哈勃30周年輝煌:曾經的「近視」英雄,終究還是步入遲暮之年

2020-12-22 蝸牛蝸牛慢

1990年4月24日的地球,無數天文學家在焦急地等待著。12:33:51,哈勃望遠鏡發射升空。這一次發射,載入了人類文明的史冊。而哈勃望遠鏡,也正式成為了人類科技文明史上至高無上的瑰寶。

從伽利略時代的普通望遠鏡,成長到現在觀測宇宙級別的「哈勃」望遠鏡,這絕不僅僅只是人類看到了更大的宇宙,更美的星空,更是人類對探索世界真相的熾熱之心

即使是不懂天文的人也難免在各大報刊中聽說過哈勃之名,哈勃給大多數人最直觀的印象,莫過於它所拍攝的絕美的圖像:

哈勃29歲時拍攝的南蟹狀星雲
「SDSS J1038 4849」星系團露出「笑臉

這僅僅是哈勃所帶給我們驚喜的冰山一角,在天文研究的眾多領域中,哈勃把人類的知識極限推向了新的高峰,這是哈勃升空之前,人類遠遠不能到達的領域。

哈勃望遠鏡到底有什麼不一樣?

光學望遠鏡家族的「扛把子」僅憑肉眼,人類也可探索宇宙。祖先教會我們觀看星座,流星、彗星、日月食,可以說,天文精神早已融入到我們生活的方方面面。只不過,天文學家為了更好的探索宇宙,望遠鏡也就應運而生。

最早的望遠鏡是1609年的義大利天才伽利略發明的,這是一種「折返式」的望遠鏡,並不能說它不好,甚至直到現在,仍有許多天文愛好者用這種望遠鏡:一面在前端的物鏡(凸透鏡)負責集光和成象,而觀測者通過目鏡(凹透鏡)來觀察這個像。

伽利略望遠鏡原理圖,物鏡為凸透鏡,目

相比之下,哈勃望遠鏡的原理顯得複雜許多,但是作為一個太空望遠鏡,複雜也很正常。這方面涉及專業領域,一般人也確實很難搞清楚。

哈勃望遠鏡擁有極其複雜的結構

也正因如此高端的配置,在光學顯微鏡中,哈勃空間望遠鏡的地位自然是至高無上的。它處在地面之上甚至上千千米的高度,與一般望遠鏡相比,又是一個質的不同。但是也正是基於這一優勢,哈勃望遠鏡可以比它的同伴看得更遠更清晰。

哈勃望遠鏡也因為天文學家埃德溫·哈勃得名,他在20世紀初期使用威爾遜山天文臺著名的2.5胡克望遠鏡對星系進行了開創性的詳細研究。哈勃望遠鏡與胡克望遠鏡相似,但是哈勃望遠鏡配備了更為頂級的光收集器,使得對光收集效率大大升高。除此之外,哈勃還配備了超級靈敏的CCD以及最先進的電子設備。

威爾遜山天文臺

也正是基於這些因素,哈勃望遠鏡才有了探索宇宙的底氣。

置於太空的哈勃是否也會孤獨寂寞冷?哈勃置於太空中也是有原因的,正如前文所提到,這也是哈勃成為光學望遠鏡龍頭角色的原因之一。

地球的大氣層吸收並且釋放光線,這就使得可見光光譜藍端以外的紫外線,在臭氧的存在下只有很少量的能夠到達地面。光譜紅端以外也差不多情況。歷經千辛萬苦,跋山涉水來到地球的宇宙近紅外線,不可避免地遇上了大氣層。

大氣層一方面阻擋非可見光,另一方面擾

大氣層可是一個「只吃不吐」的角色,不僅僅是對於宇宙的非可見光「來多少收多少」,富含水蒸氣和氧分子的大氣層正是近紅外線的天生剋星。此外,大氣中的氧自由基會順便製造出強烈的紅外線輻射,整片天空都將被照亮,使得原本好不容易來到地球的近紅外線雪上加霜,極難被地面望遠鏡所接收。

那麼剩下的就只有可見光譜了,可是僅憑著可見光譜又怎能觀宇宙之全貌呢?於是,哈勃望遠鏡發射在太空的做法就顯得極為正確。事實也確實如此,位於太空之中的哈勃,不受幹擾地收集到了由紫外線到紅外線的譜段,為我們展開了宇宙的宏圖

地面、太空望遠鏡圖像對比

左圖是一臺配置與哈勃類似的地基望遠鏡所拍攝的棒旋星系NGC 1300影像。右圖是由太空中的哈勃拍下同樣位置的照片,顯然位於太空讓哈勃在圖像清晰度方面佔盡了優勢。

「近視英雄」哈勃,何去何從?哈勃的研究之路,並非是一帆風順,除了幾度資金缺乏造成的困擾,最讓科學家們沮喪以及讓納稅人不滿的事情就在於世界頂尖的哈勃居然患有「近視眼」!

