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图说30年:回望哈勃望远镜发射之时,如何立志揭开宇宙神秘面纱

 天文在线 2023-04-08 发布于云南

“在地球上观星就像尝试湖底观鸟一样。”——詹姆斯·B·奥多姆(1983-1990,哈勃项目总管)

第一个把光学望远镜放到模糊、扭曲作用强烈的地球大气层上空的具体计划,由普林斯顿大学的天文学家莱门·S·斯皮策于1946年发起。尽管其他人想到了轨道望远镜——但斯皮策的报纸上印着大标题“地外观测的极大优势”,详尽地描述了把望远镜放到太空中去的科学优势。这是在第一颗人造地球卫星——斯普特尼克号卫星发射的11年前。

斯皮策坚持进行建造空间望远镜的游说,在1962年,美国科学院终于建议研发地球轨道望远镜。NASA在1966到1972年间发射了四颗轨道天文台(OAO),当时只有其中两个成功了。OAO的最终任务叫做哥白尼任务,在1972到1981年间把一个32英寸(80厘米)口径的紫外线望远镜送上太空。NASA先是在1972年提出发射大型空间望远镜(LST)的计划,五年之后,美国国会就批准了这项基金。

             

左:天文学家莱门·斯皮策。中:OAO-3 哥白尼卫星正在进行起飞前的测试。右:LST/哈勃望远镜的截面图,显示出主要部件。

与预想中的一样,LST包括一个直径94英寸(2.4米)的主镜,用当时还在研发的航天飞机,在1983年送上太空。LST预计的工作时间是15年,主要用来观测电磁波谱中的可见光和紫外部分。

1983年,管理人员放弃了用航天飞机运送望远镜回地球维修再次发射的计划,转而决定让宇航员进行在轨维护和升级。同年,NASA以埃德温·哈勃的名字重新命名了LST,计划1986年10月发射。然而,1986年1月的挑战者号事故暂停了所有的航天飞机,把哈勃太空望远镜的发射推迟到了1990年4月。

             

左:哈勃太空望远镜早期的框架组建。中:工程师们在建造哈勃主镜。右:天文学家埃德温·哈勃

1990年4月24日,哈勃太空望远镜在STS-31任务中被发射上了太空。航天飞机飞到了380英里的轨道上,确保望远镜能尽可能地比地球大气层高,这对航天飞机来说是特别高的高度。24000磅重的望远镜被塞进了发现号航天飞机的有效载荷舱,它带有5个科学设备:广域和行星照相机(WF/PC)暗天体照相机(FOC,戈达德高分辨率光谱仪(GHRS),暗天体光谱仪(FOS),和高速光度计(HSP).

发射任务的成员有指挥官劳伦·施里弗,飞行员查尔斯·博尔登,和任务专家布鲁斯·麦坎德利斯,斯蒂芬·霍利,凯瑟琳·苏利文。进入轨道后,霍利用航天飞机的机械臂放开了哈勃望远镜,小心地把它送出有效载荷舱,在确认望远镜的两个太阳能电池板和天线都正确部署好之后,就放开了它使其自由运动。以防在部署过程中出现失误,麦坎德利斯和苏利文早就穿好了太空服,准备进行太空行走。结果他们并没有机会去纠正失误,因为他们当时正在气闸室,在那里是看不到望远镜释放过程的。

接下来的三天里,航天飞机保持在离望远镜50英里的地方,以防出现问题需要他们进行修理,或者直接将它带回地球,最初并没有这项救援措施。

             

左:STS-31机组成员(从左至右):查尔斯·博尔登、史蒂文·霍利、洛伦·施莱弗、布鲁斯·麦克坎德里斯和凯瑟琳·沙利文。中:STS-31发射。右:STS-31执行任务期间哈勃望远镜的释放工作。

             

