哈勃望远镜20年（哈勃望远镜）

　　哈勃望远镜20年（哈勃望远镜）
　　人类最大的太空眼
　　哈勃望远镜的第一个十年
　　《科学24小时》2001年7-8合期
　　乔阿光编译
　　自古以来，当人们仰望星空时总是情不自禁地询问宇宙究竟是如何诞生的。为了回答这个古老而神秘的问题，美国航空航天局制定了一个宇宙起源计划，准备发射一系列太空望远镜寻求答案（不过由于资金问题等，这个计划并没有完全实现）。哈勃太空望远镜就是这个计划中的先驱代太空望远镜中的第一个。
　　爱德温· 鲍威尔· 哈勃（1889—1953）小时侯就爱读在海底城市旅行、到地心去旅行以及到遥远的南非山区旅行的故事。最后他成为一个天文学家，用天文望远镜探索了遥远的星系，推出了掀起天文学革命的天体理论，实现了自己的梦想。
　　不过哈勃开始是在英国牛津皇家学院法律系学法律的，在通过律师考试一年后，他意识到自己更爱探索宇宙，就中断了法律学业，考入芝加哥大学学天文，1917年完成了天文学博士论文。在第一次世界大战中他当过兵，退役后，他来到加州帕萨迪纳威尔逊山天文台工作，研究发光的＂雾＂即星云的暗淡部分。 哈勃使用当时最大的100英寸虎克天文望远镜深入到宇宙中研究马醉木星云。他发现了马醉木星云外围的恒星，证实了在我们的银河系外还存在着其他星系——恒星和行星的集合。他为这些星系按大小和形状分类定级 ，这些分类标准至今仍在使用。他也证实了地球上的物理定律同样适用于河外星系。
　　哈勃进一步得到了一个惊人的发现：宇宙在膨胀。1929年他发现离地球越远的星系，离开地球的速度越快，这就是著名的哈勃定律，这一发现成为宇宙大爆炸理论的基础。这个理论认为宇宙是在一次巨大的爆炸后开始诞生的，从此开始不断膨胀。哈勃的这一发现是20世纪天文学最伟大的成就。
　　爱因斯坦在把他的新理论广义相对论运用到宇宙上去时，本可发现宇宙膨胀现象。他的理论——空间在重力作用下会弯曲——预言了宇宙不可能静止，必须膨胀或收缩。但爱因斯坦觉得这一预言是这样的不能令人信服，便改变了原来的理论，以避开这个问题。得知哈勃的发现后，爱因斯坦说改变这一理论是他一生中最大的错误。
　　正因为哈勃在20世纪天文学上的祖师爷地位，才用他的名字命名了人类最大的太空望远镜——哈勃太空天文望远镜。
　　哈勃太空天文望远镜——人类探索宇宙窗口
　　科学家们早已知道地球大气层使来自恒星的光变得模糊和变样，早在几十年前火箭学的先驱者们就得出结论要在地球大气之上才能更好地观察宇宙。
　　1990年4月25日哈勃太空望远镜这个最大最复杂的卫星由发现号航天飞机送入了地球轨道。它是由美国航空航天局和其他科学家共同花费20多年才研制成功的。虽然哈勃太空望远镜只不过稍稍离开了地球大气一点，只运行在地球上空600公里处，而最近的恒星——我们的太阳离地球都比它远258000倍，但它的位置总归是在太空中，可以避开地球大气的干扰，用它观察宇宙就比在地球上观察要清晰得多。哈勃太空望远镜是我们通往宇宙的窗口。
　　从这个窗口向宇宙望去可看到恒星和星系的诞生和死亡，即它们在几十亿年以前的情况。
　　哈勃太空望远镜上天十年来为我们拍摄了许多清晰的宇宙照片，这些令人惊奇的照片向世界展示了宇宙的奇妙。为使天文学家们能用上最新的哈勃太空望远镜提供的数据，成百位科学家、工程师和计算机程序员在美国马里兰州巴尔迪摩太空天文望远镜研究所(http://www.stsci.edu/)和该州格林贝尔特市戈达德太空飞行中心（http://pao.gsfc.nasa.gov/）维护着这这个在地球轨道上运行的天文台。
　　哈勃太空望远镜的结构
　　哈勃太空望远镜大得象一个大轿车，高得象银罐堆起来的五层塔。每一个罐子都有重要的望远镜设备：聚光镜、计算机、绘图仪和指向控制系统。它有一对40英尺长的长方形的太阳能板，每一块板有8英尺宽的太阳能电池。又柔软又轻的太阳能板收集太阳光，并把它转换成2400瓦的电，给哈勃太空望远镜的计算机、指向系统和绘图仪器提供电力 。哈勃太空望远镜自然还有一个与地面通讯的天线，以便不停地接受来自地面的指令，同时把它收集的图片和资料送回地面。
