拯救“哈勃”

2008年10 月底，美國宇航局宣布，預定于2009 年2 月進行的哈勃太空望遠鏡第五次維修任務將推遲到2009 年5 月或者之后進行，原因是一個重要的替換部件的準備至少需要半年以上的時間。由于這次維修很可能是“哈勃”的

最后一次維修，此消息一經發布，立即引起全球媒體和天文愛好者的廣泛關注。

“哈勃”于1990年4月發射升空，到2002年3月，宇航員總共四次搭乘航天飛機前往太空對它進行維修保養，包括更換零件儀器。2003 年2 月1 日，“哥倫比亞號”航天飛機在重返地球大氣層的過程中解體，機上7 名宇航員全部喪生。基于安全方面的考慮，美國宇航局隨即宣布取消對“哈勃”的第五次維修。后經激烈的公開討論，美國宇航局重新考慮上述決定，最終拍板對“哈勃”進行第五次、但也是最后一次維修。維修時間原定在2008 年10 月，后推遲到2009年2 月之前，現在又再次推遲，最終時間仍未確定。

作為有史以來最大、最精確的天文望遠鏡，“哈勃”給我們帶來了各種新發現，使我們對宇宙的認識產生了重大改變。

現代火箭學之父、德國科學家赫曼·奧伯斯早在1923年就提出，可以用火箭把望遠鏡送入地球軌道。1946年，美國天文學家利曼·斯皮策在一篇論文中討論了太空望遠鏡與地面天文臺相比所擁有的兩大優勢：首先，地外天文臺不會受到地球大氣層的擾動影響，而這種擾動會導致從地面望遠鏡中看到的星星閃爍；第二，太空望遠鏡能夠觀測紅外光和紫外光，而這兩種光會被地球大氣強烈吸收。

1962年，美國國家科學院建議，作為太空計劃的一部分，應該開發太空望遠鏡。1965年，斯皮策被任命為一個委員會的主任，該委員會的任務就是定義一架大型太空望遠鏡的科學目標。

1966年，美國宇航局的第一架“太空天文臺”（OAO-1）發射升空，不幸的是，3天后即因電池失靈而告終。1968年，美國宇航局發射OAO-2，它對恒星及星系進行的紫外光觀測一直持續到1972年，其壽命遠遠超過了原預定的1年。

兩次OAO任務顯示，太空天文臺可能對天文學的發展起到重要作用。1968年，美國宇航局終于宣布了一項計劃：建造一架直徑為3米的反射式太空望遠鏡。該計劃的暫定名稱為“大型環繞望遠鏡”或“大型太空望遠鏡”。該計劃強調：為了讓非常昂貴的大型太空望遠鏡擁有盡可能長久的工作壽命，需要派遣宇航員去太空維護它，而正在進行的可重復使用的航天飛機的研發，使太空望遠鏡的人工維護不成問題。

1970年，美國宇航局成立了兩個專門委員會，負責太空望遠鏡計劃的工程設計，制定其科學目標。接下來，為了尋求巨額的項目資金（要知道，建造太空望遠鏡要比建造地面望遠鏡昂貴得多），美國天文學家發起了全國范圍內的游說活動，許多天文學家還親自與眾議員和參議員會面。最終，美國國會批準，在1978年這一年度，為太空望遠鏡項目注資3600萬美元。大型太空望遠鏡的研發終于付諸實施。

1983年，這架太空望遠鏡被正式命名為“哈勃”，得名于美國天文學家埃德溫·哈勃，他關于“宇宙正在膨脹”的理論是20世紀最偉大的科學發現之一。

到1985年，“哈勃”已經在地面上裝備完成，只等升空。然而，1986年1月28日，“挑戰者號”航天飛機在升空73秒后爆炸解體，7名機組成員全部遇難，導致美國航天計劃全部暫時終止，不僅航天飛機的飛行任務被取消，“哈勃”的發射也被推遲。

此后，整個“哈勃”系統不得不被保存在一間潔凈室里。直到在航天飛機恢復飛行之后兩年，1990年4月24日，好事多磨的“哈勃”終于被“發現號”航天飛機成功送入計劃軌道。

