Hubble Uzay Teleskobu

Taslaklar ve Öncüler

1923 yılında, Hermann Oberth— füzeciliğin babaları olarak düşünülen Robert H. Goddard ve Konstantin Tsiolkovski ile beraber bir füze yardımıyla dünya çevresinde bir teleskobun nasıl yörüngeye oturtulabileceğini anlattıkları (Almanca:Die Rakete zu den Planetenräumen, İngilizce:The Rocket into Planetary Space, Türkçe: Gezegenler Arası Uzaya Roket Yollamak) bir kitap yayınladı.
Hubble Uzay Teleskobunun tarihçesi, gökbilimci Lyman Spitzer'ın  1946'da yazdığı "Dünya dışına konumlandırılmış bir teleskobun üstünlükleri" isimli yazıya kadar takip edilebilir. Bu çalışmasında uzayda kurulacak bir gözlemevinin dünyadaki bir gözlemevine göre iki temel üstünlüğünü tartıştı. Birincisi açısal çözünürlük (nesnelerin açık bir biçimde ayrıştırılabildiği en küçük ayrım), atmosferin ters akıntısı yüzünden yıldızların göz kırpar gibi görünmesine yol açan ve gökbilimciler tarafından verilen isimle gökbilimsel görmeye nazaran sadece kırınım ile kısıtlanacaktı. O yıllarda, dünyadaki teleskoplar, çapı 2.5 m olan bir aynası olan, teorik olarak yaklaşık 0.05 arcsec'lik kırınım sınırlılık çözünürlüğe sahip bir teleskop ile karşılaştırıldığında 0.5–1.0 açısal dakikalık çözünürlükle sınırlıydılar. İkinci olarak uzaydaki bir teleskop atmosfer tarafından güçlü biçimde emilen kızılötesi ve ultraviyole ışınlarını gözlemleyebilirdi.
Spitzer hayatının büyük bir kısmını bir uzay teleskobunun geliştirilmesine adadı. 1962'de ABD Ulusal Bilimler Akademisi tarafından yayınlanan bir rapor insanlı uzay uçuş programının bir parçası olarak bir uzay teleskobunun geliştirilmesini tavsiye etti ve 1965'te Spitzer, büyük bir uzay teleskobu için bilimsel hedefler taslağı hazırlamakla görevlendirilen komitenin başına atandı.
Uzay tabanlı astronomi II.Dünya Savaşı'nı takip eden kısa süreli bir boşluktan hemen sonra bilimadamlarının roket teknolojisinde etkili olan geliştirmeler gerçekleştirmelerini takiben başladı. Güneşin ilk morötesi elektromanyetik tayfı 1946'da elde edildi, ve NASA 1962'de morötesi, x-ray ve gama ışın spektrumlarını elde etmek için Uydu Güneş Gözlemevi'ni uzaya gönderdi. Dünya çevresinde dönen bir güneş teleskobu Ariel 3 programı çerçevesinde İngiltere tarafından 1962 yılında dünya yörüngesine oturtuldu ve 1966'da NASA ilk Uydusal Astronomik Gözlemevi'ni (OAO) uzaya fırlattı. OAO-1 üç gün sonra güç kaynağının bozulması sonucu görev dışı kaldı. Bu uyduyu 1968 ve 1972 arası, normal planlanan ömründen bir sene fazla çalışarak yıldız ve galaksilerin morötesi gözlemlerini yapan OAO-2 takip etti.
OSO ve OAO çalışmaları, uzay tabanlı gözlemlerin astronomide oynayabileceği önemli rolü sergiledi. 1968'de NASA'nın, 1979'da fırlatılmak üzere o dönem için geçici olarak en Büyük Uydu Teleskobu veya Büyük Uzay teleskobu olarak bilinen 3 metre çaplı bir aynaya sahip uzay tabanlı bir yansımalı teleskop için ciddi planlar geliştirdiği görüldü. Bu planlar, bu kadar pahalı bir programın uzun bir çalışma ömrünün olması için insanlı destek uçuşlarına ihtiyaç olduğunu vurguladı ve eş zamanlı olarak geliştirilen tekrar kullanılabilecek  Uzay mekiği programının planları bunu gerçekleştirebilecek teknolojinin çok yakında kullanıma sunulabileceğini gösterdi.

