哈勃25年，传奇行将陨落

航天 · 2016-11-23 02:28:46

<h2>本文经《环球科学》授权发表。《环球科学》是《科学美国人》中文版、Nature版权合作方（微信号：keyanquan)。</h2>　　1990年4月24日，哈勃空间望远镜（Hubble Space Telescope）搭乘航天飞机进入了近地环绕轨道，开创了人类史上最高产望远镜的传奇。25年过去了，它彻底帮助人类颠覆了对宇宙的认识。总是乐观向上的天文学家计划继续使用哈勃望远镜，直到2020年以后。可是大家心知肚明，哈勃的时日已经无多了。　　撰文 | 李·比灵斯（Lee Billings）　　翻译 | 刘泽宇　　审校 | 林然　　25年过去了，浩瀚宇宙或许未曾有变，但哈勃望远镜以其2.4米口径的镜头和无可比拟的高空优势，揭示出宇宙在紫外光、可见光和远红外光下的原始图景，从而彻底颠覆了人类对宇宙的认识。在宇宙深处，哈勃描绘了暗物质的分布，帮助发现了驱动宇宙加速膨胀的暗能量；在我们附近，哈勃找到了环绕其他恒星运转的巨型地外行星，发现了冥王星的诸颗卫星，探测到木卫二地表之下的海洋喷出的羽状水汽喷流。哈勃望远镜的目光所到之处，宇宙的秘密随之显现。而哈勃望远镜也早已成为美国航空航天局（NASA）的“旗舰”天文台，NASA先后在5次航天飞机飞行任务中对哈勃进行维修与升级。　　但是，传奇也会有落幕之时，哈勃望远镜亦然，航天飞机已经退役，不会再有维修计划加入日程。很快，哈勃的主要部件将会渐渐老化而失效，在稀薄空气的阻力下缓缓落向地球，数十亿美元的望远镜最终将在翻滚着坠入大气化成火球坠入大洋。总是乐观向上的天文学家计划继续使用哈勃望远镜，直到2020年以后。可是大家心知肚明，哈勃的时日已经无多了。　　“当哈勃望远镜寿命将近，我们只能任它离去，”诺贝尔奖得主约翰·马瑟（John Mather），一位任职于戈达德宇宙飞行中心（Goddard Space Flight Center）的天体物理学家说，“而在我们的计划中，还没有能完全替代哈勃的望远镜。”必须强调的是，哈勃望远镜的紫外观测对天文界而言非常重要，因为地球的大气会过滤掉绝大部分的紫外线，只有在太空中才能完整地观测这个波段的辐射。　　马瑟作为首席研究员正在着手研发哈勃望远镜的后继者，也是NASA的下一台旗舰望远镜——詹姆斯·韦伯空间望远镜（James Webb Space Telescope）。当该望远镜发射升空后，它将在离地150万千米的高空轨道上展开6.5米口径的巨型组合镜片。在太空的真空低温环境和高精尖科技的辅助下，韦伯望远镜拥有无可比拟的高灵敏度红外观测能力，旨在搜寻宇宙第一批诞生的星系和恒星。不过，庞大的尺寸和高新的科技，这都注定了韦伯望远镜身价不菲。起初，该项目预算16亿美元，计划于2011年发射升空，但现在韦伯望远镜的造价已膨胀到了近90亿美元，且至少等要2018年才能发射升空。在2011年美国财政危机时，该项目险些因沮丧的国会议员威胁中断其资金支持而流产。　　经历了这些麻烦，NASA在韦伯项目之后的空间望远镜计划野心缩水了很多，它打算并将一颗红外间谍卫星改装成一台宽视场红外巡天望远镜（WFIRST），这一项目比詹姆斯·韦伯空间望远镜项目更为保守，可行性更强。尽管WFIRST的体积与哈勃望远镜不相上下，但是视场要比后者大一百多倍，它将会巡视整个天空研究暗能量。　　马瑟说，两台望远镜都配备有强大的探测装备，有望开拓“天文学的新疆域”，不过，由于它们的观测范围不包括紫外波段和多数可见光波段，因此称不上哈勃望远镜的真正继承者。