“哈勃”遨游太空25年 偷窺了上帝的哪些秘密？

史春樹

在離地球547千米的軌道上，住著勤勞的“哈勃”。它有著一雙敏銳的眼睛，能透過層層星云看到它想看的任何一顆星星。通過“哈勃”身上搭載的高科技紅外線裝備，它也可以穿過宇宙灰塵和大氣的阻礙，a見證許多新星星誕生的過程。

自1990年起，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)環(huán)繞地球飛行25年，捕獲了那些從根本上改變?nèi)祟悓?duì)宇宙的認(rèn)知的圖片。2015年4月24日，美國(guó)宇航局（NASA）在太空中燃放了一些煙花，以這樣的形式為哈勃望遠(yuǎn)鏡順利服役25周年的紀(jì)念日舉辦了一次慶?；顒?dòng)。

1990年4月24日，發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)從美國(guó)肯尼迪中心發(fā)射升空，將哈勃空間望遠(yuǎn)鏡送上了近地軌道。盡管在最初的幾年里，這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡備受視力模糊的困擾，但經(jīng)過修復(fù)和多次維護(hù)之后，哈勃已經(jīng)成為有史以來最著名、最重要的天文望遠(yuǎn)鏡，它改變了我們對(duì)宇宙的諸多認(rèn)識(shí)，更不用說它還拍攝過許多已經(jīng)成為經(jīng)典的絕美太空照片了。

哈勃望遠(yuǎn)鏡問世25周年

2015年，是哈勃望遠(yuǎn)鏡服役第25周年，為慶祝哈勃望遠(yuǎn)鏡服役25周年，NASA和歐洲太空總署整理了25張哈勃望遠(yuǎn)鏡帶給我們最美的和最重要的圖片。

一位名叫詹尼弗·懷斯曼的哈勃科學(xué)家，在華盛頓新聞館舉辦的電視直播慶祝會(huì)上說：“對(duì)全世界所有的航天事業(yè)工作者和全世界所有的天文愛好者來說，本周都是激動(dòng)人心的一周。”

在離地球340英里遠(yuǎn)（547千米）的軌道上，住著勤勞的哈勃。它有著一雙敏銳的眼睛，能透過層層星云看到它想看的任何一顆星星。通過哈勃身上搭載的高科技紅外線裝備，哈勃也可以穿過宇宙灰塵和大氣的阻礙，見證許多新星星誕生的過程。

研究行星的演變歷程是哈勃最初的一項(xiàng)使命。沒有了地球大氣層的干擾和阻礙，天文學(xué)家們希望能借助哈勃的力量，及時(shí)地看到更遠(yuǎn)的地方，尋找到137億光年外宇宙大爆炸起源點(diǎn)附近的星星和星系。

觀測(cè)宇宙的另一只“眼睛”

太空望遠(yuǎn)鏡的想法首次出現(xiàn)在1922年德國(guó)火箭先驅(qū)赫爾曼·奧伯特的博士論文中。歷史學(xué)家們指出，他的論文“飛向星際空間的火箭”最初因?yàn)檫^于空想化而被拒絕。

但是，在他的想法背后的邏輯卻很難被駁倒。一架位于軌道中或者深入太空的望遠(yuǎn)鏡能夠提供比地面觀測(cè)望遠(yuǎn)鏡更詳細(xì)的映像。因?yàn)?，即使在最清澈的夜晚，地球的大氣層也?huì)扭曲光線，影響到可見波長(zhǎng)運(yùn)行的地面觀測(cè)望遠(yuǎn)鏡捕捉到的圖像細(xì)節(jié)。大氣層中的水蒸氣和臭氧也會(huì)阻擋幾乎全部的紅外線和紫外線光。而深入太空的望遠(yuǎn)鏡則帶有更多有關(guān)恒星的誕生、星系和太陽系外行星的信息。

對(duì)哈勃望遠(yuǎn)鏡的可行性研究花了科學(xué)家們將近50年。但在發(fā)射后沒過多久，NASA就發(fā)現(xiàn)在哈勃望遠(yuǎn)鏡94英寸（2.4米）半徑大的放射鏡上存在一個(gè)制造缺陷。為了維修這一光學(xué)部件，NASA在1993年往哈勃那兒送去了5位宇航員，這5位宇航員也是宇宙飛船機(jī)組首次委派前去執(zhí)行太空行走維修任務(wù)的5名英雄。

