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一个关于哈勃望远镜的故事.


欲览星河上九霄——哈勃空间望远镜小记

by 中国科学院上海天文台


直上青天

1990年4月25日清晨,美国佛罗里达州卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心,数百名天文学家和技术专家翘首注目。远处巨大的发射平台上,"发现号"航天飞机如同展翼欲升的鲲鹏,正巍然倚靠在发射塔边。航天飞机此次飞行肩负着重要使命,就是把耗资巨大、深受世人瞩目的哈勃空间望远镜(HST)送入太空。美国东部时间上午8点34分,随着指令的发出,航天飞机喷云吐焰,在轰鸣声中直上蓝天,标志着人类探索宇宙的历程揭开了新的一页。

哈勃空间望远镜以当代美国天文学家哈勃的名字命名,是由美国国家航空航天局主持建造的四座巨型空间天文台项目中的第一台,也是迄今为止天文观测项目中投资最多,最受关注的项目之一。

天文学的研究以观测为基础。但由于地球大气的吸收,波长在3000埃以下的紫外光波段对地面观测者来说是一个"盲区"。即使在可见光和近红外波段,由于大气宁静度的制约,通常3米左右口径的大型地面光学望远镜对星象的分辨率很难优于1角秒。若在大气层以外的观测则只受衍射极限的限制,角分辨率可比地面观测提高近10倍,达到0.1角秒,这相当于能分辨出约10公里以外的一枚5分硬币。对于天文学上许多悬而未决的"宇宙之谜"来说,高分辨率的观测正是破解谜底的关键,这也是人类不惜工本进行空间天文观测的主要原因。

有关空间望远镜的构想,早在本世纪40年代就已显露雏形,而具体的设计和建造则完成于70至80年代。哈勃空间望远镜外观象一个5层楼高的圆筒,其主体长13.2米,最大直径4.3米(其中光学主镜口径为2.4米),两块长达12米左右的太阳能电池翼板伸展在镜筒两侧,总重量达11.5吨。这是一座高度自动化的空间天文台,它的主要性能要比通常的地面光学望远镜优越一个量级以上。哈勃空间望远镜从1979年蓝图设计到1990年投入观测,历时10余年,耗资15亿美元。若按重量计算,平均每克造价接近130美元,远比纯金更贵。天文学家期望着凭借哈勃望远镜那锐利无比的"神眼",去洞察宇宙深层的奥秘,开辟天文观测的黄金时代。

好事多磨

然而好事多磨。在哈勃望远镜上天之后,经过最初几周紧张的测试与调整,人们发现望远镜的成象质量与预期效果存在很大差距。按设计能力,在可见光波段,被观测的点源60%以上星光应能聚落在0.1角秒的小圆域内,而实际结果只有15%的光线落入其中。经过地面上专家们紧张忙碌的调查研究,很快查明其祸因是望远镜在主镜研磨制作过程中发生人为差错,主镜边缘处比设计尺寸多磨去了2微米(约只有头发丝的百分之一细),真可谓失之毫厘,但按照现代精密光学的标准来看,这却是一个大错误。它导致了望远镜光学主镜存在严重的球形象差,降低了观测图象的分辨率,使望远镜的"视力"大受损伤,同时令其捕捉遥远天体信息的威力降低了将近20倍。受其影响,许多原定的重要观测也将无法进行。无独有偶,哈勃望远镜还接二连三地遇上其它麻烦。人们发现,它的太阳能电池板因受热不均产生微颤,破坏了望远镜瞄准系统的稳定性,进一步影响了观测图象的清晰度。此外,望远镜机载导向系统中的6个陀螺,有两个相继失灵,另有一个也只能断断续续地工作。这一切使得这座曾被寄予厚望的空间望远镜几乎处于岌岌可危的境地。

面对严峻的挑战,美国国家航空航天局和其它科研机构的科学家们使出周身解数,力挽狂澜。他们在地面上利用先进的计算机图象还原技术,尽可能弥补图象的缺陷。由于主镜在加工中所造成的偏差其形状非常有规则,采用计算机处理后,可以把哈勃望远镜在图象清晰度上的损失控制到最小,使其角分辨率比起地面上最好的望远镜仍优越得多。仅此一点,已使得哈勃望远镜最初三年的科学观测依然成果辉煌,获得大批珍贵资料。但是,哈勃望远镜集光能力比原设计降低20多倍,这种损失在地面是无法补偿的,天文学家只能期待对它作"脱胎换骨"的太空维修了。

