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哈柏太空望遠鏡

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哈勃空間望遠鏡是以天文學家愛德溫·哈勃為名,在軌道上環繞著地球的望遠鏡。它的位置在地球的大氣層之上,因此獲得了地基望遠鏡所沒有的好處-影像不會受到大氣湍流的擾動,視相度絕佳又沒有大氣散射造成的背景光,還能觀測會被臭氧層吸收的紫外線。於1990年發射之後,已經成為天文史上最重要的儀器。

哈柏太空望遠鏡哈勃空間望遠鏡
哈勃空間望遠鏡(HubbleSpaceTelescope,縮寫為HST),是以天文學家愛德溫·哈勃(EdwinPowellHubble)為名,在軌道上環繞著地球的望遠鏡。它的位置在地球的大氣層之上,因此獲得了地基望遠鏡所沒有的好處-影像不會受到大氣湍流的擾動,視相度絕佳又沒有大氣散射造成的背景光,還能觀測會被臭氧層吸收的紫外線。於1990年發射之後,已經成為天文史上最重要的儀器。

1 哈柏太空望遠鏡 -觀念、設計和指標

哈柏太空望遠鏡萊曼·斯必澤
哈勃空間望遠鏡的歷史可以追溯至1946年天文學家萊曼·斯必澤(LymanSpitzer,Jr.)所提出的論文:《在地球之外的天文觀測優勢》。在文中,他指出在太空中的天文台有兩項優於地面天文台的性能。首先,角解析度(物體能被清楚分辨的最小分離角度)的極限將只受限於衍射,而不是由造成星光閃爍、動蕩不安的大氣所造成的視象度。在當時,以地面為基地的望遠鏡解析力只有0.5-1.0弧秒,相較下,只要口徑2.5米的望遠鏡就能達到理論上衍射的極限值0.1弧秒。其次,在太空中的望遠鏡可以觀測被大氣層吸收殆盡的紅外線和紫外線。

斯必澤以空間望遠鏡為事業,致力於空間望遠鏡的推展。在1962年,美國國家科學院在一份報告中推薦空間望遠鏡做為發展太空計劃的一部分,在1965年,斯必澤被任命為一個科學委員會的主任委員,該委員會的目的就是建造一架空間望遠鏡。

在第二次世界大戰時,科學家利用發展火箭技術的同時,曾經小規模的嘗試過以太空為基地的天文學。在1946年,首度觀察到了太陽的紫外線光譜。英國在1962年發射了太陽望遠鏡放置在軌道上,做為亞利安太空計劃的一部分。1966年NASA進行了第一個軌道天文台(OAO)任務,但第一個OAO的電池在三天後就失效,中止了這項任務了。第二個OAO在1968至1972年對恆星和星系進行了紫外線的觀測,比原先的計劃多工作了一年的時間。

軌道天文台任務展示了以太空為基地的天文台在天文學上扮演的重要角色,因此在1968年NASA確定了在太空中建造直徑3米反射望遠鏡的計劃,當時暫時的名稱是大型軌道望遠鏡或大型空間望遠鏡(LST),預計在1979年發射。這個計劃強調須要有人進入太空進行維護,才能確保這個所費不貸的計劃能夠延續夠長的工作時間;並且同步發展可以重複使用的太空梭技術,才能使前項計劃成為可行的計劃。

2 哈柏太空望遠鏡 -對資金的需求

軌道天文台計劃的成功,鼓舞了越來越強的公眾與論支持大型空間望遠鏡應該是天文學領域內重要的目標。在1970年NASA設立了兩個委員會,一個規劃空間望遠鏡的工程,另一個研究空間望遠鏡任務的科學目標。在這之後,NASA下一個需要排除的障礙就是資金的問題,因為這比任何一個地面上的天文台所耗費的資金都要龐大許多倍。美國的國會對空間望遠鏡的預算需求提出了許多的質疑,為了與裁軍所需要的預算對抗,當時就詳細的列出瞭望遠鏡的硬體需求以及後續發展所需要的儀器。在1974年,在裁減政府開支的鼓動下,傑拉爾德福特剔除了所有進行空間望遠鏡的預算。

