HST 25 vuotta

Hubblen avaruusteleskooppi 30 vuotta - tässä kuusi erikoisjuttua tähtitieteen legendasta

Pe, 04/24/2020 - 12:46 Toimitus
Hubble 30 vuotta -logo

Avaruusteleskooppi Hubble laukaistiin kiertoradalleen Maata kiertämään avaruussukkula Discoveryllä  30 vuotta sitten.

Avaruusteleskooppi Hubble on kallein koskaan tehty tähtitieteellinen havaintolaite, mutta samalla se on myös kaikkein tuotteliain tieteellinen tutkimuslaite, kun lasketaan sillä tehtyjen havaintojen perusteella julkaistujen artikkelien määrä: niitä on yli 15 000, ja näihin on viitattu 738 000 muussa artikkelissa. 

Luvut ovat Hubblen nettisivuilta, enkä epäile niitä lainkaan. Hubblella otettuja kuvia ja tietoja ei ole vain netti pullollaan, vaan sen tekemät 1,3 miljoonaa havaintoa ovat olennainen osa tähtitiedettä viimeisten 30 vuoden ajalta.

Kyllä. Hubble on ollut avaruudessa tänään 30 vuotta. Se kuljetettiin avaruuteen avaruussukkula Discoveryllä lennolla STS-31, joka laukaistiin matkaan 24. huhtikuuta 1990. Siis tänään 30 vuotta sitten. 

STS-31 lähtee matkaan

Harvinainen näky Kennedyn avaruuskeskuksesta: taustalla Discovery lähtee lennolle STS-31 laukaisualustalta 39B ja etualalla noin kahden kilometrin päässä Columbia odottaa alustalla 39A toukokuuksi 1990 suunniteltua lentoaan.

 

Tuo avaruussukkulaohjelman 35. lento sujui hyvin ja Hubble vapautettiin omille teilleen sukkulan rahtiruumasta 25. huhtikuuta 1990. Periaatteessa siis Hubblen 30-vuotisjuhlaa pitäisi juhlia vasta nyt lauantaina, mutta yhtä kaikki: tätä kirjoitettaessa iltapäivällä 24.4.2020 oli Hubble jo kiertoradalla, tosin sukkulan ruumassa.

Se oli eräs merkkipaaluista avaruussukkulan historiassa, koska sukkulan periaatteena oli olla yleiskäyttöinen avaruusrahtari, joka voisi kuljettaa rutiininomaisesti avaruuteen kaikenlaista kamaa satelliiteista avaruusasemien kautta avaruusteleskooppeihin.

Hubbe vapautetaan avaruuteen Discoveryn ruumasta 25.4.1990.

 

Avaruusteleskooppi olikin 1970-luvun alusta alkaen suunnitelmissa. Paitsi että sukkulan ruumaan voitiin asettaa pieniä teleskooppeja kunkin noin viikon kestävän lennon aikana käytettäväksi, pohdittiin irrallisen, sukkulasta avaruuteen jätettävän avaruusteleskoopin tekemistä. 

NASA perustikin jo vuonna 1970 kaksi komiteaa tutkimaan itse teleskoopin suunnittelua ja hankkeen tieteellisiä tavoitteita. 

Ideoista ei ollut puutetta, mutta rahasta oli – etenkin kun sukkulan kehittäminen tuli oletettua kalliimmaksi ja rahaa oli käytettävissä odotettua vähemmän. Presidentti Fordin rajut julkisten menojen leikkaukset vuonna 1974 iskivät erityisesti avaruusteleskoopin tekemiseen ja hanke laitettiin jäihin.

Tähtitieteilijät eivät nielleet päätöstä: he lobbasivat asiansa puolesta niin senaatissa kuin kongressissakin, ja saivat hieman rahaa hankkeen jatkamiseen.

Rahaa oli tosin vain puolet aikaisemmasta, joten teleskooppia pienennettiin. Peilin halkaisija pudotettiin kolmesta metristä 2,4:ään ja Euroopan avaruusjärjestö värvättiin mukaan maksamaan osa viuluista: teleskooppiin tuli yksi instrumentti ja aurinkopaneelit Euroopasta. Vastineeksi tästä ESA sai 15 % osa teleskoopin käyttöajasta.

Eräs ensimmäisistä avaruusteleskooppisuunnitelmista.

 

Lopulta vuonna 1978 teleskooppi sai Yhdysvaltain puolella tarpeeksi rahaa, jotta sen rakentaminen pääsi alkamaan. 

Aikomuksena oli laukaista laite matkaan vuonna 1983, mutta kuten tavallista, hanke viivästyi – osin sukkulalentojen alkamisen viivästymisen vuoksi, mutta osin myös teleskoopin tekemisen hitauden vuoksi.

Viimein vuonna 1990 tähtitieteilijälegenda Edwin Hubblen mukaan nimetty avaruusteleskooppi pääsi avaruuteen. Ja kaikki olivat iloisia.

Kuvapari M100-galaksista näyttää selvästi peilin hiontaongelman: vasemmalla ennen korjausta, oikealla korjauksen jälkeen. 

 

Pahuksen peiliongelma

Ilo vaihtui kuitenkin suureen harmistukseen, kun Hubble otti ensimmäiset kuvansa. Aivan ensimmäisten odotettiinkin olevan huonoja ja epätarkkoja, sillä vasta niiden ottamisen jälkeen laitteita säädettäisiin paremmaksi, mutta varsin pian kävi ilmi, että ennätyskalliin teleskoopin kuva ei vain tarkentunut. 

Itse asiassa tarkentaminen ei paljoa vaikuttanut kuvan epäselvyyteen, koska pian kävi ilmi, että vaikka teleskoopin pääpeili oli kyllä hiottu erittäin tarkasti suunniteltuun muotoon, oli tuo suunniteltu muoto valitettavasti väärä. Peilin reuna-alueet oli hiottu hieman liian lattanaksi; tarkalleen ottaen sieltä lasia oli otettu 2,2 mikronia (eli noin 1/15 ihmisen hiuksen paksuudesta) liikaa. Tästä syystä peilin muodostama kuva oli sumuinen.

