自 1990 年升空,哈勃空间望远镜已经服役了四分之一个世纪。它就像太空之眼,帮人类看向宇宙深处。


发射

向上!向上!奔向外太空!

经过美国和欧洲数千人几十年的努力,携带着天文学家的期望和梦想,哈勃望远镜在 1990 年 4 月 24 日由「发现号」航天飞机发射入轨。

经过美国和欧洲数千人几十年的努力,携带着天文学家的期望和梦想,哈勃望远镜在 1990 年 4 月 24 日由「发现号」航天飞机发射入轨。

1990 年 4 月 24 日,一大群观众正在焦急地等待着。从佛罗里达州肯尼迪航天中心拥挤的观众区域看去,他们能看到矮胖的「发现号」航天飞机在发射台 39B 上直指天空。装在航天飞机有效载荷舱里的是哈勃空间望远镜,建造者们相信它将成为史上最复杂、最强大的光学望远镜。美国东部时间上午 8 时 33 分倒数计时 31 秒后,「发现号」的发动机点火了,航天飞机从发射台上缓慢升起,下面是波浪般翻滚的、逐渐升起的浓烟和火焰柱。

20 世纪 70 年代,在 NASA 的支持下,来自美国和欧洲多家公司、政府实验室和大学的几百位天文学家和工程师,开始着手处理设计一架「大型空间望远镜」,为了纪念美国天文学家埃德温·哈勃,它在 1982 年更名为「哈勃空间望远镜」。哈勃的心脏是直径 2.4 米的主镜面,主镜面的任务是收集来自天体的光线,并导向次级镜面。光束被反射后再经过主镜面中心的一个孔洞进入一组六台科学仪器以供分析。严格来说,哈勃望远镜本身并没有成像,而是每台科学仪器利用电子探测器捕捉并记录到达望远镜的光线,这些信息被收集起来传输回地球。

哈勃望远镜的建造开始于 1978 年,到了 1986 年初,它排上了当年晚些时候的发射名单。但是哈勃研究组在 1986 年 1月 28 日遇到了灾难性的挫折。那天上午,「挑战者号」航天飞机升空 73 秒后发生爆炸。机上所有宇航员遇难。NASA 内外的调查员开始着手确定是哪里出了问题,将来如何避免类似灾难。航天飞机被下令不许起飞,哈勃升空的时间被推迟了。

4 年后,1990 年 4 月,航天飞机再次起飞。哈勃望远镜装在「发现号」航天飞机上,做好了发射准备。「发现号」带着空间望远镜和 5 名宇航员到达了离地球 612 千米的预定轨道。第二天,4 月 25 日,哈勃被轻轻地拉出载荷舱,由航天飞机的机械臂送入太空。

现在的最大问题就是:花费了数十亿美元、数千人工的哈勃空间望远镜,它的表现将会如何?

大修

遭遇「哈勃麻烦」,刚上天就惨重失败。

此图摄于 2009 年,约翰·格朗斯菲尔德出舱行走,这是他第三次,也是最后一次造访在轨运行的哈勃空间望远镜。在他的面罩上的反光中可以看到地球,以及他的宇航员同事德鲁·非斯特尔。

此图摄于 2009 年,约翰·格朗斯菲尔德出舱行走,这是他第三次,也是最后一次造访在轨运行的哈勃空间望远镜。在他的面罩上的反光中可以看到地球,以及他的宇航员同事德鲁·非斯特尔。

哈勃空间望远镜在 1990 年 4 月上天之后,返回来的图像没有达到预期要求。两个月后给出的诊断结果是:主镜面存在一个重大缺陷,称为「球面像差」,意思是从目标恒星来的所有光线不能被会聚在同一个锐焦点上。这个误差被公之于众后,媒体拿它大做文章。模糊不清的图像、挥霍浪费的经费、政府机构的愚蠢,都被称为「哈勃麻烦」(Hubble Trouble),这个词成了流行语。

工程师和科学家们目瞪口呆。媒体上连篇累牍地刊载措辞严厉的社论,指责之声不绝于耳。但 NASA 面临着比维护自身形象更加巨大的挑战:望远镜刚上天两个月,NASA 就不得不去找修正错误的方法。

