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Hubble-Weltraumteleskop

Weltraumteleskop für sichtbares Licht, Ultraviolett- und Infrarotstrahlung
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Das Hubble-Weltraumteleskop (oder Hubble Space Telescope, HST) ist ein Weltraumteleskop für sichtbares Licht, Ultraviolett- und Infrarotstrahlung, das die Erde in etwa 589 Kilometer Höhe innerhalb von 96 Minuten einmal umkreist. Das HST wurde am 24. April 1990 vom Space Shuttle Discovery auf der Mission STS-31 im Rahmen einer Zusammenarbeit von NASA und ESA ausgesetzt und nach dem Astronomen Edwin Hubble benannt.

Datei:Hst sts82.jpg
Hubble-Weltraumteleskop, aufgenommen von der STS-82-Mission

Der Betrieb eines Teleskops außerhalb der Erdatmosphäre hat große Vorteile, da deren Filterwirkung auf bestimmte Wellenlängen im elektromagnetischen Spektrum, zum Beispiel im Ultraviolett und im Infrarot, entfällt. Es treten auch keine Störungen durch Luftbewegungen auf (Szintillation), die bei terrestrischen Teleskopen nur mit großem Aufwand ausgeglichen werden können.

Die Bildqualität des Hubble-Weltraumteleskops war in den ersten Betriebsjahren durch einen Herstellungsfehler des Hauptspiegels begrenzt, der 1993 mit Hilfe des COSTAR-Spiegelsystems erfolgreich korrigiert werden konnte. Seitdem wurden mit Hilfe des HST Bilder gemacht, die oft eine starke Wirkung auf die Öffentlichkeit haben, und die zu Ergebnissen mit großer wissenschaftlicher Bedeutung führen.

Anmerkung zur Bildqualität: Ich selbst war bei Perkin-Elmer die den Spiegel geschliffen haben beschäftigt. Das Teleskop hätte schon wesentlich früher in den All geschossen werden sollen. Durch das Unglück der Challanger 1986 wurde das Raumfahrtprogramm zurückgeworfen. Der Strat des Hubble wurde um Jahre verzögert. Der Spiegel des Teleskops wurde aus Glas gegossen und geschliffen. Glas fließt auch in kaltem Zustand. Die Aufgabe der NASA war, den Spiegel in einem Klimaraum ständig bei gleicher Temperatur über drei Achsen zu drehen, damit keine Verformungen im mykrometer Bereich entstehen. Der Spiegel hat einen Durchmesser von ca. 3 m und ist 50 cm dick. Es war schon eine Kunst diese menge Glas ohne Einschluss von Luftblasen zu giessen. Also die Ungenauigkeiten die entstanden sind, können durch die lange kontrollierte Lagerhaltung entstanden sein.

Geschichte

Schon der Raketenpionier Hermann Oberth wies auf die Möglichkeiten eines Teleskops im Weltraum hin. Konkretere Formen nahmen diese Vorstellungen mit einem Vorschlag von Lyman Spitzer an, den er 1946 unter dem Eindruck der V2-Raketenentwicklung machte. Spitzer war auch die treibende Kraft hinter Studien aus den 1960er Jahren für ein „Large Space Telescope“ von etwa 3 m Spiegeldurchmesser, die schließlich in das HST-Projekt der NASA mündeten. Die Entwicklung wurde durch den Astrophysiker John Norris Bahcall vorangetrieben. Die ESA übernahm 15 % der Kosten gegen Zusicherung eines entsprechenden Mindestanteils an der Beobachtungszeit für europäische Astronomen.

Startschwierigkeiten

Das Hubble-Weltraumteleskop war nach dem Start zunächst nicht im geplanten Umfang zu gebrauchen, weil es nur unscharfe Bilder zur Erde sandte. Wie sich bald herausstellte, war der Hauptspiegel des Teleskops falsch geschliffen. Dies lag an einer unbemerkt gebliebenen abgeplatzten Farbschicht unter einer Befestigungsschraube an der Testeinrichtung (einem sogenannten Nullkorrektor), mit der die computergesteuerten Schleifmaschinen kalibriert wurden, indem nach jedem Schleifgang der Spiegel vermessen wurde und aufgrund der ermittelten Daten der weitere Schleifvorgang programmiert wurde. Der Spiegel hatte zum Rand hin eine Abweichung von 2,5 µm, die zu deutlichen Bildfehlern („sphärischer Aberration“) führte. Eine nachträgliche Korrektur erfolgte durch das COSTAR-Spiegelsystem, da der Fehler rekonstruiert werden konnte und der Spiegel sehr genau in dieser falschen Form positioniert wurde.

