哈勃最后的大修

2008 年是望遠鏡發(fā)明400 周年。恰在這一年，400 年來最昂貴的望遠鏡——哈勃空間望遠鏡將迎來最后一次大修。在服役期臨近末尾的時候，它將獲得前所未有的強大功能。風險、成本以及哈勃的重要性曾經(jīng)讓維修計劃一再推遲，但現(xiàn)在時機已不容等待，因為美國仍在服役的航天飛機已經(jīng)不多了。

哈勃空間望遠鏡終于迎來了一次大修。據(jù)官方的說法，這將是最后一次。在這以后，哈勃的繼承者詹姆斯#8226; 韋伯空間望遠鏡將接替它的使命?？雌饋恚@臺史上最貴的望遠鏡終于要退役了——美國人已經(jīng)在它上面花費了約50 億美元——這也意味著一種危險的太空修補方式就此結束。

如果這次維修任務成功，哈勃望遠鏡將會前所未有地強大。亞特蘭蒂斯號上的宇航員為哈勃帶去了兩件新儀器——宇宙起源攝譜儀和第三代廣域照相機，還會為它更換新的電池和陀螺儀。升級之后的哈勃不僅能恢復穩(wěn)定的電力供應、維持平衡，還能在星系起源等方面獲得更強大的觀測能力。這樣它就可以一直工作到2013 年正式退役，但是無論如何，這只是一個計劃。維修任務可能會很成功，對于NASA 來說，所謂計劃的時間表，永遠只有在最理想的情況下才能實現(xiàn)。因此哈勃望遠鏡的歷史就是一部不斷延期的歷史。

哈勃坎坷18 年

哈勃望遠鏡從誕生起就充滿了意外和不確定。哈勃望遠鏡發(fā)射升空的日期最初確定在1983 年，但事實上的發(fā)射時間推到了1990 年。推遲的原因之一是挑戰(zhàn)者號的悲劇，更根本的原因是沒有錢。預算被砍了一半，不論是鏡面還是太空船的建造進度都在不斷推后。等到一切準備就緒，卻恰好遇上了1986 年初挑戰(zhàn)者號航天飛機失事，美國所有的航天飛機停飛，原定在當年發(fā)射的哈勃望遠鏡也無限期地拖了下來，在無塵室中存放了4 年，一直到1990年升空。升空后又發(fā)生了鏡面危機，嚴重的球面像差讓哈勃望遠鏡無法正常工作。所幸的是第一次維修任務，也就是眾所周知的給哈勃“戴眼鏡”，最終獲得了圓滿成功。

修復后的哈勃望遠鏡終于把強大的威力展示出來，在觀測天文學的每一個領域，哈勃幾乎都作出過巨大的貢獻。它能觀測極暗弱的天體，也能接收到被大氣層過濾的紫外線。著名的“哈勃深空”讓人類第一次見到宇宙最初期的星系如何形成和碰撞，星云的照片見證了恒星如何在氣體云中形成。哈勃的影像也為星系核心黑洞的存在提供了證據(jù)。人們通過哈勃尋找到了太陽系外的行星，同時也見證了蘇梅克- 列維9 號彗星和木星的歷史性相撞。但是哈勃的正常運作，卻始終要依賴于持續(xù)不斷的維修。

縫縫補補又一年

哈勃望遠鏡已經(jīng)有6 年沒有維修了。到2002 年為止，每3 年都會有一架航天飛機給哈勃進行常規(guī)維修，這是在設計時就定好的方案。就像人的隱形眼鏡需要不斷護理，哈勃的維修也是一種常態(tài)。

老化和損壞的陀螺儀、太陽能電池板當然需要更新。而迄今為止，哈勃望遠鏡上的5 件觀測和定位儀器還沒有同時正常運轉過，最近一次是2006 年廣域照相機的罷工。即使沒有機械故障，哈勃攜帶的儀器本身也在不斷的升級換代。1990 年哈勃升空時所攜帶的5 件觀測儀器，都已經(jīng)被陸續(xù)更換掉了。升級維修已經(jīng)成功地進行了4 次，每一次都使哈勃變得更強大。算上第5 次維修，哈勃望遠鏡的廣域照相機就已經(jīng)更換到第三代了。它能夠完成視野和波段各不相同的拍照任務，前兩代的廣域照相機曾經(jīng)拍攝了“哈勃深空”和老鷹星云照片，而第三代據(jù)說可以增加10~30 倍的靈敏度。這一次更換的另一個儀器，宇宙起源攝譜儀的名稱似乎在暗示它的強大功能，它將通過分析紫外波段的光譜，來了解宇宙大尺度的物質分布，從而為宇宙學的研究提供數(shù)據(jù)。6 個57 千克的鎳氫蓄電池也會被更換，每一塊相當于1000 個5 號充電電池，可以保證哈勃在最近幾年內不會電力不足。

但是這最后一次維修還是歷經(jīng)波折。2003 年，此前剛執(zhí)行過第4 次維修任務的哥倫比亞號航天飛機在返回時失事，所有的航天飛機再次停飛兩年。而美國仍然在服役的航天飛機只剩下發(fā)現(xiàn)號、亞特蘭蒂斯號和奮進號3 架。幾年后，這3 架航天飛機也將功成身退。但下一代太空飛行器還遙遙無期。在今后的幾年里，美國人似乎將要面臨無法送人上天的局面。NASA 也曾設想過遙控機器人對哈勃望遠鏡進行維修，但是這個想法沒有付諸現(xiàn)實，因為維修的動作太復雜了，只有宇航員才可能對太空中各種意外情況隨機應變。NASA 別無選擇：亞特蘭蒂斯號今年必須上去，維修哈勃望遠鏡！因為哈勃無法替代。

整裝待發(fā)

