Hubble-Weltraumteleskop

Hubble-Weltraumteleskop ⓘ

Gesehen in der Umlaufbahn vom abfliegenden Space Shuttle Atlantis im Jahr 2009 bei der Wartungsmission 4 (STS-125), der fünften und letzten Hubble-Mission.
Namen	HST Hubble
Art der Mission	Astronomie
Betreiber	STScI
COSPAR-KENNUNG	1990-037B
SATCAT-Nr.	20580
Website	nasa.gov/hubble hubblesite.org spacetelescope.org
Dauer der Mission	32 Jahre, 9 Monate, 27 Tage (laufend)
Eigenschaften der Raumsonde
Hersteller	Lockheed Martin (Raumfahrzeug) Perkin-Elmer (Optik)
Startmasse	11.110 kg (24.490 lb)
Abmessungen	13,2 m × 4,2 m (43 ft × 14 ft)
Leistung	2.800 Watt
Beginn der Mission
Datum des Starts	24. April 1990, 12:33:51 UTC
Rakete	Raumfähre Discovery (STS-31)
Startplatz	Kennedy, LC-39B
Auftragnehmer	Rockwell International
Datum des Einsatzes	25. April 1990
Indienststellung	20. Mai 1990
Ende des Einsatzes
Datum des Verfalls	2030-2040 (geschätzt)
Parameter der Umlaufbahn
Bezugssystem	Geozentrische Umlaufbahn
Regime	Niedrige Erdumlaufbahn
Perigäumshöhe	537,0 km (333,7 Meilen)
Apogäumshöhe	540,9 km (336,1 Meilen)
Neigung	28.47°
Zeitraum	95,42 Minuten
Epoche	24. April 2022 16:30:11
Hauptteleskop
Typ	Ritchey-Chrétien-Reflektor
Durchmesser	2,4 m (7 Fuß 10 Zoll)
Brennweite	57,6 m (189 ft)
Öffnungsverhältnis	f/24
Auffangfläche	4,0 m2 (43 sq ft)
Wellenlängen	Nahinfrarot, sichtbares Licht, Ultraviolett
Instrumente NICMOS Nahinfrarotkamera und Multi-Objekt-Spektrometer ACS Erweiterte Kamera für Durchmusterungen WFC3 Weitwinkelkamera 3 COS Cosmic Origins Spektrograf STIS Weltraumteleskop-Abbildungsspektrograf FGS Feinsteuerungssensor

Das Hubble-Weltraumteleskop (oft auch als HST oder Hubble bezeichnet) ist ein Weltraumteleskop, das 1990 in eine niedrige Erdumlaufbahn gebracht wurde und noch immer in Betrieb ist. Es war nicht das erste Weltraumteleskop, aber es ist eines der größten und vielseitigsten, das sowohl als wichtiges Forschungsinstrument als auch als öffentlichkeitswirksamer Segen für die Astronomie gilt. Das Hubble-Teleskop wurde nach dem Astronomen Edwin Hubble benannt und ist eines der großen Observatorien der NASA. Das Space Telescope Science Institute (STScI) wählt die Ziele von Hubble aus und verarbeitet die daraus resultierenden Daten, während das Goddard Space Flight Center (GSFC) die Raumsonde steuert. ⓘ

Hubble verfügt über einen 2,4-Meter-Spiegel, und seine fünf Hauptinstrumente beobachten im ultravioletten, sichtbaren und nahen infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Die Umlaufbahn von Hubble außerhalb der Verzerrung durch die Erdatmosphäre ermöglicht die Aufnahme von Bildern mit extrem hoher Auflösung und wesentlich weniger Hintergrundlicht als bei bodengebundenen Teleskopen. Es hat einige der detailliertesten Bilder im sichtbaren Licht aufgenommen, die einen tiefen Blick ins Weltall ermöglichen. Viele Hubble-Beobachtungen haben zu Durchbrüchen in der Astrophysik geführt, etwa bei der Bestimmung der Expansionsrate des Universums. ⓘ

Weltraumteleskope wurden bereits 1923 vorgeschlagen, und das Hubble-Teleskop wurde in den 1970er Jahren von der US-amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA mit Unterstützung der Europäischen Weltraumorganisation finanziert und gebaut. Der geplante Start war 1983, aber das Projekt wurde durch technische Verzögerungen, Budgetprobleme und die Challenger-Katastrophe von 1986 beeinträchtigt. Hubble wurde schließlich 1990 gestartet, aber sein Hauptspiegel war falsch geschliffen worden, was zu einer sphärischen Aberration führte, die die Fähigkeiten des Teleskops beeinträchtigte. Die Optik wurde 1993 im Rahmen einer Wartungsmission auf die vorgesehene Qualität korrigiert. ⓘ

Hubble ist das einzige Teleskop, das von Astronauten im Weltraum gewartet werden kann. Bei fünf Space-Shuttle-Missionen wurden Systeme des Teleskops repariert, aufgerüstet und ersetzt, darunter alle fünf Hauptinstrumente. Die fünfte Mission wurde nach der Columbia-Katastrophe (2003) zunächst aus Sicherheitsgründen abgesagt, aber nachdem NASA-Administrator Michael D. Griffin sie genehmigt hatte, wurde sie 2009 abgeschlossen. Das Teleskop hat im April 2020 sein 30-jähriges Betriebsjubiläum vollendet und wird voraussichtlich noch bis 2030-2040 in Betrieb sein. ⓘ

Hubble bildet zusammen mit dem Compton-Gammastrahlen-Observatorium, dem Chandra-Röntgenobservatorium und dem Spitzer-Weltraumteleskop (das den Infrarotbereich abdeckt) die sichtbare Lichtkomponente des NASA-Programms "Great Observatories". Der Nachfolger des Hubble-Teleskops im mittleren IR- bis sichtbaren Bereich ist das James Webb Space Telescope (JWST), das am 25. Dezember 2021 gestartet wurde. ⓘ

Das HST wurde am 24. April 1990 mit der Space-Shuttle-Mission STS-31 gestartet und am nächsten Tag aus dem Frachtraum der Discovery ausgesetzt. Es war das erste von vier Weltraumteleskopen der NASA im Rahmen des Great Observatory Programms. Die anderen drei Weltraumteleskope sind Compton Gamma Ray Observatory, Chandra X-Ray Observatory und Spitzer-Weltraumteleskop. ⓘ

Nach dem Aussetzen des Teleskops entsprach die Bildqualität nicht den Erwartungen. Ein Fehler des Hauptspiegels führte zu Bildern, die praktisch nicht brauchbar waren. Drei Jahre später wurde 1993 mit Hilfe des COSTAR-Spiegelsystems (Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement) der Fehler erfolgreich korrigiert. Nach dieser ersten Reparaturmission STS-61 gab es weitere Wartungsmissionen: STS-82, STS-103, STS-109 und STS-125. Mit der fünften und letzten Wartungsmission im Mai 2009 wurde die COSTAR-Korrektur überflüssig, da alle Instrumente ein eigenes System zur Korrektur des Spiegelfehlers hatten. ⓘ

Konzeption, Design und Zielsetzung

Entwürfe und Vorläufer

Astronaut Owen Garriott bei der Arbeit neben dem bemannten Sonnenobservatorium von Skylab, 1973. ⓘ

1923 veröffentlichte Hermann Oberth, der neben Robert H. Goddard und Konstantin Ziolkowsky als Vater der modernen Raketentechnik gilt, "Die Rakete zu den Planetenräumen", in der beschrieben wird, wie ein Teleskop mit einer Rakete in die Erdumlaufbahn gebracht werden könnte. ⓘ

Die Geschichte des Hubble-Weltraumteleskops lässt sich bis ins Jahr 1946 zurückverfolgen, als der Astronom Lyman Spitzer einen Aufsatz mit dem Titel "Astronomical advantages of an extraterrestrial observatory" verfasste. Darin erörterte er die beiden Hauptvorteile, die ein weltraumgestütztes Observatorium gegenüber bodengestützten Teleskopen hätte. Erstens wäre die Winkelauflösung (der kleinste Abstand, in dem Objekte klar unterschieden werden können) nur durch Beugung begrenzt und nicht durch die Turbulenzen in der Atmosphäre, die das Funkeln der Sterne verursachen, das die Astronomen als Seeing bezeichnen. Zu dieser Zeit waren bodengestützte Teleskope auf Auflösungen von 0,5-1,0 Bogensekunden beschränkt, verglichen mit einer theoretischen beugungsbegrenzten Auflösung von etwa 0,05 Bogensekunden für ein optisches Teleskop mit einem Spiegel von 2,5 m Durchmesser. Zweitens könnte ein weltraumgestütztes Teleskop infrarotes und ultraviolettes Licht beobachten, das von der Atmosphäre der Erde stark absorbiert wird. ⓘ

Dr. Nancy Grace Roman mit einem Modell des großen Weltraumteleskops, das schließlich als Hubble-Weltraumteleskop entwickelt wurde. Obwohl dieses Foto von 1966 stammt, war es bis Mitte der 1970er Jahre noch nicht der Standard. ⓘ

Spitzer setzte sich während eines Großteils seiner Karriere für die Entwicklung eines Weltraumteleskops ein. Im Jahr 1962 empfahl ein Bericht der U.S. National Academy of Sciences die Entwicklung eines Weltraumteleskops als Teil des Weltraumprogramms, und 1965 wurde Spitzer zum Leiter eines Ausschusses ernannt, der die Aufgabe hatte, wissenschaftliche Ziele für ein großes Weltraumteleskop zu definieren. ⓘ

Entscheidend war auch die Arbeit von Nancy Grace Roman, der "Mutter von Hubble". Lange bevor es ein offizielles NASA-Projekt wurde, hielt sie öffentliche Vorträge, in denen sie den wissenschaftlichen Wert des Teleskops anpries. Nachdem das Projekt genehmigt worden war, wurde sie zur Programmwissenschaftlerin und setzte den Lenkungsausschuss ein, der dafür zuständig war, die Bedürfnisse der Astronomen in die Tat umzusetzen, und sie schrieb in den 1970er Jahren Stellungnahmen an den Kongress, um sich für die weitere Finanzierung des Teleskops einzusetzen. Ihre Arbeit als Projektwissenschaftlerin trug dazu bei, die Standards für die Durchführung wissenschaftlicher Großprojekte durch die NASA zu setzen. ⓘ

Die weltraumgestützte Astronomie hatte nach dem Zweiten Weltkrieg in sehr kleinem Maßstab begonnen, als Wissenschaftler sich die Entwicklungen in der Raketentechnik zunutze machten. Das erste ultraviolette Spektrum der Sonne wurde 1946 aufgenommen, und 1962 startete die NASA das Orbiting Solar Observatory (OSO) zur Aufnahme von UV-, Röntgen- und Gammastrahlenspektren. Ein Sonnenteleskop im Orbit wurde 1962 vom Vereinigten Königreich im Rahmen des Ariel-Programms gestartet, und 1966 startete die NASA die erste Mission des Orbiting Astronomical Observatory (OAO). Die Batterie von OAO-1 versagte nach drei Tagen und beendete die Mission. Es folgte das Orbiting Astronomical Observatory 2 (OAO-2), das von seinem Start im Jahr 1968 bis 1972 ultraviolette Beobachtungen von Sternen und Galaxien durchführte, also weit über seine ursprünglich geplante Lebensdauer von einem Jahr hinaus. ⓘ

Die OSO- und OAO-Missionen zeigten, welch wichtige Rolle weltraumgestützte Beobachtungen in der Astronomie spielen können. 1968 entwickelte die NASA konkrete Pläne für ein weltraumgestütztes Spiegelteleskop mit einem Spiegel von 3 m Durchmesser, das vorläufig als Large Orbiting Telescope oder Large Space Telescope (LST) bezeichnet wurde und 1979 starten sollte. Diese Pläne betonten die Notwendigkeit von Wartungsmissionen mit Besatzung für das Teleskop, um eine lange Lebensdauer dieses kostspieligen Programms zu gewährleisten, und die gleichzeitige Entwicklung von Plänen für das wiederverwendbare Space Shuttle deutete darauf hin, dass die entsprechende Technologie bald zur Verfügung stehen würde. ⓘ

Suche nach Finanzierungsmöglichkeiten

Der anhaltende Erfolg des OAO-Programms führte dazu, dass in der astronomischen Gemeinschaft ein immer stärkerer Konsens darüber herrschte, dass das LST ein wichtiges Ziel sein sollte. Im Jahr 1970 richtete die NASA zwei Ausschüsse ein, von denen einer die technische Seite des Weltraumteleskopprojekts planen und der andere die wissenschaftlichen Ziele der Mission festlegen sollte. Sobald diese festgelegt waren, bestand die nächste Hürde für die NASA darin, die Finanzierung des Instruments zu sichern, das weitaus kostspieliger sein würde als jedes erdgebundene Teleskop. Der US-Kongress stellte viele Aspekte des vorgeschlagenen Budgets für das Teleskop in Frage und erzwang Kürzungen des Budgets für die Planungsphasen, die damals aus sehr detaillierten Studien über mögliche Instrumente und Hardware für das Teleskop bestanden. Im Jahr 1974 führte die Kürzung der öffentlichen Ausgaben dazu, dass der Kongress alle Mittel für das Teleskopprojekt strich. ⓘ

Im Jahr 1977 schlug der damalige NASA-Verwalter James C. Fletcher im NASA-Haushalt einen symbolischen Betrag von 5 Millionen Dollar für Hubble vor. Der damalige stellvertretende NASA-Administrator für Weltraumforschung, Noel Hinners, strich stattdessen alle Mittel für Hubble und setzte darauf, dass dies die wissenschaftliche Gemeinschaft dazu bewegen würde, für die volle Finanzierung zu kämpfen. Wie sich Hinners erinnert:

In jenem Jahr war klar, dass wir nicht in der Lage sein würden, einen vollständigen Neustart zu erreichen. Auf dem [Capitol] Hill gab es einige Widerstände gegen einen Neustart von [Hubble]. Das lag, soweit ich mich erinnere, zum großen Teil an der Haushaltslage. Jim Fletcher schlug vor, dass wir 5 Millionen Dollar als Platzhalter einsetzen sollten. Ich mochte diese Idee nicht. Das war, wie man heute sagt, ein "Zuckerschlecken" für die Astronomiegemeinschaft. "Da ist etwas drin, also ist alles gut". ⓘ

In meinem kleinen Kopf dachte ich mir, dass es besser wäre, wenn wir das Ganze aus der Welt schaffen würden, um die Gemeinschaft zu begeistern. Dann würden sie sagen: "Wow, wir stecken in der Klemme", und das würde die Truppen mobilisieren. Ich habe also dafür plädiert, dass wir nichts einbringen. Ich erinnere mich nicht mehr an die detaillierten Diskussionen oder ob es welche gab, aber Jim stimmte dem zu, so dass wir es auf Null setzten. Meines Erachtens hatte dies den gewünschten Effekt, dass die Astronomiegemeinschaft ihre Bemühungen an der Lobbyfront verstärkte. Auch wenn ich im Nachhinein gerne denke, dass es ein brillanter politischer Schachzug war, bin ich mir nicht sicher, ob ich ihn so gut durchdacht habe. Es war etwas, das ich spontan getan habe. ⓘ

[...] 5 Millionen Dollar würden sie glauben lassen, dass sowieso alles in Ordnung ist, aber das ist es nicht. Also sollten wir ihnen eine Botschaft geben. Meiner Meinung nach sollten wir sie dazu anregen, aktiv zu werden. Eine Nullrunde würde diese Botschaft sicherlich vermitteln. Ich glaube, so einfach war das. Ich habe mit niemandem darüber gesprochen, es zuerst zu tun, sondern einfach gesagt: "Lasst uns das tun". Voila, es hat funktioniert. Ich weiß nicht, ob ich das noch einmal tun würde.

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Der politische Schachzug hat funktioniert. Als Reaktion auf die Streichung von Hubble aus dem NASA-Budget wurde eine landesweite Lobbying-Aktion unter Astronomen koordiniert. Viele Astronomen trafen Kongressabgeordnete und Senatoren persönlich, und es wurden groß angelegte Briefkampagnen organisiert. Die Nationale Akademie der Wissenschaften veröffentlichte einen Bericht, in dem die Notwendigkeit eines Weltraumteleskops betont wurde, und schließlich stimmte der Senat der Hälfte des ursprünglich vom Kongress bewilligten Budgets zu. ⓘ

Die Finanzierungsprobleme führten zu einer gewissen Verkleinerung des Projekts, wobei der vorgeschlagene Spiegeldurchmesser von 3 m auf 2,4 m reduziert wurde, um die Kosten zu senken und eine kompaktere und effektivere Konfiguration für die Teleskop-Hardware zu ermöglichen. Ein geplantes Vorläuferteleskop mit einem Durchmesser von 1,5 m, mit dem die auf dem Hauptsatelliten zu verwendenden Systeme getestet werden sollten, wurde fallen gelassen, und aus Kostengründen wurde eine Zusammenarbeit mit der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) vereinbart. Die ESA erklärte sich bereit, eines der Instrumente der ersten Generation für das Teleskop zu finanzieren und zu liefern, ebenso wie die Solarzellen, die es mit Energie versorgen sollten, und Personal, das in den Vereinigten Staaten an dem Teleskop arbeiten sollte, wenn den europäischen Astronomen im Gegenzug mindestens 15 % der Beobachtungszeit am Teleskop garantiert würden. Der Kongress bewilligte schließlich Mittel in Höhe von 36 Millionen US-Dollar für das Jahr 1978, und es wurde ernsthaft mit der Konstruktion des LST begonnen, wobei ein Starttermin im Jahr 1983 angestrebt wurde. Im Jahr 1983 wurde das Teleskop nach Edwin Hubble benannt, der eine der größten wissenschaftlichen Entdeckungen des 20. Jahrhunderts, die von Georges Lemaître gemacht wurde, nämlich dass sich das Universum ausdehnt, bestätigte. ⓘ

Konstruktion und Technik

Schleifen des Hubble-Hauptspiegels bei Perkin-Elmer, März 1979. ⓘ

Nachdem der Startschuss für das Weltraumteleskop-Projekt gefallen war, wurde die Arbeit an dem Programm auf viele Institutionen aufgeteilt. Dem Marshall Space Flight Center (MSFC) wurde die Verantwortung für Design, Entwicklung und Bau des Teleskops übertragen, während das Goddard Space Flight Center die Gesamtkontrolle über die wissenschaftlichen Instrumente und das Bodenkontrollzentrum für die Mission erhielt. Das MSFC beauftragte das Optikunternehmen Perkin-Elmer mit der Entwicklung und dem Bau der optischen Röhrenbaugruppe (OTA) und der Feinsteuerungssensoren für das Weltraumteleskop. Lockheed wurde mit dem Bau und der Integration des Raumfahrzeugs beauftragt, in dem das Teleskop untergebracht werden sollte. ⓘ

Optische Röhrenbaugruppe

Optisch ist das HST ein Cassegrain-Reflektor von Ritchey-Chrétien, wie die meisten großen professionellen Teleskope. Dieses Design mit zwei hyperbolischen Spiegeln ist für seine gute Abbildungsleistung über ein breites Sichtfeld bekannt, hat aber den Nachteil, dass die Spiegel eine Form haben, die schwer herzustellen und zu testen ist. Die Spiegel und die optischen Systeme des Teleskops bestimmen die endgültige Leistung, und sie wurden nach genauen Vorgaben entwickelt. Bei optischen Teleskopen werden die Spiegel in der Regel mit einer Genauigkeit von etwa einem Zehntel der Wellenlänge des sichtbaren Lichts poliert. Das Weltraumteleskop sollte jedoch für Beobachtungen vom sichtbaren bis zum ultravioletten Bereich (kürzere Wellenlängen) eingesetzt werden und sollte beugungsbegrenzt sein, um die Vorteile der Weltraumumgebung voll nutzen zu können. Daher musste der Spiegel mit einer Genauigkeit von 10 Nanometern poliert werden, was etwa 1/65 der Wellenlänge des roten Lichts entspricht. Was die langen Wellenlängen betrifft, so wurde der OTA nicht mit Blick auf eine optimale IR-Leistung entwickelt. So werden die Spiegel durch Heizgeräte auf einer stabilen (und warmen, etwa 15 °C) Temperatur gehalten. Dies schränkt die Leistung von Hubble als Infrarotteleskop ein. ⓘ

