艰难的启航,绚烂的成果 ——哈勃望远镜30周年纪念

今年(2020年)是哈勃望远镜升空投入使用的三十周年。自1990年4月24日升空以来,哈勃望远镜在观测恒星、星系等不同层次的天体,探究整个宇宙等方面做出了十分巨大的贡献。本文回顾了哈勃望远镜艰难的诞生过程,并展示一些精彩的观测结果。

1 哈勃其人

哈勃望远镜是以哈勃的名字命名的,所以我们首先来简单了解一下哈勃。

艰难的启航,绚烂的成果 ——哈勃望远镜30周年纪念

埃德温·鲍威尔·哈勃 (图源:google图片)

1889年,埃德温·鲍威尔·哈勃(Edwin Powell Hubble)出生于美国弗吉尼亚州。他是一位伟大的天文学家,在天文学领域最重要的贡献有两个:其一是发现了当时被认为是一些银河系内的星云的物体实际上是银河系外的星系,打破了宇宙完全由银河系组成的"岛宇宙"的观念,对天文学的发展具有十分重大的意义;其二是提出了著名的"哈勃定律",即星系的退行速度与距我们的距离成正比,对我们认识宇宙的演化做出了重要的贡献。哈勃是公认的星系天文学之父,天文学领域也有关于星系分类的"哈勃分类法"。

2 艰难的启程

2.1 提出计划

空间望远镜的构想可以追溯到1923年,当时赫尔曼 奥博特(Hermann Oberth)等人提出了用火箭将望远镜送到空间轨道的想法。1946年,天文学家莱曼 斯皮策讨论了空间望远镜相比于地面望远镜的两个主要优势,即望远镜的角分辨率不受大气影响,可达衍射极限,以及可以探测到被会大气层强烈吸收的红外线和紫外线。1962年,美国国家科学院建议研发太空望远镜,1968年,美国国家航空航天局(NASA)计划研制直径3米的太空反射望远镜,并计划于1979年发射。

2.2 资金问题

然而,这个项目在资金上遭遇了困难。由于太空望远镜的成本比地面望远镜高得多,遭到了美国国会的质疑,使得该项目的预算被削减。而在1974年,政府开支的削减导致国会取消了该项目的全部资金。经过天文学家全国性的游说,参议院最终同意给该项目其最初由国会批准的预算的一半资金。资金的减少导致不得不减小项目的规模。计划的望远镜直径从3米变成了2.4米,NASA也不得不和欧洲航天局(ESA)合作,由ESA提供该望远镜的第一代仪器以及太阳能电池的一部分资金和技术支持。作为回报,欧洲航天局拥有该望远镜不少于15%的使用时间。1978年,美国国会批准了给该项目三千六百万美元的拨款,该望远镜的设计工作才真正开始,并计划于1983年发射升空。

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哈勃望远镜的2.4米主镜面(图源:NASA)

2.3 工程挑战

资金只是一方面的障碍,望远镜部件的设计和建造也是一个不小的挑战。由于太空望远镜的观测波段从可见光一直延申到紫外波段,以充分利用空间环境,以及太空环境的特殊性,望远镜的设计和建造必须符合及其严格的规范,镜面的抛光精度也要求达到10纳米。此外,还有航天器的建造和计算机数据处理系统的研制也充满了挑战。航天器的建造必须考虑阳光直射和地球阴影导致的温度变化以及望远镜精确指向的问题,而研制出的计算机需要有处理望远镜大量数据的能力。这项大工程需要各方面的合作以及数千人的参加。由于技术、工程和管理上的问题,项目的进度大大落后于计划,预算也不断增加。镜片的建造于1981年底全部完成,而各系统的组件直到1984年才完成,并开始测试,发射时间也推迟到了1986年。1983年该望远镜被命名为哈勃望远镜。

2.4 意外阻碍

时间倒了1986年,一切准备工作都已完成,哈勃望远镜准备升天了。然而,一场意外的爆炸事故又打断了哈勃望远镜项目的计划。

1986年1月28日,美国的挑战者号航天飞机发射升空73秒后发生了爆炸,飞船上的机组人员—5名NASA宇航员、一名专家和一名学校老师—全部遇难。这一意外迫使美国太空计划停顿,航天飞机停飞,使得哈勃望远镜的发射计划推迟。

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挑战者号爆炸(图源:History网站)

