"Oko" Ziemi, które zobaczyło przeszłość i przyszłość

24 kwietnia 1990 roku, godzina 8 rano. Kennedy Space Center na Florydzie. Na stanowisku startowym promów kosmicznych trwają ostatnie prace. Pięcioosobowa załoga wahadłowca Discovery czeka na sygnał. Przed nimi wyjątkowe zadanie.

Pół godziny później rozpoczyna się odliczanie. Sześć sekund przed opuszczeniem wyrzutni zapalają się silniki numer trzy, dwa i jeden. Trzy sekundy przed startem osiągają 90 procent swojego ciągu. O wyznaczonej godzinie włączają się rakiety wspomagające, a eksplozje ładunków wybuchowych kruszą śruby utrzymujące wahadłowiec na platformie startowej.

Discovery pnie się w górę, inicjując pięciodniową misję, w wyniku której na niskiej orbicie okołoziemskiej, na wysokości około 600 km nad powierzchnią planety, pojawia się obiekt wielkości autobusu szkolnego. Obiekt, który zmieni sposób, w jaki postrzegamy kosmos.

Marzenie astronomów

Ale zanim wyjawił nam, jak formują się i umierają gwiazdy, zanim udowodnił istnienie czarnych dziur i wykazał istnienie ciemnej energii, Hubble musiał powstać jako idea. Jedni uważają, że umieszczenie teleskopu na orbicie okołoziemskiej, poza zasięgiem zniekształcającej obraz atmosfery, było pomysłem niemieckiego ojca techniki rakietowej Hermana Obertha.

Inni przypisują tę zasługę astronomowi Lymanowi Spitzerowi, który w wydanej w 1946 roku pracy zaproponował stworzenie orbitalnego obserwatorium kosmicznego i do ostatnich lat życia kibicował powstaniu HST (Hubble Space Telescope). Nie umniejszając jednak zasług Spitzera, prawdziwą matką teleskopu Hubble'a była Nancy Roman, kobieta, która stworzyła program badań astronomicznych NASA.

Astronomia była całym jej życiem. W wieku 11 lat założyła klub astronomiczny dla przyjaciół, kilka lat później podjęła studia astronomiczne, które ukończyła tuż po zakończeniu drugiej wojny światowej. Pracowała w każdym obserwatorium, które miało coś ciekawego do zaoferowania i chciało ją przyjąć. Tuż przed tym, jak zwerbowała ją NASA, rozwijała program astronomii z użyciem fal radiowych w obserwatorium należącym do marynarki wojennej Stanów Zjednoczonych.

Propozycja z NASA nie przyszła jednak w dobrym momencie. To była świeża instytucja, skoncentrowana na wyścigu między USA a ZSRR. Bardziej niż o badaniach kosmosu myślano o tym, kto zdobędzie palmę pierwszeństwa w kosmicznej gonitwie Jednak Nancy podjęła rękawicę, zgodziła się wstąpić do agencji. I dobrze się stało, bo to jej zawdzięczamy obecny kierunek badań kosmicznych.

Budowa i wysłanie na orbitę teleskopu kosmicznego były ostatnim programem agencji, w jakim brała udział. Programem, któremu poświęciła niemal 30 lat swojego życia, od 1968 roku, gdy NASA wdrożyła program, do 1997 roku, gdy 72-letnia astronom odeszła na zasłużoną emeryturę.

- Pomyślałam, że skoro agencja chce zbudować za ogromne pieniądze teleskop kosmiczny, może niech wyda je na taki, który naprawdę ma sens - mówiła w wywiadzie dla American Institute od Phisics. Skrzyknęła najlepszych amerykańskich astronomów i połączyła ich z najlepszymi inżynierami, by stworzyć coś wyjątkowego: narzędzie do obserwacji najgłębszych czeluści czasoprzestrzeni.

Prace nad teleskopem rozpoczęły się w latach 70-tych. W bardzo złym momencie. "Apollo" - piekielnie kosztowny program lotów na Księżyc, został zakończony. Trwała również piekielnie kosztowna wojna w Wietnamie. Amerykański Kongres nie był chętny na wydawanie kolejnych milionów dolarów na coś, co wielu polityków uznawało za idée fixe grupy zapaleńców. A pierwotny zakładany koszt samej budowy HST miał wynieść 400 milionów dolarów.