太空维修

其实早在1979年,哈勃望远镜尚处于蓝图阶段,就已经把进行太空维修纳入可行性设计之中。按照设计方案,望远镜上共有50余种元件和设备可在太空中作更换。哈勃望远镜拥有5台主要的科学观测仪器,包括两台照相仪,两台光谱仪和一台高速光度计。每台设备都设计成相互独立的组装插件,可以分别或同时进行观测,也可以单独被撤换而不影响其它仪器。

哈勃望远镜频频"遇险",于是美国国家航空航天局在1993年12月对其作了为期12天的太空维修。7名机组人员带着7吨重的各种器材,于12月2日搭乘"奋进号"航天飞机驶入太空。此次太空之旅的意义非比寻常,不但是要修好望远镜,矫正哈勃望远镜的"视力",更重要的是可以检验人类在太空里从事高难度操作的能力,也为今后空间城的建造积累宝贵的经验。

"奋进号"启程3天之后与哈勃相会。首先,宇航员用机械臂把哈勃望远镜抓入飞船的敞开式货舱中。在随后几天激动人心的紧张"手术"中,数位宇航员轮番步入太空,依照事先周密的安排和演练,有条不紊,精心根治哈勃望远镜的诸多病患,终于"妙手回春",全面恢复了望远镜原设计的科学能力。在修复过程中,更换了哈勃望远镜的两台陀螺仪和太阳能电池翼板上的驱动控制部件,解决了望远镜空间定向的稳定性问题。矫正望远镜主镜的像差是此次成败的关键,宇航员们为哈勃望远镜新装了"光学矫正替换箱",就仿佛给翳障迷蒙的近视眼配上一副"矫光眼镜",使其重现清明。在科学仪器方面,换装上一台加州喷气推进实验室制作的新一代的广角行星照相仪,令望远镜的天文观测能力如虎添翼。此外,宇航员还安装了新的计算机存储器,进一步改善了电脑的使用效率。在与地面环境迥然不同的外层空间进行如此复杂而精细的工程维修,显示出人类在空间中从事高难度活动的能力,堪称科技史上的伟大创举。诚如美国国家航空航天局的主管韦勒博士所言:"这次(维修)飞行无论成功与否,都将名存史册"。

注目未来

令人们额手称庆的是,这次太空维修行动最终获得圆满的成功。12月28日,哈勃望远镜维修后拍摄的第一幅照片传回地面,图象之清晰令人欣喜和惊诧,天文学家们甚至都怀疑起自己的眼睛。韦勒博士说:"维修效果比我们最大胆的梦想还要棒。"康复后的哈勃望远镜,不仅消除了像差,其分辨率甚至超过了原初的设计。矫正后的望远镜可使点源70%的光线聚在0.1角秒内,已非常接近于物理学定律所决定的极限。在随后的几年里,哈勃望远镜所获观测图象的质量空前之高,得到一系列极有价值的发现,对天体物理学的进步作出了卓越的贡献。

1997年2月,"发现号"航天飞机升空与哈勃望远镜再次相会,此次服务飞行的主要任务是为哈勃望远镜换装上两台新一代的仪器。一台名为"空间望远镜成象光谱仪",它使用新的、更为灵敏的探测器,并且能同时对多个目标作光谱测量,而原先的光谱仪一次只能观测一个目标,新旧两种设备的工作效率不可相提并论;另一台是"近红外照相仪", 原先哈勃望远镜上的照相机只能在可见光和紫外波段观测,近红外照相仪则可在2.5微米以下的近红外波段进行成象观测,尤其适合观测研究恒星形成区和高红移星系方面的诸多奥秘现象。仪器设备的更新换代使哈勃空间望远镜观测宇宙的能力百尺竿头,更上一步。对哈勃望远镜的最后一次维修飞行定于2002年3月进行。此后,随着岁月流逝,渐渐能量耗散,设备毁损,哈勃望远镜将在太空中孤独地走完最后的历程,直至寿终正寝。

哈勃空间望远镜将于21世纪之初完成其历史使命,而人类驶向辽阔太空的航程则还刚刚起步。"地球是人类的摇篮,但人不会永远生活在摇篮里"。如今,人类的目光已经指向银河深处。建立空间站,漫游太阳系,已不再只是少数先驱者头脑中的理想或者科幻小说里的奇景。也许到不远的将来,回首今天,人们会普遍意识到,哈勃空间望远镜自身的业绩和它成功的太空维修,正是人类拓展空间疆域历程中坚实的一大步。

 

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