探索宇宙的功臣哈勃太空望远镜

   哈勃太空望远镜是一台巨大的太空望远镜。它在离地球表面580千米高空的轨道上运行。这台望远镜的重量令人难以置信,达到1.1万千克。它的镜面直径达240厘米。1990年4月,美国航空航天局的航天飞机将它发射进入太空。到目前为止,它已通过向地面上的天文学家们发送无线电波的方式提供了无数极有价值的图片。最近一段时期,“哈勃”似乎到了高产的时期,它发回的观测数据使科学家们对宇宙的研究不断取得突破性的进展。

哈勃号太空望远镜是被送入轨道的口径最大的望远镜。它全长12.8米,镜筒直径4.27米,重11吨,由三大部分组成,第一部分是光学部分,第二部分是科学仪器,第三部分是辅助系统,包括两个长11.8米,宽2.3米,能提供2.4千瓦功率的太阳电池帆板,两个与地面通讯用的抛物面天线。镜筒的前部是光学部分,后部是一个环形舱,在这个舱里面,望远镜主镜的焦平面上安放着一组科学仪器;太阳电池帆板和天线从筒的中间部分伸出。

望远镜的光学部分是整个仪器的心脏。它采用卡塞格林式反射系统,由两个双曲面反射镜组成,一个是口径2.4米的主镜、另一个是装在主镜前约4.5米处的副镜,口径0.3米。投射到主镜上的光线首先反射到副镜上,然后再由副镜射向主镜的中心孔,穿过中心孔到达主镜的焦面上形成高质量的图像,供各种科学仪器进行精密处理,得出来的数据通过中继卫星系统发回地面。

  除了光学部分,望远镜的另外一个主要部分就是装在主镜焦平面上的八台科学仪器,分别是:宽视场和行星照相机、暗弱天体照相机、暗弱天体摄谱仪、高分辨率摄谱仪、高速光度计和三台精密制导遥感器。

 这些科学仪器是为望远镜在最初几年运转期间所配备的。为了使太空望远镜能够充分利用最新技术成果,焦平面上的这些仪器设计成可作各种不同组合和更换方式。在望远镜工作期间,可以通过航天飞机上的航天员进行维修更换,必要时,也可以用航天飞机将整个望远镜载回地面作大的修理,然后再送入轨道。太空望远镜的寿命按设计要求至少15年,估计实际可达几十年。

  太空望远镜在距地面500公里的太空上进行观测,不仅不受恶劣气候的影响,每天都可以进行观测,而且摆脱了地球大气的干扰,能够达到地面上任何望远镜也达不到的高灵敏度和高分辨能力。

  但不幸的是,由于制造上的误差,哈勃太空望远镜不能辨别140亿光年以外的物体,而只能看清40亿光年的物体。另外,它的太阳能电池板因热胀冷缩还存在颤抖。为此,美国的数名宇航员于1993年进行了两次检修,经过艰苦的努力,终于修复了患了“近视”的哈勃太空望远镜,使其分辩率达到最初要求。

“哈勃”眼中的太空:猎户座四边形星群

“哈勃”眼中的太空:NGC7742星云

“哈勃”眼中的太空:NGC7635星云

“哈勃”眼中的太空:NGC7293星云

“哈勃”眼中的太空:NGC7027星云(图)

“哈勃”眼中的太空:NGC6210星云(图)

“哈勃”眼中的太空:NGC1365星云(图)

“哈勃”眼中的太空:浩瀚星海(图)

“哈勃”眼中的太空:m8星云

“哈勃”眼中的太空:m33星云

“哈勃”眼中的太空:m31星云

资料(截止至2001年)

