望向宇宙的眼睛——哈勃太空望远镜

望向宇宙的眼睛——哈勃太空望远镜,第1张

哈勃太空望远镜最初构想于20世纪40年代,耶鲁大学天体物理学家-小莱曼·斯皮策发表了一篇关于空间天文学优势的论文,并介绍了大型太空望远镜的概念,写了望远镜在太空中的科学好处。他提议在地球轨道上设计、建造和发射一个“地球外观测站”。他的开创性想法最终花了几十年才得以实现。

1974年天体物理学家和工程师为大型太空望远镜举行了他们的第一次工作组会议。会议制定了空间望远镜的概念以及航天器的预算和技术要求。

1977年10月1日-美国国会于1977年早些时候批准的大型空间望远镜项目的资金开始生效,该项目正式开始实施。

1983年美国宇航局宣布了大型太空望远镜的正式名称:哈勃太空望远镜,纪念已故天文学家埃德温·哈勃的开创性研究。埃德温·哈勃计算出仙女座星系大约有90万光年远,是银河系中已知最远恒星距离的8倍多,让他得出结论,仙女座不是星云,而是一个星系,最重要的是,银河系只是我们宇宙中的星系之一。改变了我们对太空的看法。以及他作为天文学家的许多其他成就,美国宇航局于1983年以他的名字正式命名了太空望远镜。

1986年1月,挑战者号航天飞机的全体机组人员在发射后爆炸。使哈勃的发射受阻了四年多。这导致了1989年发布的“指南星表”和支持它的软件,彻底改变了天文学家锁定恒星位置从任何地面或空间天文台收集数据的方式,并最终实现了哈勃观测的自动化。

在构想了40多年后,1990年4月24日哈勃太空望远镜从位于佛罗里达州卡纳维拉尔角的肯尼迪航天中心发射到地球轨道。一天后,宇航员从发现号航天飞机的货舱引导这架43英尺12吨的望远镜进入离地球表面340英里的轨道上。哈勃每天运行15圈--大约每95分钟一圈。望远镜以每秒5英里(8公里)的速度移动,大约每小时17,000英里(每小时27,300公里)。

同年5月20日哈勃望远镜发布了这张“第一束光”图像,以说明与地面观测站相比,望远镜的分辨率有所提高。右边是哈勃太空望远镜的广域/行星相机拍摄的第一张照片的一部分。

在分析了哈勃太空望远镜的第一张图像后,科学家们意识到主镜有一个缺陷,称为球面像差。一项调查显示,在制造过程中,镜子的外部边缘被磨得太平,深度为4微米(大致相当于人类头发厚度的1/50)。这个缺陷分散了宇宙物体反射的光线,导致图像模糊。虽然哈勃望远镜没有返回预期的图像质量,但它仍然提供了地面望远镜不可能获得的结果。

在1970年代初,大型太空望远镜最初计划要求每5年返回地球,翻新,并重新发射,并在轨道上服务每2.5年。硬件寿命和可靠性要求是基于服务任务之间的2.5年间隔。直到70年代后期,与航天飞机返回地球有关的污染和结构负荷问题消除了该计划中的地面返回概念。美国宇航局决定,在轨维修的可能足以维持哈勃太空望远镜的15年设计寿命。于是采用了为期三年的在轨维修周期。

所以自1990年开始运作,哈勃被设计成为一个长期的、以空间为基础的天文台。为了实现这一目标,并保护航天器免受仪器和设备故障的影响,美国航天局计划执行定期维修任务。以保持其平稳运行并延长其寿命。

服务任务(SM1)

在1993年12月2日至13日,在奋进号航天飞机上的7名宇航员对哈勃进行了第一次服务任务。在第一次服务任务中最主要的便是纠正了哈勃望远镜主镜视力模糊的缺陷。并安装了两个新的设备-广域和行星相机2,和修正光学空间望远镜轴向替换。都是为了补偿主镜的缺陷形状而设计的。并对望远镜做了其他的修理更换或替换了新的仪器。

这次成功的飞行任务不仅提高了哈勃望远镜的视力--在很短的时间内导致了一系列非凡的发现--而且它也验证了在轨服务的有效性。

服务任务(SM2)

