哈勃之聲

鄧雪梅/編譯

哈勃之聲

鄧雪梅/編譯

●隨著哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（HST）迎來(lái)其在軌運(yùn)行的25周年紀(jì)念，《自然》雜志借由當(dāng)時(shí)參與該項(xiàng)目的一些科學(xué)家和工程師的回顧，描述了自1972年以來(lái)關(guān)于HST的故事，以及其卓越天文觀測(cè)的高潮期與遭遇挫折時(shí)的低谷期。

參與者：羅伯特·奧戴爾，前HST項(xiàng)目科學(xué)家；簡(jiǎn)·奧利維爾，前HST首席工程師；桑德拉·法伯，圣克魯茲加州大學(xué)成像專家；愛(ài)德華·維勒，前HST首席科學(xué)家；安東妮拉·諾塔，STScI HST項(xiàng)目科學(xué)家；大衛(wèi)·萊克龍，前NASA資深科學(xué)家；詹尼弗·懷斯曼，戈達(dá)德空間飛行中心項(xiàng)目科學(xué)家；肯尼思·森巴赫，STScI HST項(xiàng)目辦公室主任；約翰·格倫斯菲爾德，宇航員；馬特·芒廷，前STScI所長(zhǎng)；詹森·卡利萊，天文學(xué)家；保羅·赫茲，天體物理學(xué)家。

1990年4月24日，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（HST）被送入太空，由于不受地球大氣的影響，HST給天文學(xué)家們帶來(lái)了關(guān)于宇宙前所未有的獨(dú)特視角。

然而，在軌運(yùn)行25年來(lái)，HST并沒(méi)有按照原先設(shè)定的計(jì)劃進(jìn)行——由美國(guó)宇航局（NASA）和歐洲空間局(ESA)聯(lián)合建造的HST在發(fā)射以后便面臨著嚴(yán)重缺陷，包括NASA的航天飛機(jī)項(xiàng)目的一些問(wèn)題也使得HST的未來(lái)陷入了困境。

在經(jīng)歷了這一切之后，HST便成為了世界上最重要的天文臺(tái)。根據(jù)20世紀(jì)40年代天文學(xué)家萊曼·斯皮策（Lyman Spitzer）的設(shè)想，HST向人類展現(xiàn)了許多重大發(fā)現(xiàn)，例如，揭示出宇宙最遠(yuǎn)處充滿了星系，加速膨脹的暗能量正在以最快的速度將宇宙分開(kāi)，其令人驚嘆的照片更是改變了人們對(duì)于宇宙的科學(xué)認(rèn)知。

幾經(jīng)周折的維修方案

前HST項(xiàng)目科學(xué)家羅伯特·奧戴爾（Robert O'Dell）說(shuō)：“當(dāng)初我被告知建造HST不會(huì)要很長(zhǎng)的時(shí)間。隨著我參與到該項(xiàng)目中，其結(jié)果卻令人出乎意料。盡管如此，我能看出這一項(xiàng)目是著眼于未來(lái)的，或?qū)?huì)成為我們這一代最重要的望遠(yuǎn)鏡。”

前HST首席工程師簡(jiǎn)·奧利維爾（Jean Olivier）說(shuō)：“HST是許多技術(shù)的試驗(yàn)場(chǎng)。比如你認(rèn)為是低技術(shù)含量的門閂設(shè)計(jì)，都將會(huì)演變成一個(gè)重要問(wèn)題。我們不斷地克服了越來(lái)越多的挑戰(zhàn)。這是如此漫長(zhǎng)的一個(gè)計(jì)劃，以至于我在想這不是現(xiàn)實(shí)生活而是游戲。”

