kunde göras ombord.

Servicefärd 3B

Hubble 'fångad' av rymdfärjan ovanför jorden;

Serviceuppdrag 3B skedde med hjälp av Columbia (STS-109) i mars 2002. Astronauterna ersatte FOC med Advanced Camera for Surveys (ACS) samt reparerade NICMOS, som hade slutat att fungera 1999. ACS byggdes för NASA av Ball Aerospace & Technologies Corp;. Ett nytt kylningssystem installerades också för att reducera instrumentets temperatur tillräckligt, så att man skulle kunna använda det igen. Det blev dock inte så kallt som den ursprungliga designern ville ha.STSci NICMOS pages

En av solpanelerna byttes ut för andra gången. De nya solpanelerna erhölls från samma tillverkare som byggde Iridiumsatelliternaerer och var endast två tredjedelar av storleken av de som tidigare använts, samtidigt som de gav 30 % mer energi. Denna extra energi gjorde att alla instrument på Hubble kunde vara igång samtidigt. Vibrationer som tidigare förekommit i samband med att panelernas växlade mellan att vara i direkt solljus och mörker, hade i och med de nya panelernas större flexibilitet reducerats kraftigt. Hubbles Power Distribution ersattes också för att råda bot på ett problem med besvärliga relä. Denna procedur gjorde att teleskopet behövde stängas av helt för första gången sedan det sköts upp.

Detta uppdrag ökade Hubbles förmåga. De två instrument som detta uppdrag huvudsakligen handlade om, ACS och NICMOS, tog tillsammans Hubble Ultra Deep Field år 2003 till 2004.

Servicefärd 4

STS-125 är planerad till att lyfta 11 september 2008 och kommer att bli den sista servicefärden till rymdteleskopet enligt nu gällande program med rymdfärjorna.

Vetenskapliga upptäckter

Örnnebulosan är en av Hubbles mest kända bilder

Hubble har försett astronomin med en otrolig mängd mätdata, som redan lett till ny kunskap inom kosmologi och om olika fenomen i såväl det avlägsna universum som i vårt eget solsystem. I flera fall har det gällt frågor om tidigare mycket komplexa problem. Likväl har teleskopet kommit fram med så unika resultat att man behövde nya teorier för att förklara dem. Registrerade mätdata kommer att kunna användas lång tid framöver till att pröva inte bara sådana kompletterande teorier, utan även av forskare som föreslår alternativa kosmologiska modeller.

Kosmologi

Ett av huvudmålen var att mäta avstånd till cepheidvariabler mer noggrant än vad som varit möjligt tidigare. Då dessa är viktiga delar i den kosmologiska avståndsbedömningenss, kan man sätta snävare gränser för Hubble-konstanten värde, som är ett mått både på universums expansionshastighet och dess ålder. Före uppskjutningen av teleskopet uppskattades Hubbles lag till att ha en felprocent på upp till 50 %, men med hjälp av Hubbles mätningar av cepheidvariabler i Virgohopen och andra avlägsna galaxhopar kunde man nu få fram ett värde med en felprocent på 10 %. Värdet stämmer överens med noggrannare mätningar, som genomförts efter Hubble's uppskjutning med andra tekniker.

Foto av avlägsna galaxer från Hubble Ultra Deep Field kartläggningen

Medan Hubbleteleskopet medverkade till att förfina uppskattningen av universums förmodade ålder, väckte det även tvivel om dess framtid. Astronomer från de båda internationella forskargrupperna High-z Supernova Search Team och Supernova Cosmology Project med svenska deltagare som Ariel Goobar och Jesper Sollerman, hade använt teleskopet för att observera supernovor i avlägsna galaxer. De data som man uppdagade, förefaller visa att universum inte alls drar sig samman allt snabbare under gravitationens inverkan. Snarare menar dessa forskare att resultaten bör tolkas så att expansionen i själva verket accelererar. Senare ännu noggrannare mätdata från såväl markbaserade som teleskop i rymden bekräftar Hubble's mätdata. Resultaten överraskade och någon klar bild har man i dag ännu inte skaffat av hur denna förmodade acceleration uppstår. Därför finns även enstaka forskare som arbetar med modeller, som passar mätdata utan att behöva spekulera om accelererande expansion.

Andra observationer med teleskopet kan, utifrån den gängse modellen av ett expanderande universum, tolkas som starka indikationer för existensen av mörk materia i universum. Den modell som håller före att de flesta galaxer har en mycket stor central ansamling av massa, har blivit delvis bekräftad genom ett stort antal observationer. Den gängse tolkningen är att det rör sig om supermassiva svarta hål.

Universum

, den första exoplanet kring vilken Hubble upptäckt en atmosfär med kol och syre.]]

