טלסקופ החלל האבל

הרעיון להציב טלסקופ בחלל

האסטרונום ליימן שפיצר פרסם בשנת 1946 מאמר בשם "היתרונות האסטרונומיים של צפייה מהחלל החיצון" ("Astronomical advantages of an extra-terrestrial observatory"). היתרון הראשון הוא בכך שהרזולוציה הזוויתית תוגבל רק כתוצאה מעקיפה, כלומר תיקבע על ידי הנתונים האופטיים של הטלסקופ; הרזולוציה של טלסקופ בעל אותם נתונים אשר מוצב על פני כדור הארץ מוגבלת כתוצאה מתופעת הטורבולנציה שנוצרת באטמוספירה (תופעה זו גורמת למשל לריצוד אור הכוכבים בעת תצפית קרקעית). היתרון השני הוא ביכולת הצפייה בקרינה תת-אדומה ועל סגולה - ספקטרום קרינה המסונן בחלקו על ידי האטמוספירה בכלל ועל ידי שכבת האוזון בפרט.
שפיצר הקדיש את רוב הקריירה שלו לקידום הרעיון של פיתוח טלסקופ חלל. לאחר ש"האקדמיה הלאומית למדעים של ארצות הברית" החליטה לפתח טלסקופ כזה כחלק מתוכנית החלל האמריקאית, היא פנתה אליו ובשנת 1965 הוא מונה לראש הוועדה האחראית על בניית הטלסקופ. התכנון של טלסקופ האבל, שנקרא תחילה "טלסקופ החלל הגדול" (Large Space Telescope), החל ב-1968. על פי התוכנית המקורית, קוטר המראה הראשית של הטלסקופ היה אמור להיות 3 מטרים, והשיגור שלו היה אמור להתבצע בשנת 1979.

המאמץ למימון הפרויקט

נאס"א הקימה שתי ועדות בשנת 1970; האחת לתכנון הנדסי, והשנייה לקביעה והגדרה של מטרות הפרויקט כולו. בנוסף, היה צורך להשקיע מאמצים בגיוס מימון לפרויקט יקר זה. הקונגרס האמריקאי הטיל ספק במספר היבטים של בקשת התקציב שהוגשה על ידי נאס"א, והכריח אותה להקטין את הבקשה באופן משמעותי. כמו כן, הוא החליט להעביר את הכספים בהדרגה בהתאם להתקדמות הפיתוח. זמן קצר לאחר מכן, בשנת 1974, הורה ג'רלד פורד על הפסקת מימון פיתוח הטלסקופ, עקב גידול בהוצאות ציבוריות אחרות. בתגובה לכך, תואם מאמץ כלל ארצי בין האסטרונומים האמריקאים, והם החלו להיפגש עם אנשי קונגרס וסנטורים ביחידות. בנוסף, האקדמיה הלאומית למדעים של ארצות הברית פרסמה דו"ח שהדגיש את הצורך בטלסקופ, ואורגנו קמפיינים ציבוריים שבמסגרתם הוצפו נבחרי הציבור במכתבים התומכים במימון לאומי לפרויקט. בסופו של דבר, הסכים הסנאט של ארצות הברית לממן מחצית מהתקציב שהוחלט עליו בקונגרס.
סוגיית המימון הובילה לתכנון פחות שאפתני; היה צורך להקטין את קוטר המראה הראשית מ-3 מטרים ל-2.4 מטרים, ובמשקל 828 ק"ג, ולתכנן תצורה קומפקטית יותר של החומרה הנלווית לטלסקופ. כן, נזנחה ההצעה לבניית טלסקופ ניסיוני קטן בעל מראה ראשית בקוטר 1.5 מטרים שיבחן את מערכות הטלסקופ עוד לפני שיגור הטלסקופ הגדול. בעיות המימון דחקו בנאס"א לבדוק אפשרות של שיתוף פעולה עם סוכנות החלל האירופית. סוכנות זו הסכימה להשתתף בפרויקט ולספק מספר חלקים לטלסקופ, כמו פאנלים של תאים פוטו-וולטאיים האחראים לאספקת האנרגיה; בתמורה קיבלו אסטרונומים אירופיים 15% מזמן הצפייה של הטלסקופ. בשנת 1978 אישר הקונגרס האמריקאי תקציב של 36 מיליון דולר עבור בניית הטלסקופ, ואלה היוו זרז לפרויקט כולו. בתחילת שנות ה-80 של המאה ה-20 הוחלט ששמו של הטלסקופ יהיה "טלסקופ החלל האבל", על-שם האסטרונום הנודע אדווין האבל.

