Z Cape Canaveral 24 kwietnia 1990 r. wystartował wahadłowiec Discovery. W jego ładowni spoczywał wart 2,5 mld dol. teleskop – walcowaty przedmiot o wadze 11 ton i rozmiarach sporego autobusu. Następnego dnia astronauci umieścili go na kołowej orbicie 600 km nad Ziemią, a 20 maja dokonano za jego pomocą pierwszej obserwacji. Naukowcy czekali na tę chwilę przez ponad pół wieku, tyle bowiem upłynęło czasu od ukazania się artykułu jednego z najwybitniejszych astrofizyków XX w. Lymana Spitzera Jr. o koncepcji teleskopów orbitalnych.
Atmosfera naszej planety pochłania światło ciał niebieskich i rozmazuje ich obrazy, utrudniając obserwacje astronomiczne. Co więcej, nigdzie widziane z Ziemi niebo nie jest całkowicie czarne. Słabe obiekty giną na jego tle i nawet największe teleskopy sięgają tylko do gwiazd świecących 2 mld razy słabiej niż te, które w dobrych warunkach można jeszcze dostrzec gołym okiem. Chcąc uwolnić się od takich ograniczeń, astronomowie są zmuszeni do umieszczania przyrządów na orbicie wokółziemskiej lub nawet wokółsłonecznej.
NASA podjęła decyzję o budowie teleskopu orbitalnego w 1969 r. Osiem lat później Senat USA zgodził się sfinansować to przedsięwzięcie, obcinając jednak aż o połowę kwotę przyznaną uprzednio przez Izbę Reprezentantów. Projekt uzyskał wprawdzie wsparcie Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA), ale jej wkład finansowy nigdy nie przekroczył 15 proc. wszystkich kosztów. Prace ruszyły pełną parą w 1978 r. Trzy lata później utworzono Space Telescope Science Institute (STScI) – zlokalizowaną w Baltimore międzyuczelnianą jednostkę odpowiedzialną za naukowe wykorzystanie teleskopu. Sam instrument otrzymał imię Edwina Hubble’a – amerykańskiego astronoma, który w latach dwudziestych dokonał jednego z największych odkryć w historii nauki, stwierdzając, że Wszechświat się rozszerza.
W pierwotnych planach teleskop miał średnicę 3 m, ale perypetie finansowe wymusiły jej zmniejszenie do 2,4 m (mimo to pozwala badać obiekty prawie stukrotnie słabsze od tych widocznych z powierzchni Ziemi). Wykonanie głównego zwierciadła powierzono Perkin-Elmer Corporation, co – jak się okazało – nie było najszczęśliwszym pomysłem. Prace przeciągały się, więc start teleskopu trzeba było przesunąć najpierw o rok, potem o dwa lata, a w końcu o trzy. Ostatecznie Hubble miał polecieć w kosmos w październiku 1986 r., ale i te plany pokrzyżowała katastrofa Challengera, po której loty wahadłowców wstrzymano na dwa lata.
Pierwsza misja serwisowa
Prawdziwa bomba wybuchła jednak kilka tygodni po umieszczeniu teleskopu na orbicie, gdy okazało się, że zdjęcia z Hubble’a są nieostre. Większość nie przewyższała jakością zdjęć z obserwatoriów naziemnych, co stawiało sensowność całego przedsięwzięcia pod dużym znakiem zapytania. Okazało się, że wprawdzie w zakładach Perkin-Elmer wyszlifowano główne zwierciadło z nieosiąganą uprzednio dokładnością (do 0,01 mikrometra), ale przyrząd, za pomocą którego sprawdzano jego kształt, był wadliwy. W efekcie na brzegu zwierciadła szlif odchylał się o ponad 2 mikrometry od zaplanowanego, a odbite stamtąd światło skupiało się w innym miejscu niż odbite z okolic środka.
Wadę tę udało się usunąć dopiero w grudniu 1993 r. podczas pierwszej misji serwisowej przeprowadzonej przez załogę wahadłowca Endeavour. Czwórka astronautów zainstalowała w teleskopie przyrząd COSTAR, nazywany popularnie okularami, który sprawił, że „wzrok” Hubble’a nabrał planowanej ostrości. Przy okazji wymienili kilka urządzeń, m.in. szerokokątną kamerę umożliwiającą obserwowanie rozciągłych obiektów kosmicznych, a także żyroskopy, dzięki którym można nastawiać teleskop na wybrane obiekty, oraz baterie słoneczne.