Onneksi Hubble oli suunniteltu kiertoradalla huollettavaksi. Huoltolennoilla oli tarkoitus vaihtaa teleskoopin havaintolaitteita ja vaihtaa sen laitteistoja muutenkin paremmiksi. Ensimmäinen suunniteltu huoltolento sai kuitenkin nyt aivan uuden tehtävän, sillä sen päätehtäväksi tuli asentaa teleskoopille silmälasit.

Oikeasti kyseessä oli viidestä pienestä peiliparista koostunut kokonainen laitteisto, jonka tehtävänä oli korjata peilin palloaberraatio. Optiikka vei yhden Hubblen neljästä instrumenttilaatikosta. 

Yksittäiset peilit olivat kooltaan (ja ulkonäöltään) hammaslääkärin peilin kaltaisia, tosin erittäin huolellisesti oikeaan muotoon hiottuja. 

Tämä COSTAR-nimisen laitteiston avulla teleskoopin kolme alkuperäistä instrumenttia pystyivät tekemään jälleen normaalisti havaintoja. 

COSTAR:ia asennetaan paikalleen.

 

Jo ensimmäisellä huoltolennolla havaintolaitteista yksi korvattiin uudella ja paremmalla, ja näin tehtiin myös myöhemmillä lennoilla.

Tämä joulukuussa 1993 tehty huoltolento on merkittävä myös siinä mielessä, että se on ensimmäinen paikan päällä USAssa seuraamani sukkulalento. STS-61 laukaistiin matkaan 2. joulukuuta, ja lentoon käytetty sukkula oli Endeavour. Laukaisun jälkeen pääsin tutustumaan lennon jatkumiseen Houstonissa lennonjohdossa, ja tein tästä aikanaan montakin ohjelmaa Yleisradion tiedeohjelmille nuoren miehen innokkuudella. Toivottavasti ne ovat jossain tallessa (itselläni ei ole valitettavasti noilta ajoilta muutamia valokuvia lukuun ottamatta mitään arkistossa).

Seuraavat huoltolennot tehtiin helmikuussa 1997, joulukuussa 1999, maaliskuussa 2002 ja toukokuu 2009. Viimeinen oli hyvin erikoinen, koska se tehtiin avaruussukkula Columbian onnettomuuden jälkeen ja silloin toinen sukkula oli samaan aikaan lähtövalmiina siltä varalta, että lennolla olleelle sukkula Atlantikselle olisi tapahtunut laukaisun aikaan jotain vastaavaa kuin Columbialle.

Lennoilla teleskooppia huollettiin, sen osia vaihdettiin uusiin, sen havaintolaitteita korvattiin paremmilla ja myös sen aurinkopaneelit vaihdettiin pariinkin kertaa uusiin. 

Nyt avaruudessa oleva Hubble ei siis ole sama kuin se Hubble, joka laukaistiin kiertoradalle 30 vuotta sitten.

 

Hubble vapautetaan sukkulasta huollon jälkeen

Hubble kuvattuna viimeisen huoltolennon päätteeksi.

 

Säästäminen kävi kalliiksi

Periaatteessa avaruusteleskoopin huollettavuus avaruudessa oli erinomainen ajatus. Se, että astronautit saattoivat käydä sitä korjailemassa ja parantamassa oli eräs avaruussukkulan kehittämisen perusajatuksista, mutta valitettavasti se ei toiminut ihan kuten oli tarkoitus.

Avaruussukkuloiden lennättäminen oli kalliimpaa ja hankalampaa kuin 1970-luvulla toivottiin. Utopistisimmissa ajatuksissa sukkulat olisivat lentäneet jopa pari kertaa viikossa, ja silloin tällaiset huollot olisivat olleet rutiinihommia muiden tehtävien seassa. 

Lopulta oli niin, että yhden huoltolennon hinnalla olisi saanut laukaisua avaruuteen kokonaan uuden avaruusteleskoopin perinteisellä raketilla. 

Tästä voi repiä tietysti pelihousunsa ja harmitella hukkaan menneitä mahdollisuuksia sekä kaikkea rahaa, jonka Nasa ja ESA olisi voineet säästää, mutta kolikolla on myös toinen puolensa: tulevaisuudessa tällaiset huollot ovat varmasti rutiinia ja silloin Hubblea sekä sen huoltolentoja kiitellään. Niillä saatiin paljon kokemusta avaruudessa toimimisesta.

Hubblen seuraajan tekeminen ei sekään ole tullut halvaksi, sillä James Webb Space Telescope (JWST) on hurjasti myöhässä aikataulustaan ja ylittänyt suuresti budjettinsa. Kyseessä on ”huoltovapaa” kaukoputki, jonka sijoituspaikaksi tulee Lagrangen piste noin 1,5 miljoonan kilometrin päässä Maasta.

Sen peili on yli tuplasti Hubblen peiliä suurempi halkaisijaltaan ja sen hartioilla on suuria odotuksia kosmologian suurten kysymysten ratkaisemisesta eksoplaneettojen havaitsemiseen.

 

JWST:n mallikappale avaruusnäyttelyssä kuvattuna

JWST:n mallikappale avaruusnäyttelyssä kuvattuna.

 

Jos se saadaan avaruuteen lopulta noin vuoden päästä ja se toimii odotetusti, on se aivan ällistyttävän hieno havaintolaite. Juuri nyt työt teleskoopin kanssa ovat kuitenkin keskeytyksissä koronaepidemian vuoksi; nähtäväksi jää, kuinka paljon tämä vaikuttaa aikatauluun.

Itse Hubble on toiminnassa edelleen avaruudessa, mutta jokin sen tärkeistä systeemeistä saattaa rikkoontua koska tahansa. Tähän saakka lennonjohto on saanut joko ongelmat ratkaistua tai keksinyt temppuja, joilla havaintojen tekoa on voitu jatkaa. 

Nykyinen rahoitus teleskoopin toiminnalle päättyy ensi vuonna, ja sitä seuraava määräaika on 2030-luvun puolivälissä. Jos Hubblea ei voida hivuttaa sitä ennen korkeammalle kiertoradalle, se syöksyy silloin ilmakehään ja tuhoutuu.

Toivottavasti JWST on silloin jo taivalla, ja voimme sanoa valtavan suuren kiitoksen Hubblelle.

