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1990年4月24日,，著名的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（Hubble Space Telescope，縮寫：HST）發(fā)射升空,。 （圖片說明：宇宙經(jīng)典景觀貓眼星云） 如今,，哈勃望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)成為了世界上最著名的望遠(yuǎn)鏡，它所公布的每一張宇宙照片都備受矚目,?？墒?，回顧起哈勃望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射歷程,，我們能想到的只有那幾個(gè)詞語——跌宕起伏、曲折離奇,。 最初構(gòu)想關(guān)于太空望遠(yuǎn)鏡的構(gòu)想,，遠(yuǎn)比你想象的要早,。 早在1923年的時(shí)候，德國太空先驅(qū)三人組之一的赫爾曼·奧伯斯出版專著《Die Rakete zu den Planetenr?umen（火箭進(jìn)入行星空間）》,，首次提到了關(guān)于利用火箭將望遠(yuǎn)鏡送上太空的想法。 1946年，美國天文學(xué)家小萊曼·斯皮策發(fā)表了論文《Astronomical advantages of an extraterrestrial observatory（地外天文臺(tái)的天文優(yōu)勢(shì)）》,，正式提出了空間望遠(yuǎn)鏡的概念和優(yōu)勢(shì),。 斯皮策一生之中始終致力于空間望遠(yuǎn)鏡的研制上,，對(duì)于哈勃望遠(yuǎn)鏡以及其他空間望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射都作出了杰出的貢獻(xiàn)。因此,，NASA也將2003年發(fā)射升空的太空望遠(yuǎn)鏡以他的名字來命名,，這就是今年剛剛退役的斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡。 1962年,，美國國家科學(xué)院也提交了一份報(bào)告，認(rèn)為空間望遠(yuǎn)鏡應(yīng)該作為一項(xiàng)重要的天文視野來發(fā)展,。于是,，在1965年的時(shí)候，NASA成立了一個(gè)致力于建造空間望遠(yuǎn)鏡的委員會(huì),，這個(gè)委員會(huì)的委員長(zhǎng)即是斯皮策,。 1974年，在空間望遠(yuǎn)鏡還沒有問世的時(shí)候,，“寒酸”的科學(xué)家們只能利用飛機(jī)將觀測(cè)設(shè)備承載到空中進(jìn)行有限的觀測(cè),。比如柯伊伯機(jī)載天文臺(tái)，就是利用改裝過的C-14飛機(jī)搭載到12500米高空,，在相對(duì)稀薄的大氣環(huán)境下提高人類的觀測(cè)能力,。 空間望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)勢(shì)為何天文學(xué)家紛紛將目光放在了太空？難道地球這個(gè)“小廟”容不下望遠(yuǎn)鏡這一尊“大佛”嗎,？ 容不下,。 地球的大氣層對(duì)于生命的存在至關(guān)重要，如果沒有它,，現(xiàn)在的地球?qū)⑹且黄兰?。但是，它阻攔了外太空輻射的同時(shí),，也阻攔了人類的視野,。雖說我們的肉眼看不見空氣，但這不意味著它真的是“看不見”,，大氣湍流在天文觀測(cè)時(shí)給天文學(xué)家?guī)砹司薮蟮恼系K,。 不僅如此，地球大氣層可以遮擋或者削弱很多波段的電磁波,。比如我們熟知的臭氧層,，可以吸收大部分紫外線，保護(hù)我們不會(huì)被太陽輻射所傷害,，但是也阻止了科學(xué)家利用紫外線波段對(duì)宇宙進(jìn)行觀測(cè),。如果能讓天文望遠(yuǎn)鏡擺脫地球大氣層，那就可以不受大氣層的干擾,，極大地?cái)U(kuò)展人類的視野,。 不論是理論上還是其他一些初步的實(shí)踐成果都告訴我們：空間望遠(yuǎn)鏡的確具有非常巨大的觀測(cè)優(yōu)勢(shì)。1968年，NASA正式?jīng)Q定：建造一臺(tái)口徑達(dá)到3米的空間望遠(yuǎn)鏡,，名稱暫定為大型軌道望遠(yuǎn)鏡或大型空間望遠(yuǎn)鏡（LST）,，預(yù)計(jì)發(fā)射時(shí)間為1979年。這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡,，就是后來的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡,。 一波三折可是，這個(gè)計(jì)劃從一開始就面臨著一個(gè)重大的問題：錢,。 