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1983年,这架太空望远镜被正式命名为“哈勃”,得名于美国天文学家埃德温·哈勃,他关于“宇宙正在膨胀”的理论是20世纪最伟大的科学发现之一。
到1985年,“哈勃”已经在地面上装备完成,只等升空。然而,1986年1月28日,“挑战者号”航天飞机在升空73秒后爆炸解体,7名机组成员全部遇难,导致美国航天计划全部暂时终止,不仅航天飞机的飞行任务被取消,“哈勃”的发射也被推迟。
此后,整个“哈勃”系统不得不被保存在一间洁净室里。直到在航天飞机恢复飞行之后两年,1990年4月24日,好事多磨的“哈勃”终于被“发现号”航天飞机成功送入计划轨道。
“哈勃”在发射升空时一共携带了五台科学仪器:宽视场和行星照相机、戈达德高像素光谱仪、高速光度计、微弱物体照相机和微弱物体光度计。1990年,“哈勃”发射升空后,很快便开始向地球发回它拍摄到的太空图片。
可是,几周后科学家发现“哈勃”成了“近视眼”,视物不清,完全没能达到预想的观测能力,这说明望远镜的光学系统出现了严重的问题——由于无法进行最终聚焦,导致图像模糊不清。科学家经过分析发现:在地面上,当一架光学望远镜的口径很大的时候,设计师必须考虑镜面在重力作用下产生的微小形变,否则这种形变会影响到望远镜的准确成像。问题就出在这里:设计师们在设计“哈勃”的主镜面时,未将形变因素考虑在内,而实际上“哈勃”却是运行在太空的失重环境之中的。因此,“哈勃”的主镜面被打磨成了略微错误的形状。
幸好,“哈勃”的设计理念中本来就包含了维修的概念,科学家们立即着手研究解决问题的办法。可不可以把“哈勃”临时带回地面重装系统?不可以!因为这样做既耗时,又太费钱。怎么办?科学家们自有办法——派宇航员搭乘航天飞机到太空去维修“哈勃”。
1993年12月,美国宇航局派宇航员搭乘航天飞机前往“哈勃”,对它进行了第一次维修。他们为它安装了一片“近视镜”,使它能够把星星聚焦为一个光点而不是一片模糊的光斑。
接下来,在1997年、1999年和2002年,宇航员又三次乘坐航天飞机前往“哈勃”,对它进行了一系列的维修保养,包括更换坏掉的回旋仪(一种帮助“哈勃”指向观测目标的仪器),更换太阳能电池板,同时还为它添加了新的观测设备。这些都是“哈勃”能够运转至今的保证。
“哈勃”是迄今为止唯一的被设计成在服役期间需要宇航员在太空进行维修的望远镜。自1990年升空至今,由航天飞机运载前往的宇航员已经对“哈勃”进行了四次维修和升级,不仅更换了旧的仪器,还为“哈勃”增添了一些新的科学功能。
然而,2003年“哥伦比亚号”航天飞机的爆炸解体造成7名宇航员殒命。在一份长达248页的最终调查报告中,美国宇航局把“安全”作为航天飞机执行任务的首要前提。2004年1月,在“哈勃”即将迎来它升空14周年纪念日的时候,时任美国宇航局局长的西恩·欧基非突然宣布:取消对“哈勃”的第五次、也是最后一次维修。欧基非称,取消对“哈勃”的维护是出于对宇航员生命安全的考虑。
对“哈勃”来说,这意味着什么?
