人类的宇宙之眼:全民偶像“哈勃”时代30年

  文章来源:中国国家天文

  作者:黄京一 苟利军

  1990年4月24日清晨,美国佛罗里达州肯尼迪航天中心,“发现号”航天飞机携带着此后为天文领域做出巨大贡献的超级明星——哈勃空间望远镜,一飞冲天。随后的30年中,这台望远镜历经数次坎坷又绝处逢生,它的卓越成就不仅为人类探索宇宙开启了一扇窗,也彻底打破了人类过去对宇宙的认知和看法。

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。/ NASA

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。/ NASA

  30年后的今天,当人类重新回顾哈勃望远镜的传奇之路时,试图重新拼接起它身上一系列碎片化过往,还原从构思、研发、升空、探索的全景历程,找寻一幅幅唯美画面背后的艰难险阻,回望人类对太空探索迈出的这一大步。

  / 梦想启航

  400多年前,伽利略举起自己制作的简易望远镜对准星空,他看到了与前人所见完全不同的星空,掀起了人类探索宇宙的热潮。天文望远镜从此成为观测天空不可或缺的重要工具,而天文探索直接改变并重塑了人类对宇宙的看法以及宇宙观念。之后的几百年,望远镜的口径越来越大,制作工艺更加先进。透过望远镜,人们发现的天体和宇宙现象也越来越多。

  “究竟银河系就是我们的所有宇宙,还是银河系外有其它的类似银河系结构?”二十世纪的这场天文学大辩论当时并没有结果。但几年之后,美国天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)使用当时世界上最大口径的2.5米胡克望远镜,发现了银河系之外还有其它星系存在,而且这些星系正在远离我们银河系。这一系列发现让人们意识到,宇宙是如此广袤,宇宙在膨胀,这也成为宇宙大爆炸理论的观测基础,哈勃也因此被称为“20世纪最伟大的科学家之一”。

  天文学家也发现,地球大气对望远镜观测结果影响很大,不仅成像质量受到大气湍流的影响,光谱中的红外线和紫外线也被大气层吸收。于是,望远镜从地面走向太空成为必然。

哈勃空间望远镜 / NASA

哈勃空间望远镜 / NASA

  为了得到更为完美的宇宙图像,20世纪40年代,美国天文学家提出了发射空间望远镜的想法。任教于美国普林斯顿大学的天文学家莱曼·斯皮策在报告中提出空间望远镜有潜力发现意想不到的新现象,并可能就此改变人类关于空间和时间的基本观念,这成为哈勃望远镜的起点,他也为了这个伟大的理想奋斗了数十年。

哈勃空间望远镜计划的推进者莱曼 · 斯皮策。以他名字命名的望远镜“斯皮策空间望远镜”用于红外天文学研究,是美国发射的四个大型天文台之一。/ ESA

  哈勃空间望远镜计划的推进者莱曼 · 斯皮策。以他名字命名的望远镜“斯皮策空间望远镜”用于红外天文学研究,是美国发射的四个大型天文台之一。/ ESA

  当时造价昂贵、技术难度极大的空间望远镜让大部分天文学家望而却步,但随着1957年苏联的第一颗人造卫星上天,天文界看到了希望。随着美苏两国“太空竞赛”的逐步升级,两国的太空领域也获得了历史性的发展。1958年10月,美国航天局(NASA)成立,斯皮策关于大型空间望远镜的宏伟计划不再是科学幻想。

哈勃望远镜的心脏是它的主镜面,直径2.4米,主镜和副镜组合 使用,使光线进入望远镜的一套科学仪器。/ NASA

  哈勃望远镜的心脏是它的主镜面,直径2.4米,主镜和副镜组合 使用,使光线进入望远镜的一套科学仪器。/ NASA

  1970年,NASA设立了空间望远镜工程委员会和任务的科学委员会。但随着NASA的太空经费开始缩减,大型空间望远镜项目一度因经费遭到美国国会反对。在斯皮策和他的同事的努力下,终于,1977年,国会授权批准哈勃望远镜开始细节设计和制造,大型空间望远镜项目正式启动。但由于预算缩减为原来的一半,约2亿美元,NASA将望远镜口径从3米降至2.4米,仪器设备也相应缩水,并邀请欧洲空间局(ESA)加入承担15%的研制经费,相应给予欧洲科学家不少于15%的使用时间。