Fon Arayışı

OAO programının devamlılık gösteren başarısı LST'nin ana hedef olması gerektiği konusunda astronomi dünyasında giderek artan fikirbirliğini cesaretlendirdi.1970 yılında NASA iki komite kurdu; biri uzay teleskobu projesinin mühendislik yanıyla diğeri bu çalışmanın bilimsel hedeflerinin belirlenmesi ilgilenmek üzere. Bu komiteler kurulduktan sonra NASA'nın önündeki ikinci engel dünyada kurulacak herhangi bir benzer cihaz ile karşılaştırıldığında bu aletin çok daha yüksek olan  maliyetinin karşılanmasını sağlamaktı. ABD Kongresi teleskop için öngörülen bütçenin birçok öğesini sorguladı ve o dönem olası aletler ve teleskop için gerekli donanım hakkında oldukça detaylı çalışmasını içeren planlama safhalarının bütçelerinde kısıntılara zorladı. 1974'te Gerald Ford tarafından bütçeye getirilen kısıtlamalar yüzünden teleskop projesinin bütün fonu kesildi.
Buna karşılık olarak, gök bilimciler arasında ülke çapında bir lobi çalışması yürütüldü. Birçok gök bilimci Kongre üyeleri ve Senato üyeleri ile yüz yüze görüştü ve büyük katılımlı bir mektup gönderme kampanyası düzenlendi. Ulusal Bilimler Akademisi bir uzay teleskobuna duyulan ihtiyaç ile ilgili bir rapor yayınladı ve sonuçta Senato daha önce Kongre tarafından onaylanan bütçenin yarısını kabul etmeye ikna oldu. Fon tartışmaları projenin büyüklüğünde bir küçülmeye gidilmesine yol açtı; planlanan ayna çapı 3 m'den 2.4 m'ye indirilirken, diğer harcamalara da kısıntı getirildi ve teleskop donanımı için daha etkili ve sınırlı bir tasarım ile yapılacak harcamaya izin verildi. Ana teleskopta kullanılacak sistemin denenmesi için düşünülen 1.5 m çapındaki ön çalışma teleskobundan vazgeçildi ve bütçe için Avrupa Uzay Ajansı ile işbirliğinin araştırılmasına karar verildi. ESA, Avrupalı gök bilimcilerin teleskobun gözlem süresinin en az % 15'inde yer almalarının garanti edilmesi karşılığında teleskobu destekleyecek güneş pillerinin ve ABD'de teleskop üzerinde çalışacak teknik personelinin sağlanması kadar teleskop için gereken birinci nesil cihazlara mali kaynak yaratılmasına ve bunların teminine karar verdi. Kongre 1978 yılında 36,000,000 US$'lık fonu onayladı ve LST'nin tasarımı en erken 1983 yılında bitirilip fırlatılmak üzere başladı. 1983 yılında teleskoba şu isim verildi: Edwin Hubble; evrenin genişlediğini keşfederek 20. yüzyılın çığır açan keşiflerinden birini yapan gök bilimci.

Yapımı ve Mühendislik Çalışması

Uzay Teleskobu projesine karar verildikten sonra, programdaki çalışma birçok kurum arasında paylaştırıldı.Marshall Space Flight Center(MSFC)'ye teleskobun  tasarım, geliştirme ve yapım sorumluluğu verilirken Goddard Space Flight Center (GSFC)'ye bu çalışmanın bilimsel cihazlarının tüm kontrolü yapma ve yer-kontrol merkezi olma sorumluluğu verildi. MSFC Perkin-Elmer şirketini uzay teleskobunun optik yapısını ve hassas kılavuz alıcılarını tasarlamak ve inşa etmekle görevlendirdi. Lockheed firması ise teleskobun içine yerleştirileceği uzay gemisini yapmakla görevlendirildi.

Optik Teleskop Aracı (OTA)