正應(yīng)了那句話：錢不是萬能的,，沒有錢卻是萬萬不能的。 對(duì)于這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的的高昂預(yù)算,，美國國會(huì)提出了質(zhì)疑,，并且要求必須想辦法降低預(yù)算。當(dāng)科學(xué)家們絞盡腦汁地思考如何削減預(yù)算時(shí),，卻接到通知說不用考慮這個(gè)問題了——不是國會(huì)有錢了,，而是國會(huì)明確表示：這個(gè)項(xiàng)目撤銷。 天文學(xué)家們?nèi)缤獾搅饲缣炫Z,，他們到處游說,，很多人親自拜訪眾議員和參議員。1977年,，在他們的不斷努力下,，參議員才決定恢復(fù)一半的預(yù)算。 直到1979年,，也就是最初計(jì)劃發(fā)射這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的那一年,，它的主鏡片才剛剛開始拋光。直到兩年后,，承擔(dān)這項(xiàng)任務(wù)的珀金·埃爾默公司仍然沒有完成拋光工作,。此時(shí)，拋光的費(fèi)用已經(jīng)超出了最初的預(yù)算,。NASA無奈之下，只好決定“打個(gè)八折”,，把這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的口徑改為2.4米,，也就是現(xiàn)在哈勃望遠(yuǎn)鏡的口徑。從這個(gè)角度來講,，哈勃望遠(yuǎn)鏡只是個(gè)“殘次品”,。 即便如此,，這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的經(jīng)費(fèi)仍然嚴(yán)重不足,，國會(huì)又把錢包捂得極緊。無奈之下，NASA只好轉(zhuǎn)而向歐洲航天局求助,。對(duì)于歐航局來說,，這恐怕算得上是天上掉餡餅了。于是,，他們出人,、出力、出錢,、出設(shè)備,，助NASA一臂之力。前提條件是：歐航局獲得這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡15%的使用時(shí)間,。因此,，我們看到的一些哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的照片都是兩個(gè)航天局合作的。 本段開篇的那句話如果反過來說,，就是當(dāng)時(shí)NASA遇到的尷尬,。沒有錢是萬萬不能的，但錢也不是萬能的,。即使得到了歐航局的幫助,，望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射時(shí)間仍然一推再推，先是推遲到1986年3月,，然后推遲到同年9月,。這一次，他們不用再推了,，因?yàn)閱栴}已經(jīng)不是望遠(yuǎn)鏡打造的問題了,。 （圖片說明：技術(shù)人員在安裝前對(duì)哈勃望遠(yuǎn)鏡的主鏡鍍鋁反射層后進(jìn)行檢查，這個(gè)鍍鋁層可以增強(qiáng)反射效果,，提升哈勃的觀測(cè)能力） 1986年1月28日,，是天文史上最悲痛的一天，美國挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)發(fā)生事故爆炸,，7名宇航員全部犧牲,。這個(gè)打擊讓NASA不得不停下腳步，暫停了航天飛機(jī)的發(fā)射,。 研發(fā)哈勃望遠(yuǎn)鏡的相關(guān)工作人員反倒是把握住了這個(gè)機(jī)會(huì),，繼續(xù)提高望遠(yuǎn)鏡的靈敏度、改進(jìn)地面控制系統(tǒng),。但是,，原本計(jì)劃搭乘航天飛機(jī)進(jìn)入太空的哈勃望遠(yuǎn)鏡，不得不放在無塵室中精心保存,，這無異于是在白白地?zé)X,。望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射，已經(jīng)刻不容緩。 遲來的發(fā)射1990年4月23日,，美國肯尼迪航天發(fā)射中心,，萬眾矚目的時(shí)刻終于到來。從提出構(gòu)想到這一刻,，已經(jīng)過去了44年,。這臺(tái)在前不久決定以剛剛逝世一年的著名天文學(xué)家埃德溫·哈勃的名字來命名的太空望遠(yuǎn)鏡，終于裝進(jìn)了“發(fā)現(xiàn)者”號(hào)航天飛機(jī),，被發(fā)射升空,。4月24日，在航天飛機(jī)的投放后,，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡正式開始服役,。 這個(gè)時(shí)候，原始預(yù)算只有4億美元的哈勃望遠(yuǎn)鏡,，已經(jīng)燒掉了接近15個(gè)億,。在它的身上，一共配備了五大武器：