“哈勃”必须使用回旋仪来保证自己在轨道中保持稳定姿态,并准确指向被观测目标。通常,为实现上述目的,需要3套回旋仪同时工作。2005年8月,为了延长“哈勃”的寿命(任务期),“哈勃”已被指令只使用两套回旋仪,另外两套备用(还有两套已经失灵)。如果不能及时加以更换,估计最早在2008年底,“哈勃”就只能靠一套回旋仪支撑,“哈勃”因此很可能无法再进行连续的科学观测。
“哈勃”还需要更换镍氢电池。曾经有人设想用机器人来完成这项任务,但由于需要进行很多操作,而其中任何一步操作失败都可能造成对“哈勃”的致命损伤,因此目前还难于实现。
虽然“哈勃”在非常稀薄的地球上层大气中环绕地球飞行,但随着时间推移,其运行轨道仍然会因阻力而衰减(降低高度)。如果不能通过航天飞机或其他手段进行提升,“哈勃”就将在2010~2032年之间的某个时间重返地球大气层,具体时间则要看太阳的活跃程度及其对地球上层大气的影响如何。回旋仪也会影响“哈勃”重返地球大气层的时间,因为只要“哈勃”的方向可被控制,它就能把大气阻力降低到最小程度。
如此看来,如果“哈勃”的维修任务被取消,其上的所有仪器设备最终将全部失灵,“哈勃”将坠落地球。值得一提的是,据专家测算,假如“哈勃”在重返过程中完全失控,虽然其大部分组件在穿越大气层时将被完全烧毁,但仍有约两吨残骸坠落地面,造成人员伤亡的概率为700分之一。
科学家还运用“哈勃”的观测资料取得了很多重要发现,例如:在猎户星座发现了原行星盘,找到了在太阳系外的类太阳恒星周围也存在行星的证据,找到了迄今仍旧谜云笼罩的伽玛射线爆发存在的证据。此外,“哈勃”还被用来研究太阳系外围的天体,包括矮行星冥王星和阋神星。
“哈勃”的一个独特贡献,就是其拍摄的深视场和超深视场图像。“哈勃”以自己在可见光波长无与伦比的敏感度,为迄今为止在光学波长获得的最深处小片天空拍摄了图像。这些图像揭示了距离地球数十亿光年之遥的星系模样,帮助科学家写出了大量论文,为探察早期宇宙打开了一扇新的视窗。
“哈勃”看见遥远行星
2008年11月13日,美国宇航局宣布,“哈勃”拍到了环绕太阳之外另一颗恒星运行的行星的可见光照片,这也是人类首次直接拍摄到地外行星。这颗环绕南鱼星运行的行星被命名为“南鱼b”,其质量估计不超过木星的3倍。南鱼星是一颗明亮的恒星,位于南鱼座,距离地球大约25光年。
早在20世纪80年代,美国宇航局的“红外天文卫星”就发现南鱼星周围有多余的尘埃环绕,而这正是行星正在形成的迹象。此后,南鱼星成为寻找行星的科学家的主要候选目标之一。
2004年,科学家运用“哈勃”拍摄南鱼星,发现它被一条原始行星残骸环包围。他们还注意到图像中有几个明亮的光源,可以作为行星候选对象。2006年,“哈勃”拍摄的照片显示,其中一个候选对象跟2004年的照片相比已改变位置。科学家由此计算出这个天体围绕南鱼星运行的公转周期是872年,即每872年才绕完一圈南鱼星——这个天体就是南鱼b。
“哈勃”的继任者——詹姆斯·韦伯太空望远镜定于2013年发射,届时它将在红外波段对南鱼星作更精确的观测。“韦伯”还将在南鱼星系统中搜寻其他行星,并寻找诸如小行星带之类的结构。
“哈勃”的世界
星系
鬼眼星系
M64星系位于北方星空的后发座,距离地球大约1.7亿光年,由法国天文学家梅塞耶在18世纪首次记录。M64实际上是由两个星系发生碰撞后留下的一个外形奇异、内部异动的合并星系。因其明亮内核前方有一条正在吸收尘埃的壮观暗色带,故又有“鬼眼星系”的绰号。
由“哈勃”拍摄的这幅图像显示了M64暗色带的细节。看上去,M64是一个相当规整的轮转焰火形旋转星系。跟其他绝大多数星系一样,在M64的内部,所有恒星都朝着相同的方向运行。但是,在M64的外围,星际气体的旋转方向正好相反。
在外围,反向旋转的星际气体相互碰撞、压制、收缩,从而引发活跃的恒星形成大潮。在这幅图像中,尤其显眼的是那些刚刚形成的炽热的蓝色恒星,以及那些由发光氢气构成的粉色气云。