左与中:STS-31的宇航员麦克坎德里斯和沙利文身着航天服进行太空行走。右:来自WF/PC的、展示了应该作为一个单一光点出现的恒星的模糊图像。

最初的在轨激活与系统检验完成后,就该开始进行备受期待的"首拍"了。然而,最初拍摄的图像令科学家们倍感困惑。图像中的恒星并非聚焦的单一光点,而是模糊失真的。调查人员发现,问题出在望远镜的主镜上:由于制作失误,它的边缘比原定规格要平上0.003毫米,导致了"球面像差"这一光学问题。尽管这大大削弱了哈勃望远镜传回图片的精细程度,它仍然带来了一些优质的图像。美国航空航天局(NASA)制定了一个无需维修主镜(事实上也无法完成)也能够解决这一光学问题的计划。由于球面像差的程度是明确已知的,工程师们设计了一组镜面,宇航员将在计划的第一次维修任务时将它们安装在哈勃望远镜上。

             

左图:1990年哈勃望远镜所拍摄的土星。右图:1991年哈勃望远镜所拍摄的木星。

修理哈勃望远镜瑕疵的光学器件,以及更换意外引起振动的太阳能电池板的重任落在STS-61航天飞机任务的成员们肩上。这是哈勃望远镜的第一次维修任务,于1993年12月执行。任务成员有指令长理查德·科维,飞行员肯内斯·鲍威索克斯,任务专家凯瑟琳·索恩顿、克劳德·尼克列、杰弗利·霍夫曼、斯多里·马斯格雷夫和托马斯·埃克斯。

发射两天后,尼克列抓住哈勃望远镜并将其固定在奋进号航天飞机的有效载重仓内。接下来的五天里,分别由霍夫曼/马斯格雷夫与索恩顿/埃克斯这两支太空行走团队轮换进行了空前的五次太空行走,最终完成维修任务。太空望远镜光轴补偿校正光学(COSTAR)取代了高速光度计(HSP)原先的位置,牺牲一个装置使得望远镜发挥其全部潜能。他们用升级后的WF/PC-2 (第二代广域和行星照相机) 取代了原有的WF/PC (广域和行星照相机),并替换了刚性更强的新太阳能电池板以消除不必要的振动。此后一个月内,哈勃拍摄的新图像表明,维修使望远镜恢复了其预期功能,为天文学家提供了独特的观测平台。

             

左:STS-61机组人员(前,从左至右),肯尼思·博兹(Kenneth Bozex),凯瑟琳·桑顿(Catherine Thornton),故事穆斯格雷夫(Story Musgrave)和克劳德·尼科里尔(Claude Nicollier);(从左至右,从左至右)Richard Covey,Jeffrey Hoffman和Thomas Akers.中:Thornton和Akers安装了COSTAR,以恢复哈勃望远镜的光学功能.右:霍夫曼和马斯格雷夫安装WF / PC-2仪器.

             

左:哈勃太空望远镜在STS-61发射前.右上:首次维护任务前后的M100 Galaxy核图像,显示出改善的光学质量.

             

左:1995年猫眼星云NGC 6543的哈勃影像.中:1995年火星上的哈勃影像.右:1996年埃塔卡琳娜(Eta Karina)的哈勃影像.

哈勃的第二次维护任务是在1997年2月执行的.找“在航天飞机执行STS-82任务期间.STS-82的机组人员包括飞行员Kenneth D. Ballsox斯科特·霍洛维茨还有任务专家约瑟夫·R·坦纳斯蒂芬·霍利,格雷戈里·哈博(Gregory J. Harbaugh),李·马克(Mark C. Lee)和史蒂夫·史密斯(Steve L. Smith).航天飞机手臂操作员霍利(Hawley)与哈勃(Hubble)搏斗,史密斯(Smith)/李(Lee)和坦纳(Tanner)/哈伯(Harbaugh)的两个太空行走团队在接下来的五天内交替进行了五次太空行走.他们用太空望远镜成像光谱仪(STIS)取代了GHRS仪器,用近红外相机和多目标光谱仪(NICMOS)取代了FOS,还用固态版本取代了科学数据磁带记录仪,并修复了一些隔热材料.机组人员使用航天飞机的转向推进器将哈勃的轨道提升了近六英里.释放后,哈勃恢复了向天文学家提供前所未有的宇宙视野的使命.

