För tjugofem år sedan denna vecka, NASA höll andan när sju astronauter på rymdfärjan Endeavour kom ikapp med Hubble Space Telescope 353 miles (568 kilometer) över jorden. Deras uppdrag:att fixa ett förödande fel i teleskopets primära spegel.

Ungefär lika stor som en skolbuss, rymdteleskopet Hubble har en 8 fot (2,4 meter) primärspegel. Det största optiska teleskopet som någonsin lanserats i rymden, där den kunde observera universum fritt från de snedvridande effekterna av jordens atmosfär, Hubble åkte mycket på den. Men efter att de första bilderna tagits och noggrant analyserats efter teleskopets utplacering den 25 april, 1990, det var tydligt att något var fel:bilderna var suddiga.

Astronomer och ingenjörer samlades för att studera en mängd olika lösningar på problemet, och NASA sammankallade en oberoende kommitté för att hitta källan. De kom alla till samma slutsats:Hubbles primära spegel, som ser ut som en mycket grund skål, hade polerats till fel form. Felet var mindre än bredden på ett människohår, men effekten var betydande. Om felet inte åtgärdades, Hubble skulle aldrig nå sin fulla potential.

Under veckan den 6 dec. 1993, astronautbesättningen installerade två delar av hårdvara som var avsedda att åtgärda felet. Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement (COSTAR) designades och byggdes av ett team vid NASA:s Goddard Spaceflight Center i Greenbelt, Maryland, och skulle korrigera för spegelfelet i tre av de fem instrumenten på Hubble.

Det andra instrumentet var Wide Field and Planetary Camera 2 (WFPC2), designad och byggd vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien. WFPC2, som faktiskt innehåller fyra kameror, skulle fortsätta att producera många av Hubbles hisnande bilder, hjälpa till att förändra vår syn på kosmos.

Storleken på en babyflygel, instrumentet avbildade objekt och händelser som inträffade i vårt eget solsystem – som kometen Shoemaker-Levy 9:s krasch in i Jupiter – till de mest avlägsna kosmologiska bilder som någonsin tagits i synligt ljus. Det genererade hisnande ögonblicksbilder av galaxer, exploderade stjärnor och nebulosor där nya stjärnor föds. Under instrumentets giltighetstid, Hubble-chefer riktade teleskopet mot en enda, svart fläck på himlen i mer än en vecka och hittade tusentals tidigare osynliga galaxer.

Men WFPC2:s framgång var långt ifrån garanterad. Instrumentet byggdes på en otroligt snäv tidslinje, och att designa den för att rätta till felet var något JPL:s John Trauger, huvudutredare för WFPC2, skulle senare beskriva som att "försöka spela baseboll på sidan av en kulle."

"Det är mycket tryck när du bygger ett rymdinstrument även under normala omständigheter, sa Dave Gallagher, JPL:s biträdande direktör för strategisk integration, som fungerade som integrations- och testansvarig för WFPC2. "Men när du fixar något som i huvudsak kommer att göra eller förstöra hela byråns rykte, trycket går genom taket."

En spegelbild

I juni 1990 NASA meddelade att Hubble-teleskopet inte fungerade som förväntat. WFPC2-teammedlemmar säger att de minns att reaktionen från allmänheten och media ofta var pessimistisk eller till och med otrolig. Trauger såg nätverkets nyhetsankare Tom Brokaw inleda sitt program den kvällen med att säga, "Hubbleteleskopet du har hört så mycket om - det är trasigt."

"Löftet om Hubble-programmet, tillämpningen av vår bästa teknik för att flytta tillbaka astronomiens gränser, hade omedelbart förvandlats i allmänhetens ögon till en ikon av tekniskt misslyckande, " skrev Trauger i en uppsats 2007.

Trauger samlade sitt team för att lösa problemet. Teleskopets primära och sekundära speglar samlade ljus och matade det till de fem ombordvarande vetenskapsinstrumenten. Den primära spegeln kunde inte bytas ut och kunde inte returneras till jorden för reparation. En lösning skulle behöva hittas för vart och ett av Hubbles instrument. COSTAR-enheten gav korrigerande optik för tre av dem, eliminerar behovet av att helt ersätta dessa instrument. Men samma tillvägagångssätt skulle inte fungera för teleskopets Wide Field and Planetary Camera (WFPC), föregångaren till WFPC2.

Trauger och hans team kom på en potentiell lösning. Det primära spegelfelet gjorde att ljus som träffade olika delar av spegeln hamnade i fokus på olika platser, så teamet var tvunget att ta reda på hur man omdirigerar det till lämplig kontaktpunkt. Deras lösning var att omvända problemet:de skulle placera fyra identiska nickelstora speglar inuti instrumentet – en för var och en av de fyra kamerorna inuti WFPC2 – med samma fel som den defekta primärspegeln, men där primärspegeln var för platt, de nya speglarna skulle krökas för djupt. Tillsammans, dessa två fel skulle ta bort varandra, producerar motsvarande en enda spegel med rätt form.

