De camera die de Hubble redde is 25 geworden

Het is deze week 25 jaar geleden dat iedereen bij de NASA de adem inhield toen zeven astronauten aan boord van de space shuttle Endeavour op een hoogte van 568 kilometer boven de Aarde de Hubble enterden. Hun missie: het repareren van de bijziende Hubble.

De Hubble telescoop heeft de grootte van een schoolbus en is uitgerust met een primaire spiegel van 2,4 meter doorsnede. Het is de grootste optische spiegel die ook naar de ruimte is gelanceerd. Vanuit de ruimte kan het heelal bestudeerd worden zonder hinder te ondervinden van de verstoringen door de atmosfeer van de Aarde. Hubble had na zijn in bedrijf name op 25 april 1990 een heleboel potentieel maar toen de eerste opnames waren verkregen en zorgvuldig waren bestudeerd bleek dat er iets ernstigs aan de hand was: de beelden waren allemaal onscherp.

Astronomen en ingenieurs bestudeerden gezamenlijk een heel scala aan oplossingen voor het probleem en NASA stelde een onafhankelijke onderzoekscommissie in om de bron van het probleem te achterhalen. Iedereen kwam tot dezelfde conclusie: de hoofdspiegel van de Hubble, die eruit ziet als een iets gebogen schaal, was in de verkeerde vorm gepolijst. De fout was kleiner dan de dikte van een menselijk haar maar het affect was aanzienlijk. Als er niks aan de afwijking gedaan zou worden dan zou de Hubble nooit volledig kunnen functioneren.

In de week van 6 december 1993 plaatste een groep astronauten twee hardware onderdelen die het probleem zouden moeten verhelpen. De Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement (COSTAR) was ontworpen en gebouwd door een team van het Goddard Space Centre van de NASA en zou de spiegel corrigeren voor drie van de vijf instrumenten aan boord van de Hubble.

Het tweede instrument was de Wide Field and Planetary Camera2 (WFPC2), die bestaat uit vier camera’s, en die camera’s produceren met behulp van de Hubble veel van de adembenemend mooie foto’s.

WFPC2 heeft de grootte van een kleine vleugelpiano en kan opnames maken van objecten in ons eigen zonnestelsel, zoals de inslag van komeet Shoemaker-Levy 9 op Jupiter, tot de meest verre kosmologische opnames die ooit in zichtbaar licht zijn verkregen. WFPC2 maakte adembenemende opnames van sterrenstelsels, exploderende sterren en nevels waar nieuwe sterren in werden geboren. De camera werd gedurende meer dan een week op een donker stukje van de sterrenhemel gericht en astronomen ontdekten in dat donkere vlekje duizenden voorheen onbekende sterrenstelsels.

Met het succes van WFPC2 was bepaald niet gegarandeerd. Het instrument werd in een ongelooflijk strak tijdsbestek ontworpen en gebouwd om te kunnen corrigeren voor de afwijking in de hoofdspiegel.

Een spiegelbeeld

In juni 1990 liet NASA weten dat de Hubble Space Telescope niet werkte zoals men dat verwachtte. De leden van het WFPC2-team herinneren zich nog de overwegend negatieve reacties van het publiek en de media. Een van de belangrijkste journaals destijds opende met de woorden: “De Hubble Telescope waar jullie zo veel over hebben gehoord is kapot”.

NASA stelde een team samen om aan het probleem te werken. De primaire en de secundaire spiegel van de telescoop verzamelen licht dat naar vijf verschillende wetenschappelijke instrumenten wordt gestuurd. Het was niet mogelijk om de hoofdspiegel te vervangen of die terug te sturen naar de Aarde voor een reparatie. Er zou voor de verschillende instrumenten een oplossing gevonden moeten worden. COSTAR leverde de corrigerende optiek voor drie van de vijf instrumenten waardoor het niet nodig was om deze allemaal te vervangen.Helaas werkte die aanpak niet voor de Wide Field and Planetary Camera (WFPC),de voorloper van de WFPC2.

Er werd door het team een mogelijk oplossing bedacht. De fout in de hoofdspiegel zorgde er voor dat het licht dat op de hoofdspiegel viel niet allemaal in hetzelfde brandpunt uitkwam. De oplossing was het plaatsen van vier identieke spiegels met de grootte van een euro binnen in het instrument te plaatsen, voor iedere camera van de WFPC2 een eigen spiegel. Deze spiegels hebben dezelfde afwijking als de hoofdspiegel maar daar waar de hoofdspiegel te vlak was werden de nieuwe spiegels te diep uitgeslepen. Gezamenlijk zouden deze twee fouten elkaar opheffen en het equivalent van een spiegel in de juiste vorm produceren.

