哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的“饋贈(zèng)”

鄧雪梅/編譯

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的“饋贈(zèng)”

鄧雪梅/編譯

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（HST）已經(jīng)在軌運(yùn)行了25年，期間，它不斷地吸引科學(xué)界以及公眾的關(guān)注：宇航員曾5次前往HST進(jìn)行維護(hù)和系統(tǒng)升級(jí)，多次挽救其脫離災(zāi)難并使其成為世界上最重要的天文臺(tái)。在HST慶生25周年之際，《自然》雜志描述了其恒星探索的成就和一些躲在幕后的科學(xué)家們的工作，以及HST 25年的觀測(cè)生涯帶給我們的一些“饋贈(zèng)”。

2014年拍攝的哈勃超深空區(qū)（HUDF）照片，該照片結(jié)合了從紫外到近紅外的所有波段

●25年前，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡在卡納維拉爾角由“發(fā)現(xiàn)”號(hào)航天飛機(jī)送入近地軌道。25年來(lái)，HST獲得的巨大成功告訴世人，即使在預(yù)算緊縮的情況下仍要不斷地勇于探索，現(xiàn)在正是回顧HST帶給人類饋贈(zèng)以及反思的好時(shí)機(jī)。本文作者、美國(guó)空間望遠(yuǎn)鏡研究所（STScI）的天體物理學(xué)家馬里奧·利維奧（Mario Livio）如是說(shuō)。

細(xì)節(jié)決定成敗

HST是由美國(guó)宇航局（NASA）和歐洲空間局（ESA）聯(lián)合建造的。HST不但變革了整個(gè)天體物理學(xué)，而且作為太空中的第一個(gè)大型光學(xué)天文臺(tái)，它也把一系列的發(fā)現(xiàn)和突破帶給了千家萬(wàn)戶。如果讓民眾說(shuō)一個(gè)望遠(yuǎn)鏡的名字，那么絕大部分人會(huì)說(shuō)“哈勃空間望遠(yuǎn)鏡”。

每一個(gè)半小時(shí)繞地球運(yùn)行一次，迄今HST已經(jīng)繞地球運(yùn)行了超過(guò)13萬(wàn)次，對(duì)塵埃云及遙遠(yuǎn)星系的無(wú)數(shù)天體進(jìn)行了超過(guò)100萬(wàn)次曝光。大約有1.28萬(wàn)多篇科學(xué)論文使用了HST的結(jié)果，引用更是超過(guò)55萬(wàn)次。HST成為了一個(gè)最富成效的科學(xué)儀器之一。

HST成功的秘訣是什么？是它的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，開(kāi)創(chuàng)性的公開(kāi)數(shù)據(jù)，注重科學(xué)界的需求，包括宇航員、科學(xué)家以及工程師組成的專家小組，還有優(yōu)秀的科學(xué)傳播機(jī)構(gòu)。所有的這些，將起初看似注定失敗的空間項(xiàng)目（發(fā)射升空后的幾周發(fā)現(xiàn)了主鏡片存在缺陷）轉(zhuǎn)化成了科學(xué)領(lǐng)域的勝利。

隨著HST進(jìn)入其富有成果的最后十年，它的繼任者詹姆士·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）也已經(jīng)一步步地邁向發(fā)射臺(tái)，現(xiàn)在正是回顧HST帶給人類饋贈(zèng)以及反思的好時(shí)機(jī)。HST向我們回答了許多關(guān)于天體物理學(xué)中最耐人尋味的問(wèn)題，我們必須想得更遠(yuǎn)并把科學(xué)的雄心壯志放在預(yù)算擔(dān)憂之前。在我看來(lái)，未來(lái)的重點(diǎn)應(yīng)該是尋找我們太陽(yáng)系以外的生命。一個(gè)能夠在類地系外行星周圍大氣中辨認(rèn)出生物信號(hào)的詹姆士·韋布空間望遠(yuǎn)鏡是當(dāng)之無(wú)愧的繼任者。

HST的成功與其說(shuō)是它得到的奇特發(fā)現(xiàn)，還不如說(shuō)是對(duì)其他天文臺(tái)預(yù)測(cè)結(jié)果的確認(rèn)。隨著新發(fā)現(xiàn)的公布于眾，天體物理學(xué)家們不得不完善關(guān)于宇宙的理論。

HST的成功源于它在地球大氣層之上（距離地表約560千米）的高性能：不受氣輝（由大氣化學(xué)過(guò)程發(fā)出的微弱光線）和湍流的影響，它的一對(duì)高分辨率“銳眼”能夠探測(cè)到暗天體（高靈敏性）。即使按照現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，其2.4米口徑是很小的（現(xiàn)在望遠(yuǎn)鏡的口徑是8-10米），但它的分辨率卻達(dá)到了0.07個(gè)角秒——類似于從3 000米遠(yuǎn)處看清10美分硬幣上的年份（是地面望遠(yuǎn)鏡分辨率的十倍）。