1997年2月11日至21日发现号航天飞机的七名宇航员对哈勃太空望远镜进行了第二次服务任务。在第二次服务任务中,发现号航天飞机上的宇航员更换了两台关键的哈勃仪器。戈达德高分辨率光谱仪(GHRS)被近红外相机和多目标光谱仪(NICMOS)取代,使哈勃能够在红外波段观察宇宙,而微弱物体光谱仪(FOS)被空间望远镜成像光谱仪(STIS)所取代,用于拍摄天体的详细照片和寻找黑洞。将哈勃的波长范围扩大到近红外成像和光谱,扩大了哈勃的视野使我们能够探测宇宙中最遥远的区域。

服务任务(SM3A / SM3B)

本来哈勃的第三次维修任务最初被设想为维修任务。但当第四个陀螺仪失效时,美国航天局将任务分为两部分:服务任务3A(SM3A)于1999年12月飞行和服务任务3B(SM3B)于2002年3月飞行。

1999年11月13日,六个陀螺仪中的四个在哈勃上失效,(当时,哈勃需要三个陀螺仪来观测天体目标。)望远镜暂时关闭了对宇宙的观察。没有三个工作的陀螺仪,哈勃无法进行科学研究,因此进入了一种叫做安全模式的休眠状态。本质上,哈勃“睡着了”,而它却在等待帮助。在安全模式下,哈勃无法观测目标,但它的安全性得到了保护。这种保护模式允许地面控制望远镜,为了保护光学系统,控制器关闭了光圈门,并将航天器对准太阳,以确保哈勃的太阳能电池板能从太阳获得足够的能量。

于是在1999年12月19日至27日,7名宇航员乘坐发现号航天飞机对哈勃进行了第三次服务任务。其主要目标是恢复哈勃的工作秩序,并升级其系统。在两部分任务的第一阶段,最紧迫的任务是更换陀螺仪。机组人员成功地更换了所有的六台陀螺仪,并进行了几次重要的维修升级。他们安装了一台比它的前身快20倍的计算机和一台可以存储10倍数据的数字数据记录器。机组人员还增加了一个电子增强工具包,电池改进工具包,以及新的外层热保护。哈勃几乎如新的。在SM3A之后,哈勃再次成功地开始运行和观测。

2002年3月1日至12日在哥伦比亚号航天飞机上,七名宇航员开始了哈勃的第四次服务任务,即3B服务任务。服务团3A以前是在1999年作为哈勃的救援任务进行的,而服务3B任务的目的是更新哈勃。

此次宇航员的主要任务是安装一种新的科学仪器,叫做高级调查照相机(ACS)。这是自1997年以来第一台安装在哈勃望远镜上的新仪器,ACS以其广阔的视野、锐利的图像质量和更高的灵敏度,将哈勃的视野扩大了一倍,收集数据的速度比望远镜早期的测量仪器广域行星照相机2(WFPC 2)快10倍。

太空行走的宇航员们用更小、更硬的太阳能电池板取代了大型、灵活、有八年 历史 的太阳能电池板。还取代了过时的电力控制单元,后者将太阳能阵列和电池的电力分配给望远镜的其他部分。此次任务中自1990年发射以来,工作了近12年的哈勃太空望远镜第一次被地面控制完全关闭。

宇航员还为近红外相机和多目标光谱仪安装了一个新的冷却系统。在1999年耗尽了自1997年以来冷却它的230磅重的氮冰。新的低温冷却器延长了哈勃红外相机的寿命

服务任务(SM4)

2003年2月1日在经过15天的太空任务后,哥伦比亚号航天飞机在重返地球大气层后解体,机上七名宇航员全部遇难。于是原定于 2004年1月16日–哈勃的第五次也是最后一次维修任务(服务任务4)被正式取消。