哈勃是第一台设计为可以在轨道上进行维修的大卫星。它设计的轨道很低,足以通过航天飞机到达,它的仪器和组件也能够由宇航员徒手组装,这时宇航员漂浮在太空中,身着防护服,戴上类似曲棍球手的手套。NASA 决定对哈勃进行在轨维修。这就避免了再来一次代价不菲的发射任务,而且这个方案也能证明人类能够在轨道上实施复杂的任务,对于 NASA 未来进行长期载人航天任务也是非常重要的一个条件。

主镜缺陷在哈勃上天后几周内就被发现了,但维修任务迟迟无法实现。最后安排到 1993 年 12 月,差不多隔了三年,这对于天文学家来说是漫长的煎熬,更别说不耐烦的公众和充满疑虑的国会了。1993 年 12 月,从 4 日「奋进号」航天飞机与哈勃对接,到 9 日再次释放哈勃,宇航员们完成了创记录的 5 次太空行走,执行任务的乘员都不是新手,每个人都已经飞了 3 到 5 次。他们已经在虚拟环境和水箱中花了无数小时,用美国航天博物馆里的哈勃复制品进行训练。现在他们要来真的了,两人一组,一共五次。

在他们调整速度和方向,接近轨道上的哈勃时,杰夫瑞·霍夫曼首先用双筒望远镜看见了它,注意到太阳能电池板情况不对。在太空飞行的第 4 天进行第一次太空行走时,维修换队替换了几个陀螺仪,收起了太阳能电池板。飞行第 5 天进行了第二次太空行走,换下了太阳能电池板。飞行第 6 天进行了第三次太空行走,用新相机替换下了 广角和行星相机(WFPC),霍夫曼和斯道瑞·马斯格雷夫像跳舞一般小心翼翼地操作,花费了 6 个多小时。飞行第 7 天的第 4 次太空行走时,凯思林·桑顿和托马斯·埃克斯取下了原光轴上的一件仪器,以完美无瑕的姿态装上了空间望远镜光轴补偿校正光学系统(COSTAR)。第 5 次也就是最后一次太空行走矫正了太阳能电池板的问题,并更新了戈达德高分辨光谱仪的连接电路。

当然,在整个过程中会有一些紧张时刻:卸不下来的螺栓、杂乱的电子器件,还有机动展开系统出了故障,以至于必须手动操作才能把新的太阳能电池板安装到位。最后,望远镜被遥控机械臂轻轻地从航天飞机里拉了出来。「奋进号」就这样告别了哈勃。宇航员们完成了任务。现在轮到科学家和工程师来看看用上改进过的新光学系统的哈勃能带来什么了。

重生

哈勃的「视力」矫正好了,新图像证明了它真正的实力。

1993 年第一次维修任务之前(左)和之后(右)拍摄的旋涡星系 M100。哈勃修正之后的视野里探测到了造父变星,让天文学家可以非常精确地测定星系的距离。

1993 年第一次维修任务之前(左)和之后(右)拍摄的旋涡星系 M100。哈勃修正之后的视野里探测到了造父变星,让天文学家可以非常精确地测定星系的距离。

虽然天文学家们急切地想看到哈勃望远镜的「视力」是否已经改善,但他们还不能立即去拍摄天文图片。除了各种工程上的检查和调整之外,WFPC2 的电子探测器还需要冷却到足够低的温度,这样操作起来才更有效。一切都进展顺利,没有任何工程故障。1993 年 12 月 18 日凌晨,二十多个天文学家、技术人员和 NASA 官员把空间望远镜科学研究所地下室里的一个小房间挤得满满当当。他们正焦急地等待来自维修后哈勃的第一张图片:一颗标记为 AGK+81°266 的亮星。大约在 1 点,当 AGK+81°266 的图像出现在监视屏上的时候,紧张消散,代之以轻松和高兴。这张图像获得了大声喝彩与欢呼。屏幕上出现的是一个干净、紧凑、聚焦准确的恒星图像。图像中央亮点周围不再有环绕图像的诡异的晕、卷须和触手,这些都是毁掉早期图像的元凶。聚焦和光路还需要进行微小的调节,但在这个房间里人们强烈感觉到,哈勃已经多好了。现在天文学家准备好拍摄更多的天体照片了。

