哈勃之聲

鄧雪梅/編譯

哈勃之聲

鄧雪梅/編譯

●隨著哈勃空間望遠鏡（HST）迎來其在軌運行的25周年紀念，《自然》雜志借由當時參與該項目的一些科學家和工程師的回顧，描述了自1972年以來關于HST的故事，以及其卓越天文觀測的高潮期與遭遇挫折時的低谷期。

參與者：羅伯特·奧戴爾，前HST項目科學家；簡·奧利維爾，前HST首席工程師；桑德拉·法伯，圣克魯茲加州大學成像專家；愛德華·維勒，前HST首席科學家；安東妮拉·諾塔，STScI HST項目科學家；大衛·萊克龍，前NASA資深科學家；詹尼弗·懷斯曼，戈達德空間飛行中心項目科學家；肯尼思·森巴赫，STScI HST項目辦公室主任；約翰·格倫斯菲爾德，宇航員；馬特·芒廷，前STScI所長；詹森·卡利萊，天文學家；保羅·赫茲，天體物理學家。

1990年4月24日，哈勃空間望遠鏡（HST）被送入太空，由于不受地球大氣的影響，HST給天文學家們帶來了關于宇宙前所未有的獨特視角。

然而，在軌運行25年來，HST并沒有按照原先設定的計劃進行——由美國宇航局（NASA）和歐洲空間局(ESA)聯合建造的HST在發射以后便面臨著嚴重缺陷，包括NASA的航天飛機項目的一些問題也使得HST的未來陷入了困境。

在經歷了這一切之后，HST便成為了世界上最重要的天文臺。根據20世紀40年代天文學家萊曼·斯皮策（Lyman Spitzer）的設想，HST向人類展現了許多重大發現，例如，揭示出宇宙最遠處充滿了星系，加速膨脹的暗能量正在以最快的速度將宇宙分開，其令人驚嘆的照片更是改變了人們對于宇宙的科學認知。

幾經周折的維修方案

前HST項目科學家羅伯特·奧戴爾（Robert O'Dell）說：“當初我被告知建造HST不會要很長的時間。隨著我參與到該項目中，其結果卻令人出乎意料。盡管如此，我能看出這一項目是著眼于未來的，或將會成為我們這一代最重要的望遠鏡。”

前HST首席工程師簡·奧利維爾（Jean Olivier）說：“HST是許多技術的試驗場。比如你認為是低技術含量的門閂設計，都將會演變成一個重要問題。我們不斷地克服了越來越多的挑戰。這是如此漫長的一個計劃，以至于我在想這不是現實生活而是游戲。”

“在最低谷的時期（早期硬件階段）”，奧戴爾說，“我們已經很清楚可能承擔不了想要做的這些事情。出于絕望，當時我提議先發射不攜帶任何儀器的HST（這些儀器當時正在研發），除非能顯著降低成本，否則我們就應當取消這個項目。由于這一項目的科學性在當時有各種非議，就我而言，也不斷地受到NASA的指責。”

1990年，HST終于搭載“發現”號航天飛機進入太空軌道。然而，第一張照片傳回地面時，由于球面像差導致了照片模糊不清。圣克魯茲加州大學的桑德拉·法伯（Sandra Faber）說：“照片是由大視場行星照相機拍攝的。我們團隊的一位天文學家說，‘這臺望遠鏡存在球面像差問題，后果無法揣測。’”

HST發射后的那幾個月簡直就像是一場噩夢。“為了解決球面像差問題”，法伯說，“我們在不同水平上對球面像差取樣，我們反復對副鏡對焦。同年6月，在一次項目會議上，我們確定了HST主鏡的缺陷。這簡直是一場災難。”

“我接到了來自NASA總部的電話，”奧利維爾說，“時任副局長湯普森（J.R.Thompson）不斷告訴我，‘奧利維爾，你必須想辦法修復這個問題！’對于這些高層人物，他們內心深處也意識到問題的嚴重性。”

最終發現問題出在用于定位主鏡裝置中的一個形狀錯誤，是由主鏡設計和制造商珀金埃爾默公司造成的——它影響了HST最初的5臺設備，而且不可能在地面上對其進行維修。前HST首席科學家愛德華·維勒（Edward Weiler）說：“當時我成為了向大眾解釋HST對科學項目產生深遠影響的唯一人選。那真是艱難的一天。”