為回應此,天文學家協調了全國性的遊說努力。許多天文學家親自前往拜會眾議員和參議員,並且進行了大規模的信件和文字宣傳。國家科學院出版的報告也強調空間望遠鏡的重要性,最後參議院決議恢復原先被國會刪除的一半預算。

資金的縮減導致目標項目的減少,鏡片的口徑也由3米縮為2.4米,以降低成本和更有效與緊密的配置望遠鏡的硬體。原先計劃做為先期測試,放置在衛星上的1.5米空間望遠鏡也被取消了,對預算表示關切的歐洲航天局也成為共同合作的夥伴。歐洲航天局同意提供經費和一些望遠鏡上需要的儀器,像是做為動力來源的太陽能電池,回饋的是歐洲的天文學家可以使用不少於15%的望遠鏡觀測時間。在1978年,美國國會撥付了36,000,000C元美金,讓大型空間望遠鏡開始設計,並計劃在1983年發射升空。在1980年初,望遠鏡被命為哈勃,以紀念在20世紀初期發現宇宙膨脹的天文學家艾德溫·哈勃。

3 哈柏太空望遠鏡 -結構和工程

哈柏太空望遠鏡拋光中的哈勃主鏡
空間望遠鏡的計劃一經批准,計劃就被分割成許多子計劃分送各機關執行。馬歇爾太空飛行中心(msfc)負責設計、發展和建造望遠鏡,金石太空飛行中心(GSFC)負責科學儀器的整體控制和地面的任務控制中心。馬歇爾太空飛行中心委託珀金埃爾默設計和製造空間望遠鏡的光學組件,還有精密定位感測器(FGS),洛克希德被委託建造安裝望遠鏡的太空船。

光學望遠鏡的組合(OTA)

望遠鏡的鏡子和光學系統是最關鍵的部分,因此在設計上有很嚴格的規範。一般的望遠鏡,鏡子在拋光之後的準確性大約是可見光波長的十分之一,但是因為空間望遠鏡觀測的範圍是從紫外線到近紅外線,所以需要比以前的望遠鏡更高十倍的解析力,它的鏡子在拋光后的準確性達到可見光波長的廿分之一,也就是大約30納米。

珀金埃爾默刻意使用極端複雜的電腦控制拋光機研磨鏡子,但卻在最尖端的技術上出了問題;柯達被委託使用傳統的拋光技術製做一個備用的鏡子(柯達的這面鏡子現在永久保存在史密松寧學會)。1979年,珀金埃爾默開始磨製鏡片,使用的是超低膨脹玻璃,為了將鏡子的重量降至最低,採用蜂窩格子,只有表面和底面各一吋是厚實的玻璃。

鏡子的拋光從1979年開始持續到1981年5月,拋光的進度已經落後並且超過了預算,這時NASA的報告才開始對珀金埃爾默的管理結構質疑。為了節約經費,NASA停止支援鏡片的製作,並且將發射日期延後至1984年10月。鏡片在1981年底全部完成,並且鍍上了75nm厚的鋁增強反射,和25nm厚的鎂氟保護層。

因為在光學望遠鏡組合上的預算持續膨脹,進度也落後的情況下,對珀金埃爾默能否勝任後續工作的質疑繼續存在。為了回應被描述成"未定案和善變的日報表",NASA將發射的日期再延至1985年的4月。但是,珀金埃爾默的進度持續的每季增加一個月的速率惡化中,時間上的延遲也達到每個工作天都在持續落後中。NASA被迫延後發射日期,先延至1986年3月,然後又延至1986年9月。這時整個計劃的總花費已經高達美金11億7500萬。

4 哈柏太空望遠鏡 -太空船的系統

哈柏太空望遠鏡1980年,建造中的哈勃望遠鏡
安置望遠鏡和儀器的太空船是主要工程上的另一個挑戰。它必須能勝任與抵擋在陽光與地球的陰影之間頻繁進出所造成的溫度變化,還要極端的穩定並能長間的將望遠鏡精確的對準目標。以多層絕緣材料製成的遮蔽物能使望遠鏡內部的溫度保持穩定,並且以輕質的鋁殼包圍住望遠鏡和儀器的支架。在外殼之內,石墨環氧的框架將校準好的工作儀器牢固的固定住。

