Каждый механический сбой приближает Хаббл на один шаг к гибели. Но, несмотря на недавнюю неудачу, у него еще полно жизни.
Если вы хотите увидеть далекую Вселенную с максимальной чувствительностью и минимально возможным загрязнением, лучше всего отправиться в космос. Космический телескоп Хаббла, запущенный в апреле 1990 года, является, пожалуй, самой известной астрономической обсерваторией за всю историю человечества. Обращаясь вокруг Земли на высоте 550 километров (340 миль) со скоростью около 27 000 километров в час (17 000 миль в час), он совершает оборот вокруг нашей планеты каждые 95 минут.
Одновременно Земля вращается вокруг своей оси и вращается вокруг Солнца, которое, в свою очередь, движется через галактику почти на 0.1% скорости света. Тем не менее, каким-то образом Хабблу всегда удается стабильно и без труда наводить на свои астрономические цели, несмотря на все эти движения. Ключ в его системах наведения и, в частности, в его гироскопах. Вот как, несмотря на недавнюю неудачу, Хаббл готов продолжать раскрывать секреты Вселенной еще долгие годы.
Указание на один объект, не колеблясь и не колеблясь, - непростая задача. Благодаря своему расположению в космосе, Хабблу не нужно бороться с атмосферой, а это означает, что его разрешение и возможности получения изображений ограничены только оптикой и приборами на борту. Последний раз модернизированный в 2009 году, с последней миссией по обслуживанию Хаббла, выполненной с космического корабля "Шаттл", Хаббл способен доставлять изображения с точностью всего в несколько миллионных долей градуса.
Но одна из ключевых задач - удерживать весь телескоп в стабильном и точном направлении. С этой целью космический телескоп Хаббла был разработан для захвата цели и удержания ее положения с точностью всего 0,007 угловых секунды. Чтобы понять, насколько это впечатляет, это эквивалентно тому, чтобы направить лазерный луч на четвертак и попасть в глаз Джорджу Вашингтону с расстояния 14 километров (8,7 миль).
Здесь, на Земле, мы считаем само собой разумеющимся, насколько легко ориентироваться во всем. Мы можем направить все, что захотим, в любом направлении, просто манипулируя им вручную или с помощью машины.
Но единственная причина, по которой мы можем это сделать, заключается в том, что есть на что опереться: на Землю. Когда вы прикладываете силу к какому-либо объекту, этот объект отталкивается от вас с равной и противоположной силой. Это из-за закона, впервые открытого Ньютоном, согласно которому каждое действие имеет равное и противоположное противодействие.
Но в космосе больше не на что напирать. Как бы вы ни двигались, включая как прямолинейное, так и вращательное движение, вы будете продолжать двигаться именно так. Единственными внешними силами являются гравитация и очень небольшая сила сопротивления атомов и частиц, существующих в межпланетном пространстве.
Если вы застряли лицом к солнцу и хотели отвернуться, вы не смогли бы. Если вы не вращаетесь, вы не можете начать вращаться, потому что вам не на что напирать. И точно так же, если вы вращаетесь, вы не можете замедлить себя, потому что вам также не во что упираться. Являетесь ли вы объектом в состоянии покоя или объектом в движении, единственный способ, который может измениться, - это наличие внешней силы.
Это сработало бы, если бы у вас был второй объект в космосе, который вы могли бы оттолкнуть. Астронавты на борту Международной космической станции могут столкнуться с корпусом станции или другого астронавта и изменить свой импульс или угловой момент. Цена? Все, на что вы наталкиваетесь, должно изменить свой импульс или угловой момент на равную и противоположную величину.
Итак, что вы делаете, если вы космический телескоп, который находится там сам по себе, и вам не на что опереться?
Вам нужен компонент внутри вас, от которого вы отталкиваетесь, чтобы изменить свое движение. Если бы вы были в космосе одни, например, повернув нижнюю часть тела по часовой стрелке, вы могли бы заставить верхнюю часть тела повернуться против часовой стрелки; вы можете оттолкнуться от другой части тела, чтобы изменить ориентацию.
