成为传奇的哈勃望远镜,曾经居然被当做笑话?

生活

05-24 10:41

望远镜是人类最伟大的发明之一,自伽利略时代以来,人们制造了数不清的望远镜,但迄今为止还没有一台望远镜能像哈勃望远镜一样改变我们的思维,因为它展示的不只是遥远宇宙美丽的照片,而是重新定义我们对于整个宇宙的认知。

今年(2020 年)是哈勃望远镜升空投入使用的三十周年。作为第一个进入地球轨道的精密光学天文观测设备,自 1990 年 4 月 24 日升空以来,哈勃对天文学的每一个领域都做出了重大贡献。

BBC 的纪录片《哈勃三十年:揭示宇宙奇观》中讲到:「所有与哈勃望远镜合作过的人,都会产生一种非常感性且浪漫的情感联系。它往往会让人们对宇宙的认知彻底为之改变。」可以说,哈勃重新定义了宇宙,并且以一种超出科学理解的发自肺腑和情感的层次与我们普通大众对话。

▲ 哈勃拍摄的「蝴蝶星云」,图片来自网络

可是你知道吗?这个被称为「人类历史上最成功的科学实验」曾经差点被 NASA 和美国政府,甚至在它升空之后还成为美国深夜脱口秀喜剧节目的「常客」,常常被脱口秀演员进行调侃。那么,如此不受待见的「哈勃」是如何成为人类探索太空过程中不可或缺的角色呢?

本期的《科技拾遗》小探就带大家来回顾「哈勃」的前世今生。

哈勃的起源

1889 年,一个名叫埃德温·鲍威尔·哈勃(Edwin Powell Hubble)的小男孩出生于美国密苏里州一个普通的保险从业员的家庭。

哈勃从小成绩优异,先是从芝加哥大学取得数学、天文学的学士学位,随后拿到被称为「本科生诺贝」的罗德奖学金,成功进入英国牛津大学,并成为牛津历史上首批罗德学者,遵从父亲意愿主修法律,但依然钟情于天文学,选读了许多天文相关的课程。

在牛津大学毕业后,哈勃回到了芝加哥大学,正式钻研天文学。三年后,28 岁的哈勃拿到了天文学博士学位,同一年,威尔逊天文台的创始人乔治·海尔也邀请他前去工作。他欣然接受,因为威尔逊天文台有着当时最先进的反射望远镜。

而这台望远镜也正式开启了哈勃成为「星系天文学之父」的道路。在哈勃的研究生涯中对天文学的贡献不计其数,其中最重要的贡献有两个:其一是发现了当时被认为是一些银河系内的星云的物体实际上是银河系外的星系,打破了宇宙完全由银河系组成的「岛宇宙」的观念,对天文学的发展具有十分重大的意义;其二是提出了著名的「哈勃定律」,即星系的退行速度与距我们的距离成正比,对我们认识宇宙的演化做出了重要的贡献。

▲ 美国曾为这位伟大的天文学家发表几年邮票,图片来自网络

就在埃德温·鲍威尔·哈勃去世 36 年之际,NASA 将其设计的空间望远镜命名为「哈勃」,以纪念这位伟大的天文学家。虽然名叫「哈勃」,可是除了纪念意义之外,两者之间并没有什么实质性的联系。

我们都知道今年是哈勃望远镜升空的 30 周年,这台人类历史上「最伟大的太空仪器」的最初构想要追溯到 1946 年。一位名叫莱曼·斯皮策(Lyman Spitzer)的天体物理学家撰写了一篇名为《在地球之外的天文观测优势》论文,论文中明确指出了提出把望远镜放入太空以消除地球大气层遮蔽效应的建议,以及这么做对于人类探索地球以外的空间的诸多好处。这样的想法无疑是非常超前的,要知道,那个时候人类并没有开启人造卫星时代,甚至连 NASA 都还没有建立。