Suma ta przez lata rozrosła się do 2,5 miliarda dolarów - i to tylko jeśli nie policzy się kosztów wystrzelenia i serwisowania. Walcząc o fundusze, pani astronom miała powiedzieć do pewnego szczególnie niechętnego programowi senatora, Williama Proxmire’a, że za cenę jednego biletu do kina dla każdego Amerykanina można dać im 15 lat patrzenia na najbardziej niezwykłe i emocjonujące odkrycia w historii człowieka. Wygrała tę potyczkę.

Katastrofa goni katastrofę

Prace, nie bez trudności, toczyły się. Okiem mierzącej ponad 13 metrów długości tuby o średnicy ponad czterech metrów było mające niemal 2,5 metra średnicy zwierciadło oraz systemy optyczne. Wykonanie zwierciadła powierzono firmie Perkin-Elmer, która wcześniej robiła m.in. lustra dla satelitów szpiegowskich. Musiało być wykonane z dokładnością do 10 nanometrów. Aby nic nie zakłócało polerowania, prace wykonywano w nocy, gdy nie było ruchu samochodowego mogącego powodować wibracje. Mimo to, gdy 20 maja 1990 roku HST przesłał pierwsze zdjęcie, zapanowała konsternacja.

Było nieostre. Próba zmiany ustawień niczego nie przynosiła. To była katastrofa. Już kolejna w historii teleskopu.

HST miał zostać wyniesiony na niską orbitę w październiku 1986 roku. Wszystko było gotowe, gdy doszło do katastrofy, która na kolejne 36 miesięcy zatrzymała program lotów kosmicznych. W styczniu 1986 roku na oczach milionów ludzi zgromadzonych przed telewizorami, zaledwie kilka sekund po starcie, prom Challenger dosłownie eksploduje. Ginie siedmioosobowa załoga. Ameryka przeżywa żałobę. Nikt nie myśli o teleskopie. Nie wiadomo nawet, czy w ogóle zostanie wyniesiony w kosmos, bo został zaprojektowany tak, by zmieścić się w ładowni wahadłowca. A te przestały latać. Nastają dwa lata niepewności.

Wreszcie 24 kwietnia 1990 roku prom Discovery bezpiecznie przebija się przez atmosferę ziemską i wynosi teleskop na planowaną wysokość. Załoga rozkłada konstrukcję w przestrzeni i wraca na Ziemię. Media nadają, że właśnie rozpoczęła się nowa era kosmicznych odkryć. A potem Hubble przysyła na Ziemię te pierwsze, feralne zdjęcia.

Wart miliardy dolarów teleskop, nad którym pracowało pokolenie konstruktorów, robi nieostre fotografie. Nagłówki najpoczytniejszych gazet mówią o wielkiej katastrofie, w Kongresie wrze. - W jednej chwili z bohaterów nauki staliśmy się obiektami żartów, a NASA mogła nie przetrwać - mówił Jim Crocker, były szef operacji HST.

Okazało się, że krańce lustra zostały wypolerowane zbyt płasko. Różnica wynosiła ułamek grubości ludzkiego włosa, lecz powodowała, że światło, przechodząc przez system luster wewnętrznych, nie koncentrowało się we właściwych punktach.

Na zwołanej przez NASA konferencji prasowej dziennikarze pytali, dlaczego nie sprawdzono tego na Ziemi i czy uda się teleskop sprowadzić z orbity i skorygować optykę. Naukowcy NASA milczeli. Kosmiczny Teleskop Hubble'a umierał.

Na pomysł, jak naprawić teleskop, Jim Crocker wpadł pod prysznicem. Przyglądając się prostemu systemowi rurek pozwalających operować natryskiem uznał, że używając podobnie prostego urządzenia można podnieść lustra tak, by uzyskały właściwy kąt. Moduł ten, Costar, nazwano potocznie okularami. Tylko jak założyć okulary teleskopowi znajdującemu się 600 kilometrów nad Ziemią?

