有惊无险“哈勃”风云之路还有多远

　　最近，美国宇航局宣布，哈勃空间望远镜已恢复科学观测，并且健康状况良好。4月底，“哈勃”一度因故障进入安全模式，停止科学观测。服役30多年来，“哈勃”贡献了哪些重大成果？曾遭遇哪些挑战？新一代空间望远镜和太空作业需要吸取“哈勃”的哪些经验和教训呢？

　　1990年4月24日，哈勃空间望远镜飞入太空。作为美国宇航局的旗舰天文台产品，至今“哈勃”已服役34年，远远超过最初15年的预期寿命，拍摄了无数张梦幻瑰丽的宇宙景象。

　　其实，“哈勃”绚丽摄影的意义超出大众想象。众所周知，光即使以惊人的速度移动，对于宇宙空间来说仍然显得“很慢”。通过将遥远的太空物体拍摄下来并呈现在人类眼前，“哈勃”的照片就像是穿越时空的核心样本，展现了不同的星系早期发展历程，而且越成熟的星系，其图像往往越会出现在视场深处。

　　比如，1995年12月18～28日，“哈勃”拍摄的宇宙核心样本包含了342张曝光照片，由蓝色、红色和红外线组合而成。它们帮助天文学家推断出不同星系的距离、年龄和组成部分：较蓝的天体含有年轻的恒星，或者可能相对较近；更红的天体包含更古老的恒星，或者可能更远。

　　作为轨道观测站，“哈勃”可以收集从紫外线到可见光、直至电磁波谱的近红外部分光波长。这种对广泛波长范围的敏感性，使其成为长期以来最有价值、最高产的天文台之一。同时，“哈勃”可以分辨出角直径仅为0.05角秒的天体，相当于从138公里外看到一角硬币的宽度。

　　高敏感性、高分辨率使“哈勃”能够对恒星周围的尘埃盘或极远星系的发光核等进行成像，还可以观察空间范围广大的天体——从太阳系内进行复杂碰撞的小行星，到遥远的恒星形成星系过程，进而追溯到仅为当前的3%年龄时的宇宙影像。

　　依靠诸多“绝技”，哈勃空间望远镜取得了一系列重要发现：揭示“失控的宇宙”，印证宇宙正在加速扩张；追踪星系成长过程，为推演银河系演化的各个阶段发挥了重要作用；描绘了太阳系巨行星及其卫星不断变化的环境，为更加精细、更加靠近目标星球的深空探测任务打好基础；察觉光的“回声”，显示光脉冲在宇宙云中回荡，就像池塘涟漪一样扩散；帮助寻找“怪物”黑洞，尤其是几乎位于每个星系中心的超大质量黑洞。

　　借助近红外仪器，“哈勃”能够透视新生恒星周围的气体和尘埃云，又有机会观测碰撞的中子星和爆炸的超新星，揭示了恒星的“生死谜团”细节。必要时，哈勃空间望远镜通过摆脱大气层的模糊干扰，获得了更广阔、更清晰的宇宙视野，能够探测比肉眼观察黯淡近百亿倍的物体，特别是“照亮”暗物质，帮助天文学家揭示宇宙的基本结构。

　　哈勃空间望远镜的主镜抛光精细，直径为2.4米，质量约为828公斤，能够收集大量光线。理论上，其观测条件不会随着时间改变而改变，甚至不会随着自身轨道改变而改变。天文学家可以重新访问目标，期望每次都能以同样的高质量成像。这种光学稳定性对于探测天体的微小运动变化是至关重要的。

　　尽管如此，在发射两个月后，美国宇航局就承认，“哈勃”暴露缺陷，广角行星相机和暗天体相机观测效果都显示出相同的特征性失真。调查发现，“哈勃”的主镜曲线存在错误，外缘太平了，尽管误差仅有人类头发直径的1/50，仍比设计规定公差大10倍。

　　原来，“哈勃”的主镜是超低膨胀玻璃制成的大圆盘，由于镜外边缘比标准更平，导致落在镜外边缘与其他部分的光线存在不同的焦点，被称为“球面像差”，造成成像模糊。而且，这个缺陷因校正器失准而未能在“哈勃”升空前被查出来。