▲ 莱曼·斯皮策,图片来自网络

1962 年,美国国家科学院在一份报告中推荐将空间望远镜作为未来太空计划的一部分,随后,1965 年,美国建立了一个旨在建造空间望远镜的科学委员会,莱曼·斯皮策被任命为主任委员。1968 年 NASA 才正式确定了建造 3 米反射望远镜的计划。

命运多舛的哈勃望远镜

尽管计划已经确立,要在当时制造出一台空间望远镜谈何容易。1969 年,随着阿波罗 11 登月计划的成功,NASA 的太空经费开始缩减,哈勃望远镜的项目也面临「胎死腹中」的危险,据知情者描述,时任美国总统的福特和美国众议院就差点下令砍掉大型空间望远镜项目。

▲ 登月计划的成功,让哈勃项目面临危机,图片来自网络

幸好当时美国的天文学家经过多方游走宣传,最终发起了全国性的请愿以求保住这台当时还没有被命名为哈勃的大型空间望远镜。美国国家科学院出版的报告中也强调了空间望远镜的重要性,NASA 甚至邀请了欧洲航天局(ESA)加入研发并承担 15% 的研制经费,并将原定的 3 米口径缩减到了 2.4 米。经过一系列的操作,国会终于在 1977 年通过了 2 亿美元的预算。尽管这笔预算比原定的预算少了将近一半,好在人类历史上首个大型空间望远镜项目也算正式启动了。

尽管获得了「难于登天」的国会的批准,可接近一半预算的缩水让哈勃的设计和制造依然面临着不小的挑战。

由于预算被严重缩水,整个研发小组不得不一边向国会伸手要钱一边研发,这导致整个望远镜的主镜制造工作直到 1981 年底才全部完成,而光学组件直到 1984 年才完成。在 1986 年哈勃望远镜全部完工时,整体的预算是当时国会批准的五倍之多,整整十亿美元。

预算的大幅增长和研发周期的延长,让本就不受国会待见的哈勃项目在美国国内备受质疑,甚至连当初为其请愿的美国民众都对这个项目失去了信心。在一片质疑声中,哈勃的各个部分于 1985 年组装完成,NASA 将发射时间定在了 1986 年 10 月。可是,就在距离原定发射时间的九个月的时候,上天给全世界的人们开了一个极其沉痛的玩笑。

▲ 挑战者号航天飞机解体瞬间,图片来自网络

1986 年 1 月 28 日,美国挑战者号航天飞机在升空 73 秒后发生解体爆炸,7 名宇航员全部遇难。这场航天灾难让美国的航天事业受到了沉重的打击,所有航天飞行计划不得不强制取消。遥遥无期的哈勃项目又一次陷入了泥潭。

事后,美国航天事故委员会对挑战者号事故进行了 5 个月细致的调查,而 NASA 也对航天飞机进行了 400 处以上的修改,终于经过 4 年漫长的等待,1990 年 4 月 24 日,搭载着哈勃望远镜的「发现号」航天飞机成功升空,将哈勃望远镜送入了距地表 600 公里的轨道。

▲ 哈勃望远镜离开航天飞机瞬间,图片来自 NASA 官网

从立项到发射,历史 20 多年,耗资 25 亿美元,哈勃望远镜终于要开始行使它的使命,而全世界都在等待着它传回的第一张照片。

价值 20 亿的近视眼和史无前例的「眼科大夫」

1990 年 5 月 20 日,哈勃望远镜向地面传回的第一张照片成像质量远远没有达到设计要求。通过对哈勃望远镜进行不断调焦,依然得不到清晰的图像,说明光学系统存在严重的问题。奋斗了这么多年,人们惊讶地发现哈勃望远镜竟然是个近视眼。这意味着 25 亿美元的投入,换来的只是一堆「破铜烂铁」。