圖為哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)示意 從尺寸上看,，哈勃望遠(yuǎn)鏡和一輛公交車差不多。它的口徑為2.4米,，總寬度4.2米,，長(zhǎng)度為13.2米，重量約為11.11噸。目前運(yùn)行在大約540公里的高空,，以每秒7.59公里的速度繞地球公轉(zhuǎn),。 可是，這一臺(tái)無數(shù)天文學(xué)家嘔心瀝血,、櫛風(fēng)沐雨打造的望遠(yuǎn)鏡,，承載著無數(shù)人對(duì)宇宙的渴望與憧憬，卻在傳回第一張照片的時(shí)候就讓所有人大跌眼鏡,。這是怎么回事呢,？ 15億美元的“天大錯(cuò)誤”哈勃傳回來的第一張照片，出人意料地不清晰,，大概就是下面這個(gè)樣子,。
不是你的眼神有問題，你的手機(jī)屏幕也很好,，是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的問題,。 這個(gè)問題馬上成為了當(dāng)時(shí)的熱點(diǎn)新聞，讓哈勃望遠(yuǎn)鏡成為了全美國茶余飯后吐槽的焦點(diǎn),?！缎侣勚芸冯s志的封面甚至起了 "15億美元的大錯(cuò)"的題目。 15億美元,，換來了5毛錢的特效,。 噴射推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室主任盧·艾倫領(lǐng)導(dǎo)的委員會(huì)馬上尋找其中的原因，最終發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)栴}還是出在了珀金·埃爾默公司的身上——恐怕這些技術(shù)人員,，已經(jīng)恨得牙根直癢癢,，不知道當(dāng)初為何把這項(xiàng)任務(wù)給了這家公司。 導(dǎo)致哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)能力大大弱于預(yù)期的原因,，就在于主鏡的打磨,。這就要從哈勃望遠(yuǎn)鏡的原理說起了。 從本質(zhì)上說,，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的原理和折反射望遠(yuǎn)鏡差不多,，但是能夠觀測(cè)到的波長(zhǎng)范圍更加寬廣。光線射到主鏡后,，通過主鏡反射到副鏡上,。這里的主鏡畫得比較平，但其實(shí)是一個(gè)凹面鏡,。
光線由副鏡反射,，通過主鏡內(nèi)的孔，并匯聚在焦點(diǎn)上,。只要在焦點(diǎn)上安置接收儀器,，就可以實(shí)現(xiàn)將遠(yuǎn)處天體的放大,。這里，首先就得要求主鏡有完美的平整度,，其次就是主鏡的曲率要完美實(shí)現(xiàn),。否則，看上面的原理圖就知道,，光線一定會(huì)散開,。
（圖片說明：工作人員在打磨主鏡，可以看到主鏡中間有一個(gè)孔是方便副鏡反射的光線通過的） 結(jié)果,，由于主鏡的曲率有了一點(diǎn)點(diǎn)細(xì)微的偏差,，就產(chǎn)生了實(shí)際像點(diǎn)與理想像點(diǎn)的位置之差，這種偏差叫做球面像差,，也叫球差,。據(jù)計(jì)算，哈勃望遠(yuǎn)鏡當(dāng)時(shí)的球面像差僅有2.2微米,，是人類頭發(fā)的幾十分之一,。但是，對(duì)于哈勃這樣的超精細(xì)設(shè)備來說,，這個(gè)偏差是致命的,。中國古人講：“失之毫厘，謬以千里”,。而哈勃更夸張,，失之微米，謬以光年,。 問題找到了,，那么，到底這個(gè)問題是怎么產(chǎn)生的呢,？ 艾倫委員會(huì)的調(diào)查結(jié)果顯示：原本望遠(yuǎn)鏡研發(fā)項(xiàng)目中包含著對(duì)球面像差的檢測(cè)流程,，就是利用一種叫做“零位校正器”的設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。但是,，在應(yīng)該進(jìn)行這項(xiàng)檢測(cè)的期間,，珀金·埃爾默公司因?yàn)榻?jīng)費(fèi)和項(xiàng)目進(jìn)度的問題和NASA鬧得很不愉快，因此有些破罐子破摔的心態(tài),，于是抱著僥幸心理沒有按照最初的要求裝配零位校正器,，錯(cuò)誤安裝的零位校正器導(dǎo)致了微弱的偏差。珀金·埃爾默并非不知道這件事,，但是他們竟然沒有修正,，而是墊了幾個(gè)金屬片強(qiáng)行把偏差消除，想借此蒙混過關(guān),。
