解剖哈勃

克雷格·弗瑞德里徹

與所有的望遠(yuǎn)鏡一樣，哈勃有一個長長的鏡筒收集光線，并將其傳送到“眼睛”對焦。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡有幾種類型的“眼睛”，也就是各種儀器。

不同動物可以看到不同類型的光（如昆蟲可以看到紫外線，而人類能看到可見光），哈勃空間望遠(yuǎn)鏡能夠觀測到從天空灑下的各種光線。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡支撐光學(xué)設(shè)備和科學(xué)儀器的鏡筒用鋁制成，外面鍍了多層絕緣體。這些絕緣體使望遠(yuǎn)鏡可以經(jīng)受陽光和陰影之間的極端溫度變化。鏡片由玻璃制成，表面鍍有純鋁（厚度為0.076微米）和鎂氟化物（厚度為0.025微米），主鏡直徑2.4米，副鏡直徑0.3米。在工作中，光線從筒口進(jìn)入哈勃空間望遠(yuǎn)鏡，然后從主鏡反射到副鏡，副鏡再把光線從主鏡中心的一個小洞反射到主鏡后面的焦點(diǎn)。焦點(diǎn)處有一些更小的半反光半透明鏡子，將光線分散到各個科學(xué)儀器。通過觀測天體的光譜，科學(xué)家便可得知該天體的不同屬性。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的工作原理更接近數(shù)碼相機(jī)，它用電荷耦合器件（CCD）捕捉光線，而非攝影膠片。CCD將探測到的光線轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，將其存儲在望遠(yuǎn)鏡上的計(jì)算機(jī)中，并發(fā)回地面。地面的工作站將這些數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成圖像，就是你看到的這些令人震驚的圖片。

星體或其他天體的光譜就像是該天體的DNA。特別的顏色告訴我們構(gòu)成該天體的特別的化學(xué)成分，不同顏色的深淺則顯示出各種成分的含量。為了分析光的構(gòu)成，哈勃要將進(jìn)入鏡筒的光線分離開來。簡單說，就是通過專門的設(shè)備，將不同波長的光投射到不同的位置，就像光透過棱鏡產(chǎn)生彩虹一樣。

除化學(xué)成分以外，光譜還可以告訴我們天體的溫度和運(yùn)動等有關(guān)情況。如果天體在運(yùn)動，其顏色會向光譜的藍(lán)端（表示正向我們運(yùn)動）或者向紅端（表示遠(yuǎn)離我們運(yùn)動）移動。例如，M84星系中心的光同時存在藍(lán)移和紅移現(xiàn)象，這表明這塊特定區(qū)域（距核心26光年的范圍內(nèi)）正以400千米/秒的速度旋轉(zhuǎn)。天文學(xué)家計(jì)算得出，要引起這樣的旋轉(zhuǎn)，這個星系的核心處肯定存在一個巨大的黑洞（相當(dāng)于約3億個太陽的質(zhì)量）。

星際氣體和塵埃常常會遮蔽各種天體的可見光。不過，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡配置了三臺多天體光譜儀傳感器，可以透過星際氣體和塵埃觀測這些被隱藏的天體發(fā)出的紅外光或熱量。在可視圖中，我們看到的是模糊不清的大團(tuán)塵埃，而多天體光譜儀傳感器卻可以拍攝到云團(tuán)里的星體。

由于對熱量極為敏感，多天體光譜儀傳感器必須放在一個約-196℃的大“保溫瓶”里。起初，這個“保溫瓶”用104千克的固態(tài)氮降溫，現(xiàn)在是用一種類似冰箱的機(jī)器。

M84星系中心的紅移和藍(lán)移

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的暗天體照相機(jī)在2002年3月被更換為先進(jìn)巡天照相機(jī)，其光學(xué)清晰度是暗天體照相機(jī)的10倍，可以探測宇宙中最遙遠(yuǎn)的天體，搜索海量的行星，幫助科學(xué)家研究星系團(tuán)的演化，甚至有助于繪制暗物質(zhì)的分布圖。它的預(yù)期壽命是5年，2007年1月因電池電量短缺不再工作。