  为纪念伟大的美国天文学家埃德温·哈勃,这架空间望远镜在1982年被正式命名为——哈勃空间望远镜。

  / 艰难飞天

  美国国会拨付了3600万美元设计建造哈勃望远镜,并计划于1983年发射升空。这一巨大工程涉及到大量的工业、技术和科学上的工作,数千人参与其中,要使望远镜满足各种性能需求,在工程和管理上的挑战非同一般。因为研制预算的增加,哈勃望远镜曾饱受质疑,直到1984年,哈勃望远镜的各系统组件才完成,并陆续运往组装测试,发射时间也从1983年推迟到1986年。

  就在万事俱备的时候,1986年,“挑战者”号航天飞机从肯尼迪航天中心升空73秒后爆炸解体,7名宇航员全部遇难,这场震惊世界的灾难让美国航天事业受到巨大打击,航天飞机也被迫终止飞行。因为“挑战者”号也是计划执行哈勃任务的航天飞机,哈勃望远镜的升空时间只好再次被推迟。经过4年的漫长等待,1990年4月24日,“发现”号航天飞机带着哈勃望远镜及5名航天员到达了离地球500多千米的预定轨道。第二天,“哈勃”由航天飞机的机械臂送入太空。

1990年哈勃空间望远镜从发现号航天飞机中释放至太空。/ NASA

1990年哈勃空间望远镜从发现号航天飞机中释放至太空。/ NASA

  历经20多年,耗资47亿美元的哈勃望远镜终于飞天,开始它的伟大使命。

  /“近视眼”哈勃

  1990年5月20日,万众期待的哈勃望远镜终于向地面传回了第一张照片,随即给所有人浇了一桶冷水:照片成像质量远远没有达到设计要求。两个月的调查结果发现,哈勃望远镜居然天生“近视”。这是由于哈勃镜面的外边缘少磨了2200纳米,对于精度非常高的哈勃镜面而言这是一个重大缺陷,从目标恒星来的所有光线不能被聚在同一个锐焦点上。

  47亿美元的投入居然只是制造出了“哈勃麻烦”,NASA面临着比维护自身形象更巨大的挑战——如何修正?如果换成别人,故事或许就此悲剧结束,可对于有着主角光环的哈勃来说,这只是它传奇故事的开端。

哈勃第一次维修任务后不久,在1994年1月13日的新闻发布会 上,美国参议员芭芭拉·米库尔斯基向大家宣布她所说的“历史上 最重要的隐形眼镜”是如何极大地增强了哈勃的宇宙观测能力。 而此前,她对哈勃出现球面色差进行了严厉批评。/ NASA

  哈勃第一次维修任务后不久,在1994年1月13日的新闻发布会 上,美国参议员芭芭拉·米库尔斯基向大家宣布她所说的“历史上 最重要的隐形眼镜”是如何极大地增强了哈勃的宇宙观测能力。 而此前,她对哈勃出现球面色差进行了严厉批评。/ NASA

  哈勃望远镜在设计时就采用低轨维修的大卫星,可以通过航天飞机定期维护,为了保障15年的设计寿命,航天飞机大约每3年就要对哈勃望远镜进行一次全面的修理。“护花使者”航天飞机出场!1993年,“奋进号”航天飞机升空,对哈勃望远镜进行了仪器和设备的更换。7名宇航员们完成5次创纪录的太空行走,包括几项重要操作,为哈勃望远镜戴上“眼镜”,解决了“近视”问题。

1993年12月,哈勃空间望远镜的第一次维修任务。/ NASA

1993年12月,哈勃空间望远镜的第一次维修任务。/ NASA

  1993年12月18日凌晨,NASA官员、天文学家们焦急等待修复后的“哈勃”拍摄的第一张图片。大约一点,照片终于传回,一个干净、清晰、聚焦的恒星图像出现在众人眼前,大家欢呼起来,“哈勃”麻烦终于解决!随后NASA宣布哈勃望远镜通过光学系统维修修正了主镜的球面像差问题,图像清晰度达到预期。

  这是“哈勃”时代的历史里程碑,如同伽利略开启现代观测天文学一般,哈勃望远镜也开启了人类认识宇宙的崭新时代。

  / 颠覆“宇宙观”

  自1990年发射升空至今的30年间,哈勃望远镜迄今已完成超过130万次观测,揭开了无数宇宙奥秘,从第一代恒星和星系到暗物质暗能量,科学成就不胜枚举。当然,科学进展都源于一系列不同望远镜在不同波段所做的观测,并非是“哈勃”的独自发现,但它的观测结果无疑发挥了至关重要的作用。下面我们用几张公众熟知的图片来回顾“哈勃”的几项代表性科学发现。