             

左:STS-82乘员组(前,从左至右)Bowersox,Hawley和Scott Horowitz;(从左到右,从左到右)约瑟夫·坦纳,格雷戈里·哈博,马克·李和史蒂夫·史密斯.右:史密斯和李在第一次STS-82太空行走时.

             

左:坦纳和哈博在第四次STS-82太空行走时.右:在STS-82期间释放后的哈勃.

             左:1998年以来NGC 4314的哈勃雕像.中:1998年以来黄貂鱼星云的  哈勃雕像.右:1998年以来海王星的哈勃雕像.

由于三架望远镜的稳定陀螺仪失灵,管理人员将计划中的下一次第三次哈勃维修任务分为两次飞行.(在航天飞机发射前不久,第四次失败.)3A号维修任务在1999年12月找号的 STS-103飞行任务中进行.机组人员包括指挥官柯蒂斯·布朗,飞行员斯科特·J·凯利和任务专家斯蒂芬·史密斯,吉恩·弗兰ç是A. Clervoy,约翰·格伦斯菲尔德C.迈克尔·法尔和克劳德·尼科利尔(Claude Nicollier).Clervoy用航天飞机的机械臂捕获了哈勃,并将其固定在有效载荷舱中.Smith / Grunsfeld和Foale / Nicollier的太空行走小组每隔几天进行一次太空行走,以取代所有六个陀螺仪,精细的引导传感器,计算机和隔热材料.Clervoy发布了翻新的望远镜以继续其科学使命.

             左:STS-103机组人员(从左到右)迈克尔·佛尔,尼科利尔,斯科特·凯利,柯蒂斯·布朗,让·弗朗索瓦·克莱沃,约翰·格伦斯菲尔德和史蒂文·史密斯.右:第二次STS-103太空行走期间的Foale和Nicollier.

             左:Smits和Grunsfeld在第三次STS-103太空行走时.右:在STS-103中释放后的哈勃.

             左:2000年以来的爱斯基摩星云NGC 2392的哈勃雕像.中:图2000年以来的行星星云NGC 6751的哈勃雕像.右:2001年以来两个星系UGC 06471和UGC 06472发生宇宙碰撞的哈勃图像.

哈勃服务任务3B于2002年3月在哥伦比亚航天飞机的STS-109任务.此任务的机组人员包括司令D. Altman,飞行员Duane G. Carey和任务专家John M. Grunsfeld,Nancy J. Currie,Richard M. Linnehan,James H. Newman和Michael J. Massimino.居里抓住哈勃并放心哥伦比亚 负载舱.Grunsfeld / Linnehan和Newman / Massimino的两个太空行走二人组完成了五次太空行走,以新的高级测量相机(ACS)代替FOC,并安装了新的,更耐用和高效的太阳能电池板.他们还更换了电源控制单元,并安装了新的冷却系统以使NICMOS仪器恢复活力,该仪器自1999年起就处于休眠状态.Currie发行了升级版望远镜,以继续其前所未有的科学使命.

             左:STS-109乘员(从左到右)迈克尔·马西米诺,理查德·林内汉,杜安·凯里,斯科特·奥特曼,南希·科里,格伦斯菲尔德和詹姆斯·纽曼.右:在第二次STS-109太空行走期间,马西米诺和纽曼与反作用轮组件合作.

             左:Grunsfeld和Linnehan在第五次STS-109太空行走期间安装了NICMOS低温冷却器.右:在STS-109中释放后的哈勃望远镜,显示了新安装的太阳能电池阵列.