Optik açıdan, Hubble, çoğu büyük profesyonel teleskop gibi, Ritchey-Chrétien tasarımına sahiptir. Bu tasarım,iki hiperbolik aynası ile; bu aynaların şeklinden dolayı üretilmelerinin ve test edilmelerinin zor olmaları dezavantajına  rağmen geniş görüş alanlarında görüntülemede iyi olarak bilinmektedir. Teleskobun ayna ve optik sistemleri en son başarımı belirler ve bunlar teknik özellikleri yerine getirmek üzere tasarlanır. Optik teleskoplar geleneksel olarak görülebilir ışığın onuncu dalga boyuna kadar netliğe ulaşacak şekilde parlatılmış aynalara sahiptir ancak Uzay Teleskobu morötesi (kısa dalga boyu olan ışınlar) ışınları gözlemlemek için kullanılacaktı ve uzayda bulunmanın bütün üstünlüklerini kullanarak kırınım sorununu aşmak üzere özellikle tasarlandı. Dolayısıyla aynasının 10 nanometre netliğinde olması veya yaklaşık olarak kırmızı ışığın 65’te 1 dalga boyunda parlatılması gerekmekteydi.
Perkin-Elmer aynanın istenen şekli alması için gereken aşındırmada özel tasarlanmış ve üst düzeyde geliştirilmiş bilgisayar kontrollü özel parlatma makineleri kullandı. Ancak, onların en son teknoloji ürünü cihazları zorlanınca, NASA, PE’nin Kodak firmasıyla geleneksel ayna parlatma tekniklerini kullanarak bir tane yedek ayna yapması konusunda işbirliği yapmasını istedi.(Kodak ve Itek ekibi aynı zamanda orijinal aynanın parlatılmasına da katıldılar. Daha sonra ortaya çıkan çeşitli sorunlara yol açacak olan parlatma hatasına neden olacak şekilde, yapılan anlaşmayla her iki şirketin birbirinin işini denetlemesi öngörüldü.) Kodak tarafından yapılan ayna günümüzde Smithsonian Enstitüsü'nde sergilenmektedir. Bu çalışmanın bir parçası olarak üretilen bir Itek aynası günümüzde Magdalena Ridge Gözlemevi'ndeki 2.4 m'lik teleskopta kullanılmaktadır.
Perkin-Elmer aynasının yapımına Corning şirketinin çok düşük genleşmeli camından üretilen bir altyapı ile 1979 yılında başlandı. Ağırlığını en alt seviyede tutmak için ayna, balpeteği şeklindeki kafesi aralarında sıkıştıran bir inç kalınlığında alt ve üst plakalar içermekteydi. Perkin-Elmer, değişik oranlarda kuvvet uygulayan 138 adet çubuk ile aynayı çift taraflı olarak destekleyerek mikro çekim benzetimini (simülasyon) gerçekleştirdi. Bu, aynanın son halinin doğru olmasını ve sonuç olarak uygulandığında hedeflenen işlevi görmesini sağladı. Aynanın parlatılması 1981 Mayıs'ına kadar sürdü. O sırada hazırlanan NASA raporları doğrultusunda Perkin-Elmer şirketinin yönetimi sorgulandı; parlatma işlemi takvimi sarkmaya ve bütçe aşılmaya başlandı. Bütçede tasarruf yapmak için NASA yedek aynanın yapım çalışmasını askıya aldı ve teleskopun fırlatılışını Ekim 1984 tarihine erteledi. Ayna 1981'in sonunda tamamlandı; 2400 galon sıcak, de-iyonize su ile yıkandıktan sonra yansıtıcı katman olarak 65 nm- kalınlığında alüminyum ve koruyucu katman olarak 25 nm-kalınlığında magnezyum florit ile kaplandı.
OTA'nın tamamı için bütçe ve takvim aşılmaya devam ettikçe Perkin-Elmer şirketinin bu kadar önemli bir proje için yeterliliği konusundaki şüpheler dile getirilmeye artarak devam etti. "Günlük olarak değişen ve oturmayan" olarak ifade edilen plana bir cevap olarak NASA teleskopun fırlatılışını Nisan 1985 tarihine erteledi.Perkin-Elmer'in programı her dört ayda bir düzenli olarak bir ay sarkmaya devam etti bazı zamanlarda bu sarkma bir iş gününe karşılık bir gün olarak gerçekleşti. NASA fırlatışı önce Mart  sonra da Eylül 1986'ya çekmek zorunda kaldı. Bu sırada toplam proje bütçesi 1.175 milyar dolara yükseldi.