“哈勃”在發射升空時一共攜帶了五臺科學儀器：寬視場和行星照相機、戈達德高像素光譜儀、高速光度計、微弱物體照相機和微弱物體光度計。1990年，“哈勃”發射升空后，很快便開始向地球發回它拍攝到的太空圖片。

可是，幾周后科學家發現“哈勃”成了“近視眼”，視物不清，完全沒能達到預想的觀測能力，這說明望遠鏡的光學系統出現了嚴重的問題——由于無法進行最終聚焦，導致圖像模糊不清。科學家經過分析發現：在地面上，當一架光學望遠鏡的口徑很大的時候，設計師必須考慮鏡面在重力作用下產生的微小形變，否則這種形變會影響到望遠鏡的準確成像。問題就出在這里：設計師們在設計“哈勃”的主鏡面時，未將形變因素考慮在內，而實際上“哈勃”卻是運行在太空的失重環境之中的。因此，“哈勃”的主鏡面被打磨成了略微錯誤的形狀。

幸好，“哈勃”的設計理念中本來就包含了維修的概念，科學家們立即著手研究解決問題的辦法。可不可以把“哈勃”臨時帶回地面重裝系統？不可以！因為這樣做既耗時，又太費錢。怎么辦？科學家們自有辦法——派宇航員搭乘航天飛機到太空去維修“哈勃”。

1993年12月，美國宇航局派宇航員搭乘航天飛機前往“哈勃”，對它進行了第一次維修。他們為它安裝了一片“近視鏡”，使它能夠把星星聚焦為一個光點而不是一片模糊的光斑。

接下來，在1997年、1999年和2002年，宇航員又三次乘坐航天飛機前往“哈勃”，對它進行了一系列的維修保養，包括更換壞掉的回旋儀（一種幫助“哈勃”指向觀測目標的儀器），更換太陽能電池板，同時還為它添加了新的觀測設備。這些都是“哈勃”能夠運轉至今的保證。

“哈勃”是迄今為止唯一的被設計成在服役期間需要宇航員在太空進行維修的望遠鏡。自1990年升空至今，由航天飛機運載前往的宇航員已經對“哈勃”進行了四次維修和升級，不僅更換了舊的儀器，還為“哈勃”增添了一些新的科學功能。

然而，2003年“哥倫比亞號”航天飛機的爆炸解體造成7名宇航員殞命。在一份長達248頁的最終調查報告中，美國宇航局把“安全”作為航天飛機執行任務的首要前提。2004年1月，在“哈勃”即將迎來它升空14周年紀念日的時候，時任美國宇航局局長的西恩·歐基非突然宣布：取消對“哈勃”的第五次、也是最后一次維修。歐基非稱，取消對“哈勃”的維護是出于對宇航員生命安全的考慮。

對“哈勃”來說，這意味著什么？

“哈勃”必須使用回旋儀來保證自己在軌道中保持穩定姿態，并準確指向被觀測目標。通常，為實現上述目的，需要3套回旋儀同時工作。2005年8月，為了延長“哈勃”的壽命（任務期），“哈勃”已被指令只使用兩套回旋儀，另外兩套備用（還有兩套已經失靈）。如果不能及時加以更換，估計最早在2008年底，“哈勃”就只能靠一套回旋儀支撐，“哈勃”因此很可能無法再進行連續的科學觀測。

“哈勃”還需要更換鎳氫電池。曾經有人設想用機器人來完成這項任務，但由于需要進行很多操作，而其中任何一步操作失敗都可能造成對“哈勃”的致命損傷，因此目前還難于實現。

雖然“哈勃”在非常稀薄的地球上層大氣中環繞地球飛行，但隨著時間推移，其運行軌道仍然會因阻力而衰減（降低高度）。如果不能通過航天飛機或其他手段進行提升，“哈勃”就將在2010～2032年之間的某個時間重返地球大氣層，具體時間則要看太陽的活躍程度及其對地球上層大氣的影響如何。回旋儀也會影響“哈勃”重返地球大氣層的時間，因為只要“哈勃”的方向可被控制，它就能把大氣阻力降低到最小程度。