תכנון הנדסי והרכבה

תכנון הטלסקופ ובנייתו התבצעו במספר אתרים ברחבי ארצות הברית. גוף הלוויין והטלסקופ שהורכב בתוכו פותחו במרכז החלל מרשל, ואילו שאר המכשירים המדעיים ואמצעי השליטה הקרקעיים על הטלסקופ פותחו במרכז טיסות החלל גודרד. מרכז החלל מרשל מינה את חברת "פרקין-אלמר" לתכנן את כל החלקים האופטיים של הטלסקופ ואת חיישני ההכוונה (Fine Guidance Sensors) שלו. מעבורת החלל שנועדה לשאת את הטלסקופ לחלל פותחה בחברת נורת' אמריקן אוויאיישן (North American Aviation), כיום בואינג.

אופטיקה

טלסקופ האבל הוא טלסקופ מחזיר אור מסוג ריצ'י-צ'רטיין. היתרון בשימוש במראות על פני שימוש בעדשות הוא במניעת אברציה כרומטית, כלומר עיוות צבע. לשימוש בטלסקופ ריצ'י-צ'רטיין, שבנוי ממראה ראשית ומראה משנית היפרבוליות, יש יתרונות נוספים משום שתכנון זה מקטין למינימום את הקומה (עיוות של עצם שלא נמצא על הציר הראשי) ואת האברציה הכדורית (מריחה של עצם נקודתי). עקב הקושי להגיע לליטוש מדויק של המראות ההיפרבליות, משתמשים בטלסקופים מסוג ריצ'י-צ'רטיין רק בפרויקטים גדולים, ועל מנת להגיע לדיוק גבוה בליטוש יש צורך להשתמש במכשירי מדידה יקרים למדי. כיום, רוב הטלסקופים הגדולים בעולם הם מסוג ריצ'י-צ'רטיין.
הליטוש של המראה הראשית אמור להיות מדויק עד כדי עשירית מאורך הגל של האור המשמש לתצפית, ובמקרה של טלסקופ האבל מדובר באור על סגול. הוחלט שהליטוש יהיה מדויק עד כדי 30 ננומטר (1/20 מאורך הגל של האור הנראה). חברת "פרקין-אלמר" השתמשה בבקרת מחשב לקבלת הדיוק הדרוש, ולצורך גיבוי הוכנה מראה נוספת על ידי חברת קודאק בשיטות ליטוש לא ממוחשבות (מראה זו נמצאת כיום בתצוגה במוזיאון הסמית'סוניאן). הליטוש, שהחל בשנת 1979, נעשה על זכוכית בעלת מקדם התפשטות נמוך במיוחד, והוא נמשך עד מאי 1981, תאריך שגלש מעבר ללוח הזמנים ודרש הגדלת תקציב.
המראה הראשית צופתה בשכבה מחזירה עשויה מאלומיניום בעובי של 75 ננומטר ושכבת מגן ממגנזיום-פלואוריד בעובי של 25 ננומטר. עיכובים נוספים בהשלמת שאר חלקי המערכת האופטית על ידי "פרקין-אלמר" גרמו לדחיית השיגור לספטמבר 1986. בשלב זה, העלות הכוללת של הפרויקט הגיעה כבר ל-1.175 מיליארד דולר.

התאמה למעבורת

גודל מטענה של מעבורת החלל היווה גם הוא גורם בתכנון הטלסקופ, שכן הוא היה חייב להיות מוגבל במידותיו לשם העמסתו בתא המטען של מעבורת החלל דיסקברי. בנוסף, הטלסקופ שאינו נמצא בתוך האטמוספירה אשר מווסתת את הטמפרטורה, חייב לעמוד בשינויים של יותר מ-50 מעלות צלזיוס לאורך מסלולו: בין חלק המסלול בו הוא מואר באור השמש ובין חלק המסלול בו הוא מוסתר בצל של כדור הארץ. לשם כך נבחרו חומרים עמידים במיוחד, בעלי מקדמי התפשטות מזעריים, ובנוסף הטלסקופ כוסה במספר שכבות בידוד כדי לשמור על טמפרטורה יציבה.

