Jubileum a világűrben – 30 éves a Hubble!

Csillagvizsgáló Svábhegyi

Mi jut eszünkbe, ha azt a szót halljuk: Világegyetem? Először talán csupán a tátongó üresség jelenik meg lelki szemeink előtt, azonban az űrt lassan feltöltik a szivárvány minden színében pompázó alakzatok: egy gigászi kéz, fényesen csillogó ujjbegyekkel, egy csillagváros kéken örvénylő forgataga, a rózsaszín hullámok tajtékjaiból előbukkanó ébenfekete ló, egy minden mozdulatunkat éberen figyelő szem… Megannyi misztikus jelenség, ami azonban nem pusztán fantáziánk szüleménye. Az Univerzumról bennünk élő kép legfontosabb forrása pedig az a teleszkóp, amely már három évtizede teljesít szolgálatot a csillagászat oltárán. A Hubble űrtávcső nemzedékünk meghatározó részévé vált. Felfedezései alapjaiban formálták át azt, amit az Univerzumról tudni véltünk. Szemkápráztató képei pedig úgy ábrázolják a minket körülvevő világot, mint korábban semmi más. A Hubble – koránt sem akadályoktól mentes – története közel fél évszázaddal az 1990-es felbocsátása előtt kezdődik: egy korszakalkotó elképzeléssel egy Föld körül keringő teleszkópról, amely a kozmosz titkait a világűrből kutatja!

Teleszkóp a Föld körül

Ma már könnyedén megpillanthatunk egy-egy, az éjszakai égbolton keresztülhaladó műholdat. A 20. század második feléig azonban egy Föld körül keringő mesterséges égitest mindössze az emberek fantáziájában létezett. Szerencsére sokak számára ez több volt puszta ábrándozásnál. Lyman Spitzer amerikai csillagász volt az első, aki egy tudományos folyóiratban leírta, milyen előnyei vannak egy űrbéli obszervatóriumnak a földiekhez képest. Hiszen jogosnak érezhetjük a kérdést: miért vigyünk fel egy távcsövet a világűrbe, ha a Földről is fürkészhetjük vele az égboltot? Miért jelenthet a Földön kívüli megfigyelés valóban „forradalmat” a csillagászat számára?

Mindenekelőtt érdemes tudni, hogy a Föld légköre – bár kétség sem férhet hozzá, hogy életünk szempontjából kulcsfontosságú tényező – csillagászati méréseinket nagyon erősen hátráltató faktor. Ha egy mágikus gombbal egyszerűen „kikapcsolhatnánk” bolygónk atmoszféráját, az nagymértékben segítené földi csillagászati méréseinket (más kérdés, hogy így nem lenne, aki a megfigyeléseket elvégezze :). Légkörünk ugyanis több – csillagászati szempontból – negatív tulajdonsággal rendelkezik: Ilyen például a légkör felmelegedés és lehűlés hatására zajló folyamatos, kaotikus mozgása, amit turbulenciának nevezünk. Valószínűleg mi is észrevettük már, hogy éjszaka a csillagok mintha villognának az égbolton. Ezt a jelenséget a légköri turbulens áramlások okozzák, és természetesen csillagászati méréseinket is torzítja1, és a távcső által elérhető maximális felbontást nagyon is korlátozza.