Der Backup-Spiegel, von Kodak. Seine innere Stützstruktur ist sichtbar, da er nicht mit einer reflektierenden Oberfläche beschichtet ist. ⓘ

Perkin-Elmer beabsichtigte, den Spiegel mit Hilfe von speziell angefertigten und äußerst anspruchsvollen computergesteuerten Poliermaschinen in die gewünschte Form zu schleifen. Für den Fall, dass ihre Spitzentechnologie auf Schwierigkeiten stoßen sollte, verlangte die NASA jedoch, dass PE einen Untervertrag mit Kodak abschließt, um einen Ersatzspiegel mit herkömmlichen Spiegelpoliertechniken herzustellen. (Das Team von Kodak und Itek bot auch für die ursprüngliche Spiegelpolierarbeit. Ihr Angebot sah vor, dass die beiden Unternehmen ihre Arbeit gegenseitig überprüfen, wodurch der Polierfehler, der später die Probleme verursachte, mit ziemlicher Sicherheit entdeckt worden wäre). Der Kodak-Spiegel ist jetzt dauerhaft im National Air and Space Museum ausgestellt. Ein Itek-Spiegel, der im Rahmen des Projekts gebaut wurde, wird heute im 2,4-Meter-Teleskop des Magdalena Ridge Observatory verwendet. ⓘ

Der Bau des Perkin-Elmer-Spiegels begann 1979 mit einem Rohling, der von Corning aus einem Glas mit sehr geringer Ausdehnung hergestellt wurde. Um das Gewicht des Spiegels so gering wie möglich zu halten, bestand er aus einer oberen und einer unteren Platte, die jeweils 25 mm dick waren und zwischen denen ein Wabengitter lag. Perkin-Elmer simulierte die Schwerelosigkeit, indem der Spiegel von der Rückseite her mit 130 Stäben gestützt wurde, die unterschiedlich viel Kraft ausübten. Auf diese Weise wurde sichergestellt, dass die endgültige Form des Spiegels korrekt und spezifikationsgerecht ist, wenn er schließlich eingesetzt wird. Das Polieren des Spiegels dauerte bis Mai 1981. In NASA-Berichten wurde damals die Managementstruktur von Perkin-Elmer in Frage gestellt, und die Polierarbeiten gerieten in Verzug und überschritten das Budget. Um Geld zu sparen, stellte die NASA die Arbeiten an dem Ersatzspiegel ein und verschob den Starttermin des Teleskops auf Oktober 1984. Der Spiegel wurde Ende 1981 fertiggestellt; er wurde mit 9.100 l heißem, entionisiertem Wasser gewaschen und erhielt anschließend eine Reflexionsschicht aus 65 nm dickem Aluminium und eine Schutzschicht aus 25 nm dickem Magnesiumfluorid. ⓘ

Auf diesem Bild von Hubble während der frühen Bauphase sind der OTA, der Messbalken und die sekundäre Ablenkplatte zu sehen. ⓘ

Es wurden weiterhin Zweifel an der Kompetenz von Perkin-Elmer bei einem Projekt dieser Größenordnung geäußert, da das Budget und der Zeitplan für die Herstellung des restlichen OTA immer weiter aufgebläht wurden. Als Reaktion auf einen Zeitplan, der als "unbeständig und täglich wechselnd" beschrieben wurde, verschob die NASA den Starttermin des Teleskops auf April 1985. Die Zeitpläne von Perkin-Elmer verschoben sich weiterhin mit einer Rate von etwa einem Monat pro Quartal, und zeitweise erreichten die Verzögerungen einen Tag pro Arbeitstag. Die NASA war gezwungen, den Starttermin auf März und dann auf September 1986 zu verschieben. Zu diesem Zeitpunkt war das Gesamtbudget des Projekts auf 1,175 Milliarden US-Dollar gestiegen. ⓘ

Raumfahrzeugsysteme

Das Raumfahrzeug, in dem das Teleskop und die Instrumente untergebracht werden sollten, war eine weitere große technische Herausforderung. Es musste dem häufigen Wechsel von direktem Sonnenlicht in die Dunkelheit des Erdschattens standhalten, was zu großen Temperaturschwankungen führen würde, und gleichzeitig stabil genug sein, um eine äußerst genaue Ausrichtung des Teleskops zu ermöglichen. Eine Hülle aus mehreren Isolierschichten hält die Temperatur im Inneren des Teleskops stabil und umgibt eine leichte Aluminiumschale, in der das Teleskop und die Instrumente untergebracht sind. Innerhalb der Schale hält ein Graphit-Epoxid-Rahmen die funktionierenden Teile des Teleskops fest in Position. Da Graphit-Verbundwerkstoffe hygroskopisch sind, bestand die Gefahr, dass Wasserdampf, der im Reinraum von Lockheed von der Schale aufgenommen wurde, später im Vakuum des Weltraums ausgedrückt wird und die Instrumente des Teleskops mit Eis bedeckt. Um dieses Risiko zu verringern, wurde vor dem Start des Teleskops in den Weltraum eine Stickstoffspülung durchgeführt. ⓘ

Der Bau des Raumfahrzeugs, in dem das Teleskop und die Instrumente untergebracht werden sollten, verlief zwar etwas reibungsloser als der Bau des OTA, aber Lockheed musste dennoch einige Budget- und Zeitplanabweichungen hinnehmen, und im Sommer 1985 lag der Bau des Raumfahrzeugs 30 % über dem Budget und drei Monate hinter dem Zeitplan. In einem Bericht des MSFC heißt es, Lockheed habe sich eher auf die Anweisungen der NASA verlassen, als beim Bau Eigeninitiative zu zeigen. ⓘ

Computersysteme und Datenverarbeitung

Der DF-224-Computer ⓘ

Das SI-C&DH-System im Reinraum ⓘ

Für die Steuerung der Raumsonde wurden bis 2001 NSSC-1-Computer aus dem Jahr 1974 verwendet. Seit 2001 wurde einer dieser Computer durch einen in den 1980er-Jahren gebauten Computer mit CMOS-Speicher als RAM ersetzt. 2009 wurde erneut der im Jahr 2001 eingebaute Computer ersetzt. ⓘ

Alle Systeme zur Datenverarbeitung und -speicherung sind im Data Management Subsystem (DMS) organisiert. Dessen Herzstück war bis zur Servicemission SM 3A ein Zentralcomputer vom Typ DF-224, der für die übergeordnete Steuerung aller technischen und wissenschaftlichen Systeme zuständig war. Dieser enthielt drei identische, mit 1,25 MHz getakteten 8-Bit-Prozessoren, wobei stets nur einer genutzt wurde, die anderen beiden dienten als Reserve im Fall eines Defekts. Der Speicher ist in sechs Modulen von je 192 kBit organisiert. Der interne Bus ist dreifach redundant ausgelegt, die Anbindung an die externen Systeme ist doppelt redundant. Der Computer misst 40 cm × 40 cm × 30 cm, wiegt 50 kg und wurde in einer für ihn spezifischen Assemblersprache programmiert. ⓘ

Schon wenige Jahre nach dem Start fielen zwei der sechs Speichermodule aus (drei sind zum Betrieb mindestens notwendig), so dass bei der Servicemission SM 1 ein zusätzliches Koprozessor-System installiert wurde. Dieses besteht aus einer doppelt redundanten Kombination aus einer Intel 80386 x86-CPU und einem Intel 80387-Koprozessor, acht gemeinsam verwendeten Speichermodulen mit einer Kapazität von je 192 KiBit und 1 MiB Arbeitsspeicher exklusiv für die 80386er-CPU. Die Programmierung des Koprozessor-Systems erfolgte in C. ⓘ

Bei der Servicemission SM 3A wurde das komplette Computersystem inklusive des Koprozessors entfernt und durch den deutlich leistungsfähigeren Advanced Computer ersetzt. Er verfügt über drei 32-Bit Intel 80486-Prozessoren mit einer Taktfrequenz von 25 MHz. Diese sind etwa 20-mal schneller als die des DF-224-Computers. Jede CPU ist auf einer eigenen Platine mit je 2 MiB SRAM und einem 1 MiB großen EPROM untergebracht. Das gesamte System besitzt die Abmessungen 48 cm × 46 cm × 33 cm und wiegt 32 kg. ⓘ

Das zentrale Element zur Verteilung von Daten innerhalb des Computers ist die Data Management Unit (DMU). Neben dem Routing ist die ca. 38 kg schwere DMU für die Verteilung der systemweit verwendeten Uhrzeit zuständig, wofür sie mit zwei redundanten, hochpräzisen Oszillatoren verbunden ist. Die meisten Systeme sind direkt mit der DMU verbunden, einige Komponenten sind jedoch nur über vier je 16 kg schwere Data Interface Units (DIUs) an sie angebunden. ⓘ

Für die Kontrolle der wissenschaftlichen Instrumente ist die in Bucht 10 installierte Science Instrument Control and Data Handling Unit (SI C&DH) verantwortlich. Hierbei handelt es sich um einen Komplex aus mehreren Elektronikkomponenten, welche die Instrumente steuern, ihre Daten auslesen und diese formatieren. Das Kernelement dieses Systems ist der Control Unit/Science Data Formatter (CU/SDF). Er formatiert Kommandos und Anfragen der Bodenstation in das jeweils passende Format des Zielsystems oder -instruments. In der Gegenrichtung übersetzt es auch Datenströme aus den angeschlossenen Komponenten in ein für die Bodenstation passendes Format. Für die Interpretation der formatierten Daten und Kommandos ist der NASA Standard Spacecraft Computer (NSCC-I) zuständig. Er besitzt acht Speichermodule mit einer Kapazität von je 148 kBit, in denen Befehlsfolgen abgelegt werden können. Hierdurch kann das Teleskop auch dann arbeiten, wenn es keinen Kontakt zur Bodenstation besitzt. Die vom NSCC-I selbst erzeugten oder abgerufenen Kommandos werden anschließend wieder per Direct Memory Access an den CU/SDF übermittelt. Alle Komponenten der SI C&DH sind darüber hinaus redundant ausgelegt, so dass bei einem Ausfall ein baugleiches Reservemodul zur Verfügung steht. ⓘ

Durch einen Fehler, der im SI C&DH vermutet wird, konnten am 23. Oktober 2021 die Instrumente kein Signal zur Synchronisierung empfangen. Die Schutzelektronik der Instrumente versetzte diese darauf in den Sicherheitsmodus. Ein Reset der Instrumente brachte nicht den gewünschten Erfolg und der Fehler trat am 25. Oktober erneut auf. Seither wurde an verschiedenen Strategien zur Lösung des Problems gearbeitet. Am 1. November wurde das defekte NICMOS-Instrument, das seit 2010 inaktiv ist, wieder in Betrieb genommen, um die Synchronisierungssignale zu überwachen. Auf diese Weise konnten Erkenntnisse gewonnen werden, ohne dass eines der aktiven Instrumente gefährdet wird. Als nächstes wurde am 7. November das ACS Instrument versuchsweise in Betrieb genommen. Aufgrund der Bauart ist es das System, das am wenigsten durch eine Fehlfunktion in der Synchronisierung beeinträchtigt wird. Am 23. November wurde Wide Field Camera 3 wieder in Betrieb genommen, nachdem seit dem 1. November der Fehler nicht wieder aufgetreten ist. Es wird zugleich an einer Software-Modifikation an den Instrumenten gearbeitet, die bei ausbleibenden Synchronisierungssignalen erlaubt, den wissenschaftlichen Betrieb fortzusetzen. Für die Simulationen und den Test werden einige Wochen veranschlagt. Am 28. November 2021 wurde Cosmic Origins Spectrograph, somit das dritte Instrument wieder in Betrieb gesetzt. Das vierte Instrument Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS) nahm am 6. Dezember wieder den regulären Betrieb auf. ⓘ

Zur Speicherung von Daten, die nicht in Echtzeit zur Erde übertragen werden können, stehen drei Engineering/Science Data Recorders (E/SDRs) zur Verfügung. Hierbei handelte es sich beim Start um Bandlaufwerke mit je 1,2 GBit Kapazität, einem Gewicht von je 9 kg und den Abmessungen 30 cm × 23 cm × 18 cm. Da Magnetbänder mittels Elektromotoren zum Lesen und Schreiben bewegt werden müssen, wurde ein Exemplar bereits bei der Servicemission SM 2 durch einen als Solid State Recorder (SSR) bezeichneten Flash-basierten Speicher ersetzt. Dieser hat keine mechanischen Bauteile und ist daher bei höherer Lebensdauer gleichzeitig wesentlich zuverlässiger. Darüber hinaus besitzt der SSR mit 12 GBit eine etwa zehnmal so hohe Kapazität und ermöglicht parallele Lese- und Schreibzugriffe. ⓘ

Für die Betriebssicherheit des Teleskops gibt es neben der redundanten Auslegung wichtiger Komponenten ein Software- und Hardwaresicherungssystem. Bei dem Softwaresystem handelt es sich um eine Reihe von Programmen, die auf dem Zentralcomputer ausgeführt werden und diverse Betriebsparameter überwachen. Wird hierbei eine beliebige, aber nicht hochgefährliche Fehlfunktion entdeckt, werden alle wissenschaftlichen Instrumente abgeschaltet, und das Teleskop wird in der gerade aktuellen Ausrichtung gehalten. Dieser Modus kann nur durch das Eingreifen der Bodenkontrolle nach Behebung des Fehlers aufgehoben werden. Sollten jedoch ernsthafte Abweichungen im Energiesystem auftreten, wird das Teleskop so ausgerichtet, dass die Sonnensegel bestmöglich von der Sonne beschienen werden, um so viel Strom wie möglich zu produzieren. Darüber hinaus werden Maßnahmen ergriffen, alle Komponenten auf ihrer Betriebstemperatur zu halten, um eine schnelle Wiederaufnahme der wissenschaftlichen Untersuchungen nach der Aufhebung des Sicherheitsmodus zu gewährleisten. ⓘ

Für den Fall von hochkritischen Systemausfällen oder -fehlfunktionen existiert ein weiteres Sicherheitssystem mit der Bezeichnung Pointing/Safemode Electronics Assembly (PSEA). Hierbei handelt es sich um einen 39 kg schweren Komplex aus 40 speziellen Leiterplatten, auf denen sich Programme befinden, die ausschließlich das Überleben des Teleskops sichern sollen. Im Gegensatz zum softwarebasierten Sicherheitssystem im Zentralcomputer sind diese fest in der PSEA-Hardware verdrahtet, wodurch sie erheblich robuster gegenüber Störeinflüssen sind. Die Aktivierung des PSEA-Systems erfolgt beim Eintreten einer oder mehrerer der folgenden Situationen:

• Fehlfunktion des Zentralcomputers
• Zwei der drei RGAs fallen aus.
• Die Akkumulatoren verlieren mehr als 50 % ihrer Ladung.
• Ausfall des DMS

Nach der Aktivierung sorgen die verdrahteten Programme dafür, dass die Sonnensegel bestmöglich auf die Sonne ausgerichtet werden und alle nicht überlebenswichtigen Komponenten abgeschaltet werden. Die Temperaturkontrolle wird hierbei so gesteuert, dass alle Systeme oberhalb ihrer für das Überleben notwendigen Temperatur gehalten werden. Um auch bei schweren Schäden an den Hauptsystemen handlungsfähig zu bleiben, ist der PSEA-Komplex mit eigenen Datenleitungen an die kritischen Teleskopkomponenten angebunden. Um einen Ausfall der RGAs zu kompensieren, sind auch drei Reserve-Gyroskope vorhanden, die allerdings wesentlich ungenauer sind und nur eine grobe Ausrichtung sicherstellen können, was keinen wissenschaftlichen Betrieb erlaubt. Das PSEA-System kann somit vollständig autonom arbeiten, eine Verbindung zur Bodenstation ist nur zur Fehlerbehebung selbst nötig. ⓘ

Darüber hinaus verfügten einige der wissenschaftlichen Instrumente und Komponenten über eigene eingebettete mikroprozessorgestützte Steuersysteme. Die MATs (Multiple Access Transponder)-Komponenten, MAT-1 und MAT-2, verwenden Hughes Aircraft CDP1802CD Mikroprozessoren. Die Weitwinkel- und Planetenkamera (WFPC) verwendete ebenfalls einen RCA 1802 Mikroprozessor (oder möglicherweise die ältere Version 1801). Die WFPC-1 wurde während der Wartungsmission 1 im Jahr 1993 durch die WFPC-2 ersetzt, die dann während der Wartungsmission 4 im Jahr 2009 durch die Wide Field Camera 3 (WFC3) ersetzt wurde. Die Aufrüstung erweiterte die Fähigkeit von Hubble, tiefer in das Universum zu sehen und Bilder in drei breiten Bereichen des Spektrums zu liefern. ⓘ

Die ersten Instrumente

Explosionszeichnung des Hubble-Weltraumteleskops ⓘ

Beim Start war das HST mit fünf wissenschaftlichen Instrumenten ausgestattet: der Weitwinkel- und Planetenkamera (WF/PC), dem hochauflösenden Goddard-Spektrographen (GHRS), dem Hochgeschwindigkeitsphotometer (HSP), der Kamera für schwache Objekte (FOC) und dem Spektrographen für schwache Objekte (FOS). WF/PC nutzte eine radiale Instrumentenbucht, während die anderen 4 Instrumente jeweils in einer axialen Instrumentenbucht installiert waren. ⓘ

WF/PC war ein hochauflösendes Abbildungsgerät, das in erster Linie für optische Beobachtungen gedacht war. Es wurde vom Jet Propulsion Laboratory der NASA gebaut und enthielt einen Satz von 48 Filtern, die Spektrallinien von besonderem astrophysikalischen Interesse isolierten. Das Instrument enthielt acht CCD-Chips (charge-coupled device), die auf zwei Kameras mit jeweils vier CCDs verteilt waren. Jeder CCD-Chip hat eine Auflösung von 0,64 Megapixeln. Die Weitwinkelkamera (WFC) deckte auf Kosten der Auflösung einen großen Winkelbereich ab, während die Planetenkamera (PC) Bilder mit einer längeren effektiven Brennweite als die WF-Chips aufnahm und damit eine höhere Vergrößerung erzielte. ⓘ

Der Goddard High Resolution Spectrograph (GHRS) war ein Spektrograf, der für den Betrieb im Ultravioletten konzipiert war. Er wurde vom Goddard Space Flight Center gebaut und konnte eine spektrale Auflösung von 90.000 erreichen. Ebenfalls für Ultraviolettbeobachtungen optimiert waren das FOC und das FOS, die die höchste räumliche Auflösung aller Hubble-Instrumente erreichen konnten. Diese drei Instrumente verwendeten keine CCDs, sondern photonenzählende Digicons als Detektoren. Das FOC wurde von der ESA gebaut, während die University of California, San Diego, und die Martin Marietta Corporation das FOS konstruierten. ⓘ

Das letzte Instrument war das HSP, das an der Universität von Wisconsin-Madison entwickelt und gebaut wurde. Es wurde für die Beobachtung von veränderlichen Sternen und anderen astronomischen Objekten mit unterschiedlichen Helligkeiten im sichtbaren und ultravioletten Bereich optimiert. Es konnte bis zu 100.000 Messungen pro Sekunde mit einer photometrischen Genauigkeit von etwa 2 % oder besser durchführen. ⓘ