哈勃停留在地球上空482.8公里的軌道上，向地球提供清晰的圖像，并以前所未有的細(xì)節(jié)采集光譜。哈勃最初的任務(wù)之一是計(jì)算宇宙目前的膨脹速度。此后，哈勃所展現(xiàn)出來的優(yōu)勢(shì)和作用無與倫比。

在哈勃被發(fā)射之后，我們得到了許多重大發(fā)現(xiàn)。哈勃的數(shù)據(jù)有力地證明了宇宙的加速膨脹，也證實(shí)了暗物質(zhì)在大約90億年前就開始顯現(xiàn)。這一觀測(cè)有助于彌補(bǔ)關(guān)于暗物質(zhì)不同理論之間的分歧。這些成果突出了哈勃望遠(yuǎn)鏡為天文重大發(fā)現(xiàn)所做的貢獻(xiàn)，給更早期的觀測(cè)提供了重要的確證，并揭示了新的視角。

哈勃也在太陽系外拍到了其他行星的照片，通過掃描，得到了其他行星上大氣層的化學(xué)成分信息。1992年，第一個(gè)被稱之為“外行星”的太陽系外星球被發(fā)現(xiàn)，這離哈勃開始服役才過了兩年。

哈勃發(fā)回的圖像引起了一陣騷動(dòng)?；萏啬獱柌┦炕貞浾f：“你開始聽見大廳里有竊竊私語——對(duì)圈狀星云的校準(zhǔn)觀測(cè)跟你以前看見的一點(diǎn)也不同。”哈勃顯示的是一群?jiǎn)为?dú)的恒星。結(jié)果，這樣的問題在三年后通過修正了鏡面缺陷而挽救了哈勃和美國(guó)宇航局的聲譽(yù)。從丑小鴨到美天鵝的“逆襲”故事對(duì)作為開路先鋒送入太空探索宇宙的25歲哈勃望遠(yuǎn)鏡倒是個(gè)貼切的比喻。

利維奧博士于1991年來到太空望遠(yuǎn)鏡研究所并領(lǐng)導(dǎo)著研究部門。他說：“有時(shí)候人們建造一臺(tái)小儀器以探究某個(gè)問題，而且也解決了這個(gè)問題。但哈勃不僅解決了這樣的問題，而且還提供了關(guān)鍵信息幫助其他相關(guān)研究結(jié)果得以實(shí)現(xiàn)?！?/p>

得益于它的長(zhǎng)壽，哈勃也產(chǎn)生了多個(gè)“第一”。比如，它發(fā)回了宇宙早期嬰兒星系和星系碎片的首批圖像；它是第一架發(fā)現(xiàn)圍繞另一顆恒星運(yùn)行的行星的大氣層中含有化學(xué)元素的太空望遠(yuǎn)鏡。

根據(jù)一些評(píng)估，哈勃是歷史上科學(xué)產(chǎn)量最高的望遠(yuǎn)鏡。自1997年以來，利用哈勃數(shù)據(jù)的論文數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了利用其他15座著名的太空和地面望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)的論文數(shù)量。

歐洲核研究組織的物理學(xué)家在地下實(shí)驗(yàn)場(chǎng)探索物質(zhì)的本質(zhì)屬性。他們的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)被封為物理學(xué)界的哈勃。隨著新的擁有復(fù)雜太空掃描技術(shù)的地面觀測(cè)望遠(yuǎn)鏡不斷問世，他們把哈勃比喻成觀測(cè)宇宙的另一只“眼睛”，哈勃被封為“人民的望遠(yuǎn)鏡”。在捕捉天文圖像的同時(shí)，也為一些藝術(shù)史學(xué)家提供了天文圖像的原始素材，使得他們把天文圖像比擬為19世紀(jì)油畫作品和美國(guó)西部照片中的浪漫景色，把茫茫宇宙帶入了世界各地的學(xué)校教室和家庭起居室。

發(fā)現(xiàn)“上帝之臉”

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡捕捉到存在于遙遠(yuǎn)宇宙空間的NGC 1316星系，猶如“上帝之臉”。中世紀(jì)的基督徒認(rèn)為天堂位于云層的上方，但是本次哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)似乎已“查明”：傳說中在九霄云外的天堂可能有些遠(yuǎn)，距離地球大約7500萬光年。