В космическом телескопе у нас нет разных компонентов нашего тела для работы, но у нас есть разные компоненты телескопа. А в случае с Хабблом у нас есть целая система наведения, построенная на этом принципе.
Реактивные колеса позволяют ему менять свою ориентацию, а датчик точного наведения позволяет ему определять, как ориентироваться. По словам самого НАСА:
Чтобы изменить угол, он использует третий закон Ньютона, вращая колеса в противоположном направлении. Он вращается со скоростью минутной стрелки часов, и ему требуется 15 минут, чтобы повернуться на 90 градусов.
Но для стабильной работы телескопа необходим ключевой компонент: гироскопы.
Без этих гироскопов крошечные внешние силы заставили бы ориентацию Хаббла смещаться с течением времени и сделали бы невозможным получение изображений с длинной выдержкой. Но с ними мы можем поддерживать стабильность телескопа.
В 2009 году во время последней миссии по обслуживанию все шесть гироскопов Хаббла были заменены в надежде максимально продлить срок их службы. Гироскопы сохраняют ориентацию и обеспечивают стабильность, отталкивая любую силу, которая пытается изменить его ориентацию. Для Хаббла каждый гироскоп содержит колесо, которое вращается со скоростью 19 200 об/мин, и для оптимальной эффективности работы требуется три колеса. Причина, по которой нам нужны три, проста: в пространстве есть три измерения, а значит, три независимых способа, которыми космический корабль потенциально может изменить свою ориентацию. С тремя гироскопами, работающими одновременно, мы можем добиться максимальной стабильности.
5 октября 2018 года космический телескоп Хаббл перешел в безопасный режим из-за того, что один из трех гироскопов, активно используемых для наведения и стабилизации телескопа, вышел из строя. Инженеры решали подобные проблемы раньше, с земли, запустив еще один из бортовых гироскопов и переключив три из них для стабилизации обсерватории. Вышедший из строя гироскоп не был чем-то удивительным; он проявлял признаки неисправности около года.
Но уже есть два других гироскопа, которые вышли из строя из шести замененных, и еще один, который уже показал признаки проблем. С двумя исправными гироскопами и одним частично неисправным, это торжественное напоминание о том, что Хаббл не будет жить вечно, особенно если человечество не сможет снова его обслуживать.
С двумя полностью функционирующими гироскопами команда, работающая с Хабблом, переключится на окончательный план: работа в режиме одного гироскопа. С тремя гироскопами вы можете наводиться куда угодно и поддерживать стабильность своей обсерватории; с меньшим, чем это, ваш взгляд на небо внезапно становится ограниченным.
Вот почему план состоит в том, чтобы попытаться удаленно починить частично неисправный гироскоп. Если вам это удастся, у вас будет три функционирующих гироскопа, и Хаббл сможет продолжать работать в обычном режиме. Если они не могут вылечить частично неисправный гироскоп, они отключат питание одного из работающих гироскопов и сохранят его. Вы можете наблюдать почти столько же неба с одним гироскопом, сколько с двумя, но вы фактически удваиваете оставшийся срок службы вашего телескопа, используя один гироскоп за раз, а не два вместе. За счет уменьшения охвата неба и более медленного времени наведения вы можете продлить срок службы Хаббла.
Может показаться, что это просто еще один пример разрушающейся инфраструктуры в Соединенных Штатах, но вы не должны недооценивать ни Хаббла, ни находчивость астрономов, ученых и инженеров в целом. Два (или, может быть, три) оставшихся гироскопа имеют новую и модернизированную конструкцию, рассчитанную на то, чтобы служить в пять раз дольше, чем оригинальные гироскопы, включая тот, который недавно вышел из строя. Космический телескоп Джеймса Уэбба, несмотря на то, что он объявлен преемником Хаббла, на самом деле совсем другой и будет запущен в 2021 году.
Даже с одним гироскопом космический телескоп Хаббла должен работать и обеспечивать дополнительные наблюдения Джеймса Уэбба. Этот режим с уменьшенным гироскопом планировался давно. Единственное разочарование в том, что нам может понадобиться ввести его так скоро.