多次瀕臨夭折的哈勃望遠鏡，曾被稱作15億的錯誤，它是如何復活的

2023-04-01 03:36:52 1

1990年4月24日，著名的哈勃太空望遠鏡(HST)發射升空，上升了0+。

(圖片說明:貓眼星雲，一個經典的宇宙景觀)

如今，哈勃已經成為世界上最著名的望遠鏡，它所發布的每一張張玉舟的照片都引起了人們的極大關注。然而，回顧哈勃望遠鏡的發射過程，我們只能想到那幾個字——起起落落，波折起伏。

初始概念

太空望遠鏡的想法比你想像的要早得多。

早在1923年，德國太子黨的三個先驅之一赫爾曼·奧爾勃斯就出版了一本專著《第二行星Umen》(火箭進入行星之間的空間空)，其中首次提到了用火箭向太子黨發射望遠鏡的想法。

1946年，美國天文學家小萊曼·斯皮策發表了他的論文「額外陸地天文臺的天文優勢」，正式提出了空望遠鏡的概念和優勢。

斯皮策一生致力於0+望遠鏡的開發，並為哈勃和其他0+望遠鏡的發射做出了傑出貢獻。因此，美國國家航空航天局也以他的名字命名了2003年發射的0+太空的望遠鏡。這是今年剛剛退役的斯皮策望遠鏡。

1962年，美國國家科學院也提交了一份報告，認為空望遠鏡應該發展成為一個重要的天文視野。因此，在1965年，美國宇航局成立了一個委員會，致力於建造一個空望遠鏡，其主席是斯皮策。

1974年，在空望遠鏡出現之前，「謙虛」的科學家只能用飛機將觀測設備送入空望遠鏡進行有限的觀測。例如，柯伊伯空中天文臺使用一架改進的C-14飛機運載12，500米高空，提高了人類在相對稀薄的大氣中的觀測能力。

望遠鏡在空之間的優勢

為什麼天文學家關注太空？難道地球的「小廟」裡沒有望遠鏡裡的「大佛」嗎？

沒有空間了。

地球的大氣層對生命的存在至關重要。沒有它，地球現在就死了。然而，它阻擋了外層空間的輻射，也阻擋了人類的視覺。雖然我們不能用肉眼看到空氣體，但這並不意味著它真的是「看不見的」，大氣湍流給天文學家的天文觀測帶來了很大的障礙。

不僅如此，地球的大氣層可以阻擋或削弱許多波段的電磁波。例如，我們熟知的臭氧層可以吸收大部分紫外線，保護我們免受太陽輻射的傷害，但它也阻止科學家使用紫外線波段觀察宇宙。如果天文望遠鏡能擺脫地球的大氣層，它就能不受大氣層的幹擾，大大擴展人類的視野。

理論上和其他一些初步的實際結果都告訴我們:空望遠鏡確實有很大的觀測優勢。1968年，美國宇航局正式決定建造一個3米口徑的0+望遠鏡，暫定名為大軌道望遠鏡或0+望遠鏡(LST)，預計發射時間為1979年。這臺望遠鏡後來成為哈勃的0+望遠鏡。

盛衰

然而，該計劃從一開始就面臨一個主要問題:資金。

只要回答這句話:錢不是萬能的，但是沒有錢是絕對不可能的。

美國國會質疑該望遠鏡的高預算，並要求找到減少它的方法。當科學家絞盡腦汁考慮如何削減預算時，他們被告知不要考慮這個問題——不是因為國會有錢，而是因為國會明確表示該項目已經取消。

天文學家猶如晴天霹靂。他們到處遊說，許多人親自參觀了眾議院和參議院。1977年，在他們的不斷努力下，參議員決定恢復一半的預算。

直到1979年，也就是望遠鏡最初計劃發射的那一年，它的主透鏡才剛剛開始拋光。直到兩年後，承擔這項任務的珀金·埃爾默公司仍未完成拋光工作。在這一點上，拋光的成本已經超過了原來的預算。無奈之下，美國宇航局不得不決定「打八折」，將望遠鏡的口徑改為2.4米，這是目前哈勃望遠鏡的口徑。從這個角度來看，哈勃只是一個「缺陷產品」

(照片說明:1979年，帕金·埃爾默公司的員工打磨了哈勃望遠鏡的主鏡)

儘管如此，這臺望遠鏡仍然嚴重資金不足，國會正在緊縮開支。絕望中，美國宇航局不得不向歐洲航天局尋求幫助。對EAA來說，這可能是天上的餡餅。結果，他們在人員、努力、資金和設備上幫助了美國宇航局。前提是:歐元將獲得望遠鏡使用時間的15%。因此，我們看到的哈勃0+望遠鏡的一些照片是由兩個太空機構合作拍攝的。

如果這一段開頭的句子顛倒過來，那就是美國宇航局當時遇到的尷尬。沒有錢是絕對不可能的，但是錢不是一切。即使在EAA的幫助下，望遠鏡的發射時間也被前後推後，先是到1986年3月，然後到同年9月。這一次，他們不需要再推了，因為問題不再是望遠鏡建造的問題。

