哈勃望遠鏡的“起死回生”

沈羨云

2009年5月11日，美國的“亞特蘭蒂斯”號航天飛機順利發(fā)射升空，這次它擔負著十分特別的任務：充當“太空醫(yī)生”，為“哈勃”太空望遠鏡進行“臨?！鼻暗氖中g。為了防止手術中出現(xiàn)意外，在“亞特蘭蒂斯”號航天飛機發(fā)射的同時，另一架“奮進”號航天飛機也在發(fā)射架上整裝待發(fā)，準備營救萬一出現(xiàn)問題的“亞特蘭蒂斯”號航天飛機。美國宇航局專家指出，如果這次修復活動取得圓滿成功，那么未來5年“哈勃”性能將達到巔峰，哈勃望遠鏡的功能將比1990年剛發(fā)射時強90倍。不過，一旦修理任務失敗，哈勃望遠鏡這個立下汗馬功勞的天文學“皇冠上的寶石”只能變成一塊價值69億美元的太空垃圾。

手術原因

哈勃太空望遠鏡1990年升空，至今已經(jīng)在太空度過19個年頭了。在這19年中，它為人類打開了一扇觀察宇宙的窗戶，帶著我們游歷神秘的宇宙世界。在人們的心中，“哈勃”不僅是一架望遠鏡，它更是一個標志，一部傳奇，一個令許多人難以割舍的時代。19年的光陰逝去，哈勃時代慢慢走到盡頭。它服役期間曾多次出現(xiàn)故障和設備老化跡象。為了修復它，航天員分別在1993年、1997年、1999年、2001年對它進行了4次大修，付出了高昂的代價。雖然在每次大修后，哈勃都面貌一新，特別是2001進行第4次大修時，為它安裝測繪照相機，更換太陽能電池板，更換已工作11年的電力控制裝置，并激活處于“休眠”狀態(tài)的近紅外照相機和多目標分光計，使它年輕了不少，但是這種修修補補仍然掩蓋不住它的“老態(tài)”，它始終還是處于“帶病堅持工作”狀態(tài)。目前，盡管哈勃望遠鏡的情況還可以，但是如果不馬上進行“治療”的話，可能2010年就是它“壽終正寢”的時間了，它將墜入大氣層，走向“自焚”的道路。

但是，哈勃望遠鏡的功績是不可磨滅的，哈勃望遠鏡是有史以來最大、最精確的天文望遠鏡，它上面的廣角行星照相機可拍攝上百個恒星的照片，其清晰度是地面天文望遠鏡的10倍以上，1.6萬千米以外的一只螢火蟲都難逃它的“法眼”。在很多研究人員眼中，“哈勃”輝煌的一生也是天文學研究的黃金時代。在19年的勘測歷程中，它完成了環(huán)繞地球10萬多圈飛行，采集39兆兆字節(jié)的數(shù)據(jù)資料，這些資料足以將兩個美國國會圖書館塞滿。每個月哈勃太空望遠鏡都將產生800多億字節(jié)的數(shù)據(jù)資料。天文學家基于哈勃天文望遠鏡的觀測資料，發(fā)布了超過7500多份科學研究報告，成為迄今獲得最多科學研究成果的儀器，僅2008年科學家就發(fā)表了與哈勃觀測數(shù)據(jù)有關的700篇論文?？茖W家從它19年來的赫赫功績中，精心篩選出12項最突出的貢獻。它們是：1)首次證實暗物質的存在；2)探測到冥王星的衛(wèi)星；3)觀察到類星體明亮的光線：4)看見彗星碰撞木星；5)發(fā)現(xiàn)加速的宇宙；6)了解完整的星系形成過程；7)從可見光視角下探測到第一顆地外行星；8)為超大質量黑洞“稱重”；9)觀察到宇宙中最強烈的爆炸：10)證實行星誕生于恒星灰塵盤；11)觀察到恒星絢麗的死亡；12)獲得宇宙的年齡。

近年來，哈勃望遠鏡故障不斷，而維修的代價過高，美國宇航局曾決定放棄。但由于哈勃望遠鏡在太空中的聲望極高，各國科學家均呼吁讓它在太空中多停留幾年。終于，去年美國國家航空航天局(NASA)局長格里芬宣布，NASA將在2008年發(fā)射“發(fā)現(xiàn)”號航天飛機對哈勃望遠鏡進行維修。當時。兩架航天飛機已經(jīng)豎立在那里待命了，但是到了g月底，哈勃望遠鏡生病了，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)了問題，不能馬上維修。通過地面遙控，啟動了備份系統(tǒng)，終于去年10月份又能工作了，后來經(jīng)過了大量的準備工作，最后決定2009年5月對哈勃進行維修。

