哈勃空间望远镜

(科技装备(天文))

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哈勃空间望远镜(英语:Hubble Space Telescope,缩写:HST)是以美国天文学家爱德温·哈勃为名,于1990年4月24日成功发射,位与地球的大气层之上的光学望远镜 [1] 
2019年5月,哈勃太空望远镜科学家公布了最新的宇宙照片——“哈勃遗产场”(HLF),这是迄今最完整最全面的宇宙图谱,由哈勃在16年间拍摄的7500张星空照片拼接而成,包含约265000个星系,其中有些已至少133亿岁“高龄”,对其进行研究有助于科学家深入了解更早的宇宙历史。 [2] 
中文名
哈勃空间望远镜
外文名
Hubble Space Telescope(HST)
类    型
光学望远镜
发射时间
1990年4月24日
发射地点
美国肯尼迪航天发射中心
重    量
11,000 千克(24,250 磅)
设备管理方
NASAESA
运行高度
距离地面约575公里上空
后继探索器
詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST)
负责人
托马斯·布朗 [3] 

哈勃空间望远镜研制历程

哈勃空间望远镜理论基础

哈勃空间望远镜的历史可以追溯至1946年天文学家莱曼·斯皮策(Lyman Spitzer, Jr.)所提出的论文:《在地球之外的天文观测优势》。在文中,他指出在太空中的天文台有两项优于地面天文台的性能。首先,角分辨率(物体能被清楚分辨的最小分离角度)的极限将只受限于衍射,而不是由造成星光闪烁、动荡不安的大气所造成的视象度。在当时,以地面为基地的望远镜解析力只有0.5-1.0弧秒,相较下,只要口径2.5米的望远镜就能达到理论上衍射的极限值0.1弧秒。其次,在太空中的望远镜可以观测被大气层吸收殆尽的红外线和紫外线。 [4] 
斯皮策以空间望远镜为事业,致力于空间望远镜的推展。在1962年,美国国家科学院在一份报告中推荐空间望远镜做为发展太空计划的一部分,在1965年,斯皮策被任命为一个科学委员会的主任委员,该委员会的目的就是建造一架空间望远镜。
在第二次世界大战时,科学家利用发展火箭技术的同时,曾经小规模的尝试过以太空为基地的天文学。在1946年,首度观察到了太阳的紫外线光谱。英国在1962年发射了太阳望远镜放置在轨道上,做为亚利安太空计划的一部分。1966年NASA进行了第一个轨道天文台(OAO)任务,但第一个OAO的电池在三天后就失效,中止了这项任务了。第二个OAO在1968至1972年对恒星和星系进行了紫外线的观测,比原先的计划多工作了一年的时间。
轨道天文台任务展示了以太空为基地的天文台在天文学上扮演的重要角色,因此在1968年NASA确定了在太空中建造直径3米反射望远镜的计划,当时暂时的名称是大型轨道望远镜或大型空间望远镜(LST),预计在1979年发射。这个计划强调须要有人进入太空进行维护,才能确保这个所费不赀的计划能够延续够长的工作时间;并且同步发展可以重复使用的航天飞机技术,才能使前项计划成为可行的计划。

哈勃空间望远镜前期准备

轨道天文台计划的成功,鼓舞了越来越强的公众舆论支持大型空间望远镜应该是天文学领域内重要的目标。在1970年NASA设立了两个委员会,一个规划空间望远镜的工程,另一个研究空间望远镜任务的科学目标。在这之后,NASA下一个需要排除的障碍就是资金的问题,因为这比任何一个地面上的天文台所耗费的资金都要庞大许多倍。美国的国会对空间望远镜的预算需求提出了许多的质疑,为了与裁军所需要的预算对抗,当时就详细的列出了望远镜的硬件需求以及后续发展所需要的仪器。在1974年,在裁减政府开支的鼓动下,杰拉尔德·福特剔除了所有进行空间望远镜的预算。
为回应此,天文学家协调了全国性的游说努力。许多天文学家亲自前往拜会众议员和参议员,并且进行了大规模的信件和文字宣传。国家科学院出版的报告也强调空间望远镜的重要性,最后参议院决议恢复原先被国会删除的一半预算。
资金的缩减导致目标项目的减少,镜片的口径也由3米缩为2.4米,以降低成本和更有效与紧密的配置望远镜的硬件。原先计划做为先期测试,放置在卫星上的1.5米空间望远镜也被取消了,对预算表示关切的欧洲空间局也成为共同合作的伙伴。欧洲空间局同意提供经费和一些望远镜上需要的仪器,像是做为动力来源的太阳能电池,回馈的是欧洲的天文学家可以使用不少于15%的望远镜观测时间。在1978年,美国国会拨付了36,000,000元美金,让大型空间望远镜开始设计,并计划在1983年发射升空。
在1980年初,望远镜被命为哈勃,以纪念在20世纪初期发现宇宙膨胀的天文学家艾德温·哈勃。

