原创 鞠强 我是科学家iScientist
你生日的那天的宇宙,是什么样子?
2020年3月,美国国家航空航天局(NASA)官网上发起了一个活动。在主题为“你生日当天哈勃看见了什么?”的页面上,只要输入你的生日几月几日,就能看到你生日那天,哈勃太空望远镜拍摄过的星空图像。
哈勃太空望远镜在4月24日自己生日这一天拍摄的照片 | NASA
NASA发起这项活动的初衷是为庆祝哈勃太空望远镜升空30周年,顺便替哈勃给所有人送了一份生日礼物。
并不顺利的升空之路
在参与建造的天文学家眼中,哈勃太空望远镜是有史以来最强大、最复杂的光学望远镜。
但这个强大的家伙,升空之路并不顺利。
20世纪70年代,NASA开始考虑一个大计划:发射大型太空望远镜。
把望远镜送入太空的想法,早已有之。自从1609年伽利略第一次使用望远镜观测星空,此后三百多年,人类一直在探索使用尺寸更大、观测能力更强的望远镜从地面观测宇宙。但天文学家渐渐发现,地面上的望远镜容易受大气影响,即使建在空气稀薄的高山上或空气干燥的沙漠中,但依然没法完全消除这种干扰,这就也限制了地基望远镜的“视力”,无法看清宇宙更多细节。
完全摆脱这种影响的办法只有一个——把望远镜放在大气层外。
1946年,美国天文学家莱曼·斯皮策(Lyman Spitzer)论证了在太空中放置光学望远镜进行天文观测的优势——但在当时的技术条件下,这无异于天方夜谭。
太空时代的到来使天文学家梦想成真。在1966年到1972年间,NASA实施了“轨道天文台”(Orbiting Astronomical Observatory,OAO)计划,先后发射了4台空间探测器。这个计划虽然其中有2台以失败告终,但是另外2台却获得了重要的观测数据。
“轨道天文台”计划发射的一台空间探测器 | nssdc.gsfc.nasa.gov
这个项目可以看作NASA在太空望远镜领域“小试牛刀”,验证了太空望远镜的可行性。
1978年,被寄予厚望的太空望远镜开始建造。1984年开始总装和测试。
1982年,这台建设中的望远镜,被命名为哈勃太空望远镜,以纪念美国著名天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)。20世纪20年代,哈勃在加州的威尔逊山天文台用当时最大的望远镜发现了银河之外的星系。他通过对河外星系的观测,发现了宇宙正在膨胀,并提出了描述宇宙膨胀的“哈勃定律”。
埃德温·哈勃在帕洛玛上天文台的望远镜旁 | Carnegie Institution of Washington
发射也不顺利。1986年,哈勃太空望远镜本已被安排进当年的航天飞机发射任务中,结果,1986年1月28日发生了“挑战者号”航天飞机失事事件,其他航天飞机一律被下令停飞,哈勃太空望远镜只能等待。一等就是四年。
1990年4月24日,哈勃太空望远镜由“发现号”航天飞机(Space Shuttle Discovery)搭载升空,提出太空望远镜设想的斯皮策当时就在现场观看发射的人群中。此时,距离他第一次提出太空望远镜的设想已经过去了44年。
5月20日,哈勃太空望远镜进入工作状态。
“哈勃麻烦”
哈勃太空望远镜升空带给天文学家的喜悦,并没有持续太久。
望远镜升空不久,科学家就发现:望远镜的主镜出了问题,导致主镜不能聚焦图像,传输回地面的图像的清晰度不如预期。
NASA对这个问题进行了调查。1990年6月,NASA在一场新闻发布会上公布了这个调查结果:原来是制造主镜的过程中,成品镜片的厚度和设计值出现了偏差——虽然这个偏差只相当于一根头发直径的1/50,但还是对观测产生了严重影响。
