#010 · Hubble's Mirror · Short Articles

In 1990, NASA launched a $1.5 billion telescope into orbit and discovered it could not focus. The flaw at the edge of the primary mirror was 2.2 microns deep — about a fiftieth the width of a human hair — and it had been ground in with exquisite precision.

On 24 April 1990, the Space Shuttle Discovery released the Hubble Space Telescope from its payload bay 614 kilometres above the Pacific. The instrument had been twenty years in the making and had cost about $1.5 billion. Astronomers had argued over its design since the Nixon administration. When the first engineering images came down a few weeks later, the stars in the field were not stars. They were small, soft smears, surrounded by haloes of scattered light. The optics were wrong.

The primary mirror was a 2.4-metre disc of ultra-low-expansion glass, ground and polished by the Perkin-Elmer Corporation in Danbury, Connecticut, between 1979 and 1981. Its shape was a hyperboloid, and the tolerance on that shape was famously tight: at no point was the surface allowed to deviate from the intended figure by more than about ten nanometres. By every measurement Perkin-Elmer had taken during fabrication, the mirror was the most precisely shaped piece of glass ever made.

Animation of Hubble Space Telescope trajectory Phoenix7777 · CC BY-SA 4.0

It was also the wrong shape. The outer edge had been polished about 2,200 nanometres — 2.2 microns — too flat. In an optical system at f/24, that is enough to throw most of the incoming light out of the focal point and into a fuzzy halo around it. Roughly seventy per cent of the light from a point source landed where it was not supposed to.

A spacer, off by a millimetre

The board of inquiry, chaired by Lew Allen of the Jet Propulsion Laboratory, traced the error to a single instrument: the reflective null corrector that Perkin-Elmer had built to test the mirror during polishing. A null corrector is a small optical jig that takes the curved wavefront expected from a finished mirror and flattens it, so a technician can compare it against a reference. If the jig itself is correct, the test is exquisite. If it is not, it is exquisitely wrong.

In a Perkin-Elmer optical shop Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

The jig held a small field lens in place against a metering rod. To set the spacing, a technician had used an end-cap with a precisely machined ledge. The ledge had been measured in the wrong place — against an anti-reflection coating rather than the metal beneath it. The lens ended up 1.3 millimetres further from the rod than the design called for. Every interferogram Perkin-Elmer took from then on confirmed that the mirror matched the (incorrect) reference perfectly.

A second, simpler test instrument had at one point disagreed. The technicians, trusting the more sophisticated device, set the disagreement aside. The Allen Report later called this "the fundamental flaw in the manufacture of the HST" — not the spacer, but the willingness to dismiss a measurement that did not fit.

A reflective null corrector stands on an optical bench beside the Hubble mirror test setup Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Glasses for a telescope

For three years Hubble took data through image-deconvolution software that could partly unstick the smearing, but the deep-field science was out of reach. NASA approved a servicing mission to fly in late 1993. The fix had a peculiar elegance: because the flaw was a known shape, you could build a second optical element with exactly the opposite error and feed Hubble's blurry light through it before it reached the instruments. Spectacles, basically.

A shallow-focus macro study shows the edge of a large polished mirror reflecting a thin li Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

The corrective package was called COSTAR — five pairs of small mirrors on mechanical arms that swung into the light path, each pre-figured to cancel the primary's error before the beam entered one of the older science instruments. The newer Wide Field and Planetary Camera 2, installed on the same mission, had the correction built into its own optics and did not need COSTAR at all.

In December 1993, the crew of STS-61 performed five back-to-back spacewalks over eleven days — at the time the most complex orbital repair ever attempted. When the first images came back in January, the haloes were gone. The point sources were points.

During the 1993 servicing mission Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

What we still don't know

We do not, exactly, know why the disagreement between the two null correctors was not escalated. The technicians involved have given accounts; the documentation from 1981 is incomplete. The Allen Report concluded that schedule pressure and a culture of trusting the primary metrology were both involved, but the meeting at which the discrepancy was set aside was not, in the modern sense, minuted.

We do not know what the mirror would have looked like under independent end-to-end testing. NASA had been offered, and declined, a full optical test of the assembled telescope on the ground before launch. The test would have cost roughly $100 million in 1980 dollars and added a year to the programme. Whether it would have caught the error depends on assumptions about the test facility that are now impossible to verify.

After correction Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

And we still do not, in a deeper sense, know how to budget for the failure mode that Hubble exposed: a measuring instrument that is wrong in a way the measurement itself cannot detect. Every large optical system since — Kepler, Gaia, the James Webb Space Telescope — has been built with multiple independent metrology paths, partly as direct inheritance from the 1990 board of inquiry.

The mirror is still 2.2 microns too flat at its edge. It has been the most productive scientific instrument in the history of astronomy for thirty-six years, and it has never once been touched.

En 1990, la NASA lanzó a la órbita un telescopio de 1500 millones de dólares y descubrió que no podía enfocar. El defecto en el borde del espejo primario tenía 2,2 micras de profundidad —alrededor de la cincuentava parte del grosor de un cabello humano— y había sido tallado con una precisión exquisita.

El 24 de abril de 1990, el Space Shuttle Discovery liberó al Hubble Space Telescope de su bodega de carga a 614 kilómetros sobre el Pacífico. El instrumento llevaba veinte años en proceso de fabricación y había costado alrededor de 1500 millones de dólares. Los astrónomos habían debatido sobre su diseño desde el gobierno de Nixon. Cuando las primeras imágenes de ingeniería llegaron unas semanas más tarde, las estrellas en el campo visual no eran estrellas. Eran pequeñas manchas borrosas, rodeadas por halos de luz dispersa. La óptica era defectuosa.

El espejo primario era un disco de 2,4 metros de vidrio de expansión ultrabaja, tallado y pulido por la corporación Perkin-Elmer en Danbury, Connecticut, entre 1979 y 1981. Su forma era un hiperboloide, y la tolerancia de dicha forma era notablemente estricta: en ningún punto se permitía que la superficie se desviara de la figura prevista en más de unos diez nanómetros. Según cada medición que Perkin-Elmer había tomado durante la fabricación, el espejo era la pieza de vidrio con la forma más precisa jamás creada.

Animation of Hubble Space Telescope trajectory Phoenix7777 · CC BY-SA 4.0

Pero también tenía la forma equivocada. El borde exterior había sido pulido hasta quedar unos 2200 nanómetros —2,2 micras— demasiado plano. En un sistema óptico a f/24, eso basta para desviar la mayor parte de la luz entrante del punto focal hacia un halo borroso a su alrededor. Aproximadamente el setenta por ciento de la luz de una fuente puntual incidía donde no debía.

Un espaciador, desviado un milímetro

La comisión de investigación, presidida por Lew Allen del Jet Propulsion Laboratory, rastreó el error hasta un único instrumento: el null corrector reflectivo que Perkin-Elmer había construido para probar el espejo durante el pulido. Un corrector nulo es un pequeño dispositivo óptico que toma el frente de onda curvo esperado de un espejo terminado y lo aplana, para que un técnico pueda compararlo con una referencia. Si el dispositivo en sí es correcto, la prueba es exquisita. Si no lo es, resulta exquisitamente errónea.

El dispositivo mantenía una pequeña lente de campo en su lugar contra una varilla de medición. Para establecer el espaciado, un técnico había utilizado una tapa con un reborde mecanizado con precisión. El reborde se había medido en el lugar equivocado: contra un recubrimiento antirreflectante en lugar del metal subyacente. La lente terminó 1,3 milímetros más lejos de la varilla de lo que exigía el diseño. A partir de entonces, cada interferograma que tomó Perkin-Elmer confirmó que el espejo coincidía a la perfección con la referencia (incorrecta).

En cierto momento, un segundo instrumento de prueba más sencillo había arrojado resultados discrepantes. Los técnicos, confiando en el dispositivo más sofisticado, dejaron de lado la discrepancia. Más tarde, el Informe Allen llamó a esto "el fallo fundamental en la fabricación del HST": no el espaciador, sino la disposición a descartar una medición que no encajaba.

Gafas para un telescopio

Durante tres años, el Hubble recopiló datos mediante un software de deconvolución de imágenes que podía deshacer parcialmente la borrosidad, pero la ciencia de campo profundo estaba fuera de su alcance. La NASA aprobó una misión de mantenimiento que volaría a finales de 1993. La solución tenía una elegancia peculiar: dado que el defecto tenía una forma conocida, se podía construir un segundo elemento óptico con exactamente el error opuesto y hacer pasar la luz borrosa del Hubble a través de él antes de que llegara a los instrumentos. Unas gafas, básicamente.

El paquete correctivo se llamó COSTAR: cinco pares de pequeños espejos sobre brazos mecánicos que se interponían en la trayectoria de la luz, cada uno preconfigurado para cancelar el error del primario antes de que el haz entrara en uno de los instrumentos científicos más antiguos. La nueva Cámara Planetaria y de Gran Angular 2, instalada en la misma misión, tenía la corrección integrada en su propia óptica y no necesitaba el COSTAR en absoluto.

En diciembre de 1993, la tripulación del STS-61 realizó cinco caminatas espaciales consecutivas a lo largo de once días: en su momento, la reparación orbital más compleja jamás intentada. Cuando las primeras imágenes regresaron en enero, los halos habían desaparecido. Las fuentes puntuales eran puntos.

Lo que aún no sabemos

No sabemos, exactamente, por qué la discrepancia entre los dos correctores nulos no se llevó a instancias superiores. Los técnicos involucrados han dado sus versiones; la documentación de 1981 está incompleta. El Informe Allen concluyó que la presión de los plazos y la cultura de confiar en la metrología primaria jugaron un papel, pero de la reunión en la que se dejó de lado la discrepancia no se levantó un acta en el sentido moderno de la palabra.

No sabemos cómo se habría visto el espejo bajo una prueba integral independiente. A la NASA se le había ofrecido, y esta había rechazado, una prueba óptica completa del telescopio ensamblado en tierra antes del lanzamiento. Dicha prueba habría costado aproximadamente 100 millones de dólares de 1980 y habría añadido un año al programa. El que hubiera detectado el error depende de suposiciones sobre las instalaciones de prueba que ahora resultan imposibles de verificar.

Y, en un sentido más profundo, todavía no sabemos cómo prever en el presupuesto el modo de fallo que el Hubble dejó al descubierto: un instrumento de medición que está equivocado de una forma que la propia medición no puede detectar. Desde entonces, cada gran sistema óptico —Kepler, Gaia, el James Webb Space Telescope— se ha construido con múltiples vías de metrología independientes, en parte como herencia directa de la comisión de investigación de 1990.

