圖說30年：回望哈勃望遠鏡發射之時，如何立志揭開宇宙神秘面紗

2023-03-31 12:02:48 3

"觀察地球上的星星就像試圖觀察湖底的鳥."-詹姆斯·奧多姆(1981990，哈勃項目經理)

1946年，普林斯頓大學天文學家萊蒙·斯皮策提出了第一個將光學望遠鏡放在模糊且扭曲的地球大氣層上的具體計劃。儘管其他人認為繞軌道運行的望遠鏡——斯皮策的報紙有標題「地外觀測的巨大優勢」，詳細描述了將望遠鏡放入太空的科學優勢。這是11年前第一顆人造地球衛星——普特尼克衛星發射的時候。

斯皮策堅持遊說建造一架空望遠鏡，1962年，美國科學院最終建議開發一架地球軌道望遠鏡。美國航天局在1966年至1972年間發射了四個軌道觀測站，其中只有兩個在當時是成功的。1972年至1981年間，天文臺的最後一次任務被稱為哥白尼任務，該任務將一架直徑為32英寸(80釐米)的紫外望遠鏡安裝在太空的望遠鏡上。美國宇航局於1972年首次提出發射一架大型空望遠鏡(LST)，五年後，美國國會批准了該基金。

左:天文學家萊蒙·斯皮策。中國:OAO-3哥白尼衛星正在進行起飛前測試。右圖:顯示主要部件的LST/哈勃望遠鏡橫截面。

不出所料，LST號包括一個直徑為94英寸(2.4米)的主鏡，1983年隨著太空梭的開發，主鏡被送至0+號。LST預計工作15年，主要用於觀察電磁波譜的可見光和紫外光部分。

1983年，管理層放棄了使用太空梭將望遠鏡運回地球進行維護和重新發射的計劃，而是決定讓太空人進行在軌維護和升級。同年，美國宇航局以埃德溫·哈勃命名LST，並計劃於1986年10月發射。然而，1986年1月的挑戰者號事故使所有太空梭停飛，將哈勃太空望遠鏡的發射推遲到1990年4月。

左:哈勃空望遠鏡早期框架結構。中國人:工程師們正在建造哈勃的主鏡。右圖:天文學家埃德溫·哈勃

1990年4月24日，哈勃太空望遠鏡發射了STS-31任務，太空望遠鏡也是空。太空梭飛到了380英裡的軌道上，以確保望遠鏡儘可能地高出地球大氣層，這對於太空梭來說是一個特別高的高度。這臺24，000磅的望遠鏡裝在發現號太空梭的有效載荷艙裡，裝有五個科學裝置:廣域和行星照相機(WF/個人電腦)、黑暗天體照相機(FOC)、戈達德高解析度分光計(GHRS)、黑暗天體分光計(FOS)和高速光度計(HSP)。

發射任務的成員包括指揮官勞倫·施裡弗、飛行員查爾斯·博爾登和任務專家布魯斯·麥坎德斯、史蒂芬·霍利和凱薩琳·沙利文。進入軌道後，霍使用太空梭的機械臂釋放哈勃望遠鏡，小心地將它送出有效載荷艙，在確認望遠鏡的兩個太陽能電池板和天線已經正確部署後，他釋放了它，讓它自由移動。萬一在部署過程中出現錯誤，麥坎德斯和沙利文已經穿上了他們的t0+套裝，準備好了t0+行走。結果，他們沒有機會改正錯誤，因為他們在氣閘室，在那裡望遠鏡的釋放過程看不到。

在接下來的三天裡，太空梭保持在距離望遠鏡50英裡的地方，以防止出現需要他們修理或直接帶回地球的問題。最初，沒有這樣的救援措施。

左:STS-31機組成員(從左到右):查爾斯·博爾登，史蒂文·霍利，羅蘭·施賴弗，布魯斯·麥克坎德裡和凱薩琳·沙利文。中:STS-31發射。右圖:哈勃太空望遠鏡在STS-31任務中釋放。

左邊和中間:STS-31太空人邁克·坎德裡和沙利文也穿著太空衣行走。右圖:來自WF/個人電腦的模糊圖像，顯示了應該作為單一光點出現的恆星。

在初始在軌激活和系統檢查完成後，是時候開始備受期待的「第一炮」了。然而，原始圖像讓科學家們迷惑不解。圖像中的星星不是聚焦的單個點，而是模糊和扭曲的。調查人員發現問題出在望遠鏡的主鏡上:由於製造誤差，它的邊緣比原來的規格高出0.003毫米，導致了「球面像差」的光學問題。雖然這大大削弱了哈勃傳回的圖像的清晰度，但它仍然帶來了一些優秀的圖像。美國國家航空和宇宙航行局已經起草了一份計劃來解決這個光學問題，而不需要修理主鏡(事實上這是不可能完成的)。由於球面像差的程度是眾所周知的，工程師們設計了一套鏡子，太空人將在計劃的第一次維護任務中安裝在哈勃望遠鏡上。