Uzay Gemisi Sistemleri

Teleskop ve diğer cihazları taşıyacak uzay gemisinin yapımı başka bir büyük mühendislik sorunuydu.
Bu noktada cihaz, bir yandan teleskobun çok keskin bir şekilde hedefleme yapmasını sağlarken bir yandan da doğrudan güneş ışığına maruz kalma ve dünyanın gölgesinin üstüne düşmesine bağlı olarak sıcaklık açısından meydana gelecek değişikliklerle başa çıkabilmeliydi. Çok katmanlı bir yalıtım teleskobun içindeki sıcaklığı sabit tutmakta; teleskop ve cihazların içine oturduğu ince bir alüminyum kabuğu da sarmaktadır.Kabuğun içinde, bir grafit epoksi (karbon fiber ile güçlendirilmiş bir çeşit plastikten imal edilmiş) iskelet teleskobun çalışan parçalarını sağlam bir biçimde bir arada tutulmasını sağlamaktadır. Grafit kompozitler higroskobik oldukları için Lockheed'in temiz odasındaki destek çatı tarafından emilen su buharının daha sonra uzay boşluğunda dışarı çıkma riski vardı; bu durumda teleskobun cihazları buz ile kaplanacaktı. Bu riski azaltmak için teleskop uzaya bırakılmadan önce içine bir nitrogen gaz boşaltımı yapıldı.
Teleskobun ve diğer cihazların içine yerleştirileceği uzay gemisinin yapımı sırasında OTA yapımına göre daha az bir gecikme yaşansa da, Lockheed firması bütçeyi ve takvimi bir miktar aşmıştı; 1985 yazı itibarıyla uzay gemisinin yapımı bütçeyi %30 aşmış ve takvimin üç ay gerisinde kalmıştı. Bir MSFC raporuna göre Lockheed firması geminin yapımı konusunda kendi kararlarından ziyade NASA'nın talimatlarına göre hareket etme eğilimindeydi.

Temel cihazlar

Fırlatıldığında HUT beş bilimsel cihaz taşıyordu; Geniş Alan ve Gezegen Kamerası (WF/PC), Goddard Yüksek Çözünürlük  Tayfölçeri (GHRS), Yüksek Hız Fotometresi (HSP), Silik Nesne Kamerası (FOC) ve Silik Nesne Tayfölçeri (FOS). Geniş Alan ve Gezegen Kamerası (WF/PC), esas olarak optik gözlemler için geliştirilmiş bir yüksek çözünürlük görüntüleme aracıydı. Bu cihaz NASA'nın Jet Roket Laboratuvarı tarafından geliştirilmiş ve özel astrofiziksel araştırmalar için tayf çizgilerini izole eden 48 tane filtreden oluşturulmuştu. Cihaz, her biri dört tanesini kullanacak şekilde iki kamera arasında bölüştürülmüş sekiz tane CCD çipi içermektedir. "Geniş alan kamerası"(WFC) çözünürlüğün çoğalmasına bağlı olarak geniş açıda bir alanı kapsamaktaydı; "gezegen kamerası" (PC) ise sahip olduğu daha büyük büyültme gücü ile WF çiplerine nazaran daha etkili odak uzaklığındaki görüntüleri almaktaydı.
Goddard Yüksek Çözünürlük  Tayfölçeri (GHRS), ultraviyole ışığında çalışmak üzere tasarlanmış bir tayfölçerdi. Goddard Uzay Uçuş Merkezi'nde imal edilmişti ve 90,000'lik spektral çözünürlüğü gerçekleştirebiliyordu. Ultraviyole gözlemleri için imal edilen diğer cihazlar FOC ve FOS'du; bunlar Hubble'da yer alan cihazlar arasında en üst düzey uzamsal yeterliliği olan araçlardı. CDD'lere nazaran bu üç cihaz algılayıcı olarak foton-sayıcı digicon (doğrudan fotoelektrik etkiyi kullanarak uzayda ışık çözünürlüğünü algılayan bir algılayıcı) kullanıyordu. FOC, ESA tarafından yapılırken, FOS Martin Marietta şirketi tarafından imal edilmişti.
Son cihaz ise Madison'daki Wisconsin Üniversitesi tarafından tasarlanıp imal edilen HSP'ydi. Farklı yıldızların ve parlaklık açısından değişiklik gösteren diğer astronomik nesnelerin görülebilir ve ultraviyole ışınlarının gözlemlenebilmesi için geliştirilmişti. Cihaz, % 2'lik veya daha üstün bir ışık ölçümü keskinliğinde saniyede 100,000'e yakın ölçüm yapabiliyordu.
HUT'un kılavuz sistemi de bilimsel bir cihaz olarak da kullanılabilmektedir.Cihazın üç adet Hassas Kılavuz Algılayıcıları (FGS'ler) bir gözlem sırasında teleskobu sabit tutmak için kullanıldıkları gibi yaklaşık olarak 0.0003 arc saniye kesinlikte en ileri seviyede astronometri ölçümleri de yapabilmektedirler.