HST觀測(cè)的波長(zhǎng)從紫外到近紅外，其中包含了地面天文學(xué)家看不見(jiàn)的被大氣攔截的那些波段。它在紫外波段的觀測(cè)能力大約是以前或目前任何望遠(yuǎn)鏡的100倍。

原計(jì)劃HST要解決三個(gè)主要問(wèn)題：測(cè)量宇宙膨脹的速度，弄清楚星系是如何演化的，以及探測(cè)星系間彌漫氣體云的結(jié)構(gòu)（星際介質(zhì)）。然而，它已成功地在這些方面展現(xiàn)出了意想不到的洞察力。以下是HST的一些最重要的科學(xué)成就。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的成功和超越

太空維修升級(jí)服務(wù)延長(zhǎng)了HST的壽命，并為未來(lái)的空間任務(wù)鋪平了道路。

1990年：HST于4月24日由“發(fā)現(xiàn)”號(hào)航天飛機(jī)發(fā)射升空。同年6月25日發(fā)現(xiàn)了望遠(yuǎn)鏡鏡面的扭曲。

1993年：在第一次維修任務(wù)中，宇航員修復(fù)了鏡面并安裝了新的照相機(jī)。

1996年：發(fā)布了第一個(gè)哈勃深空區(qū)照片，并顯示出遙遠(yuǎn)星系。

1997年、1999年和2002年：添加了光譜儀和紅外照相機(jī)，修復(fù)了用于望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)確指向的磨損陀螺儀，替換了一個(gè)照相機(jī)和太陽(yáng)能電池板。

2004年、2007年：攝譜儀（2004年）和一臺(tái)照相相機(jī)（2007年）的電源出現(xiàn)故障。

2008年：HST展示出了系外行星“北落師門b”，完成了繞轉(zhuǎn)地球運(yùn)行的第十萬(wàn)圈。

2009年：宇航員對(duì)其進(jìn)行了徹底的修理，并安裝了一臺(tái)新的照相機(jī)和光譜儀。

2011年：HST對(duì)一顆系外行星進(jìn)行了第100萬(wàn)次觀測(cè)，使用該數(shù)據(jù)發(fā)表了大約1萬(wàn)篇科學(xué)論文（就超新星而言）。

2018年：JWST將要開(kāi)啟對(duì)于整個(gè)宇宙的紅外視角。

約2024年：大視場(chǎng)紅外巡天望遠(yuǎn)鏡/天體物理學(xué)焦點(diǎn)望遠(yuǎn)鏡（WFIRST/AFTA）將在太空中進(jìn)行紅外波段的大規(guī)模巡天。

約2030年：計(jì)劃發(fā)射一個(gè)嶄新的天文臺(tái)來(lái)對(duì)系外行星進(jìn)行特性化成像。

成就之精選

HST最初的工作之一是降低宇宙膨脹速度——“哈勃常數(shù)”——的不確定性。哈勃常數(shù)同HST一樣都是由天文學(xué)家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）的名字命名。在1994到2011年間，這個(gè)不確定性由原先的二倍降低到目前的百分之幾——HST由此得出了宇宙年齡為137億年。這主要是使用了遙遠(yuǎn)星系中造父變星這把“標(biāo)尺”來(lái)細(xì)化和完善宇宙的“距離階梯”。

1998年，HST確認(rèn)了驅(qū)使宇宙加速膨脹的神秘物質(zhì)——“暗能量”（了解暗能量的性質(zhì)是當(dāng)今物理學(xué)家所面臨的最重要挑戰(zhàn)之一）。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)主要是通過(guò)觀測(cè)超新星實(shí)現(xiàn)的。超新星是某些恒星在演化末期時(shí)所經(jīng)歷的一種劇烈爆炸，HST所觀測(cè)到的超新星對(duì)于地面望遠(yuǎn)鏡而言是不可及的。

HST還給出了宇宙演化過(guò)程中發(fā)生的星系形成過(guò)程（天文學(xué)家仍在試圖充分理解為什么恒星形成的速率在100億年前達(dá)到峰值）。在1995到2014年間的一系列觀測(cè)中，HST探視到以前任何觀測(cè)設(shè)備都無(wú)法觸及的深度空間（即所謂的哈勃深空區(qū)），包括發(fā)現(xiàn)了第一代星系形成于大爆炸后的5億年（這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)著關(guān)于第一代恒星如何形成、加熱和再電離宇宙的理論）。