Das Leitsystem des HST kann auch als wissenschaftliches Instrument eingesetzt werden. Seine drei Feinsteuerungssensoren (Fine Guidance Sensors, FGS) dienen in erster Linie dazu, das Teleskop während einer Beobachtung genau auszurichten, können aber auch zur Durchführung extrem genauer Astrometrie verwendet werden; es wurden bereits Messungen mit einer Genauigkeit von 0,0003 Bogensekunden erzielt. ⓘ

Unterstützung am Boden

Hubble-Kontrollzentrum im Goddard Space Flight Center, 1999 ⓘ

Das Space Telescope Science Institute (STScI) ist für den wissenschaftlichen Betrieb des Teleskops und die Bereitstellung von Datenprodukten für die Astronomen verantwortlich. Das STScI wird von der Association of Universities for Research in Astronomy (AURA) betrieben und befindet sich in Baltimore, Maryland, auf dem Homewood-Campus der Johns Hopkins University, einer der 39 US-Universitäten und sieben internationalen Tochtergesellschaften, die das AURA-Konsortium bilden. STScI wurde 1981 nach einer Art Machtkampf zwischen der NASA und der wissenschaftlichen Gemeinschaft im Allgemeinen gegründet. Die NASA wollte diese Funktion intern behalten, aber die Wissenschaftler wollten, dass sie in einer akademischen Einrichtung angesiedelt wird. Die 1984 in Garching bei München gegründete Space Telescope European Coordinating Facility (ST-ECF) bot den europäischen Astronomen eine ähnliche Unterstützung, bis diese Aktivitäten 2011 in das Europäische Zentrum für Weltraumastronomie verlegt wurden. ⓘ

Eine recht komplexe Aufgabe, die dem STScI zufällt, ist die Planung von Beobachtungen für das Teleskop. Hubble befindet sich in einer erdnahen Umlaufbahn, um Wartungsmissionen zu ermöglichen, was jedoch bedeutet, dass die meisten astronomischen Ziele für etwas weniger als die Hälfte jeder Umlaufbahn von der Erde verdeckt werden. Beobachtungen können nicht stattfinden, wenn das Teleskop die Südatlantische Anomalie durchquert, da die Strahlungswerte zu hoch sind. Außerdem gibt es große Sperrzonen um die Sonne (die Beobachtungen von Merkur ausschließt), den Mond und die Erde. Der Sonnenvermeidungswinkel beträgt etwa 50°, um zu verhindern, dass Sonnenlicht irgendeinen Teil des OTA beleuchtet. Die Vermeidung von Erde und Mond hält helles Licht von den FGS fern und verhindert, dass Streulicht in die Instrumente gelangt. Wenn die FGS ausgeschaltet sind, können Mond und Erde beobachtet werden. Erdbeobachtungen wurden schon sehr früh im Programm verwendet, um flache Felder für das WFPC1-Instrument zu erzeugen. Es gibt eine so genannte Continuous Viewing Zone (CVZ), die sich innerhalb von etwa 24° um Hubbles Orbitalpole befindet und in der Ziele nicht über längere Zeiträume verdeckt werden. ⓘ

Die niedrige Umlaufbahn von Hubble bedeutet, dass viele Ziele nur für etwas mehr als die Hälfte der verstrichenen Zeit eines Orbits sichtbar sind, da sie während fast der Hälfte jedes Orbits von der Erde verdeckt werden.

Animation der Umlaufbahn von Hubble vom 31. Oktober 2018 bis zum 25. Dezember 2018. Die Erde ist nicht dargestellt.

Aufgrund der Präzession der Umlaufbahn verschiebt sich die Position der CVZ langsam über einen Zeitraum von acht Wochen. Da sich der Erdrand immer in einem Abstand von etwa 30° zu den Regionen innerhalb der CVZ befindet, kann die Helligkeit des gestreuten Erdscheins während der CVZ-Beobachtungen über lange Zeiträume erhöht sein. Hubble umkreist die Erde in einer niedrigen Umlaufbahn in einer Höhe von etwa 540 Kilometern und einer Neigung von 28,5°. Die Position auf seiner Umlaufbahn ändert sich im Laufe der Zeit in einer Weise, die nicht genau vorhersehbar ist. Die Dichte der oberen Atmosphäre variiert in Abhängigkeit von vielen Faktoren, und das bedeutet, dass die für sechs Wochen vorhergesagte Position von Hubble um bis zu 4.000 km abweichen kann. Die Beobachtungspläne werden in der Regel nur wenige Tage im Voraus festgelegt, da bei einer längeren Vorlaufzeit die Möglichkeit besteht, dass das Ziel zu dem Zeitpunkt, an dem es beobachtet werden soll, nicht mehr zu sehen ist. Die technische Unterstützung für das HST wird von Mitarbeitern der NASA und von Vertragspartnern im Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, 48 km (30 Meilen) südlich des STScI geleistet. Der Betrieb von Hubble wird 24 Stunden am Tag von vier Teams von Flugkontrolleuren überwacht, die das Hubble Flight Operations Team bilden. ⓘ

Challenger-Katastrophe, Verzögerungen und späterer Start

STS-31 hebt ab und bringt Hubble in die Umlaufbahn ⓘ

Hubble wird 1990 von der Discovery abgesetzt ⓘ

Im Januar 1986 schien der geplante Starttermin für Hubble im Oktober realisierbar zu sein, aber die Challenger-Katastrophe brachte das US-Raumfahrtprogramm zum Stillstand, legte die Shuttle-Flotte still und zwang den Start um mehrere Jahre zu verschieben. Während dieser Verzögerung musste das Teleskop in einem Reinraum aufbewahrt, mit Strom versorgt und mit Stickstoff gespült werden, bis ein neuer Starttermin festgelegt werden konnte. Diese kostspielige Situation (etwa 6 Millionen US-Dollar pro Monat) trieb die Gesamtkosten des Projekts noch weiter in die Höhe. Die Verzögerung verschaffte den Ingenieuren jedoch Zeit, um umfangreiche Tests durchzuführen, eine möglicherweise störanfällige Batterie auszutauschen und andere Verbesserungen vorzunehmen. Darüber hinaus war die für die Steuerung von Hubble benötigte Bodensoftware 1986 noch nicht fertiggestellt und wurde erst zum Start 1990 fertiggestellt. Nach der Wiederaufnahme der Shuttle-Flüge startete das Space Shuttle Discovery am 24. April 1990 im Rahmen der Mission STS-31 erfolgreich zum Hubble. ⓘ

Zum Zeitpunkt des Starts hatte die NASA etwa 4,7 Milliarden US-Dollar (inflationsbereinigt 2010) für das Projekt ausgegeben. Die kumulativen Kosten von Hubble werden auf etwa 11,3 Milliarden US-Dollar im Jahr 2015 geschätzt, einschließlich aller späteren Wartungskosten, aber ohne den laufenden Betrieb. Damit ist Hubble die teuerste wissenschaftliche Mission in der Geschichte der NASA. ⓘ

Am 24. April 1990 um 12:33 UTC startete schließlich die Raumfähre Discovery mit dem Teleskop an Bord vom Startkomplex 39B des Kennedy Space Centers in Florida. Die Mission mit der Bezeichnung STS-31 verlief trotz der Rekordhöhe von 611 km reibungslos, das Teleskop wurde am nächsten Tag erfolgreich ausgesetzt und konnte planmäßig aktiviert werden. ⓘ

Liste der Hubble-Instrumente

Hubble beherbergt zu einem gegebenen Zeitpunkt fünf wissenschaftliche Instrumente sowie die Feinsteuerungssensoren, die hauptsächlich für die Ausrichtung des Teleskops, gelegentlich aber auch für wissenschaftliche Astrometriemessungen verwendet werden. Die frühen Instrumente wurden während der Shuttle-Wartungsmissionen durch modernere ersetzt. COSTAR war eher ein optisches Korrekturinstrument als ein wissenschaftliches Instrument, belegte aber einen der vier axialen Instrumentenschächte. ⓘ

Seit der letzten Wartungsmission im Jahr 2009 sind die vier aktiven Instrumente ACS, COS, STIS und WFC3. NICMOS befindet sich im Ruhezustand, könnte aber wiederbelebt werden, falls WFC3 in Zukunft ausfallen sollte.

• Fortgeschrittene Kamera für Durchmusterungen (ACS; 2002-heute)
• Cosmic Origins Spectrograph (COS; seit 2009)
• Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement (COSTAR; 1993-2009)
• Kamera für schwache Objekte (FOC; 1990-2002)
• Spektrograf für schwache Objekte (FOS; 1990-1997)
• Feinsteuerungssensor (FGS; 1990-heute)
• Goddard-Spektrograf mit hoher Auflösung (GHRS/HRS; 1990-1997)
• Hochgeschwindigkeits-Photometer (HSP; 1990-1993)
• Nahinfrarotkamera und Multi-Objekt-Spektrometer (NICMOS; 1997-heute, im Winterschlaf seit 2008)
• Abbildungsspektrograph des Weltraumteleskops (STIS; 1997-heute (nicht in Betrieb 2004-2009))
• Weitwinkel- und Planetenkamera (WFPC; 1990-1993)
• Weitwinkel- und Planetenkamera 2 (WFPC2; 1993-2009)
• Großfeldkamera 3 (WFC3; 2009-heute) ⓘ

Von den früheren Instrumenten sind drei (COSTAR, FOS und WFPC2) im Smithsonian National Air and Space Museum ausgestellt. Das FOC befindet sich im Dornier-Museum, Deutschland. Das HSP befindet sich im Space Place an der Universität von Wisconsin-Madison. Der erste WFPC wurde demontiert, und einige Komponenten wurden dann im WFC3 wiederverwendet. ⓘ

Defekter Spiegel

Ein Ausschnitt aus einem WF/PC-Bild zeigt, dass sich das Licht eines Sterns über ein weites Gebiet verteilt, anstatt auf einige wenige Pixel konzentriert zu sein. ⓘ

Schon wenige Wochen nach dem Start des Teleskops wiesen die zurückgesandten Bilder auf ein ernsthaftes Problem mit dem optischen System hin. Obwohl die ersten Bilder schärfer zu sein schienen als die von bodengebundenen Teleskopen, gelang es Hubble nicht, einen endgültigen scharfen Fokus zu erreichen, und die beste Bildqualität, die erreicht wurde, war drastisch niedriger als erwartet. Die Bilder von Punktquellen verteilten sich über einen Radius von mehr als einer Bogensekunde, anstatt eine Punktstreufunktion (PSF) zu haben, die sich auf einen Kreis mit einem Durchmesser von 0,1 Bogensekunden (485 nrad) konzentrierte, wie es in den Konstruktionskriterien vorgesehen war. ⓘ

Die Analyse der fehlerhaften Bilder ergab, dass der Hauptspiegel auf die falsche Form poliert worden war. Obwohl es sich um einen der präzisesten optischen Spiegel handelte, die je hergestellt wurden, mit einer Glätte von etwa 10 Nanometern, war der äußere Umfang um etwa 2200 Nanometer (etwa 1⁄450 mm oder 1⁄11000 Zoll) zu flach. Dieser Unterschied war katastrophal und führte zu einer schweren sphärischen Aberration, einem Fehler, bei dem Licht, das von der Kante eines Spiegels reflektiert wird, auf einen anderen Punkt fokussiert wird als das Licht, das von seinem Zentrum reflektiert wird. ⓘ

Die Auswirkung des Spiegelfehlers auf wissenschaftliche Beobachtungen hing von der jeweiligen Beobachtung ab - der Kern der aberrierten PSF war scharf genug, um hochauflösende Beobachtungen heller Objekte zu ermöglichen, und die Spektroskopie von Punktquellen wurde nur durch einen Empfindlichkeitsverlust beeinträchtigt. Der Lichtverlust durch den großen, unscharfen Halo schränkte jedoch den Nutzen des Teleskops für schwache Objekte oder kontrastreiche Bilder stark ein. Dies bedeutete, dass fast alle kosmologischen Programme im Wesentlichen unmöglich waren, da sie die Beobachtung außergewöhnlich schwacher Objekte erforderten. Dies veranlasste Politiker, die Kompetenz der NASA in Frage zu stellen, Wissenschaftler, sich über die Kosten zu ärgern, die in produktivere Projekte hätten investiert werden können, und Komiker, Witze über die NASA und das Teleskop zu machen. In der Komödie Die nackte Kanone 2½ von 1991: The Smell of Fear wird Hubble in einer Szene, in der historische Katastrophen gezeigt werden, zusammen mit der RMS Titanic und LZ 129 Hindenburg gezeigt. Dennoch hat das Teleskop in den ersten drei Jahren der Hubble-Mission, also vor den optischen Korrekturen, eine große Anzahl produktiver Beobachtungen von weniger anspruchsvollen Zielen durchgeführt. Der Fehler war gut charakterisiert und stabil, was es den Astronomen ermöglichte, den defekten Spiegel durch ausgefeilte Bildverarbeitungstechniken wie die Dekonvolution teilweise zu kompensieren. ⓘ

Ursprung des Problems

Optische Entwicklung des primären Kamerasystems von Hubble. Diese Bilder zeigen die Spiralgalaxie M100, wie sie mit WFPC1 im Jahr 1993 vor der Korrekturoptik (links), mit WFPC2 im Jahr 1994 nach der Korrektur (Mitte) und mit WFC3 im Jahr 2018 (rechts) aufgenommen wurde. ⓘ

Eine Kommission unter der Leitung von Lew Allen, Direktor des Jet Propulsion Laboratory, wurde eingesetzt, um herauszufinden, wie der Fehler entstanden sein könnte. Die Allen-Kommission stellte fest, dass ein Reflektions-Null-Korrektor, eine Prüfvorrichtung, die zur Erzielung eines korrekt geformten nicht sphärischen Spiegels verwendet wird, falsch zusammengebaut worden war - eine Linse war um 1,3 mm verschoben. Während des anfänglichen Schleifens und Polierens des Spiegels analysierte Perkin-Elmer seine Oberfläche mit zwei herkömmlichen Brechungsnullkorrektoren. Für den abschließenden Fertigungsschritt (Bezifferung) wurde jedoch auf den speziell angefertigten Reflexions-Nullkorrektor umgestellt, der ausdrücklich für die Einhaltung sehr strenger Toleranzen entwickelt wurde. Die fehlerhafte Montage dieses Geräts führte dazu, dass der Spiegel zwar sehr genau, aber in der falschen Form geschliffen wurde. Bei einigen abschließenden Tests mit den herkömmlichen Nullkorrektoren wurde die sphärische Aberration korrekt angezeigt. Diese Ergebnisse wurden jedoch nicht berücksichtigt, da man der Meinung war, dass der spiegelnde Nullkorrektor genauer sei, und so die Gelegenheit verpasste, den Fehler zu erkennen. ⓘ

Die Kommission machte in erster Linie Perkin-Elmer für die Versäumnisse verantwortlich. Die Beziehungen zwischen der NASA und dem Optikunternehmen waren während des Baus des Teleskops wegen häufiger Termin- und Kostenüberschreitungen sehr angespannt gewesen. Die NASA stellte fest, dass Perkin-Elmer den Bau des Spiegels nicht angemessen überprüfte oder überwachte, nicht seine besten Optikwissenschaftler für das Projekt abstellte (wie es beim Prototyp der Fall war) und insbesondere die Optikdesigner nicht in den Bau und die Überprüfung des Spiegels einbezogen hatte. Während die Kommission Perkin-Elmer für diese Managementfehler heftig kritisierte, wurde die NASA auch dafür kritisiert, dass sie die Mängel bei der Qualitätskontrolle nicht erkannt hatte, wie z. B. die Tatsache, dass sie sich vollständig auf die Testergebnisse eines einzigen Instruments verließ. ⓘ

Entwurf einer Lösung

Viele befürchteten, dass Hubble aufgegeben werden würde. Das Design des Teleskops sah schon immer Wartungsmissionen vor, und die Astronomen begannen sofort, nach möglichen Lösungen für das Problem zu suchen, die bei der ersten für 1993 geplanten Wartungsmission angewendet werden könnten. Kodak hatte zwar einen Ersatzspiegel für Hubble hergestellt, doch wäre es unmöglich gewesen, den Spiegel in der Umlaufbahn auszutauschen, und es wäre zu teuer und zeitaufwändig gewesen, das Teleskop für eine Überholung zur Erde zurückzubringen. Stattdessen führte die Tatsache, dass der Spiegel so präzise auf die falsche Form geschliffen worden war, zur Entwicklung neuer optischer Komponenten mit genau demselben Fehler, aber in umgekehrter Richtung, die bei der Wartung des Teleskops eingebaut werden sollten und sozusagen als "Brille" zur Korrektur der sphärischen Aberration fungierten. ⓘ

Der erste Schritt war eine genaue Charakterisierung des Fehlers im Hauptspiegel. Ausgehend von Bildern von Punktquellen stellten die Astronomen fest, dass die Konuskonstante des Spiegels im Originalzustand -1,01390±0,0002 betrug, statt der vorgesehenen -1,00230. Die gleiche Zahl ergab sich auch aus der Analyse des Nullkorrektors, den Perkin-Elmer für die Berechnung des Spiegels verwendet hatte, sowie aus der Analyse von Interferogrammen, die bei Bodentests des Spiegels gewonnen wurden. ⓘ

COSTAR wird im Jahr 2009 entfernt ⓘ

Aufgrund der Art und Weise, wie die Instrumente des HST konstruiert wurden, waren zwei verschiedene Sätze von Korrektoren erforderlich. Das Design der Weitwinkel- und Planetenkamera 2, die bereits als Ersatz für die bestehende WF/PC geplant war, sah Relaisspiegel vor, um das Licht auf die vier separaten CCD-Chips zu lenken, aus denen die beiden Kameras bestehen. Ein in ihre Oberflächen eingebauter inverser Fehler konnte die Aberration der Primärkamera vollständig ausgleichen. Die anderen Instrumente verfügten jedoch über keine Zwischenflächen, die auf diese Weise konfiguriert werden konnten, und benötigten daher eine externe Korrekturvorrichtung. ⓘ

Das Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement (COSTAR) System wurde entwickelt, um die sphärische Aberration für das am FOC, FOS und GHRS fokussierte Licht zu korrigieren. Es besteht aus zwei Spiegeln im Lichtweg und einem geschliffenen Spiegel zur Korrektur der Aberration. Um das COSTAR-System in das Teleskop einzubauen, musste eines der anderen Instrumente entfernt werden, und die Astronomen entschieden sich für das High Speed Photometer, das dafür geopfert werden sollte. Im Jahr 2002 waren alle ursprünglichen Instrumente, die COSTAR benötigten, durch Instrumente mit eigener Korrekturoptik ersetzt worden. COSTAR wurde abgebaut und 2009 zur Erde zurückgebracht, wo es im National Air and Space Museum in Washington, D.C., ausgestellt ist. Der Bereich, der zuvor von COSTAR genutzt wurde, wird nun vom Cosmic Origins Spectrograph belegt. ⓘ

Wartungsmissionen und neue Instrumente

Überblick über die Wartungsarbeiten

Hubble wurde so konzipiert, dass es während seines Aufenthalts in der Umlaufbahn regelmäßig gewartet und aufgerüstet werden kann. Instrumente und Geräte mit begrenzter Lebensdauer wurden als Ersatzeinheiten für den Orbit konzipiert. Fünf Wartungsmissionen (SM 1, 2, 3A, 3B und 4) wurden von NASA Space Shuttles geflogen, die erste im Dezember 1993 und die letzte im Mai 2009. Die Wartungsmissionen waren heikle Operationen, die mit dem Abfangen des Teleskops in der Umlaufbahn und dem vorsichtigen Einholen des Teleskops mit dem mechanischen Arm des Shuttles begannen. Die notwendigen Arbeiten wurden dann in mehreren gefesselten Weltraumspaziergängen über einen Zeitraum von vier bis fünf Tagen durchgeführt. Nach einer visuellen Inspektion des Teleskops führten die Astronauten Reparaturen durch, ersetzten defekte oder beschädigte Komponenten, verbesserten die Ausrüstung und installierten neue Instrumente. Nach Abschluss der Arbeiten wurde das Teleskop wieder ausgesetzt, in der Regel nachdem es auf eine höhere Umlaufbahn gebracht wurde, um den durch den atmosphärischen Luftwiderstand verursachten Orbitalverfall auszugleichen. ⓘ