左圖:1990年哈勃拍攝的土星。右圖:木星在1991年被哈勃捕獲。

STS-61太空梭任務的成員負責修復哈勃望遠鏡有缺陷的光學系統，並更換意外振動的太陽能電池板。這是哈勃望遠鏡的第一次維護任務，於1993年12月完成。這次任務的成員包括指揮官理察·柯維，飛行員肯斯·布韋特索克斯，任務專家凱薩琳·桑頓，克勞德·尼科爾，傑弗裡·霍夫曼，斯託裡·馬斯格雷夫和託馬斯·埃塞克斯。

發射兩天後，尼古拉抓起哈勃望遠鏡，將其固定在奮進號太空梭的有效載荷艙中。在接下來的五天裡，霍夫曼/馬斯格雷夫和桑頓/埃塞克斯這兩個Tais 空行走團隊，輪流在空之前行走五個Tais 空並最終完成了維護任務。太空望遠鏡光軸補償校正光學系統(COSTAR)取代了高速光度計(HSP)的原始位置，犧牲了一個設備來使望遠鏡發揮其全部潛力。他們用升級後的WF/個人電腦-2(第二代廣域和行星照相機)取代了原來的WF/個人電腦(廣域和行星照相機)，並用更強的剛性取代了新的太陽能電池板，以消除不必要的振動。接下來的一個月，哈勃的新圖像顯示，維護工作恢復瞭望遠鏡的預期功能，並為天文學家提供了一個獨特的觀察平臺。

左:STS-61機組人員(前排，從左至右)、肯尼斯·博齊克斯、凱薩琳·桑頓、故事·馬斯格雷夫和克勞德·尼科爾；(從左到右，從左到右)理察·柯維，傑弗裡·霍夫曼和託馬斯·阿克斯。中:桑頓和阿克斯安裝了科斯塔恢復哈勃望遠鏡的光學功能。右圖:霍夫曼和馬斯格雷夫安裝了WF/PC-2儀器。

左圖:哈勃也是STS-61發射前的0+望遠鏡。右圖:第一次維護任務前後的M100銀河核圖像顯示光學質量有所提高。

左圖:1995年哈勃拍攝的貓眼星雲NGC 6543。中間:1995年哈勃在火星上的圖像。右圖:1996年哈勃拍攝的埃塔·卡琳娜。

哈勃的第二次維護任務是在1997年2月完成的。在太空梭的STS-82任務中，STS-82機組人員包括飛行員肯尼斯·鮑索斯·斯科特·霍洛維茨和任務專家約瑟夫·坦納·史蒂芬·霍利和格雷戈裡·哈博馬克·李和史蒂夫·史密斯。穿梭機臂操作員霍利與哈勃搏鬥。史密斯)/李和坦納)/哈博的兩個Tais 空步行團隊在接下來的五天裡交替進行了五次Tais 空步行。他們用Tais 空望遠鏡成像光譜儀(STIS)取代了GHRS儀器，用近紅外照相機和多目標光譜儀取代了FOS。固態版本也取代了科學數據磁帶錄音機，並修復了一些隔熱材料。機組人員使用太空梭的轉向推進器將哈勃的軌道提升了近6英裡。釋放後，哈勃恢復了為天文學家提供前所未有的宇宙視角的任務。

左:STS-82機組人員(前排，從左到右)鮑爾索斯、霍利和斯科特·霍洛維茨；；(從左到右，從左到右)約瑟夫·坦納、格雷戈裡·哈珀、李屏賓和史蒂夫·史密斯。右圖:當STS-82太空時，史密斯和李第一次在上面行走。

左:坦納和哈伯走在第四個STS-82上，太空。右圖:哈勃在STS-82期間釋放。

左圖:自1998年以來的哈勃4314雕像。中間:自1998年以來的黃貂魚星雲的哈勃雕像。右圖:自1998年以來的哈勃海王星雕像。

由於三臺望遠鏡的穩定陀螺儀出現故障，管理層將計劃中的第三次哈勃維護任務分成了兩次飛行。(在太空梭發射前不久，第四架失敗了。3A維護任務是在1999年12月發射的STS-103任務期間進行的。機組人員包括指揮官柯提斯·布朗、飛行員斯科特·凱利和任務專家史蒂芬·史密斯。讓·弗蘭是克萊夫，約翰·格倫菲爾德·麥可·法爾和克勞德·尼科萊耶)。克萊沃伊用太空梭的機械臂捕捉到了哈勃。它固定在有效載荷艙裡。Smith/Grunsfeld和Foale/Nicollier的tai 空行走團隊每隔幾天就進行tai 空行走，以更換所有六個陀螺儀、精密制導傳感器、計算機和隔熱材料。克萊沃伊釋放了翻新的望遠鏡以繼續其科學使命。

左:STS-103機組人員(從左到右)麥可·福爾、尼科爾、斯科特·凱利、柯提斯·布朗、讓·弗朗索瓦·克萊沃、約翰·格倫菲爾德和史蒂文·史密斯。右:第二架STS-103太空步行期間的馬駒和尼科利爾。