如此看來，如果“哈勃”的維修任務被取消，其上的所有儀器設備最終將全部失靈，“哈勃”將墜落地球。值得一提的是，據專家測算，假如“哈勃”在重返過程中完全失控，雖然其大部分組件在穿越大氣層時將被完全燒毀，但仍有約兩噸殘骸墜落地面，造成人員傷亡的概率為700分之一。

美國宇航局停止維修“哈勃”的決定遭到了美國公眾的反對，成千上萬封來自美國中小學生的呼吁信被寄到美國宇航局，要求拯救“哈勃”的呼聲日益高漲。同時，這個決定也遭到了許多天文學家的批評，他們認為“哈勃”當然值得再次大修，哪怕有一定的風險，這不僅是因為“哈勃”貢獻卓著，還因為“哈勃”的繼任者雖然在某些方面可能更優秀，但并不像“哈勃”那樣全能，而且并非位于低地球軌道，如果在早期出現問題就沒有那么容易維修或者升級儀器設備了。

由于美國公眾的強烈反對，同時美國國會也要求提出拯救“哈勃”的辦法，歐基非于2004年1月表示，他將重新審視自己做出的取消“哈勃”最后一次人工維修任務的決定。

2005年4月，美國宇航局新任局長麥克·格里芬走馬上任。他于當年10月宣布：將進行第五次、也是最后一次“哈勃”維修任務，由定于2008年10月14日發射的“亞特蘭蒂斯號”航天飛機執行。這次維修任務包括安裝新電池、更換全部回旋儀、安裝“寬視場3號相機”和“宇宙起源光譜儀”。

沒有想到的是，2008年9月，“哈勃”的主要信息處理器突然失靈，導致一切科學信息報告停止，被迫啟動備用信息處理器。為了準備好需要更換的非常復雜的信息處理器，第五次“哈勃”維修任務被推遲到2009年2月。到2008年10月31日，“哈勃”又基本恢復如常，而此時美國宇航局卻又宣布：由于相關的準備工作仍需時日，所以最后一次“哈勃”大修最早也要等到2009年5月才會實施。

人們期待著對“哈勃”成功進行第五次維修，因為這樣它至少可以運行到2013年，屆時它的繼任者——詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將發射升空。不過，也有科學家說，盡管“韋伯”在很多方面都將比“哈勃”先進得多，但它只能在紅外光譜范圍內進行觀測，而“哈勃”還可以觀測可見光和紫外光。因此，“韋伯”并不能全部替代“哈勃”，而只能作為“哈勃”的補充。

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“哈勃”的發現

在太空服役的19年中，“哈勃”已經向地面發送了無數極有價值的圖片，它所獲得的觀察數據不僅幫助科學家們解答了天文學中的一些懸而未解的奧秘，而且還引出了一些新的未解之謎。

“哈勃”幫助天文學家測定宇宙的年齡，將宇宙的年齡精確到130億至140億年之間。這是它的主要成就之一。“哈勃”更準確地測量出從地球到仙王座變光星（也稱變星）之間的距離，由此來限制“哈勃常數”的數值。所謂“哈勃常數”，是指宇宙膨脹的速率，這也跟宇宙的年齡有關。在“哈勃”升空之前，對“哈勃常數”的估計值常常有多達50%的錯誤。而“哈勃”對遙遠星系簇的測量結果，使“哈勃常數”的數值誤差縮小到了10%，并且這一結果跟用其他方法測出的更準確結果是一致的。事實上，自“哈勃”發射以來，科學家運用其他技術來更精確地測量了“哈勃常數”。

“哈勃”對有關宇宙未來的理論提出了質疑。天文學家運用“哈勃”對遙遠的超新星爆發進行觀測，結果發現宇宙正在加速膨脹。后來，更精確的地面觀測及空間觀測證實了“哈勃”的這一發現。不過，宇宙加速膨脹的原因迄今仍是一團霧水。