　　哈勃太空望远镜围绕地球运转一周只要97分钟。在一半的轨道运行中它是在穿过地球的阴影，温度从250度直落到0度。当它重新回到阳光中时，外部温度上升到沸点以上。这种极大的温度变化几乎和在几分钟内从南极旅行到撒哈拉大沙漠一样。因而，它不得不用一个外部的保温毯为自己维持恒温。哈勃太空望远镜用一个直径8英尺的镜头收集微弱的星光。镜头嵌在一个能挡住太阳、地球、月亮的光的长而空的管子里。镜头稍稍弯曲聚焦并放大入射光。
　　哈勃太空望远镜不象地面望远镜，天文学家不能直接通过透镜观察宇宙。它的天文仪器是天文学家的电子眼。这些仪器有照象机和光谱仪。它的照象机不用胶卷，而用类似家用摄象机用的电子检测器。光谱仪类似显示太阳光光谱的棱镜，可把恒星的光分解成彩色光谱数据收集起来。天文学家研究来自一颗恒星的光的颜色就能知道这个恒星的温度、运动、成分和年龄。
　　哈勃太空望远镜为了长时间——有时是几小时——对一个物体曝光必须维持稳定的位置，以便得到遥远的模糊的物体的图象。
　　因而它要用一个由陀螺仪和精细导向传感器组成的复杂的指向控制系统使自己保持方向，成功地稳定地指向目标物体。一旦哈勃太空望远镜锁定一个物体，它的传感器就会每秒40次检测它的运动。假如它移动了，不停旋转的轮子就会改变速度平稳地把它移回到原来的位置。
　　宇航员给哈勃太空望远镜带去的礼物
　　然而，由于工作人员的疏忽，哈勃太空望远镜上天不久，科学家们就发现它的原镜形状不正确，不能把光聚成一个清晰的点，它看到的是物体周围模糊的光晕。1993年来自奋进号航天飞机的天文学家追上了在轨道上运行的哈勃太空望远镜。把它拖进航天飞机的载货舱，花了5天时间给它调试。安上了两个新装置解决了它的视力问题。
　　1997年NASA的天文学家又去拜访了哈勃太空望远镜。他们带去了最新的科学仪器：一台光谱仪、一台红外摄象机。这些新礼物大大增强了哈勃太空望远镜观察宇宙的能力。用两个新仪器：近红外摄象多体光谱仪和太空望远镜图象摄谱仪替换掉两个过时的科学仪器。
　　用了近红外摄象多体光谱仪的红外眼哈勃太空望远镜就能看到从未看见过的天体。这种新红外摄象机使天文望远镜能看见比可见光稍长一点的近红外波。红外光能穿透尘埃和气体，而可见光不能。红外观察对研究恒星诞生处的尘埃和气云以及来自几十亿年前的遥远的物体的光十分重要。
　　太空望远镜图象摄谱仪使望远镜有了更好的摄谱仪。在每一次观察中它能积聚更多的信息。摄谱仪收集了天体极为重要的信息，如，温度、速度和化学成分。太空望远镜图象摄谱仪可收集来自目标星体上的几百个点的光，而旧的摄谱仪只能收集一个点的光。太空望远镜图象摄谱仪的主要任务是搜索黑洞——一种高度收缩、高密度的、吸收任何靠近它的物体的不可见物体。现在，它已经找到了黑洞。
　　为了储存所有这些新信息，宇航员还带去了一个固态磁带录音机，它所储存的科学数据比哈勃太空望远镜的两个磁盘录音机多十多倍。宇航员的另一项修复工作是更换精细导向传感器，这种传感器能发现必须拍摄的目标恒星。宇航员也对哈勃太空望远镜的外表做了一个小小的宇宙外科手术，修补了哈勃的热保温毯。
　　为使哈勃太空望远镜处于最佳工作状态需经常对它进行调试。2000年美国宇航员乘航天飞机接近哈勃太空望远镜，从航天飞机中出来在太空行走对它进行了第三次修理。还将在2002和2005等年再次拜访哈勃太空望远镜为它安装新元件和新仪器，用最新的技术更好地观察宇宙。
　　哈勃太空望远镜的工作过程