天文学家认为,大约10亿年前,M64吸收了一个与之碰撞的小星系,产生了这些反向旋转的星际气体。
诞星风暴
这是“哈勃”拍摄的NGC 2074星团(图左上方)附近星云的一小部分,这里是原恒星诞生的风暴区,这场恒星诞生大潮很可能是由发生在附近的一次超新星爆发催生的。
这幅图像显示了由尘埃构筑的极富戏剧性的“山脊”和“山谷”,还有蛇头形状的“创造之柱”,以及在潮水般紫外辐射之下剧烈发光的气体。这片区域位于一团暗分子云的上端,而这团分子云则是新恒星的“孵化器”。
已经诞生在NGC 2074中的那些年轻而炽热的恒星喷出高能辐射,正在通过缓慢的磨蚀塑造着星云之壁。在图中下部明亮的蓝色环形气云圈下面,很可能还隐藏着另一个年轻的恒星簇。
在图中这片差不多有100光年宽的奇异风景中,暗色的尘埃塔耸立在分子云表面发光的气体墙上。图右下方那根海马形状的气柱,长度近20光年。它位于“大麦哲伦云”,这个“云”是银河系中的一个小“卫星”,也是观察恒星形成及演化过程的好地方。像“大麦哲伦云”这样的矮星系,被认为是构建较大星系的原始建筑单元。
死于冰火
NGC 6302星云,距离地球大约4000光年,位于南方的天蝎座,是已知最明亮和最极端的星云之一,其中心的烈焰亡星(濒死恒星)被一层冰雹包裹。这张由“哈勃”拍摄的图像显示了由被压缩气体构成的壮观气墙,以及墙边蔓延的泡泡状的流出物。一个满身尘埃的暗色花床包围着内星云(位于图中右上方)。在图中这一片动荡的腹心,是已知最炽热的恒星之一。不过,尽管温度高达25万摄氏度,我们却永远无法看见这颗星,因为它被尘埃彻底包裹,几乎只在紫外波段发光,因而难以观测。
黑洞
喂养黑洞
这张照片显示了一个巨大的尘埃环正在向NGC 4261星系(距离地球4500万光年)中可能存在的中心黑洞输送“食物”的情景。科学家估计,在这个直径宽达300光年的尘埃环的中心,很可能隐藏着一个黑洞。
这个暗色的尘埃环代表着一个寒冷的外围区域,它朝向一个超热的吸积盘。吸积盘位于这个黑洞附近数百千米处,正在向黑洞喂食材料,而黑洞的巨大引力则压缩并加热这些材料。一些炽热气体喷出黑洞的视界,产生电波喷流,喷流与吸积盘互相垂直,就像一根轴穿过一个轮子。这张照片为星系中心存在黑洞提供了强有力的证据,这也正是“哈勃”最伟大的贡献之一。
星系残杀
“哈勃”让科学家近距离地看到了星系互相残杀的画面:银河系附近的一个巨大星系——“半人马座A”中心隐藏的超大质量黑洞,正在一次壮观的大碰撞中吞噬一个较小的星系。如此灿烂的焰火秀在宇宙的早期很常见,因为那时星系正处在形成和演化的过程中,而今天这样的焰火秀已非常罕见。
“半人马座A”是距离地球最近的活跃星系。“哈勃”拍摄的这张图片显示,在“半人马座A”周围的尘埃环中,正在爆发汹涌澎湃的恒星形成大潮。图左上方的小图显示的是“半人马座A”星系的全貌,蓝色轮廓代表“哈勃”的视野。较大的中央图片是“哈勃”对“半人马座A”的特写。从这张图可以看到,沿着暗色尘埃带聚集着由年轻的蓝色恒星组成的明亮星簇,缝隙外的天空中则布满柔和的光晕——它们是星系中古老得多的居民,包括红巨星和红矮星。
宇宙
宇宙挂毯
这张堪称“宇宙挂毯”的图片,代表着“哈勃”在自己的“超宽视场”任务中所拍摄的星系中的一小部分。这项观测任务也是迄今为止在可见光波段的最远距离观测宇宙的任务。在这张“哈勃”快照中,你能看见不同年龄、不同大小、不同形状和不同色彩的星系。
遥远涡旋
NGC 4603是一个非常壮观而又十分遥远(距离地球1.08亿光年)的涡旋星系,也是一种特殊的脉冲星——造父变星的发现地。这是“哈勃”拍摄的NGC 4603星系照片。年轻而明亮的蓝色恒星群凸显出NGC 4603的旋臂,与之对应的是在此过程中死亡的红巨星。图中大量的散射光来自更遥远的星群,即使“哈勃”也不能单个辨识它们。图中略显红色的丝状地带,则是因为尘埃云阻挡了其后面的恒星所发出的蓝光而发红的。