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30年绕地球飞行16万圈,NASA哈勃望远镜演绎不老传奇

  19905月,在美国宇航局戈达德空间飞行中的一间会议室内,NASA各路科学家屏住了呼吸。

  图像分析专家、哈勃团队资深科学家戴维-莱克隆皱起了眉头,凭借其30多年的图像分析经验给出了解释:是一个双星系统的图像,但是非常模糊。

  有人说:“没有关系,这可能就是双星系统的模样,难道不是?”

  会议室内聚集的是哈勃望远镜研发科学家,以及NASA主要管理层,意识到问题严重性的人都沉默不语,因为这个双星系统原本可不是这样的。

  此时距离哈勃望远镜升空才一个月,已经耗资21亿美元。这个时候哈勃出现问题,就意味着没有达到设计要求。

  NASA工程师花了数周时间来检查哈勃的所有系统,最终给出了故障结论:由于反射式校正设备在组装时位置偏离了1.3毫米,导致哈勃望远镜的主镜面边缘在制造打磨阶段“削”得太平了,多打磨了2200纳米,造成主镜面边缘反射光无法精确聚焦,图像自然也模糊不清了。

  在戈达德空间飞行中心的那个房间里,每次例行会议举行时总会出现一个滑稽而尴尬的镜头:

  热力小组:一切正常;

  控制小组:一切正常;

  电源小组:一切正常;

  光学小组:一切都不正常。

  

  在戈达德太空飞行中心会议上高级项目科学家戴维-莱克隆,正在商议如何维修哈勃。

  图片来源:NASA

  

  右图为哈勃太空望远镜(HST)广域行星相机拍摄的第一张图像,左边则是智利拉斯坎帕纳斯(Las Campanas)天文台拍摄的同一张照片,两者对比可以看出,哈勃的球差问题非常严重,出现了虚像。

  图片来源:NASA   

  已经发现问题所在,就需要研究如何解决问题。

  哈勃望远镜的主镜面体积庞大,直径有2.4米,不可能将哈勃重新带回地面,只能用巧劲。最后敲定方案是,用纠正近视眼的方法,来恢复主镜面的缺陷,即,给哈勃安装一个矫正光学设备。

  说来轻巧,但哈勃望远镜上设备冗余空间几乎没有,NASA只能将原本安装在光路上的高速光度计给拆除,替换成光轴补偿矫正仪,纠正了哈勃望远镜的“近视眼”问题。

  1993年,航天飞机将校正设备安装到哈勃望远镜上,这才解决了成像模糊的问题,至此,哈勃望远镜参与了近乎所有重大的天文成果。直到今天,哈勃望远镜也没有因为大面积故障停止工作,30年期间绕地飞行超过16万圈,不老传奇仍然在延续中。

  

  维修哈勃,图片来源:NASA   

  哈勃望远镜上天30年,都干了啥?

  30年来,哈勃望远镜取得的成果不计其数,而其中这几件成果,足够哈勃名留青史。

  第一个是对哈勃常数的测定。哈勃望远镜是以爱德温-哈勃的名字命名,他在1920年代就发现了宇宙正在膨胀,并提出用哈勃常数H0来表示宇宙膨胀的速度。哈勃常数是星系远离银河系的速率,与两者之间的距离比,该常数并不是定值,会随时间变化。哈勃在1929年计算出的哈勃常数为500km/s/MpcMpc为百万秒差距,相当于326万光年,指的是在这个距离上星系退行速度为500公里/每秒。

  但是,1990年代弗里德曼使用哈勃望远镜数据测量哈勃常数,给出了74km/s/Mpc的数值,该值与欧洲普朗克卫星测定的67.8km/s/Mpc非常接近。

  导致两者差异的原因可能是暗能量在起作用。要让两个值兼容,就需要对宇宙学标准模型进行修改,并且需要解决暗能量的问题。如果谁能够成功搞定这个问题,必然能将一枚诺贝尔奖章收入囊中。

  第二个重大发现与暗能量有关1998年,科学家发现宇宙膨胀的原因是暗能量形成的斥力在推动,根据对Ia型超新星的跟踪调查,在90亿年前,暗能量就已经存在,至今仍然主导着宇宙膨胀。

  哈勃望远镜第三个成果是星系的形成与演化调查。通过哈勃深场和哈勃超深场,科学家发现早期宇宙中的星系体积较小,形状也不规则,于是发现了星系通过合并和碰撞重塑外形和质量。

  同时,科学家还确定了星系形成高峰期出现7080亿年前,在宇宙诞生之后不到10亿年的阶段,恒星形成速率要比峰值低3倍左右,而今天的宇宙中恒星形成速率要比峰值低10倍。