被寄予厚望的望远镜竟然出师不利,质疑声铺天盖地,这个问题甚至拥有了一个专属的名称:“哈勃麻烦”(Hubble Trouble)。
虽然调查出了结果,但解决并不容易。哈勃太空望远镜在设计时,只考虑到了一些零部件的更换问题,却没有考虑主镜。
因此,科学家只能考虑制造校准设备来解决这个问题,就像给近视者配眼镜来矫正视力。科学家为哈勃太空望远镜配的“眼镜”名为“太空望远镜光轴补偿校正光学系统”(COSTAR)。
1993年12月2日至13日,7名航天员搭乘“奋进号”航天飞机进入太空,其中4人通过5次太空行走,为哈勃太空望远镜戴上“眼镜”,并对相机、太阳能电池板等部件存在的一系列问题进行了修复。
1993年,航天员凯瑟琳·索恩顿(Kathryn Thornton)在太空行走中对哈勃太空望远镜进行维修 | NASA
左图:1993年11月27日使用WFPC-1相机拍摄的星系M100;右图:1993年12月31日使用WFPC-2相机拍摄的星系M100。通过对比可以发现,更换相机后,图片的清晰度明显提高 | NASA
这次修复对于挽救哈勃太空望远镜具有决定性的意义。
首先,它解决了困扰天文学家数年的观测问题。由于主镜的厚度偏差,导致有些观测无法进行。在1990年至1993年间,哈勃望远镜拍摄的一些图片只能通过计算机重建技术进行处理。
更重要的是,这是人类第一次在轨道上维修太空望远镜。这次修复,验证了人类在轨道上维修太空望远镜的可行性。
此后,NASA又先后于1997年2月、1999年12月、2002年2月和2009年5月对哈勃太空望远镜进行了4次维护,航天员在太空行走过程中对仪器进行维修和替换。
2011年7月21日亚特兰蒂斯号航天飞机完成最后一次飞行后,美国封存了航天飞机,终止了航天飞机任务,自然也无法再对哈勃太空望远镜进行维护。不过,最后一次维护使哈勃太空望远镜处于良好的运行状态,一直运行到今天,持续超过10年。
重新认识宇宙
30年来,哈勃太空望远镜深刻改变了我们对宇宙的认识,说它是有史以来最成功的太空项目毫不为过。哈勃太空望远镜的观测,覆盖了人类研究宇宙的各个层次:大到宇宙尺度,小到如小行星和彗星这样的天体。
哈勃太空望远镜的主镜直径只有2.4米,这一尺寸比起很多地基望远镜相比并不突出,但凭借在太空中的优势,却可以提供前所未有的清晰图像,并发现地基望远镜无法发现的遥远和黯淡的天体。
哈勃太空望远镜发射升空时,科学家对宇宙年龄的估计值为100亿~200亿年之间。通过哈勃太空望远镜对造父变星(Cepheid Variable)的测量,目前科学家估计的宇宙年龄在138亿年左右。
造父变星 | NASA
哈勃太空望远镜对超新星的观测数据支持了“宇宙加速膨胀”的结论。2011年,索尔·珀尔马特(Saul Perlmutter)、布莱恩·施密特(Brian Schmidt)和亚当·里斯(Adam Riess)因为这一发现获得了诺贝尔物理学奖。这个发现直接引发了“究竟是何种力量推动宇宙加速膨胀”的讨论,科学家后来提出占宇宙质能总量70%的“暗能量”理论以解释这种现象。
光在宇宙中传播需要时间,因此我们观察到的天体并不是天体当前的样子,而是光从天体发出时天体的样子。由于遥远天体的光要经过数十亿年的时间才能到达地球并被哈勃太空望远镜观测到,某种程度上,它像一台“时间机器”,能让我们穿越时光,看到早期宇宙的样子,并将可以看到的宇宙历史又向前推进了数十亿年。