　　由于哈勃太空望远镜的地面站操作者不能象用无线电控制飞机那样控制哈勃太空望远镜每分钟的活动，然而又必须对哈勃太空望远镜在太空活动的每一秒都订出详细的计划，他们要把为哈勃太空望远镜制定的详细指令转换成哈勃太空望远镜主计算机能读懂的数码，在戈达德（Goddard）太空飞行中心工作人员一天几次用无线电把这些指令送进哈勃太空望远镜的电子脑。这对太空望远镜研究所的专家来说是非常花时间又相当复杂的工作。
　　然后，哈勃太空望远镜的指向系统找到并锁定遥远的行星、恒星和星系。为进行观察，哈勃太空望远镜必须在每一个目标行星、恒星或星系附近找到一对叫做导星的亮星，这些亮星就是哈勃太空望远镜的锚。导星使哈勃太空望远镜保持稳定地指向目标的姿势，就象锚不让船飘走一样。为了在太空找到每一目标附近的导星，哈勃太空望远镜计划的制订人使用一个有1亿5千万颗恒星地址的目录。
　　一旦哈勃太空望远镜收集到了天体的图片和数据，它的计算机就把信息转换成一长串数字用无线电信号送回地球。这些信息通过一系列卫星传送到戈达德（Goddard）太空飞行中心再通过电话送到天文望远镜研究所，在那儿这些数字转换成图片和数字。
　　哈勃太空望远镜每天收集的信息存储在计算机光盘里，一天的观察就会填满一部百科全书。不停增加的哈勃太空望远镜的图片和数据是当代和未来的天文学家的独一无二的科学资源。
　　哈勃太空望远镜十年来的成就
　　首先，这个人类有史以来看得最远的＂眼睛＂为我们送来了宇宙边缘的信息。哈勃太空望远镜的深景系统能拍摄到目前所能看到宇宙的最外边缘，揭示了许多从前未见过的星系，并让我们看到了星系是如何形成的，清楚地展现了不同类型的星系在以不同的速度演变。
　　巨大的椭圆星系是在大爆炸后不久形成的，而且一直变化不大。像我们的银河系一样的螺旋型星系则花了较长的时间才形成并经历了戏剧性的变化，暗淡的矮星系迅速地出现又神秘地消失。但哈勃天文望远镜用足够的分辨率展示了它们的演变，揭示了我们不能用任何方法得到的美丽的星系结构。
　　其次，它为精确计算宇宙的年龄提供了保证，从而算出宇宙的年龄。初步的计算认为宇宙年龄为90亿年，比以前认为的要年轻些，但也有人认为宇宙的年龄更像是160亿年，哈勃帮助科学家估计到宇宙的年龄大约137.5亿年。
　　第三，尽管宇宙膨胀的假说已被公认，但仍需寻找证据。哈勃天文望远镜观察到了超新星的大红移，检测了证实宇宙膨胀假说的哈勃定律。哈勃定律指出离地球越远的星系离开地球越快。通过超新星光谱线向红色光方向移动，可检测哈勃定律的正确性。地面望远镜虽也可确定超新星的存在，并可确定它们的位置。但哈勃太空望远镜能进一步确定它们相对于它们的星系的亮度和亮度的衰减情况，它是唯一能在很亮的背景下看到这个像一个点的超新星的天文望远镜。
　　第四，迄今为止，我们对所在的宇宙究竟有哪些物质并不清楚。哈勃太空望远镜让我们能观察到类星体，绘制宇宙物质分布图。类星体非常遥远，直至最近还认为它们是宇宙中最遥远的天体。它们的光要穿越许多中间物才能到达地球。地球的大气挡住了许多关键性的光波，而正是这些光波能帮助天文学家弄清楚在不同的发展阶段宇宙是什么样的。用哈勃太空望远镜可观察到这些光波，它们的吸收线的形态能帮我们探测到宇宙的结构，绘制出宇宙中的物质分布图，而用其他任何望远镜都无法做到这点。
　　第五，宇宙是如何形成的，恒星以及行星是如何形成的，乃至它们最后如何灭亡是人们一直关心的问题。哈勃太空望远镜对此作出了出色的回答。它揭开宇宙大爆炸的化学过程的奥秘。哈勃太空望远镜探测到了早期宇宙中产生星系的古老的氦气是什么，它发现这种气体比大部分恒星年纪都大。这一发现证明了大爆炸理论的模式：在大爆炸产生后三分钟内氦气随氢气产生。此外，它发现某些较轻的元素比如锂在早期的宇宙中已产生。假如大爆炸确实发生过，锂在太空中的精确数量是可以预计出来的。
　　哈勃太空望远镜看到恒星正在诞生。哈勃太空望远镜在观察附近的恒星＂产房＂时，看见了产生我们太阳系过程的重演，它揭示了恒星诞生的新的细节。哈勃太空望远镜在附近炽热的恒星的照耀下揭示了一种神秘莫测的现象，在巨大的石笋状的寒冷而黑暗的气云形成的塔有着手指状的伸出物，其中含有正从孵化状态显现出来的胚胎期恒星。