  

  哈勃望远镜观测M87星系中黑洞的喷流图像

  图片来源:NASA

  

  哈勃望远镜发现M87星系的黑洞喷流以光速向外喷射

  图片来源:NASA 

  哈勃望远镜第四大成果是发现超大质量黑洞与类星体有关,并且对存在类星体的宿主星系进行了观测。在哈勃望远镜之前,没有天文台能够执行这项研究。哈勃望远镜研究对象就是M87星系(室女A星系),这里也是动画片中奥特曼的故乡,距离我们5350万光年。星系中的超大质量黑洞,质量相当于太阳的66亿倍,事件视界半径远至海王星轨道,2019年公布的M87星系黑洞也是第一张黑洞图像。哈勃望远镜发现,M87星系的黑洞喷流以光速向外喷射,延伸5000多光年。

  哈勃望远镜第五大成果应该是对系外行星的观测。自2009开普勒望远镜升空之后,发现系外行星变成了天文学一个风口。事实上哈勃望远镜在1990年代就开始研究如何观测系外行星。哈勃望远镜使用的方法是凌日法,当行星周期性通过恒星盘面时,恒星会变暗大约1%2%,据此我们可以推算出行星半径。

  恒星光超过行星大气层,一部分会被原子吸收形成特定的光谱,这样就可以确定行星大气中原子和分子有哪些,以及丰度多少。实战观测中,NASA发现HD 209458恒星周围的行星大气中有氧元素,这是首次对系外行星大气成分进行确定,哈勃望远镜还对北落师门b(距离地球25.13±0.09光年的一颗行星)进行了首次可见光成像观测。

  太空望远镜有很多,为什么哈勃望远镜独领风骚?

  哈勃望远镜虽然不是第一台太空望远镜,但应该是成果最多、影响力最大的太空望远镜,在近30年生涯内无人能敌。

  哈勃望远镜主要工作波段是近红外、可见光和部分紫外,覆盖波长115纳米至1200纳米。

  近红外主要用来观测被尘埃云遮挡的天体,赋予哈勃透视能力;可见光可拍摄到人肉眼能看见的图像,提升了成像质量;部分紫外可分析星际介质的化学成分、密度、新生恒星的温度,也可以观测白矮星、行星状星云中心天体,它们在紫外波段上有较强的辐射。

  从工作波长上就可以清楚得知,哈勃望远镜本质是将陆基光学望远镜搬到了天上,并且增加了中短波长紫外光谱的观测能力。地球臭氧层、大气会吸收掉100纳米至320纳米的中短波长紫外线,在地面上的光学望远镜无法对这部分光谱进行观测。在太空望远镜中,波长覆盖可见光的大型平台,除了哈勃望远镜外,还有开普勒太空望远镜、TESS凌日系外行星太空望远镜,盖尔太空望远镜等。但这些平台镜面直径太小,任务单一,属于细分领域的太空望远镜,无法与哈勃望远镜匹敌。

  在过去30年内建立的大型陆基望远镜,主要观测波长都在300纳米以上,只能捕捉到可穿透大气层的长波紫外线(波长介于320纳米至400纳米),这部分长波紫外就是把你皮肤晒黑的真凶。

  正在建造中的GMT巨型麦哲伦望远镜主镜面直径为8.4米,工作波长为320纳米至25微米,可覆盖远红外线;主镜面39.3米直径的E-ELT欧洲极大望远镜观测波长为可见光至远红外;主镜面8.2米直径VLT甚大望远镜观测波长为300纳米至20微米;TMT30米直径望远镜工作波长也是可见光至中红外;10米主镜面直径的凯克天文台工作波长为可见光至近红外。由此可见,陆基大型光学望远镜的主镜面比哈勃望远镜的2.4米镜面更大,因此从观测能力上看,哈勃在可见光波段上要逊于陆基大型光学望远镜。

  综上,哈勃望远镜能够独领风骚的技巧是跨界对抗上占尽了优势,虽然主镜面没有陆基大型光学望远镜大,但是其工作环境在轨道上,成功避免了大气、臭氧层的干扰,并且增加了陆基大型光学望远镜所没有的中短波长紫外光谱的观测能力。

  在太空望远镜家族中,哈勃望远镜突出了自己强大的可见光观测能力,这是其他太空望远镜所不具备的,并且结合了近红外和部分紫外波段观测能力,在可见光太空望远镜家族中也是鹤立鸡群。