▲ 哈勃传回的第一张照片(右)和智利拉斯坎帕纳斯天文台望远镜拍摄的同一片空域,图片来自 NASA 官网

一夜之间,哈勃成为了全美的笑话。甚至在美国当地的深夜喜剧节目 CARSON 中有脱口秀演员说道:「我现在甚至希望苏联把它击落,因为这样它至少能探测苏联的太空武装力量。」这句笑话在现在看起来荒谬至极,但当时确实收获了节目观众的满堂喝彩和笑声。

当全世界都在尽情嘲笑它时,NASA 却一直没有放弃它,NASA 联合多个航天中心和美国国会中支持哈勃的议员,一起通过了修复哈勃的航天计划。

由于在研制过程中对于哈勃望远镜的质量管理出现了失误,从而错失了地面解决问题的机会,这几乎让 NASA 完全失去了美国民众的信任,此次维修任务的意义不仅关乎 NASA 自身,同时也关乎后续人类探索太空的财政拨款。若任务失败,人类探索太空的进程说不定要再晚个二十年。

1993 年 12 月,「奋进号」航天飞机升空,对哈勃望远镜进行了仪器和设备的更换。其中最重要的操作有两个:1. 更换新的广域和行星相机,在相机内部对球面像差进行校正;2. 光轴补偿校正光学组件取代了高速光度计,在外部对其他现有仪器的球面像差进行校正。这两个操作为哈勃望远镜戴上了「眼镜」,解决了「近视」问题。

▲ 两名宇航员为哈勃「治疗近视」,图片来自 NASA 官网

在失重环境中对精密的设备进行维修是一件史无前例的挑战,宇航员穿着笨重的舱外航天服本就是行动不便,加上哈勃望远镜上的仪器高度精密且脆弱,如果操作不慎就很有可能损坏仪器而导致几亿美元的投入又有可能打了水漂。

并且,哈勃望远镜围绕地球公转只需要 90 分钟,也就是说每 90 分钟就会经历一次白天和黑夜的交替,光照条件和温度都会产生剧烈的变化,而没有大气层保护的宇航员只能靠着舱外服来扛过这样艰难的环境变化。这样的维修任务无论是对于宇航员还是哈勃,都是极其巨大的考验,为了应对挑战,担任此次维修任务的宇航员还特地在约翰逊太空中心 2 万立方米的水池中进行了 1:1 地仿真模拟训练。

▲ 宇航员进行仿真模拟实验,图片来自 NASA 官网

1994 年 1 月 13 日,NASA 召开记者会宣布此次维修任务已经成功修正了哈勃望远镜上此前存在的成像问题,而后续传回的图像可以达到预期的清晰度。这次记者招待会看作是 NASA 自我救赎的发布会也不为过,这次任务的成功和哈勃的正常运行不仅让 NASA 重获新生,同时也树立了一个历史性的里程碑——哈勃望远镜即将把人类对宇宙的认知带入崭新的时代。

▲ 哈勃望远镜修复前后图像对比,图片来自网络

之后哈勃还经历了多次保养和维修,而每一次维修都让哈勃拥有了新的能力,使其一直作为「地球之窗」,帮助人类探索宇宙的奥秘。

重新认识哈勃

经历了坎坷的前半生,哈勃终于可以带领人们探索太空。

开头我们说到,哈勃被成为「人类历史上最成功的科学实验」,或许有人对此抱有疑惑。但当你看到哈勃对于人类探索太空贡献的数据和成果后,你就不会那么认为了。

▲哈勃拍摄的著名创世之柱,图片来自网络

自 1990 年升空以来,哈勃望远镜总共完成了超过 150 万次科学观测,帮助天文学家发表了超过 15000 篇科学论文,这些论文被其他领域的论文引用超过 70 万次,其每年产生 10TB 数据,目前总存储数据超过 150TB,是史上最具有生产力的科学仪器。除了这些极具震撼力的数据,哈勃还发现了其他预期之外的内容。

NASA 的天体物理学家;哈勃望远镜首席科学家(1979-1998)埃德·韦勒曾在采访时说到:「哈勃望远镜观测到了一些我们当初预期之外的内容。毫不夸张的说,它改变了我们对宇宙的观点。」