Légkörünk alkotóelemei mindemellett kiválóan szórják a rájuk eső fényt (nem véletlen az ég kék színe sem). Városaink közelében ezért a közvilágítás hatására éjjelente jelentős mértékű a fényszennyezés is – a narancssárga fénybúra a légkörön szóródó közvilágítás miatt jön létre. Ahhoz persze, hogy ez utóbbit kiküszöböljük, nem kell feltétlenül a világűrbe menni, elég egy településektől távol eső ponton felállítani távcsövünket. Van azonban a légkörnek egy még fontosabb tulajdonsága: az ún. áteresztőképessége. A Földünket övező atmoszféra, mint egyfajta védőpajzs funkcionál a nagyobb energiájú sugárzások (gamma, röntgen, ultraibolya) ellen: légkörünk molekulái ezt elnyelik, így a sugárzás nem éri el a felszínt. Sőt, az igazság az, hogy a légkör a Földet érő elektromágneses sugárzás nagy részét elnyeli, csupán két „ablakon” engedi azt át: a rádióhullámok és a látható fény tartományában. Márpedig a csillagászat nem ér véget a látható fénnyel, az Univerzum más és más arcát mutatja felénk röntgen, infravörös, vagy éppen UV-fényben. Ahhoz, hogy megvizsgáljuk, milyen rejtélyeket tartogat számunkra ezekben a láthatatlan tartományokban, el kell hagynunk a Földet. Szülinapos űrteleszkópunk is kihasználja a világűr által kínált szabadságot: a Hubble nem csak látható fényben, hanem ultraibolyában és infravörösben egyaránt vizsgálja a kozmoszt.

A légkör áteresztőképessége a beérkező sugárzás hullámhossza szerint. Földfelszíni távcsöveink csak az ún. légyköri ablakokban tudják vizsgálni az égboltot, mint amilyet a látható fény tartományban és a rádióban látunk. Forrás. NASA. Link: https://www.wikiwand.com/hu/Látható_spektrum

A fentiek mellett egy űrbéli távcső számára további előnyt jelent, hogy nincs kitéve az időjárás viszontagságainak: méréseit sosem fogja félbeszakítani a felhős idő! Sőt, a nappalok és éjszakák váltakozása sem korlátozza távcsövünket: egy űrtávcső fényes nappal is meg tudja figyelni a leghalványabb csillagokat. A Hubble számára tehát egy jól átgondolt elméleti háttér szolgáltatta az alapot. Ez a gondolatmenet pedig alig több, mint negyven évvel Spitzer írása után, modern korunk egyik legmeghatározóbb csillagászati teleszkópjának születéséhez vezetett.

A Hubble útja – a földtől a világűrig

Alig egy évtizeddel a NASA (National Aeronautics and Space Administration) 1958-as megalakulása után a Hubble űrteleszkóp (akkori – igencsak kreatív – nevén: Nagy Űrteleszkóp /LST – Large Space Telescope/) megalkotását célzó tervezet elnyerte az Amerikai Tudományos Akadémia (NAS) támogatását, ami a projekt jelentőségét mutatja. Megütközhetünk a tényen, hogy a Hubble alapját képező program már a ’60-as évek végén létezett, hiszen a távcsövet csak több, mint 20 évvel később küldték fel. Márpedig ez egyáltalán nem ritka esemény a csillagászati projektek világában: egy-egy tervezet beküldésétől annak megvalósításáig gyakran évtizedek telnek el! A Hubble számára sem volt ez másképp, világűrbe lépésének pillanatáig viszontagságos utat kellett bejárnia. Sajnos a kezdeti elképzeléseknek olyan egészen földi akadályok is útjukat állták, mint a magas költségvetés. Egy űrtávcső megalkotása, felbocsájtása és karbantartása jelentősen nagyobb költséggel járt, mint egy földi teleszkóp megépítése. A kompromisszum érdekében a kezdetben három méteres átmérőjűre tervezett főtükör méretét is csökkenteni kellett 2,4 méteresre. Az anyagi korlátok sem szabhattak azonban sokáig gátat e grandiózus ötlet megvalósításának, és 1978-ban elkezdődött a főtükör csiszolása. Ez a projekt kulcsfontosságú része volt, hiszen a legapróbb hiba is katasztrofális következményekkel járhatott. A távcső 1983-ban hivatalosan is megkapta a „Hubble Space Telescope” elnevezést, 1986. második felére pedig a teleszkóp készen állt a világűrbe bocsájtásra. Közbeszólt azonban egy hirtelen baleset, ami további négy évvel tolta el a küldetés kezdetét: a Challenger űrsikló katasztrófája. Mivel a távcső eddigre kész állapotban volt, kénytelenek voltak azt kontrollált körülmények között, egy ún. tiszta szobában tartani az elkövetkező években, ami havonta többmillió dollárral növelte a projekt költségét…