　　哈勃太空望远镜看到了正在形成的行星。在测量Orion（猎户座）星云——一个恒星形成区时，哈勃太空望远镜拍下了在几十个胚胎阶段的恒星周围的薄烤饼形的尘埃盘。这些尘埃盘最终可能积聚，形成行星系统。仅就它们这样大的数量就足以表明它们形成行星的条件和宇宙其它地方是共同的。这一观察帮助我们更多地了解了行星的演变过程。
　　哈勃太空望远镜找到了新的行星系统。哈勃太空望远镜在探测围绕在贝塔·皮克多利斯星尘埃盘的内部时，发现盘中有一神奇的卷曲物，类似于飞机螺旋桨产生的扭曲物。对这一扭曲物最合适的解释是这个尘埃盘正受到一个看不见的行星的拖拽，它的体积类似木星，围绕着一个和尘埃盘角度稍稍不同的恒星运转。其实，天文学家早就怀疑贝塔·皮克多利斯星有一个行星系统。哈勃太空望远镜证实了他们的推测。
　　哈勃太空望远镜弄清楚了星球死亡的情况，让我们更进一步地了解到恒星怎样脱去外壳，转变成白矮星、中子星或黑洞。
　　哈勃太空望远镜的另一方面成就是揭开了以往未彻底弄清的星际奥秘：
　　首当其冲的是让黑洞从幻想变成了现实。
　　使用哈勃太空望远镜计算了星系核心里恒星和气云的旋涡状运动，迄今为止在哈勃太空望远镜探测到的三个星系里，在一个不比太阳大的空间里压缩了几亿或几十亿个太阳的质量。它的这一探测结果和黑洞的定义——一个极大压缩和紧密的物体——正相符合。黑洞就是所观察到的这一现象的最简单的解释，肯定了理论推算的结论。
　　其次，哈勃天文望远镜对活动星系的发射线进行了研究。
　　第三，探测到伽马射线爆发源的性质.
　　第四，找到了棕矮星。
　　最后，尽管我们身处太阳系，仅靠地面天文望远镜还不足以揭开它所有的奥秘。哈勃太空望远镜展示了太阳系里最细微最遥远的细节。它证实围绕太阳系确实存在一条原始碎冰带；它目击了彗星撞击木星；它为我们提供了遥远的天王星表面的第一个直接的图像。
　　哈勃太空望远镜今后的任务：
　　寻找恒星周围的行星，哈勃太空望远镜同时测量了40000个恒星，在任何恒星的轨道上只要发生同期为数天的蚀变，它就能找出这颗挡住了恒星光芒的行星。
　　哈勃太空望远镜另一个任务是帮助解决行星上存在的生命诞生所必须的元素上的某些遗漏环节，所有这些元素是在恒星上制造出来的。哈勃太空望远镜通过观察穿越遥远星系的光晕的类星体的光，我们能发现许多元素是如何产生的。
　　哈勃太空望远镜在观察外太阳系过程中能弄清彗星的形成过程。哈勃能检测出Kuiper带区域的彗星。这一区域离太阳相当遥远，含有许多处于原始起源状态的彗星。最后，哈勃太空望远镜可以记录下十年前出现的称为1987A的超新星的冲击波的详细资料。它位于大Magellenic(麦哲伦)星云处。我们能观察到它的冲击波是怎样冲击它周围的介质的。
　　哈勃太空望远镜将工作到2010年，它用光谱方法对物体进行分析的灵敏度极高。下一代太空天文望远镜将于2008年发射，它比哈勃的观察区域大十倍，并将使用更灵敏，特别是在红外区域，它将能分析哈勃太空望远镜发现的物体，对解决星系形成问题特别重要。哈勃太空望远镜的深景系统己发现了可见宇宙边缘的星系，下一代太空天文望远镜将能看得更远。下一代太空天文望远镜的深景系统能达到我们称之为光的边缘的地方。那儿来的光将相当微弱，能回溯到大爆炸后诞生第一批星系的时刻。
　　编译自美国《大众科学》3月31日网络版
　　http://www.stsci.edu/portal
　　后记：哈勃太空望远镜并没有在2010年退役，经过修缮，它至今还在太空坚持战斗。据说它的继任者是詹姆斯·韦伯望远镜，其口径为六米。
　　我国载人航天工程的巡天空间望远镜（CSST）也已启动了初样研制工作。
　　本文还原了发给编辑的编译原文。并补充了资料。编译自