哈勃還配備有三個定向和準(zhǔn)確測量恒星具體位置、雙子星分離和星體直徑的精細(xì)導(dǎo)星傳感器。其中兩個用于引導(dǎo)望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)并鎖定目標(biāo)，尋找視野范圍內(nèi)位于觀測目標(biāo)附近的“導(dǎo)向”星體。天體測量對行星探測起著重要作用，因?yàn)樾行堑墓D(zhuǎn)會導(dǎo)致母星微微顫動（本刊2014年第1期《太陽系外的行星不好找》對此有詳細(xì)討論）。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡在拍攝時必須一直鎖定某個目標(biāo)，這一過程可能要保持?jǐn)?shù)小時，具體取決于觀測者使用的儀器。別忘了，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡在以97分鐘的軌道周期繞地球運(yùn)行。因此，望遠(yuǎn)鏡就像一艘沿海岸線在波浪起伏的海面上高速行駛的船，而它瞄準(zhǔn)目標(biāo)就像從這艘船上瞄準(zhǔn)海灘上的一個小物體。為了做到這一點(diǎn)，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡配備了三個系統(tǒng)：陀螺儀——感應(yīng)大小運(yùn)動；反應(yīng)輪——移動望遠(yuǎn)鏡；精細(xì)導(dǎo)星傳感器——感應(yīng)細(xì)微運(yùn)動。

科學(xué)儀器艙上的望遠(yuǎn)鏡鏡筒周圍裝有兩臺主計(jì)算機(jī)。一臺與地面通訊以傳輸數(shù)據(jù)和接收指令；另一臺負(fù)責(zé)操縱哈勃空間望遠(yuǎn)鏡，同時還有各種內(nèi)務(wù)操作功能。此外，還有備用計(jì)算機(jī)供緊急使用。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡上的每一臺儀器都裝有微處理器，可以移動過濾輪、控制快門、收集數(shù)據(jù)以及與主計(jì)算機(jī)對話。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡利用一系列名為跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（TDRSS）的中繼衛(wèi)星與地面進(jìn)行通訊。這個系統(tǒng)與國際空間站使用的系統(tǒng)一樣。天體發(fā)出的光被哈勃空間望遠(yuǎn)鏡捕獲并轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)，然后送往軌道上的TDRSS，TDRSS再將信號傳送到位于美國新墨西哥州的白沙地面接收站。接收站把數(shù)據(jù)傳送到美國航空航天局的戈達(dá)德太空飛行中心，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的操縱中心就設(shè)在那里。接著，這些數(shù)據(jù)由附近馬里蘭州巴爾的摩空間望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所的科學(xué)家進(jìn)行分析。在多數(shù)情況下，命令會事先傳達(dá)給哈勃空間望遠(yuǎn)鏡，使其按觀測計(jì)劃運(yùn)行，但在必要時也會進(jìn)行實(shí)時指揮。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡有一個支架，使光學(xué)設(shè)備、各種儀器及航天器系統(tǒng)各就其位。一個用石墨環(huán)氧樹脂做成的桁架系統(tǒng)支撐著這些光學(xué)設(shè)備，材料與網(wǎng)球拍和高爾夫球桿類似。這個桁架長5.3米，寬2.9米，重114千克。

為了維持這個巨大的航天器正常工作，設(shè)計(jì)者給它配備了兩塊長12.2米的太陽能電池板。它們能夠提供2400瓦的電力。當(dāng)望遠(yuǎn)鏡被地球擋住不能接收太陽光時，則由6個鎳氫電池提供電力（相當(dāng)于20個汽車電池的蓄電量，可以維持望遠(yuǎn)鏡工作7.5小時）。當(dāng)望遠(yuǎn)鏡再次被太陽光照射時，太陽能電池板又會重新給電池充電。endprint