由“哈勃”提供的高像素光譜和圖像，為星系核心普遍存在黑洞的理論提供了證據。早在20世紀60年代，科學家就假設在一些星系中心將會發現黑洞。到20世紀80年代，科學家又辨識了一定數量的黑洞候選者。而“哈勃”的探索結果顯示，黑洞很可能在一切星系中心都存在，并且這些黑洞的質量跟這些星系的特性密切相關。

1994年，“蘇梅克-列維9號”彗星與木星發生大碰撞，剛經過第一次修復的“哈勃”以前所未有的清晰度對這次大碰撞進行了拍攝。像這樣的大碰撞，據信每幾百年才會發生一次。

科學家還運用“哈勃”的觀測資料取得了很多重要發現，例如：在獵戶星座發現了原行星盤，找到了在太陽系外的類太陽恒星周圍也存在行星的證據，找到了迄今仍舊謎云籠罩的伽瑪射線爆發存在的證據。此外，“哈勃”還被用來研究太陽系外圍的天體，包括矮行星冥王星和鬩神星。

“哈勃”的一個獨特貢獻，就是其拍攝的深視場和超深視場圖像。“哈勃”以自己在可見光波長無與倫比的敏感度，為迄今為止在光學波長獲得的最深處小片天空拍攝了圖像。這些圖像揭示了距離地球數十億光年之遙的星系模樣，幫助科學家寫出了大量論文，為探察早期宇宙打開了一扇新的視窗。

“哈勃”看見遙遠行星

2008年11月13日，美國宇航局宣布，“哈勃”拍到了環繞太陽之外另一顆恒星運行的行星的可見光照片，這也是人類首次直接拍攝到地外行星。這顆環繞南魚星運行的行星被命名為“南魚b”，其質量估計不超過木星的3倍。南魚星是一顆明亮的恒星，位于南魚座，距離地球大約25光年。

早在20世紀80年代，美國宇航局的“紅外天文衛星”就發現南魚星周圍有多余的塵埃環繞，而這正是行星正在形成的跡象。此后，南魚星成為尋找行星的科學家的主要候選目標之一。

2004年，科學家運用“哈勃”拍攝南魚星，發現它被一條原始行星殘骸環包圍。他們還注意到圖像中有幾個明亮的光源，可以作為行星候選對象。2006年，“哈勃”拍攝的照片顯示，其中一個候選對象跟2004年的照片相比已改變位置。科學家由此計算出這個天體圍繞南魚星運行的公轉周期是872年，即每872年才繞完一圈南魚星——這個天體就是南魚b。

“哈勃”的繼任者——詹姆斯·韋伯太空望遠鏡定于2013年發射，屆時它將在紅外波段對南魚星作更精確的觀測。“韋伯”還將在南魚星系統中搜尋其他行星，并尋找諸如小行星帶之類的結構。

“哈勃”的世界

星系

鬼眼星系

M64星系位于北方星空的后發座，距離地球大約1.7億光年，由法國天文學家梅塞耶在18世紀首次記錄。M64實際上是由兩個星系發生碰撞后留下的一個外形奇異、內部異動的合并星系。因其明亮內核前方有一條正在吸收塵埃的壯觀暗色帶，故又有“鬼眼星系”的綽號。

由“哈勃”拍攝的這幅圖像顯示了M64暗色帶的細節。看上去，M64是一個相當規整的輪轉焰火形旋轉星系。跟其他絕大多數星系一樣，在M64的內部，所有恒星都朝著相同的方向運行。但是，在M64的外圍，星際氣體的旋轉方向正好相反。

在外圍，反向旋轉的星際氣體相互碰撞、壓制、收縮，從而引發活躍的恒星形成大潮。在這幅圖像中，尤其顯眼的是那些剛剛形成的熾熱的藍色恒星，以及那些由發光氫氣構成的粉色氣云。

天文學家認為，大約10億年前，M64吸收了一個與之碰撞的小星系，產生了這些反向旋轉的星際氣體。

誕星風暴

這是“哈勃”拍攝的NGC 2074星團（圖左上方）附近星云的一小部分，這里是原恒星誕生的風暴區，這場恒星誕生大潮很可能是由發生在附近的一次超新星爆發催生的。

這幅圖像顯示了由塵埃構筑的極富戲劇性的“山脊”和“山谷”，還有蛇頭形狀的“創造之柱”，以及在潮水般紫外輻射之下劇烈發光的氣體。這片區域位于一團暗分子云的上端，而這團分子云則是新恒星的“孵化器”。