Astronauci, którzy dokonali naprawy w 1993 roku, spędzili 400 godzin trenując pod wodą każdy ruch, jakiego będzie wymagało zainstalowanie modułu w odpowiednim miejscu. Story Musgrave, astronauta ekipy naprawczej, mówił, że po otrzymaniu zlecenia nie potrafił się uśmiechnąć. Na pytanie, czy wierzy w powodzenie misji, odpowiedział krótko "nie wiem". Nawet dla zaprawionych astronautów taka misja nie była łatwa.

Załoga odbyła pięć spacerów kosmicznych, by wykonać zadanie. Ale udało się. Łącznie przez wszystkie lata odbyło się pięć misji serwisowych teleskopu. Astronauta biorący udział w ostatniej z nich, Mike Massimino, mówił w wywiadzie, że podziwiał pomysł skonstruowania teleskopu tak, by możliwe były jego naprawy na orbicie. - Serwisowaliśmy go zupełnie jak samochód. Wymienialiśmy akumulatory, żyroskopy, panele słoneczne, elementy, które się zużywają. Modernizowaliśmy też elementy naukowe. Naprawialiśmy i ulepszaliśmy teleskop. A to wszystko 600 kilometrów nad Ziemią, w skafandrze, w którym trudno jest się poruszać, rękawice utrudniają wykonywanie nawet najprostszych czynności. Przypominało to naprawianie elektroniki mając na rękach rękawice bokserskie - opowiadał.

Dzięki misji ratunkowej i okularom HST odzyskał wzrok i już niedługo miał pokazać ludziom, że jesteśmy tylko drobinką pyłu żyjącą na jednej z bilionów planet wśród miliardów galaktyk. A w centrum każdej z nich znajduje się osobliwość, grawitacyjna pułapka, z której nie ucieka nawet światło. Czarna dziura.

Jest tam coś, czego nie ma

Rok 1994. Oko Teleskopu Hubble'a kieruje się ku jądru galaktyki M87 w Gwiazdozbiorze Panny. Rejestruje coś o tak potężnej grawitacji, jakby znajdowały się tam trzy miliardy naszych Słońc. Ale żadnego Słońca nie ma. Nie ma niczego poza gigantyczną skoncentrowaną masą. Jest pustka. Dziura. Konkretnie supermasywna czarna dziura. Podobne teleskop odnalazł w kolejnych 27 galaktykach.

- Już wcześniej wiedzieliśmy, że we Wszechświecie muszą istnieć czarne dziury będące wynikiem zapadania się masywnych gwiazd. Ale zdjęcia wykonane przez teleskop kosmiczny pokazały nam, że nie są to jedyne rodzaje czarnych dziur. Ujawniły, że w centrum większości galaktyk znajdują się supermasywne czarne dziury i że to one, poprzez swą grawitację, napędzają kwazary i aktywne jądra galaktyk - mówi profesor Wojciech Hellwing z Centrum Fizyki Teoretycznej Polskiej Akademii Nauk.

- Te długotrwałe obserwacje ujawniły, że młode gwiazdy otoczone są dyskami protoplanetarnymi, skupiskami gazu i pyłu, budulca, z którego powstają planety - wyjaśnia profesor Hellwing. Oznacza to, że planety pozasłoneczne są wpisane w proces formowania się samych gwiazd. Ziemia i Układ Słoneczny nie są wyjątkowe. Choć za taką cechę wyróżniającą może uchodzić fakt, że mamy tylko jedną gwiazdę, Słońce. Jeszcze przed wysłaniem na orbitę Teleskopu Hubble'a wiedziano, że we Wszechświecie dominują układy podwójne, w których dwie gwiazdy wzajemnie się okrążają. HST potwierdził te informacje.

I choć można długo wymieniać wyjątkowe odkrycia, jakich dokonała ludzkość dzięki swemu oku na daleki kosmos, to wydaje się, że do tych najważniejszych dla współczesnej kosmologii należy zaliczyć zbieranie danych do badań nad ciemną energią i ciemną materią. Te enigmatyczne nazwy dość dobrze oddają naturę problemu, o którym wiadomo dużo, ale niewystarczająco dużo, by móc ująć go w zgrabne równanie wyjaśniające zaobserwowaną sytuację.

Bo wedle wszelkich obliczeń ciemnej energii powinno być we Wszechświecie tyle, że niemożliwe byłoby tworzenie się w nim czegokolwiek. A jednak kosmos żyje, gwiazdy rodzą się i umierają, galaktyki zderzają się ze sobą i rozsypują swe układy planetarne, by stworzyć z nich, jak z dziecięcych klocków, całkiem nowe systemy.