1. 超大质量黑洞遍及星系

1990 年哈勃望远镜发射之前,天文学家们只在双星系统中证实了黑洞的存在。当哈勃望远镜的成像光谱仪(STIS)在 1997 年投入运转时,天文学家迅速将其对准了距离地球最近的超迷你星系——M87 星云的核心。没想到发现了星系中心潜藏着一种令人震惊的黑洞类型——超大质量黑洞,它的质量从一百万个太阳质量到几十亿个太阳不等。

▲ M87 星云,拍摄者:Martin Pugh

并且,通过后续对宇宙其他星系的观察发现,几乎每个单体星云当中都存在这一个超大质量黑洞。

2. 证实暗能量的存在

在 1998 年,两个研究小组通过哈勃望远镜发现:Ia 型超新星,这种罕见的恒星爆炸能够释放出数量巨大的,持久的光。通过仔细测量来自这些活动的光的红移现象(光波向着可见光谱中红色的一端变化),科学家发现我们的宇宙正在膨胀,膨胀的速率则被定义为「哈勃常数」。

▲ 哈勃拍摄的 la 型超新星照片,图片来自网络

而根据「哈勃常数」进行倒推,科学家们断言我们的宇宙已经有 136 亿年的历史。这也是人类第一次测算出宇宙的历史年纪,而哈勃望远镜也在其中扮演了很重要的角色。

3. 哈勃深场

1995 年 12 月 18 日至 28 日,哈勃连续十天对大熊座的一小片天区进行了近 100 个小时的观测,拍摄了 342 张照片,经过合成后得到了著名的哈勃深场(HDF)照片。

▲ 著名的哈勃深场(HDF)照片,图片来自网络

哈勃深场的照片揭示了前所未有的遥远星系的大量细节,创造了历史。深场中的每一个亮斑都是一个星系,每个星系中又包含了到万亿颗恒星,其中能分辨出的星系就有 3000 多个,这些遥远的星系比我们裸眼能看到最暗的天体还要暗淡 40 亿倍。

从哥白尼提出日心说到埃德温·鲍威尔·哈勃发现河外星系,经历了近四百年。人类从最开始以为银河系即宇宙到现在可以观测到上万亿个河外星系仅仅过去了不到一百年时间,哈勃望远镜的出现让人类对于宇宙的观察得到了前所未有的发展,而这些绚丽的成果也不禁让我们思考自己在宇宙中的存在意义和价值。

哈勃的出现,让世界各地的人感受到了宇宙的美妙;哈勃的出现,让我们知道原来人类如此渺小;哈勃的出现,让人类真正意义上的团结在了一起。

原设定为 15 年服役期的哈勃,已经远远超过了它原定的服役年头,自 2009 年之后,再也没有人触碰过它,可是它依然在为我们呈现地球之外的美丽世界。

最后,小探引用一句埃德温·鲍威尔·哈勃的名言来结束本期《科技拾遗》并向服役 30 年的哈勃致敬。

我们不知道我们为何会生在这世上,但我们可以追寻着世界的真相。

——埃德温·鲍威尔·哈勃

参考资料:

https://bolide.lamost.org/articles/article289.htm

https://www.youtube.com/watch?v=caLc3hIMApQ

https://www.youtube.com/watch?v=Lo43Gq_Xe1M&t=1319s

https://www.ixigua.com/cinema/album/87wFvZnhs0g_87IF1FS6ynA/?logTag=jyW4YJliEzSM2jMvnCkrs

https://www.chinatimes.com/cn/fashion/20200330005261-263904?ctrack=pc_main_rtime_p08&chdtv

https://www.nasa.gov/mission_pages/hubble/main/index.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Hubble_Space_Telescope

https://www.space.com/15892-hubble-space-telescope.html

https://www.bbc.com/news/science-environment-52106420

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