维修之后的哈勃最初发回的照片里,最迷人的要数在新年前夜拍摄的旋涡星系 M100 了。这张照片比哈勃之前在具有球面像差时拍摄的更清晰、分辨率更高,因而天文学家得以第一次把旋臂从外围追溯到星系最核心的区域。WFPC2 就这样送来了一份令人兴奋的新年礼物,未来也会有更多这样的礼物等待着我们。

天文学家们以质量完善的照片表明哈勃望远镜的表现超过了预期。比如,来自空间望远镜科学研究所的天文学家罗伯特·杰德热哲斯基展示了几天前刚刚拍摄的一张球状星团杜鹃座 47 的照片,这是一个巨大的星团,离地球 1.7 万光年。维修之前拍摄的照片上只有散乱模糊不清的斑点。如今那些斑点都表现为一颗颗独立的恒星。更重要的是,现在还能探测到球状星团里的白矮星。白矮星是已坍缩恒星烧完之后的致密核心,天文学家已经预言过白矮星会存在于球状星团里,但还从来没有探测到过。杰德热哲斯基说:「我们知道白矮星必然存在于此,但以前还没有办法看到它们。」

一系列经过精心准备的照片像连珠炮弹一样在 1994 年 1 月 13 日和 14 日公之于众,标志着哈勃历史上的新阶段的到来。如今天文学家充满了兴奋的期待,终于可以利用全力开动的哈勃空间望远镜去探索宇宙了。

太空之眼

跨越宗教和大众科学,看向深空,看向过去。

鹰状星云 M16 中心的特征结构,被称为「创生之柱」。拍摄这张照片是为了优化 WFPC2 上的 CCD 结构。邻近炽热恒星发出来的辐射把气体和尘埃刻画成了柱子,其中包含有正在形成中的恒星。

鹰状星云 M16 中心的特征结构,被称为「创生之柱」。拍摄这张照片是为了优化 WFPC2 上的 CCD 结构。邻近炽热恒星发出来的辐射把气体和尘埃刻画成了柱子,其中包含有正在形成中的恒星。

2009 年,美国联合通讯社在一篇文章中回顾了哈勃的历史,标题非常醒目:「从宇宙笑料到历史性的观天之眼」。文中指出,1995 年的一张照片「永久地修复了这架望远镜早期被玷污的声誉」,它指的是鹰状星云的照片。「它的色彩美丽惊人,引人注目的云团是恒星形成之处。NASA 称之为『创生之柱』。」

鹰状星云 M16 位于北天的巨蛇座。在它的中心,有排壮观的黑色「手指」指向一群灿烂的蓝色恒星。它们的「指尖」处似乎在发光。因为这张照片美丽得出奇,所以 NASA 在 1995 年 11 月专门为它召开了一次电视新闻发布会。新闻发布后的反响令人欣喜若狂。

在把鹰状星云这幅壮观的新图像称为「创生之柱」时, NASA 科学家们就赋予它了一个含义丰富的、有着上千年历史的传统符号,并把这个符号带到了现代。正如我们一般会把主子与希腊、罗马的古典神庙联系起来,「创生之柱」这个概念(支撑世界及世上一切的根基)显然有着来自基督教传统的回响。鹰状星云的形象,通过 NASA 关于柱子的比喻,「产生了跨越宗教与大众科学的共鸣」。它「比以往任何一张哈勃图像都更有效也更戏剧性地把美学与科学结合在一起」。这张经常在大众媒体上出现的原始图像,改变了我们看待和思考周围宇宙的方式。

我们用哈勃望远镜能够看多远,在其视野最远的极限上我们又会发现什么?带着这些疑问,天文学家们在 1995 年下半年把哈勃指向了天空中一个不起眼的角落。结果是一张令人惊叹的照片。它被称为「哈勃深场」(Hubbe Deep Field),它揭示在这个角落里隐藏着 2000 多个星系,其中大部分在几十亿光年之外。这张照片提出了关于我们在宇宙中的位置和宇宙本质等深刻问题。

我们的地球,如 1968 年从「阿波罗 8 号」飞船飞向月球时所见,悬挂在黑暗的太空之中。或者如卡尔·萨根所称的,是一个「暗淡蓝点」。「再看看那个光点,」萨根说,「它就在这里。那是我们的家园,我们的一切。你所爱的每一个人,你认识的每一个人,你听说过的每一个人,曾经有过的每一个人,都在它上面度过一生。」