事情到這里還有挽回的余地,，挑戰(zhàn)者號(hào)航天事故給了他們時(shí)間和最后的機(jī)會(huì),，只要NASA的人再檢測(cè)一次，發(fā)現(xiàn)問題就好了,。可是,，珀金·埃爾默的人始終拍著胸脯保證主鏡沒有任何問題,，于是檢測(cè)就沒有進(jìn)行。 紙是包不住火的,，當(dāng)那些哈勃望遠(yuǎn)鏡傳回的第一批照片呈現(xiàn)在眾人面前的時(shí)候,，也就是人們傻眼的時(shí)候。 險(xiǎn)些流產(chǎn)的哈勃望遠(yuǎn)鏡艾倫委員會(huì)認(rèn)定,，這次偏差的主要錯(cuò)誤在于珀金·埃爾默公司的粗心大意,，為此，后者迫于你懂得的壓力,，不得不賠償1500萬美元,。同時(shí)，NASA的相關(guān)人員因?yàn)楣ぷ鞑涣?，同樣遭到了?yán)厲的批評(píng),。 可是，懲罰不是目的,，已經(jīng)出現(xiàn)的問題該如何解決呢,？
（圖片說明：宇航員在天空中維修哈勃望遠(yuǎn)鏡） 把望遠(yuǎn)鏡拉回地面維修不是不可能，但是高昂的成本讓人望而卻步,。好在問題還有解決的余地,，他們可以在太空中給哈勃望遠(yuǎn)鏡“戴眼鏡”。通過重新的計(jì)算和反復(fù)的檢查,，技術(shù)人員得出結(jié)論：主鏡的圓錐常數(shù)為-1.01390±0.0002,，而不是預(yù)定的-1.00230。 1993年,，NASA發(fā)射了奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī),，利用機(jī)械臂將哈勃望遠(yuǎn)鏡抓進(jìn)航天飛機(jī)中。在接下來的7天內(nèi),，宇航員將矯正光學(xué)空間望遠(yuǎn)鏡軸向替換系統(tǒng)（Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement,，縮寫：COSTAR）裝入哈勃，消除了球面像差,。由于哈勃望遠(yuǎn)鏡內(nèi)位置不夠,，NASA不得不舍棄了五大武器之中的高速光度計(jì)（HSP）。同時(shí),，他們也用第二代廣域和行星照相機(jī)替換掉了第一代,，提升了觀測(cè)的能力,。
（圖片說明：M100 星系，左側(cè)為1993年維護(hù)前哈勃拍攝的圖像,，右側(cè)為修正后拍攝的結(jié)果） 至此,，哈勃望遠(yuǎn)鏡終于擺脫了人們的嘲諷，從此成為了人類觀測(cè)宇宙時(shí)最重要的“一雙眼”,。在接下來的27年時(shí)間里,，它無數(shù)次用強(qiáng)大的觀測(cè)能力，向我們展現(xiàn)最壯觀,、最深邃,、最神秘的宇宙，訴說著這個(gè)宇宙所隱藏的秘密,。 為何哈勃能長(zhǎng)青30年哈勃太空望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)服役30年,，卻依然能持續(xù)傳回大量震撼的宇宙圖片。和它相比,，斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡2003年升空,，今年年初退役，只工作了17年,，而1991年發(fā)射的康普頓望遠(yuǎn)鏡僅僅服役了9年,，就在2000年墜入太平洋。 為何哈勃望遠(yuǎn)鏡能夠獨(dú)樹一幟,，30年來依舊長(zhǎng)青呢,？
這是在于，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡是唯一被設(shè)計(jì)為可以由宇航員在太空中進(jìn)行維修的設(shè)備（根據(jù)前兩章的介紹,，可以感受到我們?cè)摱嗝磻c幸它可以維修）,。從發(fā)射至今，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)經(jīng)歷了5次維護(hù)更新,。
“薪火相傳”盡管經(jīng)歷了多次維修,，但我們知道，終有一天哈勃望遠(yuǎn)鏡也會(huì)退役,。不過幸運(yùn)的是,，NASA早就已經(jīng)準(zhǔn)備好了下一代望遠(yuǎn)鏡，那就是詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope,，縮寫JWST）,。 和哈勃相比，JWST的觀測(cè)功能更加驚人,，而且它能觀測(cè)到的波段也比哈勃要更加寬廣,。哈勃望遠(yuǎn)鏡的口徑為2.4米，而JWST可以達(dá)到6.5米,。因此,，前者的觀測(cè)極限大約為134億光年，而后者則可以觀測(cè)到136億光年以外,，也就是宇宙大爆炸后2億年左右的模樣,。
（圖片說明：哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的獵戶座大星云照片） 和給予它名字的天文學(xué)家埃德溫·哈勃一樣，哈勃望遠(yuǎn)鏡也是人類天文史上的一座里程碑,。在人類前行的路上,，里程碑會(huì)一個(gè)一個(gè)被甩在后面。但是,，我們永遠(yuǎn)不會(huì)忘記里程碑旁邊的風(fēng)景,，和里程碑向我們?cè)V說的一個(gè)道理：我們永遠(yuǎn)在前行！ 感謝閱讀,。 |
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