Wartung der Mission 1

Die Astronauten Musgrave und Hoffman installieren die Korrekturoptik während SM1 ⓘ

Die erste Hubble-Wartungsmission war für 1993 geplant, bevor das Spiegelproblem entdeckt wurde. Sie gewann an Bedeutung, da die Astronauten umfangreiche Arbeiten durchführen mussten, um eine Korrekturoptik zu installieren; ein Misserfolg hätte dazu geführt, dass Hubble entweder aufgegeben oder seine dauerhafte Behinderung in Kauf genommen worden wäre. Andere Komponenten fielen vor der Mission aus, so dass die Reparaturkosten auf 500 Millionen Dollar anstiegen (ohne die Kosten für den Shuttle-Flug). Eine erfolgreiche Reparatur würde dazu beitragen, die Durchführbarkeit des Baus der Raumstation Alpha zu beweisen. ⓘ

STS-49 im Jahr 1992 zeigte, wie schwierig die Arbeit im Weltraum ist. Die Rettung von Intelsat 603 wurde zwar gelobt, aber die Astronauten waren dabei möglicherweise leichtsinnige Risiken eingegangen. Weder die Rettung noch die damit nicht zusammenhängende Montage von Prototypkomponenten der Raumstation verliefen so, wie die Astronauten es trainiert hatten, was die NASA veranlasste, Planung und Training zu überdenken, auch für die Hubble-Reparatur. Die Agentur wies der Mission Story Musgrave - der seit 1976 an Reparaturverfahren für Satelliten gearbeitet hatte - und sechs weitere erfahrene Astronauten zu, darunter zwei von STS-49. Der erste Missionsleiter seit Projekt Apollo sollte eine Besatzung koordinieren, die bereits 16 Shuttle-Flüge absolviert hatte. Die Astronauten wurden im Umgang mit etwa hundert Spezialwerkzeugen geschult. ⓘ

Bei früheren Weltraumspaziergängen, die im Sonnenlicht stattfanden, war die Hitze das Problem gewesen. Hubble musste außerhalb des Sonnenlichts repariert werden. Musgrave entdeckte während des Vakuumtrainings, sieben Monate vor der Mission, dass die Handschuhe des Raumanzugs nicht ausreichend gegen die Kälte des Weltraums schützten. Nachdem STS-57 das Problem in der Umlaufbahn bestätigt hatte, änderte die NASA rasch die Ausrüstung, die Verfahren und den Flugplan. Vor dem Start wurden insgesamt sieben Missionssimulationen durchgeführt - die gründlichste Vorbereitung in der Geschichte des Shuttles. Da es kein vollständiges Hubble-Modell gab, studierten die Astronauten viele verschiedene Modelle (darunter auch eines im Smithsonian) und kombinierten deren unterschiedliche und widersprüchliche Details mental. ⓘ

Die Servicemission 1 fand im Dezember 1993 an Bord der Endeavour statt und umfasste die Installation mehrerer Instrumente und anderer Ausrüstungsgegenstände über zehn Tage. Vor allem wurde das Hochgeschwindigkeits-Photometer durch das COSTAR-Korrekturoptik-Paket ersetzt, und die WF/PC wurde durch die Wide Field and Planetary Camera 2 (WFPC2) mit einem internen optischen Korrektursystem ersetzt. Außerdem wurden die Solargeneratoren und ihre Antriebselektronik, vier Gyroskope im Ausrichtungssystem des Teleskops, zwei elektrische Steuereinheiten und andere elektrische Komponenten sowie zwei Magnetometer ersetzt. Die Bordcomputer wurden mit zusätzlichen Koprozessoren aufgerüstet, und die Umlaufbahn von Hubble wurde erhöht. ⓘ

Am 13. Januar 1994 erklärte die NASA die Mission für einen vollen Erfolg und zeigte die ersten schärferen Bilder. Die Mission war eine der komplexesten, die bis zu diesem Zeitpunkt durchgeführt worden waren, und umfasste fünf lange Außenbordeinsätze. Der Erfolg war sowohl für die NASA als auch für die Astronomen, die nun über ein leistungsfähigeres Weltraumteleskop verfügten, ein Segen. ⓘ

Wartungsmission 2

Zwei Astronauten inspizieren die Isolierung von Bucht 10. ⓘ

• Missionsnummer: STS-82
• Zeitraum: 11. Februar 1997 (08:55 UTC) bis 21. Februar (08:32 UTC)
• Anzahl EVAs: 5
• EVA-Gesamtzeit: 33,2 Stunden

Primäres Ziel der zweiten Servicemission war der Austausch zweier Sensoren. Zum einen wurde der Goddard High Resolution Spectrograph durch den Space Telescope Imaging Spectrograph ersetzt, zum anderen wurde der Faint Object Spectrograph für den Einbau des Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer ausgebaut. Hierdurch konnte das Auflösungsvermögen und die spektrale Genauigkeit massiv erhöht werden und es war erstmals möglich, Beobachtungen im infraroten Bereich durchzuführen. ⓘ

Auch an den technischen Systemen wurden umfangreiche Modernisierungs- und Wartungsarbeiten durchgeführt. Im Bereich der Lageregelung wurde ein Fine Guidance Sensor durch ein neu zertifiziertes und kalibriertes Modell ersetzt, das OCE-EK-System zur besseren Bewahrung der Ausrichtungsgenauigkeit nachgerüstet und eine der vier Reaction Wheel Assemblies ausgetauscht. Darüber hinaus wurden zwei der drei Bandspeichersysteme gewartet, das dritte ist durch einen deutlich leistungsfähigeren Solid State Recorder ersetzt worden. Des Weiteren wurde eine Data Interface Unit und das Ausrichtungssystem für einen der beiden Solarflügel ausgewechselt. Schlussendlich reparierte man außerplanmäßig beim letzten Außenbordeinsatz die Isolierung des Teleskops, nachdem man zuvor erhebliche Schäden festgestellt hatte. Hierbei wurde auf Reservematerialien zurückgegriffen, die eigentlich für eine eventuelle Reparatur der Solarflügel vorgesehen waren. ⓘ

Hubble von der Discovery aus gesehen während seiner zweiten Wartungsmission ⓘ

Instandhaltungsmission 3A

Die Wartungsmission 3A, die von der Discovery geflogen wurde, fand im Dezember 1999 statt und war eine Abspaltung von der Wartungsmission 3, nachdem drei der sechs Gyroskope an Bord ausgefallen waren. Das vierte fiel einige Wochen vor der Mission aus, so dass das Teleskop keine wissenschaftlichen Beobachtungen mehr durchführen konnte. Bei der Mission wurden alle sechs Gyroskope ausgetauscht, ein Feinsteuerungssensor und der Computer ersetzt, ein Voltage/Temperature Improvement Kit (VIK) installiert, um eine Überladung der Batterie zu verhindern, und Wärmeisolationsmatten ausgetauscht. ⓘ

Wartung der Mission 3B

Bei der Wartungsmission 3B, die von Columbia im März 2002 geflogen wurde, wurde ein neues Instrument installiert: Die FOC (die, abgesehen von den Fine Guidance Sensors, die für die Astrometrie verwendet werden, das letzte der ursprünglichen Instrumente war) wurde durch die Advanced Camera for Surveys (ACS) ersetzt. Dies bedeutete, dass COSTAR nicht mehr benötigt wurde, da alle neuen Instrumente über eine eingebaute Korrektur für die Hauptspiegelaberration verfügten. Im Rahmen der Mission wurde auch NICMOS durch den Einbau eines Kühlers mit geschlossenem Kreislauf wiederbelebt, und die Solaranlagen wurden zum zweiten Mal ausgetauscht, so dass 30 % mehr Leistung zur Verfügung stand. ⓘ

Instandhaltungsmission 4

Hubble während der Wartungsmission 4

Hubble nach der Freigabe ⓘ

Hubble sollte im Februar 2005 gewartet werden, doch die Columbia-Katastrophe im Jahr 2003, bei der der Orbiter beim Wiedereintritt in die Atmosphäre zerschellte, hatte weitreichende Auswirkungen auf das Hubble-Programm und andere NASA-Missionen. NASA-Administrator Sean O'Keefe entschied, dass alle künftigen Shuttle-Missionen in der Lage sein müssten, den sicheren Hafen der Internationalen Raumstation zu erreichen, falls während des Fluges Probleme auftreten sollten. Da keine Shuttles in der Lage waren, sowohl das HST als auch die Raumstation während derselben Mission zu erreichen, wurden künftige Missionen mit Besatzung abgesagt. Diese Entscheidung wurde von zahlreichen Astronomen kritisiert, die der Meinung waren, dass Hubble wertvoll genug sei, um das Risiko für Menschen zu rechtfertigen. Der 2004 geplante Nachfolger von Hubble, das James Webb Space Telescope (JWST), sollte frühestens 2011 starten. JWST wurde schließlich im Dezember 2021 gestartet. Eine Lücke in den Weltraumbeobachtungsfähigkeiten zwischen der Stilllegung von Hubble und der Inbetriebnahme eines Nachfolgers war für viele Astronomen angesichts der bedeutenden wissenschaftlichen Bedeutung von HST ein Grund zur Sorge. Die Überlegung, dass sich das JWST nicht in einer niedrigen Erdumlaufbahn befinden wird und daher im Falle eines frühzeitigen Ausfalls nicht einfach aufgerüstet oder repariert werden kann, verstärkte diese Bedenken noch. Andererseits befürchteten die NASA-Beamten, dass die weitere Wartung von Hubble Mittel aus anderen Programmen verbrauchen und das JWST verzögern würde. ⓘ

Im Januar 2004 erklärte O'Keefe, dass er seine Entscheidung, die letzte Wartungsmission für das HST abzusagen, aufgrund des öffentlichen Aufschreis und der Aufforderung des Kongresses an die NASA, nach einer Möglichkeit zur Rettung des HST zu suchen, überprüfen werde. Die National Academy of Sciences berief ein offizielles Gremium ein, das im Juli 2004 empfahl, dass das HST trotz der offensichtlichen Risiken erhalten werden sollte. Ihr Bericht forderte die NASA auf, "keine Maßnahmen zu ergreifen, die eine Space-Shuttle-Service-Mission für das Hubble-Weltraumteleskop ausschließen würden". Im August 2004 beauftragte O'Keefe das Goddard Space Flight Center mit der Ausarbeitung eines detaillierten Vorschlags für eine robotische Servicemission. Diese Pläne wurden später wieder verworfen, da die Robotermission als "nicht durchführbar" bezeichnet wurde. Ende 2004 veranstalteten mehrere Mitglieder des Kongresses unter der Leitung von Senatorin Barbara Mikulski öffentliche Anhörungen und kämpften mit großer öffentlicher Unterstützung (darunter Tausende von Briefen von Schulkindern aus den gesamten USA) dafür, dass die Bush-Regierung und die NASA die Entscheidung, die Pläne für eine Hubble-Rettungsmission fallen zu lassen, überdenken. ⓘ

Nickel-Wasserstoff-Batteriepack für Hubble ⓘ

Mit der Ernennung des neuen NASA-Administrators Michael D. Griffin im April 2005 änderte sich die Situation, da Griffin erklärte, er würde eine Wartungsmission mit Besatzung in Betracht ziehen. Kurz nach seiner Ernennung ermächtigte Griffin Goddard, mit den Vorbereitungen für einen Hubble-Wartungsflug mit Besatzung fortzufahren und sagte, er werde die endgültige Entscheidung nach den nächsten beiden Shuttle-Missionen treffen. Im Oktober 2006 gab Griffin endgültig grünes Licht, und die 11-tägige Atlantis-Mission wurde für Oktober 2008 angesetzt. Die Hauptdatenverarbeitungseinheit von Hubble fiel im September 2008 aus und stoppte alle Berichte über wissenschaftliche Daten, bis die Backup-Einheit am 25. Oktober 2008 in Betrieb genommen wurde. Da ein Ausfall der Backup-Einheit das HST hilflos machen würde, wurde die Servicemission verschoben, um einen Ersatz für die Haupteinheit zu finden. ⓘ

Die Wartungsmission 4 (SM4), die von Atlantis im Mai 2009 geflogen wurde, war die letzte geplante Shuttle-Mission für HST. SM4 installierte die Ersatz-Datenverarbeitungseinheit, reparierte die ACS- und STIS-Systeme, installierte verbesserte Nickel-Wasserstoff-Batterien und ersetzte andere Komponenten, einschließlich aller sechs Gyroskope. SM4 installierte auch zwei neue Beobachtungsinstrumente - die Wide Field Camera 3 (WFC3) und den Cosmic Origins Spectrograph (COS) - sowie das Soft Capture and Rendezvous System, das das künftige Rendezvous, die Einnahme und die sichere Entsorgung von Hubble entweder durch eine bemannte Mission oder einen Roboter ermöglichen wird. Mit Ausnahme des hochauflösenden Kanals des ACS, der nicht repariert werden konnte und deaktiviert wurde, war das Teleskop nach den Arbeiten im Rahmen von SM4 wieder voll funktionsfähig. ⓘ

Wichtige Projekte

Eines der berühmtesten Bilder von Hubble, Pillars of Creation, zeigt die Entstehung von Sternen im Adlernebel. ⓘ

Seit Beginn des Programms wurde eine Reihe von Forschungsprojekten durchgeführt, einige fast ausschließlich mit Hubble, andere in Zusammenarbeit mit Einrichtungen wie dem Chandra-Röntgenobservatorium und dem Very Large Telescope der ESO. Obwohl sich das Hubble-Observatorium dem Ende seiner Lebensdauer nähert, sind noch immer große Projekte für das Gerät geplant. Ein Beispiel ist das aktuelle (2022) ULLYSES-Projekt (Ultraviolet Legacy Library of Young Stars as Essential Standards), das drei Jahre lang eine Reihe junger Sterne mit hoher und niedriger Masse beobachten und Aufschluss über die Sternentstehung und -zusammensetzung geben wird. ⓘ

Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey

In einer Pressemitteilung vom August 2013 wurde CANDELS als "das größte Projekt in der Geschichte von Hubble" bezeichnet. Die Durchmusterung "zielt darauf ab, die galaktische Entwicklung im frühen Universum und die allerersten Keime kosmischer Strukturen weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall zu erforschen." Auf der CANDELS-Projektseite werden die Ziele der Durchmusterung wie folgt beschrieben:

Der Cosmic Assembly Near-IR Deep Extragalactic Legacy Survey wurde entwickelt, um das erste Drittel der galaktischen Entwicklung von z = 8 bis 1,5 durch tiefe Aufnahmen von mehr als 250.000 Galaxien mit WFC3/IR und ACS zu dokumentieren. Außerdem sollen die ersten SNe vom Typ Ia jenseits von z > 1,5 gefunden und ihre Genauigkeit als Standardkerzen für die Kosmologie etabliert werden. Fünf erstklassige Multi-Wellenlängen-Himmelsregionen wurden ausgewählt; jede verfügt über Multi-Wellenlängen-Daten von Spitzer und anderen Einrichtungen sowie über umfangreiche Spektroskopie der helleren Galaxien. Die Verwendung von fünf weit voneinander entfernten Feldern mildert die kosmische Varianz und liefert statistisch robuste und vollständige Stichproben von Galaxien bis hinunter zu 10⁹ Sonnenmassen bis zu z ~ 8. ⓘ

Programm Frontier Fields

Das Frontier-Fields-Programm untersuchte MACS0416.1-2403. ⓘ

Das Programm, das offiziell den Namen "Hubble Deep Fields Initiative 2012" trägt, soll das Wissen über die frühe Galaxienentstehung erweitern, indem es hochverschiebte Galaxien in leeren Feldern mit Hilfe von Gravitationslinsen untersucht, um die "schwächsten Galaxien im fernen Universum" zu sehen. Auf der Frontier Fields-Webseite werden die Ziele des Programms wie folgt beschrieben:

• Entdeckung bisher unzugänglicher Populationen von z = 5-10 Galaxien, die zehn- bis fünfzigmal schwächer sind als alle bisher bekannten
• unser Verständnis der Sternmassen und der Sternentstehungsgeschichte von sub-L*-Galaxien zu den frühesten Zeiten zu festigen
• die erste statistisch aussagekräftige morphologische Charakterisierung von sternbildenden Galaxien bei z > 5 zu liefern
• z > 8 Galaxien zu finden, die durch Haufenlinsen ausreichend gestreckt sind, um eine innere Struktur zu erkennen, und/oder die durch Haufenlinsen ausreichend vergrößert sind, um spektroskopisch verfolgt zu werden. ⓘ

Durchmusterung der kosmischen Entwicklung (COSMOS)

Die Cosmic Evolution Survey (COSMOS) ist eine astronomische Durchmusterung, mit der die Entstehung und Entwicklung von Galaxien in Abhängigkeit von der kosmischen Zeit (Rotverschiebung) und der lokalen Galaxienumgebung untersucht werden soll. Die Durchmusterung deckt ein zwei Quadratgrad großes äquatoriales Feld ab, das von den meisten großen weltraumgestützten Teleskopen und einer Reihe großer bodengestützter Teleskope mit Spektroskopie und Röntgen- und Radiobildgebung erfasst wird und somit eine Schlüsselregion der extragalaktischen Astrophysik darstellt. COSMOS wurde 2006 als größtes Projekt des Hubble-Weltraumteleskops gestartet und ist immer noch das größte zusammenhängende Himmelsgebiet, das zum Zweck der Kartierung des tiefen Weltraums in leeren Feldern abgedeckt wird. Es ist 2,5 Mal so groß wie die Fläche des Mondes am Himmel und 17 Mal größer als die größte der CANDELS-Regionen. Die wissenschaftliche COSMOS-Kollaboration, die aus der ursprünglichen COSMOS-Durchmusterung hervorgegangen ist, ist die größte und am längsten bestehende extragalaktische Kollaboration und bekannt für ihre Kollegialität und Offenheit. Die Untersuchung von Galaxien in ihrer Umgebung kann nur mit großen Himmelsbereichen, die größer als ein halbes Quadratgrad sind, durchgeführt werden. Mehr als zwei Millionen Galaxien wurden entdeckt, die 90 % des Alters des Universums abdecken. An der COSMOS-Kollaboration, die von Caitlin Casey, Jeyhan Kartaltepe und Vernesa Smolcic geleitet wird, sind mehr als 200 Wissenschaftler aus einem Dutzend Ländern beteiligt. ⓘ

Öffentliche Nutzung

Prozess des Vorschlags

Sternhaufen Pismis 24 mit Nebel ⓘ

Jeder kann sich um Zeit am Teleskop bewerben; es gibt keine Einschränkungen hinsichtlich der Nationalität oder der akademischen Zugehörigkeit, aber die Finanzierung der Analyse ist nur für amerikanische Einrichtungen möglich. Der Wettbewerb um Zeit am Teleskop ist sehr intensiv, etwa ein Fünftel der in jedem Zyklus eingereichten Vorschläge erhält Zeit auf dem Zeitplan. ⓘ

Die Aufforderungen zur Einreichung von Vorschlägen werden etwa jährlich veröffentlicht, wobei die Zeit für einen Zyklus von etwa einem Jahr zugewiesen wird. Die Vorschläge werden in mehrere Kategorien eingeteilt; am häufigsten werden Vorschläge für "allgemeine Beobachter" eingereicht, die Routinebeobachtungen abdecken. "Schnappschuss-Beobachtungen" sind solche, bei denen die Ziele nur 45 Minuten oder weniger Teleskopzeit erfordern, einschließlich der Gemeinkosten, z. B. für die Akquisition des Ziels. Schnappschuss-Beobachtungen werden eingesetzt, um Lücken im Teleskopplan zu füllen, die nicht durch reguläre Programme für allgemeine Beobachter gefüllt werden können. ⓘ