哈勃空间望远镜设计制造

1979年5月,在康涅狄格州丹柏立的珀金埃尔默公司抛光中的哈勃主镜。出现在图中的是服务于该公司的工程师马丁椰林博士。
空间望远镜的计划一经批准,计划就被分割成许多子计划分送各机关执行。马歇尔太空飞行中心(MSFC)负责设计、发展和建造望远镜,金石太空飞行中心(GSFC)负责科学仪器的整体控制和地面的任务控制中心。马歇尔太空飞行中心委托珀金埃尔默(Perkin-Elmer)设计和制造空间望远镜的光学组件,还有精密定位感测器(FGS),洛克希德被委托建造安装望远镜的太空船。
  • 光学望远镜的组合安装(OTA)
望远镜的镜子和光学系统是最关键的部分,因此在设计上有很严格的规范。一般的望远镜,镜子在抛光之后的准确性大约是可见光波长的十分之一,但是因为空间望远镜观测的范围是从紫外线到近红外线,所以需要比以前的望远镜更高十倍的解析力,它的镜子在抛光后的准确性达到可见光波长的廿分之一,也就是大约30纳米。
珀金埃尔默刻意使用极端复杂的电脑控制抛光机研磨镜子,但却在最尖端的技术上出了问题;柯达被委托使用传统的抛光技术制做一个备用的镜子(柯达的这面镜子现在永久保存在史密松宁学会)。1979年,珀金埃尔默开始磨制镜片,使用的是超低膨胀玻璃,为了将镜子的重量降至最低,采用蜂窝格子,只有表面和底面各一吋是厚实的玻璃。
镜子的抛光从1979年开始持续到1981年5月,抛光的进度已经落后并且超过了预算,这时NASA的报告才开始对珀金埃尔默的管理结构质疑。为了节约经费,NASA停止支援镜片的制作,并且将发射日期延后至1984年10月。镜片在1981年底全部完成,并且镀上了75 nm厚的铝增强反射,和25 nm厚的镁氟保护层。
因为在光学望远镜组合上的预算持续膨胀,进度也落后的情况下,对珀金埃尔默能否胜任后续工作的质疑继续存在。为了回应被描述成"未定案和善变的日报表",NASA将发射的日期再延至1985年的4月。但是,珀金埃尔默的进度持续的每季增加一个月的速率恶化中,时间上的延迟也达到每个工作天都在持续落后中。NASA被迫延后发射日期,先延至1986年3月,然后又延至1986年9月。这时整个计划的总花费已经高达美金11亿7500万。
  • 太空平台系统
安置望远镜和仪器的太空船是主要工程上的另一个挑战。它必须能胜任与抵挡在阳光与地球的阴影之间频繁进出所造成的温度变化,还要极端地稳定并能长时间的将望远镜精确地对准目标。以多层绝缘材料制成的遮蔽物能使望远镜内部的温度保持稳定,并且以轻质的铝壳包围住望远镜和仪器的支架。在外壳之内,石墨环氧的框架将校准好的工作仪器牢固的固定住。
有一段时间用于安置仪器和望远镜的太空船在建造上比光学望远镜的组合来得顺利,但洛克希德仍然经历了预算不足和进度的落后,在1985年的夏天之前,太空船的进度落后了个月,而预算超出了30%。马歇尔太空飞行中心的报告认为洛克希德在太空船的建造上没有采取主动,而且过度依赖NASA的指导。
  • 地面支持
在1983年,空间望远镜科学协会(STScI)在经历NASA与科学界之间的权力争夺后成立。空间望远镜科学协会隶属于美国大学天文研究联盟(AURA),这是由32个美国大学和7个国际会员组成的单位,总部坐落在马里兰州巴尔地摩的约翰·霍普金斯大学校园内。
空间望远镜科学协会负责空间望远镜的操作和将数据交付给天文学家。美国国家航空航天局(NASA)想将之做为内部的组织,但是科学家依据科学界的做法将之规划创立成研究单位,由NASA位在马里兰州绿堤,空间望远镜科学协会南方48千米的哥达德太空飞行中心和承包厂商提供工程上的支援。哈勃望远镜每天24小时不间断的运作,由四个工作团队轮流负责操作。
空间望远镜欧洲协调机构于1984年设立在德国邻近慕尼黑的Garching bei München,为欧洲的天文学家提供相似的支援。

