《寫在哈勃望遠鏡退役之後：美國宇航局拿什麼拯救可見光天文學？》
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今年是哈勃望遠鏡升空30周年，應該說是個值得紀念的時刻，雖然哈勃望遠鏡不是第一臺空間望遠鏡，但它有三個最：成果最突出、服役時間最長、最為被公眾所熟知。在大眾科普、科研兩個方向上都有相當高的造詣，因此值得紀念！30周年的到來也意味著哈勃望遠鏡的日子所剩無幾，上一次在軌維護還是在2009年，目前有11年沒有維護，那麼哈勃望遠鏡還能撐多久？哈勃望遠鏡一旦無法觀測，是否有繼任者？美國宇航局拿什麼拯救可見光天文學？
哈勃望遠鏡綜述
我們先對哈勃望遠鏡做一個概括性的認識：哈勃望遠鏡在1990年4月24日由太空梭送入軌道，近地點高度540公裡，哈勃望遠鏡直徑為2.4米，屬於卡塞格林望雙反光學望遠鏡，經過兩次反射後成像。在過去30年，哈勃望遠鏡進行了5次軌道維護和升級，現有儀器為WFC3F廣域行星相機（SM4期間安裝）、COS宇宙起源光譜儀（SM4）、ACS高級巡天相機（SM2）、太空望遠鏡成像光譜儀（SM2）、近紅外攝像機和多天體光譜儀（SM2）、精細制導傳感器（SM2/3/4任務期間均有更換和升級）。目前這些儀器已經至少運行了11年，隨時都有可能出現問題。
從概率上看，未來5年出現故障的可能性較低，但在未來5至10年出現故障的概率比較高。其中有兩個儀器非常重要，一個是精細制導傳感器，用來定位哈勃的觀測指向，一旦出現故障，哈勃就報廢無疑。如果制導系統沒有問題，那麼哈勃望遠鏡理論上仍然可以觀測。比如，COS宇宙起源光譜儀壞了，那哈勃還是可以通過WFC3F廣域行星相機進行觀測，如果WFC3F廣域行星相機壞了，其他儀器也可以正常工作，只不過圖像呈現方面有缺損。
哈勃望遠鏡的工作波段決定了其與眾不同的特點，其工作波長為紫外、可見光、近紅外，對應的100納米至1700納米。與其他望遠鏡所不同的地方在於其可見光的觀測能力極強，這部分波段恰恰是其他空間望遠鏡所不具備的。對於陸基望遠鏡而言，哈勃望遠鏡又能對長波紫外光譜進行觀測和分析，這又是陸基望遠鏡卻欠缺的，這兩個優勢奠定了哈勃望遠鏡的觀測技術。在過去30年，哈勃望遠鏡的觀測成果不計其數，總的來說在5個方向上取得了較大成果：第一，對哈勃常數的測定，事關宇宙加速膨脹，哈勃望遠鏡給出的數值為在326萬光年距離上，其他星系遠離我們的速度為每秒74公裡；第二，哈勃望遠鏡發現暗能量在宇宙加速膨脹中起到斥力作用；第三，哈勃望遠鏡發現星系的形成高峰期大約在70億年前，並非宇宙大爆炸之後的10億年左右；第四，哈勃望遠鏡發現類星體背後的供能天體為超大質量黑洞；第五，哈勃望遠鏡成功對系外行星大氣成分進行測定。
我們從這些成果可以看出，哈勃望遠鏡的成就是多方面的，哈勃常數、暗能量屬於宇宙學範疇、類星體屬於高能天體範疇、星系演化和系外行星則是對宇宙宏觀天體進行觀測，基本上覆蓋了絕大部分的天體。當然，哈勃望遠鏡也有不擅長的地方，那就是X射線和伽瑪射線等高能天體事件。此類天體事件的觀測需要由更加專業的空間望遠鏡進行，比如錢德勒X射線空間望遠鏡等。
哈勃望遠鏡的繼任者
明白了哈勃望遠鏡的基本原理和工作方式，我們就知曉了所謂的哈勃繼任者，必須是一具能夠進行可見光觀測的太空望遠鏡。因此韋伯望遠鏡並非真正的繼任者，韋伯望遠鏡工作波長在最短波長對應光譜僅為橙色光，主要工作光譜處於中遠紅外，因此韋伯望遠鏡是看到肉眼看不到的紅外線。
那麼哈勃望遠鏡的繼任者在哪兒呢？其實在2012年就已經造好，這就是美國國家偵察辦公室送給NASA的2具KH-11光學偵察衛星。2016年，NASA使用了其中一具望遠鏡，被命名為WFIRST廣域紅外觀測望遠鏡，預計發射的時間為2025年，主鏡面2.4米，工作波長為近紅外和可見光，該計劃因為韋伯望遠鏡延期而推遲。另外一具望遠鏡，目前就放在NASA的設施內，等待資金的到來。
KH-11光學偵察衛星在40年前就已經升空，目前該系列偵察衛星已經發展到第五代，美國偵察辦送給NASA的應該是KH-11的第四代，但裡面的設備已經拆掉，需要NASA自己安裝觀測設備，畢竟偵察衛星的設備與觀測宇宙的儀器是不一樣的。相同的地方在於主鏡面，第四代KH-11光學偵察衛星使用了2.4米直徑主鏡面，而且是輕型鏡面，比哈勃望遠鏡上的2.4米鏡面更輕，更加先進，製造時間是在2000年左右。根據美國偵察辦公開的數據，第四代KH-11光學偵察衛星可以在400公裡高度軌道上達到0.9米的解析度，同時使用的是短焦距設計。川陀太空認為，這種設計讓KH-11的長度更短一些，但是比哈勃WFC3的成像解析度更高，如果對兩者進行量化，那麼第四代KH-11的解析度應該是哈勃的100倍。這意味著如果我們用第四代KH-11的超輕主鏡面進行觀測，理論上比哈勃看得更遠，可以對宇宙中更加昏暗的天體進行研究。
第四代KH-11光學偵察衛星除了短焦距外，其副鏡是可以移動的，這樣可以根據目標天體的估算距離調整到一個更好的成像焦點上，這個設計在哈勃望遠鏡是沒有的。焦距短了，且可調，因此KH-11光學偵察衛星的光路就變短了，同樣採用的卡塞格林望雙反光學望遠鏡，長度會短一半，這樣設計的好處是可以進行在軌維護。太空人在站在望遠鏡外，對光路內部設備進行維護，哈勃望遠鏡由於光路筒太長，導致太空人無法進入維護。如果NASA資金能夠到位，那麼第二具第四代KH-11光學偵察衛星可以接替哈勃，繼續在紫外、可見光、中近紅外波段上對宇宙進行觀測，解析度還更好。在這之前，NASA需要先搞定已經耗資90億美元的韋伯望遠鏡，還有2025年發射的WFIRST廣域紅外觀測望遠鏡。
綜上，哈勃望遠鏡的繼任者其實在2012年就已經出現，這也是NASA在哈勃退役之後，拯救可見光天文學的一個重要措施。雖然哈勃望遠鏡給了我們近30年的天文盛宴，但它也有老的那一天，根據NASA的基本規劃，WFIRST廣域紅外觀測望遠鏡主打紅外，還能覆蓋可見光，韋伯望遠鏡主打的是中遠紅外，另外一具第四代KH-11光學偵察衛星則是給哈勃望遠鏡退役之後的空缺預留的。目前看，哈勃望遠鏡的壽命還有比較長的時間，估計至少5年以上，對NASA而言還可以緩一緩。