直到2006年10月31日美国宇航局宣布恢复对哈勃太空望远镜进行第五次维修任务的计划,这也是哈勃最具挑战性和最复杂的服务任务。

2009年5月11日至24日 – 乘坐亚特兰蒂斯号航天飞机上的宇航员,在为期13天的任务中完成了第五次也是对哈勃的最后一次维修任务。

宇航员在第四次服务任务期间在哈勃上安装了两个新仪器:广域摄像机3(WFC 3)和宇宙起源谱仪(COS)。这些仪器使天文台比发射时更强大100倍。WFC 3能看到三种不同的光:近紫外线、可见光和近红外光,相机的分辨率和视场比以前的仪器要大得多。Cos使哈勃望远镜的紫外线灵敏度至少提高了10倍,在观察极其微弱的物体时提高了70倍。

在SM4期间宇航员完成了望远镜创建者从未设想过的壮举及有史以来第一次在太空修复科学仪器(高级调查照相机(ACS)和空间望远镜成像光谱仪(STl)。两个都已停止工作。ACS在2007年停电后停止工作,而STI则在2004年停电后停止工作。为了进行修理,宇航员必须进入仪器内部,打开组件并重新供电。这项任务的成功完成,加上两项新仪器的增加,使哈勃充分补充了五种可供今后观测的仪器。

SM4的目标之一是加强和振兴望远镜的基本空间飞行系统。宇航员们用新的、改良过的电池替换了所有18年前的哈勃电池。宇航员安装了六个新的陀螺仪,用来指向望远镜,和一个精细制导传感器锁定恒星作为指向系统的一部分。他们还安装了一种新的设备--软捕获机制--允许机器人航天器某一天在望远镜生命周期结束时将自己附着在哈勃上,并引导其降落到地球或将其提升到更高的轨道。

2008年8月11日 – 哈勃完成了它的100000太空轨道,为了纪念哈勃太空望远镜在其 探索 和发现的第18个年头中完成了其100000个轨道,位于马里兰州巴尔的摩的太空望远镜科学研究所的科学家们瞄准哈勃拍摄了一个令人眼花缭乱的天体诞生和更新区域的快照。

这张具有代表性拍摄于2008年8月10日,哈勃的广角行星相机2。红色显示硫原子的发射,绿色来自发光的氢,蓝色来自燃烧的氧气。

在这个大约100光年宽的幻想状景观中,黑暗的尘埃塔在分子云表面的一堵发光的气体墙上方升起。右下角的海马柱长约20光年,大约是太阳和最近的恒星--半人马座阿尔法星之间距离的四倍。

2011年7月4日– 哈勃太空望远镜在其21年的太空 探索 和发现之旅中跨越了另一个里程碑。哈勃记录了在1000光年以外的一个系外行星大气层中寻找水的第一百万次科学观测。

“21年来,哈勃一直是最重要的空间科学观测站,给我们留下了深刻而美丽的图像,使我们能够在广泛的天文学科中进行开创性的科学研究,”美国宇航局局长查尔斯·博尔登说。他驾驶了把哈勃送入轨道的航天飞机任务。“哈勃望远镜在研究一颗遥远的行星时遇到了这一里程碑,这一事实极大地提醒了它的力量和遗产。”

2011年10月4日 – 哈勃科学小组成员亚当·里斯和其他天文学家因发现宇宙正在加速膨胀而获得了瑞典皇家科学院的诺贝尔物理学奖。证明宇宙的膨胀速度正在加速,这一现象被广泛地归因于一种神秘的、无法解释的“暗能量”充满了宇宙。

2011年12月6日 – 哈勃太空望远镜在其 探索 中又走过了一个里程碑:第一万份哈勃科学论文已经发表。这使哈勃成为 历史 上最多产的天文事业之一。

这些论文是基于哈勃望远镜的观测,几乎涵盖了天文学的每一个前沿。五篇最高参考的科学论文依次是:寻找用来表征暗能量的遥远超新星;精确测量宇宙的膨胀速度;星系质量与中心黑洞质量之间的明显联系;哈勃深场中的早期星系形成;低质量恒星和褐矮星的演化模型。

哈勃望远镜在轨期间向地球发射了数十万张图像,照亮了天文学的许多奥秘。在它的许多发现中,哈勃揭示了宇宙的年龄约为138亿年,比100亿到200亿年的旧范围精确得多。哈勃在发现暗能量方面发挥了关键作用,暗能量是导致宇宙膨胀加速的一种神秘力量。