雖然被喻為“上帝之臉”的星系距離我們非常遙遠(yuǎn)，位于天爐座星系團(tuán)中，但是科學(xué)家發(fā)現(xiàn)星系中存在異常強(qiáng)大的射電源，并有著一對(duì)巨大的射電波瓣，是天空中最強(qiáng)大的射電源之一。如果將哈勃空間望遠(yuǎn)鏡所捕捉到的NGC 1316星系圖像比作基督教的天父，那么強(qiáng)大的射電波就如同是“天父”向地球上的孩子們發(fā)出的信號(hào)。

在哈勃空間望遠(yuǎn)鏡所拍攝的照片中，巨大跨度的環(huán)形宇宙塵埃圍繞的星系部分，看上去非常像上帝慈祥的臉龐，而且還有許多大胡子。美國(guó)國(guó)家航空航天局的天文學(xué)家根據(jù)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡傳回的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，巨型塵埃和大量星團(tuán)的分布暗示了其形成的原因，在數(shù)十億年前一個(gè)巨大的橢圓星系與另一個(gè)螺旋星系之間發(fā)生了碰撞，產(chǎn)生了我們今天看到的NGC 1316“上帝之臉”星系。除了從詭異的星系外觀上可以洞察出NGC 1316的“暴力”歷史事件，科學(xué)家還從其他途徑上揭示了在“上帝之臉”星系中發(fā)生的故事。

位于智利圣地亞哥以北600公里賽拉托洛洛美洲際天文臺(tái)是南半球數(shù)個(gè)頂級(jí)的天體觀測(cè)站之一，配備了直徑4米的布蘭柯望遠(yuǎn)鏡?？茖W(xué)家使用這臺(tái)強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡拍攝到了“上帝之臉”星系中各種令人眼花繚亂的漣漪、成環(huán)狀分布的物質(zhì)以及羽狀塵埃。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的圖像進(jìn)一步揭示了“上帝之臉”星系深處區(qū)域的情景，發(fā)現(xiàn)一個(gè)更加復(fù)雜的塵埃帶和神秘的斑點(diǎn)結(jié)構(gòu)。科學(xué)家認(rèn)為龐大的黑色塵埃帶是遠(yuǎn)古時(shí)期一個(gè)螺旋星系的殘留物，因?yàn)槿绱司薮蠖暄训膲m埃帶只有在螺旋星系中才有，而橢圓星系一般存在著較大而非常明亮的球狀星團(tuán)，它們的來源可能是NGC 1316星系吞噬了數(shù)個(gè)螺旋星系的物質(zhì)。這些特殊的天體分布與構(gòu)造都說明了“上帝之臉”星系在數(shù)十億年前發(fā)生過極為恐怖的宇宙事件。

普及天文學(xué)居功至偉

自從1990年4月25日發(fā)射進(jìn)入軌道后，哈勃望遠(yuǎn)鏡給來自宇宙的人類明信片收藏增加了一幅又一幅無法抹去的影像。這些影像又給科學(xué)的發(fā)展帶來了意義深遠(yuǎn)的貢獻(xiàn)。

哈勃望遠(yuǎn)鏡在相對(duì)短的時(shí)間內(nèi)將收集到的信息廣泛傳播給公眾。它不僅在天文學(xué)的普及方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用，也極大地充實(shí)了信息和影像資料庫——超過一億幅。比最初的觀測(cè)產(chǎn)生了更多的科學(xué)成果。

今年三月，太空望遠(yuǎn)鏡研究所宣布：所有資料已經(jīng)編入被稱為哈勃資源目錄的龐大在線數(shù)據(jù)庫。它使得天文學(xué)家能快速檢索。領(lǐng)導(dǎo)數(shù)據(jù)庫開發(fā)團(tuán)隊(duì)的惠特莫爾說：“我們不是為了明年、后年、大后年，而是為了下一個(gè)10年、20年、30年、50年而開發(fā)......”