“在最低谷的時(shí)期（早期硬件階段）”，奧戴爾說(shuō)，“我們已經(jīng)很清楚可能承擔(dān)不了想要做的這些事情。出于絕望，當(dāng)時(shí)我提議先發(fā)射不攜帶任何儀器的HST（這些儀器當(dāng)時(shí)正在研發(fā)），除非能顯著降低成本，否則我們就應(yīng)當(dāng)取消這個(gè)項(xiàng)目。由于這一項(xiàng)目的科學(xué)性在當(dāng)時(shí)有各種非議，就我而言，也不斷地受到NASA的指責(zé)?！?/p>

1990年，HST終于搭載“發(fā)現(xiàn)”號(hào)航天飛機(jī)進(jìn)入太空軌道。然而，第一張照片傳回地面時(shí)，由于球面像差導(dǎo)致了照片模糊不清。圣克魯茲加州大學(xué)的桑德拉·法伯（Sandra Faber）說(shuō)：“照片是由大視場(chǎng)行星照相機(jī)拍攝的。我們團(tuán)隊(duì)的一位天文學(xué)家說(shuō)，‘這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡存在球面像差問(wèn)題，后果無(wú)法揣測(cè)?！?/p>

HST發(fā)射后的那幾個(gè)月簡(jiǎn)直就像是一場(chǎng)噩夢(mèng)?！盀榱私鉀Q球面像差問(wèn)題”，法伯說(shuō)，“我們?cè)诓煌缴蠈?duì)球面像差取樣，我們反復(fù)對(duì)副鏡對(duì)焦。同年6月，在一次項(xiàng)目會(huì)議上，我們確定了HST主鏡的缺陷。這簡(jiǎn)直是一場(chǎng)災(zāi)難?！?/p>

“我接到了來(lái)自NASA總部的電話，”奧利維爾說(shuō)，“時(shí)任副局長(zhǎng)湯普森（J.R.Thompson）不斷告訴我，‘奧利維爾，你必須想辦法修復(fù)這個(gè)問(wèn)題！’對(duì)于這些高層人物，他們內(nèi)心深處也意識(shí)到問(wèn)題的嚴(yán)重性?！?/p>

最終發(fā)現(xiàn)問(wèn)題出在用于定位主鏡裝置中的一個(gè)形狀錯(cuò)誤，是由主鏡設(shè)計(jì)和制造商珀金埃爾默公司造成的——它影響了HST最初的5臺(tái)設(shè)備，而且不可能在地面上對(duì)其進(jìn)行維修。前HST首席科學(xué)家愛(ài)德華·維勒（Edward Weiler）說(shuō)：“當(dāng)時(shí)我成為了向大眾解釋HST對(duì)科學(xué)項(xiàng)目產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的唯一人選。那真是艱難的一天?！?/p>

幸運(yùn)的是，在新聞發(fā)布會(huì)前2個(gè)小時(shí)，HST成像專家約翰·特勞戈（John Trauger）對(duì)維勒說(shuō)：“我們認(rèn)為能夠修復(fù)這個(gè)問(wèn)題。我們可以設(shè)計(jì)出一個(gè)有相同的球面像差，用功效相反的光學(xué)系統(tǒng)來(lái)抵消現(xiàn)存的鏡面問(wèn)題，相當(dāng)于配上一副能改正球面像差的眼鏡?！庇谑?，維勒在隨后的新聞發(fā)布會(huì)上宣布了這一消息，盡管當(dāng)時(shí)沒(méi)有人相信他說(shuō)的話。

“我們最大的擔(dān)憂是根本無(wú)法修復(fù)HST，”法伯說(shuō)，“在我們提出修復(fù)方案的同時(shí)，又如何讓公眾和NASA對(duì)該項(xiàng)目的興趣持久不衰呢？在花費(fèi)近3年制定方案的同時(shí)，NASA的工程師們不得不研發(fā)儀器修復(fù)的解決辦法，而所有修復(fù)工作必須在失重狀態(tài)下完成?！?993年12月，7名宇航員搭載“奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)在太空中對(duì)HST進(jìn)行了維修。

