HUBBLOV VESMÍRNY ĎALEKOHĽAD

„Veľké objavy sa často nezačínajú odpoveďou.
Začínajú otázkou, ktorú sa niekto odváži položiť.“

Hubblov vesmírny ďalekohľad (Hubble Space Telescope – HST) samozrejme nebol navrhnutý ako fyzikálny experiment. Jeho úlohou bolo umožniť astronomické pozorovania s rozlíšením, ktoré nebolo možné dosiahnuť z povrchu Zeme. Napriek tomu sa udalosti po jeho uvedení do prevádzky stali jedným z impulzov, ktoré významne ovplyvnili naše ďalšie uvažovanie.

Krátko po vypustení na obežnú dráhu sa ukázalo, že ďalekohľad nepracuje podľa očakávania. Najznámejším problémom bola neostrosť obrazu spôsobená chybou hlavného zrkadla. Menej známe boli problémy so systémom určovania smeru pozorovania (Star Trackers) a s presnosťou samotného zamerania ďalekohľadu na pozorovaný objekt.

Vplyv tvaru primárneho zrkadla

Z uvedených problémov bol najhorší problém neostrosť obrazu. Cieľ HST, ktorým bolo získať obraz s vysokým rozlíšením, bol preč. Začal sa proces hľadania príčin neostrosti obrazu. HST má dve zrkadlá: primárne a sekundárne. Po dopade lúčov na primárne zrkadlo sa lúče odrazia a smerujú do sekundárneho zrkadla. Po odraze od sekundárneho zrkadla prechádzajú otvorom v primárnom zrkadle až do prístrojov a hlavnej kamery HST.

Podľa analýzy odborníkov na optiku HST bola príčinou neostrého obrazu chyba pri brúsení primárneho zrkadla. Tvar paraboly nebol dodržaný. Vplyvom nesprávneho tvaru sa dopadajúce lúče nepretínali v jednom bode, obr. 1. hore, ale v rôznych bodoch, obr. 1 dole. Tento jav odborníci na optiku nazývajú „sférickou aberáciou“.

Historická poznámka

Ako som uviedol, som absolventom strojníckej fakulty. Na rozšírenie mojich poznatkov z oblasti astronómie som si kúpil „Encyklopédiu astronómie“ (Hajduk a Stohl, 1987). Obsahuje tisíce hesiel a hneď na prvej strane, pod A, je heslo „aberácia svetla“.  Bola to náhoda? Ide o vplyv pohybu Zeme na smer pozorovania pozemských ďalekohľadov (obr. 2), ktorý objavil anglický astronóm James Bradley.

Bradley ukázal, že pohyb Zeme ovplyvňuje zdanlivý smer prichádzajúceho svetla zo vzdialených hviezd. V astronomickej literatúre sa tento jav vysvetľuje pomocou vektorového sčítania rýchlosti svetla a rýchlosti pohybu Zeme.

Vplyv pohybu na funkciu HST

Ak pohyb Zeme ovplyvňuje smer pozorovania pozemského ďalekohľadu, vzniká prirodzená otázka, či podobný princíp nemôže pôsobiť aj na ďalekohľad pohybujúci sa po obežnej dráhe Zeme. Pripomíname, že vesmírny ďalekohľad mal po uvedení do prevádzky tri problémy. Prvým bola neostrosť obrazu. Druhým, o ktorom sa nepísalo, bol problém troch malých teleskopov (Star Trackers), ktorých úlohou bola stabilizácia smeru pozorovania HST. Tretím problémom bol smer pozorovania. Po prvom nasmerovaní osi ďalekohľadu HST na zvolený vesmírny objekt získali v riadiacom stredisku NASA nielen neostrý obraz, ale naviac aj z vedľajšieho objektu. Ďalekohľad škúlil.

Poznámka: Aj problém troch malých teleskopov súvisel so smerom pozorovania a pohybom ďalekohľadu. Mali sa zachytiť na stáliciach, ktoré vytypovali astronómovia. Zachytili sa však na nesprávnych hviezdach.