有一段時間用於安置儀器和望遠鏡的太空船在建造上比光學望遠鏡的組合來得順利,但洛克希德仍然經歷了預算不足和進度的落後,在1985年的夏天之前,太空船的進度落後了個月,而預算超出了30%。馬歇爾太空飛行中心的報告認為洛克希德在太空船的建造上沒有採取主動,而且過度依賴NASA的指導。

5 哈柏太空望遠鏡 -地面的支援

在1983年,空間望遠鏡科學協會(STScI)在經歷NASA與科學界之間的權力爭奪后成立。空間望遠鏡科學協會隸屬於美國大學天文研究聯盟(AURA),這是由32個美國大學和7個國際會員組成的單位,總部坐落在馬里蘭州巴爾地摩的約翰·霍普金斯大學校園內。

空間望遠鏡科學協會負責空間望遠鏡的操作和將數據交付給天文學家。美國國家航空航天局(NASA)想將之做為內部的組織,但是科學家依據科學界的做法將之規劃創立成研究單位,由NASA位在馬里蘭州綠堤,空間望遠鏡科學協會南方48公里,的哥達德太空飛行中心和承包廠商提供工程上的支援。哈勃望遠鏡每天24小時不間斷的運作,由四個工作團隊輪流負責操作。

空間望遠鏡歐洲協調機構於1984年設立在德國鄰近慕尼黑的GarchingbeiMünchen,為歐洲的天文學家提供相似的支援。

6 哈柏太空望遠鏡 -挑戰者號的事故

早在1986年,就已經計劃在當年10月份發射哈勃空間望遠鏡。但是挑戰者號的事故使美國的太空計劃停滯不前,太空梭的暫停升空,迫使哈勃空間望遠鏡的發射延遲了數年。望遠鏡和所有的附件都必須分門別類的儲藏在無塵室內,直到能夠排出發射的日期,這也使得已經超支的總成本更為高漲。

最後,隨著太空梭在1988年再度開始升空,望遠鏡也預定在1990年發射。在發射前的最後準備,用氮氣噴射鏡面以除去可能累積的灰塵,並且對所有的系統進行廣泛的測試。終於,在1990年4月24日由發現號太空梭,於STS-31航次將望遠鏡成功的送入計劃中的軌道。

從它原始的總預算,大約4億美金,到現在的花費超過25億美金,哈伯的成本依然在不斷的累積與增高。美國政府估計的開銷將高達45至60億美金,歐洲所挹注的資金也高達6億歐元(1999年的估計)。

7 哈柏太空望遠鏡 -儀器

哈柏太空望遠鏡太空梭升空
在發射時,哈勃空間望遠鏡攜帶的儀器如下:

廣域和行星照相機(WF/PC)
戈達德高解析攝譜儀(GHRS)
高速光度計(HSP))
暗天體照相機(FOC)
暗天體攝譜儀(FOS)
WF/PC原先計劃是光學觀測使用的高解析度照相機。由NASA的噴射推進實驗室製造,附有一套由48片光學濾鏡組成,可以篩選特殊的波段進行天體物理學的觀察。整套儀器使用8片CCD,做出了兩架照相機,每一架使用4片CCD。"廣域照相機"(WFC)因為視野較廣,在解像力上有所損失,而"行星照相機"(PC)以比WFC長的焦距成像,所以有較高的放大率。

GHRS是被設計在紫外線波段使用的攝譜儀,由哥達德太空中心製造,可以達到90,000的光譜解析度,同時也為FOC和FOS選擇適宜觀測的目標。FOC和FOS都是哈勃空間望遠鏡上解析度最高的儀器。這三個儀器都捨棄了CCD,使用數位光子計數器做為檢測裝置。FOC是由歐洲航天局製造,FOS則由MartinMarietta公司製造。