通過(guò)使用高分辨率來(lái)觀測(cè)星系中心恒星和氣體的運(yùn)動(dòng)，HST證明了幾乎所有的星系在其中心都存在超大質(zhì)量黑洞（其質(zhì)量為數(shù)百萬(wàn)到數(shù)十億倍太陽(yáng)質(zhì)量）。黑洞的質(zhì)量通過(guò)其周圍圍繞它運(yùn)轉(zhuǎn)的恒星來(lái)決定，并由此顯示出星系和黑洞是一起演化的。

HST也首次確定了一些太陽(yáng)系外行星大氣的化學(xué)組成：2001年揭示出系外行星大氣中具有鈉元素的光譜特征，2008年揭示出了其大氣中有水和甲烷等分子。未來(lái)某一天，一個(gè)更大的望遠(yuǎn)鏡或許能夠識(shí)別出太陽(yáng)系以外的某顆巖石行星周圍大氣中生命進(jìn)程的信號(hào)。

蜘蛛星云，由哈勃空間望遠(yuǎn)鏡在可見(jiàn)光、紅外和紫外波段所拍攝

成功的秘訣

科技的力量并不是HST成功的唯一理由。由宇航員所進(jìn)行的五次維修任務(wù)——1993年、1997年、1999年、2002年以及2009年——使得HST被徹底改造。宇航員們?cè)谕h(yuǎn)鏡光路上加裝了校正鏡片，把機(jī)械式磁帶記錄儀替換成固態(tài)存數(shù)驅(qū)動(dòng)器，升級(jí)了太陽(yáng)能電池板，安裝了照相機(jī)和光譜儀。如果沒(méi)有這些維修和升級(jí)，HST不會(huì)工作至今。

當(dāng)然，機(jī)遇只青睞有準(zhǔn)備的事物。另外四個(gè)因素則提升了HST的能力：快速制作數(shù)據(jù)和開(kāi)放使用，高效和可獲取的歸檔，風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目的承擔(dān)和連續(xù)的資金等制度這四個(gè)因素增加了HST的活力。其中還包括科研人員的創(chuàng)造性思維。

最初的哈勃深空區(qū)照片是由空間望遠(yuǎn)鏡研究所（STScI）時(shí)任所長(zhǎng)羅伯特·威廉姆斯（Robert Williams）提出的。其他天文臺(tái)，包括夏威夷和智力的雙子星天文臺(tái)、美國(guó)亞利桑那州的大雙筒望遠(yuǎn)鏡也采用了類似的方法。例如，在對(duì)HST觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行為其一年的分析后，哈勃深空區(qū)的特殊數(shù)據(jù)組可以對(duì)其進(jìn)行公開(kāi)訪問(wèn)。事實(shí)上，HST并不是第一個(gè)采用這項(xiàng)政策的空間天文臺(tái)，但它卻激發(fā)了其他天文臺(tái)的效仿：例如，2004年發(fā)射的雨燕衛(wèi)星，其獲得的數(shù)據(jù)隨即進(jìn)行公開(kāi)。

為了確保數(shù)據(jù)的分析以及結(jié)構(gòu)盡快發(fā)表，所有分配給HST的觀測(cè)都需要NASA的經(jīng)費(fèi)支持。自1990年以來(lái)，有超過(guò)4 600個(gè)HST觀測(cè)的提案，經(jīng)費(fèi)資助達(dá)5億美元。這個(gè)項(xiàng)目同時(shí)也資助了新一代的頂尖科學(xué)家。從1990年起，已有352位從事HST望遠(yuǎn)鏡相關(guān)工作的科研人員——這些人員在美國(guó)各大學(xué)得到相關(guān)資助并獨(dú)立從事該研究的博士后。自1993年以來(lái)，大約500位博士后使用了HST的數(shù)據(jù)。

事實(shí)上，HST已經(jīng)創(chuàng)新了科學(xué)傳播的模式。幾乎從一開(kāi)始起，設(shè)在約翰·霍普金斯大學(xué)校園內(nèi)的STScI大眾科普辦公室便開(kāi)展了新聞發(fā)布，以及針對(duì)學(xué)校、科學(xué)中心和天文館的網(wǎng)絡(luò)傳媒和科普宣傳活動(dòng)。比如，一個(gè)有吸引力的用戶友好界面網(wǎng)站（hubblesite.org）每年都吸引了數(shù)十億的點(diǎn)擊量。

就面向?qū)W校的網(wǎng)絡(luò)傳媒而言，現(xiàn)在每年僅僅在美國(guó)參與該網(wǎng)絡(luò)傳媒的學(xué)生就超過(guò)了600萬(wàn)人，教育工作者超過(guò)了50萬(wàn)人——關(guān)于星系、系外行星以及黑洞的多媒體演示在全球的科學(xué)中心播放。而HST在太空中所拍攝的照片，已經(jīng)滲透到大眾文化中——英國(guó)藝術(shù)評(píng)論家喬納森·瓊斯（Jonathan Jones）將此稱之為“我們這個(gè)時(shí)代最耀眼美麗的藝術(shù)品。”一支敬業(yè)的團(tuán)隊(duì)確保了這些照片在視覺(jué)上的高質(zhì)量，并被列入從巴爾的摩到威尼斯的藝術(shù)品展覽中，包括書(shū)籍封面和音樂(lè)專輯的裝飾。