哈勃太空望远镜自发射三十二年以来,已经对超过48,000个天文物体进行了140万次观测,并且继续“其在天文学前沿的作用”,从我们自己的太阳系到“高红移宇宙”。为我们研究宇宙的起源以及 探索 星系做出了不可磨灭的贡献。

在未来的时间里哈勃太空望远镜将会与他的接班人詹姆斯·韦伯空间望远镜共同合作。2021年12月25日詹姆斯·韦伯太空望远镜发射。并且STSCI(太空望远镜科学研究所)还将计划下一个太空望远镜 南希·格雷斯罗马太空望远镜。仅次于詹姆斯·韦伯空间望远镜。

在同样的灵敏度和分辨率下,罗马太空望远镜的视野比哈勃太空望远镜宽100倍,它将在近红外光下绘制天空大区域的宽视场地图,并有可能回答系外行星和暗能量研究中的重要问题。南希·格雷斯罗马太空望远镜目前正计划于2026年年底发射。

展望未来,哈勃太空望远镜将于詹姆斯·韦伯空间望远镜并有希望于南希·格雷斯罗马太空望远镜共同合作,为我们揭示宇宙的奥秘。

如果眼睛是人类心灵的窗户,那么天空就是宇宙为人类敞开的一扇通往真理的大门,科学的发展来源于人类对自然表象的观察、分析、总结和验证,在这个过程中我们人类才得以一步一步的接近万物的本质。其中最重要的一点离不开看与观察!

那么望远镜的出现与发展就为人类的视野插上了一双腾飞的翅膀,尤其是自1990年,哈勃望远镜被送上太空以后,它以前所未有的方式在观察宇宙,其视野的深度、广度和清晰度彻底改变了人类心目中的宇宙。目前哈勃升空已有30年,明天就是哈勃的周年纪念日,但往后的每分每秒对哈勃来说都将是最珍贵的时间。

因为自哈勃升空以来,我们已经对其进行了5次维护任务,其中最后一次是在2009年,在5次的维护任务中,我们对其更换了两次广角/行星照相机、修正了光学系统、更换了受损的部件和电池,并将哈勃的提升到了更高的轨道。但是随着NASA航天飞机的退役,其轨道跟国际空间站不再一个高度,NASA已经停止了对哈勃的维护任务,那么迎接哈勃的未来将是无人“无人照管”的状态。

就算哈勃的各种观测仪器、制导系统、陀螺仪、电池以及通讯设备能够一直工作不会失效,哈勃的命运也会在未来不可避免的终结。因为哈勃每时每刻都是在向地球坠落...

不管是小行星还是卫星,如果这些物体以一个非常高的初速度坠入地球大气层,将会与大气层摩擦上演一场绚丽的灯光秀,并被解体为许多的小碎片,这些碎片如果人为不加以干预,也有可能降落在人口稠密的地区,造成一定的破坏和威胁。

哈勃目前的平均轨道高度为568公里,绕地球一周需要97分钟,国际空间站的高度在400公里左右,虽然国际空间站更低,受到大气的阻力更大,但它有动力系统可以使其一直保持在稳定的轨道上。哈勃就没那么幸运了,在它与大气的摩擦中每时每刻都在发生轨道衰减。

你可能会想568公里,不是在外太空吗?为什么还会存在大气?一般我们会认为地球100公里以上的位置就是外层空间,这个位置也被称为卡门线,是航空和航天的分界线,因为在这个位置之上大气已经稀薄到不足以为任何航空飞行器提供升力。不过真实的地球大气层边界并没有一个准确的位置,越往上引力越小,大气就越稀薄,并不会在某一个位置突然停止,只会越来越弥散,地球的大气层甚至会延伸到10000公里的高度。