Astronomen können "Target of Opportunity"-Vorschläge machen, bei denen Beobachtungen geplant werden, wenn ein vorübergehendes Ereignis, auf das sich der Vorschlag bezieht, während des Planungszyklus eintritt. Darüber hinaus werden bis zu 10 % der Teleskopzeit als "director's discretionary" (DD) Zeit bezeichnet. Astronomen können die Nutzung der DD-Zeit zu jeder Zeit des Jahres beantragen, und sie wird in der Regel für die Untersuchung unerwarteter vorübergehender Phänomene wie Supernovae gewährt. ⓘ

Andere Nutzungen der DD-Zeit waren die Beobachtungen, die zu Ansichten des Hubble Deep Field und des Hubble Ultra Deep Field führten, und in den ersten vier Zyklen der Teleskopzeit Beobachtungen, die von Amateurastronomen durchgeführt wurden. ⓘ

Im Jahr 2012 veranstaltete die ESA einen Wettbewerb für die öffentliche Bildverarbeitung von Hubble-Daten, um die Entdeckung von "verborgenen Schätzen" in den Hubble-Rohdaten zu fördern. ⓘ

Nutzung durch Amateurastronomen

Das HST ist manchmal vom Boden aus sichtbar, wie in dieser 39-Sekunden-Aufnahme, wenn es sich im Orion befindet. Maximale Helligkeit etwa bei Helligkeit 1. ⓘ

Der erste Direktor des STScI, Riccardo Giacconi, kündigte 1986 an, dass er beabsichtigte, einen Teil der ihm zur Verfügung stehenden Zeit für die Nutzung des Teleskops durch Amateurastronomen zu verwenden. Die insgesamt zur Verfügung stehende Zeit betrug nur wenige Stunden pro Zyklus, stieß aber auf großes Interesse bei den Amateurastronomen. ⓘ

Die Vorschläge für Amateurzeit wurden von einem Ausschuss von Amateurastronomen streng geprüft, und es wurden nur solche Vorschläge berücksichtigt, die einen echten wissenschaftlichen Wert hatten, die sich nicht mit den Vorschlägen von Fachleuten überschnitten und die die einzigartigen Möglichkeiten des Weltraumteleskops nutzten. Dreizehn Amateurastronomen erhielten Zeit am Teleskop und führten zwischen 1990 und 1997 Beobachtungen durch. Eine dieser Studien war "Transition Comets-UV Search for OH". Der erste Vorschlag, "A Hubble Space Telescope Study of Posteclipse Brightening and Albedo Changes on Io", wurde in der Zeitschrift Icarus veröffentlicht, die sich mit dem Sonnensystem beschäftigt. Eine zweite Studie einer anderen Gruppe von Amateuren wurde ebenfalls in Icarus veröffentlicht. Nach dieser Zeit machten jedoch Budgetkürzungen bei STScI die Unterstützung der Arbeit von Amateurastronomen unhaltbar, und es wurden keine weiteren Amateurprogramme mehr durchgeführt. ⓘ

Regelmäßige Hubble-Vorschläge enthalten immer noch Entdeckungen oder entdeckte Objekte von Amateuren und Bürgerwissenschaftlern. Diese Beobachtungen erfolgen oft in Zusammenarbeit mit professionellen Astronomen. Eine der frühesten Beobachtungen dieser Art ist der Große Weiße Fleck von 1990 auf dem Planeten Saturn, der von dem Amateurastronomen S. Wilber entdeckt und von HST unter einem Vorschlag von J. Westphal (Caltech) beobachtet wurde. Spätere Beobachtungen durch professionelle Amateure mit Hubble umfassen Entdeckungen des Galaxien-Zoo-Projekts wie die Galaxien Voorwerpjes und Green Pea. Das Programm "Gems of the Galaxies" (Edelsteine der Galaxien) basiert auf einer Liste von Objekten, die von Freiwilligen des Galaxienzoos erstellt und mit Hilfe einer Online-Abstimmung gekürzt wurde. Hinzu kommen Beobachtungen von Kleinplaneten, die von Amateurastronomen entdeckt wurden, wie 2I/Borisov und Veränderungen in der Atmosphäre der Gasriesen Jupiter und Saturn oder der Eisriesen Uranus und Neptun. In den Hinterhofwelten der Pro-Am-Kollaboration wurde das HST zur Beobachtung eines Objekts mit planetarischer Masse, WISE J0830+2837, eingesetzt. Die Nichtentdeckung durch das HST half bei der Klassifizierung dieses seltsamen Objekts. ⓘ

Wissenschaftliche Ergebnisse

Hubble Legacy Field (50-Sekunden-Video) ⓘ

Wichtige Projekte

In den frühen 1980er Jahren beriefen die NASA und das STScI vier Gremien ein, um Schlüsselprojekte zu diskutieren. Dabei handelte es sich um Projekte, die sowohl wissenschaftlich wichtig waren als auch einen erheblichen Zeitaufwand für das Teleskop erforderten, der jedem Projekt ausdrücklich gewidmet werden sollte. Damit war gewährleistet, dass diese Projekte frühzeitig abgeschlossen werden konnten, falls das Teleskop früher als erwartet ausfallen sollte. Die Gremien identifizierten drei solcher Projekte: 1) eine Studie des nahen intergalaktischen Mediums unter Verwendung von Quasar-Absorptionslinien, um die Eigenschaften des intergalaktischen Mediums und den Gasgehalt von Galaxien und Galaxiengruppen zu bestimmen; 2) eine Durchmusterung mit mittlerer Tiefe unter Verwendung der Weitwinkelkamera, um immer dann Daten zu erfassen, wenn eines der anderen Instrumente im Einsatz war, und 3) ein Projekt zur Bestimmung der Hubble-Konstante mit einer Genauigkeit von zehn Prozent durch Reduzierung der externen und internen Fehler bei der Kalibrierung der Entfernungsskala. ⓘ

Wichtige Entdeckungen

Hubble-Extrem-Tiefenfeld-Bild des Weltraums im Sternbild Fornax ⓘ

Hubble hat dazu beigetragen, einige seit langem bestehende Probleme in der Astronomie zu lösen, hat aber auch neue Fragen aufgeworfen. Einige Ergebnisse erforderten neue Theorien, um sie zu erklären. ⓘ

Alter und Ausdehnung des Universums

Eines der Hauptziele der Mission war es, die Entfernungen zu den veränderlichen Cepheid-Sternen genauer als je zuvor zu messen und so den Wert der Hubble-Konstante einzugrenzen, das Maß für die Expansionsrate des Universums, die auch mit seinem Alter zusammenhängt. Vor dem Start von HST wiesen die Schätzungen der Hubble-Konstante in der Regel Fehler von bis zu 50 % auf, doch die Hubble-Messungen der Cepheid-Veränderlichen im Virgo-Haufen und in anderen weit entfernten Galaxienhaufen ergaben einen Messwert mit einer Genauigkeit von ±10 %, was mit anderen, genaueren Messungen übereinstimmt, die seit dem Start von Hubble mit anderen Techniken durchgeführt wurden. Das geschätzte Alter liegt jetzt bei etwa 13,7 Milliarden Jahren, aber vor dem Hubble-Teleskop sagten Wissenschaftler ein Alter zwischen 10 und 20 Milliarden Jahren voraus. ⓘ

Hubble trug zwar dazu bei, die Schätzungen des Alters des Universums zu verfeinern, stellte aber auch Theorien über seine Zukunft auf den Kopf. Astronomen des High-z Supernova Search Team und des Supernova Cosmology Project beobachteten mit bodengebundenen Teleskopen und dem HST weit entfernte Supernovae und fanden Beweise dafür, dass sich die Expansion des Universums unter dem Einfluss der Schwerkraft nicht verlangsamt, sondern beschleunigt. Drei Mitglieder dieser beiden Gruppen wurden für ihre Entdeckung mit Nobelpreisen ausgezeichnet. Die Ursache dieser Beschleunigung ist nach wie vor unklar; der Begriff für die derzeit unbekannte Ursache lautet dunkle Energie, was bedeutet, dass sie für unsere derzeitigen wissenschaftlichen Instrumente dunkel (nicht direkt sichtbar und nachweisbar) ist. ⓘ

Eine Illustration eines Schwarzen Lochs ⓘ

Schwarze Löcher

Die hochauflösenden Spektren und Bilder des HST sind besonders gut geeignet, um das Vorhandensein von Schwarzen Löchern in den Zentren naher Galaxien nachzuweisen. Während in den frühen 1960er Jahren die Hypothese aufgestellt wurde, dass Schwarze Löcher in den Zentren einiger Galaxien zu finden sind, und Astronomen in den 1980er Jahren eine Reihe von guten Kandidaten für Schwarze Löcher identifizierten, zeigen die mit Hubble durchgeführten Arbeiten, dass Schwarze Löcher wahrscheinlich in den Zentren aller Galaxien zu finden sind. Die Hubble-Programme haben außerdem ergeben, dass die Massen der schwarzen Kernlöcher und die Eigenschaften der Galaxien eng miteinander verbunden sind. ⓘ

Erweiterung der Bilder im sichtbaren Wellenlängenbereich

Ein einzigartiges Fenster zum Universum, das durch Hubble ermöglicht wurde, sind die Hubble Deep Field-, Hubble Ultra-Deep Field- und Hubble Extreme Deep Field-Bilder, die Hubbles unübertroffene Empfindlichkeit bei sichtbaren Wellenlängen nutzten, um Bilder von kleinen Himmelsausschnitten zu erstellen, die die tiefsten sind, die jemals bei optischen Wellenlängen erhalten wurden. Die Bilder zeigen Galaxien, die Milliarden von Lichtjahren entfernt sind, und liefern damit Informationen über die Anfänge des Universums, was zu einer Fülle von wissenschaftlichen Veröffentlichungen geführt hat. Die Wide Field Camera 3 verbesserte die Sicht auf diese Felder im Infraroten und Ultravioletten und ermöglichte die Entdeckung einiger der am weitesten entfernten Objekte, die bisher entdeckt wurden, wie z. B. MACS0647-JD. ⓘ

Das Nicht-Standardobjekt SCP 06F6 wurde im Februar 2006 vom Hubble-Weltraumteleskop entdeckt. ⓘ

Am 3. März 2016 gaben Forscher, die Hubble-Daten nutzten, die Entdeckung der bisher am weitesten entfernten bestätigten Galaxie bekannt: GN-z11, die Hubble etwa 400 Millionen Jahre nach dem Urknall beobachtete. Die Hubble-Beobachtungen fanden am 11. Februar 2015 und am 3. April 2015 im Rahmen der CANDELS/GOODS-North-Durchmusterungen statt. ⓘ

Entdeckungen im Sonnensystem

Hubbles STIS-UV- und ACS-Sichtbares Licht kombiniert, um die südliche Aurora des Saturns zu entdecken ⓘ

Braune Flecken markieren die Einschlagstellen des Kometen Shoemaker-Levy 9 auf der südlichen Hemisphäre des Jupiters. Abgebildet von Hubble. ⓘ

Die Kollision des Kometen Shoemaker-Levy 9 mit dem Jupiter im Jahr 1994 kam für die Astronomen zu einem günstigen Zeitpunkt, denn sie erfolgte nur wenige Monate, nachdem die Wartungsmission 1 die optische Leistung von Hubble wiederhergestellt hatte. Die Hubble-Bilder des Planeten waren schärfer als alle, die seit dem Vorbeiflug von Voyager 2 im Jahr 1979 aufgenommen wurden, und waren entscheidend für die Untersuchung der Dynamik des Zusammenstoßes eines großen Kometen mit Jupiter, ein Ereignis, das vermutlich nur alle paar Jahrhunderte stattfindet. ⓘ

Im März 2015 gaben Forscher bekannt, dass Messungen von Polarlichtern um Ganymed, einen der Monde des Jupiters, gezeigt haben, dass es dort einen Ozean unter der Oberfläche gibt. Mithilfe von Hubble untersuchten die Forscher die Bewegung der Polarlichter und stellten fest, dass ein großer Salzwasserozean dazu beiträgt, die Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld des Jupiters und dem des Ganymeds zu unterdrücken. Der Ozean ist schätzungsweise 100 km tief und liegt unter einer 150 km dicken Eiskruste begraben. ⓘ

Das HST wurde auch zur Untersuchung von Objekten in den äußeren Bereichen des Sonnensystems eingesetzt, darunter die Zwergplaneten Pluto, Eris und Sedna. Im Juni und Juli 2012 entdeckten US-amerikanische Astronomen mit Hubble Styx, einen winzigen fünften Mond, der Pluto umkreist. ⓘ

Von Juni bis August 2015 wurde Hubble zur Suche nach einem Kuipergürtel-Objekt (KBO) für die New Horizons Kuiper Belt Extended Mission (KEM) eingesetzt, nachdem ähnliche Suchen mit Bodenteleskopen kein geeignetes Ziel gefunden hatten. Dies führte zur Entdeckung von mindestens fünf neuen KBOs, einschließlich des letztendlichen KEM-Ziels 486958 Arrokoth, an dem New Horizons am 1. Januar 2019 einen nahen Vorbeiflug unternahm. ⓘ

Im April 2022 gab die NASA bekannt, dass Astronomen anhand von HST-Bildern die Größe des Kerns des Kometen C/2014 UN271 (Bernardinelli-Bernstein) bestimmen konnten, der der größte Eiskometenkern ist, der jemals von Astronomen gesehen wurde. Der Kern von C/2014 UN271 hat eine geschätzte Masse von 50 Billionen Tonnen, was dem 50-fachen der Masse anderer bekannter Kometen in unserem Sonnensystem entspricht. ⓘ

Hubble- und ALMA-Aufnahme von MACS J1149.5+2223 ⓘ

Wiedererscheinung einer Supernova

Am 11. Dezember 2015 nahm Hubble ein Bild des ersten vorhergesagten Wiederauftauchens einer Supernova mit dem Namen "Refsdal" auf, das anhand verschiedener Massenmodelle eines Galaxienhaufens berechnet wurde, dessen Schwerkraft das Licht der Supernova verzerrt. Die Supernova wurde bereits im November 2014 hinter dem Galaxienhaufen MACS J1149.5+2223 im Rahmen des Hubble-Programms Frontier Fields beobachtet. Das Licht des Galaxienhaufens brauchte etwa fünf Milliarden Jahre, um die Erde zu erreichen, während das Licht der dahinter liegenden Supernova fünf Milliarden Jahre länger brauchte, gemessen an ihrer jeweiligen Rotverschiebung. Aufgrund der Gravitationswirkung des Galaxienhaufens erschienen vier Bilder der Supernova anstelle von einem, ein Beispiel für ein Einsteinkreuz. Auf der Grundlage früher Linsenmodelle wurde vorhergesagt, dass ein fünftes Bild bis Ende 2015 wieder auftauchen würde. Refsdal ist 2015 wie vorhergesagt wieder aufgetaucht. ⓘ

Masse und Größe der Milchstraße

Im März 2019 wurden Beobachtungen von Hubble und Daten des Gaia-Weltraumobservatoriums der Europäischen Weltraumorganisation kombiniert, um festzustellen, dass die Masse der Milchstraßengalaxie etwa das 1,5-Billionenfache der Masse der Sonne beträgt, ein Wert, der zwischen früheren Schätzungen liegt. ⓘ

Andere Entdeckungen

Zu den weiteren Entdeckungen, die mit Hubble-Daten gemacht wurden, gehören proto-planetarische Scheiben (proplyds) im Orionnebel, Beweise für das Vorhandensein extrasolarer Planeten um sonnenähnliche Sterne und die optischen Gegenstücke der immer noch rätselhaften Gammastrahlenausbrüche. Mithilfe von Gravitationslinsen beobachtete Hubble eine Galaxie mit der Bezeichnung MACS 2129-1 in etwa 10 Milliarden Lichtjahren Entfernung von der Erde. MACS 2129-1 widerlegte die Erwartungen an Galaxien, in denen keine neuen Sterne mehr entstehen - ein wichtiges Ergebnis für das Verständnis der Entstehung elliptischer Galaxien. ⓘ

Im Jahr 2022 entdeckte Hubble das Licht des am weitesten entfernten Einzelsterns, der je gesehen wurde. Der Stern, WHL0137-LS (Spitzname Earendel), entstand in den ersten Milliarden Jahren nach dem Urknall. Er wird vom James Webb Space Telescope der NASA beobachtet werden, um zu bestätigen, dass Earendel tatsächlich ein Stern ist. ⓘ

Auswirkungen auf die Astronomie

Entwicklung der Entdeckung des frühen Universums ⓘ

Ein Teil des Carina-Nebels mit dem WFC3 ⓘ

Viele objektive Messungen zeigen den positiven Einfluss der Hubble-Daten auf die Astronomie. Mehr als 15 000 Arbeiten, die auf Hubble-Daten basieren, wurden in von Experten begutachteten Fachzeitschriften veröffentlicht, und unzählige weitere sind in Konferenzberichten erschienen. Betrachtet man die Arbeiten mehrere Jahre nach ihrer Veröffentlichung, so wird etwa ein Drittel aller astronomischen Arbeiten nicht zitiert, während nur zwei Prozent der Arbeiten, die auf Hubble-Daten basieren, nicht zitiert werden. Im Durchschnitt erhält eine Arbeit, die auf Hubble-Daten basiert, etwa doppelt so viele Zitate wie Arbeiten, die auf Nicht-Hubble-Daten basieren. Von den 200 jährlich veröffentlichten Arbeiten, die am häufigsten zitiert werden, beruhen etwa 10 % auf Hubble-Daten. ⓘ

Obwohl das HST der astronomischen Forschung eindeutig geholfen hat, waren seine finanziellen Kosten hoch. Eine Studie über den relativen astronomischen Nutzen von Teleskopen unterschiedlicher Größe ergab, dass Veröffentlichungen, die auf HST-Daten beruhen, zwar 15-mal so viele Zitate wie ein bodengestütztes 4-m-Teleskop (z. B. das William Herschel Telescope) generieren, das HST aber etwa 100-mal so viel für Bau und Wartung kostet. ⓘ

Die Entscheidung zwischen dem Bau von bodengebundenen und weltraumgestützten Teleskopen ist komplex. Schon vor dem Start von Hubble konnten mit speziellen bodengestützten Techniken wie der Apertur-Maskierungs-Interferometrie optische und Infrarotbilder mit höherer Auflösung als mit Hubble gewonnen werden, allerdings nur für Ziele, die etwa 10⁸ Mal heller sind als die schwächsten von Hubble beobachteten Ziele. Seitdem haben Fortschritte in der adaptiven Optik die hochauflösenden Abbildungsmöglichkeiten bodengebundener Teleskope auf die Infrarotabbildung schwacher Objekte ausgeweitet. Die Nützlichkeit der adaptiven Optik im Vergleich zu HST-Beobachtungen hängt stark von den besonderen Details der Forschungsfragen ab. In den sichtbaren Spektralbereichen kann die adaptive Optik nur ein relativ kleines Sichtfeld korrigieren, während HST hochauflösende optische Aufnahmen über ein größeres Feld machen kann. Außerdem kann Hubble schwächere Objekte abbilden, da bodengebundene Teleskope durch den Hintergrund des von der Erdatmosphäre verursachten Streulichts beeinträchtigt werden. ⓘ