---

Tiedetuubi kokosi viisi vuotta sitten Hubblen 25-juhlan kunniaksi juttusarjan avaruusteleskoopin historiasta ja olemuksesta. Niiden avulla voi juhlistaa edelleen tätä tähtitieteen mullistajaa.

Hyvää hubbleilua!

25 kosmista kynttilää Hubblelle


Hubblen huippuhavainnot


Avaruusteleskoopin anatomiaa


Hubblen huoltolennot


Hubblen muodonmuutos


Hubblen seuraaja JWST

Juttu on julkaistu myös Ursan blogina.

-->

Hubblen muodonmuutos

Pe, 04/24/2015 - 02:32 Jari Mäkinen

Kenties ensimmäisen idean avaruusteleskoopista esitti tähtitieteilijä Lyman Spitzer vuonna 1946, siis jo ennen avaruusajan alkamista. Hän haaveili ilmakehän yläpuolella olevasta observatoriosta, missä ilman väreily ei haittaisi havaintoja ja päästäisiin havaitsemaan myös ultravioletti- ja infrapunasäteilyä, joita ilmakehä imee hyvin tehokkaasti.

Vuonna 1962 Yhdysvaltain kansallisen tiedeakatemian raportti suositteli avaruusteleskoopin kehittämistä osana avaruusohjelmaa, mutta tuolloin jo alkanut kilpajuoksu Kuuhun vei suurimman osan rahasta ja energiasta, joten hanke jäi muiden jalkoihin.

Avaruusteleskooppi ei kuitenkaan jäänyt kokonaan unholaan, vaan NASA pyysi Douglas-yhtiötä hahmottelemaan avaruusasemaa, jonka olennainen osa olisi ollut avaruusteleskooppi. Hanke oli nimeltään MORL, eli Manned Orbital Research Laboratory, ja se olisi perustunut kahdessa osassa avaruuteen laukaistusta avaruuslaboratoriosta ja Gemini-aluksin sitä käyttämään ja ylläpitämään lähetettävistä astronauteista.

Suunnitelmassa mukana ollut teleskooppi oli neljä metriä halkaisijaltaan ja 15 metriä pitkä. Koska elektroniset kamerat eivät olleet vielä kovin hyviä, astronautit olisivat käyneet vaihtamassa teleskoopin kameroihin välillä uudet filmit ja tuoneet otetut kuvat alas Maahan.

MORL-teleskooppi on otsikkokuvana.

 

Avaruusteleskooppi ja sukkula samaan pakettiin

Kun avaruussukkulan kehittäminen alkoi 1970-luvun alussa, otettiin haave avaruusteleskoopista mukaan suunnitelmiin. Paitsi että sukkulan ruumaan voitiin asettaa pieniä teleskooppeja kunkin lennon aikana käytettäväksi, pohdittiin irrallisen, sukkulasta avaruuteen jätettävän avaruusteleskoopin tekemistä. 

NASA perustikin jo vuonna 1970 kaksi komiteaa tutkimaan itse teleskoopin suunnittelua ja hankkeen tieteellisiä tavoitteita. Ideoista ei ollut puutetta, mutta rahasta oli – etenkin kun sukkulan kehittäminen tuli oletettua kalliimmaksi ja rahaa oli käytettävissä odotettua vähemmän. Presidentti Fordin rajut julkisten menojen leikkaukset vuonna 1974 iskivät erityisesti avaruusteleskoopin tekemiseen ja hanke laitettiin jäihin.

Paitsi että tähtitieteilijät eivät nielleet päätöstä: he lobbasivat asiansa puolesta niin senaatissa kuin kongressissakin, ja saivat hieman rahaa hankkeen jatkamiseen.

Rahaa oli vain puolet aikaisemmasta, joten teleskooppia pienennettiin. Peilin halkaisija pudotettiin kolmesta metristä 2,4:ään ja Euroopan avaruusjärjestö värvättiin mukaan maksamaan osa viuluista. Teleskooppiin tuli yksi instrumentti ja aurinkopaneelit Euroopasta. Vastineeksi tästä ESA sai 15 % osa teleskoopin käyttöajasta.

Lopulta vuonna 1978 teleskooppi sai Yhdysvaltain puolella tarpeeksi rahaa, jotta sen rakentaminen pääsi alkamaan. Aikomuksena oli laukaista laite matkaan vuonna 1983, mutta kuten tavallista, hanke viivästyi – osin sukkulalentojen alkamisen viivästymisen vuoksi, mutta osin myös teleskoopin tekemisen hitauden vuoksi.

Viimein vuonna 1990 Edwin Hubblen mukaan nimetty avaruusteleskooppi pääsi avaruuteen.

Vuodet vierivät, Hubble vain nuortuu...

Alun perin Hubblen ajateltiin toimivan vain 15 vuoden ajan, kunnes uuden sukupolven avaruusteleskooppi laukaistaisiin sen työtä jatkamaan. Seuraajan tekeminen on kuitenkin viivästynyt, mutta samalla Hubble itse on toiminut paremmin kuin uskallettiin toivoakaan.

25 vuoden aikana Hubblea on paitsi huollettu, niin myös paranneltu viidellä sukkulalennolla. Se on saanut uusia instrumentteja, uudet tietokoneet, uudet muistiyksiköt ja melkein kaikki sisuskalut optiikkaa ja kuoria lukuunottamatta. 

Sen ulkonäköön tuli muutoksia vasta 2002, kun sen tavaramerkeiksi muodostuneet kullanväriset, käytössä lerpahtaneet aurinkopaneelit korvattiin uusilla. Nämä olivat pienemmät ja kiinteät – ja niiden vaihtamisen jälkeen Hubblekin näytti nuortuvan, se oli kuin uusi.

Vaikka Hubble toimii edelleen hyvin, se saattaa hiipua milloin tahansa. Jokin kriittinen systeemi saattaa rikkoontua, jolloin se joko ei pysty enää olemaan yhteydessä Maahan tai jatkamaan havaintojaan. 

Todennäköisesti sen käyttäminen loppuu joka tapauksessa sen jälkeen, kun sen seuraaja JWST laukaistaan avaruuteen vuonna 2018.