上图可以看到地球的大气层要比我们想象中的要高很多,在地球低轨道附近运行的任何物体都会受到大气的阻力。

不过从质量上来说,地球的大气层绝大部分都集中在最下面的三个层中,这都是引力吸引大气的缘故,在对流层中包含了地球大气总质量的75%,平流层占了20%,中间层包含了几乎剩下的所有大气质量。在中间层之上大气会变得异常稀薄,所有的低轨道卫星都处在热层之中,这里的每一个大气分子之间的距离都有1公里甚至更远。

上图可以看到,对流层(橙色)、平流层(白色)和中间层(蓝色),这三层是地球大气层在太空中唯一的光学可见层。

虽然在热层空气分子和分子之间的距离非常远,异常稀薄,但哈勃望远镜的体积要、比单个分子要大很多,而且移动速度也非常快,也就是说,哈勃望远镜正在以8公里/每秒的速度与高层大气分子发生持续的碰撞摩擦,虽然每次的碰撞所产生的影响十分的微小,但是长此以往量变会引起质变,一年、两年、甚至十年,这种微小的变化足以引起哈勃望远镜轨道衰减。

而且这一过程会一直加剧变得不可控制,因为随着哈勃轨道速度降低,轨道高度衰减,它将于大气分子的碰撞摩擦更加剧烈频繁,从而加速哈勃的坠落。并且除了地球大气以外,还有太阳风粒子的影响,也会导致哈勃轨道不均匀的变动,因为哈勃轨道每97分钟一半处在太阳光下,一般处在黑暗中,处在阳光下的部分速度就会降低,导致哈勃轨道高度不对称发生偏离,这也会加剧哈勃的坠落。

如果我们人类放任不管,最后哈勃会在大气层中分解,变为一个大火球,由于哈勃的体积非常大,不会燃烧殆尽,所以它会在燃烧的过程中砸向地面。

哈勃望远镜由于没有动力系统,如果它坠落的话将是一个完全不够控制的过程,大量的碎片会随机落在地球的任何位置,这其中肯定存在一定的风险,如果是人口稠密的城市呢?

在之前的5次维护任务中,每一次都会对哈勃的轨道进行修正,并将它提升到更高的轨道,以延长其轨道寿命。不过之前的任务都是由航天飞机这样既可以载人,又可以返回并重复使用的航天器完成的,航天飞机的退役也就让哈勃失去了继续被维护的机会。

如果继续保持现在的状态,哈勃望远镜上的仪器还可以持续工作几十年,但是轨道高度就会成为最大的隐患。

不过我们现在就算有能力,也不会再为哈勃提供维护服务了,因为目前的哈勃已经达到了它的观测极限,下一步的目标是,我们将发射一架比哈勃望远镜主镜口径更大、更加灵敏、并且能在近红外波段工作的太空望远镜:詹姆斯·微波望远镜。

因此,在2009年哈勃最后的一次维护任务中,我们为其安装了对接装置(软捕获和交会系统),以便在未来将通过火箭将哈勃带回家。

科学家预计哈勃可能会在本世纪30年代中期坠入地球,不过这个时间存在很大的不确定因素。但是在哈勃坠毁之前我们首先要将哈勃安全的带回家,而且还要保障在哈勃退役以后韦伯望远镜能够升空接替哈勃的任务。

不过韦伯望远镜在1996年开始招标建设以来,原计划是在2014年升空,但多次因为预算的问题而受阻,一直推迟到了今天,不过好消息是,据国外媒体报道,韦伯将最早在2021年3月30日发射升空。

就算韦伯任务升空再次推迟,时间也不会晚过哈勃返回地面,因为NASA肯定是不会让人类存在一个观测宇宙的空档期。

尽管人类目前在地面上也建造了很多大型天文台,并且在某些观测方面已经超越了哈勃,但是哈勃身处在宇宙空间有自己独特的优势,它仍然是人类历史所创造过最强大的观测设备,它无时无刻都在给人类带来惊喜,无时无刻都在改变着人们心目中的宇宙景象。

哈勃的伟大成就也让人们非常期待韦伯时代的到了,因为我们觉得韦伯的升空肯定会再次刷新人类的认知。最后希望哈勃能完美的卸任,安全的返回地面,也希望韦伯望远镜这次能顺利按时升空。