En av de unika nya kunskapskällor Hubbles har bidragit till är bilder från kartläggningarna Hubble Deep Field och Hubble Ultra Deep Fielder. Dessa utnyttjade Hubble's oöverträffade känslighet vid synliga våglängd till att skapa skarpa bilder av små fläckar i skyn, vilka är de mest långtseende som någonsin erhållits vid optiska våglängder. Bilderna avslöjar galaxer flera miljarder ljusår avlägsna och de har alstrat en stor mängd vetenskapliga artiklar, som ger en klarare uppfattning om vårt kosmos för lika många år sedan. Sålunda har teleskopet inte bara upptäckt galaxer belägna på 13 miljarder ljusårs avstånd, utan även synliggjort vad man tolkar som de första galaxer som en gång bildades. Vidare har Hubble:

gjort det möjligt att detektera intergalaktiskt helium, som skulle kunna ha ett mycket tidigt ursprung;
givit de första bilderna som visar galaxer med kvasarer i sitt inre;
för första gången detekterat emission av ultraviolett laserstrålning i rymden;
lett till upptäckten av en ny typ av gravitationslins i form av ett så kallat Einstein-kors, som kan användas som lupp för att undersöka mycket avlägsna delar av universum;
ett par ringar som omger stjärnan som exploderade som supernova i Stora Magellanska molnet 1987;
funnit att gigantiska kometmoln formades runt en döende stjärna;
funnit jättelika stoftpelare och gas, som bildas i det inre av nya stjärnor.

Andra större upptäckter från Hubbles data inkluderar belägg för andra solsystem:

protoplanetariska aggregationsskivor i Orionnebulosan;
belägg för närvaro av exoplaneter kretsandes runt solliknande stjärnor. Den upptäckte även den första atmosfären kring en exoplanet, nämligen HD 209458 b.

Hubbles optiska observationer av de ännu mystiska gammablixtarna har både löst och lämnat nya frågor att besvara.

Solsystemet

Hubble har kunnat observera alla planeter och mindre objekt i solsystemet utom Merkurius, på grund av dess närhet till solen som skulle skada teleskopets lins. Hubble blev mycket viktig när den sattes att studera dynamiken av en kollision mellan kometen Shoemaker-Levy 9 och Jupiter år 1994, ett fenomen som bara inträffar en gång på flera decennier. För Jupiters isiga måne, Europa har man kunnat konstatera att den har spår av atmosfär med syre. Hubble har kunnat följa utveckligen i Uranus och Neptunus atmosfärer med goda resultat. Det visade sig att det mörka stråket i Neptunus atmosfär är rörligt - det försvinner från en hemisfär och dyker upp på den motsatta. Genom Hubbleteleskopet har en ny typ av små månar upptäckts i den yttre delen av Saturnus ringsystem.

Genom teleskopet har även andra objekt i solsystemet studerats; bland annat dvärgplaneterna Pluto och Eris. Detta gav den första kartan över Pluto. En liknande studie gav även den första kartan över en asteroider. Vidare har data från Hubble visat att hundratals miljoner komet omger solsystemet.

Värdering av nytta mot kostnader

Ett vetenskapligt projekts framgång beror av resultatens värde, som kan mätas i antal doktorsavhandlingar och publikationer i vetenskapliga tidskrifter med varierande rykte. Sådana objektiva mått visar vilket fantastiskt genomslag Hubbles data redan åstadkommit inom astronomin. Mer än 4 000 artiklar baserade på Hubbles data hade på våren 2003 publicerats i peer review-tidskrifter och betydligt fler hade figurerat i proceedings från konferenser. Man räknar med att omkring en tredjedel av artiklar inom astronomi inte alls blivit citerade ett antal år efter publiceringen, medan bara 2 % av papper baserade på Hubbledata saknar citeringar. I snitt får ett papper baserat på Hubbledata omkring dubbelt så många citeringar som papper baserade på andra data. Av de 200 artiklar som publiceras varje år och får de flesta citeringarna, är runt 10 % baserade på Hubbles data.STSCi newsletter, v. 20, issue 2, (våren 2003) Dessutom är det åtskilliga artiklar baserade på Hubble som publicerats i tidskrifter med mycket hög så kallad impact factor som Science och Nature, vilket inte är vardag för astronomer.

Nyttan av en bättre världsbild har många andra aspekter och politiska avvägningar kommer in i bilden. Även om Hubble helt klart har haft ett signifikant genomslag på astronomisk forskning, så har de finansiella kostnaderna varit mycket stora. En studie över det relativa genomslaget på astronomin av olika stora teleskop fann att, medan artiklar baserade på Hubble data alstrar 15 gånger så många citeringar som ett 4 m markbaserat teleskop som William Herschel teleskopet, så kostar Hubble omkring 100 gånger så mycket att bygga och underhålla.Benn C.R., Sánchez S.F. (2001), Scientific Impact of Large Telescopes, Astronomical Society of the Pacific’s publikationer, v. 113, p.385

Redan innan Hubble hade placerats i bana, så kunde markbaserad 'speckle'-avbildning ge bättre upplösta bilder av ljusa objekt än vad Hubble kan uppnå.Wilson, R. W., Baldwin, J. E., Buscher, D. F., Warner, P. J. (1992), High-resolution imaging of Betelgeuse and Mira , Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 257, no. 3, Aug. 1, 1992, p. 369-376 Dessutom har numera utvecklingen av adaptiv optik utsträckt den högupplösande avbildningsförmågan hos markbaserade instrument till infraröda bilder av svaga objekt. Markbaserad avbildning kan ske till mycket lägre kostnad och har därför blivit en nyckelfråga i debatten om rymdteleskopens framtid.

Framtiden

Hubbleteleskopet har haft stor betydelse för vetenskapen och kommer så fortsätta fram till 2013 då ett annat teleskop, kallat JWST (James Webb Space Telescope) är planerat att föras ut i omloppsbana. JWST kommer dock endast att se i infrarött ljus, och inte kunna ersätta Hubbles förmåga att ta bilder i synligt och ultraviolett ljus.