El espejo sigue siendo 2,2 micras demasiado plano en su borde. Ha sido el instrumento científico más productivo en la historia de la astronomía durante treinta y seis años, y no se ha tocado ni una sola vez.

1990年，美国宇航局将一台耗资15亿美元的望远镜发射入轨，却发现它无法对焦。主镜边缘的瑕疵深2.2微米——约为人类发丝宽度的五十分之一——而这道瑕疵竟是以极其精妙的精度打磨而成的。

1990年4月24日，Space Shuttle Discovery在太平洋上空614公里处，从其有效载荷舱中释放了Hubble Space Telescope。这台仪器历时二十年打造，耗资约15亿美元。自尼克松政府时期以来，天文学家们就一直在争论其设计方案。几周后，当首批工程图像传回时，视场中的恒星根本不是恒星。它们是一团团微小而柔和的污斑，周围环绕着散射光形成的光晕。光学系统出了问题。

主镜是一块直径2.4米的超低膨胀玻璃圆盘，于1979年至1981年间，由位于康涅狄格州丹伯里的Perkin-Elmer公司进行研磨和抛光。它的形状是双曲面，并且这种形状的公差出了名的严格：在任何一点上，表面与预期轮廓的偏差都不允许超过大约十纳米。根据Perkin-Elmer在制造过程中的每一次测量，这面镜子都是有史以来形状最精确的玻璃制品。

Animation of Hubble Space Telescope trajectory Phoenix7777 · CC BY-SA 4.0

但它的形状也是错误的。其外边缘被抛光得过于平坦，偏差了大约2200纳米——即2.2微米。在一个焦比为f/24的光学系统中，这足以将大部分入射光抛出焦点，并在焦点周围形成一个模糊的光晕。来自点光源的大约70%的光线，落在了不该落的地方。

偏差了一毫米的垫片

由喷气推进实验室的Lew Allen领导的调查委员会，将这一错误追溯到了一台单一的仪器：Perkin-Elmer为了在抛光过程中测试镜面而制造的反射式null corrector。零位校正器（null corrector）是一种小型光学夹具，它能将成品镜面预期产生的弯曲波前展平，以便技术人员将其与参考标准进行比较。如果夹具本身是准确的，那么测试就会极其精妙。如果不准确，那就会错得离谱。

该夹具将一小块视场透镜靠着一根测量杆固定到位。为了设定间距，一位技术人员使用了一个带有精密加工凸缘的端盖。这个凸缘在错误的位置进行了测量——靠在了增透膜上，而不是其下方的金属上。透镜最终离测量杆的距离比设计要求多出了1.3毫米。从那时起，Perkin-Elmer获取的每一张干涉图都证实，这面镜子与（不正确的）参考标准完美吻合。

另一种更简单的测试仪器曾一度得出了不一致的结果。相信那台更精密设备的技术人员们，将这一分歧搁置一旁。《艾伦报告》后来称这是“HST 制造过程中的根本性缺陷”——不是因为那个垫片，而是那种轻易无视不吻合的测量结果的态度。

望远镜的眼镜

三年间，哈勃依靠图像反卷积软件来获取数据，这种软件只能部分消除模糊，但深场科学研究依然遥不可及。NASA 批准了一项在1993年底执行的维修任务。这个修复方案有一种独特的巧妙之处：由于缺陷呈现出已知的形状，你可以制造出第二个具有完全相反误差的光学元件，让哈勃模糊的光线在到达仪器之前穿过它。基本上，这就相当于一副眼镜。

这个校正套件被称为COSTAR——即安装在机械臂上的五对小镜子，它们会摆动进入光路，每一对都经过预先塑形，以便在光束进入那些较老的科学仪器之前抵消主镜的误差。在同一次任务中安装的较新的第二代广域和行星照相机（WFPC2），已将其校正功能内置于自身的光学系统中，因而根本不需要 COSTAR。

1993年12月，STS-61的机组人员在11天内连续进行了五次太空行走——这是当时尝试过的最复杂的轨道维修任务。当第一批图像在一月份传回时，光晕不见了。点光源成了纯粹的点。

我们仍未知晓的事

我们并不确切知道，为什么两个零位校正器之间的差异没有被向上级汇报。相关的技术人员已经给出了说法；而1981年的文件记录并不完整。《艾伦报告》得出结论认为，进度压力和盲信主要测量结果的文化双双牵涉其中，但是在那场将差异搁置一旁的会议上，并没有留下现代意义上的会议记录。

我们不知道，在独立的端到端测试下，这面镜子会呈现出怎样的结果。曾有人提议在发射前对地面上组装好的望远镜进行全面的光学测试，但NASA拒绝了。这项测试如果按1980年的美元价值计算，大约耗资1亿美元，还会使该项目延长一年。它是否能发现这个错误，取决于对测试设施的种种假设，而这些假设如今已无法验证。

而且，在更深的层面上，我们仍然不知道如何为哈勃暴露出的这种故障模式做预算：一种测量仪器出了错，而这种错误是测量本身无法检测到的。自那以后的每一个大型光学系统——Kepler、Gaia以及James Webb Space Telescope——在建造时都采用了多条独立的测量路径，部分原因正是直接继承了1990年那次调查委员会的经验教训。

这面镜子的边缘至今依然过于平坦，偏差达2.2微米。三十六年来，它一直是天文学史上最多产的科学仪器，而且从未被触碰过哪怕一次。

في عام 1990، أطلقت ناسا تلسكوباً بقيمة 1.5 مليار دولار إلى المدار لتكتشف عجزه عن التركيز البؤري. بلغ عمق الخلل عند حافة المرآة الرئيسية 2.2 ميكرون — أي نحو جزء من خمسين من سُمك شعرة الإنسان — وقد صُقل بدقة متناهية.

في 24 أبريل 1990، أطلق Space Shuttle Discovery Hubble Space Telescope من عنبر الحمولات الخاص به على ارتفاع 614 كيلومتراً فوق المحيط الهادئ. استغرق صنع هذا الجهاز عشرين عاماً وبلغت تكلفته نحو 1.5 مليار دولار. وكان علماء الفلك قد تجادلوا حول تصميمه منذ عهد إدارة نيكسون. وعندما وصلت الصور الهندسية الأولى بعد بضعة أسابيع، لم تكن النجوم في مجال الرؤية نجوماً؛ بل كانت لطخات صغيرة وباهتة، تحيط بها هالات من الضوء المتناثر. كان النظام البصري معيباً.

كانت المرآة الرئيسية عبارة عن قرص بقطر 2.4 متر من الزجاج الفائق الانخفاض في التمدد، تم صقله وتلميعه بواسطة شركة Perkin-Elmer في دانبري بولاية كونيتيكت، بين عامي 1979 و 1981. وكان شكلها زائديًا (هيبربولياً)، وكان هامش التسامح في ذلك الشكل ضيقاً بشكل معروف: إذ لم يُسمح للسطح في أي نقطة بالانحراف عن الشكل المقصود بأكثر من نحو عشرة نانومترات. وبناءً على كل القياسات التي اتخذتها شركة Perkin-Elmer أثناء التصنيع، كانت هذه المرآة هي قطعة الزجاج الأكثر دقة في الشكل على الإطلاق.

Animation of Hubble Space Telescope trajectory Phoenix7777 · CC BY-SA 4.0

كما أنها كانت تتخذ شكلاً خاطئاً. فقد تم تلميع الحافة الخارجية لتصبح مسطحة أكثر من اللازم بمقدار نحو 2200 نانومتر، أي ما يعادل 2.2 ميكرون. وفي نظام بصري ببعد بؤري يبلغ f/24، يكفي هذا المقدار لإخراج معظم الضوء الوارد من نقطة البؤرة وتشتيته في هالة ضبابية حولها. حيث سقط نحو سبعين بالمائة من الضوء الصادر عن مصدر نقطي في مكان غير مخصص له.

فاصل، انحرف بمقدار مليمتر

تتبعت لجنة التحقيق، برئاسة Lew Allen من مختبر الدفع النفاث، الخطأ إلى أداة واحدة: null corrector العاكس الذي صممته شركة Perkin-Elmer لاختبار المرآة أثناء عملية التلميع. والمصحح الصفري عبارة عن أداة بصرية صغيرة تأخذ واجهة الموجة المنحنية المتوقعة من المرآة المكتملة وتسطحها، بحيث يمكن للفني مقارنتها بمرجع قياسي. وإذا كانت الأداة نفسها صحيحة، فإن الاختبار يكون في غاية الدقة. وإن لم تكن كذلك، فإنه يكون خاطئاً بشكل متناهي الدقة.

كانت الأداة تثبت عدسة مجال صغيرة في مكانها مقابل قضيب قياس. ولضبط المسافة الفاصلة، استخدم أحد الفنيين غطاءً طرفياً ذا حافة مشكّلة آلياً بدقة متناهية. وقد قِيست الحافة في المكان الخاطئ؛ أي مقابل طلاء مضاد للانعكاس بدلاً من المعدن الموجود أسفله. ونتيجة لذلك، استقرت العدسة على مسافة أبعد من القضيب بمقدار 1.3 مليمتر عما يتطلبه التصميم. ومنذ تلك اللحظة، أكد كل مخطط تداخل بصري التقطته شركة Perkin-Elmer أن المرآة تتطابق مع المرجع (الخاطئ) تطابقاً تاماً.

في مرحلة ما، أظهرت أداة اختبار ثانية أبسط نتيجة مغايرة. لكن الفنيين، لثقتهم في الجهاز الأكثر تعقيداً، تجاهلوا هذا الاختلاف. وفي وقت لاحق، وصف تقرير آلين هذا الأمر بأنه "الخلل الأساسي في تصنيع تلسكوب هابل الفضائي"؛ فلم يكن الخلل في الفاصل، بل في الاستعداد لتجاهل قياس لم يتوافق مع التوقعات.

نظارات لتلسكوب

على مدار ثلاث سنوات، التقط هابل البيانات عبر برمجيات لفك التفاف الصور كان بوسعها إزالة التلطخ جزئياً، غير أن علوم المجال العميق ظلت بعيدة المنال. وافقت وكالة ناسا على مهمة صيانة تُطلق في أواخر عام 1993. اتسم هذا الإصلاح بأناقة غريبة: فلأن الخلل كان ذا شكل معروف، أمكن بناء عنصر بصري ثانٍ بخطأ معاكس تماماً، وتمرير ضوء هابل الضبابي عبره قبل وصوله إلى الأجهزة. نظارات، بمعنى الكلمة.