Obežná rýchlosť HST okolo Zeme je 8 km/s. Obežná rýchlosť Zeme je približne 30 km/s. Obežná rýchlosť slnečnej sústavy vzhľadom na stred našej galaxie „Mliečnej dráhy“ je približne 250 km/s. Rýchlosť našej galaxie vzhľadom na zakrivený časopriestor je približne 600 km/s. Rýchlosť pohybu HST  je vektorovým súčtom týchto rýchlostí. Preto nie je pohyb vesmírnych ďalekohľadov vzhľadom na zakrivený časopriestor zanedbateľný. Týka sa to najmä ďalekohľadov s ohniskovou vzdialenosťou väčšou ako 1 m.

Aj my použijeme na vysvetlenie vplyvu pohybu ďalekohľadu na dopad a odraz lúčov jednoduché parabolické zrkadlo. Na obr. 3 je parabolické zrkadlo pohybujúce sa so zvolenou rýchlosťou v. Pre lepšie znázornenie je vektor rýchlosti zrkadla „v“ zväčšený.

Obr. 3 Vplyv pohybu ďalekohľadu na smer pozorovania a ostrosť obrazu.

Modrou farbou sú zobrazené lúče, ktoré sa po odraze a následnom dopade stretnú v ohnisku parabolického zrkadla F. To platí, ak sa zrkadlo nepohybuje. Červenou farbou sú zobrazené dva lúče v prípade, ak sa zrkadlo pohybuje zvolenou rýchlosťou v. Tieto lúče určujú smer pozorovania pre daný vektor rýchlosti zrkadla.

Po odraze sa dva červené lúče nestretnú v pôvodnom ohnisku ďalekohľadu F, ale v bode Fx . Naviac nie v tom istom čase, pretože dráhy lúčov po odraze nie sú rovnaké. Kamera ďalekohľadu zachytí obraz všetkých červených svetelných lúčov zo smeru, ktorý nezodpovedá smeru optickej osi. Navyše, zachytený obraz je neostrý, pretože všetky červené lúče dopadajúce na parabolu zrkadla pod nesprávnym uhlom sa po odraze nestretnú v jednom bode. Korekčné šošovky nainštalované počas opravnej misie v roku 1993 síce eliminovali vplyv pohybu zrkadla na ostrosť obrazu, ale nie na smer pozorovania. To znamená, že HST naďalej škúli.

Poznámka: Ak by sme pri analýze vplyvu pohybu použili vektor pohybu zrkadla rovnobežný s optickou osou ďalekohľadu, dostali by sme rovnaký výsledok ako pri sférickej aberácii!

Oprava HST

Počas opravnej misie v roku 1993 boli nainštalované korekčné šošovky, ktoré  eliminovali vplyv „nesprávne vybrúseného primárneho zrkadla“ na ostrosť obrazu, ale nie na smer pozorovania. To znamená, že HST naďalej škúli.

Otázkou je prečo pohyb Zeme nemá vplyv na ostrosť obrazu pozemských ďalekohľadov. Vysvetlením je atmosféra Zeme. Lúče svetla po prechode do atmosféry sú unášané jej prostredím. Pre lúče platí zákon uhla dopadu a odrazu svetla. Toto poznanie sme využili pri návrhu riešenia problémov HST. Princípom riešenia je použitie priehľadnej eliminačnej steny na vstupe do priestoru HST. Táto stena by “slúžila“ pre HST rovnako atmosféra Zeme pre pozemské ďalekohľady.

Správnosť uvedeného vplyvu pohybu HST na jeho funkciu je v dnešnej kozmickej dobe možné overiť relatívne jednoduchým pokusom na obežnej dráhe Zeme::

Meranie vzdialenosti medzi pevne definovanou odrazovou plochou a zdrojom laserového lúča v zariadení v otvorenom kozmickom priestore. Ak sa bude nameraná vzdialenosť počas obežného pohybu zariadenia okolo Zeme meniť, potom to bude podporovať správnosť uvedenej úvahy.

Toto riešenie sme v roku 1992 zaslali nielen zodpovedným pracovníkom NASA, ale aj do časopisu VTM (Věda Technika a My). Redaktor časopisu VTM napísal v recenzii vetu:

V každém případě je možno říci, že jakýkoli výsledek pokusu navrženého bratry Madáčovými
by byl pro lidstvo přínosem.

Link na odpoveď z NASA a recenziu redaktora VTM si môžete prečítať v nasledovných súboroch PDF.

Poznámka: Zrkadlo teleskopu „James Webb“ sa skladá z 18 segmentov. Zaujímavosťou je, že segmenty zrkadla teleskopu je potrebné pri zmene smeru pozorovania opäť nastavovať.