哈勃望遠(yuǎn)鏡的“起死回生”

沈羨云

2009年5月11日，美國(guó)的“亞特蘭蒂斯”號(hào)航天飛機(jī)順利發(fā)射升空，這次它擔(dān)負(fù)著十分特別的任務(wù)：充當(dāng)“太空醫(yī)生”，為“哈勃”太空望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行“臨危”前的手術(shù)。為了防止手術(shù)中出現(xiàn)意外，在“亞特蘭蒂斯”號(hào)航天飛機(jī)發(fā)射的同時(shí)，另一架“奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)也在發(fā)射架上整裝待發(fā)，準(zhǔn)備營(yíng)救萬(wàn)一出現(xiàn)問(wèn)題的“亞特蘭蒂斯”號(hào)航天飛機(jī)。美國(guó)宇航局專家指出，如果這次修復(fù)活動(dòng)取得圓滿成功，那么未來(lái)5年“哈勃”性能將達(dá)到巔峰，哈勃望遠(yuǎn)鏡的功能將比1990年剛發(fā)射時(shí)強(qiáng)90倍。不過(guò)，一旦修理任務(wù)失敗，哈勃望遠(yuǎn)鏡這個(gè)立下汗馬功勞的天文學(xué)“皇冠上的寶石”只能變成一塊價(jià)值69億美元的太空垃圾。

手術(shù)原因

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡1990年升空，至今已經(jīng)在太空度過(guò)19個(gè)年頭了。在這19年中，它為人類打開(kāi)了一扇觀察宇宙的窗戶，帶著我們游歷神秘的宇宙世界。在人們的心中，“哈勃”不僅是一架望遠(yuǎn)鏡，它更是一個(gè)標(biāo)志，一部傳奇，一個(gè)令許多人難以割舍的時(shí)代。19年的光陰逝去，哈勃時(shí)代慢慢走到盡頭。它服役期間曾多次出現(xiàn)故障和設(shè)備老化跡象。為了修復(fù)它，航天員分別在1993年、1997年、1999年、2001年對(duì)它進(jìn)行了4次大修，付出了高昂的代價(jià)。雖然在每次大修后，哈勃都面貌一新，特別是2001進(jìn)行第4次大修時(shí)，為它安裝測(cè)繪照相機(jī)，更換太陽(yáng)能電池板，更換已工作11年的電力控制裝置，并激活處于“休眠”狀態(tài)的近紅外照相機(jī)和多目標(biāo)分光計(jì)，使它年輕了不少，但是這種修修補(bǔ)補(bǔ)仍然掩蓋不住它的“老態(tài)”，它始終還是處于“帶病堅(jiān)持工作”狀態(tài)。目前，盡管哈勃望遠(yuǎn)鏡的情況還可以，但是如果不馬上進(jìn)行“治療”的話，可能2010年就是它“壽終正寢”的時(shí)間了，它將墜入大氣層，走向“自焚”的道路。

但是，哈勃望遠(yuǎn)鏡的功績(jī)是不可磨滅的，哈勃望遠(yuǎn)鏡是有史以來(lái)最大、最精確的天文望遠(yuǎn)鏡，它上面的廣角行星照相機(jī)可拍攝上百個(gè)恒星的照片，其清晰度是地面天文望遠(yuǎn)鏡的10倍以上，1.6萬(wàn)千米以外的一只螢火蟲(chóng)都難逃它的“法眼”。在很多研究人員眼中，“哈勃”輝煌的一生也是天文學(xué)研究的黃金時(shí)代。在19年的勘測(cè)歷程中，它完成了環(huán)繞地球10萬(wàn)多圈飛行，采集39兆兆字節(jié)的數(shù)據(jù)資料，這些資料足以將兩個(gè)美國(guó)國(guó)會(huì)圖書(shū)館塞滿。每個(gè)月哈勃太空望遠(yuǎn)鏡都將產(chǎn)生800多億字節(jié)的數(shù)據(jù)資料。天文學(xué)家基于哈勃天文望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)資料，發(fā)布了超過(guò)7500多份科學(xué)研究報(bào)告，成為迄今獲得最多科學(xué)研究成果的儀器，僅2008年科學(xué)家就發(fā)表了與哈勃觀測(cè)數(shù)據(jù)有關(guān)的700篇論文?？茖W(xué)家從它19年來(lái)的赫赫功績(jī)中，精心篩選出12項(xiàng)最突出的貢獻(xiàn)。它們是：1)首次證實(shí)暗物質(zhì)的存在；2)探測(cè)到冥王星的衛(wèi)星；3)觀察到類星體明亮的光線：4)看見(jiàn)彗星碰撞木星；5)發(fā)現(xiàn)加速的宇宙；6)了解完整的星系形成過(guò)程；7)從可見(jiàn)光視角下探測(cè)到第一顆地外行星；8)為超大質(zhì)量黑洞“稱重”；9)觀察到宇宙中最強(qiáng)烈的爆炸：10)證實(shí)行星誕生于恒星灰塵盤(pán)；11)觀察到恒星絢麗的死亡；12)獲得宇宙的年齡。

