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哈勃是如何成为最强大望远镜的?追溯哈勃历史,原来也很曲折离奇

2020/6/24 3:09:08 来源:原创 浏览:

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。

(图片说明:宇宙经典景观猫眼星云)

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。

最初构想

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。

空间望远镜的优势

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。

一波三折

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”。

(图片说明:1979年,珀金·埃尔默公司工作人员在打磨哈勃望远镜的主镜)

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。

(图片说明:技术人员在安装前对哈勃望远镜的主镜镀铝反射层后进行检查,这个镀铝层可以增强反射效果,提升哈勃的观测能力)

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。

迟来的发射

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:

  • 广域和行星照相机(Wide Field and Planetary Camera,缩写:WF/PC):为哈勃提供最高解析力,后被第二代和第三代广域照相机代替;
  • 戈达德高解析摄谱仪(Goddard High Resolution Spectrograph,缩写:GHRS):由戈达德航天飞行中心制造,光谱分辨率可达90000,主要负责紫外线波段的观测工作,1997年时被太空望远镜影像摄谱仪(Space Telescope Imaging Spectrograph,缩写:STIS, )代替;
  • 高速光度计(High Speed Photometer,缩写:HSP):在紫外线、可见光和近红外线的波段上,每10微秒测量一次天体的光度变化和偏极性;
  • 暗天体照相机(Faint Object Camera,缩写:FOC):提供极高的解析力,能够分辨0.05角秒的天体;
  • 暗天体摄谱仪(Faint Object Spectrograph,缩写FOS):观测波长在1150至8500埃的摄谱仪,1997年被太空望远镜影像摄谱仪(STIS)代替。

(图片说明:哈勃望远镜结构示意图1)

图为哈勃太空望远镜的结构示意

(图片说明:哈勃望远镜结构示意图2)

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。

(哈勃太空望远镜和人类体型对比)

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?

15亿美元的“天大错误”

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。

(图片说明:哈勃望远镜原理示意图)

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。

(图片说明:工作人员在打磨主镜,可以看到主镜中间有一个孔是方便副镜反射的光线通过的)

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。

险些流产的哈勃望远镜

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?

(图片说明:宇航员在天空中维修哈勃望远镜)

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。

(图片说明:M100 星系,左侧为1993年维护前哈勃拍摄的图像,右侧为修正后拍摄的结果)

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。

为何哈勃能长青30年

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。

  1. 第一次维护:就是前面提到的1993年那一次维护,成功避免了哈勃望远镜的夭折,并且幸运地在第二年就拍摄到了著名的彗木相撞画面。
  2. 第二次维护:1997年,美国7名宇航员搭乘“发现”号航天飞机升空, 更换了11台最新设备,还修补了部分被剥落的绝缘层。
  3. 第三次维护:1999年,哈勃望远镜更换了一些绝缘设备、传感器等设备,还更换了全部的6个陀螺仪。陀螺仪对于航天器的定位和运动有着极重要的意义,康普顿望远镜退役也是因为陀螺仪的损坏。
  4. 第四次维护:2001年,NASA利用“哥伦比亚”号航天飞机更换了太阳能电池板和电力控制装置等设备。
  5. 第五次维护:由于2003年哥伦比亚号的航天事故被推迟,直到2009年时才被当时的局长批准。从此以后,哈勃望远镜没有再进行过维护,而这一次维护后,据推测它可以工作到2030-2040年。

“薪火相传”

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。

(图片说明:哈勃望远镜拍摄的猎户座大星云照片)

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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