Wartung und Reparatur

 
Blick auf das Teleskop aus dem Space Shuttle während der Mission STS-61, im Hintergrund die Erde

Während eines späteren Einsatzes des Shuttles wurde der Spiegelfehler dann mit Hilfe des COSTAR-Spiegelsystems ausgeglichen. Hier zeigten sich die Vorteile des ORU-Konzeptes, das eine Reparatur und Wartung des Teleskops in regelmäßigen Abständen vorsah. Bis heute fanden insgesamt 4 Wartungsmissionen statt. Die entscheidende Spiegelkorrektur fand während der ersten Mission (STS-61) Anfang Dezember 1993 statt. Weiterhin startete u. a. am 17. Dezember 1999 der Space Shuttle Discovery zur Mission (STS-103) und die Astronauten runderneuerten Hubble hierbei während insgesamt 24 Stunden und 33 Minuten im All: Neben neuen Kreiseln erhielt das Weltraumteleskop neue Antennen, neue Bauteile in der Energieversorgung, bessere Sensoren und einen leistungsfähigeren Computer.

Lebensdauer und Ende der Mission

Das Teleskop sollte ursprünglich im Jahr 2006 oder 2007 durch eine neue Service-Mission neue Batterien, Gyroskope zur Lageregelung und Instrumente erhalten und im Jahr 2010 außer Betrieb genommen werden. Diese Mission ist jedoch nach dem Absturz der Raumfähre Columbia mit Verweis auf Sicherheitsrisiken vorerst abgesagt worden. Eine als Ersatz geplante robotische Mission steht im Rahmen der Neuausrichtung der NASA in Bezug auf Flüge zum Mond unter Finanzierungsvorbehalt. Außerdem sind die Experten sich nicht sicher, ob ein Reparaturroboter in einer so kurzen Zeit entwickelt werden kann. Sollte diese nicht durchgeführt werden, dann endet der Betrieb des Teleskops spätestens im Jahr 2007 und es wird später, irgendwann in den Jahren danach, in der Erdatmosphäre verglühen. Ein Nachfolgeprojekt, das James Webb Space Telescope, wird frühestens 2012 starten und nur im Infrarot- und nahem Infrarot-Bereich arbeiten.

Ergebnisse der Hubble-Kommission der amerikanischen Akademie der Wissenschaften: Eine robotische Service-Mission würde etwa 2 Mrd. US$ kosten, bei 54 % Erfolgschance. Eine bemannte Mission kostet etwa 1,6 Mrd. US$. Das Problem ist der neue Ansatz des 'Safe Heaven'-ISS, d. h. jedes Shuttle muss in der Lage sein zur ISS auszuweichen, falls ein Fehler auftritt. Da die ISS auf 52° Inklination fliegt, ist ein Shuttle auf Hubble-Service-Mission nicht in der Lage die ISS zu erreichen. Die amerikanische Akademie der Wissenschaften drängt jedoch derzeit massiv auf die Durchführung einer solchen bemannten Mission.

Technische Beschreibung

Das HST wiegt 11,6 Tonnen, ist 13,2 Meter lang und hat einen maximalen Durchmesser von 4,2 Metern. Seine Konstruktion ist die eines Spiegelteleskops vom Typ Ritchey-Chrétien mit zwei hyperbolischen Spiegeln. Der Hauptspiegel weist einen Durchmesser von 2,4 Metern auf und die effektive Brennweite des Systems beträgt 57,6 Meter. Die zum Betrieb notwendige Elektrizität wird mit Solarzellen erzeugt.

Von Anfang an war das Hubble-Weltraumteleskop so konstruiert, dass von Astronauten Reparaturen ausgeführt und verbesserte Beobachtungsinstrumente eingesetzt werden konnten. Dieses Design wird ORU-Konzept genannt und wurde hier erstmals bei einem unbemannten Raumfahrtsystem angewendet. Mehrere Wartungsflüge waren notwendig, um die Mängel bei der Herstellung des Teleskops zu korrigieren und ausfallende Gyroskope zu ersetzen. Da das Teleskop ständig ein wenig an Höhe verliert, wird es bei jedem Wartungsflug wieder auf eine etwas höhere Umlaufbahn gebracht.