人類孤獨(dú)嗎？

對(duì)于合適的實(shí)驗(yàn)，HST已經(jīng)證明了寧可全額資助也不愿因預(yù)算問(wèn)題而減少資金的投入。同樣地，在確定未來(lái)的主要天文項(xiàng)目方面，我們應(yīng)當(dāng)確定需要回答的一些最重要問(wèn)題，以及對(duì)技術(shù)上獲取答案的可行性進(jìn)行評(píng)估和是否值得投入資金，進(jìn)而采取相應(yīng)的措施。換言之，必要的融資可使項(xiàng)目持續(xù)穩(wěn)定，從而避免成本超支。

在我看來(lái)，天文學(xué)中最吸引人的問(wèn)題是銀河系中太陽(yáng)系以外的地方是否存在生命。這主要?dú)w功于開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡，使我們了解到銀河系充滿了數(shù)以百萬(wàn)計(jì)地球大小的行星，這些類地行星同樣處于它們寄主星引力場(chǎng)中的“宜居帶”，在這個(gè)宜居帶上有可能讓這些類地行星表面保留液態(tài)的水。

接下來(lái)的空間計(jì)劃已基本布局好了。隨著2017年的發(fā)射升空，系外行星凌星巡天衛(wèi)星（TESS）或會(huì)在低質(zhì)量恒星宜居帶上找到比地球質(zhì)量大的一些行星（這些行星的寄主星較為暗弱，或更容易被探測(cè)到）。2018年將發(fā)射JWST，以及2024年發(fā)射的大視場(chǎng)紅外巡天望遠(yuǎn)鏡-天體物理學(xué)焦點(diǎn)望遠(yuǎn)鏡（WFIRST/AFTA），這些計(jì)劃將在系外類地行星中的大氣中尋找水和其他分子。

對(duì)于銀河系中常見(jiàn)或罕見(jiàn)的生命現(xiàn)象，一臺(tái)更強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡需要有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的限制。比如，一臺(tái)口徑12米、分辨率為HST 25倍的望遠(yuǎn)鏡可以對(duì)寄主星下的行星成像，并從光譜上探測(cè)出該行星大氣中的水和其他生物特征；WFIRST/AFTA可以探測(cè)到比寄主星暗弱10億倍的行星；而亮度對(duì)比為100億的望遠(yuǎn)鏡能夠在一顆類太陽(yáng)寄主星下對(duì)類地球行星成像。顯而易見(jiàn)，這樣的一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡也將會(huì)提供大量其他的發(fā)現(xiàn)。

可以預(yù)見(jiàn)，大約有50顆行星將會(huì)被探測(cè)。根據(jù)計(jì)算機(jī)顯示，如果在超過(guò)36顆類地行星中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)生命特征的話，那么在銀河系中太陽(yáng)系以外探測(cè)到生命的可能性小于10%。

美國(guó)大學(xué)天文研究協(xié)會(huì)(AURA)今年6月份有望公布一份關(guān)于高分辨率望遠(yuǎn)鏡的報(bào)告?，F(xiàn)在看來(lái)，有必要成立一個(gè)由NASA、ESA等潛在國(guó)際合作者參與的一個(gè)專門小組來(lái)評(píng)估這份報(bào)告，以保障未來(lái)合理的空間任務(wù)發(fā)射計(jì)劃（2030年左右），以及加快相應(yīng)的技術(shù)研發(fā)。在未來(lái)的十年中，尋求太空生命必須被優(yōu)先考慮，以此引導(dǎo)國(guó)家資金對(duì)于這些任務(wù)的配置。美國(guó)天文學(xué)界將在2016年重新開(kāi)啟對(duì)于未來(lái)十年優(yōu)先研究領(lǐng)域的討論。

與此同時(shí)，我非常歡迎對(duì)于地外文明探索（SETI）項(xiàng)目的資金投入?；蛟S可以從私人渠道獲得大約1億美元的額外資金，旨在未來(lái)十年里搜尋智慧生命的射電或光學(xué)信號(hào)可以顯示10 000萬(wàn)顆天體。成功的機(jī)率很渺茫，但回報(bào)可能是豐碩的。

對(duì)于“人類孤獨(dú)嗎？”這個(gè)問(wèn)題的答案已經(jīng)近在咫尺。對(duì)于生命的搜尋應(yīng)當(dāng)是未來(lái)25年的重要科學(xué)日程。

[資料來(lái)源：Nature][責(zé)任編輯：則鳴]