新科技哈勃太空望远镜(上)



世界上的著名天文台很多,大望远镜也不少,但却没有一个望远镜能像哈伯一样家喻户晓。前两天亚特兰提斯号航天飞机升空,准备进行哈伯太空望远镜第五次,也是最后一次的维修/升级任务,所以小姜打出两篇瘾科学来纪念这个重要的里程。上篇是哈勃简短的历史,下篇则是哈勃的观测与成就。

这次的维修任务预计将哈勃的服务年限延长到了 2013 年,但在那之后,我们还是要面临着哈勃望远镜该何去何从的问题。哈勃能不能有好个结局?没人知道,但在这之前,我们先来看看哈勃的故事吧!哈勃的诞生

在太空中放一架望远镜有许多的好处,包括增长的观测时间、不会被大气干扰,以及观测红外线、紫外线等容易被大气吸收的波段,因此放在太空的望远镜从很早以前就是科学家期待中的观测设备。早在 1960 年代,美国就已经发射了 OAO-2(Orbiting Astronomical Obervatory)任务进行紫外线频率的观察,证明了太空望远镜的可行性,因此 1968 年 NASA 就提出了一台大型(直径 3m)的反射式望远镜的概念,配合正在发展中的航天飞机,预计 1979 年就可以将望远镜发射升空。



然而,像所有这种以「发现未知」(即「没有目标」)为名的大型计划一般,这台暂时名命为 Large Space Telescope(LST)的太空望远镜很难过地发现自已最大的障碍不是技术,而是一种名为「钱」的东西。预算多次地删减,以及在参众两院间的折冲,使得 LST 的发射时间不仅一路延后到了 1983 年,而且规模还大大地缩小了 -- 从原本的 3m 主镜缩小成了 2.4m。

终于,哈勃可以开始建造了。然而,终究哈勃是个太过于有野心的计划,有些地方 NASA 高估了当时的技术能力,也低估了建造这样一样精密机械所需要的成本。这点特别反应在哈勃的主反射镜上 -- 哈勃的主反射镜采用的是有两片双曲面镜的卡塞格林反射镜,这样的设计拥有较广的视野,以及较好的成像质量,但是却非常难磨得准确,造价也高。这让 NASA 和主镜的承包商 Perkin-Elmer 之间发生许多的不愉快,哈勃的造价节节上升的同时,发射时间却不断地延后。


哈勃的备用镜片(已经磨好形状了,但要再包上一层铝才能成为真正的「镜片」)

等到一切准备就绪时,已经是 1986 年了。就在大家估计该年 10 月应该可以顺利发射时,却碰到了挑战者号爆炸的意外,这停摆了所有的航天飞机发射作业,哈勃望远镜也只好收到一间无尘室里,还要不时地启动运转一下避免零件老化,并经常性地喷氮气清理。据估计,哈勃维持这样状态的期间,每个月要花费 600 万美元,使得 1990 年四月 24 日由发现号航天飞机携带升空时,总造价由最早四亿美元的估计,暴膨到二十五亿美元。

近视的哈勃

哈勃终于发生之后,兴奋地等待第一批照片进来的科学家很快地就发现了一个很严重的问题:哈勃有近视眼!当然因为望远镜的光学结构和人眼不同,所以其实讲近视眼是不对的,但效果差不多。总之,延误哈勃发射的罪魁祸首 -- 主反射镜 -- 被发现双曲面的弧度不对,使得边缘反射的光和中央反射的光有一点点的偏差,无法将点光源集中在一个点上,反而是反散成了一个模糊的光球。这下子可糗大了,本来就已经严重超支的的哈勃太空望远镜,现在变成了比地面望远镜还不如的鸡肋存在。


一整个糊

问题的原因,发生在 Perkin-Elmer 使用来测量镜面磨光是否正确的那个校正仪器略有偏差,因此主镜面从头到尾都是在有偏差的情况下磨成的。Perkin-Elmer 还有另外两个备用的校正仪器,两个备用仪器也都发现了这个错误,但 Perkin-Elmer 选择相信是备用仪器出了错,而不是主校正仪出了错。

就是因为主反射镜是非常精准地被磨成了错误的规格,因此提供了科学家一个补救的机会 -- 哈勃从设计伊始,就设计成了可以定期维修/养护来增加使用寿命,而科学家正好可以利用下次的维修,替哈勃装上抵消这个错误的额外镜片。从某些角度上来说,这就像为哈勃装上眼镜一样啊!

哈勃的四次维修

第一次维修由奋进号在 1993 年 12 月进行,除了换掉几个小零件,和升级一下计算机外,最重要的就是为哈勃装上名为 COSTAR 的「眼镜」系统,而安装前后的差异是非常明显的。哈勃自此总算可以依照原设计的规格,进行太空观察。第二次的维修任务发生在 1997 年二月,在这次的任务中,替换掉了两个仪器,并将原本的磁带记录器(!)换成了固态的记忆装置。


修理前与修理后

第三次的维修任务在 1999 年 12 月,在任务中换掉了全部六个维持哈勃指向稳定的陀螺仪,还换上了颗 25MHz 的 486 CPU。第四次的维修则是发生在 2002 年三月,除了又换了一个观测仪器外(科技进步真快啊 @@),也为哈勃装上了新的,更有效率的太阳能板。


第四次维修后的哈勃。可以看到太阳能板变成短短的硬板子。

第五次维修任务与未来

目前正在进行中的是哈勃的第五次维修任务,预备要再换两个观测设备,以及更换哈勃的科学仪器控制与数据处理单元,如此一来哈勃应该能继续运转到 2013 年。问题是,再接下来怎么办?随着地面望远镜科技的进步(d例如能自动补偿大气干扰的镜片系统),大型的太空望远镜似乎用处愈来愈少,再加上航天飞机退役之后,也无法再像现在这样三不五时地上去升级一下,最终保留哈勃的理由,就只剩下其历史意义了吧?

如果放着哈勃不管,几年后它就会因为长时间和大气的摩擦,最终坠毁在地球上。这是 NASA 最不愿看到的结果 -- 因为它有可能掉在任何地方,对生命财产造成威胁,因此 NASA 倾向于在哈勃除役后,控制其下降的轨道,使其落在某个大洋中。但基于哈勃在太空探测史上的重要地位,也有不少人正积极地试图将哈勃救下来,让哈勃在博物馆中陈列。只是先前说过了,航天飞机正面临除役,就算想要把哈勃从太空中救下来,也不知道要怎么做才好。目前唯一可行的折衷办法,是先将哈勃推到更高的轨道,暂时避免坠毁的危险,再静待下一代的太空往返载具发展。

只是将哈勃推到更高的轨道需要专门设计火箭,先不说经费谁出,光是时间或许就已经不足以推动这样的一方案。虽然很不愿意见到,但哈勃的宿命,或许是就坠落在某个大洋中了吧...

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