已經誕生在NGC 2074中的那些年輕而熾熱的恒星噴出高能輻射，正在通過緩慢的磨蝕塑造著星云之壁。在圖中下部明亮的藍色環形氣云圈下面，很可能還隱藏著另一個年輕的恒星簇。

在圖中這片差不多有100光年寬的奇異風景中，暗色的塵埃塔聳立在分子云表面發光的氣體墻上。圖右下方那根海馬形狀的氣柱，長度近20光年。它位于“大麥哲倫云”，這個“云”是銀河系中的一個小“衛星”，也是觀察恒星形成及演化過程的好地方。像“大麥哲倫云”這樣的矮星系，被認為是構建較大星系的原始建筑單元。

行星

極光變幻

“哈勃”連續好幾天觀測土星的南極地區，從而拍下了土星極光在天空中舞蹈的系列照片。這些照片表明土星極光每天的特征都不同，有時每天都在移動，有時一連幾天都呆在原地，這跟地球極光類似。不過，地球極光產生于大約10分鐘內，持續幾小時，而土星極光看上去一直很明亮，有時能持續好幾天。

從太空看，極光就像是環繞行星極地的發光氣體環。極光是空間帶電粒子跟行星磁場發生碰撞時產生的，帶電粒子被磁場加速至高能量，躥進行星上層大氣，并與其中的氣體碰撞，從而產生以可見光、紫外光和紅外光形式出現的能量性發光，這便是極光。

火星肖像

在近6萬年的時間里，火星第一次最近距離地靠近地球，而“哈勃”抓住了這個機會，拍下了這張火星肖像。火星和地球大約每26個月有一次“近距離相遇”，這是由這兩顆行星的不同軌道決定的。

在這張清晰的自然色彩火星圖片上，顯示了好幾處搶眼的火星地貌，包括太陽系里最大的火山奧林匹斯山，被稱為“水手谷”的山谷系統，被叫做“太陽湖”的廣袤黑暗區域，以及火星的南極冰帽。

奧林匹斯山位于圖片中心上方一點點，呈橢圓形，其面積和美國亞利桑那州相近，高度是珠穆朗瑪峰的3倍。這座休眠火山位于塔爾西斯高原。塔爾西斯高原的面積與美國大致相同，其上躺著好幾座死火山。

在塔爾西斯高原右下方的那道長而暗的“疤痕”是水手谷，這是一個長達4000千米的山谷系統。在水手谷下方一點點就是太陽湖，也叫“火星眼”。太陽湖左側的暗色地貌是火星的南部高地，其中布滿隕擊坑，其直徑從50～200千米不等。

在圖片下方的白色區域就是火星的極帽。

恒星

在劫難逃

在這個恢弘的螺旋狀星系——渦旋星系中，數十億顆恒星熠熠發光，其中一顆大質量恒星在一次明亮閃爍中猛然結束了自己的生命。這是“哈勃”發現并拍攝的“超新星2005cs”爆發的系列照片。一些恒星為什么會發生超新星爆發？

有兩類恒星會發生超新星爆發。第一類被稱為Ia超新星，是在恒星內核燃燒殆盡時產生的。這一類恒星的遺骸被稱為白矮星，它從相伴的恒星吸取氫，從而使自己的體積膨脹到太陽的2.4倍，由此引發構成白矮星的碳和其他元素的爆炸性燃燒，因此產生超新星爆發。如果一顆恒星的質量達到太陽的8倍以上，就會產生第二類超新星爆發。當恒星燃盡自己的核燃料之后，其內核就會坍縮，直至達到密度極限后，坍縮停止，隨之而來的巨大沖擊波一直傳導到恒星的外層，撕裂外層材料并將其以每秒數十乃至上百千米的速度噴射出去。