哈勃深场实际上是窥探黑暗,目的是调查在哈勃望远镜的「最远极限」上有什么。天文学家们经常用地质学或考古学类比来解释「哈勃深场」的重要性。最初新闻发布会上把它称为在研究星系历史方面「天文学家进行的最深的考古发掘」。它就像从地下深处挖出来的岩芯样本,岩芯能提供地球不同历史阶段的记录。深入太空即意味着回到过去。这个影像改变了我们关于宇宙以及我们在宇宙中位置的感观。

未来

终极问题和最遥远的宇宙。

一个超级炽热的正在死亡的恒星向太空中喷发出大量气体和尘埃,形成蝴蝶星云,它紧挨着天蝎座的尾针的西侧。2009 年 9 月 9 日,NASA 将这张图像选为整修后的哈勃望远镜的代表作。

一个超级炽热的正在死亡的恒星向太空中喷发出大量气体和尘埃,形成蝴蝶星云,它紧挨着天蝎座的尾针的西侧。2009 年 9 月 9 日,NASA 将这张图像选为整修后的哈勃望远镜的代表作。

2009 年 5 月,哈勃接受了最后一次太空维修。从此,哈勃有了新的太空之眼第三代广角相机(WFC3)和宇宙起源光谱仪(COS)。新的相机拓展了它的前任——WFPC2 的能力,与仍在太空服役的以及维修后复苏的成像仪形成互补。

哈勃留下的一个馈赠是展示了将科学数据以图像形式表达的重要性。这些图像获得了全世界关注的目光。哈勃的成长,伴随了图片检测、处理技术的发展,哈勃也在使用着它们;从某些角度来讲,哈勃为它们的产生提供了帮助。现在这些技术为各种领域的科学家们使用。

在 26 年的征程中,哈勃望远镜揭示了行星的诞生和毁灭,厘清了前往小行星的征程,它让科学家们真正看到了爱因斯坦在理论中预见的现象,确定宇宙膨胀的速度,探寻不可见物质的踪迹,并通过探测地外行星的大气层来寻找生命存在的迹象。在寻求关于恒星、星系和宇宙起源及演化等终极问题的答案时,哈勃空间望远镜一直扮演着关键的角色。2011 年 7 月 4 日,在寻找一颗热木星时,哈勃做了第一百万次观测。

一个多世纪前,查尔斯·达尔文的儿子乔治·达尔文认为,「想象人类能发现宇宙的起源和发展趋势」就像「期待家蝇就行星理论来指导我们」一样徒劳。短短几十年内,天文学家就推翻了他的假设。哈勃帮助我们认识了我们所在宇宙的本质,当我们知道了宇宙的尺寸和规模时,不由得唤起了我们对宇宙的敬畏。随着航天飞机的退役,再也没有针对哈勃空间望远镜的维护任务了。未来哈勃将何去何从?当然,NASA 和世界上许多天文学家都希望哈勃能坚持得足够久,能够与它的继任者——将于 2018 年发射的詹姆斯·韦伯望远镜握手。有一件事很确定,只要它还能运转,哈勃将继续提供有价值的科学观测。

欧洲空间局从哈勃拍摄结果中选择了 100 张图片,弗吉尼亚天文学家阿历克斯·帕克谁用这些图片重构了文森特·梵高的画作《星空》。每张哈勃图片都是由无数的像素构成的,在对文化符号的重构过程中,这些图片却又构成了一个像素,而文化符号符号的灵感则来自天文学家对宇宙中旋臂形态的测量和描述。

欧洲空间局从哈勃拍摄结果中选择了 100 张图片,弗吉尼亚天文学家阿历克斯·帕克谁用这些图片重构了文森特·梵高的画作《星空》。每张哈勃图片都是由无数的像素构成的,在对文化符号的重构过程中,这些图片却又构成了一个像素,而文化符号符号的灵感则来自天文学家对宇宙中旋臂形态的测量和描述。

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美国国家航空航天博物馆天文学和空间科学史高级馆员,主要研究方向是天体物理学的起源和发展。曾在博物馆主办多个哈勃望远镜主题的展览。

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