أُطلق على الحزمة التصحيحية اسم COSTAR؛ وهي عبارة عن خمسة أزواج من المرايا الصغيرة المثبتة على أذرع ميكانيكية تتأرجح لتستقر في مسار الضوء، حيث شُكّل كل منها مسبقاً لإلغاء خطأ المرآة الرئيسية قبل أن يدخل الشعاع إلى أحد الأجهزة العلمية الأقدم. أما الكاميرا الكوكبية وواسعة المجال 2 الأحدث، التي رُكّبت خلال المهمة ذاتها، فقد دُمج التصحيح في نظامها البصري الخاص، ولم تكن بحاجة إلى COSTAR على الإطلاق.

وفي ديسمبر 1993، أجرى طاقم مهمة STS-61 خمس عمليات سير في الفضاء متتالية على مدار أحد عشر يوماً؛ والتي شكلت آنذاك عملية الإصلاح المداري الأكثر تعقيداً على الإطلاق. وعندما وصلت الصور الأولى في يناير، كانت الهالات قد اختفت. وعادت المصادر النقطية لتصبح نقاطاً واضحة.

ما زلنا لا نعرفه

نحن لا نعرف، على وجه الدقة، سبب عدم تصعيد التباين بين المصححين الصفريين. فقد قدم الفنيون المعنيون رواياتهم؛ لكن الوثائق العائدة لعام 1981 غير مكتملة. وخلص تقرير آلين إلى أن ضغط الجدول الزمني وثقافة الثقة في القياسات الأساسية كانا من العوامل المؤثرة، غير أن الاجتماع الذي تم فيه استبعاد هذا الاختلاف لم يُدوّن في محاضر رسمية بالمعنى الحديث.

ولا نعرف كيف كانت المرآة ستبدو في ظل اختبار شامل ومستقل من البداية إلى النهاية. فقد تلقت وكالة ناسا عرضاً لإجراء اختبار بصري كامل للتلسكوب المُجمَّع على الأرض قبل إطلاقه، لكنها رفضته. كان من شأن ذلك الاختبار أن يكلف نحو 100 مليون دولار بأسعار عام 1980، وأن يضيف عاماً كاملاً إلى البرنامج. أما مسألة ما إذا كان هذا الاختبار سيكتشف الخطأ أم لا، فتعتمد على افتراضات حول منشأة الاختبار يستحيل التحقق منها الآن.

وبمعنى أعمق، لا زلنا لا نعرف كيف نضع ميزانية تحسباً لنمط الفشل الذي كشف عنه هابل: وهو أداة قياس تُخطئ بطريقة لا يمكن للقياس ذاته أن يكتشفها. ومنذ ذلك الحين، بُني كل نظام بصري ضخم -مثل Kepler، وGaia، وJames Webb Space Telescope- بمسارات قياس متعددة ومستقلة، ويرجع ذلك جزئياً إلى الإرث المباشر للجنة التحقيق لعام 1990.

لا تزال المرآة مسطحة أكثر من اللازم بمقدار 2.2 ميكرون عند حافتها. وقد كانت الأداة العلمية الأكثر إنتاجية في تاريخ علم الفلك على مدار ستة وثلاثين عاماً، ولم تُلمس ولو لمرة واحدة.

Em 1990, a NASA lançou em órbita um telescópio de 1,5 bilhão de dólares e descobriu que ele não conseguia focar. O defeito na borda do espelho primário tinha 2,2 mícrons de profundidade — cerca da quinquagésima parte da espessura de um fio de cabelo humano — e fora polido com exímia precisão.

Em 24 de abril de 1990, o Space Shuttle Discovery liberou o Hubble Space Telescope de seu compartimento de carga a 614 quilômetros acima do Pacífico. O instrumento estava em desenvolvimento havia vinte anos e custara cerca de 1,5 bilhão de dólares. Os astrônomos debatiam seu projeto desde o governo Nixon. Quando as primeiras imagens de engenharia chegaram, algumas semanas depois, as estrelas no campo de visão não eram estrelas. Eram pequenos borrões suaves, cercados por halos de luz difusa. A óptica estava errada.

O espelho primário era um disco de 2,4 metros de vidro de expansão ultrabaixa, esmerilhado e polido pela Perkin-Elmer Corporation em Danbury, Connecticut, entre 1979 e 1981. Seu formato era um hiperboloide, e a tolerância para esse formato era notoriamente rigorosa: em nenhum ponto a superfície poderia se desviar da forma projetada em mais de cerca de dez nanômetros. Segundo todas as medições feitas pela Perkin-Elmer durante a fabricação, o espelho era a peça de vidro moldada com a maior precisão em todos os tempos.

Animation of Hubble Space Telescope trajectory Phoenix7777 · CC BY-SA 4.0

Ele também tinha o formato errado. A borda externa havia sido polida de modo a ficar cerca de 2.200 nanômetros — 2,2 mícrons — plana demais. Em um sistema óptico f/24, isso é o suficiente para desviar a maior parte da luz incidente para fora do ponto focal e espalhá-la em um halo difuso ao redor. Aproximadamente setenta por cento da luz de uma fonte pontual incidia onde não deveria.

Um espaçador, com um milímetro de erro

A comissão de inquérito, presidida por Lew Allen, do Jet Propulsion Laboratory, rastreou o erro até um único instrumento: o null corrector reflexivo que a Perkin-Elmer construíra para testar o espelho durante o polimento. Um corretor nulo é um pequeno gabarito óptico que capta a frente de onda curva esperada de um espelho acabado e a achata, para que um técnico possa compará-la com uma referência. Se o próprio gabarito estiver correto, o teste será primoroso. Se não estiver, será primorosamente incorreto.

O gabarito mantinha uma pequena lente de campo no lugar, encostada numa haste de medição. Para ajustar o espaçamento, um técnico usou uma ponteira com uma borda usinada com extrema precisão. A borda havia sido medida no lugar errado — contra um revestimento antirreflexo, em vez do metal subjacente. A lente acabou ficando 1,3 milímetro mais distante da haste do que o projeto exigia. A partir de então, cada interferograma feito pela Perkin-Elmer confirmou que o espelho correspondia perfeitamente à referência (incorreta).

Em dado momento, um segundo instrumento de teste, mais simples, apresentou um resultado divergente. Os técnicos, confiando no dispositivo mais sofisticado, deixaram a divergência de lado. O Relatório Allen mais tarde classificou isso como "a falha fundamental na fabricação do HST" — não o espaçador, mas a disposição em descartar uma medição que não se encaixava.

Óculos para um telescópio

Durante três anos, o Hubble coletou dados através de um software de deconvolução de imagens que conseguia desfazer parcialmente os borrões, mas a ciência de campo profundo permanecia inatingível. A NASA aprovou uma missão de manutenção para ser lançada no final de 1993. O conserto tinha uma elegância peculiar: como a falha tinha um formato conhecido, era possível construir um segundo elemento óptico com o erro exatamente oposto e fazer a luz desfocada do Hubble passar por ele antes de chegar aos instrumentos. Óculos, basicamente.

O pacote corretivo foi chamado de COSTAR — cinco pares de pequenos espelhos em braços mecânicos que se moviam para o trajeto da luz, cada um pré-ajustado para cancelar o erro do espelho primário antes que o feixe de luz entrasse em um dos instrumentos científicos mais antigos. A nova Wide Field and Planetary Camera 2, instalada na mesma missão, tinha a correção embutida em sua própria óptica e não precisou de forma alguma do COSTAR.

Em dezembro de 1993, a tripulação da STS-61 realizou cinco caminhadas espaciais consecutivas ao longo de onze dias — na época, o reparo orbital mais complexo já tentado. Quando as primeiras imagens retornaram em janeiro, os halos haviam desaparecido. As fontes pontuais eram de fato pontos.

O que ainda não sabemos

Não sabemos, exatamente, por que a divergência entre os dois corretores nulos não foi levada a instâncias superiores. Os técnicos envolvidos deram seus relatos; a documentação de 1981 está incompleta. O Relatório Allen concluiu que a pressão do cronograma e uma cultura de confiar cegamente na metrologia primária estiveram envolvidas, mas a reunião na qual a discrepância foi deixada de lado não foi, no sentido moderno, registrada em ata.

Não sabemos como o espelho teria se saído sob um teste independente de ponta a ponta. A NASA recebeu — e recusou — a oferta de um teste óptico completo do telescópio montado em solo, antes do lançamento. O teste teria custado cerca de 100 milhões de dólares em valores de 1980 e acrescentado um ano ao programa. Se ele teria ou não flagrado o erro é algo que depende de pressuposições sobre as instalações de teste que hoje são impossíveis de verificar.

E, num sentido mais profundo, ainda não sabemos como prever no orçamento a modalidade de falha que o Hubble expôs: um instrumento de medição que está errado de uma forma que a própria medição não consegue detectar. Todo grande sistema óptico construído desde então — o Kepler, a Gaia, o James Webb Space Telescope — foi projetado com múltiplas vias de metrologia independentes, em parte como herança direta da comissão de inquérito de 1990.

O espelho ainda é 2,2 mícrons plano demais em sua borda. Tem sido o instrumento científico mais produtivo da história da astronomia há trinta e seis anos, e jamais foi tocado sequer uma vez.