近年來(lái)，哈勃望遠(yuǎn)鏡故障不斷，而維修的代價(jià)過(guò)高，美國(guó)宇航局曾決定放棄。但由于哈勃望遠(yuǎn)鏡在太空中的聲望極高，各國(guó)科學(xué)家均呼吁讓它在太空中多停留幾年。終于，去年美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)局長(zhǎng)格里芬宣布，NASA將在2008年發(fā)射“發(fā)現(xiàn)”號(hào)航天飛機(jī)對(duì)哈勃望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行維修。當(dāng)時(shí)。兩架航天飛機(jī)已經(jīng)豎立在那里待命了，但是到了g月底，哈勃望遠(yuǎn)鏡生病了，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)了問(wèn)題，不能馬上維修。通過(guò)地面遙控，啟動(dòng)了備份系統(tǒng)，終于去年10月份又能工作了，后來(lái)經(jīng)過(guò)了大量的準(zhǔn)備工作，最后決定2009年5月對(duì)哈勃進(jìn)行維修。

手術(shù)危險(xiǎn)性的估測(cè)

正如醫(yī)生在動(dòng)手術(shù)前要對(duì)手術(shù)中的危險(xiǎn)性進(jìn)行仔細(xì)地分析和估測(cè)一樣，對(duì)這次有史以來(lái)進(jìn)行的太空最大修復(fù)手術(shù)，航天專家們也進(jìn)行了多次討論和仔細(xì)分析，對(duì)修復(fù)的危險(xiǎn)性和難度進(jìn)行充分的估測(cè)。

哈勃望遠(yuǎn)鏡手術(shù)過(guò)程中最大的威脅來(lái)自太空垃圾。哈勃望遠(yuǎn)鏡是在距地面500千米的太空上進(jìn)行觀測(cè)，因?yàn)檫@里不僅不受惡劣氣候的影響，每天可以進(jìn)行觀測(cè)，而且擺脫了地球大氣的干擾，能夠達(dá)到地面上任何望遠(yuǎn)鏡達(dá)不到的高靈敏度和高分辨能力。但是，它是在遠(yuǎn)離國(guó)際空間站的飛行軌道空域內(nèi)，各種各樣的太空垃圾層出不窮，特別是今年2月，美俄兩顆衛(wèi)星相撞后，太空中新增大量碎片。美國(guó)總共在太空中發(fā)現(xiàn)了1.9萬(wàn)多塊直徑超過(guò)10厘米的垃圾，其中950塊可對(duì)各類宇航器造成威脅。據(jù)美國(guó)航天局估計(jì)，航天飛機(jī)與太空垃圾相撞比例為l／229，由于太空垃圾和航天飛機(jī)都在軌道上高速運(yùn)行，因此雙方一旦發(fā)生碰撞，可能會(huì)造成嚴(yán)重后果。如果出現(xiàn)這種情況，由于航天飛機(jī)遠(yuǎn)離國(guó)際空間站軌道，航天員無(wú)法轉(zhuǎn)移到空間站這個(gè)“緊急避難所”里，其后果可想而知。所以，太空垃圾是本次維修工作的最大風(fēng)險(xiǎn)。為了防止出現(xiàn)嚴(yán)重后果，美國(guó)航天局采用了很多措施，例如，在維修期間，美國(guó)地面控制人員密切監(jiān)視太空垃圾的動(dòng)向，以便及時(shí)向航天飛機(jī)下達(dá)規(guī)避指令：為了減小遭撞擊損壞的可能性，上天維修哈勃期間，“亞特蘭蒂斯”號(hào)將采用倒飛姿態(tài)，以保護(hù)機(jī)頭和機(jī)翼，維修完成后，它將迅速降低高度，脫離危險(xiǎn)區(qū)；萬(wàn)一“亞特蘭蒂斯”號(hào)航天飛機(jī)遇到緊急事件，美國(guó)宇航局已經(jīng)準(zhǔn)備了一項(xiàng)空前的后援計(jì)劃。根據(jù)NASA的這一計(jì)劃，如果“亞特蘭蒂斯”號(hào)遭到嚴(yán)重?fù)p害，“奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)將搭載4名航天員升空。在太空中，“亞特蘭蒂斯”號(hào)的7名航天員將被轉(zhuǎn)移到“奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)上返回地面，而“亞特蘭蒂斯”號(hào)將由地面遙控指揮，穿越大氣層，在人煙稀少的地方墜毀。