Kosmos jest dynamiczny i nieustannie się rozszerza. To wykonane przez HST obserwacje wybuchów odległych supernowych pozwoliły zespołom kierowanym przez Saula Perlmuttera, Brianai P. Schmidta i Adama G. Riessiea odkryć, że wszechświat rozszerza się coraz szybciej. Odkrycie tzw. przyspieszonej ekspansji wszechświata przyniosło im w 2011 roku Nagrodę Nobla z fizyki. Jednocześnie pokazało, że ciemna energia stanowi obecnie około 75 procent całej energii-masy wszechświata, a poznanie jej natury jest obecnie jednym z najważniejszych wyzwań kosmologii i astrofizyki.

Co ciekawe właśnie to odkrycie, zupełnie przypadkiem, łączy się najmocniej z człowiekiem, którego nazwiskiem nazwano teleskop. Edwin Hubble był amerykańskim astronomem, którego obserwacje pokazały coś, w co nie wierzył sam Albert Einstein.

W pierwszych dekadach XX wieku powszechnie uważano, że wszechświat jest tworem niezmiennym od swych narodzin. Jednak obserwacje Hubble'a, znakomitego sportowca, trenera koszykówki, prawnika i wreszcie astronoma chętnie posługującego się angielskim akcentem, by dodać sobie nieco animuszu, pokazały dobitnie, że wszechświat się rozszerza. Te obserwacje doprowadziły do powstania Teorii Wielkiego Wybuchu, która do dziś najlepiej wyjaśnia narodziny Wszechświata.

Niekończąca się odyseja##

Teleskop Hubble'a, mimo 30 lat pracy, nieustannie dostarcza nowych danych. Jest najbardziej zaawansowanym i demokratycznym przyrządem naukowym w historii ludzkości. - Każdy astronom, niezależnie od miejsca pracy, doświadczenia czy tytułów naukowych, może zgłosić wniosek o wykorzystanie HST do swoich badań. Liczy się projekt, pomysł i celowość badań, a nie piastowane stanowisko badacza - mówi Wojciech Hellwing i dodaje, że nawet gdy teleskop przestanie badać kosmos i zostanie zdeorbitowany, co powinno nastąpić w ciągu dekady, zebrane dane posłużą astronomom przez następne dziesiątki lat.

- Zdjęcia wykonane przez Teleskop Hubble'a zawierają masę wciąż niezanalizowanych danych. Mogą służyć jako materiał porównawczy do danych zbieranych przez inne teleskopy i sondy kosmiczne. Będą cenne nawet gdy zakończą się prace nad nowym teleskopem kosmicznym, czyli Teleskopem Jamesa Webba, który powinien znaleźć się na orbicie okołosłonecznej w głębokim kosmosie w najbliższych latach. Stanowią skarbnicę wiedzy dla pokoleń astronomów, astrofizyków oraz dla wszystkich ludzi, którzy oglądając fotografie wykonane przez HST mają szansę zachwycić się pięknem i bogactwem wszechświata - mówi profesor Hellwing.

Właśnie ze względu na umiejscowienie nowego teleskopu jego ewentualna naprawa nie będzie możliwa. Pozostaje mieć nadzieję, że gdy wreszcie znajdzie się na orbicie, żadne okulary nie okażą mu się niezbędne.

- Przez 30 lat od wyniesienia na orbitę HST dokonał ponad miliona 300 tysięcy obserwacji;

- Na podstawie tych obserwacji powstało ponad 15 tysięcy prac naukowych, które przyczyniły się do powstania ponad 700 tysięcy artykułów naukowych;

- Najodleglejsze miejsce, w jakie udało się zajrzeć dzięki teleskopowi, mieści się 13,4 miliardów lat świetlnych od Ziemi. Czyli można powiedzieć że oko tak naprawdę dostrzegło przeszłość;

- Nancy Roman, matka Teleskopu Hubble'a, a swoje zasługi otrzymała m.in. innymi medal wręczony przez prezydenta Kennedy'ego oraz... własny zestaw LEGO - figurkę kobiety stojącą przy Kosmicznym Teleskopie Hubble'a.