Auswirkungen auf die Raumfahrttechnik

Neben seinen wissenschaftlichen Ergebnissen hat Hubble auch bedeutende Beiträge zur Raumfahrttechnik geleistet, insbesondere zur Leistung von Systemen in einer niedrigen Erdumlaufbahn (LEO). Diese Erkenntnisse ergeben sich aus der langen Lebensdauer von Hubble in der Umlaufbahn, der umfangreichen Instrumentierung und der Rückführung von Baugruppen zur Erde, wo sie im Detail untersucht werden können. Insbesondere hat Hubble dazu beigetragen, das Verhalten von Graphitverbundstrukturen im Vakuum, die optische Verschmutzung durch Restgas und menschliche Wartung, Strahlungsschäden an Elektronik und Sensoren sowie das Langzeitverhalten von Mehrschichtisolierungen zu untersuchen. Eine Lektion, die wir gelernt haben, war, dass Kreisel, die unter Verwendung von unter Druck stehendem Sauerstoff für die Zufuhr von Suspensionsflüssigkeit zusammengebaut wurden, anfällig für Ausfälle aufgrund von Korrosion der elektrischen Drähte waren. Die Kreisel werden jetzt mit Stickstoff unter Druck montiert. Hubble sollte nur 15 Jahre halten, bevor der Spiegel unbrauchbar wurde, aber nach 14 Jahren gab es keine messbare Verschlechterung mehr. Schließlich haben die Hubble-Wartungsmissionen, insbesondere diejenigen, bei denen Komponenten gewartet wurden, die nicht für die Wartung im Weltraum ausgelegt sind, zur Entwicklung neuer Werkzeuge und Techniken für die Reparatur in der Umlaufbahn beigetragen. ⓘ

Hubble-Daten

Die Hubble-Präzisions-Sternentfernungsmessung wurde zehnmal weiter in die Milchstraße ausgedehnt. ⓘ

Übertragung zur Erde

Die Hubble-Daten wurden ursprünglich auf der Raumsonde gespeichert. Beim Start handelte es sich um altmodische Bandlaufwerke, die jedoch während der Wartungsmissionen 2 und 3A durch Festkörperdatenspeicher ersetzt wurden. Etwa zweimal täglich sendet das Hubble-Weltraumteleskop Daten per Funk an einen Satelliten des geosynchronen Tracking and Data Relay Satellite System (TDRSS), der die wissenschaftlichen Daten dann an eine der beiden 18 Meter (60 Fuß) großen Mikrowellenantennen in der White Sands Test Facility in White Sands, New Mexico, weiterleitet. Von dort werden sie an das Space Telescope Operations Control Center im Goddard Space Flight Center und schließlich zur Archivierung an das Space Telescope Science Institute weitergeleitet. Jede Woche überträgt das HST etwa 140 Gigabit an Daten. ⓘ

Farbbilder

Datenanalyse eines Spektrums, das die Chemie der verborgenen Wolken offenbart ⓘ

Alle Bilder von Hubble sind monochromatische Graustufenbilder, die durch eine Vielzahl von Filtern aufgenommen werden, von denen jeder bestimmte Wellenlängen des Lichts durchlässt, und die in jede Kamera integriert sind. Farbbilder werden durch die Kombination separater monochromer Bilder erstellt, die durch verschiedene Filter aufgenommen wurden. Dieser Prozess kann auch Falschfarbenversionen von Bildern erzeugen, die Infrarot- und Ultraviolettkanäle enthalten, wobei Infrarot typischerweise als tiefes Rot und Ultraviolett als tiefes Blau wiedergegeben wird. ⓘ

Archiv

Alle Hubble-Daten werden schließlich über das Mikulski-Archiv für Weltraumteleskope bei STScI, CADC und ESA/ESAC zur Verfügung gestellt. Die Daten sind in der Regel urheberrechtlich geschützt und stehen nur dem Principal Investigator (PI) und den von ihm benannten Astronomen für zwölf Monate nach der Aufnahme zur Verfügung. Der PI kann beim Direktor des STScI beantragen, dass die Schutzfrist unter bestimmten Umständen verlängert oder verkürzt wird. ⓘ

Beobachtungen, die in der "Director's Discretionary Time" gemacht werden, sind von der Schutzfrist ausgenommen und werden sofort veröffentlicht. Kalibrierungsdaten wie Flat Fields und Dark Frames sind ebenfalls sofort öffentlich zugänglich. Alle Daten im Archiv liegen im FITS-Format vor, das sich für astronomische Analysen eignet, aber nicht für die Öffentlichkeit bestimmt ist. Das Hubble Heritage Project verarbeitet eine kleine Auswahl der eindrucksvollsten Bilder in den Formaten JPEG und TIFF und stellt sie der Öffentlichkeit zur Verfügung. ⓘ

Pipeline-Reduktion

Astronomische Daten, die mit CCDs aufgenommen wurden, müssen mehrere Kalibrierungsschritte durchlaufen, bevor sie für die astronomische Analyse geeignet sind. Das STScI hat eine ausgeklügelte Software entwickelt, die Daten automatisch kalibriert, wenn sie aus dem Archiv angefordert werden, wobei die besten verfügbaren Kalibrierungsdateien verwendet werden. Diese "on-the-fly"-Verarbeitung bedeutet, dass es bei großen Datenanfragen einen Tag oder länger dauern kann, bis sie verarbeitet und zurückgeschickt werden. Der Prozess, bei dem die Daten automatisch kalibriert werden, wird als "Pipeline-Reduktion" bezeichnet und ist bei großen Observatorien zunehmend üblich. Astronomen können auf Wunsch die Kalibrierungsdateien selbst abrufen und die Pipeline-Reduktionssoftware lokal ausführen. Dies kann wünschenswert sein, wenn andere als die automatisch ausgewählten Kalibrierungsdateien verwendet werden sollen. ⓘ

Datenanalyse

Hubble-Daten können mit vielen verschiedenen Paketen analysiert werden. Das STScI unterhält die maßgeschneiderte Software Space Telescope Science Data Analysis System (STSDAS), die alle Programme enthält, die für die Pipeline-Reduktion von Rohdaten benötigt werden, sowie viele andere astronomische Bildverarbeitungsprogramme, die auf die Anforderungen von Hubble-Daten zugeschnitten sind. Die Software läuft als ein Modul von IRAF, einem beliebten astronomischen Datenreduktionsprogramm. ⓘ

Outreach-Aktivitäten

Im Jahr 2001 befragte die NASA Internetnutzer, was sie am liebsten mit Hubble beobachten würden; die überwältigende Mehrheit entschied sich für den Pferdekopfnebel. ⓘ

Modell im Maßstab 1:25 am Gerichtsgebäude in Marshfield, Missouri, einer Heimatstadt von Edwin Hubble ⓘ

Die NASA hielt es für wichtig, dass das Weltraumteleskop angesichts der beträchtlichen Beiträge der Steuerzahler zu seinen Bau- und Betriebskosten die Phantasie der Öffentlichkeit anregt. Nach den schwierigen Anfangsjahren, in denen der fehlerhafte Spiegel den Ruf von Hubble in der Öffentlichkeit stark beeinträchtigte, ermöglichte die erste Wartungsmission seine Rehabilitation, da die korrigierte Optik zahlreiche bemerkenswerte Bilder lieferte. ⓘ

Mehrere Initiativen haben dazu beigetragen, die Öffentlichkeit über die Hubble-Aktivitäten zu informieren. In den Vereinigten Staaten wird die Öffentlichkeitsarbeit vom Space Telescope Science Institute (STScI) Office for Public Outreach koordiniert, das im Jahr 2000 gegründet wurde, um sicherzustellen, dass die amerikanischen Steuerzahler die Vorteile ihrer Investition in das Weltraumteleskopprogramm erkennen. Zu diesem Zweck betreibt STScI die Website HubbleSite.org. Das Hubble Heritage Project, das vom STScI aus betrieben wird, stellt der Öffentlichkeit hochwertige Bilder der interessantesten und auffälligsten beobachteten Objekte zur Verfügung. Das Heritage-Team setzt sich aus Amateur- und Berufsastronomen sowie aus Personen mit einem Hintergrund außerhalb der Astronomie zusammen und betont den ästhetischen Charakter der Hubble-Bilder. Im Rahmen des Heritage-Projekts wird ein begrenzter Zeitraum für die Beobachtung von Objekten zur Verfügung gestellt, von denen aus wissenschaftlichen Gründen keine Bilder mit ausreichenden Wellenlängen für die Erstellung eines Vollfarbbildes vorliegen. ⓘ

Seit 1999 ist das Hubble European Space Agency Information Centre (HEIC) die führende Hubble-Informationsgruppe in Europa. Dieses Büro wurde in der Europäischen Koordinierungsstelle für Weltraumteleskope in München, Deutschland, eingerichtet. Die Aufgabe von HEIC ist es, HST-Aufklärungs- und Bildungsaufgaben für die Europäische Weltraumorganisation zu erfüllen. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Erstellung von Nachrichten und Fotoreportagen, die interessante Hubble-Ergebnisse und -Bilder vorstellen. Diese sind oft europäischen Ursprungs und erhöhen so das Bewusstsein für den Hubble-Anteil der ESA (15 %) und den Beitrag europäischer Wissenschaftler zum Observatorium. Die ESA produziert Lehrmaterial, darunter eine Videocast-Reihe namens Hubblecast, mit der die Öffentlichkeit über wissenschaftliche Neuigkeiten von Weltrang informiert werden soll. ⓘ

Das Hubble-Weltraumteleskop wurde 2001 und 2010 mit zwei Space Achievement Awards der Space Foundation für seine Outreach-Aktivitäten ausgezeichnet. ⓘ

Eine Nachbildung des Hubble-Weltraumteleskops steht auf dem Rasen des Gerichtsgebäudes in Marshfield, Missouri, der Heimatstadt des Namensgebers Edwin P. Hubble. ⓘ

Bilder der Feierlichkeiten

Eine Säule aus Gas und Staub im Carina-Nebel. Dieses Bild der Wide Field Camera 3 mit dem Namen Mystic Mountain wurde 2010 anlässlich des 20-jährigen Bestehens von Hubble im All veröffentlicht. ⓘ

Das Weltraumteleskop Hubble feierte am 24. April 2010 sein 20-jähriges Bestehen im All. Zu diesem Anlass veröffentlichten die NASA, die ESA und das Space Telescope Science Institute (STScI) ein Bild des Carina-Nebels. ⓘ

Anlässlich des 25-jährigen Bestehens von Hubble am 24. April 2015 veröffentlichte das STScI auf seiner Hubble 25-Website Bilder des Sternhaufens Westerlund 2, der sich in einer Entfernung von etwa 20.000 Lichtjahren (6.100 pc) im Sternbild Carina befindet. Die Europäische Weltraumorganisation hat auf ihrer Website eine eigene Seite zum 25-jährigen Jubiläum eingerichtet. Im April 2016 wurde anlässlich des 26. Geburtstags von Hubble ein spezielles Bild des Bubble Nebula veröffentlicht. ⓘ

Ausrüstungsausfälle

Rotationssensoren des Gyroskops

Das HST verwendet Gyroskope, um Drehungen zu erkennen und zu messen, damit es sich in der Umlaufbahn stabilisieren und astronomische Ziele genau und gleichmäßig anvisieren kann. Normalerweise sind drei Gyroskope für den Betrieb erforderlich. Beobachtungen sind auch mit zwei oder einem Gyroskop möglich, aber der Bereich des Himmels, der betrachtet werden kann, wäre etwas eingeschränkt, und Beobachtungen, die eine sehr genaue Ausrichtung erfordern, sind schwieriger. Im Jahr 2018 war geplant, in den Ein-Gyroskop-Modus zu wechseln, wenn weniger als drei funktionierende Gyroskope in Betrieb sind. Die Gyroskope sind Teil des Ausrichtungskontrollsystems, das fünf Arten von Sensoren (magnetische Sensoren, optische Sensoren und die Gyroskope) und zwei Arten von Aktuatoren (Reaktionsräder und magnetische Drehmomente) verwendet. ⓘ

Nach der Columbia-Katastrophe im Jahr 2003 war unklar, ob eine weitere Service-Mission möglich sein würde, und die Lebensdauer des Gyroskops wurde wieder zu einem Problem, so dass die Ingenieure eine neue Software für den Zwei-Gyroskop- und den Ein-Gyroskop-Modus entwickelten, um die potenzielle Lebensdauer zu maximieren. Die Entwicklung war erfolgreich, und im Jahr 2005 wurde beschlossen, für den regulären Betrieb des Teleskops auf den Zwei-Gyroskop-Modus umzustellen, um die Lebensdauer der Mission zu verlängern. Die Umstellung auf diesen Modus erfolgte im August 2005, so dass Hubble noch zwei Gyroskope im Einsatz, zwei als Reserve und zwei funktionsunfähig hatte. Ein weiteres Gyroskop fiel im Jahr 2007 aus. ⓘ

Zum Zeitpunkt der letzten Reparaturmission im Mai 2009, bei der alle sechs Gyroskope ausgetauscht wurden (zwei neue Paare und ein überholtes Paar), funktionierten nur noch drei. Die Ingenieure stellten fest, dass die Ausfälle der Gyroskope durch Korrosion der elektrischen Drähte verursacht wurden, die den Motor mit Strom versorgten, der durch die unter Sauerstoffdruck stehende Luft ausgelöst wurde, mit der die dicke Schwebeflüssigkeit zugeführt wurde. Die neuen Gyroskope wurden mit Stickstoff unter Druck montiert und sollten wesentlich zuverlässiger sein. Bei der Wartungsmission 2009 wurden alle sechs Gyroskope ausgetauscht, und nach fast zehn Jahren fielen nur drei Gyroskope aus, und das auch nur, nachdem sie die für die Konstruktion erwartete durchschnittliche Betriebszeit überschritten hatten. ⓘ

Von den sechs 2009 ausgetauschten Gyroskopen waren drei von der alten Bauart, die anfällig für Flex-Lead-Ausfälle ist, und drei von der neuen Bauart mit einer längeren erwarteten Lebensdauer. Das erste Kreiselgerät der alten Bauart fiel im März 2014 aus, das zweite im April 2018. Am 5. Oktober 2018 fiel das letzte Gyroskop der alten Bauart aus, und eines der Gyroskope der neuen Bauart wurde aus dem Standby-Modus hochgefahren. Dieses Reservekreiselgerät funktionierte jedoch nicht sofort innerhalb der Betriebsgrenzen, so dass das Observatorium in den "sicheren" Modus versetzt wurde, während Wissenschaftler versuchten, das Problem zu beheben. Die NASA twitterte am 22. Oktober 2018, dass sich die "vom Reservekreisel erzeugten Rotationsraten verringert haben und nun in einem normalen Bereich liegen. Zusätzliche Tests [werden] durchgeführt, um sicherzustellen, dass Hubble mit diesem Kreisel zum wissenschaftlichen Betrieb zurückkehren kann." ⓘ

Die Lösung, mit der das Ersatzgyroskop neuer Bauart wieder einsatzfähig gemacht wurde, wurde allgemein als "Aus- und Wiedereinschalten" bezeichnet. Es wurde ein "laufender Neustart" des Gyroskops durchgeführt, der jedoch keine Wirkung zeigte, und die endgültige Lösung des Problems war komplexer. Der Fehler wurde auf eine Inkonsistenz in der Flüssigkeit zurückgeführt, die den Schwimmer im Gyroskop umgibt (z. B. eine Luftblase). Am 18. Oktober 2018 leitete das Hubble-Betriebsteam die Sonde zu einer Reihe von Manövern an, bei denen die Sonde in entgegengesetzte Richtungen bewegt wurde, um die Unstimmigkeit zu beheben. Erst nach diesen Manövern und einer weiteren Reihe von Manövern am 19. Oktober funktionierte das Gyroskop wieder innerhalb seines normalen Bereichs. ⓘ

Hubble betrachtet das Fomalhaut-System. Dieses Falschfarbenbild wurde im Oktober 2004 und Juli 2006 mit der Advanced Camera for Surveys aufgenommen. ⓘ

Instrumente und Elektronik

Der Sensor des WFC-Kanals ⓘ

Dieses Instrument ist für die Beobachtung großer Raumgebiete im sichtbaren, ultravioletten und nahem infraroten Spektrum konstruiert worden. Dies ermöglicht generell ein weites Einsatzgebiet. Insbesondere sollen Galaxien untersucht werden, die bereits kurz nach dem Urknall entstanden sind und somit eine hohe Rotverschiebung aufweisen. Das Instrument wurde bei der Servicemission SM 3B installiert, wobei es die Faint Object Camera aus der Instrumentenbucht Nr. 3 verdrängte. Für Untersuchungen stehen drei verschiedene Subsysteme zur Verfügung: ein hochauflösender Kanal für Detailmessungen (High Resolution Channel, HRC), ein Kanal für Weitwinkelaufnahmen (Wide Field Channel, WFC) und ein spezieller Kanal für den ultravioletten Spektralbereich (Solar Blind Channel, SBC). Darüber hinaus sind 38 verschiedene Filter vorhanden, um gezielte Untersuchungen zu ermöglichen sowie eine spezielle Optik um den Hauptspiegelfehler ohne Hilfe von COSTAR zu korrigieren. Durch Elektronikausfälle im Juli 2006 und Januar 2007 waren der HRC- und der WRC-Kanal bis zur Servicemission SM 4 nicht einsatzfähig. Während der Wartung wurde nur der WRC-Kanal repariert, die Schäden am HRC-Kanal waren zu tiefgreifend, weshalb er nicht mehr benutzbar ist. ⓘ

Der WFC-Kanal verfügt über zwei rückwärtig belichtete CCD-Sensoren auf Silizium-Basis. Jeder besitzt 2048 × 4096 Pixel und ist im Bereich von 350–1100 nm empfindlich, wobei die Quantenausbeute bis 800 nm bei etwa 80 % liegt und anschließend gleichmäßig auf unter 5 % bei 1100 nm absinkt. Bei einer Pixelgröße von 225 µm² und einem Blickfeld von 202″ × 202″ erreicht der Kanal eine Auflösung von 0,05″/Pixel. Der hochauflösende HRC-Kanal weist demgegenüber ein wesentlich engeres Blickfeld von 29″ × 26″ auf und erreicht trotz eines kleineren CCD-Sensors mit 1024 × 1024 Pixeln eine etwa doppelt so hohe Auflösung von 0,027″/Pixel. Darüber hinaus weist er bereits ab 170 nm eine Quantenausbeute von etwa 35 % auf, die ab 400 nm auf bis zu 65 % ansteigt und wie beim WFC-Kanal ab etwa 700 nm kontinuierlich bis 1100 nm absinkt. Beide Sensoren sind sonst identisch aufgebaut und arbeiten bei einer Temperatur von −80 °C. Eine Besonderheit des HRC-Kanals ist die Fähigkeit zur Beobachtung von schwach leuchtenden Objekten in der Nähe von starken Lichtquellen. Hierzu wird eine spezielle Maske (Koronograf) in den Strahlengang eingeführt, so dass Licht von der hellen Quelle blockiert wird. Für Beobachtungen im ultravioletten Spektrum steht der SBC-Kanal zur Verfügung, der die optische Konstruktion des HRC-Kanals mitbenutzt. Bei dem Caesiumiodid-basierten Sensor handelt es sich um ein Reserve-Teil für das STIS-Instrument. Er besitzt 1024 × 1024 Pixel mit einer Größe von je 25 µm², die im Bereich von 115–170 nm eine Quantenausbeute von bis zu 20 % erreichen. Bei einem Blickfeld von 35″ × 31″ erreicht der Kanal so eine Auflösung von 0,032″/Pixel. ⓘ

Bei früheren Wartungsmissionen wurden alte Instrumente gegen neue ausgetauscht, um Ausfälle zu vermeiden und neue Arten von Wissenschaft zu ermöglichen. Ohne Wartungsmissionen werden alle Instrumente irgendwann ausfallen. Im August 2004 fiel das Stromversorgungssystem des abbildenden Spektrographen des Weltraumteleskops (Space Telescope Imaging Spectrograph, STIS) aus und machte das Instrument unbrauchbar. Die Elektronik war ursprünglich vollständig redundant ausgelegt, aber der erste Satz Elektronik fiel im Mai 2001 aus. Diese Stromversorgung wurde während der Wartungsmission 4 im Mai 2009 repariert. ⓘ