מערכות נוספות

אספקת האנרגיה של הטלסקופ נעשית בעזרת שני מערכים של תאים פוטו-וולטאיים שכל אחד מהם מספק 2,800 ואט. כאשר הטלסקופ נמצא בקו ראייה אל השמש אז המערכים מכוונים כלפיה, אך במשך 36 דקות בכל סיבוב סביב כדור הארץ שאורכו 97 דקות, הטלסקופ נמצא בצל של כדור הארץ, ויש לספק לו חשמל ממקור אחר. לשם כך מותקנים על הלוויין מצברים שבמצב טעון יכולים לספק חשמל לשבע שעות וחצי.
התקשורת עם טלסקופ האבל נעשית בעזרת מערכת שידור וקליטה המחוברת ל-4 אנטנות. השליטה נעשית בדרך כלל באמצעות אחד מחמישה לווייני ממסר של נאס"א (לווייני TDRS), אך ניתן לשלוט עליו גם ישירות מהקרקע כאשר הוא נמצא בטווח ראיה. הבקרה על המערכות השונות של הטלסקופ נעשית באמצעות מחשב מרכזי שנישא על גביו. לכל מכשיר מדעי יש בנוסף מחשב או מעבד משלו שאחראי על הפעלתו ועל הפעלת מכלול המסננים המחובר אליו.
רוב הצילומים והמדידות שמבצע הטלסקופ נעשים תוך כדי נעילה על מטרה למשך זמן ממושך, על מנת לאסוף כמות גדולה של אור. ששת הגירוסקופים המותקנים בטלסקופ האבל, ששלושה מהם חיוניים לפעולה תקינה, מגדירים מערכת צירים קבועה שיחסית אליה ניתן לכוון אותו. גירוסקופים אלו הם מהמדויקים ביותר בעולם. בתוך כל אחד מהם נמצא גלגל הסובב במהירות של 19,000 סיבובים לדקה וחיישנים המודדים בדייקנות גבוהה את הסטייה בכיוון הטלסקופ יחסית לציר הסיבוב של הגירוסקופים.
בעת ביצוע תצפית, שני חיישני הנחיה מדויקים ננעלים על שני כוכבים קבועים בתוך שדה הראייה של התצפית, ומערכת ההנעה של הטלסקופ דואגת לסובב אותו בעת תנועתו סביב כדור הארץ, כך שכיוונו יחסית לשני הכוכבים לא ישתנה. הנעת הטלסקופ מתבצעת בעזרת סיבוב של ארבעה גלגלי הנעה, שכתוצאה מחוק הפעולה והתגובה גורמים לו לנוע בכיוון ההפוך. בעזרת מערכת זו, טלסקופ האבל מסוגל להנעל על מטרה בלי לסטות ממנה אפילו שבע אלפיות של שניית קשת. דיוק זה משול לנעילה על שערת אדם ממרחק 1,600 מטר או להחזקת קרן לייזר מכוונת על מטבע במרחק 300 ק"מ.

השיגור לחלל

אסון מעבורת החלל צ'לנג'ר גרם להשהיית תוכנית החלל האמריקאית, קרקוע כל מעבורות החלל, ודחיית השיגור של טלסקופ האבל במספר שנים. כל חלקי הטלסקופ נשמרו בחדרים נקיים עד לתאריך השיגור. הטיסות לחלל חודשו בשנת 1988, ומשימת השיגור שתוכננה להציב את הטלסקופ בחלל נקבעה לשנת 1990. אבק שהצטבר על המראה הראשית נוקה בעזרת סילוני חנקן, וכל המערכות נבחנו מחדש כדי לוודא שהן תקינות לחלוטין. ב-24 באפריל 1990, המריאה מעבורת החלל דיסקברי למשימה STS-31 כשעל סיפונה טלסקופ החלל, והצבתו במסלול עברה ללא תקלות.
תקציב הבנייה של הטלסקופ הסתכם, לאחר העיכובים, ב-2.5 מיליארד דולר, לעומת ההערכה הראשונית שעמדה על 400 מיליון דולר. עלותו המצטברת של האבל ב-1999 עמדה על כ-5.2 מיליארד דולר. מסכום זה תקצבה נאס"א כ-4.5 מיליארד דולר ועוד 593 מיליון אירו תקצבה סוכנות החלל האירופית. העלות ב-2010, הוערכה ב-10 מיליארד דולר. עלות התחזוקה השנתית היא כ-300–340 מיליון דולר.

