Das Hubble-Weltraumteleskop (, kurz HST) ist ein Weltraumteleskop, das von der NASA mit Unterstützung durch die ESA entwickelt wurde und das nach dem Astronomen Edwin Hubble benannt ist. Es kreist in einer Höhe von 490 bis 492 Kilometern (November 2025) über der Erdoberfläche um die Erde und arbeitet im Bereich des elektromagnetischen Spektrums vom Infrarotbereich über das sichtbare Licht bis in den Ultraviolettbereich. Der Spiegeldurchmesser beträgt 2,4 Meter.
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-Observatories-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.
Missionsziele Das Hubble-Weltraumteleskop wurde primär dazu geschaffen, die Einschränkungen durch die Erdatmosphäre zu umgehen. Die Moleküle der Atmosphäre begrenzen das Auflösungsvermögen von Teleskopen auf der Erdoberfläche, außerdem werden verschiedene Spektralbereiche blockiert. Das Weltraumteleskop sollte eine bis dahin nicht erreichte Auflösung erreichen. Die Missionsziele sind daher äußerst breit gefächert und umfassen praktisch alle wesentlichen Objekte und Phänomene des Universums: Planeten im Sonnensystem und darüber hinaus (Exoplaneten) Sterne Nebel aller Art Schwarze Löcher und deren Umgebung Galaxien in fast beliebiger Distanz und Alter Dunkle Materie und Dunkle Energie Alter des Universums
Vorgeschichte mini|Lyman Spitzer
Das erste ernsthafte Konzept eines wissenschaftlichen Teleskops in der Erdumlaufbahn wurde von Lyman Spitzer, damals Professor an der Yale University, im Jahre 1946 vorgelegt. In der wissenschaftlichen Publikation Astronomical Advantages of an Extra-Terrestrial Observatory (dt. etwa: „Astronomische Vorteile eines Weltraum-Observatoriums“) beschrieb er die damals unumgänglichen Störungen durch die Erdatmosphäre, die das Auflösungsvermögen jedes beliebig leistungsfähigen erdgebundenen Teleskops begrenzten. Darüber hinaus absorbiert die Atmosphäre auch die gesamte Röntgenstrahlung, was die Beobachtung von sehr heißen und aktiven kosmischen Ereignissen unmöglich macht. Als Lösung schlug er ein Teleskop in einer Erdumlaufbahn außerhalb der Atmosphäre vor.
Einige Zeit später trat die National Academy of Sciences an Spitzer heran, der nun an der Princeton University lehrte, um ihn als Leiter eines Ad-hoc-Komitees zum Entwurf eines Large Space Telescope (dt.: „Großes Weltraumteleskop“) zu engagieren. Während des ersten Treffens 1966 wurden umfangreiche Studien für den Einsatz eines solchen Teleskops angefertigt. Drei Jahre später wurde eine Arbeit mit dem Titel Scientific Uses of the Large Space Telescope (dt.: „Wissenschaftliche Verwendungen des großen Weltraumteleskops“) veröffentlicht, in der das Komitee den Bau eines solchen Teleskops forderte, da es einen „wesentlichen Beitrag zu unserem Wissen über die Kosmologie“ leisten könne.
Zur Verwirklichung dieses Vorhabens wandte man sich an die NASA, da keine andere Organisation die Mittel und Fähigkeiten für solch ein ambitioniertes Projekt besaß. Diese hatte bereits mehrere interne Studien, unter anderem auch unter der Leitung Wernher von Brauns, zu Weltraumteleskopen angefertigt, die allerdings alle mit kleineren Spiegeln geplant wurden. Durch die Entscheidung zum Bau des Space Shuttles gewann man Mitte der 1960er-Jahre die nötige Flexibilität, die vorhandenen Entwürfe weiterzuentwickeln. Im Jahre 1971 schuf der damalige NASA-Direktor George Low die Large Space Telescope Science Steering Group (dt. etwa: „Wissenschaftlicher Lenkungsausschuss für das Große Weltraumteleskop“), die die ersten Machbarkeitsstudien anfertigen sollte.