1990年4月24日,著名的哈勃太空望远镜(Hubble Space Telescope,缩写:HST)发射升空。

如今,哈勃望远镜已经成为了世界上最著名的望远镜,它所公布的每一张宇宙照片都备受瞩目。可是,回顾起哈勃望远镜的发射历程,我们能想到的只有那几个词语——跌宕起伏、曲折离奇。

关于太空望远镜的构想,远比你想象的要早。

早在1923年的时候,德国太空先驱三人组之一的 赫尔曼·奥伯斯 出版专著《Die Rakete zu den Planetenräumen(火箭进入行星空间)》,首次提到了关于利用火箭将望远镜送上太空的想法。

1946年,美国天文学家 小莱曼·斯皮策 发表了论文《Astronomical advantages of an extraterrestrial observatory(地外天文台的天文优势)》,正式提出了空间望远镜的概念和优势。

斯皮策一生之中始终致力于空间望远镜的研制上,对于哈勃望远镜以及其他空间望远镜的发射都作出了杰出的贡献。因此,NASA也将2003年发射升空的太空望远镜以他的名字来命名,这就是今年刚刚退役的 斯皮策太空望远镜

1962年,美国国家科学院也提交了一份报告,认为空间望远镜应该作为一项重要的天文视野来发展。于是,在1965年的时候,NASA成立了一个致力于建造空间望远镜的委员会,这个委员会的委员长即是斯皮策。

1974年,在空间望远镜还没有问世的时候,“寒酸”的科学家们只能利用飞机将观测设备承载到空中进行有限的观测。比如 柯伊伯机载天文台 ,就是利用改装过的C-14飞机搭载到12500米高空,在相对稀薄的大气环境下提高人类的观测能力。

为何天文学家纷纷将目光放在了太空?难道地球这个“小庙”容不下望远镜这一尊“大佛”吗?

容不下。

地球的大气层对于生命的存在至关重要,如果没有它,现在的地球将是一片死寂。但是,它阻拦了外太空辐射的同时,也阻拦了人类的视野。虽说我们的肉眼看不见空气,但这不意味着它真的是“看不见”,大气湍流在天文观测时给天文学家带来了巨大的障碍。

不仅如此,地球大气层可以遮挡或者削弱很多波段的电磁波。比如我们熟知的臭氧层,可以吸收大部分 紫外线 ,保护我们不会被太阳辐射所伤害,但是也阻止了科学家利用紫外线波段对宇宙进行观测。如果能让天文望远镜摆脱地球大气层,那就可以不受大气层的干扰,极大地扩展人类的视野。

不论是理论上还是其他一些初步的实践成果都告诉我们:空间望远镜的确具有非常巨大的观测优势。1968年,NASA正式决定:建造一台口径达到3米的空间望远镜,名称暂定为大型轨道望远镜或大型空间望远镜(LST),预计发射时间为1979年。这台望远镜,就是后来的哈勃太空望远镜。

可是,这个计划从一开始就面临着一个重大的问题:钱。

正应了那句话:钱不是万能的,没有钱却是万万不能的。

对于这台望远镜的高昂预算,美国国会提出了质疑,并且要求必须想办法降低预算。当科学家们绞尽脑汁地思考如何削减预算时,却接到通知说不用考虑这个问题了——不是国会有钱了,而是国会明确表示:这个项目撤销。

天文学家们如同遭到了晴天霹雳,他们到处游说,很多人亲自拜访众议员和参议员。1977年,在他们的不断努力下,参议员才决定恢复一半的预算。

直到1979年,也就是最初计划发射这台望远镜的那一年,它的主镜片才刚刚开始抛光。直到两年后,承担这项任务的珀金·埃尔默公司仍然没有完成抛光工作。此时,抛光的费用已经超出了最初的预算。NASA无奈之下,只好决定“打个八折”,把这台望远镜的口径改为2.4米,也就是现在哈勃望远镜的口径。从这个角度来讲,哈勃望远镜只是个“ 残次品 ”。