Am 8. Januar 2019 ging Hubble nach vermuteten Hardware-Problemen in seinem modernsten Instrument, der Wide Field Camera 3, in einen teilweisen Sicherheitsmodus über. Die NASA teilte später mit, dass die Ursache für den Sicherheitsmodus im Instrument die Erkennung von Spannungswerten außerhalb eines bestimmten Bereichs war. Am 15. Januar 2019 teilte die NASA mit, dass die Ursache für den Ausfall ein Softwareproblem war. Die technischen Daten in den Telemetriekreisen waren nicht genau. Darüber hinaus enthielten auch alle anderen Telemetriedaten innerhalb dieser Schaltkreise fehlerhafte Werte, was darauf hindeutet, dass es sich um ein Telemetrieproblem und nicht um ein Problem mit der Stromversorgung handelte. Nach dem Zurücksetzen der Telemetrieschaltkreise und der zugehörigen Platinen funktionierte das Gerät wieder. Am 17. Januar 2019 wurde das Gerät wieder in den Normalbetrieb versetzt, und noch am selben Tag führte es seine ersten wissenschaftlichen Beobachtungen durch. ⓘ

2021 Problem mit der Energiekontrolle

Nahaufnahme eines Solarmoduls nach der Servicemission SM 3B. Man beachte die Leiterbahnen für die Paneele. ⓘ

Die gesamte elektrische Energie für den Betrieb des Teleskops wird von zwei flügelartigen, von der ESA entwickelten und gebauten Solarmodulen erzeugt. Die ursprünglich Silizium-basierten Module lieferten eine Leistung von mindestens 4550 Watt (je nach Ausrichtung zur Sonne), maßen je 12,1 m × 2,5 m und wogen je 7,7 kg. Da das Teleskop selbst wie die Nutzlastbucht des Space Shuttles im Querschnitt rund ist, konnten die beiden Flügel nicht wie üblich einfach eingeklappt werden. Stattdessen wurden die einzelnen Paneele auf einer Oberfläche aus Glasfasern und Kapton aufgebracht, die Verkabelung wurde durch eine darunter liegende Silberfäden-Matrix realisiert, die abschließend durch eine weitere Lage Kapton geschützt wurde. Diese Kombination war nur 0,5 mm dick und konnte so auf eine Trommel aufgerollt werden, die wiederum platzsparend eingeklappt werden konnte. ⓘ

Allerdings zeigten sich schnell Probleme durch hohe Biegekräfte, die durch die intensive thermische Belastung beim Ein- und Austritt aus dem Erdschatten verursacht wurden. Durch den schnellen Wechsel zwischen Licht und Schatten wurden die Paneele in kürzester Zeit von −100 °C auf +100 °C aufgeheizt und auch wieder abgekühlt, was zu unerwünschter Verwindung und Verformung und damit zu Schwingungen des gesamten Teleskops führte. Daher wurden sie bei der Servicemission SM 1 gegen neuere Modelle ausgetauscht, bei denen dieses Problem nicht mehr auftrat. Fortschritte in der Solarzellen-Technik ermöglichten neun Jahre später bei der Servicemission SM 3B den Einbau von besseren, Galliumarsenid-basierten Solarmodulen, die trotz einer um 33 % reduzierten Fläche etwa 20 % mehr Energie bereitstellen. Die geringere Fläche der Flügel sorgt darüber hinaus für einen geringeren atmosphärischen Widerstand, so dass das Teleskop weniger schnell an Höhe verliert. ⓘ

Ein geöffnetes Akku-Modul. Gut zu sehen sind die insgesamt 66 Zellen. ⓘ

Aufgrund des niedrigen Orbits des Teleskops werden die Solarmodule nur etwa zwei Drittel der Zeit beschienen, da der Erdschatten die Sonnenstrahlung blockiert. Um die Systeme und Instrumente auch in dieser Zeit mit Energie zu versorgen, wurden sechs Nickel-Wasserstoff-Akkumulatoren integriert, die geladen werden, sobald Sonnenlicht auf die Solarmodule trifft, wobei der Ladeprozess etwa ein Drittel der erzeugten elektrischen Energie beansprucht. Die ursprünglichen Akkumulatoren konnten jeweils etwa 75 Ah speichern, was insgesamt für einen ununterbrochenen Betrieb für 7,5 Stunden bzw. fünf volle Orbits ausreicht. Die Leistungsaufnahme des Teleskops liegt bei etwa 2.800 Watt. Diese Überkapazität wird benötigt, da bei Ausrichtung des Teleskops auf manche der zu beobachtenden Objekte die Solarmodule nicht optimal zur Sonne positioniert werden können und entsprechend weniger Leistung liefern. Die Akkumulatoren verfügen über eigene Systeme zur Ladungs-, Temperatur- und Drucksteuerung und bestehen aus 22 einzelnen Zellen. Je drei Akkumulatoren sind in einem Modul organisiert, so dass sie gefahrlos von Astronauten im offenen Weltraum ausgewechselt werden können. Ein solches Modul besitzt in etwa die Maße 90 cm × 90 cm × 25 cm und wiegt 214 kg. ⓘ

Um die natürliche Alterung der Akkumulatoren zu kompensieren, wurden sie bei der Servicemission SM 3A mit einem Voltage/Temperature Improvement Kit (VIK) ausgerüstet, das durch verbesserte Systeme zur Ladesteuerung insbesondere die thermische Belastung und die Überladungsproblematik reduziert. Bei der Servicemission SM 4 waren die sechs alten Akkumulatoren bereits 13 Jahre in Betrieb und wurden ersetzt. Die neuen Modelle sind durch bessere Fertigungsverfahren deutlich robuster und besitzen eine auf 88 Ah erhöhte Kapazität, von der durch thermische Limitierungen allerdings nur 75 Ah genutzt werden können. Diese Überkapazität bietet allerdings größere Verschleißreserven, was für eine nochmals erhöhte Lebensdauer sorgt. ⓘ

Die Energie wird zentral von der Power Control Unit (PCU) verteilt, die 55 kg wiegt und in Bucht 4 der Ausrüstungssektion installiert ist. Diese Einheit versorgt die Bordcomputer mit einer konstanten Spannung von 5 Volt. Daran angebunden sind wiederum vier Power Distribution Units (PDUs), die je 11 kg wiegen und an welche die Bussysteme der Instrumente angeschlossen sind. Darüber hinaus enthalten sie Überwachungsinstrumente und Überstromschutzeinrichtungen. Bei der Servicemission SM 3B wurde die PCU durch ein neues Modell ersetzt, um die gesteigerte Energieproduktion der ebenfalls neuen Solarzellen voll nutzen zu können. Die Gesamtheit aller Systeme zur Energieversorgung wird als Electrical Power Subsystem (EPS) bezeichnet. Bei SM4 wurde die PCU vorsorglich ein weiteres mal ausgetauscht. ⓘ

Am 16. Juni 2021 wurde gemeldet, dass sich der Computer zur Kontrolle der wissenschaftlichen Instrumente aufgrund eines Fehlers abgeschaltet hat. Zuerst wurde ein defektes Speichermodul als Fehlerursache angenommen, ein Wechsel auf eines der drei anderen Speichermodule beseitigte das Problem nicht. Es folgten diverse erfolglose Versuche, den Computer neu zu starten oder auf den Backupcomputer umzuschalten. Am 13. Juli konnte der Fehler auf die Power Control Unit (PCU) eingegrenzt werden. Eine Kontrollschaltung überwacht die Bordspannung und gibt bei Abweichungen nach oben oder unten ein Signal an den Computer, das diesen zur Sicherheit abschaltet. Es gibt eine redundante PCU, die diese Funktion übernehmen konnte, jedoch brauchte die volle Aktivierung aller dazu notwendigen Backupkomponenten mehrere Tage, bis wieder ein regulärer Betrieb möglich war. Teilweise wurden redundante Systeme seit Anfang der Mission zum ersten Mal angeschaltet und in Betrieb genommen. Am 17. Juli 2021 wurde der planmäßige Wissenschaftsbetrieb wieder aufgenommen, und am 19. Juli 2021 konnten wieder neue Bilder empfangen werden. Die bis dahin ausgefallenen Beobachtungen sollen zu einem anderen Termin nachgeholt werden. ⓘ

Zukunft

Orbitaler Zerfall und kontrollierter Wiedereintritt

Illustration des Soft Capture Mechanism (SCM), der auf Hubble installiert ist ⓘ

Hubble umkreist die Erde in der extrem dünnen oberen Atmosphäre, und mit der Zeit sinkt seine Umlaufbahn aufgrund des Luftwiderstands. Wenn es nicht wieder angehoben wird, wird es innerhalb einiger Jahrzehnte wieder in die Erdatmosphäre eintreten, wobei das genaue Datum davon abhängt, wie aktiv die Sonne ist und welchen Einfluss sie auf die obere Atmosphäre hat. Bei einem völlig unkontrollierten Wiedereintritt würden Teile des Hauptspiegels und der Stützstruktur von Hubble wahrscheinlich überleben, so dass es zu Schäden oder sogar zum Tod von Menschen kommen könnte. Im Jahr 2013 prognostizierte der stellvertretende Projektleiter James Jeletic, dass Hubble bis in die 2020er Jahre überleben könnte. Basierend auf der Sonnenaktivität und dem atmosphärischen Luftwiderstand, bzw. dessen Fehlen, wird ein natürlicher atmosphärischer Wiedereintritt von Hubble zwischen 2028 und 2040 stattfinden. Im Juni 2016 verlängerte die NASA den Servicevertrag für Hubble bis Juni 2021. Im November 2021 verlängerte die NASA den Dienstleistungsvertrag für Hubble bis Juni 2026. ⓘ

Der ursprüngliche Plan der NASA, Hubble sicher aus der Umlaufbahn zu bringen, sah vor, es mit einem Space Shuttle zu bergen. Hubble wäre dann höchstwahrscheinlich in der Smithsonian Institution ausgestellt worden. Dies ist nicht mehr möglich, da die Space Shuttle-Flotte ausgemustert wurde, und wäre aufgrund der Kosten der Mission und des Risikos für die Besatzung ohnehin unwahrscheinlich gewesen. Stattdessen erwog die NASA den Einbau eines externen Antriebsmoduls, um einen kontrollierten Wiedereintritt zu ermöglichen. Schließlich installierte die NASA 2009 im Rahmen der Servicing Mission 4, der letzten Wartungsmission des Space Shuttle, den Soft Capture Mechanism (SCM), um den Wiedereintritt entweder durch eine bemannte oder eine Robotermission zu ermöglichen. Der SCM bildet zusammen mit dem Relativen Navigationssystem (RNS), das auf dem Shuttle montiert ist, um Daten zu sammeln, die es der NASA ermöglichen, zahlreiche Optionen für den sicheren Rückzug von Hubble aus der Umlaufbahn zu verfolgen", das Soft Capture and Rendezvous System (SCRS). ⓘ

Mögliche Service-Missionen

2017 prüfte die Trump-Administration einen Vorschlag der Sierra Nevada Corporation, eine bemannte Version ihres Dream Chaser-Raumschiffs zu verwenden, um Hubble irgendwann in den 2020er Jahren zu warten, und zwar sowohl zur Aufrechterhaltung seiner wissenschaftlichen Fähigkeiten als auch als Versicherung gegen eventuelle Fehlfunktionen des James Webb Space Telescope. Im Jahr 2020, so John Grunsfeld, könnten SpaceX Crew Dragon oder Orion innerhalb von zehn Jahren eine weitere Reparaturmission durchführen. Die Robotertechnologie sei zwar noch nicht ausgereift genug, aber mit einem weiteren Besuch mit Besatzung könnten wir Hubble mit neuen Kreiseln und Instrumenten noch einige Jahrzehnte am Laufen halten". ⓘ

Nachfolger

Sichtbarer Spektralbereich  ⓘ
Farbe	Wellenlänge
violett	380-450 nm
blau	450-475 nm
Cyan	476-495 nm
grün	495-570 nm
gelb	570-590 nm
orange	590-620 nm
rot	620-750 nm

Es gibt keinen direkten Ersatz für Hubble als Weltraumteleskop für ultraviolettes und sichtbares Licht, da die Weltraumteleskope der nahen Zukunft die Wellenlängenabdeckung von Hubble (vom nahen Ultraviolett bis zum nahen Infrarot) nicht erreichen, sondern sich auf die weiter entfernten Infrarotbänder konzentrieren. Diese Bänder werden für die Untersuchung von Objekten mit hoher Rotverschiebung und niedriger Temperatur bevorzugt, also von Objekten, die im Allgemeinen älter und weiter entfernt im Universum sind. Außerdem sind diese Wellenlängen vom Boden aus nur schwer oder gar nicht zu untersuchen, was die Kosten für ein weltraumgestütztes Teleskop rechtfertigt. Große bodengestützte Teleskope können einige der gleichen Wellenlängen wie Hubble abbilden, manchmal die Auflösung von HST durch den Einsatz adaptiver Optik (AO) übertreffen, haben eine viel größere Lichtsammelleistung und können leichter aufgerüstet werden, können aber noch nicht die hervorragende Auflösung von Hubble über ein breites Sichtfeld mit dem sehr dunklen Hintergrund des Weltraums erreichen. ⓘ

Die Pläne für einen Hubble-Nachfolger wurden im Rahmen des Projekts Next Generation Space Telescope (Weltraumteleskop der nächsten Generation) verwirklicht, das in den Plänen für das James Webb Space Telescope (JWST), dem offiziellen Nachfolger von Hubble, gipfelte. Das James Webb Space Telescope unterscheidet sich stark von einem vergrößerten Hubble, da es für einen kälteren und weiter von der Erde entfernten Betrieb am Lagrange-Punkt L2 ausgelegt ist, wo die thermischen und optischen Störungen durch Erde und Mond geringer sind. Es ist nicht so konzipiert, dass es vollständig gewartet werden kann (z. B. mit austauschbaren Instrumenten), aber das Design sieht einen Andockring vor, der Besuche von anderen Raumfahrzeugen ermöglicht. Ein wissenschaftliches Hauptziel des JWST ist die Beobachtung der am weitesten entfernten Objekte im Universum, die außerhalb der Reichweite der bestehenden Instrumente liegen. Es wird erwartet, dass es Sterne im frühen Universum aufspüren wird, die etwa 280 Millionen Jahre älter sind als die Sterne, die das HST jetzt aufspürt. Das Teleskop ist eine internationale Zusammenarbeit zwischen der NASA, der Europäischen Weltraumorganisation und der Kanadischen Weltraumorganisation seit 1996 und wurde am 25. Dezember 2021 mit einer Ariane-5-Rakete gestartet. Obwohl das JWST in erster Linie ein Infrarot-Instrument ist, erstreckt sich sein Erfassungsbereich bis zu einer Wellenlänge von 600 nm, also etwa bis zum orangefarbenen Bereich des sichtbaren Spektrums. Ein typisches menschliches Auge kann Licht mit einer Wellenlänge von etwa 750 nm sehen, daher gibt es einige Überschneidungen mit den längsten sichtbaren Wellenlängenbereichen, einschließlich orangem und rotem Licht. ⓘ

Hubble- und JWST-Spiegel (4,0 m² bzw. 25 m²) ⓘ

Ein ergänzendes Teleskop, das noch längere Wellenlängen als Hubble oder JWST abdeckt, ist das am 14. Mai 2009 gestartete Herschel Space Observatory der Europäischen Weltraumorganisation. Wie JWST war auch Herschel nicht dafür ausgelegt, nach dem Start gewartet zu werden, und verfügte über einen wesentlich größeren Spiegel als Hubble, beobachtete aber nur im fernen Infrarot und Submillimeter. Er benötigte Helium-Kühlmittel, das ihm am 29. April 2013 ausging. ⓘ

Ausgewählte Weltraumteleskope und Instrumente ⓘ
Name	Jahr	Wellenlänge	Öffnung
Menschliches Auge	—	0,39-0,75 μm	0.005 m
Spitzer	2003	3-180 μm	0.85 m
Hubble STIS	1997	0,115-1,03 μm	2.4 m
Hubble WFC3	2009	0,2-1,7 μm	2.4 m
Herschel	2009	55-672 μm	3.5 m
JWST	2021	0,6-28,5 μm	6.5 m

Zu den weiteren Konzepten für fortschrittliche Weltraumteleskope des 21. Jahrhunderts gehört der Large Ultraviolet Optical Infrared Surveyor (LUVOIR), ein optisches Weltraumteleskop mit einer Länge von 8 bis 16,8 Metern, das, wenn es realisiert wird, ein direkterer Nachfolger des HST sein könnte, mit der Fähigkeit, astronomische Objekte im sichtbaren, ultravioletten und infraroten Wellenlängenbereich zu beobachten und zu fotografieren, und mit einer wesentlich besseren Auflösung als Hubble oder das Spitzer Space Telescope. Der abschließende Planungsbericht, der für die Dekadische Erhebung über Astronomie und Astrophysik 2020 erstellt wurde, schlug einen Starttermin im Jahr 2039 vor. Der Decadal Survey empfahl schließlich, die Ideen für LUVOIR mit dem Vorschlag für den Habitable Exoplanet Observer zu kombinieren, um ein neues 6-Meter-Flaggschiff-Teleskop zu entwickeln, das in den 2040er Jahren starten könnte. ⓘ

Bestehende bodengestützte Teleskope und verschiedene vorgeschlagene extrem große Teleskope können das HST in Bezug auf die schiere Lichtsammelleistung und die Beugungsgrenze aufgrund größerer Spiegel übertreffen, aber andere Faktoren beeinflussen die Teleskope. In einigen Fällen können sie durch den Einsatz adaptiver Optik (AO) das Auflösungsvermögen von Hubble erreichen oder übertreffen. Allerdings wird AO bei großen bodengebundenen Reflektoren Hubble und andere Weltraumteleskope nicht überflüssig machen. Die meisten AO-Systeme schärfen das Bild über ein sehr schmales Feld - die Lucky Cam zum Beispiel erzeugt scharfe Bilder mit einer Breite von nur 10 bis 20 Bogensekunden, während die Hubble-Kameras scharfe Bilder über ein Feld von 150 Bogensekunden (2½ Bogenminuten) erzeugen. Außerdem können Weltraumteleskope das Universum über das gesamte elektromagnetische Spektrum hinweg untersuchen, von dem der größte Teil durch die Erdatmosphäre blockiert wird. Schließlich ist der Hintergrundhimmel im Weltraum dunkler als auf dem Boden, weil die Luft tagsüber Sonnenenergie absorbiert und sie nachts wieder abgibt, wodurch ein schwaches, aber dennoch wahrnehmbares Luftleuchten entsteht, das kontrastarme astronomische Objekte verwischt. ⓘ

Die WFC3 im Reinraum ⓘ

Die Wide Field Camera 3 (WFC3) ermöglicht die Beobachtung und Abbildung eines ausgedehnten Raumbereiches bei gleichzeitig hoher Auflösung und großer spektraler Bandbreite (200–1700 nm). Im sichtbaren und infraroten Bereich liegt ihre Leistung nur etwas unter dem Niveau der Advanced Camera for Surveys, so dass bei deren Ausfall die WFC3 als Alternative genutzt werden kann. Im ultravioletten und sichtbaren Bereich hingegen ist sie allen anderen Instrumenten in den Bereichen Blickfeld und Bandbreite deutlich überlegen, was sie für großräumige Untersuchungen in diesem Spektralbereich prädestiniert. Die Beobachtungsziele sind dementsprechend vielfältig und reichen von der Untersuchung nah gelegener Sternentstehungsregionen im ultravioletten Bereich bis hin zu extrem weit entfernten Galaxien mittels Infrarot. Installiert wurde das Instrument während der Servicemission SM 4 in der axialen Instrumentenbucht Nr. 5, wo sich vorher die Wide Field/Planetary Camera 2 befand. ⓘ