此外，无论是韦伯还是WFIRST，它们的任务中都没有包括寻找类地地外行星——当今天文学界最炙手可热、发展最迅速的课题之一。　　马瑟和其他著名的天文学家正在编写大学天文研究联合组织（Association of Universities for Research in Astronomy，AURA）今年夏天将公布的一项报告，报告中提议建造一座更大的望远镜，像哈勃那样全面承担可见光、紫外和近红外波段的观测任务。这台新望远镜暂时取名为“高清空间望远镜（High-Definition Space Telescope，HDST）”，计划安装10至12米口径的主镜，既是哈勃主镜的近五倍，也是韦伯主镜的两倍。尽管韦伯和WFIRST都还没有发射升空，但是研制旗舰型太空望远镜常常需要花费数十年的精力，因此高瞻远瞩的天文学家们不得不开始考虑更为超前的宏伟计划了。　　和韦伯望远镜一样，HDST将被设计成能够自由拆解和组装，以便运载量有限的火箭能够将其分批运上太空。但HDST与韦伯不同的是，它不需要苛刻的低温运行条件，这能有可能降低其制造成本和复杂程度。AURA委员会坦言，只要NASA和美国天文学委员会现在能开始进行这个计划，在2030年左右HDST就可以被发射升空。

HDST概念图，图片来源：NASA/GSFC。 　　“韦伯计划令NASA变得十分保守谨慎。”马瑟说道，“尤其是，该项目差点因经费超支被取消后，再也没有人提议设计大型项目了。但不得不说，如果所有人都对大项目的开发畏手畏脚，那我们将失去探索新世界的好机会。如果当年哥伦布率领一队小划艇而非远洋舰队横渡大西洋，那么绝无成功的可能。有时候我们就是需要一艘大一点的船。”　　　　面面俱到　　这已经不是天文学家们第一次为大型空间望远镜游说了。自20世纪末期发现第一颗地外行星后，建造10米级口径的空间望远镜的提议声在天文界此起彼伏。如今，20年后，天文学家的呼声日益高涨，某种程度上是因为上千颗地外行星已被确认，理论上每颗恒星都会有环绕的行星，因此仍有大量的地外行星亟待发现。10米口径的太空望远镜在搜寻地外行星方面大有作为，它可以为行星拍照一睹其真容，适合人类居住的星球也许就潜藏其中。这种“直接成像（direct imaging）”的观测手法，用天文学家的话说就是“杀手锏”。　　在地球上想要观察一颗十几光年外的系外类地行星，就好比用肉眼在火星表面搜寻一个40瓦的灯泡，更不用说类地行星旁还有一个百亿倍亮度的恒星。但是，像HDST这般望远镜，其庞大的10米口径主镜可以提供相当大的集光面积收集到行星暗淡的光，而它更高的分辨率，可以在恒星耀眼的光辉下从空间上分辨出行星。HDST能在其上安装日冕仪，该装置通过阻挡恒星光线，使行星的微弱反射光可以更容易地被探测到。随后，天文学家会检测候选目标行星的光谱特征，以探测水蒸气、温室气体和“生命信号”——例如可能表明存在绿色植物进行光合作用的大气含氧量。　　面对HDST如此大型的项目，批评家们认为，更小、更适度的空间望远镜足以胜任搜寻可能适于生命栖息的系外行星的任务，而且效率更高，成本更低。在接下来的时间中，NASA的韦伯和WFIRST望远镜将尽力把观察重点聚焦在离我们最近、最明亮的系外行星身上，同时一座地基30米口径的望远镜也在紧锣密鼓地建设当中。　　空间望远镜科学研究所（Space Telescope Science Institute）的天文学家马克·博斯曼（Marc Postman）坦言，小型的空间望远镜能力有限，观测的效果并不尽如人意，马克也是HDST报告的合著者。