成為傳奇的哈勃望遠鏡,曾經居然被當做笑話?

愛範兒 於 25/05/2020 發表 收藏文章

望遠鏡是人類最偉大的發明之一,自伽利略時代以來,人們製造了數不清的望遠鏡,但迄今為止還沒有一台望遠鏡能像哈勃望遠鏡一樣改變我們的思維,因為它展示的不只是遙遠宇宙美麗的照片,而是重新定義我們對於整個宇宙的認知。

今年(2020 年)是哈勃望遠鏡升空投入使用的三十週年。作為第一個進入地球軌道的精密光學天文觀測設備,自 1990 年 4 月 24 日升空以來,哈勃對天文學的每一個領域都做出了重大貢獻。

BBC 的紀錄片《哈勃三十年:揭示宇宙奇觀》中講到:「所有與哈勃望遠鏡合作過的人,都會產生一種非常感性且浪漫的情感聯繫。它往往會讓人們對宇宙的認知徹底為之改變。」可以説,哈勃重新定義了宇宙,並且以一種超出科學理解的發自肺腑和情感的層次與我們普通大眾對話。

▲ 哈勃拍攝的「蝴蝶星雲」,圖片來自網絡

可是你知道嗎?這個被稱為「人類歷史上最成功的科學實驗」曾經差點被 NASA 和美國政府,甚至在它升空之後還成為美國深夜脱口秀喜劇節目的「常客」,常常被脱口秀演員進行調侃。那麼,如此不受待見的「哈勃」是如何成為人類探索太空過程中不可或缺的角色呢?

本期的《科技拾遺》小探就帶大家來回顧「哈勃」的前世今生。

哈勃的起源

1889 年,一個名叫埃德温·鮑威爾·哈勃(Edwin Powell Hubble)的小男孩出生於美國密蘇里州一個普通的保險從業員的家庭。

哈勃從小成績優異,先是從芝加哥大學取得數學、天文學的學士學位,隨後拿到被稱為「本科生諾貝」的羅德獎學金,成功進入英國牛津大學,併成為牛津歷史上首批羅德學者,遵從父親意願主修法律,但依然鍾情於天文學,選讀了許多天文相關的課程。

在牛津大學畢業後,哈勃回到了芝加哥大學,正式鑽研天文學。三年後,28 歲的哈勃拿到了天文學博士學位,同一年,威爾遜天文台的創始人喬治·海爾也邀請他前去工作。他欣然接受,因為威爾遜天文台有着當時最先進的反射望遠鏡。

而這台望遠鏡也正式開啟了哈勃成為「星系天文學之父」的道路。在哈勃的研究生涯中對天文學的貢獻不計其數,其中最重要的貢獻有兩個:其一是發現了當時被認為是一些銀河系內的星雲的物體實際上是銀河系外的星系,打破了宇宙完全由銀河系組成的「島宇宙」的觀念,對天文學的發展具有十分重大的意義;其二是提出了著名的「哈勃定律」,即星系的退行速度與距我們的距離成正比,對我們認識宇宙的演化做出了重要的貢獻。

▲ 美國曾為這位偉大的天文學家發表幾年郵票,圖片來自網絡

就在埃德温·鮑威爾·哈勃去世 36 年之際,NASA 將其設計的空間望遠鏡命名為「哈勃」,以紀念這位偉大的天文學家。雖然名叫「哈勃」,可是除了紀念意義之外,兩者之間並沒有什麼實質性的聯繫。

我們都知道今年是哈勃望遠鏡升空的 30 週年,這台人類歷史上「最偉大的太空儀器」的最初構想要追溯到 1946 年。一位名叫萊曼·斯皮策(Lyman Spitzer)的天體物理學家撰寫了一篇名為《在地球之外的天文觀測優勢》論文,論文中明確指出了提出把望遠鏡放入太空以消除地球大氣層遮蔽效應的建議,以及這麼做對於人類探索地球以外的空間的諸多好處。這樣的想法無疑是非常超前的,要知道,那個時候人類並沒有開啟人造衞星時代,甚至連 NASA 都還沒有建立。