手術危險性的估測

正如醫(yī)生在動手術前要對手術中的危險性進行仔細地分析和估測一樣，對這次有史以來進行的太空最大修復手術，航天專家們也進行了多次討論和仔細分析，對修復的危險性和難度進行充分的估測。

哈勃望遠鏡手術過程中最大的威脅來自太空垃圾。哈勃望遠鏡是在距地面500千米的太空上進行觀測，因為這里不僅不受惡劣氣候的影響，每天可以進行觀測，而且擺脫了地球大氣的干擾，能夠達到地面上任何望遠鏡達不到的高靈敏度和高分辨能力。但是，它是在遠離國際空間站的飛行軌道空域內，各種各樣的太空垃圾層出不窮，特別是今年2月，美俄兩顆衛(wèi)星相撞后，太空中新增大量碎片。美國總共在太空中發(fā)現(xiàn)了1.9萬多塊直徑超過10厘米的垃圾，其中950塊可對各類宇航器造成威脅。據(jù)美國航天局估計，航天飛機與太空垃圾相撞比例為l／229，由于太空垃圾和航天飛機都在軌道上高速運行，因此雙方一旦發(fā)生碰撞，可能會造成嚴重后果。如果出現(xiàn)這種情況，由于航天飛機遠離國際空間站軌道，航天員無法轉移到空間站這個“緊急避難所”里，其后果可想而知。所以，太空垃圾是本次維修工作的最大風險。為了防止出現(xiàn)嚴重后果，美國航天局采用了很多措施，例如，在維修期間，美國地面控制人員密切監(jiān)視太空垃圾的動向，以便及時向航天飛機下達規(guī)避指令：為了減小遭撞擊損壞的可能性，上天維修哈勃期間，“亞特蘭蒂斯”號將采用倒飛姿態(tài)，以保護機頭和機翼，維修完成后，它將迅速降低高度，脫離危險區(qū)；萬一“亞特蘭蒂斯”號航天飛機遇到緊急事件，美國宇航局已經(jīng)準備了一項空前的后援計劃。根據(jù)NASA的這一計劃，如果“亞特蘭蒂斯”號遭到嚴重損害，“奮進”號航天飛機將搭載4名航天員升空。在太空中，“亞特蘭蒂斯”號的7名航天員將被轉移到“奮進”號航天飛機上返回地面，而“亞特蘭蒂斯”號將由地面遙控指揮，穿越大氣層，在人煙稀少的地方墜毀。

5次手術

在這次哈勃望遠鏡的“手術”中，機上的7名航天員將通過5次太空行走，維修哈勃多個損壞部件，同時升級它的相機等設備。他們將修復和升級哈勃太空望遠鏡近三分之一的系統(tǒng)，其中包括換6個電池，一個陀螺儀，安裝兩個新載荷、對接捕獲裝置和第3代廣域行星像機，修理兩臺儀器(高級巡天像機，成像光譜儀)。其中風險最高、投入最大的是為哈勃望遠鏡進行“眼科手術”，即修復成像光譜儀和高級巡天相機。該光譜儀主要用于分析宇宙中從遙遠的天體發(fā)出的光，但因為電路板故障，光譜儀于2004年就停止了工作。它的零部件很小，螺絲也很小，修復起來較困難。航天員在飛行前，在中心浮力水槽中進行了大量的訓練，而且發(fā)明了一種像修手表和眼鏡那么小的螺絲刀。

