作者：胡立成

1990年4月哈勃空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空的數(shù)星期后，研究人員發(fā)現(xiàn)從哈勃空間望遠(yuǎn)鏡傳回來的圖片有嚴(yán)重的問題，獲得的的最佳圖像品質(zhì)也遠(yuǎn)低于當(dāng)初的期望：點源的影像被擴(kuò)散成超過一弧秒半徑的圓。通過對圖樣缺陷的分析顯示，問題來源于主鏡的形狀被磨錯了。雖然這個差異小于光的1/20波長， 鏡面與需要的位置只差了微不足道的2微米，但這個差別造成了災(zāi)難性的球面像差。這樣來自鏡面邊緣的反射光不能聚集在與中央的反射光相同的焦點上。原來，美國宇航局的科學(xué)家們遇到了一個因太空軌道運行而使“哈勃”望遠(yuǎn)鏡的鏡頭無法傾斜，從而導(dǎo)致照片質(zhì)量差的問題。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡

為了解決這個問題，科學(xué)家做了很多嘗試都沒有實質(zhì)性的進(jìn)展，收效稍微。有光學(xué)科學(xué)家認(rèn)為，只要稍微將望遠(yuǎn)鏡鏡頭反轉(zhuǎn)一下，拍攝圖片的質(zhì)量就可以得到很大的改善。但是，如何“稍微將望遠(yuǎn)鏡鏡頭反轉(zhuǎn)一下”呢？他們將問題公布在官方網(wǎng)站，還有報刊與電視上面，希望發(fā)動群眾以此群策群力，集思廣益。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡(hst)工作原理

有一天，一個叫吉米的機(jī)械工程師正在國外出差，電視里面看到了相關(guān)征集的報道，到了一家旅館里淋浴時，他發(fā)現(xiàn)西歐浴室里的噴頭都裝在可折疊調(diào)節(jié)的桿子上面，他突然想到“哈勃”望遠(yuǎn)鏡鏡頭上同樣也可以裝上這樣的折疊桿。他的靈光一閃最終幫助了國家宇航局解決了“哈勃”望遠(yuǎn)鏡的難題。

1993年，“奮進(jìn)號”執(zhí)行了對哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的第一次維修，研究人員設(shè)計一個有相同的球面像差，但功效相反的光學(xué)系統(tǒng)來抵消錯誤，相當(dāng)于配上一副能改正球面像差的眼鏡。用來改正球面像差的儀器稱為空間望遠(yuǎn)鏡光軸補償校正光學(xué)（COSTAR）。為了給COSTAR在望遠(yuǎn)鏡內(nèi)提供位置，必須移除其中一件儀器，天文學(xué)家的選擇是犧牲高速光度計。

除此之外，廣域和行星照相機(jī)被第二代廣域和行星照相機(jī)以及內(nèi)部的光學(xué)更新系統(tǒng)取代。另外，太陽能板和驅(qū)動的電子設(shè)備、四個用于望遠(yuǎn)鏡定位的陀螺儀、二個控制盤、二個磁力計和其他的電子組件也被更換。

哈勃望遠(yuǎn)鏡下的壯美宇宙

1997年2月，“發(fā)現(xiàn)號”在STS-82航次中執(zhí)行了第二次維修。用空間望遠(yuǎn)鏡攝譜儀（STIS）和近紅外線照相機(jī)和多目標(biāo)分光儀（NICMOS）替換掉戈拉德高解析攝譜儀（GHRS）和暗天體攝譜儀（FOS）。修護(hù)絕熱毯，再提升哈勃的軌道。

第三次維護(hù)仍由“發(fā)現(xiàn)號”在1999年12月的STS-103航次中執(zhí)行。在維護(hù)中更換了全部的六臺陀螺儀，也更換了一個精細(xì)導(dǎo)星傳感器和計算機(jī)，安裝一套組裝好的電壓/溫度改善工具（VIK）以防止電池的過熱，更換絕熱的毯子。新的計算器是能在低溫輻射下下運作的英特爾486，可以執(zhí)行一些過去必須在地面處理的與太空船有關(guān)的計算工作。

第四次維護(hù)由“哥倫比亞號”在2002年3月的STS-109航次執(zhí)行，用先進(jìn)巡天照相機(jī)（ACS）替換了暗天體照相機(jī)（FOC），更換了新的冷卻系統(tǒng)和太陽能板。哈勃的配電系統(tǒng)也被更新了，這是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡升空之后，首度能完全的應(yīng)用所獲得的電力。

NASA于2008年9月宣布哈勃空間望遠(yuǎn)鏡上的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障，無法正常存儲觀測數(shù)據(jù)并傳回地球，而且由于哈勃太空任務(wù)高度與國際太空站距離十分遠(yuǎn)，太空人在緊急情況下未能找到有效安全避難處，這使得維護(hù)哈勃望遠(yuǎn)鏡變?yōu)橐豁棙O度危險的任務(wù)。