1984年，工程師們?cè)跈z修HST 2.4米主鏡

“如果你早前問(wèn)我成功的可能有多大，”維勒說(shuō)，“當(dāng)時(shí)我會(huì)說(shuō)有50%的幾率。因?yàn)檫@是第一次在太空中維修一顆衛(wèi)星，5次太空行走必須要順利完成。這就如同夢(mèng)境一般。你很害怕夢(mèng)醒以后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)大問(wèn)題?！边@就如同做完眼睛手術(shù)的外科醫(yī)生的心情一樣，直到取下繃帶的那一刻，你才能知道確切的情況。

NASA的“網(wǎng)絡(luò)紅人”

美國(guó)空間望遠(yuǎn)鏡研究所（STScI）項(xiàng)目科學(xué)家安東妮拉·諾塔（Antonella Nota）說(shuō)：“但當(dāng)我們看到了第一組照片時(shí)，這足以抹去我們?nèi)陙?lái)所承受的痛苦。”維勒接著說(shuō)：“我們?nèi)繃谝粋€(gè)小屏幕前，等待著傳輸回來(lái)的第一張圖像。這個(gè)傳輸過(guò)程僅用了5秒鐘，但我們感覺(jué)像是用了6個(gè)小時(shí)一樣。”

“首先，我們?cè)谡掌闹行目吹揭粋€(gè)小點(diǎn)，但它是一個(gè)真正高聚焦的點(diǎn)，”維勒說(shuō)，“隨后我們看到了一些暗弱的恒星。就在那時(shí)，我們才知道成功了。那天晚上，我睡得像個(gè)小孩一樣。HST的這個(gè)問(wèn)題終于解決了?！?/p>

完成第一次維修后，HST便開(kāi)始著手實(shí)施天文學(xué)家們一直期望的研究項(xiàng)目，諸如數(shù)月后發(fā)生的蘇梅克-列維9號(hào)彗星撞向木星的天文事件。但對(duì)于HST的首次大型測(cè)試而言，幾乎都不是太成功。

然而，對(duì)于前NASA資深科學(xué)家大衛(wèi)·萊克龍（David Leckrone）而言，那真是激動(dòng)人心的幾周?！霸阱缒臼状蜗嘧睬?周，許多人并未意識(shí)到HST已進(jìn)入了安全模式。”他說(shuō)。“就在HST被維修后的幾個(gè)月里，我們看到了一顆彗星被撕成了碎片并撞向木星。想象一下，如果這次天文事件發(fā)生在1993年而不是1994年，又將會(huì)是什么情形?！?/p>

相繼地，HST的發(fā)現(xiàn)開(kāi)始出現(xiàn)在報(bào)紙和頂尖科學(xué)期刊雜志的頭版頭條。維勒說(shuō)：“HST是NASA歷史上最偉大的科學(xué)成就。僅僅一張照片就向我們呈現(xiàn)了教科書中并不了解的宇宙?！?/p>

戈達(dá)德空間飛行中心項(xiàng)目科學(xué)家詹尼弗·懷斯曼（Jennifer Wiseman）說(shuō)：“在1993年之后，出現(xiàn)了很多來(lái)自HST的新發(fā)現(xiàn)。其標(biāo)志性圖片之一是鷹狀星云，你可以看到其柱狀氣體中已經(jīng)形成和正在形成的恒星（創(chuàng)生之柱），它向我們展現(xiàn)了年輕恒星相互作用的視覺(jué)線索?！倍鴮?duì)于HST拍攝的獵戶星云圖片，萊克龍說(shuō)：“圖片顯示了獵戶星云所孕育的嬰兒恒星系統(tǒng)，其中有許多暗盤圍繞的恒星。天啊，這些一定就是行星形成的地方！”

在針對(duì)星系M87核心氣體運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)，懷斯曼說(shuō)：“通過(guò)HST的光譜儀，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)這些氣體沿著核心兩側(cè)噴射的速率約為每小時(shí)100萬(wàn)英里。這些氣體的速度表明其核心處質(zhì)量要遠(yuǎn)高于僅有恒星聚集所能達(dá)到的程度，第一次觀測(cè)證實(shí)了在其他星系核心可能存在大質(zhì)量黑洞?！?/p>