Joka tapauksessa loppu tulee vuonna 2024, koska silloin sen rata on muuttunut niin paljon matalammaksi, että korkealla olevan hyvin harvan ilman kitka alkaa hidastaa sen vauhtia siinä määrin, että se putoaa alas ja tuhoutuu ilmakehässä.

Avaruusteleskoopin anatomiaa

To, 04/23/2015 - 20:45 Jari Mäkinen
HST halkileikkauskuvana

Hubble-avaruusteleskooppi, eli HST englanninkielisen nimen Hubble Space Telescope mukaan, on Maan kiertoradalla noin 600 kilometrin korkeudessa oleva tähtitieteellinen havaintolaite, joka vastaa kooltaan yhteispohjoismaista Kanarian saarilla La Palmalla sijaitsevaa NOT-teleskooppia.

Vaikka NOT kykenee toisinaan erittäin korkealaatuisiin kuviin, on Hubblella etulyöntiasema, koska se sijaitsee ilmakehän ulkopuolella. Sen 2,4-metrinen peili pystyy näkemään erittäin tarkasti ja keräämään paremmin valoa kuin maanpäälliset havaintolaitteet – siksi se on muodostunut jo klassikoksi tähtitieteen historiassa.

Teleskooppi nimettiin aikanaan Linnunradan ulkopuolisten galaksien löytäjän ja avaruuden laajenemisen (Hubblen laki) keksineen Edwin Hubblen mukaan.

Hubblen avaruusteleskoopin rahoittamiseen ovat osallistuneet NASA ja Euroopan avaruusjärjestö, ja myös useat suomalaiset tähtitieteilijät ovat päässeet tekemään sillä havaintoja.

Sen käyttöiäksi suunniteltiin alun perin 15 vuotta, eli se on tänään tullut toimineeksi jo 15 vuotta kaavailtua pidempään.

 

Teleskooppiosa

Teleskooppi on rakenteeltaan hyvin yksinkertainen. Sen ytimenä on teleskooppi, joka koostuu 2,4 metriä halkaisijaltaan olevasta, yhdestä kappaleesta valmistetusta ja 10 nanometrin tarkkuudella hiotusta pääpeilistä ja apupeilistä, joka heijastaa kuvan pääpeilin takana oleville havaintolaitteille. Peilin aihion valmisti hyvin vähän lämpölaajenevasta ja optisesti korkealaatuisesta lasista nyttemmin älypuhelimien pintalasien tekijänä tunnettu Corning-yhtiö.

Havaintolaitteet sijaitsevat peilin takana neljässä erillisessä noin kaksi metriä pitkässä laatikossa, joihin valo ohjataan peileillä keskeltä. Alkuperäinen havainnointilaitteisto koostui samassa paketissa olevasta laajakulmaisesta ja planetaaristen kohteiden kapeampikatseisesta kamerasta, tarkkuusspektrografista, nopeasta fotometristä sekä ultravioletin ja näkyvän valon alueella toimineesta himmeiden kohteiden kamerasta ja spektrografista.

Koska ilmakehä suodattaa suuren osan UV-säteilystä pois, ovat ultravioletin alueella toimivat havaintolaitteet erittäin hyödyllisiä avaruudessa.

Tällä hetkellä Hubblessa on käytössä seuraavat havaintolaitteet:

  • ACS: Advanced Camera for Surveys 
  • COS: Cosmic Origins Spectrograph
  • FGS: The Fine Guidance Sensors
  • NICMOS: Near Infrared Camera and Multi Object Spectrometer
  • STIS: Space Telescope Imaging Spectrograph
  • WFC3: Wide Field Camera 3

Teleskoopin ohjauselektroniikka ja kaikki sen toiminnassaan tarvitsemat laitteet ovat teleskooppiputken ympärillä olevissa, astronauttien käsin irroitettavaksi suunnitelluissa kaapeissa. Sähkövirtaa Hubble saa kahdesta aurinkopaneelista; alkuperäiset, kullan väriset auki rullautuvat paneelit on korvattu nyttemmin kiinteillä, pienempikokoisilla aurinkopaneeleilla.

Hubblen tekninen piirros

Teleskoopin pituus on 13,2 metriä, sen massa 11 110 kiloa ja halkaisija noin 6,3 metriä.

Se kiertää tällä hetkellä Maata radalla, jonka korkeus on noin 540 km ja joka on kallellaan päiväntasaajaan suhteen 28,5 astetta. Yksi kierros maapallon ympäri kestää 95,5 minuuttia. Suomesta teleskooppia ei voi nähdä taivaalla vaeltamassa, mutta lähempää päiväntasaajaa se onnistuu. Hubblen tämänhetkisen paikan voi nähdä muun muassa www.n2yo.com -sivustolta.

Hubble tallentaa havaintonsa muistiyksiköihin (jotka olivat alun perin magneettinauhalla toimivia nauhureita, mutta sittemmin SSD-muistiyksiköitä) ja lähettää tiedot NASAn TDRSS-tietoliikennesatelliittien kautta Yhdysvalloissa, New Mexicossa sijaitsevaan maa-asemaan. Sieltä tiedot välitetään Goddardin avaruuskeskuksessa Washington D.C.:n lähellä olevaan lennonvalvomoon. Havaintotietoa kertyy vuorokaudessa keskimäärin 17 gigabittiä.

Nämä tiedot jaetaan tutkijoille ympäri maailman; havaintoaikaa tiukan kansainvälisen kilpailun perusteella saaneet tutkijat eivät tee siis itse havaintoja, vaan saavat vain tiedot lennonjohdossa ohjelmoiduista ja teleskoopin automaattisesti tekemistä havainnoista.

HST on tehnyt jo noin 1,3 miljoonaa havaintoa ja havainnut yli 25 000 erillistä kohdetta taivaalla. Näiden pohjalta tutkijat ovat julkaisseet yli 15 000 tieteellistä tutkimusta.

Nykyisellään Hubble tuottaa vuodessa noin 1o teratavua tietoa. Koko sen tuottama tietomäärä on yli 150 TB. 

*

(Tätä huhtikuussa 2015 kirjoitettua juttua on päivitetty 24.4.2020)

Hubblen huoltolennot

To, 04/23/2015 - 20:18 Jari Mäkinen

Avaruusteleskooppi Hubble vietiin sukkulalla avaruuteen vuonna 1990, mutta sen suunnittelu aloitettiin jo 70-luvun puolella samoihin aikoihin avaruussukkulan suunnittelun kanssa.