最後一件儀器是由威斯康辛麥迪遜大學設計製造的HSP,它用於在可見光和紫外光的波段上觀測變星,和其他被篩選出的天體在亮度上的變化。它的光度計每秒鐘可以偵測100,000次,精確度至少可以達到2%。

哈勃空間望遠鏡的導引系統也可以做為科學儀器,它的三個精細導星感測器(FGS)在觀測期間主要用於保持望遠鏡指向的準確性,但也能用於進行非常準確的天體測量,測量的精確度達到0.0003弧秒。

鏡片的瑕疵

在望遠鏡發射數星期之後,傳回來的圖片顯示在光學系統上有嚴重的問題。雖然,第一張圖像看起來比地基望遠鏡的明銳,但望遠鏡顯然沒有達到最佳的聚焦狀態,獲得的最佳圖像品質也遠低於當初的期望。點源的影像被擴散成超過一弧秒半徑的圓,而不是在設計準則中的標準:集中在直徑0.1弧秒之內,有同心圓的點瀰漫函數圖像。更詳細的資料可以參考[2]以mis-圖顯示的PSF圖表,和地基觀測比較的PSF圖表。

對圖樣缺陷的分析顯示,問題的根源在主鏡的形狀被磨錯了。雖然,這個差異小於光的1/20波長,只是在邊緣太平了一點。鏡面與需要的位置只差了微不足道的2微米,但這個差別造成的是災難性的、嚴重的球面像差。來自鏡面邊緣的反射光,不能聚集在與中央的反射光相同的焦點上。

鏡子的瑕疵造成的作用是在科學觀察的核心觀測上,核心像差的PSF要足夠的明銳到足以進行高解析的分辨,但對明亮的天體和光譜分析是不受影響的。雖然,在外圍損失大片的光因為不能匯聚在焦點上而造成暈像,嚴重的減損瞭望遠鏡觀察暗天體或高反差的影像的能力。這意味著幾乎所有對宇宙學的研究計劃都不能執行,因為她們都是非常暗弱的觀測對象。美國國家航空航天局和哈勃空間望遠鏡成為許多笑話的箭靶,並且被認為是大白象(花費大而無用的東西)。

8 哈柏太空望遠鏡 -問題的根源與解決

哈柏太空望遠鏡哈勃望遠鏡拍攝的圖片
從點源的圖像往回追溯,天文學家確定鏡面的圓錐常數是−1.0139,而不是原先期望的−1.00229。通過分析珀金埃爾默的零校正器(精確測量拋光曲面的儀器)和分析在地面測試鏡子的干涉圖影像,也獲得了相同的數值。

由噴射推進實驗室主任,亞倫領導的委員會,確定了錯誤是如何發生的。亞倫委員會發現珀金埃爾默使用的零校正器在裝配上發生了錯誤,它的向場透鏡位置偏差了1.3mm。

在拋光鏡子的期間,珀金埃爾默使用另外二架零校正器,兩者都(正確的)顯示鏡子有球面像差。這些測試都是會確實消除球面像差而設計的,不顧品管文件的指導,公司認為這二架零校正器的精確度不如主要的設備,而忽略了測試的結果。

委員會指出失敗的主因是珀金埃爾默。由於進度表頻繁更動造成的損耗和望遠鏡製造費用的超支,造成了在美國航空暨太空總署和光學公司之間的關係極度的緊張。美國航空暨太空總署發現珀金埃爾默並不認為鏡子的製做在他們的業務中是關鍵性的困難工作,而美國航空暨太空總署也未能在拋光之前善盡本身的職責。在委員會沉痛的批評珀金埃爾默在管理上的不當與缺失的同時,美國航空暨太空總署也被非議未善盡品管的責任,與不該只依賴維一一架儀器的測試結果。

解決的設計

在望遠鏡的設計中原本就規畫了維修的任務,所以天文學家立刻就開始尋找可以在1993年,預定進行第一次維修任務時解決問題的方案。以柯達為哈勃製作的備用鏡,在軌道上進行更換是太昂貴和耗費時間,臨時要將望遠鏡帶回地面正修也不可能。取而代之的,鏡片錯誤的形狀已經被精確的測量出來,因此可以設計一個有相同的球面像差,但功效相反的光學系統來抵消錯誤。也就是在第一次的維修任務中為哈伯配上一副能改正球面像差的眼鏡。