隨著這一天文觀測(cè)臺(tái)進(jìn)入最后10年，天文學(xué)家們正在創(chuàng)建其壽終正寢前要從事的項(xiàng)目清單，目的是為了進(jìn)行太空發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目以及為詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（將于2018年發(fā)射）進(jìn)行補(bǔ)充觀測(cè)的項(xiàng)目來擴(kuò)大其早已可觀的成就。這項(xiàng)努力被稱為“哈勃2020”。

比如，有些天文學(xué)家推薦利用哈勃來分析圍繞恒星運(yùn)轉(zhuǎn)的行星的大氣層。而有的人則建議利用它來精確測(cè)量矮星系和恒星系的內(nèi)部和外部運(yùn)動(dòng)，以此作為觀測(cè)星系進(jìn)化和暗物質(zhì)的窗口。

2000年，美國(guó)宇航局打算發(fā)射一艘太空飛船并在2010年左右回收望遠(yuǎn)鏡。然而，到了2015年，哈勃還在掃描宇宙空間，而美國(guó)宇航局的三艘太空飛船現(xiàn)在卻成了博物館的展品。

當(dāng)然，這樣的長(zhǎng)壽根植于哈勃的設(shè)計(jì)以及美國(guó)宇航局發(fā)送宇航員對(duì)硬件進(jìn)行定期修補(bǔ)、升級(jí)。克里斯蒂安博士表示，2009年對(duì)哈勃進(jìn)行了最后一次維修升級(jí)，它使得備受尊敬的望遠(yuǎn)鏡處于令人驚奇的狀態(tài)，使其探測(cè)能力增強(qiáng)萬倍。

宇航員修理了重負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)儀器中的兩臺(tái)，太空望遠(yuǎn)鏡影像波譜測(cè)定儀和高級(jí)測(cè)量照相機(jī)。他們用第三臺(tái)更能干的替換了望遠(yuǎn)鏡的第二臺(tái)廣角照相機(jī)。他們還安裝了宇宙起源分光攝譜儀。它使得哈勃的能力擴(kuò)展到能采集天外物體從近紅外和可見光波長(zhǎng)到紫外線波長(zhǎng)的信息。宇航員也更換了使天文臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)的電源、計(jì)算機(jī)以及其他硬件。

后繼有人 韋伯空間望遠(yuǎn)鏡

NASA希望能讓哈勃望遠(yuǎn)鏡繼續(xù)服役到2020年。而在那之后，它的繼任者，詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡將接任它的使命。韋伯望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃于2018年10月發(fā)射。

詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）是紅外空間觀測(cè)站，它由NASA帶頭，與歐洲航天局和加拿大航天局合作，曾用名為“NGST”。在2002年更名，用以紀(jì)念NASA的首任局長(zhǎng)詹姆斯·韋伯。研究人員計(jì)劃用它取代哈勃望遠(yuǎn)鏡，用以探索遠(yuǎn)超過目前儀器可觀測(cè)到的宇宙中最遠(yuǎn)的對(duì)象。其設(shè)計(jì)口徑為6米，是哈勃望遠(yuǎn)鏡的2.5倍。JWST能觀測(cè)到的天體要比當(dāng)前最大地面望遠(yuǎn)鏡或空間紅外望遠(yuǎn)鏡要暗400倍。

NASA計(jì)劃于2018年升空的詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡是目前被寄予厚望的哈勃望遠(yuǎn)鏡繼任者。在韋伯領(lǐng)導(dǎo)下的美國(guó)宇航局，成功實(shí)施了“水星”和“雙子星”載人航天計(jì)劃，為人類成功登月奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

韋伯望遠(yuǎn)鏡在設(shè)計(jì)時(shí)強(qiáng)化了其紅外波段的觀測(cè)能力，這將讓它能夠更好地看清宇宙中更遙遠(yuǎn)、更暗淡的天體。相對(duì)于哈勃望遠(yuǎn)鏡，韋伯望遠(yuǎn)鏡將能夠進(jìn)一步逼近大爆炸后的年輕宇宙的圖景，科學(xué)家估計(jì)它可以看到距離200億光年遠(yuǎn)的原始星系。

2019年，哈勃望遠(yuǎn)鏡和韋伯望遠(yuǎn)鏡將同時(shí)在軌道運(yùn)行，幫助人類揭示宇宙的秘密。到那時(shí)，人類將擁有前所未有的觀測(cè)能力，相信一定會(huì)有“爆炸性”的新發(fā)現(xiàn)！