哈勃空间望远镜的“馈赠”

发布时间：15年05月21日

编译邓雪梅

　　25年前，哈勃空间望远镜在卡纳维拉尔角由“发现”号航天飞机送入近地轨道。25年来，HST获得的巨大成功告诉世人，即使在预算紧缩的情况下仍要不断地勇于探索，现在正是回顾HST带给人类馈赠以及反思的好时机。本文作者、美国空间望远镜研究所（STScI）的天体物理学家马里奥·利维奥（Mario Livio）如是说。

　　哈勃空间望远镜（HST）已经在轨运行了25年，期间，它不断地吸引科学界以及公众的关注：宇航员曾5次前往HST进行维护和系统升级，多次挽救其脱离灾难并使其成为世界上最重要的天文台。在HST庆生25周年之际，《自然》杂志描述了其恒星探索的成就和一些躲在幕后的科学家们的工作，以及HST 25年的观测生涯带给我们的一些“馈赠”。

2014年拍摄的哈勃超深空区（HUDF）照片，该照片结合了从紫外到近红外的所有波段

细节决定成败

　　HST是由美国宇航局（NASA）和欧洲空间局（ESA）联合建造的。HST不但变革了整个天体物理学，而且作为太空中的第一个大型光学天文台，它也把一系列的发现和突破带给了千家万户。如果让民众说一个望远镜的名字，那么绝大部分人会说“哈勃空间望远镜”。

　　每一个半小时绕地球运行一次，迄今HST已经绕地球运行了超过13万次，对尘埃云及遥远星系的无数天体进行了超过100万次曝光。大约有1.28万多篇科学论文使用了HST的结果，引用更是超过55万次。HST成为了一个最富成效的科学仪器之一。

　　HST成功的秘诀是什么？是它的正常运转，开创性的公开数据，注重科学界的需求，包括宇航员、科学家以及工程师组成的专家小组，还有优秀的科学传播机构。所有的这些，将起初看似注定失败的空间项目（发射升空后的几周发现了主镜片存在缺陷）转化成了科学领域的胜利。

　　随着HST进入其富有成果的最后十年，它的继任者詹姆士·韦布空间望远镜（JWST）也已经一步步地迈向发射台，现在正是回顾HST带给人类馈赠以及反思的好时机。HST向我们回答了许多关于天体物理学中最耐人寻味的问题，我们必须想得更远并把科学的雄心壮志放在预算担忧之前。在我看来，未来的重点应该是寻找我们太阳系以外的生命。一个能够在类地系外行星周围大气中辨认出生物信号的詹姆士·韦布空间望远镜是当之无愧的继任者。

　　HST的成功与其说是它得到的奇特发现，还不如说是对其他天文台预测结果的确认。随着新发现的公布于众，天体物理学家们不得不完善关于宇宙的理论。

　　HST的成功源于它在地球大气层之上（距离地表约560千米）的高性能：不受气辉（由大气化学过程发出的微弱光线）和湍流的影响，它的一对高分辨率“锐眼”能够探测到暗天体（高灵敏性）。即使按照现在的标准来看，其2.4米口径是很小的（现在望远镜的口径是8-10米），但它的分辨率却达到了0.07个角秒――类似于从3 000米远处看清10美分硬币上的年份（是地面望远镜分辨率的十倍）。

　　HST观测的波长从紫外到近红外，其中包含了地面天文学家看不见的被大气拦截的那些波段。它在紫外波段的观测能力大约是以前或目前任何望远镜的100倍。

　　原计划HST要解决三个主要问题：测量宇宙膨胀的速度，弄清楚星系是如何演化的，以及探测星系间弥漫气体云的结构（星际介质）。然而，它已成功地在这些方面展现出了意想不到的洞察力。以下是HST的一些最重要的科学成就。

成就之精选

　　HST最初的工作之一是降低宇宙膨胀速度――“哈勃常数”――的不确定性。哈勃常数同HST一样都是由天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）的名字命名。在1994到2011年间，这个不确定性由原先的二倍降低到目前的百分之几――HST由此得出了宇宙年龄为137亿年。这主要是使用了遥远星系中造父变星这把“标尺”来细化和完善宇宙的“距离阶梯”。