处在地球大气包裹下的地基天文台局限性十分大，光线穿过大气层会产生一定程度的扭曲，同时大气辉光也会对精密的观测有负面影响，所谓大气辉光即地球大气因自身的化学反应而释放出的微弱光芒。另一方面，无论是地基天文台还是韦伯望远镜，它们都不能对大量可能适于生命存在的系外行星进行直接成像观测和研究。“我们真的渴望能研究数十颗候选的太阳系外行星，一两颗、十几颗根本满足不了需求。”博斯曼说道，“如果你观察了10颗系外类地行星，没有发现水和生命信号，这说明不了什么，或许只是运气不好。但是，如果观察了50颗仍一无所获，那么这样的零结果会对我们判断宇宙中生命是不是非常稀少提供重要的佐证…… 因此，为了能从量变到质变，我们非常需要一座10米口径的高分辨率空间望远镜。”　　不过，只是重点观测类地行星并不足以让之前提议的大型空间望远镜赚回本钱。许多提案都因巨额的预算而夭折，而且它们被认为只是服务部分天文学者的小众项目，不能为天文学界提供足够的贡献。但是，HDST是不一样的，报告的著者指出。　　在今年1月美国天文学协会（American Astronomical Society）的例行会议上，AURA委员会提议把HDST打造成为高清多用途高利用率的太空望远镜。除了直接拍摄系外行星，该望远镜还将用以研究太阳系内的行星和遥远的星系，以及观察在星系内外流动的稀薄气体网络。不负于“高清”的盛名，HDST凭借它那巨大无比的主镜可以细致地观察木星的云景图，能够捕捉到如曼哈顿区大小的精致细节，它还能追踪3000万光年范围内类似太阳的恒星的运动。另外，HDST能分辨出位于可观测宇宙另一端的遥远星系中尺度为300光年的结构，这对天文学家研究恒星形成过程和探明暗物质、暗能量的本质有着重要作用。　　AURA的团队说，与韦伯、WFIRST和新一代30米口径地基天文台等望远镜结合起来，HDST的强大的科研能力只会变得愈发强大。而要获得这样的能力，就要制造魄力十足的大望远镜。　　突破传统　　面对AURA的HDST计划，没有人愿意大胆猜测这样一台功能强大的望远镜到底要花多少钱，但毫无疑问的是，它会非常昂贵。最艰难的技术挑战便是需要制造一面轻质的大型组合反射镜，甚至比韦伯望远镜镜片还大，并且适用于紫外、可见光和近红外波段。鉴于极高的造价，一些天文学家怀疑HDST可行性，他们建议，或许韦伯级别的宽带望远镜或一系列哈勃级的小型望远镜能发挥更好的作用。　　HDST的支持者们表示反对者的想法十分短浅，他们的计划步子太小，太循序渐进了，不足以在未来的二三十年中发挥重要作用。“曾有人告诉我，对于一个超过十亿美元的大项目，科学是它的必要条件却已不是充分条件。”博斯曼说道，“这样规模的任务，你需要科学家、政策制定者、公众和工业界等各方面的支持。如果国会不喜欢这个的项目，如果NASA不愿为其出钱，如果公众觉得它不够鼓舞人心，如果工业技术无法满足要求，凡此种种，只要有一环脱节就是很个大问题……这就是为什么我们需要远见卓识的大计划，预计到2030年甚至更远的时间……若只迈小步前进，我们对宇宙的理解将很难有革命性的突破。”　　的确，提议建造HDST这样的巨型空间望远镜好比走钢丝，既要控制预算以免超支又要实现宏伟的科学研究目标。每个大问题都需要自己的一套先进技术，但如果你的能研究的大问题太少的话，你从科学家和大众得到的帮助会非常有限。而科学目标愈多，望远镜项目就愈有可能因成本和制作难度在政策和工业技术上面临阻碍，或者项目在开发的过程中大大超支。　　