  ▲在哈勃望远镜工作的十一年中,它对15,700个天体进行了390,000次观测。

  ▲哈勃望远镜已经绕地球转了64,000多圈,总路程近2亿英里。这个距离大约可以绕太阳9圈。

  ▲哈勃望远镜每天要获取3 - 4G的数据,可以装满6张光盘。

  ▲哈勃望远镜观测得到的数据总共大约是7.2个T。

  ▲哈勃望远镜数字档案每天向全世界天文学家发送10 - 20G的数据。

  ▲给据哈勃望远镜的观测,天文学家已经发表了3千多篇论文。


 我们所处的太阳系与宇宙相比,不过是沧海中的一滴水。时值今日,人们对宇宙的认识还相当粗浅。不识宇宙真面目,只缘身在宇宙中。今天,我们连宇宙究竟有多大,宇宙的年龄有多大,星系是如何形成和演化的等一系列基本问题所知甚少。揭开宇宙一个又一个奥秘是摆在人类面前的艰巨任务。宇宙实在太大了,进行宇宙天文学研究,除了进行理论推测外,长期以来只能通过被动地接收来自宇宙深处的各类天体发出的信息,对它们的性质、距离、大小以及演化进行分析。过去人们只能通过光学望远镜进行观测,接收到的只是天体辐射出的可见光。40年代一门新的学科诞生了,这就是射电天文学。人们又可通过射电望远镜接收天体发出的射电信息。但可见光波段和无线电波段都只是很窄的电磁波段,远远不能覆盖天体发出的全部电磁波信息。为了全面深入地研究宇宙和遥远的天体,必须极大扩展接收辐射电磁波的范围,包括γ射线、X射线、紫外线、红外、微波波段。航天时代以来,美国、苏联和欧洲发射了大量天文探测卫星,涉及γ射线波段、X射线波段、紫外波段、红外波段和可见光波段。

    在各种天文卫星中,最重要、名声最大、影响最大的当属美国的哈勃太空望远镜。1990424日,航天飞机“发现”号将“哈勃”望远镜发射升空,进入610千米高的地球轨道。“哈勃”望远镜主体结构呈圆柱形,长13米,宽4.27米,总重12.5吨。它的两侧各有一块太阳电池板,展开后望远镜的最大宽度可达13.7米。“哈勃”太空望远镜由三大部件系统组成:光学部件、科学仪器、保障系统。光学部件是一架卡塞格伦式光学望远镜。入射光由3米宽的舱门进入,射到直径2.4米的主镜上,再反射到在它前面4.88米处的副镜上。副镜将光线聚焦后,重新再返回到主镜,从主镜中央小孔穿过到达焦平面。考虑到振动、温度、重力等变化的影响,主镜和副镜上各有24个和6个作动器,用于进行调节,使聚焦光线能到达焦平面。
    “哈勃”太空望远镜上的科学仪器有5个,包括广角行星照相机、暗弱天体照相机、 暗弱三体摄谱仪、戈达德高分辨率摄谱仪和高速光度计。太空望远镜上还装有精确制导敏感器它可测出“哈勃”太空望远镜到目标天体的距离。测量精度是地面望远镜的10倍。整个太空望远镜的设计从各方面来讲,都是相当先进的,观测能力大大超过了地面所有的任何光学望远镜和已有的天基望远镜。据估计,“哈勃”太空望远镜能观测到27等星那样微弱亮度的恒星,比地面上5米口径望远镜观察到的星光暗50倍。
    自发射到目前,已经过去了11年。期间,还于199319971999、2002年四次对它进行了修理和仪器更换。“哈勃”望远镜在投入天文观测后,得天独厚,获得了一些重大发现,令科学家们激动不已。它的最初目的是通过对中子星、脉冲星、类星体和黑洞的观测,深入研究宇宙的起源、结构、组成和演化等难题。1991年,“哈勃”望远镜成功地观测到距离地球17万光年的大麦哲伦星云旗鱼座的第三个轮形星云;成功地拍摄了超新星1987A的清晰照片;它重新量度了大麦哲伦星云的距离为169000±5%光年,而在此以前,误差高达±30%以上。1992年初,美国天文学家托德·劳尔在亚特兰大的一次会议上根据“哈勃”太空望远镜发回的资料,公布了一项十分惊人的大发现:首次在银河系临近M87的星系中央,确认存在一个巨大的黑洞。这是迄今为止证明黑洞存在的最直接证据。19924月,“哈勃”望远镜发现了一颗最亮的恒星,其温度比太阳高33倍。19925月,它发现宇宙中最古老的星系有新星形成。