　　1998年，HST确认了驱使宇宙加速膨胀的神秘物质――“暗能量”（了解暗能量的性质是当今物理学家所面临的最重要挑战之一）。这项发现主要是通过观测超新星实现的。超新星是某些恒星在演化末期时所经历的一种剧烈爆炸，HST所观测到的超新星对于地面望远镜而言是不可及的。

　　HST还给出了宇宙演化过程中发生的星系形成过程（天文学家仍在试图充分理解为什么恒星形成的速率在100亿年前达到峰值）。在1995到2014年间的一系列观测中，HST探视到以前任何观测设备都无法触及的深度空间（即所谓的哈勃深空区），包括发现了第一代星系形成于大爆炸后的5亿年（这一发现挑战着关于第一代恒星如何形成、加热和再电离宇宙的理论）。

蜘蛛星云，由哈勃空间望远镜在可见光、红外和紫外波段所拍摄

　　通过使用高分辨率来观测星系中心恒星和气体的运动，HST证明了几乎所有的星系在其中心都存在超大质量黑洞（其质量为数百万到数十亿倍太阳质量）。黑洞的质量通过其周围围绕它运转的恒星来决定，并由此显示出星系和黑洞是一起演化的。

　　HST也首次确定了一些太阳系外行星大气的化学组成：2001年揭示出系外行星大气中具有钠元素的光谱特征，2008年揭示出了其大气中有水和甲烷等分子。未来某一天，一个更大的望远镜或许能够识别出太阳系以外的某颗岩石行星周围大气中生命进程的信号。

成功的秘诀

　　科技的力量并不是HST成功的唯一理由。由宇航员所进行的五次维修任务――1993年、1997年、1999年、2002年以及2009年――使得HST被彻底改造。宇航员们在望远镜光路上加装了校正镜片，把机械式磁带记录仪替换成固态存数驱动器，升级了太阳能电池板，安装了照相机和光谱仪。如果没有这些维修和升级，HST不会工作至今。

　　当然，机遇只青睐有准备的事物。另外四个因素则提升了HST的能力：快速制作数据和开放使用，高效和可获取的归档，风险项目的承担和连续的资金等制度这四个因素增加了HST的活力。其中还包括科研人员的创造性思维。

　　最初的哈勃深空区照片是由空间望远镜研究所（STScI）时任所长罗伯特·威廉姆斯（Robert Williams）提出的。其他天文台，包括夏威夷和智力的双子星天文台、美国亚利桑那州的大双筒望远镜也采用了类似的方法。例如，在对HST观测数据进行为其一年的分析后，哈勃深空区的特殊数据组可以对其进行公开访问。事实上，HST并不是第一个采用这项政策的空间天文台，但它却激发了其他天文台的效仿：例如，2004年发射的雨燕卫星，其获得的数据随即进行公开。

　　为了确保数据的分析以及结构尽快发表，所有分配给HST的观测都需要NASA的经费支持。自1990年以来，有超过4 600个HST观测的提案，经费资助达5亿美元。这个项目同时也资助了新一代的顶尖科学家。从1990年起，已有352位从事HST望远镜相关工作的科研人员――这些人员在美国各大学得到相关资助并独立从事该研究的博士后。自1993年以来，大约500位博士后使用了HST的数据。

　　事实上，HST已经创新了科学传播的模式。几乎从一开始起，设在约翰·霍普金斯大学校园内的STScI大众科普办公室便开展了新闻发布，以及针对学校、科学中心和天文馆的网络传媒和科普宣传活动。比如，一个有吸引力的用户友好界面网站（hubblesite.org）每年都吸引了数十亿的点击量。