התקלה

התמונות שסיפק טלסקופ האבל לאחר הצבתו בחלל גילו מיד שיש בו בעיה; החדות של התמונות הייתה נמוכה מהצפוי והרזולוציה שנמדדה הייתה ברמה של רזולוציית טלסקופים קרקעיים. החשד נפל על ליטוש המראה הראשית, ונמצא שהיא סובלת מאברציה כדורית, כתוצאה מטעות בליטוש בסדר גודל של 2 מיקרון. חוסר החדות נגרם כתוצאה ממיקוד שונה של אור שנופל על קצות המראה יחסית לאור שנופל על מרכזה, כלומר אם הטלסקופ היה מכוון לעבר עצם שמיימי מסוים אז הדמות של העצם שנוצרת אחרי החזרה מהמראה הראשית לעולם לא הייתה ממוקדת. הבעיה גרמה להקטנה משמעותית ביכולות של טלסקופ האבל, והרזולוציה של כל מכשירי הצילום והמדידה שבעצם הסתמכו על האור החוזר מהמראה הראשית הייתה נמוכה למדי. ניתן היה למזער את הבעיה, באופן חלקי ביותר, על ידי טכניקות של עיבוד תמונה במחשבים על פני כדור הארץ.
בתחקיר מדוקדק נמצא שליטוש המראה היה שגוי והאשם נפל באופן בלעדי על חברת "פרקין-אלמר". הוועדה שחקרה את הכשל מצאה שהחברה השתמשה במכשיר בדיקה מדויק שאמור היה למדוד את הליטוש של המראה הראשית. המכשיר שקרוי "מתַקֵן אפס החזרי" (reflective null corrector) ובנוי ממערכת מראות ועדשה, מסוגל למדוד בדיוק רב כל סטייה מהליטוש של המראה הראשית שאמור היה להיות היפרבולי. הבדיקה הייתה נעשית בעזרת בחינת תבנית התאבכות שמודדת הפרשי מופע בין מקור אור ובין האור שעובר דרך המכשיר, מוחזר מהמראה הראשית ועובר שוב דרך המכשיר. שמו של המכשיר מרמז על האפשרות להשתמש בו לצורך תיקון ואיפוס של שגיאות ליטוש. התברר שהשגיאה נגרמה משום שמכשיר הבדיקה הורכב במרחק של 1.308 מ"מ מהמקום הנכון בו הוא היה צריך להיות. למעשה, החברה התעלמה ממדידות של שני מכשירים נוספים, פחות מדויקים, שהראו כי הליטוש לא נעשה כראוי. השגיאה גררה אחריה ביקורת רבה על נאס"א ועל חברת "פרקין-אלמר", ובעיני רבים הפרויקט נחשב בשלב זה כפיל לבן.

הפתרון

לאחר שהתבררה הבעיה, גובשה תוכנית לתיקון הטלסקופ בעת משימת השירות הראשונה שלו שתוכננה להתבצע בשנת 1993. אף על פי שחברת קודאק הכינה מראת גיבוי בזמן בניית הטלסקופ, היה זה בלתי אפשרי להחליף את המראה הראשית בחלל. גם האפשרות להחזיר את הטלסקופ חזרה לכדור הארץ נפסלה בגלל העלות הגבוהה. במקום זאת, העובדה שהמראה לוטשה בדיוק רב לצורה לא רצויה, אפשרה את תכנונה של מערכת אופטית שתחובר לטלסקופ ותבטל את האברציה. למעשה, נבנו שתי מערכות אופטיות; אחת תיקנה את התמונה שמתקבלת בעזרת המצלמה הפלנטרית, שהיא עצמה הוחלפה במשימת שירות זו, והשנייה נועדה לאפשר את פעילותם התקינה של שאר מכשירי המדידה. בגלל בעיות מקום הוחלט להסיר את הפוטומטר. המערכות האופטיות שנוספו לטלסקופ פתרו את הבעיה לחלוטין. העלות הכוללת של פתרון הבעיה הייתה כ-700 מיליון דולר.