STScI HST項(xiàng)目辦公室主任肯尼思·森巴赫（Kenneth Sembach）說(shuō)：“我們知道暗能量彌漫著整個(gè)宇宙，這是因?yàn)槲覀兡軌驕y(cè)量出不同時(shí)間點(diǎn)的宇宙膨脹速度。關(guān)鍵之處是通過(guò)HST來(lái)觀測(cè)遙遠(yuǎn)超新星。越遙遠(yuǎn)的超新星比你所能估計(jì)的更暗淡。”2011年贏得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的小組意識(shí)到宇宙正在加速膨脹。

“經(jīng)維修后的HST擁有絕妙的角分辨率，”懷斯曼說(shuō)，“這能讓我們尋找到許多單顆恒星，并在擁擠的區(qū)域中將它們區(qū)分開(kāi)。用這種方法，你實(shí)際上可以研究眾多的恒星并繪制出它們的特性?！?/p>

“包括公眾對(duì)這些華麗照片的反應(yīng)非常強(qiáng)烈。HST成為了NASA的第一個(gè)網(wǎng)絡(luò)紅人，并因此培養(yǎng)了一批非專業(yè)出身的天文愛(ài)好者?！崩胀f(shuō)?！叭藗儗?duì)這些照片的熱愛(ài)使我受寵若驚。這還僅僅是個(gè)開(kāi)始，我想今后人們還會(huì)因此來(lái)書寫歌曲等詩(shī)歌作品。我們一直在討論，為什么HST在公眾的潛意識(shí)中會(huì)到達(dá)如此程度。原因之一是HST探測(cè)之際正是互聯(lián)網(wǎng)開(kāi)始的時(shí)候。許多人很容易從網(wǎng)上獲得與之相關(guān)的結(jié)果?！?/p>

“我們把HST叫做公眾的望遠(yuǎn)鏡。我們真的把整個(gè)宇宙帶進(jìn)了千家萬(wàn)戶?！敝Z塔說(shuō)。大約15年前，諾塔在巴布亞新幾內(nèi)亞一個(gè)偏遠(yuǎn)地區(qū)的港口，看到有個(gè)小孩身穿一件印有HST字樣的T恤，當(dāng)時(shí)他非常驚訝，然后送給這個(gè)小孩一套HST卡片時(shí)，這個(gè)孩子非常高興。

2009年，約翰·格倫斯菲爾德在太空中維修HST

科學(xué)震撼還將繼續(xù)

為了延長(zhǎng)HST的空中使命，宇航員不斷地造訪著HST，升級(jí)并替換它的裝置。有一段時(shí)間，HST的未來(lái)看似很暗淡。1999年，在HST六個(gè)陀螺儀中的三個(gè)出現(xiàn)問(wèn)題以后，NASA啟動(dòng)了緊急維修任務(wù)。

曾經(jīng)維修HST并完成八次太空行走的NASA宇航員約翰·格倫斯菲爾德（John Grunsfeld）說(shuō)：“HST曾經(jīng)變得漆黑一片，其科學(xué)使命是否就此結(jié)束是NASA真正擔(dān)憂的一個(gè)問(wèn)題。但對(duì)于宇航員而言，這是維修任務(wù)的一次圣杯。當(dāng)我們?cè)俅卧诘仄骄€上看到這顆閃亮的衛(wèi)星時(shí)，它就是我們引以為豪的HST。”格倫斯菲爾德接著說(shuō)：“記得有一次圣誕節(jié)那天對(duì)HST進(jìn)行維修，當(dāng)時(shí)我在想，還有什么禮物會(huì)比維修HST更好呢？”