在“亞特蘭蒂斯”飛行期間，航天員們進行了5次太空行走，為哈勃望遠鏡進行手術。

第一次手術(5月14日)擔任這次“手術”的“醫(yī)生”是航天員格倫斯·菲爾德和福伊·斯特爾，他們進行了首次太空行走，任務是為哈勃太空望遠鏡安裝了一臺全色譜廣角照相機和數(shù)據(jù)處理裝置，好讓哈勃太空望遠鏡更清晰地拍攝范圍更廣的彩色照片。他們首先要卸下哈勃望遠鏡的一臺舊相機，但這一工作進行得并不順利。由于固定舊相機的一顆螺絲釘卡在望遠鏡上，航天員們嘗試了多種工具都未能將其取出。地面任務控制中心要求航天員使出最大力氣，但這么做存在一定風險，因為一旦螺絲釘斷裂，舊相機將固定在望遠鏡上，新相機將無法安裝。兩位航天員經(jīng)過努力拔掉了“作?！钡穆萁z釘，并安裝了新相機。新安裝的寬視野相機價值1，32億美元，天文學家可望利用它觀測宇宙誕生后5億年至6億年時的場景。隨后，航天員為哈勃望遠鏡更換了數(shù)據(jù)處理裝置，并安裝了一個對接環(huán)。這個對接環(huán)將在哈勃望遠鏡退役返回地球時發(fā)揮作用，屆時美航天局發(fā)射的遙控飛船可以借助該對接環(huán)把哈勃望遠鏡引導至太平洋上空。

第二次手術(5月15日)航天員邁克爾·馬西米諾、邁克爾·古德的任務是安裝6個新的陀螺儀，替換3個損壞的陀螺儀。美國航空航天局將這項工作作為此次使命的首要任務，因為這些陀螺儀可以幫哈勃更精確地對準宇宙中更遙遠的天體。

第三次手術(5月16日)格倫斯菲爾德和福伊斯特爾進行了第3次太空行走，他們的任務是完成此次維護之旅難度最高的任務一一為哈勃太空望遠鏡安裝新光譜儀。兩位航天員為哈勃望遠鏡安裝的“宇宙起源光譜儀”是迄今太空中靈敏度最高的光譜儀，裝備了這一新“武器”的哈勃望遠鏡將可以向地面科學家提供宇宙中遙遠天體的溫度、密度及其運行速度的精確數(shù)據(jù)。

第四次手術(5月17日)航天員邁克爾·馬西米諾和邁克爾·古德進行了第4次太空行走，任務是修復哈勃望遠鏡上一個停止工作的成像光譜儀。他們的工作完成得比較艱難，“成像光譜儀”把手上的一個螺釘成為這次任務比較難啃的“硬骨頭”。航天員們嘗試了數(shù)種工程師們專為這次使命設計的工具，沒一樣能起下這枚約4.5厘米長的螺栓。山窮水盡之際，航天員只好用手硬將它拔下，這種動作在太空有相當大的危險，在太空微重力的環(huán)境下劇烈的運動可能引起不好的后果。兩名航天員隨后為這個光譜儀更換了低壓電源板，成功使其恢復正常功能。

第五次手術(5月18日)約翰·格倫斯菲爾德和安德魯·福伊斯特爾進行了最后一次太空行走，他們的任務是為哈勃更換了3塊電池、一個恒星追蹤傳感器和熱屏蔽罩。整個維修過程比較順利，但也發(fā)生了一些小插曲。在更換絕緣材料時，航天員沒能回收舊的絕緣材料，只好任其在太空中飄遠，好在這些材料不會對航天飛機造成危害。

脫胎換骨的哈勃望遠鏡

接受7天“住院治療”的哈勃太空望遠鏡于5月19日由女航天員梅甘·麥克阿瑟用“亞特蘭蒂斯”號航天飛機上的機械臂將其放出貨艙，使它重返工作崗位。在這次手術中，航天員經(jīng)過5次、37小時太空行走，完成全部維護計劃，他們更換或修復了望遠鏡上的照相機、光譜儀、陀螺儀等設備。在其中兩次作業(yè)中，航天員們完成從未有過的高難度任務。美國東部時間5月24日ll時39分，“亞特蘭蒂斯”在加州的安德烈魯空軍基地平安降落，完成了本次航天飛機的13天530萬英里的旅行。

此次大修哈勃總耗資大約10億美元。經(jīng)歷5次大修，哈勃從頭到腳的“器官”幾乎換遍，他的能力比剛上天時強大百倍，新安裝的“宇宙起源光譜儀”是眼下人類在太空中靈敏度最高的光譜儀，哈勃將可以利用它提供宇宙中遙遠天體的溫度、密度及運行速度的精確數(shù)據(jù)：新安裝的廣角相機可觀測到宇宙誕生后5億年至6億年時的場景；新陀螺儀可以幫哈勃更精確地對準宇宙中更遙遠的天體：對接環(huán)將在哈勃望遠鏡退役返回地球時發(fā)揮作用。這一切，使哈勃望遠鏡成為一個“脫胎換骨”的新設備。大修完成后，已在太空服役19年的哈勃望遠鏡預計能繼續(xù)服役5到lO年，其服役期最少可延長至2014年。(文章代碼：1402)