Historie dalekohledu Hubble: Co všechno museli vědci překonat, aby jej dostali do vesmíru

Podíváte-li se na oblohu (a odmyslíte si zakřivení Země a zvlnění terénu), budete mít výhled zhruba 180 úhlových stupňů. Měsíc v úplňku přitom zabírá jen 0,5 stupně, tedy 30 úhlových minut. Netrénované lidské oko rozliší objekty přibližně o velikosti jedné úhlové minuty, zatímco astronomické dalekohledy dlouho disponovaly rozlišovací schopností kolem jedné úhlové sekundy. Tento „skleněný strop“ se pak kvůli vlnění atmosféry, přítomné vlhkosti atd. nedařilo překonat.

Ve 20. století se proto astronomové rozhodli vydat se do vyšších nadmořských výšek: vznikly tak slavné observatoře v Chile, na Havaji či na Kanárských ostrovech. Za lepší výsledky se však platilo horšími pracovními podmínkami daleko od výrobních center v Evropě či v USA, nemluvě o informační či společenské izolaci. Navíc tyto observatoře nedokázaly eliminovat všechny „problémy“, jako je střídání noci a dne či rozmary počasí. 

Nesmíme zapomenout ani na jiný důležitý aspekt – na pozorování v různých částech elektromagnetického spektra. Zemská atmosféra totiž propouští jen jeho viditelnou část a malou část blízkého infračerveného záření, zatímco vše ostatní spolehlivě pohlcuje. Dnes přitom víme, že to nejzajímavější nám vesmír ukazuje právě ve spektrálních oblastech, které ze Země pozorovat nelze. Cesta teleskopu do kosmu ovšem nebyla jednoduchá.

Prolomit bariéru

Už ve 20. letech minulého století přišel německý průkopník vesmírných letů Hermann Oberth s návrhem umístit dalekohled do rakety, jednalo se však „jen“ o vizionářský nápad. Mnohem aktivnější byl astrofyzik Lyman Spitzer, který se věnoval navigaci ponorek pro americké námořnictvo, ale podstatně víc mu učarovala právě nauka o kosmických tělesech. Na Princetonské univerzitě jeho závěrečnou doktorskou práci nejprve odmítli, protože obsahovala „příliš mnoho astronomie“. 

Druhá světová válka snům o vesmíru moc nepřála, ovšem v roce 1946 přišel Spitzer s nápadem postavit „hvězdárnu na umělém Měsíci“. O deset let později se spojil s Martinem Schwarzchildem a společně připravili teleskop se zrcadlem o průměru 25 cm, který následně poslali balonem do výšky 32 km a nechali jej pořídit fascinující snímky Slunce. O další desetiletí později umístili do balonu dalekohled o průměru 91 cm, jenž získal záběry oblohy s rozlišením 0,1 úhlové sekundy – a začarovaná hranice byla prolomena!

Ve stejné době začala vesmír pro astronomy pomalu objevovat i NASA. Mezi lety 1966 a 1972 vypustila kvarteto družic OAO neboli Orbiting Astronomical Observatory, které sledovaly kosmos v ultrafialovém spektru. První z nich ovšem selhala kvůli zkratu v akumulátorech a třetí zase zanikla při havárii rakety. Ovšem čtvrtá představovala skutečný triumf: nesla jméno Copernicus jako připomínku 500. výročí narození polského astronoma Mikołaje Kopernika a se svým 91cm teleskopem zmapovala během devíti let mezihvězdný plyn, který hraje zásadní roli při formování hvězd a v jejich životním cyklu.

Teleskop proti všem

Mezitím Spitzer horečně prosazoval revoluční optický dalekohled, jenž se pak v roce 1969 pod názvem LST neboli Large Space Telescope zařadil mezi budoucí americké kosmické priority. Počítalo se s třímetrovým zrcadlem a s častými návštěvami astronautů, kteří měli u družice vyměňovat kazety s filmy. V tehdejší době totiž neexistoval jiný způsob, jak dostat snímky ve vysokém rozlišení na Zemi.

NASA se dalekohledu věnovala od roku 1971, kdy zadala první studii proveditelnosti. Spitzer však zároveň vedl bitvu ještě na jedné frontě – s astronomy, kteří se báli, že drahá kosmická observatoř odčerpá finance ze stávajících projektů a grantů. Mnozí proti vesmírnému teleskopu dokonce aktivně bojovali a politický vývoj jim hrál do karet: Když NASA žádala o první finance na projekt od Kongresu, netrvalo jednání ani pět minut. Stačil jediný dotaz – na cenu –, a žádost byla promptně zamítnuta.

Jenže vesmírná agentura teleskop přepracovala (zmenšila například průměr zrcadla na 2,4 m) a v roce 1973 jej kongresmani vzali na milost – ovšem jen na jediný rok. NASA nakonec našla spojence v nově založené Evropské kosmické agentuře (ESA), kde se navíc teleskop dočkal dalšího přepracování. Z programu zmizela kupříkladu zkušební mise se zrcadlem o průměru 80 cm, která měla prověřit nové technologie přímo na oběžné dráze. V říjnu 1977 se práce definitivně rozběhly a Kongres uvolnil částku 400 milionů dolarů. Dodnes stál dalekohled zhruba 6–8 miliard.

Konečně ve vesmíru!