1990 में, नासा ने 1.5 अरब डॉलर का एक टेलीस्कोप कक्षा में प्रक्षेपित किया और पाया कि वह फोकस नहीं कर सकता था। प्राथमिक दर्पण के किनारे पर मौजूद दोष 2.2 माइक्रोन गहरा था — एक मानव बाल की मोटाई का लगभग पचासवाँ हिस्सा — और इसे असाधारण सटीकता के साथ तराशा गया था।

24 अप्रैल 1990 को, Space Shuttle Discovery ने प्रशांत महासागर से 614 किलोमीटर ऊपर अपने पेलोड बे से Hubble Space Telescope को अंतरिक्ष में छोड़ा। इस उपकरण को बनने में बीस साल लगे थे और इस पर लगभग 1.5 बिलियन डॉलर की लागत आई थी। निक्सन प्रशासन के समय से ही खगोलविद इसके डिज़ाइन को लेकर बहस कर रहे थे। कुछ हफ़्तों बाद जब पहली इंजीनियरिंग तस्वीरें सामने आईं, तो दृष्टि क्षेत्र में दिखने वाले तारे, तारे नहीं लग रहे थे। वे बिखरे हुए प्रकाश के प्रभामंडल से घिरे, छोटे और धुंधले धब्बों की तरह दिख रहे थे। ऑप्टिक्स गलत थे।

प्राथमिक दर्पण अत्यंत कम फैलाव वाले कांच की 2.4 मीटर की एक डिस्क थी, जिसे 1979 और 1981 के बीच कनेक्टिकट के डैनबरी में Perkin-Elmer कॉर्पोरेशन द्वारा घिसकर पॉलिश किया गया था। इसका आकार एक हाइपरबोलॉइड था, और उस आकार की सहनशीलता असाधारण रूप से सख्त थी: किसी भी बिंदु पर सतह को निर्धारित आकार से लगभग दस नैनोमीटर से अधिक विचलित होने की अनुमति नहीं थी। निर्माण के दौरान पर्कन-एल्मर द्वारा लिए गए प्रत्येक माप के अनुसार, यह दर्पण अब तक का सबसे सटीक आकार वाला कांच का टुकड़ा था।

Animation of Hubble Space Telescope trajectory Phoenix7777 · CC BY-SA 4.0

यह गलत आकार का भी था। इसके बाहरी किनारे को लगभग 2,200 नैनोमीटर — 2.2 माइक्रोन — अधिक सपाट पॉलिश कर दिया गया था। f/24 वाले एक ऑप्टिकल सिस्टम में, यह आने वाले अधिकांश प्रकाश को फ़ोकल बिंदु से बाहर निकालकर इसके चारों ओर एक धुंधले प्रभामंडल में बिखेरने के लिए पर्याप्त है। किसी बिंदु स्रोत से आने वाले प्रकाश का लगभग सत्तर प्रतिशत हिस्सा वहाँ पड़ रहा था जहाँ उसे नहीं पड़ना चाहिए था।

एक स्पेसर, जिसमें एक मिलीमीटर की त्रुटि थी

जेट प्रोपल्शन लेबोरेटरी के Lew Allen की अध्यक्षता वाले जांच बोर्ड ने इस त्रुटि का मूल कारण एक ही उपकरण को पाया: वह रिफ्लेक्टिव null corrector जिसे पर्कन-एल्मर ने पॉलिशिंग के दौरान दर्पण का परीक्षण करने के लिए बनाया था। नल करेक्टर एक छोटा ऑप्टिकल जिग होता है जो एक तैयार दर्पण से अपेक्षित घुमावदार वेवफ्रंट को लेता है और उसे सपाट कर देता है, ताकि एक तकनीशियन किसी संदर्भ के साथ इसकी तुलना कर सके। अगर जिग अपने आप में सही है, तो परीक्षण बेहद सटीक होता है। और अगर यह सही नहीं है, तो यह पूरी तरह से गलत होता है।

इस जिग ने एक छोटे फील्ड लेंस को मीटरिंग रॉड के सामने अपनी जगह पर टिका रखा था। उनके बीच की दूरी तय करने के लिए, एक तकनीशियन ने एंड-कैप का इस्तेमाल किया था जिसमें एक बहुत ही सटीकता से तराशा गया लेज (कगार) था। इस लेज को गलत जगह पर मापा गया था — नीचे मौजूद धातु के बजाय एंटी-रिफ्लेक्शन कोटिंग के ऊपर। नतीजतन, लेंस डिज़ाइन की आवश्यकता से 1.3 मिलीमीटर अधिक दूर स्थापित हो गया। इसके बाद पर्कन-एल्मर द्वारा लिए गए हर इंटरफेरोग्राम ने यही पुष्टि की कि दर्पण उस (गलत) संदर्भ से पूरी तरह मेल खाता है।

एक समय पर दूसरे और अधिक सरल परीक्षण उपकरण के परिणाम इससे भिन्न आए थे। लेकिन तकनीशियनों ने अधिक परिष्कृत उपकरण पर भरोसा करते हुए, इस विसंगति को दरकिनार कर दिया। एलन रिपोर्ट ने बाद में इसे "एचएसटी के निर्माण में मूलभूत खामी" कहा — वह स्पेसर नहीं, बल्कि एक ऐसे माप को खारिज करने की प्रवृत्ति जो उनके अनुकूल नहीं था।

एक दूरबीन के लिए चश्मा

तीन वर्षों तक हबल ने इमेज-डीकनवोल्यूशन सॉफ़्टवेयर के माध्यम से डेटा लिया जो आंशिक रूप से धुंधलेपन को साफ़ कर सकता था, लेकिन 'डीप-फील्ड' विज्ञान अभी भी पहुँच से बाहर था। नासा ने 1993 के अंत में उड़ान भरने के लिए एक सर्विसिंग मिशन को मंजूरी दी। इस सुधार में एक अनोखी खूबी थी: चूँकि खामी का आकार ज्ञात था, इसलिए आप ठीक इसके विपरीत त्रुटि वाला एक दूसरा ऑप्टिकल तत्व बना सकते थे और हबल के धुंधले प्रकाश को उपकरणों तक पहुँचने से पहले इसमें से गुज़ार सकते थे। मूल रूप से, एक चश्मा।

इस सुधारात्मक पैकेज को COSTAR नाम दिया गया था — यांत्रिक भुजाओं पर छोटे दर्पणों के पाँच जोड़े जो प्रकाश के पथ में आते थे, जिनमें से प्रत्येक को इस तरह से आकार दिया गया था कि वे पुराने विज्ञान उपकरणों में से किसी एक में किरण के प्रवेश करने से पहले प्राथमिक दर्पण की त्रुटि को रद्द कर सकें। उसी मिशन पर स्थापित किए गए नए वाइड फील्ड और प्लैनेटरी कैमरा 2 में यह सुधार इसके अपने ऑप्टिक्स में ही अंतर्निहित था और इसे कोस्टार की बिल्कुल भी आवश्यकता नहीं थी।

दिसंबर 1993 में, STS-61 के चालक दल ने ग्यारह दिनों के दौरान लगातार पाँच स्पेस वॉक किए — जो उस समय तक का सबसे जटिल कक्षीय मरम्मत कार्य था। जब जनवरी में पहली तस्वीरें वापस आईं, तो वे प्रभामंडल गायब थे। बिंदु स्रोत बिल्कुल बिंदुओं की तरह ही दिखाई दे रहे थे।

हम अभी भी क्या नहीं जानते हैं

हम सटीक रूप से नहीं जानते कि दोनों नल करेक्टरों के बीच की विसंगति को आगे उच्च अधिकारियों तक क्यों नहीं पहुँचाया गया। इसमें शामिल तकनीशियनों ने अपने-अपने बयान दिए हैं; 1981 के दस्तावेज़ अधूरे हैं। एलन रिपोर्ट ने निष्कर्ष निकाला कि समय-सीमा का दबाव और प्राथमिक मेट्रोलॉजी पर भरोसा करने की संस्कृति दोनों इसमें शामिल थे, लेकिन जिस बैठक में इस विसंगति को दरकिनार किया गया था, उसका आधुनिक अर्थों में कोई लिखित रिकॉर्ड (मिनट्स) नहीं रखा गया था।

हम यह नहीं जानते कि एक स्वतंत्र एंड-टू-एंड परीक्षण के तहत दर्पण कैसा दिखाई देता। लॉन्च से पहले नासा को ज़मीन पर पूरी तरह तैयार टेलीस्कोप के ऑप्टिकल परीक्षण की पेशकश की गई थी, जिसे उसने ठुकरा दिया था। इस परीक्षण पर 1980 के डॉलर के हिसाब से लगभग 100 मिलियन डॉलर का खर्च आता और कार्यक्रम में एक साल और जुड़ जाता। क्या यह परीक्षण त्रुटि को पकड़ पाता, यह परीक्षण सुविधा के बारे में उन मान्यताओं पर निर्भर करता है जिन्हें अब सत्यापित करना असंभव है।

और हम अभी भी, गहरे अर्थों में, यह नहीं जानते कि हबल द्वारा उजागर किए गए इस विफलता के तरीके के लिए बजट कैसे निर्धारित किया जाए: एक ऐसा मापक यंत्र जो इस तरह से गलत हो कि स्वयं मापन द्वारा ही उसका पता न लगाया जा सके। उसके बाद से प्रत्येक बड़े ऑप्टिकल सिस्टम — Kepler, Gaia, James Webb Space Telescope — को कई स्वतंत्र मेट्रोलॉजी मार्गों के साथ बनाया गया है, जो आंशिक रूप से 1990 के जांच बोर्ड से मिली सीधी सीख है।

दर्पण अपने किनारे पर अभी भी 2.2 माइक्रोन अधिक सपाट है। यह छत्तीस वर्षों से खगोल विज्ञान के इतिहास में सबसे अधिक उत्पादक वैज्ञानिक उपकरण रहा है, और इसे एक बार भी छुआ नहीं गया है।

Pada tahun 1990, NASA meluncurkan teleskop senilai $1,5 miliar ke orbit dan mendapati bahwa teleskop itu tidak dapat berfokus. Cacat di tepi cermin utamanya sedalam 2,2 mikron — sekitar seperlima puluh tebal sehelai rambut manusia — dan cacat tersebut telah diasah dengan presisi yang paripurna.

Pada tanggal 24 April 1990, Space Shuttle Discovery melepaskan Hubble Space Telescope dari ruang muatannya di ketinggian 614 kilometer di atas Samudra Pasifik. Instrumen ini memakan waktu pembuatan dua puluh tahun dan menghabiskan biaya sekitar 1,5 miliar dolar. Para astronom telah memperdebatkan desainnya sejak era pemerintahan Nixon. Ketika citra-citra teknis pertamanya dikirimkan beberapa minggu kemudian, bintang-bintang di bidang pandang tersebut tidaklah tampak seperti bintang. Bintang-bintang itu terlihat seperti bercak kecil yang samar, dikelilingi oleh halo cahaya yang berhamburan. Sistem optiknya keliru.