▲ 萊曼·斯皮策,圖片來自網絡

1962 年,美國國家科學院在一份報告中推薦將空間望遠鏡作為未來太空計劃的一部分,隨後,1965 年,美國建立了一個旨在建造空間望遠鏡的科學委員會,萊曼·斯皮策被任命為主任委員。1968 年 NASA 才正式確定了建造 3 米反射望遠鏡的計劃。

命運多舛的哈勃望遠鏡

儘管計劃已經確立,要在當時製造出一台空間望遠鏡談何容易。1969 年,隨着阿波羅 11 登月計劃的成功,NASA 的太空經費開始縮減,哈勃望遠鏡的項目也面臨「胎死腹中」的危險,據知情者描述,時任美國總統的福特和美國眾議院就差點下令砍掉大型空間望遠鏡項目。

▲ 登月計劃的成功,讓哈勃項目面臨危機,圖片來自網絡

幸好當時美國的天文學家經過多方遊走宣傳,最終發起了全國性的請願以求保住這台當時還沒有被命名為哈勃的大型空間望遠鏡。美國國家科學院出版的報告中也強調了空間望遠鏡的重要性,NASA 甚至邀請了歐洲航天局(ESA)加入研發並承擔 15% 的研製經費,並將原定的 3 米口徑縮減到了 2.4 米。經過一系列的操作,國會終於在 1977 年通過了 2 億美元的預算。儘管這筆預算比原定的預算少了將近一半,好在人類歷史上首個大型空間望遠鏡項目也算正式啟動了。

儘管獲得了「難於登天」的國會的批准,可接近一半預算的縮水讓哈勃的設計和製造依然面臨着不小的挑戰。

由於預算被嚴重縮水,整個研發小組不得不一邊向國會伸手要錢一邊研發,這導致整個望遠鏡的主鏡製造工作直到 1981 年底才全部完成,而光學組件直到 1984 年才完成。在 1986 年哈勃望遠鏡全部完工時,整體的預算是當時國會批准的五倍之多,整整十億美元。

預算的大幅增長和研發週期的延長,讓本就不受國會待見的哈勃項目在美國國內備受質疑,甚至連當初為其請願的美國民眾都對這個項目失去了信心。在一片質疑聲中,哈勃的各個部分於 1985 年組裝完成,NASA 將發射時間定在了 1986 年 10 月。可是,就在距離原定發射時間的九個月的時候,上天給全世界的人們開了一個極其沉痛的玩笑。

▲ 挑戰者號航天飛機解體瞬間,圖片來自網絡

1986 年 1 月 28 日,美國挑戰者號航天飛機在升空 73 秒後發生解體爆炸,7 名宇航員全部遇難。這場航天災難讓美國的航天事業受到了沉重的打擊,所有航天飛行計劃不得不強制取消。遙遙無期的哈勃項目又一次陷入了泥潭。

事後,美國航天事故委員會對挑戰者號事故進行了 5 個月細緻的調查,而 NASA 也對航天飛機進行了 400 處以上的修改,終於經過 4 年漫長的等待,1990 年 4 月 24 日,搭載着哈勃望遠鏡的「發現號」航天飛機成功升空,將哈勃望遠鏡送入了距地表 600 公里的軌道。

▲ 哈勃望遠鏡離開航天飛機瞬間,圖片來自 NASA 官網

從立項到發射,歷史 20 多年,耗資 25 億美元,哈勃望遠鏡終於要開始行使它的使命,而全世界都在等待着它傳回的第一張照片。

價值 20 億的近視眼和史無前例的「眼科大夫」

1990 年 5 月 20 日,哈勃望遠鏡向地面傳回的第一張照片成像質量遠遠沒有達到設計要求。通過對哈勃望遠鏡進行不斷調焦,依然得不到清晰的圖像,説明光學系統存在嚴重的問題。奮鬥了這麼多年,人們驚訝地發現哈勃望遠鏡竟然是個近視眼。這意味着 25 億美元的投入,換來的只是一堆「破銅爛鐵」。