哈勃空间望远镜发射历程

1990年4月24日,在美国肯尼迪航天中心由“发现者”号航天飞机成功发射 [1]  ,哈勃太空望远镜的主要任务是:探测宇宙深空,解开宇宙起源之谜,了解太阳系、银河系和其他星系的演变过程 [5] 
早在1986年,就已经计划在当年10月份发射哈勃空间望远镜。但是挑战者号的事故使美国的太空计划停滞不前,航天飞机的暂停升空,迫使哈勃空间望远镜的发射延迟了数年。望远镜和所有的附件都必须分门别类的储藏在无尘室内,直到能够排出发射的日期,这也使得已经超支的总成本更为高涨。
最后,随着航天飞机在1988年再度开始升空,望远镜也预定在1990年发射。在发射前的最后准备,用氮气喷射镜面以除去可能累积的灰尘,并且对所有的系统进行广泛的测试。终于,在1990年4月24日由发现号航天飞机,于STS-31航次将望远镜成功的送入计划中的轨道。
从它原始的总预算,大约4亿美金,到现在的花费超过25亿美金,哈勃的成本依然在不断的累积与增高。美国政府估计的开销将高达45至60亿美金,欧洲所挹注的资金也高达6亿欧元(1999年的估计)。

哈勃空间望远镜在轨运行

哈勃空间望远镜携带仪器

在发射时,哈勃空间望远镜携带的仪器如下:
  • 广域和行星照相机(WF/PC)
  • 戈达德高解析摄谱仪(GHRS)
  • 高速光度计(HSP)
  • 暗天体照相机(FOC)
  • 暗天体摄谱仪(FOS)
WF/PC原先计划是光学观测使用的高分辨率照相机。由NASA的喷射推进实验室制造,附有一套由48片光学滤镜组成,可以筛选特殊的波段进行天体物理学的观察。整套仪器使用8片CCD,做出了两架照相机,每一架使用4片CCD。"广域照相机"(WFC)因为视野较广,在解像力上有所损失,而"行星照相机"(PC)以比WFC长的焦距成像,所以有较高的放大率。
GHRS是被设计在紫外线波段使用的摄谱仪,由哥达德太空中心制造,可以达到90,000的光谱分辨率,同时也为FOC和FOS选择适宜观测的目标。FOC和FOS都是哈勃空间望远镜上分辨率最高的仪器。这三个仪器都舍弃了CCD,使用数位光子计数器做为检测装置。FOC是由欧洲空间局制造,FOS则由马丁·玛丽埃塔公司制造。
最后一件仪器是由威斯康辛麦迪逊大学设计制造的HSP,它用于在可见光和紫外光的波段上观测变星,和其他被筛选出的天体在亮度上的变化。它的光度计每秒钟可以侦测100,000次,精确度至少可以达到2%。
哈勃空间望远镜的导引系统也可以做为科学仪器,它的三个精细导星感测器(FGS)在观测期间主要用于保持望远镜指向的准确性, 但也能用于进行非常准确的天体测量,测量的精确度达到0.0003弧秒。