משימות השירות ושדרוג רכיבים

הטלסקופ תוכנן כך שהוא יזכה לביקור של מעבורות חלל באופן שוטף. משימות אלה נועדו להחליף מכשירים ישנים במכשירים מתקדמים יותר, לבצע החלפת רכיבים תקופתית ולהחליף מכשירים שהתקלקלו. המשימה הראשונה הייתה יוצאת מן הכלל מפני שבה, בנוסף להחלפת מכשירים ורכיבים, נדרש צוות המעבורת להכניס מערכות אופטיות מיוחדות לצורך תיקון טעות הליטוש במראה הראשית.

הישגים מדעיים

מאז שיגורו לחלל, הפך טלסקופ החלל האבל לכלי מחקר מרכזי בתחומי האסטרונומיה והאסטרופיזיקה. הוא צפה ביותר מ-14,000 מטרות שטווח המרחקים שלהן נע מגופים במערכת השמש ועד לגלקסיות הרחוקות ביותר שצולמו מאז ומעולם. עיבוד נתוני התצפיות מבוסס על שילוב של המידע מהמכשירים השונים שנמצאים בטלסקופ. כך למשל, המדידות הספקטרוסקופיות מאפשרות מדידה של הרכב החומרים בעזרת בחינת ספקטרום הפליטה וספקטרום הבליעה, ומדידת מהירויות בעזרת אפקט דופלר, ואילו המצלמות מאפשרות את הבנת המבנה של כוכבי לכת, כוכבים, ערפיליות, גלקסיות וצבירי גלקסיות.
אחת המשימות הראשונות של הטלסקופ הייתה למדוד את המרחק למשתנים קפאידים, ובכך להקטין את שגיאת המדידה על ערכו של קבוע האבל. מדידה זו שנעשתה בעיקר בעזרת כוכבים שנמצאים בגלקסיות השייכות לצביר-על הבתולה, אך גם בעזרת כוכבים בצבירי גלקסיות רחוקים יותר, אפשרה לספק הערכה מבוססת של גיל היקום. בנוסף, הייתה לו תרומה למציאת ההאצה של התפשטות היקום על ידי מדידת ההסחה לאדום באורן של סופרנובות בגלקסיות רחוקות.
טלסקופ האבל סיפק את התמונות החדות והברורות ביותר באור הנראה של "החלל העמוק", כלומר של הגלקסיות הרחוקות, ובכך הוא אפשר הצצה אחורה בזמן לעבר היקום הצעיר. האור מגלקסיות אלו מגיע אלינו כ-13 מיליארד שנה לאחר שהוא עזב אותן, והגלקסיות בתמונות מצולמות כפי שהן היו בעבר, כ-700 מיליון שנה בלבד לאחר המפץ הגדול. אחד הממצאים המעניינים לגבי היקום הקדום הוא צורתן של הגלקסיות בו, שהיו בדרך כלל קטנות ובעלות מבנה פחות מוגדר ומסודר מאשר הגלקסיות ביקום הנוכחי. תרומה נוספת של טלסקופ האבל קשורה להבנת הימצאותם של חורים שחורים על-מסיביים במרכזי הגלקסיות. הוא ביצע סקר נרחב של קוואזרים ואפשר להעמיק את ההבנה כי מקור הקרינה החזק שלהם הוא בנפילת חומר לעבר חור שחור על-מסיבי במרכזן של גלקסיות קדומות. תצפיות אלו עזרו גם להבנה של תהליכי התנגשות ואיחוד בין גלקסיות שכנות.
התמונות של ערפילית אוריון והדסקות הפרוטו-פלנטריות שבה תרמו לידע אודות היווצרות כוכבים ומערכות פלנטריות בכלל ואודות ההיווצרות וההתפתחות של מערכת השמש בפרט. לטלסקופ האבל יש גם חלק חשוב בהבנת אירועי סופרנובה, כמו למשל צילומים של שרידי סופרנובה 1987A וצילומים של ערפיליות פלנטריות שטלסקופ האבל עזר להבין את המבנה המורכב שלהן. תחום נוסף שבו יש לטלסקופ האבל תרומה חשובה הוא אפיון וחקר התפרצויות גמא, ובעזרתו ניתן היה למדוד בדיוק רב את עוצמתן ואת מיקומן. הטלסקופ מהווה גם כלי עזר חשוב בגילוי כוכבי־לכת חוץ־שמשיים.
התנגשות השביט "שומייקר-לוי 9" בכוכב הלכת צדק בשנת 1994 נלמדה היטב בזכות התמונות החדות של טלסקופ האבל. למעשה, חלק גדול מזמן התצפית של טלסקופ האבל מוקדש למערכת השמש ולכוכבי הלכת הננסיים שבה דוגמת פלוטו ואריס.

