三十而立的哈勃奮斗史

鄭永春，博士，中國科學(xué)院國家天文臺研究員，中國科普作家協(xié)會副理事長，青年科學(xué)家社會責(zé)任聯(lián)盟理事長， “科普中國”形象大使。

1990年4月24日發(fā)射的哈勃太空望遠鏡（Hubble Space Telescope，HST），今年已經(jīng)30歲了。都說三十而立，30歲的哈勃望遠鏡到底經(jīng)歷了什么樣的奮斗人生呢？

44年圓夢

首先要說明的是，哈勃望遠鏡并不是哈勃提出來的，而是最早始于天文學(xué)家萊曼·斯皮策提出的設(shè)想。1946年，萊曼·斯皮策發(fā)表了一篇論文，題目是《在地球之外的天文觀測優(yōu)勢>。論文中，他明確提出把望遠鏡送入太空的建議，以消除地球大氣層對天文觀測的影響。 “看到一個更加清晰的宇宙”，這就是哈勃望遠鏡最初的構(gòu)想。斯皮策因此被稱為“哈勃望遠鏡之父”。

但斯皮策提出的太空望遠鏡設(shè)想在當(dāng)時太前衛(wèi)了，因為那時候還沒有人造物體進入過太空，直到11年后的1957年，蘇聯(lián)發(fā)射了第1顆人造地球衛(wèi)星——斯普特尼克1號，人類由此進入航天時代。

從1946年首次提出設(shè)想，直到1968年，美國宇航局終于批準研制1架3米口徑的太空望遠鏡，計劃1979年發(fā)射。然而，1974年，在望遠鏡研制的關(guān)鍵階段，國會一度砍掉了太空望遠鏡的全部經(jīng)費。經(jīng)過天文學(xué)家四處奔走呼吁，最終國會同意重啟太空望遠鏡計劃，但要求削減經(jīng)費，縮小任務(wù)規(guī)模。望遠鏡的口徑由原計劃的3米縮為2.4米。而且，原計劃以測試關(guān)鍵技術(shù)的1.5米望遠鏡先導(dǎo)任務(wù)被取消了，還拉來了歐洲空間局一起分擔(dān)經(jīng)費。如果按照原計劃實施，哈勃望遠鏡的表現(xiàn)可能會比現(xiàn)在好得多。

1980年初，這架研制中的太空望遠鏡被命名為哈勃，為的是向天文學(xué)家艾德溫·哈勃致敬。20世紀初，他首次發(fā)現(xiàn)大多數(shù)星系離銀河系越來越遠，且距離銀河系越遠的星系，遠離的速度也越快，說明宇宙正在膨脹。宇宙的膨脹速度有多快，成了很多天文學(xué)家追求的目標，這就是所謂的哈勃常數(shù)。2019年，諾貝爾物理學(xué)獎得主（2011年）亞當(dāng)·里斯領(lǐng)導(dǎo)的宇宙學(xué)研究團隊，經(jīng)過對哈勃太空望遠鏡觀測數(shù)據(jù)的6年分析，發(fā)現(xiàn)相距330萬光年的2個星系，相互之間彼此遠離的速度高達每秒73千米，而地球繞太陽公轉(zhuǎn)速度也只有每秒30千米。說明宇宙膨脹速度比原先估算的更快！用哈勃望遠鏡精確測量哈勃常數(shù)，圓了哈勃當(dāng)年揭示宇宙膨脹速率的夢想。

5次維修

哈勃望遠鏡的發(fā)射時間一再推遲，原計劃1979年發(fā)射，后來部分由于經(jīng)費原因推遲到1983年，再后來又發(fā)生了挑戰(zhàn)者號航天飛機失事，這次事故導(dǎo)致美國所有太空計劃被按下了暫停鍵，哈勃望遠鏡的發(fā)射時間也再度推遲。直到1990年4月24日，哈勃望遠鏡才由發(fā)現(xiàn)號航天飛機送入太空。

在太空望遠鏡領(lǐng)域，除了哈勃望遠鏡，還有1991年由亞特蘭蒂斯號航天飛機送入太空的康普頓太空望遠鏡，1999年由哥倫比亞號航天飛機送入太空的錢德拉X射線太空望遠鏡，再加上2003年發(fā)射的斯皮策太空望遠鏡，一起被稱為太空望遠鏡中的“四大天王”。它們獲得的新發(fā)現(xiàn)，不斷刷新著人類對宇宙的認知。

哈勃望遠鏡發(fā)射升空后，由于鏡片生產(chǎn)過程中存在重大的質(zhì)量缺陷，觀測精度距離預(yù)想的結(jié)果相去甚遠，幾乎不可能發(fā)揮觀測價值。眼看著哈勃望遠鏡就要成為一個廢物，航天飛機再次向全世界展示了其他無人航天器所不具備的巨大優(yōu)點。它艙內(nèi)容積大，又配備了機械臂，具有大規(guī)模的太空機動能力。而且允許3位航天員同時出艙行走，具有強大的艙外活動能力，是對哈勃望遠鏡進行維修的唯一選擇。從1993年到2005年，奮進號、發(fā)現(xiàn)號、哥倫比亞號、亞特蘭蒂斯號航天飛機先后派出航天員，對哈勃望遠鏡進行了5次大規(guī)模維修。不僅修正了它的鏡片缺陷，而且還對大量的核心器件進行了維護更新。這些維護大大延長了它的壽命，這也是哈勃望遠鏡在30年后還能工作的主要原因。雖然航天飛機單次飛行的平均費用高達15億美元，但相比于哈勃望遠鏡的出色表現(xiàn)，這些費用還是值得的。