哈勃空间望远镜维修维护

  • 第一次维修/维护
1993年,宇航员在哈勃第一次维修任务中移除了广角和行星照相仪,并安装了功能更强大的“后继者”——2号广角和行星照相仪 [6] 
  • 第二次维修/维护
1997年2月11日凌晨,美国7名宇航员搭乘“发现”号航天飞机升空, 对在太空飞行了7年的“哈勃”太空望远镜进行改造。从2月13日深夜到18日凌晨,宇航员为“哈勃”更换了包括近红外照相机、多目标分光仪和太空望远镜图像摄谱仪在内的11种新设备,并修补了望远镜上部分剥落的绝缘层 [7] 
  • 第三次维修/维护
第三次维护任务仍然由发现号在1999年12月的STS-103航次中执行。在这次维护中更换了全部的六台陀螺仪,也更换了一个精细导星传感器和计算器,安装一套组装好的电压/温度改善工具(VIK)以防止电池的过热,并且更换绝热的毯子 [6] 
  • 第四次维修/维护
2001年,科学家利用美国“哥伦比亚”号航天飞机对哈勃望远镜进行的第四次维修,安装测绘照相机,更换太阳能电池板以及已工作11年的电力控制装置,并激活了休眠状态的近红外照相机和多目标分光计 [8] 
  • 第五次维修/维护
2009年,美国利用航天飞机对哈勃望远镜进行了维护 [9]  。宇航员为哈勃安装了两套全新的仪器:宇宙起源光谱仪(COS)和宽视场相机3,对望远镜的另外两台仪器——高级巡天相机(ACS)和太空望远镜成像光谱仪(STIS)进行了现场维修,此外,还用新电池替换了哈勃用了18年的旧电池,安装了6个负责望远镜指向的新陀螺仪,并添加了一套全新的精细制导系统来帮助望远镜指向正确的方向 [3] 

哈勃空间望远镜参数特点

哈勃望远镜口径为2.4米,长度约16米,带有多种观测暗弱天体的仪器,在地面之上约640公里的轨道上环绕地球,巡视宇宙。由于它位于大气层之上,不像地面望远镜饱受大气湍流扰动的影响,极大地拓展了人们对宇宙的了解 [10] 

哈勃空间望远镜科研成果

  • 哈勃太空望远镜在前7年服役期间取得的主要成就
1.增进了人类对宇宙大小和年龄的了解。2.证明某些宇宙星系中央存在超高质量的黑洞以及多数星系的中心都可能存在黑洞。3.在可见光谱范围内,对宇宙进行了最深入的研究,观察了数千个星系,探测到了宇宙诞生早期的“原始星系”,使天文学家有可能跟踪研究宇宙发展的历史。4.清楚展现了银河系中类星体这种最明亮的天体存在的环境。5.更清晰地阐述了恒星形成的不同过程。6.对宇宙诞生早期恒星形成过程中重元素的组成进行了研究,这些元素是行星和生命存在的必要条件。7.展示了死亡恒星周围气体壳的复杂组成。8.对猎户星云中年轻恒星周围的许多尘埃碟进行了探测,说明地球所在的银河系还有可能形成其他行星系统。9.对千载难逢的慧木相撞进行了详细观测。10.对火星等太阳系行星上 的气候民政部进行了研究。11.发现木星卫星木卫二和木卫三的大气层中存在氧气 [7] 
哈勃太空望远镜发现了一颗滚烫的“橄榄球”状系外行星。这颗行星因为距离恒星太近而被撕扯、加热,大气也正在加速逃逸,整颗行星处于被吞噬的边缘。这颗行星与恒星的距离过于近,处在被潮汐力撕裂的边缘。这种“死亡拥抱”已经让它扭曲变形为橄榄球状,高空大气温度超过2500摄氏度 [11] 
2020年1月,一个国际天文学家团队利用美国哈勃太空望远镜发现了迄今已知的最遥远、最古老的星系群。这个三重星系群被称为EGS77。更重要的是,观测表明这个三重星系群参与了宇宙初期被称为“再电离”的改造过程。EGS77大约诞生于宇宙大爆炸后6.8亿年时,当时宇宙年龄还不足现今138亿岁的5%。 [12] 