Yer desteği

Uzay Teleskop Bilimi Enstitüsü;(UTBE)/(STScI), teleskobun bilimsel işleyişinden ve bilgilerin astronomlara iletilmesinden sorumludur. UTBE (STScI), Üniversiteler Arası Astronomi Araştırmaları Birliği(AURA)tarafından yönetilmektedir ve AURA birliğini oluşturan 33 ABD üniversitesi ve 7 uluslararası yapıdan biri olan Johns Hopkins Üniversitesi'nin Baltimore, Maryland'de yer alan Homewood kampüsünde yer almaktadır. UTBE (STScI), 1983 yılında NASA ve geri kalan büyük bir bilimsel topluluk arasında meydana gelen güç çatışmasından sonra kuruldu. NASA bu işlevi kendi bünyesi içinde tutmak istedi ancak bilim insanları bunun akademik bir oluşum içinde değerlendirilmesini istedi. 1984'te Münih yakınlarında Garching'de kurulan Uzay Teleskobu Avrupa Koordinasyon Kurumu (UTAKK / ST-ECF) Avrupalı astronomlar için benzer bir işlev görmektedir.
(UTBE)/(STScI)'in payına düşen zor görevlerden birisi de  teleskobun gözlemlerini takvimlendirmektir. Hubble alçak dünya yörüngesine oturutulmuştur dolayısıyla uzay mekikleri tarafından kolaylıkla ulaşılabilmektedir ancak bu aynı zamanda yörünge dönüşünün yarısından biraz daha az bölmünde hedeflenen birçok astronomik nesnenin dünyanın kütlesi nedeniyle görüntülenememesi anlamına gelmektedir. Teleskop, Güney Atlantik Anomalisinin üzerinden geçerken ortaya çıkan yüksek radyasyon nedeniyle gözlem yapılamamaktadır ve aynı zamanda Güneş (aynı zamanda Merkür'ün gözlemlenmesini engelleyen), Ay ve Dünya'nın etrafında gözlem yapmayı önemli miktarda engelleyen alanlar bulunmaktadır. OTA'nın herhangi bir parçasının güneş ışığına maruz kalarak yanmasını engellemek için özel olarak geliştirilen güneşten korunma açısı yaklaşık 50°'dir. Dünya ve aydan sakınmanın amacı yoğun parlak ışığı FGS'lere doğrudan gelmesini ve dağılmış ışığın cihazların içine girmesini engellemektir. FGS'ler çalıştırılmadığında ay ve dünya gözlemlenebilmektedir. Dünya gözlemleri, programın ilk yıllarında WFPC1 cihazının dijital görüntüleme kalitesini artırmak için yapılırdı. Hubble'ın yörünge düzlemine, doksan derece açıyla sürekli görüntülenen ve uzun süreli dönemler için düzeltme yapılmayan hedefler içeren bir bölge vardır. Yörüngenin değişmesine bağlı olarak CVZ'nin konumu yaklaşık olarak sekiz hafta içinde yavaşça değişir. CVZ(Sürekli Gözlemlenen Bölgeler)deki alanlarda dünyanın eğimi her zaman yaklaşık olarak 30° olduğundan dolayı, dünyanın yayılan ışığının parlaklığı CVZ gözlemleri sırasında uzun süre kaldırılabilmektedir.
Hubble atmosferin üst katmanlarının içinde kalacak şekilde dünya etrafında döndüğü için yörüngesi önceden belirlenebilir olmaksızın zaman içinde değişebilmektedir. Üst atmosfer katmanlarının yoğunluğu birçok etkene göre değişebilmektedir ve bu durum altı haftalık bir süre içerisinde Hubble'ın tahmin edilen konumunda 4,000 km'ye yakın hatalı bir sapma olabilir anlamına gelmektedir. Gözlem takvimleri çalışmaya başlanmadan sadece birkaç gün önce belirlenmektedir; çünkü daha uzun bir süre söz konusu olduğunda gözlenmek istenen bölge gözlem saatinde gözlenemeyebilmektedir.
HUT için mühendislik desteği, Uzay Teleskop Bilimi Enstitüsü;(UTBE)/(STScI)'nin 48 km güneyinde Greenbelt, Maryland'da kurulu Goddard Uzay Uçuş Merkezi'nde çalışan teknik elemanlar ve NASA tarafından verilmektedir.