Die WFC3 besitzt zwei separate Kanäle für die Abbildung im nahen infraroten (IR) und ultravioletten/sichtbaren (UVIS) Bereich. Bei letzterem werden zwei kombinierte 2051 × 4096 Pixel große Silizium-basierte CCD-Sensoren eingesetzt, die durch eine vierstufige Peltier-Kühlung auf einer Temperatur von −83 °C gehalten werden. Sie erreichen eine Quanteneffizenz von 50 bis 70 %, wobei das Maximum bei etwa 600 nm liegt. Durch die Kombination von 225 µm² großen Pixeln mit einem Sichtfeld von 162″ × 162″ erreicht dieser Kanal im Spektralbereich von 200 bis 1000 nm eine Auflösung von etwa 0,04″/Pixel. Der quadratische HgCdTe-CMOS-Sensor des nah-infraroten Kanals ist demgegenüber nur 1 Megapixel groß und liefert trotz seines kleineren Blickfeldes von 136″ × 123″ nur eine Auflösung von 0,13″/Pixel. Dafür ist seine Quantenausbeute von fast durchgängigen 80 % über das gesamte Spektrum (900–1700 nm) deutlich besser. Da Infrarot-Detektoren besonders ungünstig auf Wärme reagieren, ist dieser außerdem mit einer stärkeren sechsstufigen Kühlung ausgestattet, die eine Betriebstemperatur von −128 °C ermöglicht. Beide Kanäle verfügen darüber hinaus über eine Vielzahl von Filtern (62 Stück für UVIS und 16 für IR), um spezifische Eigenschaften der beobachteten Region untersuchen zu können. Besonders interessant sind hierbei drei Gitterprismen (eines für UVIS, zwei für IR), die es beiden Kanälen ermöglicht klassische Spektren für ein in der Mitte des Bildes liegendes Objekt anzufertigen. Diese sind zwar nur gering aufgelöst (70–210), reichen aber kombiniert über das Spektrum von 190–450 nm und 800–1700 nm. ⓘ

Technik und Aufbau

Die folgende Explosionszeichnung illustriert den wesentlichen Aufbau des Hubble-Teleskops. Die Grafik ist verweissensitiv, ein Klick auf das jeweilige Bauteil führt zum entsprechenden Abschnitt. Eine kurze Schnellinformation wird eingeblendet, wenn die Maus eine kurze Zeit über dem Objekt ruht. ⓘ

Allgemeine Struktur

Die Komponenten des Support Systems Module ⓘ

Bei dem Hubble-Weltraumteleskop handelt es sich generell um eine zylinderförmige Konstruktion mit einer Länge von 13,2 m, einem Durchmesser von bis zu 4,3 m und einem Gewicht von 11,11 Tonnen. Der größte Teil des Volumens wird vom optischen System eingenommen, an dessen Ende die wissenschaftlichen Instrumente in der Focal Plane Structure (FPS) untergebracht sind. Diese beiden Komponenten werden von mehreren miteinander verbundenen Zylindern umschlossen, dem sogenannten „Support Systems Module“ (SSM). Zu diesem gehört auch ein hohler Ring in der Mitte des Teleskops, der den Großteil aller technischen Systeme zu dessen Steuerung beherbergt. Die benötigte elektrische Energie wird von zwei Sonnensegeln erzeugt, die ebenfalls mittig installiert sind. Für die Kommunikation sind außerdem zwei Ausleger mit je einer Hochleistungsantenne am SSM befestigt. ⓘ

Am vorderen Ende von Hubble befindet sich eine Klappe mit einem Durchmesser von 3 m, mit der bei Bedarf die Öffnung des optischen Systems komplett geschlossen werden kann. Sie ist in der Aluminium-Honeycomb-Bauweise ausgeführt und ist außen mit einer reflektierenden Beschichtung zum Schutz vor Sonnenlicht ausgestattet. Dieses wird von mehreren Sensoren kontinuierlich überwacht, da ein zu hohes Maß an einfallendem Licht die hochempfindlichen wissenschaftlichen Instrumente beschädigen könnte. Sollte die Sonne weniger als 20° von der Ausrichtungsachse des Teleskops entfernt sein, schließt dieses System die Klappe automatisch innerhalb von weniger als 60 Sekunden, sofern es nicht manuell von der Bodenkontrolle abgeschaltet wird. ⓘ

Die Klappe selbst ist an einem 4 m langen Lichtschutz-Zylinder (Baffle) befestigt. Dieser besteht aus Magnesium in Wellblechform, das durch eine Isolierungsschicht vor den starken Temperaturwechseln während eines Orbits geschützt wird. An der Außenseite befinden sich neben Haltegriffen für die Astronauten und den Befestigungselementen zur Sicherung in der Ladebucht des Space Shuttle folgende Komponenten: eine Niedriggewinnantenne, zwei Magnetometer und zwei Sonnensensoren. ⓘ

Der nächste Zylinder ist ebenfalls 4 m lang, aus Aluminium gefertigt sowie durch zusätzliche Verstrebungen und Stützringe versteift. Wie beim Lichtschutz-Zylinder sind mehrere Vorrichtungen zur Befestigung des Teleskops vorhanden, wobei hier ein besonders stabiler Mechanismus befestigt ist, an dem der Roboter-Arm des Space Shuttles andocken kann. An der Außenseite befinden sich neben vier Magnettorquerern auch die Halterungen für die beiden Ausleger mit den Hochgewinnantennen. Auch in diesem Abschnitt sind Isolationsmaterialien auf der Oberfläche angebracht, um die thermische Belastung zu verringern. ⓘ

Bei der nächsten Komponente handelt es sich um die wichtigste des gesamten Support Systems Module: der Ausrüstungssektion. Hierbei handelt es sich um einen donutförmigen Ring, der das Teleskop komplett umschließt. In ihm sind etwa 90 % aller technischen Systeme in insgesamt zehn einzelnen Ausrüstungsbuchten (englisch bays). Jede dieser Buchten besitzt in etwa die Maße 0,9 m × 1,2 m × 1,5 m und ist durch eine Klappe von außen leicht zugänglich. Diese sind in Honeycomb-Bauweise ausgeführt und verfügen jeweils über eine eigene Isolierung auf der Oberfläche. Die einzelnen Buchten sind wie folgt belegt:

• Bucht 1: Datenverarbeitung (Zentralcomputer und DMU)
• Bucht 2: Energieversorgung (Akkumulator-Modul und zwei zeitgebende Oszillatoren)
• Bucht 3: Energieversorgung (Akkumulator-Modul und ein DIU)
• Bucht 4: Energieverteilung (PCU und zwei PDUs)
• Bucht 5: Datenspeicherung und -übertragung (Kommunikationssystem und zwei E/SDRs)
• Bucht 6: Lageregelung (RWA)
• Bucht 7: mechanische Systeme für Solarsegelausrichtung und ein DIU
• Bucht 8: Datenspeicherung und Notfallsysteme (E/SDRs und PSEA)
• Bucht 9: Lageregelung (RWA)
• Bucht 10: Datenverarbeitung (SI C&DH und ein DIU) ⓘ

Abgeschlossen wird das Teleskop durch einen letzten 3,5 m langen Zylinder an dessen Heck. Wie bei dem vorherigen Abschnitt ist auch dieser aus Aluminium gefertigt und durch Verstrebungen versteift. Zwischen diesem Zylinder und dem Ausrüstungs-Ring befinden sich darüber hinaus vier Buchten für die Installation der drei FGS und des radialen wissenschaftlichen Instruments (Nr. 5). Die anderen vier Instrumente befinden sich hinter Wartungsklappen innerhalb der Konstruktion in einer axialen Position. Am Ende des Zylinders befindet sich eine abschließende Aluminium-Honeycomb-Platte mit einer Dicke von 2 cm. An ihr ist eine Niedriggewinnantenne befestigt, die Durchbrüche für mehrere Gasventile und elektrische Verbindungsstecker besitzt. Letztere ermöglichen über Ladekabel vom Space Shuttle den Betrieb von internen Systemen bei Servicemissionen, wenn die eigene Stromproduktion durch die Solarzellen deaktiviert werden muss. ⓘ

Kommunikation

Auf dieser Aufnahme sind die beiden HGAs an den Auslegern gut zu erkennen. ⓘ

Zur Kommunikation verfügt Hubble über je zwei Hoch- und Niedriggewinnantennen (bezeichnet als HGA bzw. LGA). Die beiden Hochgewinnantennen sind als Parabolantennen in Honeycomb-Bauweise ausgeführt (Aluminium-Waben zwischen zwei CFK-Platten) und an zwei separaten 4,3 m langen Auslegern montiert, die durch ihre kastenförmige Konstruktion auch als Wellenleiter dienen. Sie haben einen Durchmesser von 1,3 m und können in zwei Achsen um bis zu 100 Grad geschwenkt werden, so dass eine Kommunikation mit einem TDRS-Satelliten in jeder beliebigen Lage möglich ist. Da die hohe Datenrate über die HGAs dank ihrer starken Richtwirkung erreicht wird, ist diese Eigenschaft wichtig, um die sehr umfangreichen wissenschaftlichen Bild- und Messdaten in akzeptabler Zeit zu übertragen. Die zu sendenden Signale werden hierbei vom S-Band Single Access Transmitter (SSAT) generiert. Dieser Transceiver besitzt eine Sendeleistung von 17,5 Watt und erreicht mittels Phasenmodulation eine Datenrate von bis zu 1 MBit/s. Insgesamt werden pro Woche auf diesem Weg etwa 120 GBit Daten an die Bodenstation gesendet, wobei die Frequenzen 2255,5 MHz und 2287,5 MHz genutzt werden. Als Reserve ist ein zweiter, baugleicher SSAT vorhanden, der nach dem Ausfall des Primär-Transceivers im Jahre 1998 in Betrieb genommen werden musste. Im Dezember 1999 wurde dieser bei der Servicemission SM 3A gegen ein funktionsfähiges Modell ersetzt. ⓘ

Für die Übertragung technischer Daten und für Notfälle stehen zwei Niedriggewinnantennen zur Verfügung. Diese haben ein sehr breites Antennendiagramm und sind unbeweglich. In Kombination ist so auch dann eine Kommunikation mit dem Teleskop möglich, wenn dessen HGAs nicht korrekt ausgerichtet sind. Die geringe Richtwirkung limitiert die Datenrate allerdings stark, so dass nur kurze technische Steuerbefehle und Statusdaten übertragen werden können. Die Frequenzen liegen hier bei 2106,4 und 2287,5 MHz. Zur Signalerzeugung kommen zwei redundante Transceiver zum Einsatz, die als Multiple Access Transmitter (MAT) bezeichnet werden. Kommandos werden mit 1 kBit/s empfangen, der Datenversand kann mit bis zu 32 kBit/s erfolgen. ⓘ

Wissenschaftliche Instrumente

Aktuell

Die folgenden fünf Instrumente sind installiert und werden bis auf das defekte NICMOS für wissenschaftliche Untersuchungen eingesetzt. Da seit SM4 keine weiteren Servicemissionen mehr geplant sind, werden alle Instrumente an Bord verbleiben. ⓘ

Historisch

Die folgenden Instrumente wurden im Laufe der Servicemissionen ausgebaut und mit Hilfe des Space Shuttles zur Erde zurückgebracht. Die meisten sind heute öffentlich ausgestellt. ⓘ

Faint Object Camera (FOC)

Die FOC im Dornier-Museum ⓘ

Bei dieser Kamera handelte es sich um das Teleobjektiv von Hubble, da es die höchsten Bildauflösungen aller Instrumente erreichte. Dabei deckte es einen Großteil des ultravioletten und sichtbaren Spektrums mit hoher Empfindlichkeit ab. Im Gegenzug musste allerdings das Sichtfeld stark verkleinert werden, so dass eine Aufnahme nur einen kleinen Raumbereich abbilden kann. Dieses Profil macht das Instrument besonders für die Untersuchung kleiner Objekte und feiner Strukturen interessant. Das Sichtfeld und die damit verbundene Auflösung lassen sich über die Wahl zwischen zwei separaten Messkanälen beeinflussen, wobei die Detektoren baugleich sind. Aufgrund der guten Leistungswerte blieb die FOC sehr lange an Bord von Hubble und wurde erst bei der vorletzten Servicemission SM 3B gegen die Advanced Camera for Surveys ausgetauscht. Das Instrument war ein wesentlicher Beitrag der ESA zu dem Projekt und wurde von Dornier gebaut. Nach dem Ausbau und Rücktransport wurde es daher dem Dornier-Museum in Friedrichshafen übergeben, wo es heute öffentlich ausgestellt wird. ⓘ

Beide Messkanäle sind optisch so konstruiert, dass sie das Bild vom Hauptspiegel um das Doppelte beziehungsweise das Vierfache vergrößern. Diese Brennweitenverlängerung sorgt für eine Reduktion der Blendenzahl, die daher als Benennung der beiden Kanäle dient: ƒ/48 für doppelte Vergrößerung und ƒ/96 für vierfache Vergrößerung (Hauptspiegel-Blendenzahl: ƒ/24). Mit der Installation von COSTAR wurde die optische Formel deutlich verändert, die Blendenzahlen belaufen sich daher real auf ƒ/75,5 und ƒ/151. Die Sichtfelder variieren dementsprechend um das Doppelte mit 44″ × 44″ bzw. 22″ × 22″. Die Detektoren hingegen sind in beiden Kanälen baugleich und sind für ein Spektrum von 115 bis 650 nm empfindlich. Um auch schwache Signale registrieren zu können, verfügt die FOC über drei hintereinander geschaltete Bildverstärker, die den ursprünglichen durch das Magnesiumfluorid-Fenster erzeugten Elektronenstrom um etwa das 10.000-fache erhöhen. Anschließend werden die Elektronen durch ein Phosphor-Fenster wieder in Photonen umgewandelt, die durch ein optisches Linsensystem auf eine Platte mit Silizium-Dioden gelenkt werden. Diese werden abschließend durch einen Elektronenstrahl ausgelesen und so interpretiert, dass am Ende ein 512 × 512 Pixel großes Bild gespeichert werden kann. Im ƒ/96-Kanal können so Auflösungen von bis zu 0,014″/Pixel erreicht werden. ⓘ

High Speed Photometer (HSP)

Dieses Instrument ist auf die Untersuchung von veränderlichen Sternen, insbesondere Cepheiden, spezialisiert und ist daher verhältnismäßig einfach (keine beweglichen Teile) aufgebaut. Mittels fünf separaten Detektoren kann die Helligkeit und Polarisation bis zu 100.000 Mal pro Sekunde gemessen werden, womit auch extrem hochfrequente Schwankungen erfasst werden können. Die in Frage kommenden Sterne befinden sich hauptsächlich im fernen UV-Spektrum, es können jedoch bis in den nahen Infrarotbereich Messungen durchgeführt werden. Da das HSP durch seine starke Spezialisierung für viele Forschungsziele der Mission keinen nennenswerten Beitrag liefern konnte, wurde es gleich bei der ersten Servicemission ausgebaut, um Platz für das COSTAR-Korrektursystem zu schaffen. Es ist seit 2007 im Space Place der University of Wisconsin–Madison öffentlich ausgestellt. ⓘ

Zur Helligkeitsmessung dienen vier der insgesamt fünf Detektoren, von denen zwei aus Cs-Te-basierten Photozellen und Magnesiumfluorid-Photokathoden bestehen und weitere zwei aus Bikali-Photozellen (ähnlich denen aus dem FOS) mit Quarzglas-Kathoden. Erstere decken einen Spektralbereich von 120 bis 300 nm ab, letztere den Bereich 160–700 nm. Drei der Detektoren werden, ebenso wie ein GaAs-Photomultiplier, zur Photometrie eingesetzt, der verbliebene dient der Polarimetrie, wobei die Quanteneffizienz mit nur 0,1 bis 3 % außerordentlich niedrig ausfällt. Die Öffnung des optischen Systems lässt sich auf bis zu eine Winkelsekunde reduzieren, um die Messung möglichst genau zu fokussieren, indem der Hintergrund und benachbarte Objekte ausgeblendet werden. Um die zu messende Wellenlänge genau zu begrenzen, stehen darüber hinaus 23 Filter zur Verfügung, deren Filterwirkung dem Zweck entsprechend sehr stark ausfällt. ⓘ

Wide Field/Planetary Camera 2 (WFPC2)

Bei der WFPC2 handelt es sich um eine verbesserte Version der WFPC, die sie bei der Servicemission SM 3B in der einzigen radialen Instrumentenbucht Nr. 1 ersetzte. Die Forschungsziele des Instruments blieben unverändert: Die Untersuchung verhältnismäßig großer Raumgebiete mit guter Auflösung und einem breiten Spektrum. Im Gegenzug ist die Kamera im Bereich der extremen UV- und Infrarotstrahlung verhältnismäßig wenig empfindlich und erreicht keine Spitzenwerte bei der Auflösung. ⓘ

Die wichtigste Verbesserung gegenüber der Vorgänger-Kamera ist ein integriertes Korrektursystem zur Kompensierung des Hauptspiegelfehlers. Somit ist die WFPC2 nicht mehr von COSTAR abhängig, womit man dessen Ausbau einen Schritt näher kam. Aufgrund eines knappen Budgets konnte die Konstruktion nicht umfassend verbessert werden. Die Detektoren basieren auf dem gleichen Design, wurden aber anders gefertigt. Wesentliche Leistungssteigerungen gab es nur in den Bereichen Dunkelrauschen (acht Mal geringer), Ausleserauschen (etwa zwei Mal geringer) und Dynamikumfang (gut doppelt so groß). Um Kosten zu sparen, wurden nur vier statt vorher acht CCDs hergestellt, was den Aufnahmebereich halbierte. Außerdem sind die Sensoren nicht mehr rückseitig beleuchtet, was das Signal-Rausch-Verhältnis etwas verschlechtert und das Auflösungsvermögen reduzierte. Die sonstigen Parameter sind im Vergleich zur WFPC im Wesentlichen identisch. ⓘ

Das Hubble-Teleskop in den Medien

• Verwendung von Messergebnissen:
  • Einige der vom Hubble-Teleskop gemachten Aufnahmen wurden der Science-Fiction-Serie Star Trek: Raumschiff Voyager zur Verfügung gestellt und dienten als Hintergrundbilder des Alls. Somit sind viele der dort gezeigten Nebel nicht am Computer entstanden, sondern entspringen der Realität.
  • Das Programm Google Sky verwendet die Bilder des Hubble-Teleskops.
• Verwendung als dramaturgisches Element:
  • In der Folge Wenn Außerirdische angreifen der Serie Futurama wird das Hubble-Teleskop mit einem feindlichen Raumschiff verwechselt und zerstört.
  • In dem Film Mystery Science Theater 3000 verglüht das Hubble-Teleskop, nachdem es von einer Raumstation gerammt worden ist.
  • In dem Film Armageddon wird das Hubble-Teleskop benutzt, um erste Bilder eines Asteroiden aufzunehmen.
  • In dem Film Gravity wird eine Spaceshuttle-Besatzung während Reparaturarbeiten am Hubble-Teleskop von einem Hagel aus Weltraummüll getroffen und unter anderem das Teleskop zerstört. ⓘ

Sichtbarkeit von der Erde

Wie andere große Erdsatelliten auch, ist das Hubble-Weltraumteleskop auch von der Erde aus mit bloßem Auge als sternartiges Objekt, das von West nach Ost zieht, sichtbar. Wegen der geringen Neigung der Umlaufbahn und der moderaten Bahnhöhe ist dies aber nur in Gebieten, die nicht mehr als etwa 45 Grad nördlich oder südlich des Äquators liegen, möglich. Somit ist es beispielsweise in Deutschland, Österreich und der Schweiz nicht sichtbar, da es nicht über den Horizont steigt. Das Hubble-Weltraumteleskop kann eine maximale Helligkeit von 2 mag erreichen. ⓘ