▲ 哈勃傳回的第一張照片(右)和智利拉斯坎帕納斯天文台望遠鏡拍攝的同一片空域,圖片來自 NASA 官網

一夜之間,哈勃成為了全美的笑話。甚至在美國當地的深夜喜劇節目 CARSON 中有脱口秀演員説道:「我現在甚至希望蘇聯把它擊落,因為這樣它至少能探測蘇聯的太空武裝力量。」這句笑話在現在看起來荒謬至極,但當時確實收穫了節目觀眾的滿堂喝彩和笑聲。

當全世界都在盡情嘲笑它時,NASA 卻一直沒有放棄它,NASA 聯合多個航天中心和美國國會中支持哈勃的議員,一起通過了修復哈勃的航天計劃。

由於在研製過程中對於哈勃望遠鏡的質量管理出現了失誤,從而錯失了地面解決問題的機會,這幾乎讓 NASA 完全失去了美國民眾的信任,此次維修任務的意義不僅關乎 NASA 自身,同時也關乎後續人類探索太空的財政撥款。若任務失敗,人類探索太空的進程説不定要再晚個二十年。

1993 年 12 月,「奮進號」航天飛機升空,對哈勃望遠鏡進行了儀器和設備的更換。其中最重要的操作有兩個:1. 更換新的廣域和行星相機,在相機內部對球面像差進行校正;2. 光軸補償校正光學組件取代了高速光度計,在外部對其他現有儀器的球面像差進行校正。這兩個操作為哈勃望遠鏡戴上了「眼鏡」,解決了「近視」問題。
▲ 兩名宇航員為哈勃「治療近視」,圖片來自 NASA 官網

在失重環境中對精密的設備進行維修是一件史無前例的挑戰,宇航員穿着笨重的艙外航天服本就是行動不便,加上哈勃望遠鏡上的儀器高度精密且脆弱,如果操作不慎就很有可能損壞儀器而導致幾億美元的投入又有可能打了水漂。

並且,哈勃望遠鏡圍繞地球公轉只需要 90 分鐘,也就是説每 90 分鐘就會經歷一次白天和黑夜的交替,光照條件和温度都會產生劇烈的變化,而沒有大氣層保護的宇航員只能靠着艙外服來扛過這樣艱難的環境變化。這樣的維修任務無論是對於宇航員還是哈勃,都是極其巨大的考驗,為了應對挑戰,擔任此次維修任務的宇航員還特地在約翰遜太空中心 2 萬立方米的水池中進行了 1:1 地仿真模擬訓練。

▲ 宇航員進行仿真模擬實驗,圖片來自 NASA 官網

1994 年 1 月 13 日,NASA 召開記者會宣佈此次維修任務已經成功修正了哈勃望遠鏡上此前存在的成像問題,而後續傳回的圖像可以達到預期的清晰度。這次記者招待會看作是 NASA 自我救贖的發佈會也不為過,這次任務的成功和哈勃的正常運行不僅讓 NASA 重獲新生,同時也樹立了一個歷史性的里程碑——哈勃望遠鏡即將把人類對宇宙的認知帶入嶄新的時代。

▲ 哈勃望遠鏡修復前後圖像對比,圖片來自網絡

之後哈勃還經歷了多次保養和維修,而每一次維修都讓哈勃擁有了新的能力,使其一直作為「地球之窗」,幫助人類探索宇宙的奧祕。

重新認識哈勃

經歷了坎坷的前半生,哈勃終於可以帶領人們探索太空。

開頭我們説到,哈勃被成為「人類歷史上最成功的科學實驗」,或許有人對此抱有疑惑。但當你看到哈勃對於人類探索太空貢獻的數據和成果後,你就不會那麼認為了。

▲哈勃拍攝的著名創世之柱,圖片來自網絡

自 1990 年升空以來,哈勃望遠鏡總共完成了超過 150 萬次科學觀測,幫助天文學家發表了超過 15000 篇科學論文,這些論文被其他領域的論文引用超過 70 萬次,其每年產生 10TB 數據,目前總存儲數據超過 150TB,是史上最具有生產力的科學儀器。除了這些極具震撼力的數據,哈勃還發現了其他預期之外的內容。