幸運的是，在新聞發布會前2個小時，HST成像專家約翰·特勞戈（John Trauger）對維勒說：“我們認為能夠修復這個問題。我們可以設計出一個有相同的球面像差，用功效相反的光學系統來抵消現存的鏡面問題，相當于配上一副能改正球面像差的眼鏡。”于是，維勒在隨后的新聞發布會上宣布了這一消息，盡管當時沒有人相信他說的話。

“我們最大的擔憂是根本無法修復HST，”法伯說，“在我們提出修復方案的同時，又如何讓公眾和NASA對該項目的興趣持久不衰呢？在花費近3年制定方案的同時，NASA的工程師們不得不研發儀器修復的解決辦法，而所有修復工作必須在失重狀態下完成。”1993年12月，7名宇航員搭載“奮進”號航天飛機在太空中對HST進行了維修。

1984年，工程師們在檢修HST 2.4米主鏡

“如果你早前問我成功的可能有多大，”維勒說，“當時我會說有50%的幾率。因為這是第一次在太空中維修一顆衛星，5次太空行走必須要順利完成。這就如同夢境一般。你很害怕夢醒以后會出現一個大問題。”這就如同做完眼睛手術的外科醫生的心情一樣，直到取下繃帶的那一刻，你才能知道確切的情況。

NASA的“網絡紅人”

美國空間望遠鏡研究所（STScI）項目科學家安東妮拉·諾塔（Antonella Nota）說：“但當我們看到了第一組照片時，這足以抹去我們三年來所承受的痛苦。”維勒接著說：“我們全部圍在一個小屏幕前，等待著傳輸回來的第一張圖像。這個傳輸過程僅用了5秒鐘，但我們感覺像是用了6個小時一樣。”

“首先，我們在照片的中心看到一個小點，但它是一個真正高聚焦的點，”維勒說，“隨后我們看到了一些暗弱的恒星。就在那時，我們才知道成功了。那天晚上，我睡得像個小孩一樣。HST的這個問題終于解決了。”

完成第一次維修后，HST便開始著手實施天文學家們一直期望的研究項目，諸如數月后發生的蘇梅克-列維9號彗星撞向木星的天文事件。但對于HST的首次大型測試而言，幾乎都不是太成功。

然而，對于前NASA資深科學家大衛·萊克龍（David Leckrone）而言，那真是激動人心的幾周。“在彗木首次相撞前2周，許多人并未意識到HST已進入了安全模式。”他說。“就在HST被維修后的幾個月里，我們看到了一顆彗星被撕成了碎片并撞向木星。想象一下，如果這次天文事件發生在1993年而不是1994年，又將會是什么情形。”

相繼地，HST的發現開始出現在報紙和頂尖科學期刊雜志的頭版頭條。維勒說：“HST是NASA歷史上最偉大的科學成就。僅僅一張照片就向我們呈現了教科書中并不了解的宇宙。”

戈達德空間飛行中心項目科學家詹尼弗·懷斯曼（Jennifer Wiseman）說：“在1993年之后，出現了很多來自HST的新發現。其標志性圖片之一是鷹狀星云，你可以看到其柱狀氣體中已經形成和正在形成的恒星（創生之柱），它向我們展現了年輕恒星相互作用的視覺線索。”而對于HST拍攝的獵戶星云圖片，萊克龍說：“圖片顯示了獵戶星云所孕育的嬰兒恒星系統，其中有許多暗盤圍繞的恒星。天啊，這些一定就是行星形成的地方！”

在針對星系M87核心氣體運動的觀測，懷斯曼說：“通過HST的光譜儀，天文學家發現這些氣體沿著核心兩側噴射的速率約為每小時100萬英里。這些氣體的速度表明其核心處質量要遠高于僅有恒星聚集所能達到的程度，第一次觀測證實了在其他星系核心可能存在大質量黑洞。”

STScI HST項目辦公室主任肯尼思·森巴赫（Kenneth Sembach）說：“我們知道暗能量彌漫著整個宇宙，這是因為我們能夠測量出不同時間點的宇宙膨脹速度。關鍵之處是通過HST來觀測遙遠超新星。越遙遠的超新星比你所能估計的更暗淡。”2011年贏得諾貝爾物理學獎的小組意識到宇宙正在加速膨脹。

“經維修后的HST擁有絕妙的角分辨率，”懷斯曼說，“這能讓我們尋找到許多單顆恒星，并在擁擠的區域中將它們區分開。用這種方法，你實際上可以研究眾多的恒星并繪制出它們的特性。”