mini|OAO-1, ein 1966 gestarteter Vorläufer des Hubble-Teleskops In der Zwischenzeit gelangen durch die Orbiting Astronomical Observatory-Satelliten bedeutende Erfolge, was den Befürwortern eines großen Weltraumteleskops Auftrieb verlieh. Die Satelliten arbeiteten vor allem im Ultraviolett-Bereich und verfügten über Teleskope mit 30,5 bis 97 cm großen Hauptspiegeln. Im Jahr 1983 wurde mit IRAS ein Teleskop mit 60 cm Spiegel-Durchmesser für die Infrarotbeobachtung gestartet. Als technische Vorläufer des Hubble-Teleskops gelten die KH-11 Kennan-Spionagesatelliten des National Reconnaissance Office; sie wurden von 1976 bis 1988 gestartet und besitzen einen mit dem Hubble-Teleskop vergleichbaren Hauptspiegel."[…] the Shuttle could not lift a 3-meter telescope to the required orbit. In addition, changing to a 2.4-meter mirror would lessen fabrication costs by using manufacturing technologies developed for military spy satellites."
Als Nächstes musste die Finanzierung des Projekts durch die Regierung sichergestellt werden. Auf Grund des hohen Preises von 400 bis 500 Millionen (nach heutigem Wert etwa zwei Milliarden) US-Dollar wurde der erste Antrag im Jahre 1975 vom Haushaltsausschuss des Repräsentantenhauses abgelehnt. Daraufhin begann man mit intensiver Lobbyarbeit unter Führung von Spitzer, John N. Bahcall und eines weiteren führenden Astronomen aus Princeton. Darüber hinaus wandte man sich zur Finanzierung der Solarzellen an die ESRO (eine Vorgängerorganisation der ESA), der man im Gegenzug Beobachtungszeit und wissenschaftliche Mitwirkung anbot. Noch im selben Jahr gab diese ihr Einverständnis bekannt. Durch die zusätzliche Verkleinerung des Hauptspiegels von 3,0 auf 2,4 Meter konnte so der Preis auf etwa 200 Mio. US-Dollar reduziert werden. Das neue Konzept wurde zwei Jahre später vom Kongress bewilligt, so dass die Arbeiten an dem neuen Teleskop beginnen konnten.
Im Jahre 1978 wurden die wichtigsten Aufträge vergeben: PerkinElmer sollte das optische System inklusive des Hauptspiegels konstruieren, Lockheed war für die Struktur und den Satellitenbus zuständig, wobei die Solarzellen und ein Instrument (die Faint Object Camera) aus europäischer Produktion kommen sollte. Aufgrund der Wichtigkeit des Hauptspiegels wurde PerkinElmer außerdem angewiesen, ein Subunternehmen mit der Anfertigung eines Reservespiegels für den Fall von Beschädigungen zu beauftragen. Die Wahl fiel auf Eastman Kodak, wo man sich für einen traditionelleren Fertigungsprozess entschied (PerkinElmer nutzte ein neues Laser- und computergestütztes Schleifverfahren). Obwohl beide Spiegel die, wie sich später herausstellte, fehlerhafte Qualitätskontrolle bestanden, war laut einigen Wissenschaftlern das Kodak-Fabrikat das bessere. Trotzdem entschied sich PerkinElmer, seinen eigenen Spiegel einzusetzen. Ursprünglich sollte das Teleskop 1983 gestartet werden. Dieser Termin konnte aufgrund von Verzögerungen bei der Konstruktion der Optik nicht gehalten werden, die endgültige Startbereitschaft wurde im Dezember 1985 erreicht. In der Zwischenzeit wurde im Jahre 1983 an der Johns Hopkins University das Space Telescope Science Institute gegründet, das als Teil der Association of Universities for Research in Astronomy den Betrieb des neuen Teleskops übernehmen sollte. Im selben Jahr wurde es nach Edwin Hubble, dem Entdecker der Expansion des Universums, in Hubble Space Telescope (kurz: HST) umbenannt.