NASA accepterade JPL:s förslag att bygga en WFPC-ersättning. Byrån hade planerat att utföra reparationsuppdrag för Hubble vart tredje år och beslutade att behålla detta schema. Det första reparationsuppdraget sattes till hösten 1993. JPL skulle behöva leverera ersättaren till vintern 1992 – drygt två år bort. Kapplöpningen att reparera Hubble pågick.

Under press

Två år var långt ifrån tillräckligt med tid för att bygga ett nytt kamerainstrument från grunden. Tack och lov, WFPC2 var redan under uppbyggnad på JPL; NASA hade för avsikt att så småningom använda den som en uppgradering för WFPC eller en ersättning om instrumentet någonsin skulle misslyckas.

Även med arbetet med WFPC2 redan på gång, tidsfristen krävde ett påskyndat schema. Dave Rodgers och Larry Simmons, WFPC2 projektledare, höll dagliga möten med ledarna för var och en av WFPC2:s flera komponenter för att hålla sig på mål.

"De dagliga mötena höll pressen på oss alla, hela tiden, sa Simmons, som gick i pension från JPL 2005. "Vi visste att vi bara hade några år, och vi var tvungna att få det gjort."

Även om korrigeringsspeglarna var små, de påverkade nästan varje steg i byggprocessen och skapade "en oändlig rad nya problem, " enligt Trauger.

För att minimera risken för fel under installationen av WFPC2 i låg omloppsbana om jorden, de sju astronauterna som var planerade att utföra reparationsuppdraget reste till JPL för att lära sig om instrumentet och utbildas i hur man installerar det. De skulle föra in WFPC2 i ett hålrum i teleskopets kropp, som om du skjuter in den i en låda. Och även om de skulle behöva se till att de elektriska anslutningarna på baksidan av instrumentet var säkra, de hade inget sätt att nå dessa förbindelser; de kunde bara kontrollera hur de satte in instrumentet.

Det komplicerade saken ytterligare var vikten av WFPC2:på mer än 600 pund (272 kg), det var otympligt även i mikrogravitationen i låg omloppsbana om jorden. En av instrumentets speglar, kallad pickoff-spegeln, var monterad på en kort arm placerad utanför skyddshöljet. Att bara stöta på spegeln skulle felinrikta systemet och i huvudsak förstöra hela instrumentet. Under WFPC2:s konstruktion, Trauger och kollegor visade en modell av instrumentet för en astronaut, som stötte på pickoff-spegeln. Trauger kunde inte låta bli att undra, "Är detta ett omen?"

Dags att flyga

Ledarna för WFPC2-teamet reste till NASA:s Kennedy Space Center i Florida för uppskjutningen tidigt på morgonen den 2 december, 1993. Efter att ha lämnat Kennedy och letat efter en tidig frukost, Gallagher minns att han tittade upp mot gryningshimlen för att se rymdfärjan passera över huvudet och närma sig Hubble; föremålen dök upp som två svaga ljuspunkter på himlen när de kretsade runt jorden.

På den sjätte dagen av uppdraget, astronauterna Jeffrey Hoffman och Story Musgrave genomförde en rymdpromenad för att ta bort WFPC från Hubble och installera WFPC2. Allt verkade gå som planerat, men det verkliga testet var ännu att komma.

Astronauterna återvände till jorden den 13 december, och de första rådata från WFPC2 kom tillbaka den 18 december. Teamet lade data genom bildbehandlingsmjukvaran och tittade oroligt på när bilderna började rasa över skärmen. Det kom omedelbar lättnad.

"De var skarpa, ", sa Trauger om bilderna. "Och det var inte bara det att vi hade bilder som såg fantastiska ut, det var att vi gjorde nya upptäckter direkt. Det fanns saker i bilderna som vi aldrig hade sett förut."

NASA släppte de första bilderna för allmänheten den 13 januari, 1994. Nästa dag, WFPC2-teamet presenterade resultaten för en full publik vid American Astronomical Societys vintermöte.

"När vi visade de första bilderna, rummet utbröt; vi fick stående ovationer, sade Trauger. Det brukar man inte se på ett astronomimöte!

WFPC2-instrumentet fungerade på Hubble i över 15 år och tog mer än 135, 000 observationer av universum. Fler än 3, 500 vetenskapliga uppsatser skrevs baserat på dessa uppgifter innan instrumentet togs i pension 2009, och över 2, 000 fler har publicerats sedan dess.

"WFPC2 lyckades inte genom magi eller tur; det lyckades eftersom vi hade en kompetent och hårt arbetande grupp människor som förstod vad som stod på spel och tog sig an utmaningen, ", sa Gallagher. "Och precis som med alla projekt, Jag önskar att jag kunde ha transporterat det laget med mig till nästa uppdrag."

I maj 2009 astronauter tog bort WFPC2 från Hubble och ersatte den med Wide Field Camera 3 (WFC3), som fortsätter att fungera idag – 28 år efter att Hubble först slogs på. WFPC2 visades senare offentligt på Smithsonian Air and Space Museum i Washington, D.C.