             左:从2005年起禁止螺旋星系NGC 1300的哈勃图像.中:从2006年起在天王星云中的暗点的哈勃图像.右:从2005年起涡旋星系M51和伴星系的哈勃图像.

             2004年的互动螺旋星系的哈勃图像(NGC 2207和IC 2163).

原定于2005年进行的第五次也是最后一次哈勃维修任务几乎没有实现.在2003年哥伦比亚事故之后,美国宇航局的管理人员只批准了飞往国际空间站避风港的航天飞机飞行任务.根据美国国家科学院的建议,美国宇航局于2005年撤销了该决定,并授权于2009年5月进行飞行,该飞行已经比望远镜最初预期的15年寿命提前了四年.

执行STS-125任务的亚特兰提斯号航天飞机机组人员有飞行指令长D. Altman,驾驶员Gregory C. Johnson和任务专家Michael T. Good,Megan K. McArthur,John M. Grunsfeld,Michael J. Massimino和Andrew J. Feustel。在这次也是最后一次接触哈勃望远镜的旅程中,McArthur操作机械臂“捕捉”了哈勃望远镜然后将其固定在航天飞机的有效载荷舱中。接着由两个太空行走队Grunsfeld / Feustel和Massimino / Good进行了五次太空行走完成望远镜的最终维护。他们的任务包括用宽视场相机3(WFC-3)替换WF / PC-2,安装宇宙起源光谱仪(COS)替换COSTAR光学矫正系统,替换数据处理单元,维修ACS先进巡天照相机和STIS空间望远镜摄谱仪以及安装升级的镍-氢电池。随着哈勃望远镜的维修和升级工作完成和哈勃的全面运行,McArthur最后一次“释放”了哈勃望远镜。这次任务原计划使哈勃望远镜的服役期延长至2014年。但是……现在已经超过了这个期限长达6年,在它成立30周年之际……这架望远镜依然良好运行。

             

左:STS-125机组成员,最后的哈勃维修任务(从左至右),Massimino, Michael Good, Gregory Johnson, Altman, Megan McArthur, Grunsfeld and Andrew Feustel。右:Massimino和Good在STS-125任务第四次太空行走期间修理STIS。

             

左:Grunsfeld和Feustel,他们正在STS-125最后一次太空行走结束时再次进入航天飞机的气闸室。右:在STS-125任务中释放后的哈勃望远镜。

若要总结那些由科学家使用哈勃望远镜的数据得出的发现,就已经大大超出了这篇文章的篇幅。可以说,在它运行的30年里,它传回的信息和图像已经革新了天文学,促使科学家改写了教科书,除此之外他还极大地改变了公众对宇宙的想象。而在技术上,哈勃望远镜的发射和维护升级任务已最终证明了空间科学平台的可维护性。在五次太空维修任务中国,共计有16名宇航员进行了23次超过165小时接近7天的太空行走任务修理哈勃望远镜。

             

左:20周年纪念图像拍摄的船底星云。中:25周年纪念图像拍摄的westerlund 2星团。右:30周年纪念像之一拍摄的螺旋星系UGC 2885

作者John Uri 

FY:Astronomical volunteer team

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翻译:天文志愿文章组-协作翻译小分队

联合署名:北斗星,xeno,mistake,沉默的大多数,肉桂兔包

审核:天文志愿文章组-

排版:零度星系

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3.原文来自:https://roundupreads.jsc./pages.ashx/1414/30%20Years%20Ago%20Hubble%20Launched%20to%20Unlock%20the%20Secrets%20of%20the%20Universe

本文由天文志愿文章组-北斗星,xeno,mistake,沉默的大多数,肉桂兔包翻译自John Uri 的作品,如有相关内容侵权,请于三十日以内联系运营者删除。

注意:所有信息数据庞大,难免出现错误,还请各位读者海涵以及欢迎斧正。


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全文排版:天文在线(零度星系)

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