三十而立的哈勃奋斗史

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　　郑永春，博士，中国科学院国家天文台研究员，中国科普作家协会副理事长，青年科学家社会责任联盟理事长， “科普中国”形象大使。
　　1990年4月24日发射的哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope，HST），今年已经30岁了。都说三十而立，30岁的哈勃望远镜到底经历了什么样的奋斗人生呢？
　　44年圆梦
　　首先要说明的是，哈勃望远镜并不是哈勃提出来的，而是最早始于天文学家莱曼·斯皮策提出的设想。1946年，莱曼·斯皮策发表了一篇论文，题目是《在地球之外的天文观测优势>。论文中，他明确提出把望远镜送入太空的建议，以消除地球大气层对天文观测的影响。 “看到一个更加清晰的宇宙”，这就是哈勃望远镜最初的构想。斯皮策因此被称为“哈勃望远镜之父”。
　　但斯皮策提出的太空望远镜设想在当时太前卫了，因为那时候还没有人造物体进入过太空，直到11年后的1957年，苏联发射了第1颗人造地球卫星——斯普特尼克1号，人类由此进入航天时代。
　　从1946年首次提出设想，直到1968年，美国宇航局终于批准研制1架3米口径的太空望远镜，计划1979年发射。然而，1974年，在望远镜研制的关键阶段，国会一度砍掉了太空望远镜的全部经费。经过天文学家四处奔走呼吁，最终国会同意重启太空望远镜计划，但要求削减经费，缩小任务规模。望远镜的口径由原计划的3米缩为2.4米。而且，原计划以测试关键技术的1.5米望远镜先导任务被取消了，还拉来了欧洲空间局一起分担经费。如果按照原计划实施，哈勃望远镜的表现可能会比现在好得多。
　　1980年初，这架研制中的太空望远镜被命名为哈勃，为的是向天文学家艾德温·哈勃致敬。20世纪初，他首次发现大多数星系离银河系越来越远，且距离银河系越远的星系，远离的速度也越快，说明宇宙正在膨胀。宇宙的膨胀速度有多快，成了很多天文学家追求的目标，这就是所谓的哈勃常数。2019年，诺贝尔物理学奖得主（2011年）亚当·里斯领导的宇宙学研究团队，经过对哈勃太空望远镜观测数据的6年分析，发现相距330万光年的2个星系，相互之间彼此远离的速度高达每秒73千米，而地球绕太阳公转速度也只有每秒30千米。说明宇宙膨胀速度比原先估算的更快！用哈勃望远镜精确测量哈勃常数，圆了哈勃当年揭示宇宙膨胀速率的梦想。
　　5次维修
　　哈勃望远镜的发射时间一再推迟，原计划1979年发射，后来部分由于经费原因推迟到1983年，再后来又发生了挑戰者号航天飞机失事，这次事故导致美国所有太空计划被按下了暂停键，哈勃望远镜的发射时间也再度推迟。直到1990年4月24日，哈勃望远镜才由发现号航天飞机送入太空。
　　在太空望远镜领域，除了哈勃望远镜，还有1991年由亚特兰蒂斯号航天飞机送入太空的康普顿太空望远镜，1999年由哥伦比亚号航天飞机送入太空的钱德拉X射线太空望远镜，再加上2003年发射的斯皮策太空望远镜，一起被称为太空望远镜中的“四大天王”。它们获得的新发现，不断刷新着人类对宇宙的认知。
　　哈勃望远镜发射升空后，由于镜片生产过程中存在重大的质量缺陷，观测精度距离预想的结果相去甚远，几乎不可能发挥观测价值。眼看着哈勃望远镜就要成为一个废物，航天飞机再次向全世界展示了其他无人航天器所不具备的巨大优点。它舱内容积大，又配备了机械臂，具有大规模的太空机动能力。而且允许3位航天员同时出舱行走，具有强大的舱外活动能力，是对哈勃望远镜进行维修的唯一选择。从1993年到2005年，奋进号、发现号、哥伦比亚号、亚特兰蒂斯号航天飞机先后派出航天员，对哈勃望远镜进行了5次大规模维修。不仅修正了它的镜片缺陷，而且还对大量的核心器件进行了维护更新。这些维护大大延长了它的寿命，这也是哈勃望远镜在30年后还能工作的主要原因。虽然航天飞机单次飞行的平均费用高达15亿美元，但相比于哈勃望远镜的出色表现，这些费用还是值得的。