Uzyskawszy pełną sprawność, Hubble zaczął szybko i z nawiązką spełniać pokładane w nim nadzieje (dorobek Hubble’a można zobaczyć na niezwykle ciekawej stronie hubblesite.org). Gdy ważyła się decyzja o finansowaniu jego budowy, astronomowie nie znali jeszcze dokładnego wieku Wszechświata (różni autorzy szacowali go na 10 do 20 mld lat).
Jednym z głównych argumentów, które skłoniły Kongres USA do otwarcia państwowej kiesy, była konieczność dokładnego wyznaczenia tego fundamentalnego parametru kosmologicznego. Ściśle rzecz biorąc, kosmiczny teleskop miał nie tyle stwierdzić, ile czasu dzieli nas od Wielkiego Wybuchu, co wyznaczyć tzw. stałą Hubble’a, która odzwierciedla aktualną szybkość ekspansji Wszechświata (wiek Wszechświata jest w dobrym przybliżeniu jej odwrotnością). W praktyce sprowadzało się to do mierzenia jasności pojedynczych gwiazd w dalekich galaktykach. Ostrość obrazów galaktyk (które z Ziemi wyglądają jak rozmazane obłoczki) była w tym przedsięwzięciu kluczowa, a kosmiczny teleskop – niezastąpiony.
Obserwacje przeprowadził zespół prawie trzydziestu astronomów pracujących pod kierunkiem Wendy Freedman z Carnegie Institution Observatories. Ich wstępny wynik ogłoszono w 2000 r., podając wartość stałej Hubble’a z dokładnością ±10 proc. Po dalszych dziewięciu latach udało się zwiększyć dokładność do ±5 proc., co pozwoliło ocenić wiek Wszechświata na 13,1 ± 0,7 mld lat. Wynik ten został potwierdzony i sprecyzowany przez niezależne dane pochodzące z innych źródeł. Zgodnie ze wszystkimi aktualnie dostępnymi informacjami Wielki Wybuch miał miejsce 13,73 ± 0,12 mld lat temu.
Czytaj także: Najdalsza gwiezdna obserwacja w historii
Głębokie pola Hubble’a
Hubble pomógł nam nie tylko oszacować wiek kosmosu, lecz także zbadać jego historię. Wykorzystując zebrane za jego pomocą dane, dwa niezależne zespoły kierowane przez Adama Riessa z STScI oraz Saula Perlmuttera z Lawrence Berkeley National Laboratory stwierdziły w 1998 r., że Wszechświat rozszerza się coraz szybciej. W następnych latach dzięki Hubble’owi określono moment, w którym prędkość kosmicznej ekspansji przestała maleć i zaczęła rosnąć (doszło do tego ok. 5 mld lat temu).
We Wszechświecie stało się wtedy coś bardzo dziwnego, co można porównać do sytuacji, w której rzucony do góry przedmiot początkowo zwalnia w zgodzie z prawami Newtona, ale – zamiast zatrzymać się w pewnym momencie i zacząć opadać – przyspiesza, by w końcu z coraz większą prędkością oddalić się w kosmos. Enigmatyczna substancja odpowiedzialna za rozpędzanie kosmosu została nazwana ciemną energią. Czymkolwiek jest (a tego na razie nikt nie wie), jej obecność sprawia, że czasoprzestrzeń rośnie coraz gwałtowniej – jak ciasto, do którego nieostrożny kucharz dodał za dużo drożdży.
Na przełomie lat sześćdziesiątych i siedemdziesiątych amerykańskie satelity wojskowe z serii Vela zarejestrowały krótkotrwałe błyski twardego promieniowania gamma. Jak stwierdzono w 1973 r., ich źródła znajdowały się gdzieś w kosmosie. Przez ponad trzy dziesięciolecia natura obiektów emitujących te śmiercionośne kwanty była jedną z największych zagadek astronomii.
Udało się ją rozwiązać dopiero w 1997 r., a teleskop Hubble’a odegrał przy tym jedną z głównych ról. Dzięki niemu dowiedzieliśmy się, że błyski gamma pochodzą z galaktyk odległych od nas o miliardy lat świetlnych. Każdy błysk oznajmia gwałtowną śmierć gwiazdy o dużej masie lub pary gwiazd mniejszych – towarzyszy bowiem przekształcaniu się tych obiektów w czarne dziury.