Cermin utamanya berupa piringan kaca berekspansi ultrarendah berukuran 2,4 meter, yang diasah dan dipoles oleh Perkin-Elmer Corporation di Danbury, Connecticut, antara tahun 1979 dan 1981. Bentuknya adalah sebuah hiperboloida, dan toleransi pada bentuk tersebut terkenal sangat ketat: tidak ada satu titik pun pada permukaannya yang boleh menyimpang dari kurva yang dirancang lebih dari sekitar sepuluh nanometer. Berdasarkan setiap pengukuran yang dilakukan oleh Perkin-Elmer selama proses fabrikasi, cermin tersebut merupakan potongan kaca dengan bentuk paling presisi yang pernah dibuat.

Animation of Hubble Space Telescope trajectory Phoenix7777 · CC BY-SA 4.0

Namun, cermin itu juga memiliki bentuk yang salah. Tepi luarnya telah dipoles sekitar 2.200 nanometer — 2,2 mikron — terlalu datar. Dalam sebuah sistem optik pada f/24, tingkat kemelencengan tersebut cukup untuk membuat sebagian besar cahaya yang masuk meleset dari titik fokus dan membentuk halo yang buram di sekitarnya. Sekitar tujuh puluh persen cahaya dari sebuah sumber titik jatuh di tempat yang tidak semestinya.

Sebuah penjarak, meleset satu milimeter

Dewan penyelidik, yang diketuai oleh Lew Allen dari Jet Propulsion Laboratory, melacak sumber kesalahan tersebut ke satu instrumen tunggal: null corrector reflektif yang dibuat oleh Perkin-Elmer untuk menguji cermin tersebut selama proses pemolesan. Null corrector adalah sebuah perkakas optik kecil yang menangkap lengkungan muka gelombang yang diharapkan dari sebuah cermin yang telah selesai dibuat, lalu meratakannya, sehingga seorang teknisi dapat membandingkannya dengan acuan. Jika perkakas itu sendiri tepat, maka hasil pengujiannya akan sempurna. Jika tidak, maka pengujian tersebut pun akan meleset dengan sama sempurnanya.

Perkakas itu menahan sebuah lensa medan kecil pada posisinya terhadap sebuah batang pengukur. Untuk mengatur jaraknya, seorang teknisi telah menggunakan sebuah penutup ujung dengan tepian yang dibuat dengan mesin secara presisi. Namun, tepian itu diukur pada titik yang salah — terhadap lapisan anti-refleksi, alih-alih pada logam di bawahnya. Hasilnya, lensa itu berada 1,3 milimeter lebih jauh dari batang pengukur dibandingkan dengan yang disyaratkan oleh desainnya. Sejak saat itu, setiap interferogram yang diambil oleh Perkin-Elmer mengonfirmasi bahwa cermin itu cocok secara sempurna dengan acuan (yang keliru) tersebut.

Sebuah instrumen penguji kedua yang lebih sederhana, pada suatu ketika, pernah menunjukkan ketidaksesuaian. Para teknisi, yang lebih memercayai perangkat yang lebih canggih tersebut, mengabaikan perbedaan hasil ini. Laporan Allen di kemudian hari menyebut hal ini sebagai "cacat mendasar dalam pembuatan HST" — bukan penjaraknya, melainkan kebersediaan untuk mengabaikan ukuran yang tidak sesuai.

Kacamata untuk sebuah teleskop

Selama tiga tahun, Hubble mengambil data melalui perangkat lunak dekonvolusi citra yang sebagian mampu menjernihkan kembali kekaburan tersebut, namun sains medan-dalam masih berada di luar jangkauan. NASA menyetujui misi perbaikan untuk mengudara pada akhir tahun 1993. Solusinya memiliki keanggunan yang tidak biasa: karena bentuk kecacatan itu diketahui, orang dapat membuat elemen optik kedua dengan tingkat kesalahan yang persis berlawanan, lalu melewatkan cahaya buram Hubble melaluinya sebelum cahaya tersebut mencapai instrumen lainnya. Pada dasarnya, itu adalah kacamata.

Paket korektif ini dinamakan COSTAR — lima pasang cermin kecil pada lengan-lengan mekanis yang berayun masuk ke jalur cahaya, masing-masing telah dikonfigurasi sebelumnya untuk meniadakan kesalahan pada cermin utama sebelum berkas cahaya memasuki salah satu instrumen sains yang lebih tua. Wide Field and Planetary Camera 2 yang lebih baru, yang dipasang dalam misi yang sama, sudah memiliki koreksi bawaan di dalam sistem optiknya sendiri dan tidak membutuhkan COSTAR sama sekali.

Pada bulan Desember 1993, kru STS-61 melakukan lima *spacewalk* berturut-turut selama sebelas hari — pada saat itu merupakan upaya perbaikan orbit paling rumit yang pernah dicoba. Ketika citra-citra pertama dikirimkan kembali pada bulan Januari, pendaran halo itu sudah lenyap. Sumber titik kembali menjadi titik.

Apa yang masih belum kita ketahui

Kita tidak benar-benar tahu persis mengapa perbedaan antara kedua penguji *null corrector* tersebut tidak dilaporkan ke tingkatan yang lebih tinggi. Para teknisi yang terlibat telah memberikan kesaksian; namun dokumentasi dari tahun 1981 tidaklah lengkap. Laporan Allen menyimpulkan bahwa tekanan jadwal dan budaya yang terlalu memercayai metrologi utama sama-sama menjadi faktor yang berperan, tetapi rapat yang menyingkirkan perbedaan tersebut tidak diberi notula sebagaimana layaknya dalam pengertian modern.

Kita tidak tahu akan seperti apa wujud cermin itu seandainya diuji secara mandiri dan menyeluruh dari ujung ke ujung. NASA pernah ditawari, namun menolak, pengujian optik secara penuh terhadap teleskop yang telah dirakit di darat tersebut sebelum peluncurannya. Uji tersebut akan memakan biaya sekitar 100 juta dolar AS pada nilai mata uang tahun 1980 dan menambah waktu satu tahun lagi ke dalam program tersebut. Apakah ujian itu akan mampu menangkap kesalahan tersebut bergantung pada asumsi-asumsi mengenai fasilitas pengujian yang saat ini tidak mungkin lagi untuk diverifikasi.

Dan dalam pengertian yang lebih mendalam, kita masih tidak tahu cara menganggarkan moda kegagalan yang disingkap oleh Hubble: sebuah instrumen pengukur yang keliru tetapi dengan cara yang tidak dapat dideteksi oleh pengukuran itu sendiri. Setiap sistem optik berukuran besar sejak saat itu — Kepler, Gaia, James Webb Space Telescope — telah dibangun dengan berbagai jalur metrologi yang independen, sebagian sebagai warisan langsung dari dewan penyelidik tahun 1990.

Cermin itu masih tetap 2,2 mikron terlalu datar di bagian tepinya. Ia telah menjadi instrumen ilmiah paling produktif dalam sejarah astronomi selama tiga puluh enam tahun, dan tidak pernah sekali pun cermin tersebut disentuh.

En 1990, la NASA plaça en orbite un télescope à 1,5 milliard de dollars, pour découvrir qu'il était incapable de faire le point. L'imperfection au bord du miroir primaire n'était profonde que de 2,2 microns — soit environ un cinquantième de l'épaisseur d'un cheveu — et elle avait été façonnée avec une précision exquise.

Le 24 avril 1990, la Space Shuttle Discovery libéra le Hubble Space Telescope de sa soute à 614 kilomètres au-dessus du Pacifique. L'instrument était le fruit de vingt années de travail et avait coûté environ 1,5 milliard de dollars. Les astronomes s'étaient disputés sur sa conception depuis l'administration Nixon. Lorsque les premières images techniques arrivèrent quelques semaines plus tard, les étoiles dans le champ n'en étaient pas. C'étaient de petites taches floues, entourées de halos de lumière diffuse. L'optique était défaillante.

Le miroir primaire était un disque de 2,4 mètres en verre à ultra-faible dilatation, meulé et poli par la Perkin-Elmer Corporation à Danbury, dans le Connecticut, entre 1979 et 1981. Sa forme était celle d'un hyperboloïde, et la tolérance de cette forme était d'une précision légendaire : en aucun point la surface ne devait dévier de la figure prévue de plus de dix nanomètres environ. Selon toutes les mesures effectuées par Perkin-Elmer pendant la fabrication, le miroir était la pièce de verre la plus précisément façonnée jamais réalisée.

Animation of Hubble Space Telescope trajectory Phoenix7777 · CC BY-SA 4.0

Il n'avait pourtant pas la bonne forme. Le bord extérieur avait été poli avec un aplatissement excessif d'environ 2 200 nanomètres — soit 2,2 microns. Dans un système optique à f/24, cela suffit à projeter la majeure partie de la lumière entrante hors du foyer, créant un halo flou tout autour. Environ 70 % de la lumière provenant d'une source ponctuelle atterrissait là où elle n'était pas censée se trouver.

Une cale décalée d'un millimètre

La commission d'enquête, présidée par Lew Allen du Jet Propulsion Laboratory, remonta jusqu'à l'origine de l'erreur : un seul instrument, le null corrector réfléchissant que Perkin-Elmer avait construit pour tester le miroir pendant le polissage. Un correcteur nul est un petit montage optique qui prend le front d'onde incurvé attendu d'un miroir fini et l'aplatit, afin qu'un technicien puisse le comparer à une référence. Si le montage lui-même est correct, le test est d'une précision exquise. S'il ne l'est pas, il est d'une précision exquise dans l'erreur.

Le montage maintenait une petite lentille de champ en place contre une tige de mesure. Pour régler l'espacement, un technicien avait utilisé un embout muni d'un rebord usiné avec précision. Le rebord avait été mesuré au mauvais endroit — contre un revêtement antireflet plutôt que sur le métal situé en dessous. La lentille se retrouva 1,3 millimètre plus loin de la tige que ne le prévoyait la conception. Chaque interférogramme réalisé par Perkin-Elmer à partir de ce moment confirma que le miroir correspondait parfaitement à la référence (erronée).

Un second instrument de test, plus simple, avait à un moment donné contredit ces résultats. Les techniciens, faisant confiance à l'appareil le plus sophistiqué, écartèrent cette divergence. Le rapport Allen qualifia plus tard cet acte de « faille fondamentale dans la fabrication du HST » — non pas la cale elle-même, mais la volonté de rejeter une mesure qui ne concordait pas.