恒星和星系演化的时间尺度达到数百万年甚至数十亿年,我们无法观察整个过程。但是通过观测处于自身周期不同阶段的星系,哈勃太空望远镜使我们了解到星系如何变化,又是如何相互作用和碰撞。哈勃太空望远镜还为位于生命周期不同阶段的恒星拍摄了快照,展示出恒星从诞生到毁灭的整个过程。
“创生之柱”(Pillars of Creation)可能是哈勃太空望远镜拍摄过的所有照片中最著名的一张。这张摄于1995年的照片展示的是老鹰星云(Eagle Nebula)内圆柱形的星际气体和尘埃,其中包含着新生的恒星 | NASA
哈勃太空望远镜还对系外行星研究有重要贡献。1995年,天文学家发现了第一颗围绕类日恒星旋转的系外行星飞马座51b(51 Pegasi b),这项研究获得了2019年诺贝尔物理学奖。不过,在此后十多年的时间里,天文学家只能通过间接的方法来寻找系外行星。直到2008年,哈勃太空望远镜发现了系外行星Fomalhaut b,这是科学家第一次在可见光波段对系外行星直接成像*。
除了望向宇宙深处,哈勃太空望远镜也极大丰富了我们对太阳系的了解。
它拍摄的木星、土星甚至冥王星的图像的清晰度只有抵达这些天体的探测器才能超越。这些图像使科学家可以对这些天体的大气和表面进行监测,比如木星上的大红斑。
哈勃太空望远镜拍摄的木星大红斑 | NASA
哈勃太空望远镜还可以观测太阳系中的彗星和小行星,以及它们与其他行星的作用。例如,1994年,它就目睹了“舒梅克-列维9号”彗星(Shoemaker-Levy 9)撞击木星,后续的观测揭示了大量有关这颗巨行星大气的信息。
哈勃太空望远镜对太阳系研究的贡献还包括在2014年和2016年先后观测到木卫二欧罗巴表面的水汽喷发,发现了天王星的环和卫星,以及发现了冥王星的两颗卫星冥卫二(Nix)和冥卫三(Hydra)。在观测第一个星际天体奥陌陌(ʻOumuamua)的过程中,哈勃太空望远镜也发挥了关键作用。
ʻOumuamua的艺术想象图 | 欧洲南方天文台/M. Kornmesser
得益于哈勃太空望远镜的一系列观测,我们对身处的这个太阳系的真实面貌和背后的运行机制有了更加深入的了解。
坚守岗位
来看看这个大家伙的官方数据——
哈勃太空望远镜,长13.2米,最大直径4.2米,重11110千克,平均轨道高度569千米,每小时在太空中飞行28000千米,每97分钟环绕地球一圈,两块太阳能电池板为望远镜提供能量……
哈勃太空望远镜摄于2002年 | NASA
凭借这些,30年来,哈勃太空望远镜见证了一个人类探索宇宙的黄金时代,并且还在继续见证。
曾与它并肩作战的小伙伴们已纷纷谢幕:2018年10月30日,NASA宣布开普勒太空望远镜退役,2020年1月30日,与哈勃太空望远镜同属NASA的“大型轨道天文台计划”的斯皮策太空望远镜也结束了任务——
但哈勃太空望远镜还在坚守岗位。在等待一再推迟发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜升空的同时,哈勃一再突破我们为它设定的极限,不断刷新我们对宇宙、对这片人类仰望了几百万年的星空的认识。
哈勃太空望远镜,30岁生日快乐。
* 美国亚利桑那大学的两位天文学家于2020年4月20日在《美国科学院院刊》(PNAS)发表了一篇论文,指出这颗编号Fomalhaut b的系外行星也许根本不存在。他们认为,结合一系列的异常特征来分析,这颗“系外行星”可能只是两个冰质星子碰撞后形成的尘埃云。当然,这个结论有待进一步的验证。

原标题:《哈勃太空望远镜30岁生日快乐!我们看到的宇宙因你而不同》
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