    哈勃空间望远镜问题和维修

    从它于1946年的原始构想开始,直到发射为止,建造空间望远镜的计划不断的被延迟和受到预算问题的困扰。在它发射之后,立即发现主镜有球面像差,严重的降低了望远镜的观测能力。幸好在1993年的维修任务之后,望远镜恢复了计划中的品质,并且成为天文学研究和推展公共关系最重要的工具。 [13] 
    哈勃的未来依靠后续的维修任务是否成功,维持稳定的几个陀螺仪已经损坏,至2007年,连备用的也已经耗尽,而且另一架用于指向的望远镜功能也在衰减中。陀螺仪必须要以人工进行维修,在2007年1月30日,主要的先进巡天照相机(ACS)也停止工作,在执行人工维修之前,只有超紫外线的频道能够使用。另一方面,如果没有再提升来增加轨道高度,阻力会迫使望远镜在2010年重返大气层。自从2003年航天飞机哥伦比亚不幸事件之后,由于国际太空站和哈勃不在相同的高度上,使得太空人在紧急状况下缺乏安全的避难场所,因而NASA认为以载人太空任务去维修哈勃望远镜是不合情理的危险任务。NASA在重新检讨之后,执行长麦克格里芬在2006年10月31日决定以亚特兰大进行最后一次的哈勃维修任务,任务的时间安排在2008年9月11日,基于安全上的考量,届时将会让发现号在LC-39B发射台上待命,以便在紧急情况时能提供救援。计划中的维修将能让哈勃空间望远镜持续工作至2013年。如果成功了,后继的詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST)应该已经发射升空,可以衔接得上任务了。韦伯空间望远镜在许多研究计划上的功能都远超过哈勃,但将只观测红外线,因此在光谱的可见光和紫外线领域内无法取代哈勃的功能。

    哈勃空间望远镜简介

    哈勃空间望远镜(英语:Hubble Space TelescopeHST),是以天文学家爱德温·哈勃为名,在地球轨道的望远镜。哈勃望远镜接收地面控制中心(美国马里兰州的霍普金斯大学内)的指令并将各种观测数据通过无线电传输回地球。由于它位于地球大气层之上,因此获得了地基望远镜所没有的好处:影像不受大气湍流的扰动、视相度绝佳,且无大气散射造成的背景光,还能观测会被臭氧层吸收的紫外线。于1990年发射之后,已经成为天文史上最重要的仪器。它成功弥补了地面观测的不足,帮助天文学家解决了许多天文学上的基本问题,使得人类对天文物理有更多的认识。此外,哈勃的超深空视场则是天文学家目前能获得的最深入、也是最敏锐的太空光学影像。
    哈勃空间望远镜和康普顿γ射线天文台、钱德拉X光天文台、斯皮策空间望远镜都是美国国家航空航天局大型轨道天文台计划的一部分。哈勃空间望远镜由NASA和ESA合作共同管理。