Des lunettes pour un télescope

Pendant trois ans, Hubble recueillit des données grâce à des logiciels de déconvolution d'image capables de corriger partiellement le flou, mais la science des champs profonds restait hors de portée. La NASA approuva une mission de maintenance pour la fin de l'année 1993. La solution était d'une élégance singulière : puisque le défaut correspondait à une forme connue, on pouvait fabriquer un second élément optique présentant exactement l'erreur inverse, et y faire passer la lumière floue de Hubble avant qu'elle n'atteigne les instruments. Des lunettes, en somme.

Le dispositif correctif fut baptisé COSTAR — cinq paires de petits miroirs montés sur des bras mécaniques qui pivotaient dans le chemin optique, chacun étant pré-configuré pour annuler l'erreur du primaire avant que le faisceau n'entre dans l'un des anciens instruments scientifiques. La nouvelle caméra Wide Field and Planetary Camera 2, installée lors de la même mission, intégrait la correction dans sa propre optique et n'avait nullement besoin de COSTAR.

En décembre 1993, l'équipage de STS-61 effectua cinq sorties extravéhiculaires consécutives sur onze jours — ce qui représentait à l'époque la réparation orbitale la plus complexe jamais tentée. Lorsque les premières images revinrent en janvier, les halos avaient disparu. Les sources ponctuelles étaient redevenues des points.

Ce que nous ignorons encore

Nous ne savons pas exactement pourquoi la divergence entre les deux correcteurs nuls n'a pas fait l'objet d'un signalement hiérarchique. Les techniciens impliqués ont donné leurs versions ; la documentation de 1981 est incomplète. Le rapport Allen a conclu que la pression du calendrier et une culture de confiance absolue envers la métrologie primaire avaient joué un rôle, mais la réunion au cours de laquelle la divergence fut écartée n'a pas fait l'objet d'un procès-verbal au sens moderne du terme.

Nous ignorons à quoi le miroir aurait ressemblé lors d'un test indépendant de bout en bout. On avait proposé à la NASA, qui l'avait refusé, un test optique complet du télescope assemblé au sol avant son lancement. Le test aurait coûté environ 100 millions de dollars (de 1980) et ajouté un an au programme. Quant à savoir s'il aurait permis de détecter l'erreur, cela dépend d'hypothèses sur les installations de test qu'il est désormais impossible de vérifier.

Et nous ne savons toujours pas, dans un sens plus profond, comment budgétiser le mode de défaillance révélé par Hubble : un instrument de mesure erroné d'une manière que la mesure elle-même ne peut détecter. Depuis lors, chaque grand système optique — Kepler, Gaia, le James Webb Space Telescope — a été construit avec de multiples voies de métrologie indépendantes, en partie comme un héritage direct de la commission d'enquête de 1990.

Le miroir est toujours trop plat de 2,2 microns à son bord. Depuis trente-six ans, il est l'instrument scientifique le plus productif de l'histoire de l'astronomie, et il n'a jamais été touché une seule fois.

1990年、NASAは15億ドルの巨費を投じた望遠鏡を軌道へと打ち上げた。だが、そこで判明したのは、焦点が結べないという事実だった。主鏡の端に生じた歪みは、深さわずか2.2ミクロン。人間の髪の毛の太さの約50分の1というその微かな誤差は、あろうことか精緻を極めた精度で研ぎ出されていた。

1990年4月24日、Space Shuttle Discoveryは、太平洋の614キロメートル上空で、そのペイロードベイからHubble Space Telescopeを放出した。この観測装置の製作には20年の歳月と約15億ドルの費用が投じられていた。天文学者たちはニクソン政権時代からその設計について議論を重ねてきた。数週間後、最初の一連のエンジニアリング画像が送られてきたとき、そこに映し出された星は、星の体を成していなかった。それらは散乱光の光輪（ハロー）に包まれた、小さく、ぼやけた染みに過ぎなかった。光学系に欠陥があったのである。

主鏡は、1979年から1981年にかけてコネチカット州ダンベリーのPerkin-Elmer社によって研磨・仕上げが行われた、直径2.4メートルの超低膨張ガラス製ディスクであった。その形状は双曲面であり、形状の許容誤差が極めて厳しいことで知られていた。表面のどの地点においても、設計値からの逸脱はわずか10ナノメートル程度しか許されなかった。製作中にパーキン・エルマー社が行ったあらゆる測定において、この鏡は人類史上最も精密に成形されたガラスであるはずだった。

Animation of Hubble Space Telescope trajectory Phoenix7777 · CC BY-SA 4.0

しかし、その形状は間違っていた。外周部が約2,200ナノメートル（2.2ミクロン）、平坦すぎたのである。口径比f/24の光学系において、これほどの誤差は、入射する光の大部分を焦点から逸らし、その周囲にぼやけた光輪を作り出すのに十分なものだった。点光源からの光の約70パーセントが、本来あるべきではない場所に届いてしまっていた。

1ミリメートルずれたスペーサー

ジェット推進研究所のLew Allenが委員長を務めた調査委員会は、この誤りの原因を一基の装置、すなわちパーキン・エルマー社が鏡の研磨作業中にテストを行うために製作した反射型のnull corrector（ヌル・コレクター）にまで遡って突き止めた。ヌル・コレクターとは、完成した鏡から期待される湾曲した波面を平坦化し、技術者が基準値と比較できるようにするための小さな光学治具である。治具そのものが正しければ、そのテストは極めて精緻なものとなる。だが、もし治具が間違っていれば、それは「精緻に」間違った結果をもたらす。

この治具は、小さなフィールドレンズを測長棒に押し当てて固定する構造になっていた。その間隔を設定するために、技術者は精密加工された段差を持つエンドキャップを使用したが、その段差の位置を誤って測定してしまった。金属面ではなく、その上の反射防止コーティングを基準にしてしまったのである。結果として、レンズは設計値よりも測長棒から1.3ミリメートル離れた位置に据え付けられた。それ以降、パーキン・エルマー社が撮影したすべての干渉図（インターフェログラム）は、鏡がこの（間違った）基準に完璧に一致していることを示し続けた。

より単純な第二のテスト装置が、ある時点で矛盾する結果を示していた。しかし、技術者たちはより精緻な装置の方を信頼し、その矛盾を無視した。後にアレン報告書は、これを「HST製造における根本的な欠陥」と呼んだ。それはスペーサーの誤りそのものではなく、適合しない測定値を切り捨ててしまうという姿勢であった。

望遠鏡のための眼鏡

その後3年間、ハッブルは画像のボケをある程度解消できるデコンボリューション・ソフトウェアを介してデータを取得し続けたが、深宇宙を観測するディープ・フィールド・サイエンスには手が届かなかった。NASAは1993年末に実施される修理ミッションを承認した。その解決策は、ある種の奇妙な優雅さを備えていた。欠陥の形状が既知であったため、それとは正反対の誤差を持つ第二の光学素子を製作し、ハッブルのぼやけた光が各観測装置に届く前にそこを通過させるようにしたのである。要するに、眼鏡である。

この補正パッケージはCOSTARと呼ばれた。機械式アームの先に付いた5組の小さな鏡が光路内に展開され、それぞれの鏡が、光が古い観測装置に入る前に主鏡の誤差を打ち消すようにあらかじめ成形されていた。同じミッションで取り付けられた新しい広視野惑星カメラ2（WFPC2）は、自身の光学系に補正機能が組み込まれていたため、COSTARを全く必要としなかった。

1993年12月、STS-61の乗組員は11日間にわたり5回連続の船外活動を行った。これは当時、史上最も複雑な軌道上修理ミッションであった。1月に最初の画像が戻ってきたとき、光輪は消えていた。点光源は、点として映し出されていた。

今なお解明されていないこと

2つのヌル・コレクターの間の矛盾が、なぜ上層部へ報告されなかったのか、その正確な理由は分かっていない。関係した技術者たちはそれぞれの証言を残しているが、1981年当時の記録は不完全である。アレン報告書は、スケジュールの圧力と主計測装置を過信する文化の両方が関わっていたと結論づけているが、その不一致が不問に付された会議には、現代的な意味での議事録が残されていない。

もし独立したエンド・トゥ・エンド（端から端まで）のテストが行われていたとしたら、鏡がどのように見えていたかも分からない。NASAは打ち上げ前に、地上で組み立てられた状態の望遠鏡の完全な光学テストを行う提案を受けていたが、それを拒否していた。そのテストには、1980年当時の価値で約1億ドルの費用がかかり、計画が1年遅れることになっただろう。そのテストで誤りを発見できたかどうかは、今となっては検証不可能なテスト施設の前提条件に左右される。

そして、ハッブルが露呈させた失敗の形態、すなわち「測定自体では検知できない形で間違っている測定装置」に対して、どのように予算を配分すべきかという問いに対する答えも、深い意味ではまだ得られていない。それ以降のすべての大型光学系——Kepler、Gaia、そしてJames Webb Space Telescope——は、1990年の調査委員会からの直接的な教訓として、複数の独立した計測経路を備えて建設されている。

主鏡の縁はいまも、2.2ミクロンだけ平坦すぎるままである。それでもハッブルは36年間にわたり、天文学の歴史において最も多産な科学装置であり続け、その鏡に直接手が触れられたことは一度もない。

В 1990 году НАСА вывела на орбиту телескоп стоимостью 1,5 миллиарда долларов и обнаружила, что он не может сфокусироваться. Изъян на краю главного зеркала имел глубину 2,2 микрона — примерно в пятьдесят раз меньше толщины человеческого волоса — и был выточен с филигранной точностью.

24 апреля 1990 года Space Shuttle Discovery выпустил Hubble Space Telescope из своего грузового отсека на высоте 614 километров над Тихим океаном. Создание этого инструмента заняло двадцать лет и обошлось примерно в 1,5 миллиарда долларов. Астрономы спорили о его конструкции еще со времен администрации Никсона. Когда несколько недель спустя поступили первые технические снимки, звезды в поле зрения оказались вовсе не звездами. Это были маленькие, нечеткие пятна, окруженные ореолами рассеянного света. С оптикой было что-то не так.

Главное зеркало представляло собой 2,4-метровый диск из стекла с ультранизким коэффициентом расширения, отшлифованный и отполированный корпорацией Perkin-Elmer в Данбери, штат Коннектикут, в период с 1979 по 1981 год. Оно имело форму гиперболоида, и допуск по этой форме был знаменито жестким: ни в одной точке поверхность не могла отклоняться от заданного профиля более чем на десять нанометров. Согласно всем измерениям, проведенным Perkin-Elmer во время изготовления, зеркало было самым точно спрофилированным куском стекла из когда-либо созданных.