　　1993年，第1次维修，安装2号广角和行星相机，相当于是给哈勃望远镜戴上一副眼镜，使它重新看清这个宇宙。
　　1997年2月13日，第2次维修，更换了近红外相机、多目标分光仪和图像摄谱仪等II种设备。
　　1999年12月，第3次维修，更换了陀螺仪（6台）、导星传感器、计算机和隔热毯，安装了1套电压/温度改善装置，以防止电池过热。
　　2001年，第4次维修，安装了测绘相机，更换了太阳能电池板和已工作11年的电源控制装置，激活了处于休眠状态的近红外相机和多目标分光计。
　　2009年，第5次也是最后一次维修，安装了宇宙起源光谱仪（COS）和宽视场相机3，维修了高级巡天相机（ACS）和成像光谱仪（STIS），更换了已使用18年的旧电池，安装了6个新的陀螺仪，增加了1套新的精确制导系统，帮助望远镜指向正确的方向。
　　2011年，航天飞机退出了历史舞台，人类从此失去了对哈勃望远镜的维护能力，只能看着它慢慢老去。这位奋斗了30年的老将，现在已经满身伤病，老态龙钟。所有人都清楚，总有一天它也会“死”的。
　　“哈勃”一生“坎坷”，它之所以能源源不断地将清晰的天文图像传回地球，为人类提供真实的宇宙场景，是人类利用航天技术长期维护的结果。相比以天文学家为主导的地面望远镜研制，太空望远镜的研制与一个国家的航天技术能力密不可分。所以说， “哈勃”的成功，是航天工程师和天文学家共同努力的结果。
　　为了避免重蹈哈勃望远镜的覆辙，作为继任者的詹姆斯·韦伯太空望远镜的发射时间一再延期，一直在检查可能出现的各种问题。因为这架望远镜不仅造价高达上百亿美元，而且要送到距离地球150万千米之外，比哈勃的10多亿美元、500千米贵了很多，也远了很多。航天飞机已经退役，詹姆斯·韦伯太空望远镜发射之后如果出现问题，很难再有机会维修了。
　　让星空连接每一个人
　　哈勃望远镜是由美国宇航局和欧洲空间局共同出资的，所以，这两位金主是哈勃望远镜的管理方。但是，发射之后，谁来管理它的观测数据呢？美国宇航局和科学界之间发生了控制权之争。斗争的最后结果是谁也别管，新成立一个太空望远镜科学研究所。这个研究所不受任何机构管辖，挂靠在美国大学天文研究联盟。这是一个联盟性组织，由32所美国大学和7个国际会员组成。也就是说，全世界的天文学家都可以自由获取和利用哈勃望远镜的观测数据，哈勃连接了每一位天文研究者。
　　在哈勃望远镜迎来30周年生日的时候，美国宇航局发起了一项活动——What Did Hubble See on YourBirthday？（你生日那天，哈勃看到了什么？）美国宇航局发布了哈勃望远镜拍摄的366张星空照片，每天1张，其中也包括了4年才有1次的2月29日。
　　很多中国人都相信，地上的每个人，都对应着天上的一颗星，每个人与宇宙之间都存在着天然的联系。现代天文学研究也表明，我们小小的人体，就集中了整个宇宙的所有元素种类。所以，人和宇宙之间存在着天然的联系。有些人也相信，重要人物出生的时候，会天有异象，而每个人都有成为大人物的梦想。所以，这个活动也打动了很多中国人的心，在网络上引发了数以亿计的人的关注。大家都想看一看，在自己生日那一天，哈勃望远镜看到了什么。我也不能免俗，输入了自己的生日。于是，我看到了那一天哈勃望远镜拍摄的星空照片。这张照片就是2019年3月11日拍摄的南蟹状星云。在这张照片中，有一个沙漏状的星云结构，很是震撼，在距离地球几千光年之外，一颗衰老的红巨星和一颗即将燃尽的白矮星纠缠在一起。这张照片也在时刻警醒我，时间就像这个宇宙沙漏一样，正在快速地流逝，人的一生极为短暂，要抓紧每一分钟，过好每一天。
　　与此同时，还发布了哈勃望远镜30年探索过程中的30张经典照片，里面有我所喜欢的火星、土星和木星这些太阳系内的行星。在未来，我还会持续的关注这些行星上的新发现，就像我们关心人类和地球的命运一样。
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