2002-2005年哈勃空间望远镜拍摄的麒麟座V838爆发事件过程。/ NASA

2002-2005年哈勃空间望远镜拍摄的麒麟座V838爆发事件过程。/ NASA

  / 寻找宇宙的过去

  哈勃望远镜可以看到多远的地方?1995年,“哈勃”用10天时间对大熊座的一小片天区进行了近100个小时的观测,拍摄了342张照片,经过合成后得到了著名的哈勃深场(HDF)照片。

1995年的哈勃深场照片

1995年的哈勃深场照片

  这张著名照片揭示了前所未有的遥远星系的大量细节,创造了历史。深场中的每一个亮斑都是一个星系,每个星系中又包含了数百亿到万亿颗恒星,其中能分辨出的星系就有3000多个,这些遥远的星系比我们裸眼能看到最暗的天体还要暗淡40亿倍。

  后来哈勃望远镜经过几次升级,拍摄了更深远的照片——哈勃超深空(HUDF)。2009年,哈勃望远镜累计23天的曝光时间,得到了迄今为止最深远的照片,哈勃极深场(XDF)。

2012年的哈勃极深场照片

2012年的哈勃极深场照片

  自上个世纪20年代哈勃首次发现河外星系起,一个悬在大家心中的问题就是:整个宇宙当中有多少个星系。70年后,哈勃深场照片首次让我们对于宇宙中的数目有所了解。而如今,从哈勃深场到哈勃超深空,再到哈勃极深场,看到的星系数目从上千亿个扩大了上万亿个,这样的结果让我们不由思考人类在宇宙中的位置和宇宙本质等深刻的问题。

2019年的哈勃红外深场照片

2019年的哈勃红外深场照片

  / 宇宙的年龄

  宇宙有多古老,它也有年龄吗?在这一终极哲学问题上,“哈勃”同样做出重大贡献。哈勃常数是对宇宙当前膨胀速率的一种量度,它的倒数就反映了宇宙的年龄。以前,由于各种确定距离方法之间的矛盾导致哈勃常数的误差非常巨大,宇宙年龄也笼统在50亿年到200亿年之间。

  而精确测量哈勃常数是哈勃望远镜的核心项目之一。从90年代末到20世纪前10年,得益于哈勃望远镜的进一步观测,天文学家研究了包括造父变星、La型超新星等许多距离指标,使哈勃常数的不确定度从10%最终降低至3%。依靠哈勃常数的不断精确,天文学家终于将宇宙的年龄精确到138亿年。

  / 超大质量黑洞普遍存在

  提到黑洞大家都不陌生,在科普力量的推动下,它不仅走入了大众文化的视野,甚至成为了科幻电影的基本设定。

  1990年哈勃望远镜发射之前,天文学家们只在双星系统中证实了黑洞的存在。而哈勃望远镜在工作却发现了星系中心潜藏着一种令人震惊的黑洞类型——超大质量黑洞,它的质量从一百万个太阳质量到几十亿个太阳。

  天文学家们后来又用“哈勃”探索许多星系的中心,寻找超大质量黑洞,这次宇宙“人口普查”使天文学家们发现超大质量黑洞其实非常普遍,即使不是每个大星系都有,也是绝大多数大星系中心都拥有一个。更惊人的是,中央黑洞的质量和星系中心由恒星构成的核球质量直接相关,核球质量越大,黑洞质量越大。

  /“太空巨眼”

  不仅在科学领域, 哈勃无数美轮美奂的照片更是深深根植于当今人们的文化生活之中。

  如果你在互联网搜索“创生之柱”,得到的不仅仅是这张哈勃最著名的照片之一,同时也是系列畅销小说《真理之剑》(Sword of Truth)中的书目,甚至离经叛道的金属乐队的名字,无处不在的“哈勃”衍生品向我们展示着,哈勃望远镜已不仅仅是科学的象征,更是联系了普通公众与遥远宇宙认知的纽带。

创生之柱 / NASA

创生之柱 / NASA

  距离2009年哈勃望远镜最后一次维修已过去了11年,随着它的继任者——韦布太空望远镜(JWST)的整装待发,哈勃望远镜在太空的使命也即将步入倒计时。但30年来,它曲折动人的传奇故事无可复制,在人类探索宇宙的历史上留下了珍贵的一笔,永远流传……

  尽管哈勃望远镜的研究遍布天文学的各个领域,但仍有太多耀眼的成就无法展开评述。

  了解哈勃更多精彩经历与伟大成就,

  作者简介 /

  黄京一,中国科学院国家天文台工程师,《中国国家天文》编辑部主任。

  感谢苟利军研究员对本文的指导。

新浪科技综合

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