这般窘境对艾伦·斯勒（Alan Dressler）而言一点也不陌生，斯勒是卡内基科学研究所（Carnegie Institute for Science）的天文学家。在20世纪90年代早期，斯勒就率领一个极富影响力的团队，考虑设计制造哈勃望远镜的继任者，即“新一代空间望远镜（Next Generation Space Telescope）”，这便是之后的韦伯（Webb）望远镜。斯勒与他的团队提议建造一台4米口径的红外望远镜，这种设计可以令其刚好装载进火箭，而无需折叠。NASA则渴望它的旗舰更先进更强大，进一步设计了8米口径的镜片；最终作为妥协，韦伯望远镜的组合主镜直径最终定为6.5米，尽管如此它仍然是有史以来最大最复杂的空间望远镜。韦伯身上配备了大量全新的科技，对其进行的测试实验更是无可计数，这一切都是为了确保韦伯望远镜能够在寒冷真空环境下顺利开展观测工作。　　据斯勒的回忆，那时候一位NASA的高级官员曾说，“NASA计划建造第一台新时代的望远镜，而非最后一个老型号望远镜。”但现在，随着韦伯望远镜完工的延期和预算的巨额超支，斯勒表示，要在低温下工作的望远镜本身难度已经很大，还要采用大型的复合镜片实在是一个难以达成的目标，其原因主要就是试图一步到位，把各种创新都用上。在韦伯项目上，NASA打破太空望远镜设计、建造和测试的常规思路，力图创新，但同时也付出了高昂的成本。　　韦伯望远镜的宝贵经验对HDST有着重要作用，斯勒说道。一方面，HDST计划吸纳了许多韦伯望远镜的革命性技术，尽可能地减少了开发新技术而增加的花销。另一方面，在韦伯项目上出现的疏漏和失误会有效地避免，这有助于新式大型望远镜项目的顺利开发。斯勒预测，一直以来在地面上对巨型空间望远镜进行组建并测试的方法将不再流行，取而代之的是将HDST分解成多个模块，最终由宇航员或机器人在太空轨道上拼接成一体。　　“问题是，面对如此优秀的望远镜，没人有长时间等待的耐心。”斯勒继续说着，“天文学家们都焦急地想将技术实体化，希望在自己职业生涯内能够见证这一切的实现。”　　如华盛顿大学（University of Washington）的天文学家、AURA委员会的副主席朱莉安娜·戴肯顿（Julianne Dalcanton）所说，总有一天我们会制造哈勃望远镜的超级继任者，对科学家和政府主管而言，他们必须认清楚这对天文学的未来是有多么的重要。“这是我们必须迈出的一步。”戴肯顿说道，“而且步伐坚定不会动摇。科学的光辉不会随着时代发展而黯淡。人类的发展离不开物理，天文学家渴望理解的物理本源却远在天际，他们需要的是高清的图像，需要的是紫外波段的数据，而这些需求在地面上很难满足。因此，进入太空，建造大型空间望远镜是大势所趋。我们需要花费20年的时间和精力来达成目标，早做准备可以充分利用资金、有效降低难度，那么为何此刻不着手去做呢？”　　戴肯顿承认，除了物理，还有其他的因素在影响HDST的进度。“那就是无休无止的讨论会议和撰写报告，建造空间望远镜的工作量常人无法想象。如果我真的能参与到HDST的建设中，我希望HDST可以如愿升空。我乐意见到多个小型望远镜得到开发，我也会充分利用它们的能力，但我们必须对更宏大的目标有所考虑，这也是我们肩负的时代使命。”　　（本文原载于Scientific American网站，标题为“Astronomers Seek Super-Size Hubble Successor to Search for Alien Life”。）

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