左:斯密特和格倫菲爾德在第三個STS-103也是空。右圖:哈勃在STS-103中發布。

左圖:自2000年以來愛斯基摩星雲NGC 2392的哈勃圖像。中間:哈勃拍攝的自2000年以來的行星狀星雲NGC 6751。右圖:2001年以來兩個星系UGC 06471和UGC 06472之間宇宙碰撞的哈勃圖像。

2002年3月，哈勃太空望遠鏡服務任務3B號在哥倫比亞號太空梭STS-109上執行任務。這次任務的機組人員包括指揮官阿爾特曼、飛行員杜安·g·凱裡和任務專家約翰·m·格倫菲爾德、南希·j·庫裡、理察·m·林內漢。詹姆斯·紐曼和麥可·j·馬西米諾·居裡抓住哈勃望遠鏡，對哥倫比亞號有效載荷艙感到如釋重負。格倫菲爾德/林奈漢和紐曼/馬西米諾的兩個tais 空行走雙人組完成了五個tais 空行走，用一個新的高級測量相機(ACS)取代了FOC，並安裝了一個新的。更加耐用和高效的太陽能電池板。他們還更換了電源控制單元，並安裝了一個新的冷卻系統，以振興自1999年以來一直處於休眠狀態的鎳基複合氧化物半導體儀器。柯裡發布了一個升級的望遠鏡來繼續其前所未有的科學使命。

左圖:STS-109機組人員(從左至右)麥可·馬西·宋旻浩、理察·林內漢、杜安·凱裡、斯科特·奧特曼、南希·科裡、格倫菲爾德和詹姆斯·紐曼。右圖:在第二次STS-109太空行走中，馬西米諾和紐曼與反作用輪組件合作。

左圖:在第五次STS-109太空行走中，格倫菲爾德和林內漢安裝了NICMOS低溫冷卻器。右圖:STS-109發布的哈勃望遠鏡展示了新安裝的太陽能電池陣列。

左圖:哈勃拍攝的螺旋星系NGC 1300的圖像自2005年以來就被禁止了。中:哈勃拍攝的2006年以來天王星雲中的黑點圖像。右圖:自2005年以來，螺旋星系M51和伴星系的哈勃圖像。

2004年交互式螺旋星系的哈勃圖像(NGC 2207和IC 2163)。

原定於2005年進行的第五次也是最後一次哈勃維護任務幾乎沒有實現。2003年哥倫比亞號事故後，美國宇航局的管理人員只批准了太空梭前往國際空間站的安全港的任務。根據美國國家科學院的建議，美國國家航空航天局於2005年撤銷了該決定，並於2009年5月批准了這次飛行，這比望遠鏡最初預計的15年壽命提前了4年。

「亞特蘭蒂斯」號太空梭在STS-125上的機組人員包括飛行指揮官阿爾特曼、飛行員格雷戈裡·詹森和任務專家麥可·古德、梅根·麥卡錫爾、約翰·格倫菲爾德、麥可·馬西米諾和安德魯·費斯特爾。在這次也是最後一次哈勃望遠鏡之旅中，麥克阿瑟操縱機械臂「捕獲」哈勃望遠鏡，並將其固定在太空梭的有效載荷艙中。在那之後，格倫菲爾德/弗斯特爾和馬西米諾/古德，兩個團隊用太空走了五次來完成望遠鏡的最後維護。他們的任務包括用寬視場照相機3(WFC-3)取代WF/個人計算機-2，安裝宇宙起源分光計以取代COSTAR光學校正系統，更換數據處理單元，維護ACS高級巡天照相機和STIS空望遠鏡分光計，以及安裝升級的鎳氫電池。隨著哈勃的維護和升級以及哈勃的全面運行，麥克阿瑟最後一次「釋放」了哈勃。該任務最初計劃將哈勃的使用壽命延長至2014年。但是...現在，它已經超過了6年的最後期限，在它成立30周年之際...這臺望遠鏡仍然運轉良好。

左:STS-125機組成員，哈勃最後維護任務(從左到右)，馬西米諾，麥可·古德，格雷戈裡·詹森，奧特曼，梅根·麥克阿瑟，格倫菲爾德和安德魯·費斯特爾。右圖:在STS-125任務4中，馬西米諾和良好維修STIS也空步行。

左圖:格倫菲爾德和費斯特爾，他們在STS-125最後一次行走結束時再次進入太空梭的氣閘，太空。右圖:哈勃望遠鏡從STS-125任務中釋放。

總結科學家利用哈勃數據的發現，這遠遠超出了本文的長度。可以說，在其30年的運作中，它發回的信息和圖像已經徹底改變了天文學，並促使科學家重寫教科書。此外，他極大地改變了公眾對宇宙的想像。從技術上講，哈勃的發射和維護升級任務最終證明了空科學平臺的可維護性。在中國，總共有16名太空人在165個小時和近7天的時間裡完成了23次維修哈勃望遠鏡的任務。