最后一次是在美國東部時間2009年5月11日14點01分，美國“阿特蘭蒂斯”號航天飛機(jī)從佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心發(fā)射升空。在此次太空之旅中，機(jī)上的7名宇航員通過5次太空行走對哈勃太空望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了最后一次維護(hù)，為其更換了大量設(shè)備和輔助儀器，這些更新主要包括：用第三代廣域照相機(jī)(WFC3)取代WFPC2；安裝新的宇宙起源頻譜儀（COS）、取回該處的COSTAR光學(xué)矯正系統(tǒng)；修復(fù)損壞的先進(jìn)巡天照相機(jī)（ACS）；修復(fù)損壞的空間望遠(yuǎn)鏡攝譜儀（STIS）；替換損壞的精細(xì)導(dǎo)星傳感器（FGS）；更換科學(xué)儀器指令和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（SIC&amp；DH）；更換全部的電池模組；更換所有的6個陀螺儀和3組定位傳感器（RSU）；更換對接環(huán)、安裝全新的絕熱毯（NBOL）、補充制冷劑等等。而這將會是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡最后一次的維護(hù)任務(wù)，會將哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的壽命延長至2013年后。

哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測到的“暗能量”物質(zhì)

從1990年到2015年4月，哈勃望遠(yuǎn)鏡在地球軌道上運行了接近13萬7千圈，累計54億公里，執(zhí)行了120多萬次觀測任務(wù)，觀察了超過38，000個天體。哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測到的目標(biāo)中最遠(yuǎn)的是距地球130億光年的原始星系，這些星系的發(fā)出光芒來自大爆炸后剛剛形成的宇宙早期。平均每個月，哈勃都會產(chǎn)生829G觀測數(shù)據(jù)，累計已超過100T。天文學(xué)家還在它的幫助下，觀測到宇宙膨脹的精確數(shù)據(jù)，從而推算出宇宙年齡為138億年（誤差不超過3%）。

在這一過程中，“暗能量”這個如今在科學(xué)界頻頻出現(xiàn)的神秘概念，逐漸為人們所知曉。而且在“大爆炸”之后，另一個非常關(guān)鍵的“暴漲”階段對于我們宇宙現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)同樣起著決定性的作用。截至2015年4月，直接或間接通過哈勃望遠(yuǎn)鏡的成果而發(fā)表的科學(xué)論文數(shù)目，達(dá)到{{12800:0}}篇，包括幾項問鼎諾貝爾獎的成果。

哈勃望遠(yuǎn)鏡的25歲生日

一個國際天文學(xué)家小組2013年11月3日，借助哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，他們發(fā)現(xiàn)了迄今已知最遙遠(yuǎn)的星系，再次打破宇宙觀測距離紀(jì)錄。該小組在新一期《天體物理學(xué)雜志》上報告說，這個名為GN－z11的星系是一個異常明亮的“嬰兒星系”，位于大熊星座方向，距地球約134億光年。換句話說，人們現(xiàn)在觀測到的是它在宇宙大爆炸后4億年時的樣子。

韋伯望遠(yuǎn)鏡等比例模型

研究人員說，這次發(fā)現(xiàn)已把哈勃的觀測能力推到了最大極限，GN－z11作為最遙遠(yuǎn)星系的頭銜估計可能要保持?jǐn)?shù)年，打破這個紀(jì)錄可能還要等2018年才發(fā)射升空的哈勃繼任者——詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡來實現(xiàn)。

NASA計劃中將于2018年升空的詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡是目前被寄予厚望的哈勃望遠(yuǎn)鏡繼任者。在韋伯領(lǐng)導(dǎo)下的美國宇航局，成功實施了“水星”和“雙子星”載人航天計劃，為人類成功登月奠定了堅實的基礎(chǔ)。

韋伯望遠(yuǎn)鏡在設(shè)計時強化了其紅外波段的觀測能力，這將讓它能夠更好地看清宇宙中更遙遠(yuǎn)、更暗淡的天體。相對于哈勃望遠(yuǎn)鏡，韋伯望遠(yuǎn)鏡將能夠進(jìn)一步逼近大爆炸后的年輕宇宙的圖景，科學(xué)家估計它可以看到距離200億光年遠(yuǎn)的原始星系。

2019年，哈勃望遠(yuǎn)鏡和韋伯望遠(yuǎn)鏡將同時在軌道運行，幫助人類揭示宇宙的秘密。

開普勒天文望遠(yuǎn)鏡

尋找類地行星一直是人類探索宇宙的歷史中最激動人心的篇章之一。就拿開普勒計劃來說，其背后就是科學(xué)家比爾·博魯茨基長達(dá)23年的堅持。博魯茨基1962年起即在NASA工作，參與過阿波羅計劃的隔熱罩設(shè)計。從1992年開始，他就向NASA提交方案，用空間探測器借助“凌日法”尋找太陽系外的行星，但當(dāng)時沒人相信這辦法能成。1994年他又提出，但當(dāng)時哈勃望遠(yuǎn)鏡剛剛升空，NASA表示沒錢再做一臺望遠(yuǎn)鏡。1996年，這時人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)系外行星了，他鍥而不舍地再提自己的觀點，還是被拒絕。他就自己買設(shè)備、做實驗，積累了大量數(shù)據(jù)，證明自己的方案是可行的。2009年，當(dāng)NASA終于將開普勒送上太空時，已經(jīng)70歲的博魯茨基像個過節(jié)的小孩一樣高興。比爾·博魯茨基對于開普勒計劃的堅持，印證了人類文明走向太空的腳步從未止歇。NASA表示，2016年將發(fā)射空間望遠(yuǎn)鏡“詹姆斯·韋伯”，2017年一顆名叫TESS的行星探測器將被送入太空。

★編輯：曲樑

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