Animation of Hubble Space Telescope trajectory Phoenix7777 · CC BY-SA 4.0

Но форма все же была неверной. Внешний край отполировали примерно на 2200 нанометров — 2,2 микрона — более плоско, чем требовалось. В оптической системе с относительным отверстием f/24 этого достаточно, чтобы большая часть входящего света не попадала в фокус, а рассеивалась в размытое гало. Примерно семьдесят процентов света от точечного источника оказывалось там, где его быть не должно.

Проставка, смещенная на миллиметр

Следственная комиссия под председательством Lew Allen из Лаборатории реактивного движения проследила ошибку до одного-единственного прибора: отражающего null corrector, который Perkin-Elmer построила для проверки зеркала в процессе полировки. Нуль-корректор — это небольшое оптическое приспособление, которое берет искривленный волновой фронт, ожидаемый от готового зеркала, и выравнивает его, чтобы техник мог сравнить его с эталоном. Если само приспособление верно, проверка проходит безупречно. Если нет — она будет безупречно ошибочной.

Оправа удерживала небольшую полевую линзу на стержне-измерителе. Чтобы задать расстояние, техник использовал наконечник с точно выточенным уступом. Уступ был измерен не в том месте — по антибликовому покрытию, а не по металлу под ним. В итоге линза оказалась на 1,3 миллиметра дальше от стержня, чем предусматривалось конструкцией. С этого момента каждая интерферограмма, снятая Perkin-Elmer, подтверждала, что зеркало идеально соответствует (неверному) эталону.

В какой-то момент показания второго, более простого контрольного прибора разошлись с основными. Техники, доверяя более сложному устройству, отмахнулись от этого расхождения. В «отчете Аллена» позже это назовут «фундаментальным пороком в производстве HST» — не саму ошибку с проставкой, а готовность игнорировать измерение, которое не вписывалось в общую картину.

Очки для телескопа

В течение трех лет «Хаббл» собирал данные с использованием программного обеспечения для деконволюции изображений, которое позволяло частично устранить размытость, но серьезная наука о глубоком космосе оставалась недосягаемой. НАСА одобрило сервисную миссию, назначенную на конец 1993 года. Решение проблемы отличалось своеобразным изяществом: поскольку дефект имел известную форму, можно было изготовить второй оптический элемент с точно такой же, но противоположной ошибкой и пропустить через него размытый свет «Хаббла», прежде чем он достигнет инструментов. По сути — очки.

Корректирующий пакет получил название COSTAR — пять пар небольших зеркал на механических кронштейнах, которые выдвигались на пути света. Каждое зеркало было спрофилировано так, чтобы компенсировать погрешность главного зеркала до того, как луч попадет в один из старых научных приборов. Более новая «Широкоугольная и планетарная камера 2», установленная в ходе той же миссии, имела встроенную коррекцию в собственной оптике и в COSTAR не нуждалась.

В декабре 1993 года экипаж миссии STS-61 совершил пять последовательных выходов в открытый космос за одиннадцать дней — на тот момент это был самый сложный орбитальный ремонт в истории. Когда в январе пришли первые снимки, ореолы исчезли. Точечные источники стали точками.

Чего мы до сих пор не знаем

Мы не знаем точно, почему информация о расхождении между двумя нуль-корректорами не была передана выше по инстанции. Участвовавшие в процессе техники давали свои объяснения, но документация за 1981 год неполна. В отчете Аллена сделан вывод, что здесь сыграли роль и давление графика, и культура безоговорочного доверия к основной метрологии, но совещание, на котором расхождение было проигнорировано, не протоколировалось в современном смысле этого слова.

Мы не знаем, как выглядело бы зеркало при проведении независимых сквозных испытаний. НАСА предлагали провести полную проверку собранной оптики телескопа на земле перед запуском, но агентство отказалось. По ценам 1980 года такое испытание обошлось бы примерно в 100 миллионов долларов и добавило бы год к программе. Помогло бы оно выявить ошибку или нет, зависит от предположений о испытательном стенде, которые теперь невозможно проверить.

И мы до сих пор не знаем, в более глубоком смысле, как закладывать бюджет на тот тип отказа, который выявил «Хаббл»: когда измерительный прибор ошибается так, что само измерение не может этого обнаружить. С тех пор каждая крупная оптическая система — Kepler, Gaia, James Webb Space Telescope — строилась с использованием нескольких независимых путей метрологического контроля, что отчасти стало прямым наследием следственной комиссии 1990 года.

Зеркало у края все еще на 2,2 микрона более плоско, чем нужно. Но вот уже тридцать шесть лет оно остается самым продуктивным научным инструментом в истории астрономии, и к самому стеклу никто никогда не прикасался.

1990 beförderte die NASA ein 1,5 Milliarden Dollar teures Teleskop in die Umlaufbahn und musste feststellen, dass es nicht fokussieren konnte. Der Makel am Rand des Hauptspiegels war 2,2 Mikrometer tief – etwa ein Fünfzigstel der Dicke eines menschlichen Haares – und er war mit exquisiter Präzision eingeschliffen worden.

Am 24. April 1990 entließ das Space Shuttle Discovery das Hubble Space Telescope aus seiner Ladebucht, 614 Kilometer über dem Pazifik. Das Instrument war zwanzig Jahre lang in der Entwicklung gewesen und hatte etwa 1,5 Milliarden Dollar gekostet. Astronomen hatten seit der Nixon-Regierung über seinen Entwurf gestritten. Als einige Wochen später die ersten technischen Aufnahmen eintrafen, waren die Sterne im Bildfeld keine Sterne. Sie waren kleine, weiche Flecken, umgeben von Lichthöfen aus Streulicht. Die Optik war fehlerhaft.

Der Hauptspiegel war eine 2,4 Meter große Scheibe aus Glas mit extrem geringer Wärmeausdehnung, geschliffen und poliert von der Perkin-Elmer Corporation in Danbury, Connecticut, zwischen 1979 und 1981. Seine Form war ein Hyperboloid, und die Toleranz für diese Form war bekanntlich eng: An keinem Punkt durfte die Oberfläche um mehr als etwa zehn Nanometer von der beabsichtigten Form abweichen. Nach jeder Messung, die Perkin-Elmer während der Fertigung vornahm, war der Spiegel das am präzisesten geformte Stück Glas, das jemals hergestellt worden war.

Animation of Hubble Space Telescope trajectory Phoenix7777 · CC BY-SA 4.0

Er hatte jedoch auch die falsche Form. Der äußere Rand war um etwa 2.200 Nanometer – 2,2 Mikrometer – zu flach poliert worden. In einem optischen System bei f/24 reicht das aus, um den Großteil des einfallenden Lichts aus dem Brennpunkt in einen unscharfen Halo um diesen herum zu werfen. Etwa siebzig Prozent des Lichts einer Punktquelle landeten dort, wo sie nicht sein sollten.

Ein Distanzstück, um einen Millimeter versetzt

Der Untersuchungsausschuss unter dem Vorsitz von Lew Allen vom Jet Propulsion Laboratory führte den Fehler auf ein einziges Instrument zurück: den reflektierenden null corrector, den Perkin-Elmer gebaut hatte, um den Spiegel während des Polierens zu testen. Ein Null-Korrektor ist eine kleine optische Vorrichtung, die die von einem fertigen Spiegel erwartete gekrümmte Wellenfront aufnimmt und glättet, sodass ein Techniker sie mit einer Referenz vergleichen kann. Wenn die Vorrichtung selbst korrekt ist, ist der Test exquisit. Wenn sie es nicht ist, ist er exquisit falsch.

Die Vorrichtung hielt eine kleine Feldlinse gegen einen Messstab in Position. Um den Abstand einzustellen, hatte ein Techniker eine Endkappe mit einer präzise gefrästen Kante verwendet. Die Kante war an der falschen Stelle vermessen worden – an einer Antireflexbeschichtung statt am darunter liegenden Metall. Die Linse landete schließlich 1,3 Millimeter weiter vom Stab entfernt, als es der Entwurf vorsah. Jedes Interferogramm, das Perkin-Elmer von da an erstellte, bestätigte, dass der Spiegel perfekt mit der (falschen) Referenz übereinstimmte.

Ein zweites, einfacheres Testinstrument hatte an einem Punkt widersprochen. Die Techniker, die dem hochentwickelteren Gerät vertrauten, legten den Widerspruch beiseite. Der Allen-Bericht nannte dies später „den grundlegenden Fehler bei der Herstellung des HST“ – nicht das Distanzstück, sondern die Bereitschaft, eine Messung zu verwerfen, die nicht passte.

Eine Brille für ein Teleskop

Drei Jahre lang sammelte Hubble Daten mithilfe von Software zur Bildentfaltung, die die Unschärfe teilweise beheben konnte, doch die Erforschung des Deep Field blieb außer Reichweite. Die NASA genehmigte eine Wartungsmission für Ende 1993. Die Lösung besaß eine eigentümliche Eleganz: Da der Fehler eine bekannte Form hatte, konnte man ein zweites optische Element mit genau dem entgegengesetzten Fehler bauen und Hubbles unscharfes Licht hindurchleiten, bevor es die Instrumente erreichte. Im Grunde eine Brille.

Das Korrekturpaket trug den Namen COSTAR – fünf Paare kleiner Spiegel an mechanischen Armen, die in den Lichtweg schwenkten und jeweils so geformt waren, dass sie den Fehler des Hauptspiegels aufhoben, bevor der Strahl in eines der älteren wissenschaftlichen Instrumente eintrat. Die neuere Wide Field and Planetary Camera 2, die bei derselben Mission installiert wurde, hatte die Korrektur bereits in ihre eigene Optik integriert und benötigte COSTAR überhaupt nicht.

Im Dezember 1993 führte die Besatzung von STS-61 an elf Tagen fünf aufeinanderfolgende Außeneinsätze durch – die zu jener Zeit komplexeste Reparatur im Orbit, die je versucht wurde. Als im Januar die ersten Bilder eintrafen, waren die Lichthöfe verschwunden. Die Punktquellen waren Punkte.

Was wir immer noch nicht wissen

Wir wissen nicht genau, warum der Widerspruch zwischen den beiden Null-Korrektoren nicht weitergemeldet wurde. Die beteiligten Techniker haben Berichte abgegeben; die Dokumentation aus dem Jahr 1981 ist unvollständig. Der Allen-Bericht kam zu dem Schluss, dass sowohl Termindruck als auch eine Kultur des Vertrauens in die primäre Metrologie eine Rolle spielten, aber das Treffen, bei dem die Diskrepanz beiseitegelegt wurde, war im modernen Sinne nicht protokolliert.