即便如此,这台望远镜的经费仍然严重不足,国会又把钱包捂得极紧。无奈之下,NASA只好转而向欧洲航天局求助。对于欧航局来说,这恐怕算得上是天上掉馅饼了。于是,他们出人、出力、出钱、出设备,助NASA一臂之力。前提条件是:欧航局获得这台望远镜 15% 的使用时间。因此,我们看到的一些哈勃太空望远镜的照片都是两个航天局合作的。

本段开篇的那句话如果反过来说,就是当时NASA遇到的尴尬。没有钱是万万不能的,但钱也不是万能的。即使得到了欧航局的帮助,望远镜的发射时间仍然一推再推,先是推迟到1986年3月,然后推迟到同年9月。这一次,他们不用再推了,因为问题已经不是望远镜打造的问题了。

1986年1月28日,是天文史上最悲痛的一天,美国 挑战者号航天飞机 发生事故爆炸,7名宇航员全部牺牲。这个打击让NASA不得不停下脚步,暂停了航天飞机的发射。

研发哈勃望远镜的相关工作人员反倒是把握住了这个机会,继续提高望远镜的灵敏度、改进地面控制系统。但是,原本计划搭乘航天飞机进入太空的哈勃望远镜,不得不放在无尘室中精心保存,这无异于是在白白地烧钱。望远镜的发射,已经刻不容缓。

1990年4月23日,美国肯尼迪航天发射中心,万众瞩目的时刻终于到来。从提出构想到这一刻,已经过去了44年。这台在前不久决定以刚刚逝世一年的著名天文学家埃德温·哈勃的名字来命名的太空望远镜,终于装进了“发现者”号航天飞机,被发射升空。4月24日,在航天飞机的投放后,哈勃太空望远镜正式开始服役。

这个时候,原始预算只有 4亿美元 的哈勃望远镜,已经烧掉了接近 15个亿 。在它的身上,一共配备了五大武器:

图为哈勃太空望远镜的结构示意

从尺寸上看,哈勃望远镜和一辆公交车差不多。它的口径为2.4米,总宽度4.2米,长度为13.2米,重量约为11.11吨。目前运行在大约540公里的高空,以每秒7.59公里的速度绕地球公转。

可是,这一台无数天文学家呕心沥血、栉风沐雨打造的望远镜,承载着无数人对宇宙的渴望与憧憬,却在传回第一张照片的时候就让所有人大跌眼镜。这是怎么回事呢?

哈勃传回来的第一张照片,出人意料地不清晰,大概就是下面这个样子。

不是你的眼神有问题,你的手机屏幕也很好,是哈勃太空望远镜的问题。

这个问题马上成为了当时的热点新闻,让哈勃望远镜成为了全美国茶余饭后吐槽的焦点。《新闻周刊》杂志的封面甚至起了 " 15亿美元的大错 "的题目。

15亿美元,换来了5毛钱的特效。

喷射推进实验室主任卢·艾伦领导的委员会马上寻找其中的原因,最终发现:问题还是出在了珀金·埃尔默公司的身上——恐怕这些技术人员,已经恨得牙根直痒痒,不知道当初为何把这项任务给了这家公司。

导致哈勃望远镜观测能力大大弱于预期的原因,就在于主镜的打磨。这就要从哈勃望远镜的原理说起了。

从本质上说,哈勃太空望远镜的原理和 折反射望远镜 差不多,但是能够观测到的波长范围更加宽广。光线射到主镜后,通过主镜反射到副镜上。这里的主镜画得比较平,但其实是一个凹面镜。

光线由副镜反射,通过主镜内的孔,并汇聚在焦点上。只要在焦点上安置接收仪器,就可以实现将远处天体的放大。这里,首先就得要求主镜有完美的平整度,其次就是主镜的曲率要完美实现。否则,看上面的原理图就知道,光线一定会散开。

结果,由于主镜的曲率有了一点点细微的偏差,就产生了实际像点与理想像点的位置之差,这种偏差叫做球面像差,也叫球差。据计算,哈勃望远镜当时的球面像差仅有 2.2微米 ,是人类头发的几十分之一。但是,对于哈勃这样的超精细设备来说,这个偏差是致命的。中国古人讲:“失之毫厘,谬以千里”。而哈勃更夸张,失之微米,谬以光年。

问题找到了,那么,到底这个问题是怎么产生的呢?