Niinpä teleskooppi suunniteltiin alusta alkaen sukkulalla kiertoradalle vietäväksi ja avaruudessa huollettavaksi – ja tälle ominaisuudelle oli käyttöä heti laukaisun jälkeen, kun kävi ilmi, että Hubblen 2,4-metrinen pääpeili oli hiottu väärin ja sen kuvan korjaamiseen tarvittiin erityisiä korjauslinssejä.

Ne asennettiin teleskooppiin ensimmäisellä huoltolennolla vuonna 1993, minkä jälkeen Hubble on tuottanut toinen toistaan upeampia kuvia avaruuden ihmeistä. 

Sen jälkeen sukkulat nousivat neljä kertaa Hubble korjaamaan ja huoltamaan. Viimeisin lento oli vuonna 2009, jolloin oli tehty jo päätös avaruussukkuloiden siirtämisestä eläkkeelle. Niinpä viimeisin lento jää viimeiseksi: lento suunniteltiin antamaan avaruusteleskoopille eväät koko loppuelämää varten, ja mikäli siihen tulee vakava vika vaikka huomenna, ei sitä kyetä enää korjaamaan. 

Mutta kuten Hubblen pitkä historia on jo osoittanut, on teleskooppi luonteeltaan sitkeä taistelija ja se on pystynyt jatkamaan mullistavia havaintojaan uskomattomienkin vikojen jälkeen.

Huoltolento 1 - joulukuu 1993

Hubblen ensimmäinen huoltolento tuli enemmän kuin tarpeeseen, sillä teleskoopin pääpeili oli kyllä hiottu erittäin tarkasti, mutta valitettavasti väärään muotoon. Peilin reuna-alueet oli hiottu hieman liian lattanaksi; tarkalleen ottaen sieltä lasia oli otettu 2,2 mikronia (eli noin 1/15 ihmisen hiuksen paksuudesta) liikaa. Tästä syystä peilin muodostama kuva oli sumuinen.

Siksi Hubblelle piti asentaa monimutkainen palloaberraation korjaava optiikka, jota kutsuttiin aikanaan mielikuvituksellisesti piilolaseiksi. Kyseessä oli oikeasti viidestä pienestä peiliparista koostunut kokonainen laitteisto, joka vei yhden Hubblen neljästä instrumenttilaatikosta. Yksittäiset peilit olivat kooltaan (ja ulkonäöltään) hammaslääkärin peilin kaltaisia, tosin erittäin huolellisesti oikeaan muotoon hiottuja. 

Tämä COSTAR-nimisen laitteiston avulla teleskoopin kolme alkuperäistä instrumenttia pystyivät tekemään jälleen normaalisti havaintoja. Neljäs laite, laajakulmakamera WFPC korvattiin uudella, paremmin unltraviolettisäteilyä havaitsevalla, minkä lisäksi siinä itsessään oli jo korjausoptiikka mukana. Jatkossa kaikki tutkimuslaitteet varustettaisiin sillä, jolloin piilolaseille ei enää olisi tarvetta – ja ajan myötä kyky tehdä korjausoptiikkaa vain parani.

Lisäksi ensimmäisellä huoltolennolla vaihdettiin teleskoopin aurinkopaneelit, niitä ohjaavaa elektroniikkaa, magnetometrit, päätietokoneen apuprosessorit, asennonsäädössä tarvittavien gyroskooppien ohjauslaitteet sekä erilasia sensoreita.

Sukkula Endeavour teki tällä STS-61 -lennolla ensimatkansa avaruuteen. Sen mukana oli seitsemän astronauttia, joiden joukossa myös Claude Nicollier, Euroopan avaruusjärjestön sveitsiläinen avaruuslentäjä., jolle matka oli toiveiden täyttymys: hän on alkuperäiseltä koulutukseltaan tähtitieteilijä.

Huoltolento 2 - helmikuu 1997

Toinen huoltolento oli itse asiassa ensimmäinen "normaali" huoltolento, koska sen aikana ei täytynyt tehdä mitään yllättävää ja kiireellistä, kuten korjausoptiikan asentamista. Sukkulana oli nyt Discovery, lennon numero STS-82 ja mukana oli seitsemän astronauttia.

Tähtitieteilijiden kannalta tärkeintä oli uuden havaintolaitteet asentaminen.  STIS, Space Telescope Imaging Spectrograph, korvasi aiemmat Hubblen spektrografit yhdellä laitteella, joka pystyi keräämään jopa 500 kertaa paremmin tietoa kuin edeltäjänsä. Erityisen kyvykkääksi STIS osoittautui supermassiivisten mustien aukkojen tutkinnassa.

Toinen spektrometri, kolmesta erillisestä kamerasta koostuva Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer eli NICMOS, oli räätälöity havaitsemaan ennen kaikkea galaksien pölyisiä keskusalueita sekä kaasusumuja, joissa syntyy tähtiä ja planeettoja.

Astronautit myös vaihtoivat Hubblelle uudet asennonsäätöilmaisimet, optiikkaa ohjaavat elektroniikkayksiköt ja vauhtipyörät, joilla teleskoopin asentoa ohjataan. Lisäksi he korvasivat alkuperäiset havaintitietoja magneettinauhoille tallentaneet muistiyksiköt uusilla, SSD-piireillä toimivilla yksiköillä.

Koska huoltotyöt sujuivat hyvin, lennon aikana ennätettiin myös tehdä monia toissijaisia huoltotoimia, joilla teleskoopin arveltiin selviävän pitkään ilman avaruuden remonttireiskojen uutta käyntiä. 

 

Huoltolento 3A - joulukuu 1999

Sukkula Discoveryn tekemä lento STS-103 oli hätäkäynti: teleskoopin asennonsäädöstä huolehtineet gyroskoopit olivat kuluneet käytössä ja alkaneet rikkoutua yksi kerrallaan. NASA päätti siten aikaistaa kolmatta huoltolentoa ja jakaa sen aikana tehtäviksi aiotut tehtävät kahteen osaan, minkä vuoksi huoltolento kolmosia on kaksi kappaletta, A ja B.