歷經(jīng)磨難之后的NASA 似乎變得更成熟了。資金大量注入太空事業(yè)的黃金年代可能一去不復返，于是更需要審慎地對待每一個細節(jié)來保證任務安全。亞特蘭蒂斯號升空執(zhí)行任務的同時，另一架航天飛機奮進號也在發(fā)射臺上待命。如果維修中發(fā)生意外，奮進號可以在幾天之內進入軌道援救。這是美國航天史上第一次采用雙重保險。

維修的每一個細節(jié)也都經(jīng)過了更細致的考慮。宇航員在水池中進行過演習，所有的維修動作都在一個1：1 模型上反復模擬過了，維修用的工具也經(jīng)過反復設計，因為這次任務比以往更加復雜。想要全面修復哈勃望遠鏡的先進巡天照相機，需要卸下111 顆螺絲，并且更換電路板。如何處理這些螺絲需要有些靈感，最后的方案是把它們像調色盤一樣安置在一塊“捕獲板”上。而安裝陀螺儀的工具據(jù)說靈感來自兒童玩具。宇航員每一天的任務都已經(jīng)仔細分配好，只等著秋天最后的颶風過去就可以升空。而哈勃望遠鏡修復后的日程也已經(jīng)排滿了，從觀測宇宙最早期的星系，到太陽系邊緣的柯伊伯天體，可能會有更激動人心的發(fā)現(xiàn)。

哈勃傳位給誰

空間望遠鏡是一個龐大的家族。每一個望遠鏡都有其特殊的用途：康普頓天文臺、錢德拉天文臺、斯必澤望遠鏡分別專攻伽馬射線、X 射線和紅外線，而宇宙背景探測者是為了檢測微波背景輻射，它們在恒星的命運和宇宙學研究中都立下了豐功偉績，但是哈勃能夠在幾乎所有的領域作出貢獻。地面的天文臺也在改進，但是還不能達到哈勃的分辨率，更不用說觀測被大氣層吸收掉的紫外線了。哈勃望遠鏡的后繼者，詹姆斯#8226; 韋伯空間望遠鏡不需要維修，因為它太遠了。它和地球的距離是哈勃望遠鏡的2000 多倍：150 萬千米。在那里地球和太陽的引力相互平衡，可以讓它保持穩(wěn)定的 位置。詹姆斯#8226;韋伯空間望遠鏡看起來更像是一架衛(wèi)星天線，它的反射鏡面是由18塊六角形鏡片組成，在發(fā)射升空后由高精度的微型馬達展開組裝。它的鏡面面積是哈勃的5 倍，可以想象它將會帶來超越哈勃的奇跡。但是這只是計劃，而且是NASA 的計劃。它的發(fā)射日期已經(jīng)從2011 年推遲到了2013 年，還會不會推遲，有沒有別的意外，誰也不知道。但是無論如何，對于天文學家和保有好奇心的人來說，人類在太空中維持一顆明亮的眼睛，是非常必要的。

Tips：

哈勃所經(jīng)歷的5 次大修

SM1，1993 年12 月

用COSTAR 取代高速光度計（HSP）修正光學誤差

安裝第二代廣域照相機（WFPC2）

更換太陽能電池板

更換陀螺儀

更換磁力記、協(xié)處理器， 及其他電子器件

SM2，1997 年2 月

用近紅外相機和多目標光譜儀（NICMOS）替換戈達德高分辨光譜儀（GHRS）

用成像攝譜儀（STIS）替換暗天體光譜儀（FOS）

更換精密制導傳感器

更換數(shù)據(jù)記錄儀

更換反作用輪

SM3A， 1999 年12 月

更換陀螺儀

更換精密制導傳感器

安裝升級的計算機，數(shù)據(jù)記錄儀，隔熱板及其他電子設備

SM3B，2002 年3 月

用ACS 替換暗天體照相機（Faint-Object Camera）更換太陽能電池板

為NICMOS 安裝新的冷卻系統(tǒng)更換陀螺儀

更換反作用輪

SM4，2008 年10 月

用宇宙起源攝譜儀（COS）替換COSTAR

安裝第3代廣域照相機（WFC3）

維修STIS 的電源系統(tǒng)

維修ACS 的電子學系統(tǒng)

更換精密制導傳感器

更換鎳氫電池

更換陀螺儀

安裝柔性捕獲裝置為機器人捕捉脫離軌道服務

外部防護罩(outer blanket)

這是哈勃的新盔甲，使用三層隔熱系統(tǒng)來保護內部的精密儀器

宇宙起源頻譜儀(COS)

是一臺靈敏的紫外線頻譜裝置，自己帶有光學矯正裝置。

空間望遠鏡影像攝譜儀(STIS)

新更換的電路板可以讓它發(fā)揮出全部威力。

近紅外線照相機和多目標分光儀(NICMOS)

不用維修

先進巡天照相機(ACS)

2007 年它已經(jīng)處于半癱瘓狀態(tài)，而新更換的動力裝置將會恢復它70% 的功能。

軟捕獲裝置

添加這個接口是為了方便無人駕駛的飛船和哈勃對接，因為以后可能要把它整個打包運回地球。

精細導星傳感儀(FGS)

用來作高精度的定向，鎖定觀測目標。3 只精細導星傳感儀中的1 只將會被更換。

電池

1990 年帶上天的6 塊“原裝”電池，這一次要全部更新。

第3 代廣域照相機(WFC3)

功能將會全面提升，4 臺16 萬像素的相機將會被一臺1600 萬像素的相機取代，而觀測波長也將覆蓋從紫外到近紅外的整個頻譜。

陀螺儀(Gyroscope)

這是哈勃用來確定方向的核心裝備。這一次6 只陀螺儀會全部更換掉。