“包括公眾對這些華麗照片的反應非常強烈。HST成為了NASA的第一個網絡紅人，并因此培養了一批非專業出身的天文愛好者。”勒威說。“人們對這些照片的熱愛使我受寵若驚。這還僅僅是個開始，我想今后人們還會因此來書寫歌曲等詩歌作品。我們一直在討論，為什么HST在公眾的潛意識中會到達如此程度。原因之一是HST探測之際正是互聯網開始的時候。許多人很容易從網上獲得與之相關的結果。”

“我們把HST叫做公眾的望遠鏡。我們真的把整個宇宙帶進了千家萬戶。”諾塔說。大約15年前，諾塔在巴布亞新幾內亞一個偏遠地區的港口，看到有個小孩身穿一件印有HST字樣的T恤，當時他非常驚訝，然后送給這個小孩一套HST卡片時，這個孩子非常高興。

2009年，約翰·格倫斯菲爾德在太空中維修HST

科學震撼還將繼續

為了延長HST的空中使命，宇航員不斷地造訪著HST，升級并替換它的裝置。有一段時間，HST的未來看似很暗淡。1999年，在HST六個陀螺儀中的三個出現問題以后，NASA啟動了緊急維修任務。

曾經維修HST并完成八次太空行走的NASA宇航員約翰·格倫斯菲爾德（John Grunsfeld）說：“HST曾經變得漆黑一片，其科學使命是否就此結束是NASA真正擔憂的一個問題。但對于宇航員而言，這是維修任務的一次圣杯。當我們再次在地平線上看到這顆閃亮的衛星時，它就是我們引以為豪的HST。”格倫斯菲爾德接著說：“記得有一次圣誕節那天對HST進行維修，當時我在想，還有什么禮物會比維修HST更好呢？”

前STScI所長馬特·芒廷（Matt Mountain）說：“糟糕的是HST裝置失靈后，一段時間它的命運相當凄慘。很顯然，有相當一部分人認為它可能就此會結束其未來的使命。”幸運的是，邁克·格里芬接替了肖恩·奧基夫成為了NASA新的掌門人后，他支持考慮各種選項，在綜合了所有分析后決定再次對HST進行維修，并為此調配了兩架航天飛機。芒廷說：“對于一個科學任務而言，NASA在如此困境下做出了如此關鍵的承諾，重新燃起了整個團隊對于HST未來的希望。”

“當我在2009年最后一次接到太空維修任務時，感覺馬上要見到一位老朋友似的，幾乎沒人能像我這樣近距離的擁抱HST。”格倫斯菲爾德說。“我們順利完成了這次維修任務，而它給我們帶來的科學震撼還將會繼續。特別是對于耗時、數據量大的巡天任務而言，天文學家都可以從中獲取HST上傳的標準數據。”

“許多人有一種感覺，HST的輝煌時刻會在這次飛行任務之后而來臨。”STScI的天文學家詹森·卡利萊（Jason Kalirai）說。“每年至少會有兩篇以上的論文出自HST的研究結果。今天所做的已經不同于以往了。”

“舉個例子，當HST發射的時候，我們甚至連‘系外行星’這個名詞都不存在，甚至不知道太陽系以外還存在行星。這個領域已經完全被顛覆。”諾塔說。“25年來，HST并沒有被計劃用于研究系外行星，但現在卻正在描述著這些系外行星的大氣。HST總是給我們帶來驚喜。”

“現在，HST在科學上一如既往的強大，或許要比以往任何時候都要強大。”懷斯曼說。目前，NASA在測試HST繼任者詹姆士·韋布空間望遠鏡的同時（計劃于2018年發射），仍然在規劃著HST最后幾年的工作任務。

“HST現在的狀態很好，我們希望它至少能運行到2020年。”森巴赫說。“這也給我們一個機會為韋布空間望遠鏡贏得一到兩年的時間。”NASA天體物理學家保羅·赫茲（Paul Hertz）說：“在最后的一段時間內，我們盡可能地使HST高效運作。不管怎樣，它總有停止工作的那一天。”

“這將是一個漸進的平穩退化過程。在創造性工程學的支持下，它能夠不斷做出優秀的科學發現。”萊克龍說。“即使HST再次遭受挫折，我相信它一直會撐到2025年。盡管HST不可能永遠工作下去，但到了它徹底不工作的那一天，我們一定會十分的想念它。”

[資料來源：Nature][責任編輯：則鳴]