תקלות שוטפות

משימות השירות השוטפות לטלסקופ החלל אמורות להחליף מכשירים ישנים במכשירים חדישים ומשוכללים יותר ובכך להגדיל את יכולתיו. בנוסף, הן אמורות להחליף מכשירים או רכיבים שיצאו מכלל שימוש כתוצאה מתקלות שוטפות. כך למשל, ב-3 באוגוסט 2004, מערכת הכוח של הספקטרוגרף חדלה לפעול, והוא יצא מכלל שימוש. הספקטרוגרף תוקן במשימת השירות החמישית ב-2009.
ישנם רכיבים שמשפיעים על התפקוד הכולל של הטלסקופ. כך למשל, הגירוסקופים, שהתגלו כרכיבים רגישים לתקלות, משמשים לשמירה על יציבותו במסלול, ולשמירה על תצפית לעבר נקודה קבועה בזמן תנועתו סביב כדור הארץ. לצורך עבודה תקינה דרושים 3 גירוסקופים, אולם תצפית תאפשר גם עם שני גירוסקופים פעילים, אם כי האזור בחלל אליו ניתן לצפות יהיה מוגבל, ותצפיות שצריכות דיוק מרבי כמעט שלא יבוצעו במצב זה. בשנת 2005 הוחלט לעבור לעבודה עם שני גירוסקופים בלבד, על מנת ששני הגירוסקופים התקינים הנוספים ישמשו כעתודה. שני גירוסקופים נוספים התקלקלו קודם לכן, ובאופן כללי התגלה שקצב הקלקול של רכיבים אלו גבוה למדי.
דוגמה לתקלות שוטפות היא המצלמה הרב-שימושית, שהותקנה במשימת השירות הרביעית ב-2002, והפסיקה לפעול ב-25 ביוני 2006. המצלמה הכילה כפילות של המעגלים החשמליים ועל כן ניתן היה להמשיך להשתמש בה. מאז התרחשו שתי תקלות נוספות במצלמה, וכעת ניתן להפעיל אותה באופן חלקי בלבד. תקלה זו מקטינה את יכולותיו של טלסקופ החלל באופן משמעותי.

שמירה על מסלול הטלסקופ

טלסקופ האבל נמצא בגובה של קרוב ל-600 ק"מ מעל פני האדמה. בגובה זה האטמוספירה דלילה מאוד, אך בכל זאת קיימות שם מולקולות אוויר והן גורמות לכוח גרר שפועל על טלסקופ האבל; כוח זה גורם לו לאבד אנרגיה באיטיות. על כן, כל כמה שנים יש צורך להחזיר את טלסקופ האבל למסלול המקורי על מנת שלא ייכנס לאטמוספירה הנמוכה ויישרף. אם פעולה זו לא תתבצע יותר אז הוא ייכנס לאטמוספירה בשלב כלשהו בין השנים 2018 ל-2032. נאס"א כבר התכוונה לשגר מעבורת חלל כדי להחזיר את הטלסקופ לכדור הארץ בשנת 2009, אך אסון מעבורת החלל קולומביה גרם לביטול המשימה וכרגע אין תוכנית להשבת הטלסקופ לאחר תום השימוש בו.