Lennosta tuli lopulta odottamattoman tarpeellinen, koska viimeinen Hubblen tuolloin toiminnassa olleista gyroskoopeista hyytyi marraskuussa 1999. Gyroskoopit, eli yksinkertaisesti vauhtipyörät, pitävät huolta teleskoopin asennonsäädöstä ja suuntauksesta, joten viimeisen gyron sanottua sopimuksensa irti ei Hubblella ei voitu tehdä havaintoja ja se asetettiin horrokseen odottamaan sukkulamiehistöä uusine gyroskooppeineen.

Kaikki kuusi gyroskooppia korvattiin uusilla ja paremmilla. Lisäksi Hubble sai uudet ja paremmat päätietokoneet sekä muistiyksiköt, tietoliikennelaitteet sekä uusia sensoreita, akkujen säätöelektroniikkaa ja eristeitä pintaansa.

 

Huoltolento 3B - maaliskuu 2002

Koska edellisellä lennolla piti keskittyä Hubblen toimintakuntoisuuden varmistamiseen, jäi uusien havaintolaitteiden asentaminen nyt alkavan lennon tehtäväksi. Lisäksi Columbia-sukkulan tekemän STS-109 -lennon seitsemän astronauttia vaihtavat Hubblen aurinkopaneelit uusiin, pienempiin, mutta tehokkaampiin, ja rakenteeltaan jäykkiin, jolloin teleskoopin ulkonäkö muuttui hieman ja vanhojen aurinkopaneelien lämpötilan muuttumisesta johtuneesta pienestä värähtelystä päästään eroon.

Huoltojoukot vaihtavat myös virranjakoyksikön ja gyroskoopit sekä tekevät useita pieniä korjauksia.

Tähtitieteellisesti kiinnostavinta huoltolennolla oli uuden instrumentin asentaminen Hubbleen. Sen tärkeimpänä havaintolaitteena oli siihen saakka ollut WFPC2 (Wide Field and Planetary Camera 2), mutta nyt sen roolin peri ACS (Advanced Camera for Surveys). Uuden laitteen kuvakenttä oli kaksi kertaa edeltäjään laajempi ja se oli kolmesta neljään kertaa nopeampi. Kamera oli myös tarkempi, joten NASAn mukaan se oli kaikkine etuineen noin kymmenen kertaa tehokkaampi havaintolaite kuin WFPC2.

Vanha kamera jäi kuitenkin paikalleen ja jatkoi vielä työtään, sillä puhelinkopin kokoinen ACS asennettiin Hubblen instrumenttiruumaan Faint Object Cameran tilalle. 

Edelleen käytössä olevassa ACS:ssä on kolme erillistä kanavaa, joiden herkkyydet ulottuvat ultraviolettivalosta infrapunaiseen (115-1050 nm). 

Sen laajakulmakanava on tarkoitettu nimensä mukaisesti laajojen alueiden kuvaamiseen ja sopii siten esimerkiksi galaksien levittäytymisen tutkimiseen. Kuvakentän koko on 200 x 204 kaarisekuntia, jota se havaitsee kooltaan 4096 x 4096 pikseliä olevalla nelikennoisella CCD-kameralla. Kanava on herkimmillään punaisen valon kohdalla, jotta se voisi havaita parhaiten juuri vanhoja ja kaukaisia kohteita.

Korkearesoluutiokanava kuvaa yksityiskohtia. Sen kennon koko on 1024 x 1024 pikseliä, mutta kuvan koko vain 26 x 29 kaarisekuntia. Kanava kykenee havaitsemaan valon polarisaatiota. Siinä on lisäksi koronagrafi, jonka avulla lähellä olevat kirkkaammat kohteen voidaan peittää, jolloin ne eivät häiritse valollaan kuvausta. 

Auringolle sokea kanava on räätälöity kaasujen ja molekyylien etsimiseen. Sen nimi tulee siitä, että kamera on sokea Auringon tyypillisesti lähettämän valon taajuuksille ja näkee lähinnä ultraviolettivalon alueella. Niinpä kamera kykenee tekemään kiinnostavia havaintoja paitsi kuumista tähdistä ja kvasaareista, niin myös oman aurinkokuntamme planeettojen säätilasta sekä revontulista. Kameran kuvakentän koko on 35 x 31 kaarisekuntia ja kenno jakaa kuvan 1024 x 1024 pikseliin.

Toinen havaintolaitteisiin liittyvä uudistus on NICMOS-instrumentille asennettu mekaaninen jäähdytyslaite; NICMOSin kameran pitää olla hyvin kylmä, noin 272 pakkasasteeseen jäähdytettynä, jotta se toimii hyvin. Siksi laite oli pakattu termospullon kaltaiseen nestemäisellä typellä täytettyyn säiliöön, jonka typenkulutus oli kuitenkin arvioitua suurempi. Laitteen käyttöikä muodostui siten paljon laskettua lyhyemmäksi ja se on ollut käyttämättömänä vuodesta 1999, jolloin sen jäähdytystyppi loppui.

Astronautit asensivat NICMOSiin mekaanisen jäähdytyslaitteiston, joka ei tarvitse nestetyppeä viilentämiseen. Pakastimen tapaan toimivassa laitteessa käytetään jäähdytysaineena laajentumatonta neonkaasua ja sitä pumpataan pienellä turbiinilla. Koska normaali turbiini värisee ja häiritsisi siten Hubblen tarkkoja havaintoja, on NICMOSin jäähdyttimessä huimaa 400 000 kierroksen minuuttivauhtia pyörivä miniatuuriturbiini. Laittoisto kykenee jäähdyttämään kameran -203 asteen lämpötilaan ainakin viiden vuoden ajan.

NICMOS on edelleen käytössä – kiitos tämän huoltolennon.

Huoltolento 4 - toukokuu 2009

Avaruussukkula Columbian vuonna 2003 tapahtuneen onnettomuuden jälkeen Hubblen huoltolennot peruttiin turvallisuussyiden perusteella ja oli vaarana, että avaruusteleskooppi rappeutuu ja pahimmassa tapauksessa putoaa hallitsemattomasti Maahan. Kun sukkulat saatiin jälleen lentämään ja NASA katsoi viimeisen Hubblen huoltolennon olevan myös turvallisesti toteutettavissa, otettiin lento uudelleen ohjelmaan.

