因為0.0022毫米的小錯誤,哈勃望遠鏡差點變成一個47億美元的廢品

2021-01-15 寰宇科學新觀察

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以「星系天文學之父」的愛德溫·哈勃為名的哈勃太空望遠鏡,已經走過了30年的歷史,它為人類觀察宇宙提供了一個絕佳的窗口。哈勃太空望遠鏡最著名的作品就是「哈勃遺產場」——迄今為止最完整最全面的宇宙圖譜,由哈勃望遠鏡在16年間拍攝的7500張星空照片拼接完成,包含了265000個星系。

當哈勃太空望遠鏡於1990年發射升空時,美國國家航空航天句(NASA)大張旗鼓,大膽地承諾要解決天文學中最令人興奮的問題,包括尋找黑洞存在的證據。它的建造成本比任何其他的科學計劃都要高。然而,因為一個非常非常小的錯誤,它差點成為了一個價值高達47億美元的廢品。

當年哈勃望遠鏡被發射到太空軌道上後,天文學家們迫不及待地想要通過它來觀察浩瀚的宇宙。然而,令NASA的科學家和工程師們失望的是,哈勃望遠鏡無法獲得清晰的焦點。如下圖所示,左邊是哈勃最初拍攝的M100星系核的照片,非常模糊。

幾個星期後,一個可怕的現實逐漸浮現:哈勃太空望遠鏡的主鏡上有一個很致命且無法彌補的製造缺陷。這對NASA來說是一場尷尬的災難,很可能會成為全球的笑柄。科學家們為了研究這個缺陷,花了一年多的時間。

哈勃望遠鏡上的主鏡非常的光滑,它的弧度非常的小,如果把它放大到地球那麼大,那麼它的最高處和最低處相比只有15釐米的落差!但這個實際上直徑只有2.4米的主鏡,在靠近邊緣的地方比設計要求的平了2.2微米(0.0022毫米),這使得哈勃望遠鏡無法聚焦。2.2微米,只有一張紙的厚度的1/50,就足以讓這臺造價高達47億美元的望遠鏡變成近視眼!

這一缺陷嚴重限制瞭望遠鏡對微弱物體成像或獲得高對比度的能力,使得幾乎所有的科學計劃都無法進行。雖然柯達已經為哈勃安裝了一個備用反射鏡,但要在軌道上更換反射鏡是不可能的,而要把望遠鏡帶回地球進行改裝既昂貴又耗時。

幸運的是,一旦了解了錯誤的本質,鏡子被如此精確地研磨成錯誤的形狀,這是一件幸事。天文學家可以通過使用先進的圖像處理軟體來消除圖像的模糊,從而進行部分補償。2.2微米的錯誤造成的圖像模糊,很快被科學家們通過計算機軟體來修復。

在後來,NASA乾脆將錯就錯,設計了一個具有完全錯誤的光學元件,安裝到哈勃望遠鏡上面,以糾正其缺陷。科學家們不必通過計算機軟體進行補償,就能得到最真實的畫面。

負責調查問題根源的艾倫委員會(Allen commission)發現,反射式零位校正器(reflective null corrector)是一種用於測試透鏡形狀的裝置,其中一個鏡頭的間距約為1毫米。該設備已被定製和明確設計,以滿足哈勃望遠鏡的精緻要求。

不幸的是,它不正確的裝配導致鏡子被打磨得非常精確,但形狀不對!設計了一種特殊的光學裝置,稱為反向零位校正器,用來模擬從一個完美的主鏡反射的光,用來校準儀器,它清楚地顯示了反射零位校正器的誤差。第二個零位校正器被用來測量完成的主鏡的形狀,它也清楚地顯示了主鏡的誤差。在巨大的預算和時間壓力下,這兩個錯誤的指標當時都被認為是有缺陷的。依靠以前沒有被廣泛測試過的單一儀器的測試結果是導致慘敗的一個重大失敗。

1993年底,「奮進」號太空梭把7位太空人送上太空,在長達5天的太空行走中,成功修理哈勃望遠鏡。在修復過程中安裝了兩個新的攝像頭和校正光學元件,後來從哈勃望遠鏡上拍攝了一些最具標誌性的圖像。

在1994年初,修復哈勃太空望遠鏡的任務被宣布為一個巨大的成功。由1200多名工作人員組成的美國宇航局哈勃太空望遠鏡項目小組被美國國家航空協會授予羅伯特·J·科利爾獎盃,「由於哈勃太空望遠鏡成功的軌道維修,傑出的領導才能、無畏精神和重振的公眾對太空計劃的信心。」

自1990年以來,有來自200多個國家的2000多名天文學家通過哈勃太空望遠鏡,進行了十多萬次的天文觀測,得出了上千個研究成果。所謂「差之毫厘,失之千裡」,當年哈勃太空望遠鏡上這0.0022毫米的錯誤,差點導致它成為史上最昂貴的廢品。慶幸的是,這個錯誤被糾正了,人類得以通過它來觀察浩瀚的宇宙星空。

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