As primeiras fotos do Hubble não pareciam o início de uma nova era na astronomia. Estrelas que deveriam ter aparecido como pontas afiadas têm halos fracos. Pequenos detalhes foram lavados. O telescópio estava em órbita, o seu espelho primário de 2,4 metros não podia ser movido e o problema estava no cerne de um observatório que custou aos Estados Unidos mais de 1,5 mil milhões de dólares.
O espelho não era áspero, rachado ou mal polido no sentido usual. Foi feito com extraordinária precisão na prescrição errada. Sua borda externa era cerca de 2,2 micrômetros plana demais, uma diferença que a NASA descreve Cerca de um quinquagésimo da espessura de um fio de cabelo humano. Esse erro minúsculo e consistente causa aberração esférica, enviando luz refletida de diferentes partes do espelho para diferentes pontos focais.
A narrativa popular de que os astronautas usaram óculos Hubble é extraordinariamente precisa, se considerada um mérito. Eles não reconstruíram ou substituíram o espelho primário. Os engenheiros mediram o seu erro suficientemente perto para criar ópticas mais pequenas com erros inversos, e os astronautas instalaram esses correctores em Dezembro de 1993.
Um telescópio construído em torno de um espelho
Após mais de uma década de desenvolvimento, o ônibus espacial Hubble decolou no Discovery em 24 de abril de 1990. A principal vantagem do telescópio era em princípio simples: acima da atmosfera terrestre, ele podia observar sem o obscurecimento e a absorção impostos pelo vento. Seu espelho primário coletará a luz e a refletirá para um espelho secundário, que enviará o feixe para os instrumentos científicos.
Para que esse sistema funcione com a resolução projetada pelo Hubble, o espelho primário deve ter uma forma hiperbólica controlada com precisão. Perkin-Elmer, o empreiteiro responsável pela montagem do telescópio óptico, usou um dispositivo chamado corretor nulo reflexivo para guiar a imagem final do espelho. O corretor produziu desvios do tamanho desejado visíveis durante o teste.
O próprio modificador nulo foi montado incorretamente. Uma lente foi deslocada cerca de 1,3 milímetros porque uma haste de medição usada durante a montagem entrou em contato com a superfície errada. O espelho original foi então polido até ficar em conformidade com o teste de mentira. O resultado foi uma superfície excepcionalmente lisa cuja curva geral estava errada.
O Conselho de Investigação de Sistemas Ópticos independente da NASA reconstruiu essa cadeia após o lançamento. de Relatório de falha de novembro de 1990Lew Allen, presidente, concluiu que o erro deveria ter sido detectado. Outros resultados de testes indicaram um problema, mas foram descartados em favor de resultados de corretores nulos supostamente autênticos. O conselho também descreveu falhas na comunicação, garantia de qualidade e supervisão independente, devido a pressões de custos e prazos.
Por que um defeito microscópico é importante?
Uma diferença de 2,2 micrômetros parece inócua perto de um espelho de 2,4 metros de largura. A questão relevante, porém, não era o erro em proporção ao diâmetro do espelho. Foi assim que a forma afetou o caminho da luz.
Os raios que atingem perto das bordas do espelho defeituoso focam em uma posição diferente dos raios refletidos perto do centro. Em vez de focar a maior parte da luz de uma estrela num ponto compacto, o telescópio espalha uma fração significativa num halo circundante. Ainda podiam ser observados alvos brilhantes e os métodos de processamento de imagem recuperaram algumas informações, mas o erro prejudicou o contraste e a sensibilidade necessários para objetos fracos.
O fracasso foi particularmente público porque o Hubble foi apresentado como um observatório emblemático. Um relatório de 1991 do Escritório de Contabilidade Geral dos EUA observou que se esperava que o telescópio custasse Mais de US$ 1,5 bilhão E essa falha foi reconhecida dois meses após o lançamento. A frase “erro de um bilhão de dólares” descreve a escala do observatório em jogo, e não apenas o custo da moagem.
Escondido dentro do constrangimento estava uma boa obra de engenharia. O Hubble foi projetado para atender astronautas em órbita. Os instrumentos eram modulares, com corrimãos e pontos de acesso embutidos na estrutura, e sempre se esperava que as missões do ônibus espacial substituíssem o hardware antigo. Uma primeira visita de manutenção planejada pode ser transformada em uma missão de reparo.
Cometendo o erro oposto de propósito
Uma vez medida a deformação, ela se tornou estável e previsível. Isso tornou possível uma correção óptica. Um espelho corretivo pode introduzir distorção reversa precisamente antes da luz atingir um instrumento, trazendo os raios de volta a um foco comum.
Havia duas soluções principais. Wide Field and Planetary Camera 2 já estava em construção para substituir a primeira câmera principal do Hubble. Sua equipe redesenhou a ótica interna para que a câmera corrija ela mesma a distorção do espelho primário. O Laboratório de Propulsão a Jato da NASA mais tarde o chamou A câmera que salvou o Hubble.