Wir wissen nicht, wie der Spiegel bei einem unabhängigen End-to-End-Test abgeschnitten hätte. Der NASA war vor dem Start ein vollständiger optischer Test des zusammengebauten Teleskops am Boden angeboten worden, was sie jedoch ablehnte. Der Test hätte nach dem Stand von 1980 etwa 100 Millionen Dollar gekostet und das Programm um ein Jahr verlängert. Ob er den Fehler entdeckt hätte, hängt von Annahmen über die Testanlage ab, die heute nicht mehr zu verifizieren sind.

Und wir wissen im tieferen Sinne immer noch nicht, wie man das Risiko für jene Fehlerart einplant, die Hubble offenlegte: ein Messinstrument, das auf eine Weise falsch ist, die die Messung selbst nicht erkennen kann. Jedes große optische System seither – Kepler, Gaia, das James Webb Space Telescope – wurde mit mehreren unabhängigen Messwegen konstruiert, teilweise als direktes Erbe des Untersuchungsausschusses von 1990.

Der Spiegel ist an seinem Rand immer noch 2,2 Mikrometer zu flach. Er ist seit sechsunddreißig Jahren das produktivste wissenschaftliche Instrument in der Geschichte der Astronomie, und er wurde kein einziges Mal berührt.

1990년, NASA는 15억 달러 규모의 망원경을 궤도에 쏘아 올렸으나 초점을 맞출 수 없다는 사실을 발견했다. 주 반사경 가장자리의 결함은 깊이가 2.2마이크론—머리카락 굵기의 약 50분의 1—에 불과했으나, 그것은 실로 정교한 정밀함으로 깎여 있었다.

1990년 4월 24일, Space Shuttle Discovery가 태평양 상공 614킬로미터 지점에서 화물창으로부터 Hubble Space Telescope를 사출했다. 이 장비는 제작에 20년이 소요되었고 약 15억 달러의 비용이 들었다. 천문학자들은 닉슨 행정부 시절부터 그 설계를 두고 논쟁을 벌여왔다. 몇 주 후 첫 공학 영상들이 전송되었을 때, 시야 속의 별들은 별의 모습이 아니었다. 그것들은 산란된 빛의 후광에 둘러싸인 작고 부드러운 번짐에 불과했다. 광학 계통에 문제가 생긴 것이다.

주경은 직경 2.4미터의 초저팽창 유리 원판으로, 1979년에서 1981년 사이 커네티컷주 댄버리에 위치한 Perkin-Elmer 사에 의해 연마 및 광택 작업이 이루어졌다. 그 형상은 쌍곡면이었으며, 해당 형상에 대한 오차 한계는 매우 엄격하기로 유명했다. 표면의 어느 지점에서도 의도한 수치로부터 약 10나노미터 이상 벗어나는 것이 허용되지 않았다. 제작 과정 중 퍼킨엘머가 실시한 모든 측정치에 따르면, 이 거울은 역사상 가장 정밀하게 형상화된 유리 조각이었다.

Animation of Hubble Space Telescope trajectory Phoenix7777 · CC BY-SA 4.0

하지만 그 형상은 잘못되어 있었다. 거울의 바깥쪽 가장자리가 약 2,200나노미터(2.2마이크론)가량 너무 평평하게 연마된 것이다. f/24 광학계에서 이 정도 오차는 들어오는 빛의 대부분을 초점에서 벗어나게 하여 주변에 뿌연 후광을 형성하기에 충분하다. 점광원에서 나오는 빛의 대략 70퍼센트가 맺혀야 할 곳이 아닌 다른 곳에 떨어졌다.

1밀리미터 어긋난 간격재

제트추진연구소의 Lew Allen이 의장을 맡은 조사 위원회는 오류의 원인을 단 하나의 장비로 추적했다. 바로 퍼킨엘머가 거울을 연마하는 동안 이를 시험하기 위해 제작한 반사형 null corrector였다. 널 교정기(null corrector)는 완성된 거울에서 기대되는 굴곡진 파면을 받아 이를 평평하게 펴줌으로써, 기술자가 기준점과 비교할 수 있게 해주는 작은 광학 지그다. 지그 자체가 정확하다면 이 시험은 더할 나위 없이 정밀하다. 하지만 지그가 틀렸다면, 그 결과 또한 정밀하게 틀리고 만다.

이 지그는 계측봉에 맞추어 작은 필드 렌즈를 고정하고 있었다. 간격을 설정하기 위해 기술자는 정밀 가공된 턱이 있는 엔드캡을 사용했다. 그런데 그 턱의 측정 위치가 잘못되었다. 금속 본체가 아닌, 그 위의 반사 방지 코팅을 기준으로 측정한 것이다. 결국 렌즈는 설계보다 막대에서 1.3밀리미터 더 멀리 떨어지게 되었다. 그 후 퍼킨엘머가 촬영한 모든 간섭무늬 영상은 거울이 (잘못된) 기준과 완벽하게 일치한다는 사실을 확인해 주었을 뿐이다.

좀 더 단순한 두 번째 시험 장비가 한때 다른 결과를 내놓은 적이 있었다. 하지만 기술자들은 더 정교한 장치를 신뢰한 나머지 그 불일치를 무시했다. 훗날 앨런 보고서는 이를 "허블 우주 망원경(HST) 제조 과정에서의 근본적인 결함"이라 명명했다. 문제는 간격재가 아니라, 들어맞지 않는 측정치를 묵살하려 했던 태도였다.

망원경을 위한 안경

3년 동안 허블은 번짐 현상을 일부 해소할 수 있는 영상 복원 소프트웨어를 통해 데이터를 수집했지만, 심우주 과학 연구는 요원한 상태였다. NASA는 1993년 말에 비행할 서비스 임무를 승인했다. 해결책은 기묘할 정도로 우아했다. 결함이 이미 알려진 형상이었기에, 정확히 정반대의 오차를 가진 두 번째 광학 소자를 제작하여 허블의 흐릿한 빛이 관측 장비에 도달하기 전 이를 통과하게 하면 되는 것이었다. 기본적으로는 안경과 같은 원리였다.

이 교정 패키지는 COSTAR라 불렸다. 이는 빛의 경로 안으로 회전하며 들어오는 기계 팔에 장착된 다섯 쌍의 작은 거울들로, 광선이 구형 과학 장비 중 하나로 들어가기 전 주경의 오차를 상쇄하도록 미리 형상화되어 있었다. 같은 임무에서 설치된 신형 광시야 행성 카메라 2(Wide Field and Planetary Camera 2)는 자체 광학계에 교정 기능이 내장되어 있었기에 코스타가 전혀 필요하지 않았다.

1993년 12월, STS-61의 승무원들은 11일에 걸쳐 다섯 번의 연속적인 우주 유영을 수행했다. 이는 당시 시도된 궤도 수리 작업 중 가장 복잡한 것이었다. 1월에 첫 영상이 돌아왔을 때, 후광은 사라져 있었다. 점광원은 비로소 점으로 보였다.

우리가 여전히 알지 못하는 것들

우리는 왜 두 널 교정기 사이의 불일치가 상부로 보고되지 않았는지 정확히 알지 못한다. 관련 기술자들이 각자의 설명을 내놓았으나, 1981년의 기록은 불완전하다. 앨런 보고서는 일정에 쫓기는 압박과 주 계측 장치를 맹신하는 문화가 모두 작용했다고 결론지었지만, 그 불일치를 묵살하기로 했던 당시의 회의는 현대적 의미의 회의록으로 기록되지 않았다.

만약 독립적인 전 과정(end-to-end) 시험을 거쳤다면 거울이 어떤 모습이었을지에 대해서도 알 수 없다. NASA는 발사 전 지상에서 조립된 망원경 전체에 대해 광학 시험을 실시할 것을 제안받았으나 이를 거절했다. 그 시험에는 1980년 가치로 약 1억 달러의 비용이 들고 프로그램 일정은 1년이 지연되었을 것이다. 그 시험이 오류를 잡아냈을지 여부는 지금으로서는 확인이 불가능한 시험 시설에 대한 가정에 달려 있다.

그리고 더 깊은 의미에서, 우리는 허블이 노출시킨 실패 유형에 어떻게 예산을 배정해야 할지 여전히 알지 못한다. 측정 자체가 감지할 수 없는 방식으로 잘못된 측정 도구라는 실패 유형 말이다. 그 이후의 모든 대형 광학 계통—Kepler, Gaia, James Webb Space Telescope—은 부분적으로는 1990년 조사 위원회의 직접적인 유산을 이어받아, 여러 개의 독립적인 계측 경로를 갖추도록 제작되었다.

주경의 가장자리는 여전히 2.2마이크론만큼 너무 평평하다. 하지만 이 망원경은 지난 36년 동안 천문학 역사상 가장 생산적인 과학 장비로 자리 잡았으며, 그 거울은 단 한 번도 사람의 손길이 닿지 않은 채 그대로 남아 있다.

Hubble's Mirror

A spacer, off by a millimetre

Glasses for a telescope

What we still don't know

Un espaciador, desviado un milímetro

Gafas para un telescopio

Lo que aún no sabemos

偏差了一毫米的垫片

望远镜的眼镜

我们仍未知晓的事

فاصل، انحرف بمقدار مليمتر

نظارات لتلسكوب

ما زلنا لا نعرفه

Um espaçador, com um milímetro de erro

Óculos para um telescópio

O que ainda não sabemos

एक स्पेसर, जिसमें एक मिलीमीटर की त्रुटि थी

एक दूरबीन के लिए चश्मा

हम अभी भी क्या नहीं जानते हैं

Sebuah penjarak, meleset satu milimeter

Kacamata untuk sebuah teleskop

Apa yang masih belum kita ketahui

Une cale décalée d'un millimètre

Des lunettes pour un télescope

Ce que nous ignorons encore

1ミリメートルずれたスペーサー

望遠鏡のための眼鏡

今なお解明されていないこと

Проставка, смещенная на миллиметр

Очки для телескопа

Чего мы до сих пор не знаем

Ein Distanzstück, um einen Millimeter versetzt

Eine Brille für ein Teleskop

Was wir immer noch nicht wissen

1밀리미터 어긋난 간격재

망원경을 위한 안경

우리가 여전히 알지 못하는 것들

Mentioned in this article

Sources