Zarówno blisko nas jak i w dalekich rejonach kosmosu z centrów niektórych galaktyk biją strugi cząstek elementarnych rozpędzonych niemal do prędkości światła. Korzystając z teleskopu Hubble’a mogliśmy się przekonać, że każda taka struga wypływa z bezpośredniego otoczenia olbrzymiej czarnej dziury o masie nawet miliard razy większej od Słońca. Do wypływu dochodzi wtedy, gdy dziura – mówiąc obrazowo – krztusi się, próbując pochłonąć zbyt wiele materii naraz.
Ponieważ światło rozchodzi się ze skończoną prędkością, patrząc daleko w przestrzeń zaglądamy jednocześnie w odległą przeszłość. Analizując wyniki obserwacji przeprowadzonych m.in. za pomocą teleskopu Hubble’a możemy prześledzić, jak zmieniał się Wszechświat z upływem czasu. Pierwsze galaktyki, które ukształtowały się w przestrzeni kosmicznej kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu, były dużo mniejsze od widocznych w naszej okolicy (a więc w zaawansowanej fazie ewolucji Wszechświata). Często zderzały się ze sobą i zlewały w większe obiekty; wytwarzały też gwiazdy w tempie nawet tysiąc razy większym niż obecnie. Z upływem czasu uspokajały się, średnie odległości między nimi rosły, a zderzenia stawały się coraz rzadsze.
Całą tę historię widać na tzw. głębokich polach Hubble’a – otrzymanych po ponadtrzydziestogodzinnym naświetlaniu niewielkich skrawków nieba na półkuli północnej i południowej. Widać też wyraźnie, że między polem północnym i południowym nie ma żadnych różnic statystycznych. Jest to mocny argument za poprawnością podstawowego założenia współczesnej kosmologii, zgodnie z którym Wszechświat jest izotropowy (czyli wygląda statystycznie tak samo bez względu na to, w którą stronę i jak daleko patrzymy).
We wrześniu 2012 roku opublikowano tzw. Ekstremalnie Głębokie Pole Hubble, czyli widoczny powyżej obraz złożony z ponad 2 tysięcy zdjęć zrobionych przez teleskop w latach 2002-2012. Na fotografii uwieczniono około 5,5 tys. galaktyk, w tym oddalone nawet o ponad 13 mld lat świetlnych.
Wciąż w dobrej formie
Zasługi Hubble’a w kosmologii i w badaniach odległych rejonów Wszechświata trudno przecenić. W bliższym otoczeniu Słońca może nie są już tak spektakularne, ale i tu dokonano za jego pomocą ważnych i ciekawych odkryć. Przede wszystkim – otrzymano pierwsze w historii zdjęcia wirujących wokół młodych gwiazd dysków protoplanetarych, w których na naszych oczach formują się planety, a także zdjęcia kilku uformowanych już planet pozasłonecznych.
Sporządzono też pierwsze mapy Plutona, odkryto dwa jego księżyce i uzyskano ważne informacje o innych obiektach krążących za orbitą Neptuna, dzięki którym łatwiej będzie odtworzyć wczesne etapy ewolucji Układu Słonecznego. Wyjątkowo spektakularnym osiągnięciem było zaobserwowanie w 1994 r. jednej z największych katastrof, jakie zdarzyły się na naszych oczach w Układzie Słonecznym – zderzenia odłamków komety Shoemaker-Levy z Jowiszem.
Na dobrą sprawę Hubble mógłby już przestać pracować – i tak ma zapewnione poczesne miejsce w historii astronomii. Po ostatniej misji serwisowej, którą w maju 2009 roku przeprowadziła załoga wahadłowca Atlantis, jest jednak w lepszej formie niż kiedykolwiek przedtem, a do STScI ciągle napływają tysiące projektów obserwacyjnych. Będzie więc działał, dopóki wystarczy pieniędzy, a jego podzespoły zachowają sprawność – według obecnych przewidywań nawet do 2020 roku.
Czytaj także: Niezwykłe zdjęcia z kosmosu. Filary Stworzenia sfotografowane ponownie po 20 latach
Gdy zakończy swą misję, zacumuje do niego automatyczny moduł rakietowy, który zepchnie go z orbity i skieruje w bezludne obszary Pacyfiku. W 2018 r. ma rozpocząć służbę jego następca – Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba.