胡立成：哈勃望远镜的维修全过程

作者：胡立成

1990年4月哈勃空间望远镜发射升空的数星期后，研究人员发现从哈勃空间望远镜传回来的图片有严重的问题，获得的的最佳图像品质也远低于当初的期望：点源的影像被扩散成超过一弧秒半径的圆。通过对图样缺陷的分析显示，问题来源于主镜的形状被磨错了。虽然这个差异小于光的1/20波长， 镜面与需要的位置只差了微不足道的2微米，但这个差别造成了灾难性的球面像差。这样来自镜面边缘的反射光不能聚集在与中央的反射光相同的焦点上。原来，美国宇航局的科学家们遇到了一个因太空轨道运行而使“哈勃”望远镜的镜头无法倾斜，从而导致照片质量差的问题。

哈勃空间望远镜

为了解决这个问题，科学家做了很多尝试都没有实质性的进展，收效稍微。有光学科学家认为，只要稍微将望远镜镜头反转一下，拍摄图片的质量就可以得到很大的改善。但是，如何“稍微将望远镜镜头反转一下”呢？他们将问题公布在官方网站，还有报刊与电视上面，希望发动群众以此群策群力，集思广益。

哈勃空间望远镜(hst)工作原理

有一天，一个叫吉米的机械工程师正在国外出差，电视里面看到了相关征集的报道，到了一家旅馆里淋浴时，他发现西欧浴室里的喷头都装在可折叠调节的杆子上面，他突然想到“哈勃”望远镜镜头上同样也可以装上这样的折叠杆。他的灵光一闪最终帮助了国家宇航局解决了“哈勃”望远镜的难题。

1993年，“奋进号”执行了对哈勃空间望远镜的第一次维修，研究人员设计一个有相同的球面像差，但功效相反的光学系统来抵消错误，相当于配上一副能改正球面像差的眼镜。用来改正球面像差的仪器称为空间望远镜光轴补偿校正光学（COSTAR）。为了给COSTAR在望远镜内提供位置，必须移除其中一件仪器，天文学家的选择是牺牲高速光度计。

除此之外，广域和行星照相机被第二代广域和行星照相机以及内部的光学更新系统取代。另外，太阳能板和驱动的电子设备、四个用于望远镜定位的陀螺仪、二个控制盘、二个磁力计和其他的电子组件也被更换。

哈勃望远镜下的壮美宇宙

1997年2月，“发现号”在STS-82航次中执行了第二次维修。用空间望远镜摄谱仪（STIS）和近红外线照相机和多目标分光仪（NICMOS）替换掉戈拉德高解析摄谱仪（GHRS）和暗天体摄谱仪（FOS）。修护绝热毯，再提升哈勃的轨道。

第三次维护仍由“发现号”在1999年12月的STS-103航次中执行。在维护中更换了全部的六台陀螺仪，也更换了一个精细导星传感器和计算机，安装一套组装好的电压/温度改善工具（VIK）以防止电池的过热，更换绝热的毯子。新的计算器是能在低温辐射下下运作的英特尔486，可以执行一些过去必须在地面处理的与太空船有关的计算工作。

第四次维护由“哥伦比亚号”在2002年3月的STS-109航次执行，用先进巡天照相机（ACS）替换了暗天体照相机（FOC），更换了新的冷却系统和太阳能板。哈勃的配电系统也被更新了，这是哈勃空间望远镜升空之后，首度能完全的应用所获得的电力。

NASA于2008年9月宣布哈勃空间望远镜上的数据处理系统出现严重故障，无法正常存储观测数据并传回地球，而且由于哈勃太空任务高度与国际太空站距离十分远，太空人在紧急情况下未能找到有效安全避难处，这使得维护哈勃望远镜变为一项极度危险的任务。