Start mini|Hubble wird aus der Nutzlastbucht der Discovery in den Weltraum ausgesetzt
Nachdem die internen Probleme den Start um zwei Jahre verzögert hatten, konnte auch der neue Starttermin zum Oktober 1986 nicht eingehalten werden. Grund hierfür war das Challenger-Unglück am 28. Januar, bei dem alle sieben Astronauten auf Grund eines Konstruktionsfehlers an einem der Feststoff-Booster ums Leben kamen. Da Hubble mit dem Space Shuttle transportiert werden sollte, wurde der Start auf Grund der umfangreichen Verbesserungsmaßnahmen an den anderen Raumfähren um weitere vier Jahre verzögert.
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.
Der Hauptspiegelfehler mini|Das erste Bild des WFPC-Instruments. Der Stern in der Mitte müsste als Punkt ohne Streulicht abgebildet werden.
Obwohl nach der Fertigung des Hauptspiegels Maßnahmen zur Qualitätssicherung ergriffen wurden, entdeckte man bereits beim ersten Licht massive Bildfehler (siehe Bild). Gemäß den Spezifikationen sollten bei einem Punktziel (zum Beispiel einem Stern) 70 % des Lichts innerhalb von 0,1 Winkelsekunden konzentriert werden. Tatsächlich wurde es über 0,7 Winkelsekunden verteilt, was den wissenschaftlichen Wert des Teleskops massiv senkte. Anschließende Messungen mit Hilfe der Wide Field/Planetary Camera, der Faint Object Camera und den Wellenfront-Sensoren der drei Fine Guidance Sensors zeigten mit hoher Sicherheit eine starke sphärische Aberration durch Unebenheiten auf dem Primärspiegel.
Als feststand, dass es sich um einen großen und komplexen Fehler handelte, ordnete der NASA-Direktor Richard Harrison Truly die Bildung eines Untersuchungsausschusses (Hubble Space Telescope Optical Systems Board of Investigation) an, der den Fehler weiter eingrenzen und beheben sollte. Die Untersuchungen konzentrierten sich auf den Null-Korrektor, der bei der Fertigung zur Qualitätskontrolle eingesetzt wurde und die sphärische Aberration hätte anzeigen müssen. Ein Null-Korrektor ist ein optisches Instrument, das eine spezielle Wellenfront auf den Spiegel projiziert. Wenn dieser korrekt geschliffen wurde, wird ein exakt kreisförmiges Muster reflektiert. Anhand von Abweichungen von diesem Kreismuster kann man ablesen, ob und in welchem Ausmaß noch Polier- und Schleifarbeiten nötig sind. Der Korrektor wurde für die Herstellung des Spiegels neu entwickelt. Der neue reflektierende Null-Korrektor sollte eine höhere Genauigkeit erreichen als konventionelle Null-Korrektoren. Die im reflektierenden Null-Korrektor verbauten Linsen mussten dazu jedoch hochgenau ausgerichtet und justiert sein. Bei der Untersuchung des Originalkorrektors, der nach Auslieferung des Hauptspiegels eingelagert worden war, stellte man fest, dass eine Linse 1,3 mm zu weit von einer anderen entfernt war. Anschließend wurden Computersimulationen durchgeführt, die die Auswirkungen dieses Fehlers auf den Hauptspiegel berechneten. Die Ergebnisse passten in Art und Ausmaß sehr genau zu den beobachteten Abbildungsfehlern des Teleskops im Orbit, so dass der falsche Linsenabstand im Korrektor letztlich für den Hauptspiegelfehler verantwortlich war.
mini|Eine Aufnahme der Galaxie Messier 100 vor (links) und nach (rechts) der Installation von COSTAR Im weiteren Verlauf der Untersuchungen wurden dann im Bereich der Qualitätssicherung eine Vielzahl von Versäumnissen und behindernden Strukturen aufgedeckt: Während der Herstellung fanden mehrfach Tests mit konventionellen Null-Korrektoren statt. Ihre Ergebnisse wiesen auf den Fehler hin. Die Aussagekraft dieser Tests wurde jedoch falsch eingeschätzt und die Ergebnisse wurden nicht vollständig untersucht.