  “哈勃”望远镜取得了丰硕的科学成果。全世界20多个国家有2000多名科学家利用它进行了10余万多次科学观测,并在分析的基础上撰写了数千篇论文。它取得的主要成就有:一、增进了人类对宇宙年龄和大小的了解;二、证明某些星系中央存在超高质量的黑洞;三、观察了数千个星系和星系团,探测到了宇宙诞生早期的“原始星系”,使科学家有可能跟踪研究宇宙发展的历史;四、对神秘的类星体和其存在的环境进行了深入观测;五、更深入揭示了恒星的不同形成过程;六、对宇宙诞生早期恒星形成过程中重元素的组成进行了研究;七、揭示了已死亡的恒星周围气体壳的复杂组成;八、对猎户座星云中年轻恒星周围的尘埃环进行了观测,揭示出银河系中存在其他行星系统;九、对苏梅克彗星与木星相撞进行了详细观测;十、对火星等行星的气候情况进行了观测;十一、发现木星的两颗卫星大气层中存在氧。

   
科学家们预言,在未来的太空和宇宙观测中,它有可能做出最为激动人心的科学发现,让人们看到宇宙大爆炸后10亿年内星系形成的整个过程,为科学家们提供有关黑洞、行星、恒星和星云的活动细节,以解答数不清的关于宇宙及天体的奥秘,如宇宙起源之谜、宇宙年龄之谜、神秘的黑洞之谜、类星体之谜。

 