1993年，第1次維修，安裝2號廣角和行星相機，相當(dāng)于是給哈勃望遠鏡戴上一副眼鏡，使它重新看清這個宇宙。

1997年2月13日，第2次維修，更換了近紅外相機、多目標分光儀和圖像攝譜儀等II種設(shè)備。

1999年12月，第3次維修，更換了陀螺儀（6臺）、導(dǎo)星傳感器、計算機和隔熱毯，安裝了1套電壓/溫度改善裝置，以防止電池過熱。

2001年，第4次維修，安裝了測繪相機，更換了太陽能電池板和已工作11年的電源控制裝置，激活了處于休眠狀態(tài)的近紅外相機和多目標分光計。

2009年，第5次也是最后一次維修，安裝了宇宙起源光譜儀（COS）和寬視場相機3，維修了高級巡天相機（ACS）和成像光譜儀（STIS），更換了已使用18年的舊電池，安裝了6個新的陀螺儀，增加了1套新的精確制導(dǎo)系統(tǒng)，幫助望遠鏡指向正確的方向。

2011年，航天飛機退出了歷史舞臺，人類從此失去了對哈勃望遠鏡的維護能力，只能看著它慢慢老去。這位奮斗了30年的老將，現(xiàn)在已經(jīng)滿身傷病，老態(tài)龍鐘。所有人都清楚，總有一天它也會“死”的。

“哈勃”一生“坎坷”，它之所以能源源不斷地將清晰的天文圖像傳回地球，為人類提供真實的宇宙場景，是人類利用航天技術(shù)長期維護的結(jié)果。相比以天文學(xué)家為主導(dǎo)的地面望遠鏡研制，太空望遠鏡的研制與一個國家的航天技術(shù)能力密不可分。所以說， “哈勃”的成功，是航天工程師和天文學(xué)家共同努力的結(jié)果。

為了避免重蹈哈勃望遠鏡的覆轍，作為繼任者的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的發(fā)射時間一再延期，一直在檢查可能出現(xiàn)的各種問題。因為這架望遠鏡不僅造價高達上百億美元，而且要送到距離地球150萬千米之外，比哈勃的10多億美元、500千米貴了很多，也遠了很多。航天飛機已經(jīng)退役，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡發(fā)射之后如果出現(xiàn)問題，很難再有機會維修了。

讓星空連接每一個人

哈勃望遠鏡是由美國宇航局和歐洲空間局共同出資的，所以，這兩位金主是哈勃望遠鏡的管理方。但是，發(fā)射之后，誰來管理它的觀測數(shù)據(jù)呢？美國宇航局和科學(xué)界之間發(fā)生了控制權(quán)之爭。斗爭的最后結(jié)果是誰也別管，新成立一個太空望遠鏡科學(xué)研究所。這個研究所不受任何機構(gòu)管轄，掛靠在美國大學(xué)天文研究聯(lián)盟。這是一個聯(lián)盟性組織，由32所美國大學(xué)和7個國際會員組成。也就是說，全世界的天文學(xué)家都可以自由獲取和利用哈勃望遠鏡的觀測數(shù)據(jù)，哈勃連接了每一位天文研究者。

在哈勃望遠鏡迎來30周年生日的時候，美國宇航局發(fā)起了一項活動——What Did Hubble See on YourBirthday？（你生日那天，哈勃看到了什么？）美國宇航局發(fā)布了哈勃望遠鏡拍攝的366張星空照片，每天1張，其中也包括了4年才有1次的2月29日。

很多中國人都相信，地上的每個人，都對應(yīng)著天上的一顆星，每個人與宇宙之間都存在著天然的聯(lián)系?，F(xiàn)代天文學(xué)研究也表明，我們小小的人體，就集中了整個宇宙的所有元素種類。所以，人和宇宙之間存在著天然的聯(lián)系。有些人也相信，重要人物出生的時候，會天有異象，而每個人都有成為大人物的夢想。所以，這個活動也打動了很多中國人的心，在網(wǎng)絡(luò)上引發(fā)了數(shù)以億計的人的關(guān)注。大家都想看一看，在自己生日那一天，哈勃望遠鏡看到了什么。我也不能免俗，輸入了自己的生日。于是，我看到了那一天哈勃望遠鏡拍攝的星空照片。這張照片就是2019年3月11日拍攝的南蟹狀星云。在這張照片中，有一個沙漏狀的星云結(jié)構(gòu)，很是震撼，在距離地球幾千光年之外，一顆衰老的紅巨星和一顆即將燃盡的白矮星糾纏在一起。這張照片也在時刻警醒我，時間就像這個宇宙沙漏一樣，正在快速地流逝，人的一生極為短暫，要抓緊每一分鐘，過好每一天。

與此同時，還發(fā)布了哈勃望遠鏡30年探索過程中的30張經(jīng)典照片，里面有我所喜歡的火星、土星和木星這些太陽系內(nèi)的行星。在未來，我還會持續(xù)的關(guān)注這些行星上的新發(fā)現(xiàn)，就像我們關(guān)心人類和地球的命運一樣。