Os outros instrumentos-chave do telescópio requerem uma solução partilhada. A NASA e a Ball Aerospace desenvolveram o COSTAR, o substituto axial do telescópio espacial de óptica corretiva. O pacote do tamanho de uma cabine telefônica continha cinco pares de pequenos espelhos corretivos em braços desdobráveis. Alguns espelhos tinham apenas o tamanho de uma moeda americana. O COSTAR intercepta a luz direcionada para três instrumentos e dobra o feixe corrigido em suas aberturas.
É por isso que os “espetáculos” são mais do que metáforas inventadas depois do fato. O próprio relato da NASA diz que elementos ópticos adicionais combateram o erro Semelhante aos óculos de correção da visão. Assim como as lentes graduadas, elas deixam a superfície óptica original intacta enquanto compensam a forma como focalizam a luz.
Cinco caminhadas espaciais para alterar prescrições
O ônibus espacial Endeavour foi lançado em 2 de dezembro de 1993 a bordo da STS-61, transportando sete astronautas experientes. A missão era mais ampla do que instalar óptica corretiva. O Hubble tinha giroscópios com defeito, painéis solares problemáticos e outras necessidades de manutenção. Ao longo do voo de 11 dias, a tripulação completou um total de cinco caminhadas espaciais em 35 horas e 28 minutos, de acordo com História das missões da NASA.
Story Musgrave e Jeffrey Hoffman removeram as câmeras planetárias e de campo amplo originais e as substituíram por WFPC2. Nas caminhadas espaciais subsequentes, Catherine Thornton e Thomas Akers removeram o Fotômetro de Alta Velocidade para dar lugar ao COSTAR. Assim, a revisão custou mais do que dinheiro e esforço: um instrumento científico teve de ser sacrificado para que o pacote pudesse servir os outros três.
A instalação é apenas parte do desafio. Os instrumentos projetados na Terra tiveram que ser colocados e alinhados em órbita, com pequenos espelhos movendo-se em feixes dentro de um telescópio que não poderia ser desmontado. Os astronautas também substituíram o painel solar, a unidade giroscópica, a eletrônica e outros hardwares, tornando o voo a missão de manutenção mais complexa tentada na época.
A versão “os astronautas consertaram” é verdadeira, mas condensa anos de trabalho no terreno. Os engenheiros ópticos primeiro tiveram que deduzir a prescrição correta das imagens distorcidas e das sondas espelhadas do Hubble. As equipes de instrumentos tiveram então que criar a engenhoca, validá-la, empacotá-la para lançamento e escrever procedimentos que os caminhantes espaciais pudessem realizar nas luvas gigantes.
Em um momento o borrão desapareceu
Depois que a Endeavor lança o Hubble, as equipes terrestres ativam, alinham e testam novos sistemas. Em 13 de janeiro de 1994, a NASA apresentou os resultados. Um par de imagens da Faint Object Camera mostrou a mesma estrela antes e depois do COSTAR. Inicialmente, a maior parte da luz formou um amplo halo com cerca de um segundo de arco de largura. No segundo, a maioria estava concentrada em um ponto dentro de um décimo de segundo de arco. NASA disse que tinha um telescópio Restauração de seu desempenho óptico planejado.
A correção não aperfeiçoou fisicamente o espelho primário defeituoso. Possui funcionamento completo do sistema óptico. Essa distinção se torna a estratégia de design de longo prazo. Cada novo instrumento científico instalado após a implantação do Hubble incluía sua própria óptica corretiva.
O COSTAR tornou-se gradualmente redundante à medida que os instrumentos originais que servia foram substituídos. Os astronautas o removeram durante a Missão de Manutenção 4 em 2009 e instalaram o Espectrógrafo de Origens Cósmicas em seu lugar. A história da NASA desse registro final de voo de manutenção Remoção de COSTAR e retorno à Terra. Agora é propriedade do Museu Nacional do Ar e do Espaço Smithsonian.
A falha de reparo não é excluída
A recuperação do Hubble é frequentemente contada como uma história tranquilizadora sobre engenhosidade, e é uma delas. Um defeito microscópico de fabricação em um material primário inacessível foi medido em órbita e descartado com novas ópticas instaladas manualmente a centenas de quilômetros acima da Terra.
No entanto, isto não deve suavizar a conclusão central das investigações de reparação bem sucedidas. Erros de espelho eram evitáveis. Evidências conflitantes existiam antes do lançamento. O programa de testes depositou demasiada confiança num instrumento e os limites organizacionais facilitaram a rejeição de resultados que não correspondiam às expectativas.
O reparo foi bem-sucedido porque a distorção era regular, o telescópio estava funcionando, o ônibus espacial conseguia alcançá-lo e os engenheiros podiam reproduzir o erro reverso com extrema precisão. Um erro diferente, ou um observatório fora do alcance do astronauta, não permitiu a mesma recuperação.
Esta combinação faz da primeira missão de manutenção do Hubble mais do que uma anedota de resgate. O espelho primário foi impreciso durante o resto da vida do telescópio. O que o Hubble viu mais tarde dependeu claramente da aceitação desse facto e da colocação de um segundo sistema óptico deliberadamente imperfeito à sua frente. O observatório de um bilhão de dólares nunca recuperou a visão porque o erro original desapareceu. Funcionou porque os engenheiros aprenderam seu formato bem o suficiente para fabricar óculos precisos.