由於原本儀器的設計方式,必須要兩套不同的校正儀器。廣域和行星照相機的設計包括轉動的鏡片和直接進入兩架照相機的8片獨立CCD晶元的光線,可以用一個反球面像差的鏡片完全的消除掉它們表面上的主要變形。修正鏡被固定在替換的第二代廣域和行星照相機內(由於進度和預算的壓力,只修正4片CCD而不是8片)。但是,其他的儀器就缺乏任何可以安置的中間表面,因此必須要一個外加的修正裝

9 哈柏太空望遠鏡 -維護任務和新儀器

哈柏太空望遠鏡柏伯第一次維修
第一次維護任務

在柏伯第一次維修任務中工作的太空人。
在第一次維修任務后哈勃的影像獲得大幅改善。在設計上,哈勃空間望遠鏡必須定期的進行維護,但是在鏡子的問題明朗化之後,第一次的維護就變得非常重要,因為太空人必須全面性的進行望遠鏡光學系統安裝和校正的工作。被選擇執行任務的七位太空人,接受近百種被專門設計的工具使用的密集訓練。由奮進號在1993年12月的STS-61航次中,於10天之中重新安裝了幾件儀器和其他的設備。

最重要的是以COSTAR修正光學組件取代了高速光度計,和廣域和行星照相機由第二代廣域和行星照相機與內部的光學更新系統取代。另外,太陽能板和驅動的電子設備、四個用於望遠鏡定位的陀螺儀、二個控制盤、二個磁力計和其他的電子組件也被更換。望遠鏡上攜帶的計算機也被更新升級,由於高層稀薄的大氣仍有阻力,在三年內逐漸衰減的軌道也被提高了。

哈柏太空望遠鏡第一次維修任務后哈勃的影像
在1994年的1月13日,美國國家航空航天局宣布任務獲得完全的成功,並顯示出許多新的圖片。這次承擔的任務非常複雜,共進行了五次太空梭船艙外的活動,它的迴響除了對美國國家航空航天局給予極高的評價外,也帶給天文學家一架可以充分勝任太空任務的望遠鏡。

後續的維修任務沒有如此的戲劇化,但每一次都給哈勃空間望遠鏡帶來了新的能力。

第二次維護任務

第二次維護任務由發現號在1997年2月的STS-82航次中執行,以空間望遠鏡影像攝譜儀(STIS)和近紅外線照相機和多目標分光儀(NICMOS)替換掉戈達德高解析攝譜儀(GHRS)和暗天體攝譜儀(FOS);以一台新的固態記錄器替換工程與科學錄音機,修護了絕熱毯和再提升哈勃的軌道。近紅外線照相機和多目標分光儀包含由固態氮做成的吸熱器以減少來自儀器的熱雜訊,但在安裝之後,部分來自吸熱器的熱擴散卻意料之外的進入光學擋板,這額外增加的熱量導致儀器的壽命由原先期望的4.5年縮短為2年。

第三次維護任務(3A)

在六台陀螺儀中的三台故障之後(第4台在任務之前幾個星期故障,使望遠鏡不能勝任執行科學觀察),第三次維護任務仍然由發現號在1999年12月的STS-103航次中執行。在這次維護中更換了全部的六台陀螺儀,也更換了一個精細導星感測器和計算機,安裝一套組裝好的電壓/溫度改善工具(VIK)以防止電池的過熱,並且更換絕熱的毯子。新的計算器是能在低溫輻射下運作的英特爾486,可以執行一些過去必須在地面處理的與太空船有關的計算工作。
第四次維護任務(3B)