Instrumente

Neben drei Sternsensoren für die genaue Ausrichtung des Teleskops (Fine Guidance Sensors FGS) hat das Hubble-Weltraumteleskop Platz für fünf wissenschaftliche Instrumente. Die Entwicklung der Instrumentierung reagierte zunächst auf den Zwang zur Korrektur der Bildfehler des Teleskops, später wurden zunehmend leistungsfähigere Instrumente eingebaut, die neue technische Möglichkeiten nutzen. Die Instrumente des HST sind:

  • Wide Field / Planetary Camera 1 (WFPC1) 1990–1993. Die erste mit CCDs ausgestattete Kamera des HST wurde bereits 1993 durch das Nachfolgemodell WFPC2 ersetzt, das zur Korrektur der Bildfehler des Teleskops eingerichtet ist.
  • Faint Object Camera (FOC) 1990–2002. Die für schwache Objekte optimierte Kamera für sichtbares und ultraviolettes Licht war ein Beitrag der ESA.
  • Faint Object Spectrograph (FOS) 1990–1997.
  • Goddard High Resolution Spectrograph (GHRS) 1990–1997.
  • High Speed Photometer (HSP) 1990–1993.
  • Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement (COSTAR) seit 1993. COSTAR ist kein eigentliches wissenschaftliches Instrument sondern eine Einrichtung zur Korrektur des Bildfehlers des Teleskops für die Instrumente der ersten Generation FOC, FOS und GHRS. COSTAR wurde anstelle von HSP eingebaut. In die neueren Instrumente ab WFPC2 wurden entsprechende Korrekturelemente direkt eingebaut.
  • Near Infrared Camera and Multiobject Spectrometer (NICMOS) seit 1997. NICMOS enthält Kameras und Spektrometer für das nahe Infrarot bis 2,5 µm Wellenlänge. Seine ursprüngliche Kühlung durch festen Stickstoff erschöpfte sich durch ein Wärmeleck rasch. Seit 2002 kann es mit einem neuen mechanischen Kühlsystem wieder benutzt werden.
  • Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS) seit 1997, zur Zeit außer Betrieb.
  • Advanced Camera for Surveys (ACS) seit 2002.

Zwei weitere Instrumente sind in Entwicklung: Wide Field / Planetary Camera 3 (WFPC3) und Cosmic Origins Spectrograph (COS). Wegen der ungesicherten Zukunft des HST werden diese möglicherweise nicht mehr zum Einsatz kommen.

Aufgaben und Ergebnisse

Mit seiner komplexen Instrumentierung wurde das Hubble-Weltraumteleskop für vielfältige Aufgaben konstruiert. Besondere Aufmerksamkeit galt einem Programm, durch Beobachtung von Cepheiden in nahen Galaxien (bis zu einer Entfernung von etwa 20 Mpc) die genaue Entfernung dieser Galaxien zu bestimmen. Durch Vergleich mit der Radialgeschwindigkeit der Galaxien sollte sich die Hubble-Konstante, die die Ausdehnung des Universums bestimmt, und somit auch das Alter des Universums berechnen lassen. Nach Behebung der Anfangsschwierigkeiten war das HST in diesem und anderen Bereichen erfolgreich. Besonders bekannte Ergebnisse sind:

Great Observatories

Das Hubble-Weltraumteleskop war das erste von vier Weltraumteleskopen welche von der NASA im Rahmen des „Great Observatory Programms“ geplant wurden. Die anderen drei sind Compton Gamma Ray Observatory, Chandra X-Ray Observatory und Spitzer Space Telescope.

Sichtbarkeit

Die Umlaufbahn des Hubble-Weltraumteleskops um die Erde umfasst nur wenige Breitengrade nördlich und südlich des Äquators und ist somit von Mitteleuropa aus nicht zu beobachten. Die aktuelle Position erläutert die NASA auf einer eigens hierfür eingerichteten Webseite.

Hubble-Nachfolger

Das Weltraumteleskop, das 2013 die Nachfolge des Hubble-Weltraumteleskops antreten wird, ist das „James Webb Space Telescope“. Es ist ein Gemeinschaftsprojekt der NASA, der ESA und der kanadischen Weltraumagentur

Commons: Hubble-Weltraumteleskop – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien
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