其實問題看起來很小,僅僅是鏡片上的一個缺陷。這個缺陷小到了什麼程度呢?據說,誤差僅為人類頭髮直徑的五十分之一。但是就是這個五十分之一的頭髮絲級別的缺陷使得哈勃無法拍攝到清晰的照片,與預期的目標更是相差甚遠。

問題出在2.4米的主鏡,其光學系統被錯誤裝配,形成了「球面像差」的缺憾。但所幸的是球面像差並非無法彌補,哈勃的測試系統幸好在實驗室有完整地保留,工程師還可以利用它來追溯當時犯的錯誤並加以校正,最終得到了精確的數據,為哈勃裝上了一個「近視眼鏡」。

維護前後哈勃的成象差距

哈勃這30年裡做了什麼?

哈勃在太陽系開啟了一扇永恆之窗哈勃提供的一項最直接的技能就是在太陽系開啟了人類看向宇宙的窗口,除了水星,因為離太陽太近而不能觀測,太陽系的其他地方都處在哈勃的監視之中。比如說,哈勃對於1992年夏天的那顆休梅克·利維9號彗星就沒有錯過。這顆彗星衝進了木星大氣,被木星巨大的吸引力撕碎,兩年後循軌道回歸併狠狠插進木行心臟地帶。

休梅克·利維9號彗星撞擊木星

現代人類將很多帶有精密探測儀器的設備發射到太空當中,期望能獲得更多關於宇宙的奧秘。只有一小部分探測器會選擇繞著行星軌道公轉,才能做到長期觀測。大多數探測器都無法停留在軌道,只能飛掠過一個個美麗的星球,空留下一張張模糊的快照,證明著人類文明曾經觸及到這裡。

哈勃之所以強悍,就在於它並不需要進入一個個行星軌道,就可以做到長期監測。哈勃能定期監測太陽系中幾乎所有的行星,並且為人類提供長期動態的觀測數據,這一點是其他探測器很難達到的。

僅有小部分探測器可以圍繞行星軌道

既然是人類探索外界的窗子,哈勃的探測範圍自然遠不止太陽系,其他星系也同樣處於哈勃的視野中。儘管哈勃最初的功能可不是為了探測太陽系以外的地方,但是哈勃開發出的這個「副業」也的確是受到天文學家廣泛歡迎的,倒算是個意外之喜。哈勃的這個功能已經在許多方面取得了開創性的進展,比如說對於氣體塵埃圓盤「原形星盤」,哈勃儼然已經成為了不可或缺的研究工具。

原行星盤

哈勃使「發現生命的印記」變成可能關於外星生命是否存在的問題,困擾了人類很多年,關於外星文明的傳說也眾說紛紜。曾經的蓋茨堡驚現飛碟墜毀事件、英國威爾斯粉紅飛行器事件、1985年外星人綁架人類並進行人腦檢測事件等等撲朔迷離,誰也說不清楚。倒是影視作品中常常根據這些說法為外星人原型,進行科幻創作。

1999年,地基望遠鏡通過一顆母恆星上微小的引力拉扯而發現了距離地球150光年的氣體巨星HD 209458b。2001年,哈勃望遠鏡對這顆巨星進一步測量,發現了其中含有鈉和碳等成分。於是,這顆行星成為了人類發現的首顆具有大氣層成分的太陽系外行星

大氣層的發現給了科學家們很大的鼓舞,畢竟生命離不開呼吸,呼吸會影響大氣層成分。當我們發現了一顆星球上有大氣層的時候,就很大可能有著生命的痕跡。

哈勃使「引力能使空間扭曲」不再僅僅停留於理論層面許多科幻電影中都有著這樣的畫面,宇宙空間受到某種力量發生了扭曲。這猶如夏天我們走在路上,烈日炎炎,我們會看到遠處視野中的事物會發生一定程度上的扭曲。還有著名的「海市蜃樓」現象,常常發生在沙漠中,讓一個個沙漠旅人空歡喜一場。

其實宇宙中也有海市蜃樓,只不過不同於我們在地球上所看到的那些因為熱空氣所形成的,而是由遙遠的大量物質集結的星系團所形成。

正如古人認為「天圓地方」之說是正確的,原因很簡單,身在廬山不知處罷了。宇宙中的彎曲空間儘管我們肉眼無法直接觀測到,但是其中的曲率卻是我們可以真實觀測到的。

愛因斯坦曾經意識到了這種現象,只不過當時無法證明。而哈勃望遠鏡,基於天體的「透鏡體」特性,觀測到了在遙遠宇宙深處暗淡天體的影像。原本那些正常的星系,在鏡下被發現會出現「多重影像」,或者是「香蕉樣影像」