NASA 的天體物理學家;哈勃望遠鏡首席科學家(1979-1998)埃德·韋勒曾在採訪時説到:「哈勃望遠鏡觀測到了一些我們當初預期之外的內容。毫不誇張的説,它改變了我們對宇宙的觀點。」

1. 超大質量黑洞遍及星系

1990 年哈勃望遠鏡發射之前,天文學家們只在雙星系統中證實了黑洞的存在。當哈勃望遠鏡的成像光譜儀(STIS)在 1997 年投入運轉時,天文學家迅速將其對準了距離地球最近的超迷你星系——M87 星雲的核心。沒想到發現了星系中心潛藏着一種令人震驚的黑洞類型——超大質量黑洞,它的質量從一百萬個太陽質量到幾十億個太陽不等。

▲ M87 星雲,拍攝者:Martin Pugh

並且,通過後續對宇宙其他星系的觀察發現,幾乎每個單體星雲當中都存在這一個超大質量黑洞。

2. 證實暗能量的存在

在 1998 年,兩個研究小組通過哈勃望遠鏡發現:Ia 型超新星,這種罕見的恆星爆炸能夠釋放出數量巨大的,持久的光。通過仔細測量來自這些活動的光的紅移現象(光波向着可見光譜中紅色的一端變化),科學家發現我們的宇宙正在膨脹,膨脹的速率則被定義為「哈勃常數」。

▲ 哈勃拍攝的 la 型超新星照片,圖片來自網絡

而根據「哈勃常數」進行倒推,科學家們斷言我們的宇宙已經有 136 億年的歷史。這也是人類第一次測算出宇宙的歷史年紀,而哈勃望遠鏡也在其中扮演了很重要的角色。

3. 哈勃深場

1995 年 12 月 18 日至 28 日,哈勃連續十天對大熊座的一小片天區進行了近 100 個小時的觀測,拍攝了 342 張照片,經過合成後得到了著名的哈勃深場(HDF)照片。

▲ 著名的哈勃深場(HDF)照片,圖片來自網絡

哈勃深場的照片揭示了前所未有的遙遠星系的大量細節,創造了歷史。深場中的每一個亮斑都是一個星系,每個星系中又包含了到萬億顆恆星,其中能分辨出的星系就有 3000 多個,這些遙遠的星系比我們裸眼能看到最暗的天體還要暗淡 40 億倍。

從哥白尼提出日心説到埃德温·鮑威爾·哈勃發現河外星系,經歷了近四百年。人類從最開始以為銀河系即宇宙到現在可以觀測到上萬億個河外星系僅僅過去了不到一百年時間,哈勃望遠鏡的出現讓人類對於宇宙的觀察得到了前所未有的發展,而這些絢麗的成果也不禁讓我們思考自己在宇宙中的存在意義和價值。

哈勃的出現,讓世界各地的人感受到了宇宙的美妙;哈勃的出現,讓我們知道原來人類如此渺小;哈勃的出現,讓人類真正意義上的團結在了一起。

原設定為 15 年服役期的哈勃,已經遠遠超過了它原定的服役年頭,自 2009 年之後,再也沒有人觸碰過它,可是它依然在為我們呈現地球之外的美麗世界。

最後,小探引用一句埃德温·鮑威爾·哈勃的名言來結束本期《科技拾遺》並向服役 30 年的哈勃致敬。

引用我們不知道我們為何會生在這世上,但我們可以追尋着世界的真相。

——埃德温·鮑威爾·哈勃

參考資料:

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

本文授權轉載公眾號矽谷洞察(ID:guigudiyixian),矽谷資源的第一入口,更多文章請點擊網站:www.svinsight.com。如需轉載此文,請聯繫原作者。


資料來源:愛範兒(ifanr)

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