Sukkula Atlantis oli valmiina STS-125 -lennolleen jo syyskuun 2008 lopussa, kun aikomuksena ole tehdä lento saman vuoden lokakuussa. Ennen laukaisua kuitenkin Hubblen instrumenttien keräämää tietoa varastoiva sekä Maahan lähettävä osa rikkoontui. Niinpä lentoa päätettiin lykätä siihen saakka, kun Maassa oleva – toimettomana pitkään maannut – osa saatiin huollettua ja tarkistettua.

Koska sukkulalentoja tehtiin tuolloin avaruusaseman ehdoilla, viivästyi Hubble-lento kuukausikaupalla, seuraavan vuoden toukokuulle.

Tuon viimeisen huoltolennon aikana astronautit asensivat viiden avaruuskävelyn aikana Hubbleen kaksi uutta havaintolaitetta ja huoltavat sekä vaihtavat uusiin akkuja, asennonsäätögyroskooppeja, ohjaussensoreita, lämpösuojia ja muita ajan raiskaamia osia.

Uusia laitteita olivat COS-spektrografi, eli Cosmic Origins Spectrograph, ja kolmas versio laajakulmakamerasta. Nyt sen nimi oli yksinkertaisesti WFC3. Sen lisäksi kaksi rikkoontunutta havaintolaitetta. Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS) ja Advanced Camera for Surveys (ACS), korjattiin ja ne ovat edelleen toiminnassa.

Hubblen huippuhavainnot

To, 04/23/2015 - 19:09 Markus Hotakainen

25 vuoden aikana Hubble-avaruusteleskoopilla on tehty tukuittain löytöjä, mutta jotkut niistä ovat olleet käänteentekeviä, jopa mullistavia. Tässä on lista viidestä huippuhavainnosta.

1. Protoplanetaariset kiekot  Hubble löysi Orionin kaasusumusta pieniä, tummia pilvekkeitä, joille annettiin nimeksi "protoplanetary disk" eli proplyd. Ne osoittautuivat syntymässä olevia tähtiä ympäröiviksi ainekiekoiksi, joissa on muodostumassa myös planeettoja. Kiekkojen löytyminen muutti käsityksiä planeettajärjestelmien yleisyydestä ja sittemmin eksoplaneettoja on löytynyt muilla havaintolaitteilla yhä kiihtyvään tahtiin.

2. Linnunradan ja Andromedan galaksin törmäys  Vertailemalla vuosien väliajoin Hubblella otettuja kuvia Andromedan galaksin tähdistä tutkijat pystyivät määrittämään tarkasti niiden liikkeen kauempana olevien kvasaarien suhteen. Kävi ilmi, että kotigalaksimme ja Andromeda ovat lähestymässä toisiaan ja kolaroivat ennen pitkää näyttävästi. Huoleen ei ole syytä, sillä törmäys ajoittuu miljardien vuosien päähän.

3. Nuori universumi  Hubblen sijainti Maata kiertävällä radalla mahdollistaa pitkät valotusajat. Vuosien varrella otettujen, kymmeniä tunteja valotettujen "Deep Field" -kuvien perusteella on pystytty tutkimaan hyvin varhaista maailmankaikkeutta, aikaa, jolloin ensimmäiset galaksit olivat juuri muodostuneet. Universumi oli silloin hyvin toisenlainen paikka: se oli paljon tiheämpi ja tähtiä syntyi noin 30 kertaa tiuhempaan tahtiin kuin nykyisin.

4. Maailmankaikkeuden mittakaava  Tekemällä Hubblella havaintoja eri etäisyyksillä sijaitsevien galaksien liikkeistä tähtitieteilijät ovat pystyneet määrittämään tarkasti maailmankaikkeuden nykyisen laajenemisvauhdin eli Hubblen vakion arvon. Siitä puolestaan voidaan laskea universumin ikä, joka Hubblen havaintojen perusteella on 13,7 miljardia vuotta.

5. Ganymedeen meri  Hubblen tuoreisiin löytöihin kuuluu Jupiterin ja koko Aurinkokunnan suurimman kuun Ganymedeen pinnan alla piileskelevän meren olemassaolon varmistaminen. Merta uumoiltiin jo aiemmin, mutta Hubblella onnistuttiin tekemään havaintoja ultraviolettialueella näkyvistä revontulista, joita esiintyy Ganymedeen lähistöllä. Revontulet kertovat magneettikentän ominaisuuksista ja ne puolestaan riippuvat kuun sisäosien rakenteesta. Joka siis on vetinen.

Kuva: NASA/ESA/G. Bacon (STScI)

25 kosmista kynttilää

To, 04/23/2015 - 15:42 Markus Hotakainen

Kiertoradalla ei kakkuja niin vain leivota, mutta nyt siihen olisi hyvä syy: Hubble-avaruusteleskooppi täyttää 25 vuotta.

Jos tarkkoja ollaan, 24. huhtikuuta tulee kuluneeksi neljännesvuosisata siitä, kun avaruussukkula Discovery vei teleskoopin Maata kiertävälle radalle. Ehdotus avaruuteen sijoitettavasta kaukoputken rakentamisesta on peräisin jo 1940-luvulta, siis ajalta ennen ensimmäistäkään satelliittia.

Kun Hubblea 1970-luvun lopulla alettiin rakentaa, tähtäimessä oli sen saaminen havaintopaikalleen vuonna 1983. Hanke kuitenkin viivästyi seitsemällä vuodella; yksi syy myöhästymiseen oli Challenger-sukkulan räjähtäminen pian lähdön jälkeen tammikuussa 1986.

Se ei ollut kuitenkaan ainut este Hubblen pitkällä tiellä, joka oli mutkainen, ja täynnä kiviä ja kuoppia. Alkuperäinen suunnitelma oli kunnianhimoinen: avaruusteleskoopissa piti olla kolmen metrin läpimittainen peili ja siihen oli tarkoitus rakentaa paineistettu osa huoltotöiden helpottamiseksi.