　　就面向学校的网络传媒而言，现在每年仅仅在美国参与该网络传媒的学生就超过了600万人，教育工作者超过了50万人――关于星系、系外行星以及黑洞的多媒体演示在全球的科学中心播放。而HST在太空中所拍摄的照片，已经渗透到大众文化中――英国艺术评论家乔纳森·琼斯（Jonathan Jones）将此称之为“我们这个时代最耀眼美丽的艺术品。”一支敬业的团队确保了这些照片在视觉上的高质量，并被列入从巴尔的摩到威尼斯的艺术品展览中，包括书籍封面和音乐专辑的装饰。

人类孤独吗？

　　对于合适的实验，HST已经证明了宁可全额资助也不愿因预算问题而减少资金的投入。同样地，在确定未来的主要天文项目方面，我们应当确定需要回答的一些最重要问题，以及对技术上获取答案的可行性进行评估和是否值得投入资金，进而采取相应的措施。换言之，必要的融资可使项目持续稳定，从而避免成本超支。

　　在我看来，天文学中最吸引人的问题是银河系中太阳系以外的地方是否存在生命。这主要归功于开普勒空间望远镜，使我们了解到银河系充满了数以百万计地球大小的行星，这些类地行星同样处于它们寄主星引力场中的“宜居带”，在这个宜居带上有可能让这些类地行星表面保留液态的水。

　　接下来的空间计划已基本布局好了。随着2017年的发射升空，系外行星凌星巡天卫星（TESS）或会在低质量恒星宜居带上找到比地球质量大的一些行星（这些行星的寄主星较为暗弱，或更容易被探测到）。2018年将发射JWST，以及2024年发射的大视场红外巡天望远镜-天体物理学焦点望远镜（WFIRST/AFTA），这些计划将在系外类地行星中的大气中寻找水和其他分子。

　　对于银河系中常见或罕见的生命现象，一台更强大的望远镜需要有统计学意义上的限制。比如，一台口径12米、分辨率为HST 25倍的望远镜可以对寄主星下的行星成像，并从光谱上探测出该行星大气中的水和其他生物特征；WFIRST/AFTA可以探测到比寄主星暗弱10亿倍的行星；而亮度对比为100亿的望远镜能够在一颗类太阳寄主星下对类地球行星成像。显而易见，这样的一台望远镜也将会提供大量其他的发现。

　　可以预见，大约有50颗行星将会被探测。根据计算机显示，如果在超过36颗类地行星中没有发现生命特征的话，那么在银河系中太阳系以外探测到生命的可能性小于10%。

　　美国大学天文研究协会(AURA)今年6月份有望公布一份关于高分辨率望远镜的报告。现在看来，有必要成立一个由NASA、ESA等潜在国际合作者参与的一个专门小组来评估这份报告，以保障未来合理的空间任务发射计划（2030年左右），以及加快相应的技术研发。在未来的十年中，寻求太空生命必须被优先考虑，以此引导国家资金对于这些任务的配置。美国天文学界将在2016年重新开启对于未来十年优先研究领域的讨论。

　　与此同时，我非常欢迎对于地外文明探索（SETI）项目的资金投入。或许可以从私人渠道获得大约1亿美元的额外资金，旨在未来十年里搜寻智慧生命的射电或光学信号可以显示10 000万颗天体。成功的机率很渺茫，但回报可能是丰硕的。

　　对于“人类孤独吗？”这个问题的答案已经近在咫尺。对于生命的搜寻应当是未来25年的重要科学日程。

资料来源 Nature

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哈勃空间望远镜的成功和超越

太空维修升级服务延长了HST的寿命，并为未来的空间任务铺平了道路。

1990年：HST于4月24日由“发现”号航天飞机发射升空。同年6月25日发现了望远镜镜面的扭曲。

1993年：在第一次维修任务中，宇航员修复了镜面并安装了新的照相机。

1996年：发布了第一个哈勃深空区照片，并显示出遥远星系。

1997年、1999年和2002年：添加了光谱仪和红外照相机，修复了用于望远镜准确指向的磨损陀螺仪，替换了一个照相机和太阳能电池板。

2004年、2007年：摄谱仪（2004年）和一台照相相机（2007年）的电源出现故障。

2008年：HST展示出了系外行星“北落师门b”，完成了绕转地球运行的第十万圈。