  但是哈勃也有自己的不足,比如远红外波段无法顾及,导致哈勃望远镜无法对更加遥远的低温天体进行观测,这部分观测研究还得依靠更专业的红外太空望远镜和建造在高山上的大型天文台。

  因此,哈勃望远镜的成功秘笈就是综合业务能力强,明锐察觉到太空望远镜家族中缺乏大型光学望远镜,扬长避短,将特长发挥到极致。

  

  星系演化探测器拍摄M81螺旋星系的紫外线影像。图片来源:NASA

  

  哈勃望远镜拍摄的超深场可见光与红外叠加图像

  图片来源:NASA

  

  哈勃望远镜拍摄的紫外图像,在紫外图像中天体呈现度更加丰富。

  图片来源:NASA 

  从以上比对可以看出,哈勃望远镜的主要侧重点仍然是可见光及其前后紫外和近红外波段,弥补陆基光学望远镜无法捕捉到的中短波紫外观测能力,直到今天,哈勃望远镜仍然是首屈一指的,相当于将陆基光学望远镜搬到了轨道上。

  哈勃望远镜的继任者

  到今年,哈勃已经超额“服役”了多年,期间还经历过多次维修,算上1993年的第一次“大手术”,哈勃望远镜一共进行过5次轨道维修和升级,耗费数十亿美元。

  哈勃退役后,谁将成为它的继承者?

  美国宇航局研发的詹姆斯韦伯望远镜将成为哈勃的继承者。

  但詹姆斯韦伯望远镜与哈勃的工作波长有很大的不同,韦伯望远镜在可见光工作的波长大大减少,起点是600纳米至28.3微米,这意味着用詹姆斯韦伯望远镜看不到紫外图像和大部分可见光波段的图像。

  600纳米对应的是橙色光,因此韦伯望远镜只剩下了橙光和红外,以及中红外光。缺少了紫外光和部分可见光,韦伯望远镜的图像呈现饱和度肯定会偏弱,或者说视觉效果比不上哈勃望远镜。

  

  正在组装中的韦伯望远镜

  图片来源:NASA 

  从任务设计上看,韦伯望远镜侧重点是红外观测,因此它也是斯皮策红外望远镜的接班人。中红外波长观测是接下来的重点方向,可探测到更加遥远的天体,比如早期宇宙的分子云、行星盘,让我们进一步洞察宇宙早期的奥秘,只不过在视觉呈现上没有那么饱满。

  哈勃望远镜更像是一台全彩的照相机,而韦伯望远镜则是一台专业级的红外相机,对于普通观众而言,韦伯望远镜的图像在审美上可能不及哈勃,但对于科学家而言,韦伯望远镜才是更好的宝贝。因此,作为哈勃望远镜的继任者,韦伯望远镜更加侧重科学上的研究,哈勃则是侧重科研、科普都可以,更加接地气一些。

  中国是否有自己的空间望远镜?

  探索星辰大海,空间望远镜很重要。到目前为止,中国空间望远镜已经起步,2017年发射了第一个X射线空间望远镜,主要通过X射线波段巡天观测,因此其探测的对象就是高能天体,诸如黑洞、中子星等。

  X射线的探测机制是通过接收宇宙中高能X射线信号来研究天体事件,在工作波段上与哈勃望远镜有很大的区别。X射线图像很大程度上服务于科研,非专业人员难以看懂,且不容易呈现。

  

  中国第一个X射线空间望远镜

  图片来源:新华网

  要研制和哈勃望远镜同一级别的大型光学太空望远镜,需要攻克较多的困难。比如哈勃望远镜质量为11吨,升空使用的是航天飞机,后期也需要使用航天飞机进行维护。如果没有航天飞机,维护就无法进行,或者维护难度较大。这个问题也困扰着美国宇航局,因为韦伯望远镜的轨道在150万公里之外,与哈勃望远镜所处的近地轨道不同,一旦出现故障,就无法进行维修。

  要建造哈勃这样的空间望远镜,首先要有大推力火箭,这一点中国已经具备,长征5号完全能够将11吨的载荷送入近地轨道。

  其次是要有大型光学镜面的制造和加工技术,在这方面中国也在追赶世界先进水平,也取得了一些进步。

  第三,在轨维护技术也已经具备,中国能够将宇航员送入空间站,同样也能在空间站上建造一个观测站点,宇航员可通过空间站这个平台进行维护。

  因此在可预见的未来,中国也有能力建造一个空间望远镜部署到轨道上,主镜面可以为1米,低于哈勃的2.4米,可灵活对接空间站,或者形成航天器编队,以便宇航员出舱维护,形成具有中国特色的空间望远镜。

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