透鏡體的不同形象

哈勃幫助我們進一步探索「星空巨獸」這裡的星空巨獸指的是黑洞和蟲洞。且不論蟲洞是否存在的問題,僅僅是黑洞就令無數天文愛好者欲罷不能。當萬有引力超越其他力量,就是黑洞形成之時。就目前我們所知道的黑洞,可以分為兩類:

大質量恆星死亡的殘骸附近會形成一般的黑洞;星系中央形成的加強版黑洞,超級黑洞的特大質量黑洞。藉助著哈勃望遠鏡的高解析度,我們現在可以直觀地觀測到巨大黑洞附近的物質受到引力影響,並且發現所有的星系中央都有黑洞。也就是說,被人們一直冠以惡魔之名的黑洞,從另一個方面來說,竟是一切星系形成的起源。黑洞代表著死寂與毀滅的同時,也誕生了一個個星系,生命也因此有機會形成。

黑眼星系正是哈勃發現的星系級黑洞

哈勃的高解析度同樣揭示了黑洞對於周遭環境的扭曲現象,黑洞之間的宿命必然是漸漸相近,最終融合。當黑洞融合的威力,人類可能借哈勃探測到時空結構的改變,也許蟲洞並非憑空想像,或許當我們真正弄清楚這種改變,將會發現一條穿越時空的捷徑

哈勃讓我們窺探宇宙大碰撞的奧秘宇宙到底有多大?有人說,宇宙的星星多如沙礫。事實比想像中更讓人沮喪,即使把地球上所有的沙子算上,也不過僅僅和銀河系恆星數量差不多。相比於星係數以十萬光年計的大小,恆星實在是連沙子都算不上。在宇宙的漫長歷史當中,眾多行星、恆星、乃至星系都發生了碰撞,最終融合。

正是因為哈勃,讓我們人類有了一點點可能去感受這場由引力所編排的美輪美奐的宇宙舞蹈。讓我們能夠在宇宙的一處小碰撞中,努力去觸及宇宙大碰撞的宏偉。藉助著哈勃的觀測,人們通過電腦模擬,終於窺得了在宇宙崇高演化體制中一些現象。

碰撞的星系

輝煌了30年的哈勃,終將迎來英雄暮年

人類探索太空以來最著名的「千裡眼」哈勃空間望遠鏡,已經越來越接近退休的年限了。這個發射於1990年,本該2010年就「退休」的空間望遠鏡,已經走過了30年風雨歷程,早已老邁得不堪重負。那麼,哈勃之後,誰能接替它呢?

繼任者早在24年前就已經出現早在1996年,也就是哈勃才發射6年的時候,美國就已經開始籌劃哈伯的繼任者——詹姆斯·韋伯。詹姆斯·韋伯是美國宇航局第二任局長的名字,在他擔任局長期間,美國的航天事業走入了嶄新的紀元,一系列成功的太空探索,最終以「阿波羅登月計劃」達到了人類太空事業的高潮。

哈勃的繼任者——詹姆斯·韋伯

按照原定的工作計劃,詹姆斯·韋伯理應在2014年接替哈勃望遠鏡,只不過處於預算不足以及技術更新,導致了詹姆斯·韋伯望遠鏡一拖再拖,只能拭目以待了。

詹姆斯·韋伯比起哈勃,強在哪?韋伯相比於哈勃,可以從以下幾點粗略地反映出韋伯的優勢:

更大,更精密:韋伯口徑高達6.5米,是哈勃的3倍;發射質量輕:約6.2噸,相當於哈勃的一半;工作波段範圍更廣:韋伯可以在紅外波段工作;耐低溫:能在接近絕對零度,即零下273.15攝氏度工作;反射式鏡頭的設計,史上最科幻的飛行蓮花外形。

這個角度來看哈勃和韋伯的主鏡比較,就很直觀了。

到底應該怎麼評價哈勃?

我們看到,哈勃從誕生以來多災多難,毛病不斷,正應了中國那句老話「新三年,舊三年,縫縫補補再三年。」相比於最新一代的韋伯望遠鏡,哈勃在各個方面也顯得捉襟見肘。但是我們要記住的是:哈勃,永遠是人類歷史上的一大傳奇!

哈勃望遠鏡是一個巨大的成功,是永遠值得人類紀念與自豪的豐碑。哈勃望遠鏡用這30年的時間,帶著全人類體驗了一段跨越時空的旅程,通過這架非凡的望遠鏡,去欣賞精彩、神秘、美得令人窒息的宇宙。

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