1988年,美国的航天飞机恢复飞行。1990年4月24日,哈勃望远镜终于发射升空,开始了探测之路。

2.5 出师不利

哈勃望远镜经历了重重困难终于发射升空,天文学家们十分期待它的探测结果。然而望远镜传回的结果却让人们大跌眼镜。虽然获得的图像确实比同等级的地面望远镜清晰,但远远没有达到设计要求。经过一番调查,发现问题出在光学镜面上,,其外边缘少磨了2200纳米,引起了严重的球差,使得望远镜不能将收集的光线聚焦到一个焦点上,使得图像模糊,戏称"近视眼"哈勃。1993年,"奋进号"航天飞机搭载精心挑选的"医疗小队"升空,修复了哈勃望远镜的"近视"问题以及其他一些问题。1993年12月18日,哈勃望远镜传回了修复后的第一张探测图片,图像的质量达到了预期。哈勃望远镜终于可以真正的探测宇宙了。

艰难的启航,绚烂的成果 ——哈勃望远镜30周年纪念

哈勃望远镜(图源:NASA)

3 绚烂的成果

30年来,哈勃望远镜对这个进行了100多万次的观测,得到了大量精彩的探测成果。下面展示了该望远镜的几个精彩的探测图像。

3.1 土星

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土星

哈勃望远镜获得了土星的十分清晰的图像,并展示了土星环的精美细节。图像中的琥珀色来自于夏季时太阳紫外线辐射引起的光化学反应,在雾霾的下面是由氨冰晶组成的云团,以及更深层次的、看不见的、由硫化氢铵和水组成的低层云团。哈勃高分辨率的宽视场相机展示了土星环许多的小环和较暗的内环。该图像有助于天文学家研究土星的大气和土星环。

3.2 银河系核球

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银河系核球

该图像展示了我们银河系拥挤的中心,使银河系的"心脏"。这是个充满活力的区域,老年红巨星和年轻的恒星并存,蓝色的恒星可能使刚刚形成的。不同年龄的恒星以不同的速度绕银河系中心运动同时又有不同程度的无序运动,就像市中心的行人一样。

3.3 礁湖星云

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礁湖星云

礁湖星云是个巨大的恒星孕育场,位于4000光年外。其核心十分明亮,一个比我们的太阳还要亮20万倍的恒星辐射出大量的紫外线和强烈的恒星风,雕刻出一个充满山脊和空洞的巨大的气体和尘埃区。这个地区是一个典型的充满了诞生和毁灭的恒星托儿所的缩影。这些云看似平静,其实是处在恒星灼热的辐射洪流和来自恒星风的高速粒子的持续流动状态中。中心的巨星用它强大的能量抛出它出生的茧状物质,抑制了它周围的恒星形成。但是在这个动态系统的黑暗边缘,恒星正在稠密的气体和尘埃云中形成。

3.4 鹰状星云

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鹰状星云(创生之柱)

创生之柱是鹰状星云的一大形态特征,是一个距离我们6500光年的恒星形成区,因其形状像柱子而得名。哈勃的这张图像得到了该区域比以往更清晰的结构。柱子由冷氢气和尘埃包裹而成,恒星在柱子内部深处诞生。图像中的颜色突出了几种化学元素的辐射,氧排放为蓝色,硫为橙色,氢和氮为绿色。

3.5 引力透镜

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Able 370星系团呈现的引力透镜现象

这张图像显示了星系团的引力透镜现象。在此视图中,巨大的星团Abell 370位于该图像的中心,距离大约40亿光年。它包含数百个星系以及大量的暗物质,星系团周围的区域镶嵌着无数背景星系。星系团巨大的质量扭曲了空间,放大并扭曲了来自遥远背景星系的光线,形成了如图中所示的壮观的引力透镜现象。

4 后继有人

哈勃望远镜已经在太空中工作了30年,终究要面临仪器老化等问题。目前哈勃还能良好的运行,它将工作到仪器彻底无法工作的那天,然后安详的回到地球的怀抱,寿寝正终。而我们将继续发射观天利器,继续探索这个美丽的宇宙。韦伯空间望远镜就是接班人之一。相比于哈勃,韦伯空间望远镜拥有更宽的波长覆盖范围,将在红外光部分进行探测。红外波段对于探索宇宙也是十分重要的,我们可以通过红外辐射看到十分遥远、十分寒冷的天体,可以追溯到宇宙刚被恒星和星系点亮的时候。

哈勃丰富多彩的探测成果激励着天文学家们探索宇宙的心,而上个世纪的天文学家和工程师们在如此艰难的环境下仍然成功发射了哈勃望远镜,他们不屈的精神和探索宇宙的决心也在激励着后继者们。人类探索宇宙的脚步永远不会停止。

哈勃,生日快乐!

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