5次手術(shù)

在這次哈勃望遠(yuǎn)鏡的“手術(shù)”中，機(jī)上的7名航天員將通過(guò)5次太空行走，維修哈勃多個(gè)損壞部件，同時(shí)升級(jí)它的相機(jī)等設(shè)備。他們將修復(fù)和升級(jí)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡近三分之一的系統(tǒng)，其中包括換6個(gè)電池，一個(gè)陀螺儀，安裝兩個(gè)新載荷、對(duì)接捕獲裝置和第3代廣域行星像機(jī)，修理兩臺(tái)儀器(高級(jí)巡天像機(jī)，成像光譜儀)。其中風(fēng)險(xiǎn)最高、投入最大的是為哈勃望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行“眼科手術(shù)”，即修復(fù)成像光譜儀和高級(jí)巡天相機(jī)。該光譜儀主要用于分析宇宙中從遙遠(yuǎn)的天體發(fā)出的光，但因?yàn)殡娐钒骞收?，光譜儀于2004年就停止了工作。它的零部件很小，螺絲也很小，修復(fù)起來(lái)較困難。航天員在飛行前，在中心浮力水槽中進(jìn)行了大量的訓(xùn)練，而且發(fā)明了一種像修手表和眼鏡那么小的螺絲刀。

在“亞特蘭蒂斯”飛行期間，航天員們進(jìn)行了5次太空行走，為哈勃望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行手術(shù)。

第一次手術(shù)(5月14日)擔(dān)任這次“手術(shù)”的“醫(yī)生”是航天員格倫斯·菲爾德和福伊·斯特爾，他們進(jìn)行了首次太空行走，任務(wù)是為哈勃太空望遠(yuǎn)鏡安裝了一臺(tái)全色譜廣角照相機(jī)和數(shù)據(jù)處理裝置，好讓哈勃太空望遠(yuǎn)鏡更清晰地拍攝范圍更廣的彩色照片。他們首先要卸下哈勃望遠(yuǎn)鏡的一臺(tái)舊相機(jī)，但這一工作進(jìn)行得并不順利。由于固定舊相機(jī)的一顆螺絲釘卡在望遠(yuǎn)鏡上，航天員們嘗試了多種工具都未能將其取出。地面任務(wù)控制中心要求航天員使出最大力氣，但這么做存在一定風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)橐坏┞萁z釘斷裂，舊相機(jī)將固定在望遠(yuǎn)鏡上，新相機(jī)將無(wú)法安裝。兩位航天員經(jīng)過(guò)努力拔掉了“作梗”的螺絲釘，并安裝了新相機(jī)。新安裝的寬視野相機(jī)價(jià)值1，32億美元，天文學(xué)家可望利用它觀測(cè)宇宙誕生后5億年至6億年時(shí)的場(chǎng)景。隨后，航天員為哈勃望遠(yuǎn)鏡更換了數(shù)據(jù)處理裝置，并安裝了一個(gè)對(duì)接環(huán)。這個(gè)對(duì)接環(huán)將在哈勃望遠(yuǎn)鏡退役返回地球時(shí)發(fā)揮作用，屆時(shí)美航天局發(fā)射的遙控飛船可以借助該對(duì)接環(huán)把哈勃望遠(yuǎn)鏡引導(dǎo)至太平洋上空。

第二次手術(shù)(5月15日)航天員邁克爾·馬西米諾、邁克爾·古德的任務(wù)是安裝6個(gè)新的陀螺儀，替換3個(gè)損壞的陀螺儀。美國(guó)航空航天局將這項(xiàng)工作作為此次使命的首要任務(wù)，因?yàn)檫@些陀螺儀可以幫哈勃更精確地對(duì)準(zhǔn)宇宙中更遙遠(yuǎn)的天體。