內環光秀

“超新星 1987A”爆發是400多年來最明亮的超新星爆發之一，“哈勃”于1990年升空后不久便開始觀測這一爆發。從這個影集中可以看出，環上的發光點越來越多，這是由爆發產生的沖擊波襲擊氣體環產生的。

天文學家在1997年觀測到上述環中的第一個亮點，至今環中已有數十個亮點。未來幾年中，在吸收了沖擊波的全部能量后，整條環將熊熊燃燒，并有可能照亮這顆恒星的周圍，從而為科學家提供有關恒星在爆發前怎樣噴射出材料的信息。

星云

死于冰火

NGC 6302星云，距離地球大約4000光年，位于南方的天蝎座，是已知最明亮和最極端的星云之一，其中心的烈焰亡星（瀕死恒星）被一層冰雹包裹。這張由“哈勃”拍攝的圖像顯示了由被壓縮氣體構成的壯觀氣墻，以及墻邊蔓延的泡泡狀的流出物。一個滿身塵埃的暗色花床包圍著內星云（位于圖中右上方）。在圖中這一片動蕩的腹心，是已知最熾熱的恒星之一。不過，盡管溫度高達25萬攝氏度，我們卻永遠無法看見這顆星，因為它被塵埃徹底包裹，幾乎只在紫外波段發光，因而難以觀測。

黑洞

喂養黑洞

這張照片顯示了一個巨大的塵埃環正在向NGC 4261星系（距離地球4500萬光年）中可能存在的中心黑洞輸送“食物”的情景。科學家估計，在這個直徑寬達300光年的塵埃環的中心，很可能隱藏著一個黑洞。

這個暗色的塵埃環代表著一個寒冷的外圍區域，它朝向一個超熱的吸積盤。吸積盤位于這個黑洞附近數百千米處，正在向黑洞喂食材料，而黑洞的巨大引力則壓縮并加熱這些材料。一些熾熱氣體噴出黑洞的視界，產生電波噴流，噴流與吸積盤互相垂直，就像一根軸穿過一個輪子。這張照片為星系中心存在黑洞提供了強有力的證據，這也正是“哈勃”最偉大的貢獻之一。

星系殘殺

“哈勃”讓科學家近距離地看到了星系互相殘殺的畫面：銀河系附近的一個巨大星系——“半人馬座A”中心隱藏的超大質量黑洞，正在一次壯觀的大碰撞中吞噬一個較小的星系。如此燦爛的焰火秀在宇宙的早期很常見，因為那時星系正處在形成和演化的過程中，而今天這樣的焰火秀已非常罕見。

“半人馬座A”是距離地球最近的活躍星系。“哈勃”拍攝的這張圖片顯示，在“半人馬座A”周圍的塵埃環中，正在爆發洶涌澎湃的恒星形成大潮。圖左上方的小圖顯示的是“半人馬座A”星系的全貌，藍色輪廓代表“哈勃”的視野。較大的中央圖片是“哈勃”對“半人馬座A”的特寫。從這張圖可以看到，沿著暗色塵埃帶聚集著由年輕的藍色恒星組成的明亮星簇，縫隙外的天空中則布滿柔和的光暈——它們是星系中古老得多的居民，包括紅巨星和紅矮星。

宇宙

宇宙掛毯

這張堪稱“宇宙掛毯”的圖片，代表著“哈勃”在自己的“超寬視場”任務中所拍攝的星系中的一小部分。這項觀測任務也是迄今為止在可見光波段的最遠距離觀測宇宙的任務。在這張“哈勃”快照中，你能看見不同年齡、不同大小、不同形狀和不同色彩的星系。

遙遠渦旋

NGC 4603是一個非常壯觀而又十分遙遠（距離地球1.08億光年）的渦旋星系，也是一種特殊的脈沖星——造父變星的發現地。這是“哈勃”拍攝的NGC 4603星系照片。年輕而明亮的藍色恒星群凸顯出NGC 4603的旋臂，與之對應的是在此過程中死亡的紅巨星。圖中大量的散射光來自更遙遠的星群，即使“哈勃”也不能單個辨識它們。圖中略顯紅色的絲狀地帶，則是因為塵埃云阻擋了其后面的恒星所發出的藍光而發紅的。