NASA accepteerde het voorstel van het Jet Propulsion Laboratory om een vervanger voor de WFPC te bouwen. NASA wilde iedere drie jaaronderhoudsmissies uitvoeren aan de telescoop en besliste dat dit schema gehandhaafd zou blijven. De eerste onderhoudsmissie stond gepland voor de herfst van 1993. JPL zou de vervanger in de winter van 1992 moeten leveren. Men had dus krap twee jaar de tijd om de nieuwe WFPC2 te bouwen. Voor een dergelijk ingenieus instrument was dit een race tegen de klok.

Onder druk

Twee jaar was in de verste verte niet genoeg tijd om vanaf niks een nieuwe camera te bouwen. Maar gelukkig werd er bij JPL al gewerkt aan de WFPC2; het was de bedoeling van NASA om deze versie eventueel te gebruiken om de WFPC te upgraden of als vervanger bij een storing. Maar ondanks dat er al een begin was gemaakt met de WFPC2 moest het tempo toch behoorlijk worden opgevoerd.

De corrigerende spiegels waren maar klein maar ze waren van grote invloed op iedere stap in de bouw en ze zorgden veel eindeloos veel nieuwe problemen.

Om de kans op fouten tijdens de installatie van de WFPC2 te voorkomen moesten de astronauten die de reparatie vanuit een lage aardbaan gingen uitvoeren naar het Jet Propulsion Laboratory toe om een uitgebreide training te volgen over het instrument en hoe het geïnstalleerd moest gaan worden. De module moest in de Hubble worden geschoven zoals je een lade in een kast schuift. Ze moesten goed controleren of alle elektrische connectoren goed waren aangesloten maar omdat die connectoren zich aan de achterzijde van het instrument bevonden hadden ze geen enkele mogelijkheden om bij die connectoren te komen. Ze konden alleen de manier waarop ze de module in de telescoop   schoven controleren.

Een andere complicerende factor was het gewicht van de WFPC2: het ding woog maar liefst 272 kilogram en zelfs in de geringe aantrekkingskracht die in een lage aardbaan heerst was het ding behoorlijk onhandelbaar. Een van de spiegels van het instrument was op een korte arm buiten de beschermende behuizing gemonteerd. Een tik tegen de spiegel zou al kunnen zorgen voor een verkeerde uitlijning en dus een onbruikbaar instrument.Tijdens de bouw van de WFPC2 werd een model getoond aan een van de astronauten die er prompt tegenaan tikte. De ontwikkelaars van de WFPC2 hoopten niet dat dit een verkeerd voorteken was.

Tijd om te vliegen

Op de zesde dag van de missie maakten de astronauten Jeffrey Hoffman en Story Musgrave een ruimtewandeling om de WFPC uit de Hubble te halen en de WFPC2 te installeren. Alles leek volgens plan te verlopen maar een echte test moest nog worden uitgevoerd.

Op 13 december keerden de astronauten terug naar de Aarde en op 18 december kwamen de eerste ruwe data van de nieuwe WFPC2 binnen. Het team haalde deze data door de beeldverwerkingssoftware heen en keken angstvallig naar hun scherm toen daar de eerste lijnen werden getoond. Het hele team slaakte een zucht van verlichting.

De beelden waren scherp. Het was niet alleen dat er beelden waren die er schitterend uitzagen maar men deed ook meteen nieuwe ontdekkingen. Er waren dingen zichtbaar in de opnames die nog nooit eerder waren gezien.

Op 13 januari 1994 toonde NASA de eerste beelden aan het grote publiek. De volgende dag presenteerde het WFPC2-team de resultaten tijdens de wintervergadering van de American Astronomical Society. Toen tijdens die vergadering de eerste beelden werden getoond leidde dit tot een staande ovatie en dat is iets heel ongebruikelijks in de astronomische gemeenschap.

De WFPC2-camera heeft in de 15 jaar dat de camera heeft gefunctioneerd meer dan 135.000 waarnemingen gedaan. Er zijn meer dan 3500 wetenschappelijke artikelen verschenen die zijn gebaseerd op gegevens tot de camera in 2009 met pensioen ging en daarna zijn er nog eens meer dan 2000 gepubliceerd.

Het succes van de WFPC2 was geen geluk of magie; het werd mogelijk gemaakt door een groep hardwerkende en slimme mensen die begrepen wat er op het spel stond en die de handschoen opnamen om de uitdaging aan te gaan.

In mei 2009 werd de WFPC2 door een groep astronauten verwijderd en vervangen door de Wide Field Camera 3 (WFC3) die op moment van schrijven nog steeds functioneert, 28 jaar nadat de Hubble aan zijn grote klus begon. WFPC2 werd na terugkeer op Aarde opgenomen in de collectie van het Smithonian Air and Space Museum in Washington.

Meer informatie over de bouw en de ontwikkeling van de WFPC2 

Bron: HubbleSite                                                                                                                                                                                                            Eerste publicatie: 10 december 2018