艾伦委员会的调查结果显示:原本望远镜研发项目中包含着对球面像差的检测流程,就是利用一种叫做“ 零位校正器 ”的设备进行检测。但是,在应该进行这项检测的期间,珀金·埃尔默公司因为经费和项目进度的问题和NASA闹得很不愉快,因此有些破罐子破摔的心态,于是抱着侥幸心理没有按照最初的要求装配零位校正器,错误安装的零位校正器导致了微弱的偏差。珀金·埃尔默并非不知道这件事,但是他们竟然没有修正,而是垫了几个金属片强行把偏差消除,想借此蒙混过关。

事情到这里还有挽回的余地,挑战者号航天事故给了他们时间和最后的机会,只要NASA的人再检测一次,发现问题就好了。可是,珀金·埃尔默的人始终拍着胸脯保证主镜没有任何问题,于是检测就没有进行。

纸是包不住火的,当那些哈勃望远镜传回的第一批照片呈现在众人面前的时候,也就是人们傻眼的时候。

艾伦委员会认定,这次偏差的主要错误在于珀金·埃尔默公司的粗心大意,为此,后者迫于你懂得的压力,不得不赔偿 1500万美元 。同时,NASA的相关人员因为工作不力,同样遭到了严厉的批评。

可是,惩罚不是目的,已经出现的问题该如何解决呢?

把望远镜拉回地面维修不是不可能,但是高昂的成本让人望而却步。好在问题还有解决的余地,他们可以在太空中给哈勃望远镜“戴眼镜”。通过重新的计算和反复的检查,技术人员得出结论:主镜的圆锥常数为-1.01390±0.0002,而不是预定的-1.00230。

1993年,NASA发射了奋进号航天飞机,利用机械臂将哈勃望远镜抓进航天飞机中。在接下来的7天内,宇航员将 矫正光学空间望远镜轴向替换系统 (Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement,缩写:COSTAR)装入哈勃,消除了球面像差。由于哈勃望远镜内位置不够,NASA不得不舍弃了五大武器之中的 高速光度计 (HSP)。同时,他们也用 第二代广域和行星照相机 替换掉了第一代,提升了观测的能力。

至此,哈勃望远镜终于摆脱了人们的嘲讽,从此成为了人类观测宇宙时最重要的“一双眼”。在接下来的27年时间里,它无数次用强大的观测能力,向我们展现最壮观、最深邃、最神秘的宇宙,诉说着这个宇宙所隐藏的秘密。

哈勃太空望远镜已经服役30年,却依然能持续传回大量震撼的宇宙图片。和它相比, 斯皮策太空望远镜 2003年升空,今年年初退役,只工作了17年,而1991年发射的 康普顿望远镜 仅仅服役了9年,就在2000年坠入太平洋。

为何哈勃望远镜能够独树一帜,30年来依旧长青呢?

这是在于,哈勃太空望远镜是 唯一被设计为可以由宇航员在太空中进行维修的设备(根据前两章的介绍,可以感受到我们该多么庆幸它可以维修) 。从发射至今,哈勃太空望远镜已经经历了5次维护更新。

尽管经历了多次维修,但我们知道,终有一天哈勃望远镜也会退役。不过幸运的是,NASA早就已经准备好了下一代望远镜,那就是 詹姆斯·韦伯太空望远镜 (James Webb Space Telescope,缩写JWST)。

和哈勃相比,JWST的观测功能更加惊人,而且它能观测到的波段也比哈勃要更加宽广。哈勃望远镜的口径为 2.4米 ,而JWST可以达到 6.5米 。因此,前者的观测极限大约为 134亿光年 ,而后者则可以观测到 136亿光年 以外,也就是宇宙大爆炸后2亿年左右的模样。

和给予它名字的天文学家埃德温·哈勃一样,哈勃望远镜也是人类天文史上的一座里程碑。在人类前行的路上,里程碑会一个一个被甩在后面。但是,我们永远不会忘记里程碑旁边的风景,和里程碑向我们诉说的一个道理:我们永远在前行!

感谢阅读。


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