Budjettileikkausten vuoksi ja rakenteen yksinkertaistamiseksi paineistetusta osasta luovuttiin ja peilin läpimittaa pienennettiin 2,4 metriin. Kun alkujaan lähtöhetkeksi suunniteltu vuosi 1983 koitti, projekti oli pahasti kesken, mutta "Suuri avaruusteleskooppi" sai uudeksi nimekseen Hubble 1900-luvun alussa maailmankaikkeuden laajenemisen huomanneen Edwin Hubblen mukaan.

Epäilemättä Hubble on avaruusteleskoopin nimenä ja myös henkilönä tunnetumpi kuin NASAn entinen johtaja James Webb, jonka mukaan on nimetty rakenteilla oleva Hubblen seuraaja.

Tuolloin hankkeeseen lähti mukaan myös Euroopan avaruusjärjestö ESA, jolla on yhteistyösopimuksen mukaan käytössään 15 prosenttia teleskoopin havaintoajasta.

 

 

Likinäköinen teleskooppi

Huhtikuussa 1990 Hubble saatiin vihdoin kiertoradalle, mutta ilo jäi lyhytaikaiseksi. Ensimmäiset kuvat osoittivat, että teleskoopissa on jotain pahasti vialla. Tähdet eivät olleet pistemäisiä ja yleisvaikutelma avaruuden kohteista napatuissa otoksissa oli suttuinen.

Lopulta jäljet johtivat sylttytehtaalle eli 2,4-metriseen pääpeiliin: se oli hiottu väärin. Peili oli kovera, kuten peilikaukoputkessa kuuluu ollakin, mutta ei riittävän kovera. Peilin reunaosat poikkesivat suunnitellusta muodosta vähän yli kaksi millimetrin tuhannesosaa.

Pari mikrometriä ei kuulosta kummoiselta hiontavirheeltä, mutta käytännössä  se teki Hubblesta likinäköisen. Peilin laidoilta heijastuneet valonsäteet eivät keskittyneet samaan polttopisteeseen kuin keskiosista tulevat säteet.

Moka oli sitäkin nolompi, kun projekti oli tullut maksamaan yli kaksi miljardia dollaria ja virheen – viralliselta nimitykseltään palloaberraation – pystyy välttämään kuka tahansa kaukoputkia rakentava tähtiharrastaja, joka tekee riittävän tarkkaa työtä.

Onneksi Hubble oli suunniteltu siten, että sitä pystyttiin huoltamaan avaruussukkulalennoilla. Pääpeilin taakse sijoitetuista viidestä instrumentista yksi uhrattiin korjausoptiikalle, joka mahdutettiin suunnilleen puhelinkopin kokoiseen metallilaatikkoon.

Ensimmäinen huoltolento päästiin tekemään kuitenkin vasta vuonna 1993. Kun korjausoptiikka saatiin vihdoin paikalleen, mediassa uutisoitiin vitsikkäästi, että "Hubble sai piilolinssit". Jos taas ollaan tarkkoja, optiset korjauselementit olivat peilejä.

Syykin oli selvä: Hubble toimii näkyvän valon lisäksi ultravioletti- ja infrapuna-alueilla. Jos korjausoptiikka olisi rakennettu linsseistä, ultraviolettialue olisi menetetty, koska uv-säteily imeytyy tavalliseen lasiin. Linssien valmistaminen uv-säteilyn läpäisevästä erikoislasista olisi tehnyt "piilolinsseistä" vielä kalliimmat.

 

Katse kaikkeuteen… päin!

Sen jälkeen Hubblella onkin tehty löytö toisensa perään, ja niiden lisäksi perustavaa laatua olevia havaintoja entuudestaan tutuista, mutta huonosti tunnetuista maailmankaikkeuden kohteista ja ilmiöistä.

Kameroilla ja spektrografeilla – joita on vaihdettu uudempiin kaikkiaan viidellä huoltolennolla – on tutkittu niin Aurinkokunnan kappaleita kuin maailmankaikkeuden kaukaisimpia kohteita.

Planeetoista on voitu tehdä pitkäaikaisia havaintoja, jotka ovat täydentäneet luotainten lähettämiä tietoja. Helminauhakomeetan Shoemaker-Levy 9 törmäystä Jupiteriin ja syntyneiden "tuhkalaikkujen" kehitystä seurattiin Hubblella suorana lähetyksenä.

Plutolta on löytynyt neljä uutta kuuta ja sekä asteroidi Vestasta että kääpiöplaneetta Cereksestä on Hubblella saatu kuvia, jotka päihitti tarkkuudessa vasta paikan päälle päässyt Dawn-luotain.

Omassa Linnunradassamme Hubble on tuonut selvyyttä tähtien ja planeettajärjestelmien synty- ja kehitysprosessiin kurkistamalla infrapuna-alueella tähtienvälisten pilvien sisuksiin, tarkkailemalla kaasun liikkeitä vastasyntyneiden tähtien puhaltamassa hiukkastuulessa ja voimakkaassa säteilyssä sekä välittämällä huipputarkkoja kuvia tähtien jäänteistä, planetaarisista sumuista ja supernovajäännöksistä. Onpa Hubblella kuvattu muita tähtiä kiertäviä eksoplaneettojakin.

Naapurigalaksien tutkimus on paljastanut Linnunradan ja Andromedan galaksin lähestyvän  toisiaan sellaisella vauhdilla, että ne törmäävät muutaman miljardin vuoden kuluttua. Kaukaisemmista ja myös kaikkein kaukaisimmista galakseista tehdyt havainnot ovat puolestaan määrittäneet maailmankaikkeuden iäksi 13,7 miljardia vuotta.

Samalla universumin laajeneminen osoittautui kiihtyväksi, mikä johti pimeän energian löytymiseen – joskin sen luonne on edelleen täysin hämärän peitossa. Myöskään pimeän aineen arvoitus ei ole selvinnyt, mutta Hubblen avulla on saatu paljon lisää tietoa sen jakaumasta niin galakseissa kuin galaksijoukoissakin.

Siinä missä kunnon keittiössä tarvitaan tehokasta monitoimikonetta, sama pätee mitä suurimmassa määrin myös tähtitieteeseen. Hubble on täyttänyt tehtävänsä kosmisena yleiskoneena jo neljännesvuosisadan ajan.