   在航天飞机的宇航员执行维修哈勃太空望远镜的任务之后,哈勃太空望远镜又能焕发出青春了。但是天文学家却没有显出平日里的兴奋,因为NASA打算在再一次维修任务之后关闭哈勃太空望远镜。
    这似乎还很遥远,但是下周就将对主要观测进行安排。2009年,下一代空间望远镜(Next Generation Space Telescope,NGST)将取代哈勃空间望远镜,但是它只能在红外波段进行观测,这样可见光和紫外天文学家就缺少了主要的空间探测手段。与此同时,地基望远镜也正在试验新的技术,它可以提供和昂贵的空间望远镜一样的清晰影像。为了避免陷于被动,今年春天研究者将会确定未来20年空间观测的主要课题,以及哪些技术亟待解决。同时,它也会对关闭哈勃太空望远镜的后果进行评估。作为哈勃太空望远镜的“支持者”NASA的前任局长丹·古德林(Dan Goldin)取消了延长哈勃太空望远镜使用寿命的计划。NASA官方的说法是,维修哈勃太空望远镜将耗费过多的钱,而耗资13亿美元的下一代空间望远镜仍需要资金。但是古德林已被辛·奥基福(Sean O'Keefe)取代,哈勃太空望远镜的支持者又有了一线希望。“现在NASA有了新的局长,同时他也正在为延长哈勃太空望远镜的使用期限寻找解决办法,”空间望远镜研究所的哈里·弗古孙(Harry Ferguson)说。在1990年哈勃太空望远镜非常难堪的首次登场,那时它的镜面有缺陷,但那之后证明哈勃太空望远镜是有史以来最成功的空间科学项目之一。甚至现在,每当执行完维修任务之后,申请哈勃太空望远镜使用时间的要求都会大幅增加。第一次在1993年12月,修复了哈勃太空望远镜的镜面,其他两次维修任务则大大提高了哈勃太空望远镜的数据采集能力。在1999年的维修任务中,宇航员更换了6个失灵的陀螺仪,它们对哈勃太空望远镜的精确指向起着至关重要的作用。同时,宇航员还安装了一台新的主计算机、一台先进的数据记录器、一部天线、一台更好的导向传感器以及更换了绝缘材料。
    下个月的任务将为哈勃太空望远镜添置一台新的设备,能量转换装置,和4块新的太阳能电池板,它们比先前的要小却能多提供30%的电力。同时宇航员将安装一套新的冷却系统,它将使一部业已停止工作的设备重新工作。哈勃太空望远镜的主管说,其结果几乎将会是一座新的空间天文台。“在这次任务中,每一分钱都花在了刀刃上,”空间望远镜研究所的主任史蒂文·贝克威什(Steve Beckwith)说。
    但是这项任务仍旧是对现有技术的一次挑战,而且也不便宜——此次维修任务耗资1.72亿美元。为了这次任务的顺利实施必须要有一只稳定的技术人员和工程师队伍,以及训练有素的宇航员。同时,航天飞机的飞行还需要5亿美元的额外开销。如此大的开销使得美国国会、NASA和白宫预算和执行办公室在90年代达成了共识,在2004年后停止哈勃太空望远镜的维修飞行计划,进而将资金注入下一代空间望远镜计划。“如果你不停止哈勃太空望远镜的维修飞行,下一代空间望远镜计划就不会实质性的启动,”韦拉说,同时他补充说,哈勃太空望远镜原计划15年的寿命现已延长到了20年。他说,到那时即使维修飞行也无法使哈勃太空望远镜的技术保持领先。“我们可以继续用哈勃太空望远镜做出好的科研成果,”韦拉说,“但是我想做出出色的成果。由于没有足够的资金,我们必须做出艰难的选择。”
      然而,贝克威什说我们的选择也许没有那么艰难。NASA可以在2004年之后进行相对便宜的维修飞行任务,并不需要大量的更新换代设备,而且技术进步还可以使每年4千万的运转费用在2010年前后减半。晚一些关闭哈勃太空望远镜同时也可以使下一代空间望远镜和哈勃太空望远镜共同工作一年,不至于使哈勃太空望远镜在下一代空间望远镜发射后就立即消失。<br>
    但NASA空间科学高级官员安妮·基尼(AnneKinney)说,下一代空间望远镜和哈勃太空望远镜的共同运转对于NASA的研究计划并不是至关重要的。她和韦拉说,而且即使是每年都降低的运转成本——还不涉及另一次维修飞行——也会使NASA有限的预算捉襟见肘。贝克威什承认,关闭哈勃太空望远镜“已不再是一个技术问题,而是一个政治问题”。在寒冷的太空中但是,在塑造后哈勃时代的过程中,天文学家仍是十分重要的角色。下月,红外天文学家将汇聚马里兰商讨红外天文学的未来以及与之相关的空间计划。在4月份,光学和紫外天文学家在芝加哥也将召开类似的会议。组织芝加哥会议的亚利桑那大学的天文学家罗伯特·肯尼柯特(Kennicutt)说:“我们可以为未来10年作一个远景规划。”但是希望事态有所改变的科学家会有些失望,肯尼柯特警告说:“这次会议并不是为了干预NASA的计划。”>