    哈勃空间望远镜存在问题

    • 镜片瑕疵
    在望远镜发射数星期之后,传回来的图片显示在光学系统上有严重的问题。虽然,第一张图像看起来比地基望远镜的明锐,但望远镜显然没有达到最佳的聚焦状态,获得的最佳图像品质也远低于当初的期望。点源的影像被扩散成超过一弧秒半径的圆,而不是在设计准则中的标准:集中在直径0.1 弧秒之内,有同心圆的点弥漫函数图像。
    对图样缺陷的分析显示,问题的根源在主镜的形状被磨错了。镜面边缘太平了一些,与需要的位置差了约2.2微米,但这个差别造成的是灾难性的、严重的球面像差。来自镜面边缘的反射光,不能聚集在与中央的反射光相同的焦点上。
    镜子的瑕疵造成的作用是在科学观察的核心观测上,核心像差的PSF要足够的明锐到足以进行高解析的分辨,但对明亮的天体和光谱分析是不受影响的。虽然,在外围损失大片的光因为不能汇聚在焦点上而造成晕像,严重的减损了望远镜观察暗天体或高反差影像的能力。这意味着几乎所有对宇宙学的研究计划都不能执行,因为它们都是非常暗弱的观测对象。美国国家航空航天局和哈勃空间望远镜成为许多笑话的箭靶,并且被认为是大白象(花费大而无用的东西)。
    • 问题的根源
    从点源的图像往回追溯,天文学家确定镜面的圆锥常数是−1.01324,而不是原先期望的−1.00230。通过分析珀金埃尔默的零校正器(精确测量抛光曲面的仪器)和分析在地面测试镜子的干涉图影像,也获得了相同的数值。
    由喷射推进实验室主任,亚伦领导的委员会,确定了错误是如何发生的。亚伦委员会发现珀金埃尔默使用的零校正器在装配上发生了错误,它的向场透镜位置偏差了 1.3 毫米。
    在抛光镜子的期间,珀金埃尔默使用另外二架零校正器,两者都(正确的)显示镜子有球面像差。这些测试都是为确实消除球面像差而设计的,不顾品管文件的指导,公司认为这二架零校正器的精确度不如主要的设备,而忽略了测试的结果。
    委员会指出失败的主因是珀金埃尔默。由于进度表频繁更动造成的损耗和望远镜制造费用的超支,造成了在美国航空暨太空总署和光学公司之间的关系极度的紧张。美国航空暨太空总署发现珀金埃尔默并不认为镜子的制做在他们的业务中是关键性的困难工作,而美国航空暨太空总署也未能在抛光之前善尽本身的职责。在委员会沉痛的批评珀金埃尔默在管理上的不当与缺失的同时,美国航空暨太空总署也被非议未善尽品管的责任,与不该只依赖唯一一架仪器的测试结果。
    • 解决方案
    在望远镜的设计中原本就规划了维修的任务,所以天文学家立刻就开始寻找可以在1993年,预定进行第一次维修任务时解决问题的方案。让柯达再为哈勃制作备用镜在轨道上进行更换太昂贵且耗费时间,临时将望远镜带回地面上修理也不可能。相反,镜片错误的形状已经被精确的测量出来,因此可以设计一个有相同的球面像差,但功效相反的光学系统来抵消错误。也就是在第一次的维修任务中为哈勃配上一副能改正球面像差的眼镜。
    由于原本仪器的设计方式,必须要两套不同的校正仪器。广域和行星照相机的设计包括转动的镜片和直接进入两架照相机的8片独立CCD芯片的光线,可以用一个反球面像差的镜片完全的消除掉它们表面上的主要变形。修正镜被固定在替换的第二代广域和行星照相机内(由于进度和预算的压力,只修正4片CCD而不是8片)。但是,其他的仪器就缺乏任何可以安置的中间表面,因此必须要一个外加的修正装置。
    • COSTAR
    设计用来改正球面像差的仪器称为“空间望远镜光轴补偿校正光学”(COSTAR),基本上包含两个在光路上的镜子,其中一个将球面像差校正过来,光线被聚焦给暗天体照相机、暗天体光谱仪和高达德高解析摄谱仪。为了提供COSTAR在望远镜内所需要的位置,必须移除其中一件仪器,天文学家的选择是牺牲高速光度计。
    在哈勃任务的前三年期间,在光学系统被修正到合适之前,望远镜依然执行了大量的观测。光谱的观测未受到球面像差的影响,但是许多暗弱天体的观测因为望远镜的表现不佳而被取消或延后。尽管受到了挫折,乐观的天文学家在这三年内熟练的运用影像处理技术,例如反折绩(影像重叠)得到许多科学上的进展。

    哈勃空间望远镜价值意义

    哈勃望远镜于1990年发射,20多年来,一直在源源不断地将美丽的宇宙图像传回地球。(央广网) [3] 
    哈勃太空望远镜升空27年以来,取得了许多突破性发现,不断带给我们惊喜,让我们有幸能触碰亿万光年外的神秘。(中国青年网 评) [1] 
    截至2015年3月,哈勃太空望远镜已经环绕地球飞行25年,它捕捉到的照片正从根本上改变着我们对宇宙的认识。(新华网) [14] 
    截至2009年,自美国“哈勃”太空望远镜1990年发射升空以来,共有20多个国家的2000多名科学家利用这只“太空眼”进行了11万多次天文观测,并在分析观测数据的基础上撰写1346篇论文。(中国网) [7] 

    哈勃空间望远镜设备评价

    哈勃太空望远镜耗资达21亿美元,从初步构想的提出、设计到建造完成,时间跨度达40多年。(科普中国) [5] 
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