最后一次是在美国东部时间2009年5月11日14点01分，美国“阿特兰蒂斯”号航天飞机从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空。在此次太空之旅中，机上的7名宇航员通过5次太空行走对哈勃太空望远镜进行了最后一次维护，为其更换了大量设备和辅助仪器，这些更新主要包括：用第三代广域照相机(WFC3)取代WFPC2；安装新的宇宙起源频谱仪（COS）、取回该处的COSTAR光学矫正系统；修复损坏的先进巡天照相机（ACS）；修复损坏的空间望远镜摄谱仪（STIS）；替换损坏的精细导星传感器（FGS）；更换科学仪器指令和数据处理系统（SIC&amp；DH）；更换全部的电池模组；更换所有的6个陀螺仪和3组定位传感器（RSU）；更换对接环、安装全新的绝热毯（NBOL）、补充制冷剂等等。而这将会是哈勃空间望远镜最后一次的维护任务，会将哈勃空间望远镜的寿命延长至2013年后。

哈勃望远镜观测到的“暗能量”物质

从1990年到2015年4月，哈勃望远镜在地球轨道上运行了接近13万7千圈，累计54亿公里，执行了120多万次观测任务，观察了超过38，000个天体。哈勃望远镜观测到的目标中最远的是距地球130亿光年的原始星系，这些星系的发出光芒来自大爆炸后刚刚形成的宇宙早期。平均每个月，哈勃都会产生829G观测数据，累计已超过100T。天文学家还在它的帮助下，观测到宇宙膨胀的精确数据，从而推算出宇宙年龄为138亿年（误差不超过3%）。

在这一过程中，“暗能量”这个如今在科学界频频出现的神秘概念，逐渐为人们所知晓。而且在“大爆炸”之后，另一个非常关键的“暴涨”阶段对于我们宇宙现在的结构同样起着决定性的作用。截至2015年4月，直接或间接通过哈勃望远镜的成果而发表的科学论文数目，达到{{12800:0}}篇，包括几项问鼎诺贝尔奖的成果。

哈勃望远镜的25岁生日

一个国际天文学家小组2013年11月3日，借助哈勃太空望远镜，他们发现了迄今已知最遥远的星系，再次打破宇宙观测距离纪录。该小组在新一期《天体物理学杂志》上报告说，这个名为GN－z11的星系是一个异常明亮的“婴儿星系”，位于大熊星座方向，距地球约134亿光年。换句话说，人们现在观测到的是它在宇宙大爆炸后4亿年时的样子。

韦伯望远镜等比例模型

研究人员说，这次发现已把哈勃的观测能力推到了最大极限，GN－z11作为最遥远星系的头衔估计可能要保持数年，打破这个纪录可能还要等2018年才发射升空的哈勃继任者——詹姆斯·韦伯太空望远镜来实现。

NASA计划中将于2018年升空的詹姆斯·韦伯望远镜是目前被寄予厚望的哈勃望远镜继任者。在韦伯领导下的美国宇航局，成功实施了“水星”和“双子星”载人航天计划，为人类成功登月奠定了坚实的基础。

韦伯望远镜在设计时强化了其红外波段的观测能力，这将让它能够更好地看清宇宙中更遥远、更暗淡的天体。相对于哈勃望远镜，韦伯望远镜将能够进一步逼近大爆炸后的年轻宇宙的图景，科学家估计它可以看到距离200亿光年远的原始星系。

2019年，哈勃望远镜和韦伯望远镜将同时在轨道运行，帮助人类揭示宇宙的秘密。

开普勒天文望远镜

寻找类地行星一直是人类探索宇宙的历史中最激动人心的篇章之一。就拿开普勒计划来说，其背后就是科学家比尔·博鲁茨基长达23年的坚持。博鲁茨基1962年起即在NASA工作，参与过阿波罗计划的隔热罩设计。从1992年开始，他就向NASA提交方案，用空间探测器借助“凌日法”寻找太阳系外的行星，但当时没人相信这办法能成。1994年他又提出，但当时哈勃望远镜刚刚升空，NASA表示没钱再做一台望远镜。1996年，这时人们已经发现系外行星了，他锲而不舍地再提自己的观点，还是被拒绝。他就自己买设备、做实验，积累了大量数据，证明自己的方案是可行的。2009年，当NASA终于将开普勒送上太空时，已经70岁的博鲁茨基像个过节的小孩一样高兴。比尔·博鲁茨基对于开普勒计划的坚持，印证了人类文明走向太空的脚步从未止歇。NASA表示，2016年将发射空间望远镜“詹姆斯·韦伯”，2017年一颗名叫TESS的行星探测器将被送入太空。

★编辑：曲樑

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