前STScI所長(zhǎng)馬特·芒廷（Matt Mountain）說(shuō)：“糟糕的是HST裝置失靈后，一段時(shí)間它的命運(yùn)相當(dāng)凄慘。很顯然，有相當(dāng)一部分人認(rèn)為它可能就此會(huì)結(jié)束其未來(lái)的使命。”幸運(yùn)的是，邁克·格里芬接替了肖恩·奧基夫成為了NASA新的掌門人后，他支持考慮各種選項(xiàng)，在綜合了所有分析后決定再次對(duì)HST進(jìn)行維修，并為此調(diào)配了兩架航天飛機(jī)。芒廷說(shuō)：“對(duì)于一個(gè)科學(xué)任務(wù)而言，NASA在如此困境下做出了如此關(guān)鍵的承諾，重新燃起了整個(gè)團(tuán)隊(duì)對(duì)于HST未來(lái)的希望?！?/p>

“當(dāng)我在2009年最后一次接到太空維修任務(wù)時(shí)，感覺(jué)馬上要見(jiàn)到一位老朋友似的，幾乎沒(méi)人能像我這樣近距離的擁抱HST。”格倫斯菲爾德說(shuō)。“我們順利完成了這次維修任務(wù)，而它給我們帶來(lái)的科學(xué)震撼還將會(huì)繼續(xù)。特別是對(duì)于耗時(shí)、數(shù)據(jù)量大的巡天任務(wù)而言，天文學(xué)家都可以從中獲取HST上傳的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)?！?/p>

“許多人有一種感覺(jué)，HST的輝煌時(shí)刻會(huì)在這次飛行任務(wù)之后而來(lái)臨?！盨TScI的天文學(xué)家詹森·卡利萊（Jason Kalirai）說(shuō)。“每年至少會(huì)有兩篇以上的論文出自HST的研究結(jié)果。今天所做的已經(jīng)不同于以往了?！?/p>

“舉個(gè)例子，當(dāng)HST發(fā)射的時(shí)候，我們甚至連‘系外行星’這個(gè)名詞都不存在，甚至不知道太陽(yáng)系以外還存在行星。這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)完全被顛覆?！敝Z塔說(shuō)?！?5年來(lái)，HST并沒(méi)有被計(jì)劃用于研究系外行星，但現(xiàn)在卻正在描述著這些系外行星的大氣。HST總是給我們帶來(lái)驚喜。”

“現(xiàn)在，HST在科學(xué)上一如既往的強(qiáng)大，或許要比以往任何時(shí)候都要強(qiáng)大?！睉阉孤f(shuō)。目前，NASA在測(cè)試HST繼任者詹姆士·韋布空間望遠(yuǎn)鏡的同時(shí)（計(jì)劃于2018年發(fā)射），仍然在規(guī)劃著HST最后幾年的工作任務(wù)。

“HST現(xiàn)在的狀態(tài)很好，我們希望它至少能運(yùn)行到2020年?！鄙秃照f(shuō)。“這也給我們一個(gè)機(jī)會(huì)為韋布空間望遠(yuǎn)鏡贏得一到兩年的時(shí)間?！盢ASA天體物理學(xué)家保羅·赫茲（Paul Hertz）說(shuō)：“在最后的一段時(shí)間內(nèi)，我們盡可能地使HST高效運(yùn)作。不管怎樣，它總有停止工作的那一天?！?/p>

“這將是一個(gè)漸進(jìn)的平穩(wěn)退化過(guò)程。在創(chuàng)造性工程學(xué)的支持下，它能夠不斷做出優(yōu)秀的科學(xué)發(fā)現(xiàn)?！比R克龍說(shuō)?！凹词笻ST再次遭受挫折，我相信它一直會(huì)撐到2025年。盡管HST不可能永遠(yuǎn)工作下去，但到了它徹底不工作的那一天，我們一定會(huì)十分的想念它?！?/p>

[資料來(lái)源：Nature][責(zé)任編輯：則鳴]