哈柏太空望遠鏡哈勃在太空梭的貨艙等待釋出
第四次維護任務由哥倫比亞號在2002年3月的STS-109航次中執行,以先進巡天照相機(ACS)替換了暗天體照相機(FOC),並且查看了冷卻劑已經在1999年耗盡的近紅外線照相機和多目標分光儀(NICMOS)。更換了新的冷卻系統之後,雖然還不能達到原先設計時預期的低溫,但已經冷到足以繼續工作了。[16]

在這次任務中再度更換了太陽能板。新的太陽能板是為銥衛星發展出來的,大小隻有原來的三分之二,除了可以有效的減少稀薄大氣層帶來的阻力,還能多供應30%的動力。這多出來的動力使得哈勃空間望遠鏡上所有的儀器可以同時運作,並且因為較為柔軟,還消除了老舊的太陽能板因為進出陽光照射區域會產生震動的問題。為了改正繼電器遲滯的問題,哈勃的配電系統也被更新了。這是哈勃空間望遠鏡升空之後,首度能完全的應用所獲得的電力。其中影響最大的兩架儀器,先進巡天照相機和近紅外線照相機和多目標分光儀,在2003至2004年間共同完成了哈勃超深空視場。

最近的維護任務

最近一次的哈勃維修任務已經安排在2008年8月,太空人將更換新的電池和陀螺儀。更換精細導星感測器(FGS)並修理空間望遠鏡影像攝譜儀(STIS)。他們也將安裝二架新的儀器:宇宙起源頻譜儀和第三代廣域照相機,但是可能不會重置或替換先進巡天照相機。

10 哈柏太空望遠鏡 -科學上的成就

哈柏太空望遠鏡哈勃最著名的影像之一:在老鷹星雲內誕生恆星
哈勃幫助解決了一些長期困擾天文學家的問題,而且導出了新的整體理論來解釋這些結果。哈勃的眾多主要任務之一是要比以前更準確的的測量出造父變星的距離,這可以讓我們更加準確的定出哈勃常數的數值範圍,這樣才能對宇宙的擴張速率和年齡有更正確的認知。在哈勃升空之前,哈勃常數在統計上的誤差估計是50%,但在哈勃重新測量出室女座星系團和其他遙遠星系團內的造父變星距離后,提供的測量值準確率可以在10%之內。這與哈勃發射之後以其他更可靠的技術測量出來的結果是一致的。

哈勃也被用來改善宇宙年齡的估計,宇宙的未來也是被質疑的問題之一。來自高紅移超新星搜尋小組和超新星宇宙論計劃的天文學家使用望遠鏡觀察遙遠距離外的超新星,發現宇宙的膨脹也許實際上是在加速中。這個加速已經被哈勃和其他地基望遠鏡的觀測證實,但加速的原因目前還很難以理解。

由哈勃提供的高解析光譜和影像很明確的證實了盛行的黑洞存在於星系核中的學說。在60年代初期,黑洞將在某些星系的核心被發現還只是一種假說,在80年代才鑒定出一些星系核心可能是黑洞候選者的工作,哈勃的工作卻使得星系的核心是黑洞成為一種普遍和共同的認知。哈勃的計劃在未來將著重於星系核心黑洞質量和星系本質的緊密關聯上,哈勃對星系中黑洞的研究將在星系的發展和中心黑洞的關連上產生深刻與長遠的影響。

休梅克-李維9號彗星在1994年撞擊木星對天文學家是一件很意外的事,幸運的事發生在哈勃完成第一次維護修好光學系統之後的幾個月。因此,哈勃所獲的的影像是自從1979年航海家二號飛掠木星之後最為清晰的影像,並且很幸運的對估計數個世紀才會發生一次的彗星碰撞木星的動力學事件,提供了關鍵性的學習機會。它也被用來研究太陽系外圍的天體,包括矮行星冥王星和厄里斯。

11 哈柏太空望遠鏡 -相關詞條

厄里斯木星黑洞
暗天體照相機太陽能板衍射

 

 

12 哈柏太空望遠鏡 -相關鏈接

1.http://8797726.blog.hexun.com/22804318_d.html

2.http://news.sina.com.cn/photo/rel/jcphoto/298/index.shtml

3.http://club.cn.yahoo.com/bbs/threadview/600033554_3__pn1.html

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