    提出一份有亲和力的计划是光学和紫外天文学家的当务之急,因为下一代空间望远镜上并没有搭载与之有关的设备。虽然未来可能有一些小型的空间计划,但是NASA在近期没有发射与光学或是紫外有关大型设备的计划。
   与会者将会对一些课题进行评估,包括星系际物质、星系间的精确距离、外太阳系行星以及识别暗星系用于研究星系演化。“确定课题是十分容易的,”肯尼柯特说,“困难的是我们不知道在未来十年中有多少会被真正涉及到。”基尼说,坚定立场是十分重要的,“科学家倾向于从设备出发来思考;从NASA的角度来讲,知道科学项目的重要性才是最重要的。”
    科学家也在尝试用日新月异的地基望远镜来完成他们的计划。地基望远镜还无法与在寒冷而清晰的宇宙空间进行红外、X射线和紫外线观测的空间望远镜相抗衡,而且在很长一段时间里这一情况仍将继续。但是新技术——例如自适应光学——使得地基望远镜在可见光波段拍的照片已经可以和哈勃太空望远镜的相比拟了。更重要的是,地面观测要便宜得多。     
     “在一部分可见光波段中,空间望远镜并没有足够大的优势,”肯尼柯特说。但是,对于地基设备赶上空间望远镜的可能性以及时间还没有一致的看法。“在可见光波段存在着相当大的分歧,”他补充说。;例如,自适应光学系统可以监测大气是如何使星像畸变的,进而通过改变镜面的形状来补偿这些畸变。最新的技术是通过激光来制造一颗人造星来引导自适应光学系统。最近位于智利帕洛奈尔的欧洲南方天文台甚大望远镜拍摄的照片甚至比哈勃太空望远镜的更为清晰。但是随着视场的增大,这种清晰度就会随之降低。虽然一些天文学家认为空间望远镜的大视场光学成像能力相对于地基望远镜来说是一大优势,但是亚利桑那大学的罗格·安琪尔(RogerAngel)说一些地基望远镜(例如夏威夷莫纳亚克山凯克天文台的望远镜)正在赶超这些空间望远镜。在凯克天文台,一系列射入大气的激光使科学家能够在较宽的视场中来补偿大气对星像的畸变。研发精密的激光器是很困难的,但是它们确实有了长足的进步。事实上,一些地基天文学家不久就能捕捉到太阳系外行星的影像了。安琪尔说:“空间望远镜之所以看得更远是因为站在他们的肩上。
技术桥
   地基自适应光学和空间技术竞争的结果将对NASA最终的决定起关键的作用。“我们将对未来技术进行深入的讨论和评估,”基尼说。NASA的主管会谨慎考虑一份2004的倡议,其中包括更好更轻的主镜、探测器、镀膜技术和其他技术。到目前,一些长期项目仍为近期的财政预算所困扰。白宫的财政预算官员以耗资过多为由驳回了NASA要求在2003年花费5百万美元用于太阳帆和轻型光学系统研究的申请。但是,NASA的官员说,他们相信奥基福将会为空间望远镜的长期技术注入资金。每个波段的望远镜都需要更大和更轻巧的光学器件。但是在细节上又有一些不同。例如,紫外设备由于其波长较短,要求光学器件的精度很高,同时镜面污染要求很低,因为它们会大量吸收短波辐射,而且还会损坏镜面。红外天文学则要求低温,来减少热和光的影响。而X射线天文学则要求更高精度和多重镜面,最近使用的锥形镜面已达到了极限,因为增大它们的口径已无法快速增加光的收集量。NASA的首席天文技术学家哈雷·斯罗森(Harley Thronson)说,各个波段都需要更好的探测器,所有的研发成本大约是每年3-4千万美元。
同时,NASA的官员说他们正密切关注地基天文学的进展。斯罗森补充说,2004年的倡议可能包括与国家科学基金会的合作,后者监管着地基望远镜。这些合作无疑会使白宫感到高兴,白宫在去年曾经尝试整合这两个机构的工作。合作技术将是确定更好的适合空间或地基设备任务的第一步。“哈勃太空望远镜长期以来是这一领域的霸主,使人很难从另一个角度来思考问题,”安琪尔说。但是,随着哈勃太空望远镜的禅位,新时代即将到来。
哈勃太空望远镜拍摄的精彩照片


1994年苏梅克-利维9号彗星撞击木星</span></td>


星系核超大质量黑洞(1997年)</span></td>


年轻恒星旁的原行星盘(1993年)</span></td>


杜鹃47球状星团(2000年)</span></td>


哈勃深场照片(1996年)


类星体:确认其寄主星系(1997年)


高红移超新星(1998年)</span></td>