Kritickou součást teleskopu tvořilo zrcadlo. Jeho výrobu měla zajistit firma Perkin-Elmer, ovšem NASA se rozhodla uzavřít ještě další dva kontrakty se společnostmi Kodak a Itek, jež poskytly záložní zrcadla pro případ nečekaných potíží nebo poškození primárního kusu. Použité technologie totiž představovaly skutečnou revoluci a nebylo jasné, zda budou v praxi fungovat. Například nanášení závěrečné ochranné vrstvy fluoridu hořečnatého o síle 25 nm (nanometrů) trvalo jen čtyři minuty, ale předcházely mu čtyři roky pečlivých výpočtů a příprav!

A problémy se skutečně dostavily. Podle původních plánů měl teleskop odstartovat do vesmíru na podzim roku 1983. Termín se však – právě kvůli přípravě zrcadla – neustále odkládal: nejprve na říjen 1984, pak na duben 1985, poté na březen 1986 a nakonec na srpen či září 1986. Jenže v lednu téhož roku havaroval při startu raketoplán Challenger a dalekohled musel čekat až do dubna 1990, kdy jej – už pod oficiálním názvem Hubble Space Telescope (HST) – vynesl na oběžnou dráhu raketoplán Discovery. 

Prvotní plány NASA počítaly s tím, že se teleskop nebude opravovat přímo ve vesmíru, ale na Zemi! Raketoplán by jej vždy dopravil na technickou prohlídku do pozemních montážních hal a o několik měsíců později by jej další vesmírný letoun přesunul zpět na orbitu. Takto by se Hubble během své desetileté životnosti vrátil na Zemi 4–5×! Koncepce vycházela z původní filozofie NASA, podle níž měly raketoplány startovat 50–60× ročně, s velmi nízkými náklady na jeden vzlet. Předpoklady se však nakonec nenaplnily a vesmírná agentura se rozhodla teleskop opravovat a modernizovat přímo v kosmu.

Příběh tří zrcadel

Počáteční nadšení vědců z nového přístroje ovšem záhy vystřídalo zklamání: pořizované snímky byly rozostřené! Zjistilo se, že firma Perkin-Elmer špatně vybrousila zrcadlo: projektová dokumentace tolerovala na krajích odchylku od předepsaného tvaru maximálně 10 µm (mikrometrů), ale ve skutečnosti šlo o 2 200 µm! Teleskop měl sice rozlišovací schopnost jako nejlepší pozemské observatoře (bez některých omezení), ale přece jen se od něj čekalo víc. 

Vyšetřovací komise zjistila, že čočky nulového korektoru (v daném případě se jednalo o zařízení s optikou o průměru 50 mm, které sloužilo k testování tvaru zrcadla) byly posunuty o 1,3 mm. Prvotní broušení „hlídala“ dvojice standardních nulových korektorů, avšak při závěrečném přesném ladění tvaru zrcadla se použil zmíněný přístroj vytvořený speciálně pro teleskop. Ironií osudu oba standardní korektory odchylku při kontrole odhalily, firma Perkin-Elmer ovšem varování ignorovala, protože považovala speciální korektor za přesnější.

Následná měření navíc ukázala, že obě záložní zrcadla jsou v bezvadném stavu. Výrobek společnosti Itek nyní slouží v Novém Mexiku na Magdalena Ridge Observatory, exemplář od Kodaku se nachází ve washingtonském Národním muzeu letectví a kosmonautiky. A vadný kus od firmy Perkin-Elmer krouží kolem Země…

Jak dostal teleskop brýle

Vědci začali s nadsázkou říkat, že je teleskop krátkozraký. A NASA pro něj chystala „brýle“, které by optickou vadu upravily. Při první servisní misi v prosinci 1993 tak raketoplán Endeavour vynesl k dalekohledu nejen nový přístroj WFPC2 (Wide Field and Planetary Camera 2), ale rovněž optickou korekční jednotku COSTAR neboli Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement. Dále náklad zahrnoval dvojici nových slunečních baterií, jejich řídicí elektroniku, magnetometry, koprocesor pro zvýšení výkonu palubního počítače a dva nové gyroskopy. Mimochodem, všechny přístroje instalované na dalekohled později disponovaly vlastní optickou korekční jednotkou, jelikož se s chybou počítalo už při jejich výrobě, takže zařízení COSTAR se mohlo v roce 2009 demontovat.

Postupně se k teleskopu vydalo pět servisních misí, a to v letech 1993, 1997, 1999, 2002 a 2009. Hlavně poslední zmíněná se ocitla pod drobnohledem: po zkáze raketoplánu Columbia v roce 2003 ji nejprve zrušili, ale nakonec se po obrovském tlaku astronomické komunity přece jen uskutečnila. Uvedený servisní let měl zajistit fungování observatoře nejméně do roku 2014, dnes se však hovoří zhruba o roce 2020 – pokud nenastanou mimořádné okolnosti. V hustých vrstvách zemské atmosféry by pak měl dalekohled zaniknout kolem roku 2030.

Hubbleův teleskop dodnes patří k tomu nejlepšímu, čím NASA disponuje. Stal se legendou, symbolem úspěchu a podepsal se pod 40 % nových objevů americké vesmírné agentury! Zástupce administrátora NASA pro vědu John Grunsfeld doplňuje: „Ten největší Hubbleův objev je vždy ten příští.“ A dobře ví, o čem mluví – ještě jako astronaut pomáhal dalekohled třikrát opravovat.