Készül a Hubble főtükre 1979-ben. Forrás: NASA. Link: https://www.nasa.gov/content/hubbles-mirror-flaw

Gondoljunk csak bele egy pillanatra: a kor egyik legmodernebb teleszkópja éveken keresztül a raktárban várja, hogy működésbe léphessen egy olyan technológiával, melyet két évtizeddel korábban fejlesztettek ki. Talán magunk is érezzük a dolog paradox jellegét: hogy lehet valami „modern”, mikor a benne lévő műszerek lassan elavulttá válnak? Valóban érdemes egy ilyen eszközre dollármilliókat költeni? Ne higgyük, hogy a Hubble-t kiötlő elmék épp erre ne gondoltak volna! Tudatában voltak, hogy mire az általuk oly gondosan megalkotott ötlet valóban formát ölt, rengeteg idő telik el. Éppen ezért úgy döntöttek, a Hubble-t Föld körüli pályára állítják, hogy elérhető közelségben maradjon2. A küldetést úgy tervezték meg, hogy a Hubble-t felbocsájtása után is folyamatosan korszerűsíteni lehessen a legújabb technológiával. Ennek részeként már a 70-es évek végétől űrhajósokat képeztek ki a majdani szervízmissziókra. Ez a felkészültség a későbbiekben sokszorosan megtérült – a projekt résztvevői ekkor még nem lehettek tudatában annak a fatális hibának, amivel a Hubble főtükre rendelkezett.

A nehézségek ellenére hosszú várakozás után a Hubble űrtávcső végül 1990. április 24-én elindult három évtizede óta tartó küldetésére.

Apró hiba hatalmas következményekkel

Gondoljunk a legapróbb hibára, amit valaha vétettünk! Esetleg véletlenül bekapcsolva hagytuk estére a televíziót, netán elfelejtettük egy távoli rokonunk szülinapját? Első pillantásra még ezek a piciny hibák is nagyobbnak tűnhetnek, mint amit a Hubble főtükrének csiszolásakor vétettek. Hiszen ez volt a valaha készített legprecízebb tükör a távcsövek történelmében. Egy apró hibája volt csupán: a tükör a peremén két mikrométerrel laposabb volt, mint az a tervekben szerepelt. Hogy megértsük, milyen pontosságot jelent is ez: a hiba mindössze akkora volt, mint egy hajszál vastagságának ötvened része. A hétköznapokban persze mit törődnénk mi egy ilyen nüansznyi hibával! A szóban forgó eszköz azonban minden volt, csak nem hétköznapi: A csillagászat egyik legnagyobb úttörőjéről volt szó, amitől nem csak szemkápráztató felvételek készítését várták, hanem csillagok keletkezésének és pusztulásának felderítését, és a kozmológia legégetőbb kérdéseinek megválaszolását! Ezzel természetesen a tükör elkészítését magára vállaló cég tulajdonosai is tisztában voltak, éppen ezért a lehető legnagyobb pontosság elérésére törekedtek. Ennek érdekében a munkafolyamatok végső fázisában a csiszolást ellenőrző műszereket egy új – éppen a távcső csiszolására vonatkozó szigorú elvárások miatt készített – eszközre cserélték, ami a korábbiaknál még pontosabb mértékben képes volt megállapítani a felület görbületét. Az új műszer azonban hibásan volt bekalibrálva: így a főtükröt ugyan rendkívüli pontossággal csiszolták – csak éppen a rossz formára. A korábban alkalmazott műszerek bár jelezték a hibát, ezt a vizsgálatokat felügyelő mérnökök a régebbi eszközök pontatlanságának tulajdonították. Ezzel megszületett az űrcsillagászat egyik legapróbb hibája, ami 1990. áprilisában Föld körüli pályára állva várta, hogy a csillagászok végre észrevegyék. De mégis mekkora problémát okozhat egy ilyen apró hiba?