　　缺陷该怎样弥补呢？如果人类眼睛的晶状体或角膜曲线不规则，进入瞳孔的光线也会有多个焦点，造成视线模糊，需要借助眼镜或激光手术来纠正。科研人员通过重新设计组装件，1993年底委托航天员成功校准“哈勃”反射镜，代价是拆卸部分仪器。

　　“哈勃”借助相机、光谱仪和干涉仪来解析宇宙光线，通过高级巡天相机(英文简称ACS，主要用于可见光)和宽视场相机3(英文简称WFC3，主要用于紫外和红外波长)来获取宇宙图像。其中，2002年安装的ACS具备3个摄像头，称为“通道”，分别针对不同类型的图像。2007年1月，电子故障使两个最常用的“通道”无法运行，直到2009年航天员修复了一个“通道”，补充安装WFC3，改善了“哈勃”的综合成像能力。

　　事实上，2009年“哈勃”维修任务中，航天员相当忙碌，既要处理因制冷剂异常而“休眠”的部分仪器，又更换了一个精细导航传感器。当“哈勃”指向一个目标时，两个精细导航传感器会寻找稳定的点光源(被称为“导航星”)并锁定，以保持望远镜的稳定指向，第三个精细制导传感器可以收集目标的科学信息，包括恒星的角直径或位置等，其精确度是地面望远镜数据的10倍。然而，导航星如果是遥远的星系或双星系统，而不是以前天文学家认为的单星，就会使原先的精细制导传感器无法锁定，这个问题只能通过升级设备解决。

　　后来，航天员不再维修“哈勃”，地面团队仍需时刻分析空间望远镜的故障原因，发送指令，解除安全模式，还要定期“重置”其内部时钟。“哈勃”的内部时钟是32位计数器，每过1/8秒，计数加1，直到约43亿次的最大记录限度，也就是过了近17年后，计数器自动归零。届时，“哈勃”的系统很可能误判时间，干扰定位和收发数据。因此，地面团队需要发送指令，更新其软件，确保原计划服役15年的“哈勃”继续正常工作。

　　毫无疑问，哈勃空间望远镜长期运行，使科研人员和航天员对于运作航天飞行器有了全新的认识和体验。一方面，“哈勃”服役前期，不时有航天员造访，开展维护、升级工作，为太空中人类与机械配合工作积累了宝贵经验，还为太空机器人作业提供了实践检验的机会。

　　科研人员与航天员密切开展天地沟通协作，开发了数百种定制工具，又经过充分测试、改进，以便在特定的限制条件下发挥最佳效果。比如，如何改善舱外航天服、航天手套等人机工效，确保在复杂而危险的太空作业任务中“得心应手”。再比如，无人看管的维修工具、材料怎样合理安置，又需要设计怎样的工具来缓解航天员疲劳，节约宝贵的出舱时间。其中，“哈勃”维护作业遇到的很多问题在载人飞船、航天飞机甚至空间站任务中都没有经验可循。

　　另一方面，“哈勃”及其组件的研制过程突破了很多关键技术，也出现了一些低级失误。为此，美国宇航局的水槽设施中搭建了复制品，供航天员在执行任务前不断练习，检验理论知识，帮助重新设计和完善相关技术工具。事实证明，模拟仿真技术在航天器开发和后续运作中会发挥不可忽视的作用，有助于厂商ag真人官方官网和使用者减少疏忽，降低风险。

　　在技术应用和设计方案细节方面，哈勃空间望远镜同样贡献了经验和教训。比如，发动机振动和共振频率有可能严重损坏航天器，加强相关领域深入研究对于航天器在轨机动、安全对接等都是至关重要的。

　　此外，“哈勃”失去航天员照料后，设备逐渐老化，故障加速涌现，直接影响其使用寿命的降轨问题更是令科学家忧心忡忡。美国宇航局希望未来借助商业航天力量，恢复“哈勃”维护和升轨工作。如果新一代空间望远镜设计之初就充分考虑到相关需求，制定航天员和机器人工作预案，有望起到事半功倍的效果。

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