第三次手術(shù)(5月16日)格倫斯菲爾德和福伊斯特爾進(jìn)行了第3次太空行走，他們的任務(wù)是完成此次維護(hù)之旅難度最高的任務(wù)一一為哈勃太空望遠(yuǎn)鏡安裝新光譜儀。兩位航天員為哈勃望遠(yuǎn)鏡安裝的“宇宙起源光譜儀”是迄今太空中靈敏度最高的光譜儀，裝備了這一新“武器”的哈勃望遠(yuǎn)鏡將可以向地面科學(xué)家提供宇宙中遙遠(yuǎn)天體的溫度、密度及其運(yùn)行速度的精確數(shù)據(jù)。

第四次手術(shù)(5月17日)航天員邁克爾·馬西米諾和邁克爾·古德進(jìn)行了第4次太空行走，任務(wù)是修復(fù)哈勃望遠(yuǎn)鏡上一個(gè)停止工作的成像光譜儀。他們的工作完成得比較艱難，“成像光譜儀”把手上的一個(gè)螺釘成為這次任務(wù)比較難啃的“硬骨頭”。航天員們嘗試了數(shù)種工程師們專為這次使命設(shè)計(jì)的工具，沒(méi)一樣能起下這枚約4.5厘米長(zhǎng)的螺栓。山窮水盡之際，航天員只好用手硬將它拔下，這種動(dòng)作在太空有相當(dāng)大的危險(xiǎn)，在太空微重力的環(huán)境下劇烈的運(yùn)動(dòng)可能引起不好的后果。兩名航天員隨后為這個(gè)光譜儀更換了低壓電源板，成功使其恢復(fù)正常功能。

第五次手術(shù)(5月18日)約翰·格倫斯菲爾德和安德魯·福伊斯特爾進(jìn)行了最后一次太空行走，他們的任務(wù)是為哈勃更換了3塊電池、一個(gè)恒星追蹤傳感器和熱屏蔽罩。整個(gè)維修過(guò)程比較順利，但也發(fā)生了一些小插曲。在更換絕緣材料時(shí)，航天員沒(méi)能回收舊的絕緣材料，只好任其在太空中飄遠(yuǎn)，好在這些材料不會(huì)對(duì)航天飛機(jī)造成危害。

脫胎換骨的哈勃望遠(yuǎn)鏡

接受7天“住院治療”的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡于5月19日由女航天員梅甘·麥克阿瑟用“亞特蘭蒂斯”號(hào)航天飛機(jī)上的機(jī)械臂將其放出貨艙，使它重返工作崗位。在這次手術(shù)中，航天員經(jīng)過(guò)5次、37小時(shí)太空行走，完成全部維護(hù)計(jì)劃，他們更換或修復(fù)了望遠(yuǎn)鏡上的照相機(jī)、光譜儀、陀螺儀等設(shè)備。在其中兩次作業(yè)中，航天員們完成從未有過(guò)的高難度任務(wù)。美國(guó)東部時(shí)間5月24日l(shuí)l時(shí)39分，“亞特蘭蒂斯”在加州的安德烈魯空軍基地平安降落，完成了本次航天飛機(jī)的13天530萬(wàn)英里的旅行。

此次大修哈勃總耗資大約10億美元。經(jīng)歷5次大修，哈勃從頭到腳的“器官”幾乎換遍，他的能力比剛上天時(shí)強(qiáng)大百倍，新安裝的“宇宙起源光譜儀”是眼下人類在太空中靈敏度最高的光譜儀，哈勃將可以利用它提供宇宙中遙遠(yuǎn)天體的溫度、密度及運(yùn)行速度的精確數(shù)據(jù)：新安裝的廣角相機(jī)可觀測(cè)到宇宙誕生后5億年至6億年時(shí)的場(chǎng)景；新陀螺儀可以幫哈勃更精確地對(duì)準(zhǔn)宇宙中更遙遠(yuǎn)的天體：對(duì)接環(huán)將在哈勃望遠(yuǎn)鏡退役返回地球時(shí)發(fā)揮作用。這一切，使哈勃望遠(yuǎn)鏡成為一個(gè)“脫胎換骨”的新設(shè)備。大修完成后，已在太空服役19年的哈勃望遠(yuǎn)鏡預(yù)計(jì)能繼續(xù)服役5到lO年，其服役期最少可延長(zhǎng)至2014年。(文章代碼：1402)