A Hubble által készített felvétel az M100 jelű galaxisról 1993 novemberében (balra) és decemberében (jobbra) a szervízmisszió után. Forrás: NASA. Link: https://www.nasa.gov/content/hubbles-mirror-flaw

Elég egy pillantást vetnünk a Hubble első éveiben és a későbbiekben készült képekre: a minőség szembeötlő. Bár a Hubble felvételei felülmúlták a korábbi teleszkópokét, korántsem érték el a kívánt minőséget. Márpedig figyelembe véve azt a rengeteg pénzt, amit a távcső megalkotására költöttek, ez igazán aggasztó dolognak bizonyult. A képeken látható elmosódást az okozta, hogy a tükör közepére érkező fénycsóva máshova fókuszálódott, mint a tükör peremére érkezők, így a felvétel defókuszált, életlen lett3. A csillagászokat azonban nem csak a homályos képek nyugtalanították. A Hubble kisebb pontossággal ugyan, mint várták, de a fényesebb égitestekről képes volt méréseket végezni. Az igazi gondot a leghalványabb objektumok jelentették: a fókuszálásban fellépő hiba ezek vizsgálatát teljesen ellehetetlenítette. Ezzel a kutatók búcsút mondhattak majdnem minden tervbe vett kozmológiai projektnek!

A Hubble képe az Antennák elnevezésű ütköző galaxispárosról. Forrás: ESA/NASA. Link: https://www.spacetelescope.org/news/heic0615/

A csillagász közösség nem egyszer bizonyította már, hogy a váratlanul fellépő problémák sem állhatnak a tudás útjába. Leleményességük a Hubble esetén sem vallott kudarcot. Hamarosan kitalálták a módját, hogy javítsák ki a távcső tükrében keletkezett hibát. A megoldást végül nem a teleszkóp főtükrének cseréje oldotta meg (ez túl költséges és bonyolult lett volna), hanem a távcső mérőműszereinek korrigálása. A főtükör hibáját úgy tudták kijavítani, hogy a detektorok optikájába a főtükörben fellépővel azonos mértékű, de ellentétes hatású „hibát” vittek be a csiszolás során. E célból a Hubble egyik kameráját lecserélték a speciális optikával rendelkezőre, míg a többi műszer számára egy korrekciós lencsét szereltek be. Ez ahhoz hasonló, mint amikor szemüveget veszünk fel látásunk javítására. (Egy komoly különbség azonban, hogy a Hubble esetében ez a „szemüveg” kb. telefonfülke méretű volt.) Talán már sejtjük, hogyan tudták végrehajtani a fent említett javításokat: a Hubble Föld körüli pályán keringett, a NASA pedig már évekkel korábban elkezdte a távcső karbantartásáért felelős űrhajósok kiképzését. A munkálatokat az asztronauták űrséta közben hajtották végre. Későbbi küldetések során a Hubble műszereinek teljes garmadáját leváltották a beépített korrektorokkal ellátott eszközökre.

A Hubble űrtávcső így méltóvá vált saját nevéhez, és rövid időn belül kamatostul beváltotta a hozzá fűzött reményeket! Felfedezéseivel a csillagászat megannyi ágán hozott korszakalkotó eredményeket, a fekete lyukaktól kezdve az exobolygók világán át a galaxisok fejlődéséig. Következő cikkünkben mi is bemutatunk néhányat ezek közül a – mára szinte „klasszikussá” vált – felfedezések közül!

Boldog Ádám, Fiatal kutató
CSFK Konkoly-Thege Miklós Csillagászati Intézet

1: Ma már a földi távcsövek esetében ún. adaptív optikát használnak, amely korrigálja a mérést a légköri mozgásokból fakadó változásokra.
2: A Hubble alacsony Föld körüli pályán (low-Earth orbit) kering, kb. 540 km-rel a felszín felett.
3: Ez az ún. szférikus aberráció jelensége: az optikai tengelytől távolodva a beeső fénysugarak fókuszpontja egyre jobban eltolódik.