(圖片說明:安裝前，技術人員檢查了哈勃望遠鏡主鏡的鍍鋁反射層。這種鍍鋁層可以增強反射效果並增強哈勃的觀察能力)

1986年1月28日是天文學史上最悲傷的一天，美國挑戰者號太空梭爆炸，七名太空人全部遇難。罷工迫使美國宇航局停止並暫停太空梭的發射。

相反，參與哈勃望遠鏡研發的工作人員抓住了這個機會，繼續提高望遠鏡和地面控制系統的靈敏度。然而，原本計劃搭載太空梭進入太空的哈勃太空望遠鏡，不得不被小心地存放在無塵的房間裡，這相當於白白燒錢。望遠鏡的發射很緊急。

遲來的發射

1990年4月23日，美國甘迺迪航天發射中心終於在人們高度關注的時刻到來了。這個概念提出至今已經44年了。這架望遠鏡以一年前去世的著名天文學家埃德溫·哈勃命名，最終被裝載到發現號太空梭上，並以0+號發射。4月24日，太空梭發射後，哈勃0+望遠鏡正式開始服務。

當時，最初預算只有4億美元的哈勃望遠鏡已經燒毀了近15億臺。在它的身上，一共裝備了五件武器:

廣域和行星照相機(簡稱WF/個人電腦):它為哈勃提供了最高的分析能力，後來被第二代和第三代廣域照相機所取代。

戈達德高解析度攝譜儀(簡稱GHRS):由戈達德航天中心製造，光譜解析度為90，000，主要負責紫外波段的觀測，1997年被空間望遠鏡成像攝譜儀(簡稱STIS)取代。

高速光度計(縮寫:HSP):在紫外、可見和近紅外波段，天體的光度變化和偏振每10微秒測量一次；

微弱物體照相機(簡稱:FOC):它提供極高的解析度，能分辨0.05角秒的天體。

微弱物體攝譜儀(縮寫為FOS):1997年STIS取代了觀測波長為1150-8500埃的攝譜儀。

(圖片說明:哈勃望遠鏡結構圖1)

這張照片顯示了哈勃望遠鏡在0+時的結構

(圖片說明:哈勃望遠鏡結構圖2)

從大小來看，哈勃望遠鏡類似於一輛公共汽車。它的口徑為2.4米，總寬度為4.2米，長度為13.2米，重量約為11.11噸。目前，它在大約540公裡空的高度運行，以每秒7.59公裡的速度繞地球運行。

(哈勃空望遠鏡對人體)

然而，這臺由無數天文學家辛辛苦苦、風雨兼程建造的望遠鏡，承載著無數人對宇宙的渴望和憧憬，但當它傳回第一張照片時，卻讓所有人大吃一驚。這是怎麼回事？

15億美元的「大錯誤」

哈勃發回的第一張照片出人意料地不清楚，可能是這樣的。

不是你的眼睛有問題，你的手機屏幕也很好，而是哈勃太空望遠鏡。

這個問題立即成為當時的熱門新聞，使得哈勃望遠鏡成為整個美國晚飯後的焦點。《新聞周刊》的封面甚至提出了「15億美元的失誤」的話題。

50美分的特效15億美元。

噴氣推進實驗室主任盧·艾倫領導的委員會立即尋找原因，最終發現問題仍然出在珀金·埃爾默公司——恐怕這些技術人員已經非常生氣，他們不知道為什麼把任務交給了公司。

哈勃的觀察能力比預期弱得多的原因在於主鏡的拋光。這從哈勃望遠鏡的原理開始。

本質上，哈勃的太空望遠鏡的原理類似於摺疊反射望遠鏡，但是可以觀察到的波長範圍更廣。光線到達主鏡後，通過主鏡反射到次鏡。這裡的主鏡相對平坦，但實際上是一面凹面鏡。

(圖片說明:哈勃望遠鏡原理圖)

光被次鏡反射，穿過主鏡上的孔，聚焦在焦點上。只要把接收儀器放在焦點上，遠處的天體就可以放大。這裡，首先，主鏡必須具有完美的平面度，其次，主鏡的曲率必須完美實現。否則，看看上面的示意圖，你就會知道光線肯定會散開。

(照片說明:打磨主鏡的工人可以看到，主鏡中間有一個洞，可以讓次鏡反射的光通過。)

結果，主鏡曲率的微小偏差導致實際像點和理想像點之間的差異。這種偏差稱為球面像差或球面像差。根據計算，當時哈勃的球面像差只有2.2微米，相當於人類頭髮的十分之一。然而，對於像哈勃這樣的超精密設備來說，這種偏差是致命的。中國古人說，「失之交臂，失之交臂」。然而，哈勃更加誇張。它離我們有一微米遠，一光年遠。

問題已經被發現了，那麼，它是怎麼產生的呢？

艾倫委員會的調查結果顯示，最初的望遠鏡研發項目包括球面像差的測試過程，即使用一種稱為「零校正器」的設備進行測試。然而，在這個測試應該進行的期間，由於資金和項目進度的問題，帕金·埃爾默公司對美國宇航局不滿意。因此，它有點破碎，陷入了一種精神狀態。幸運的是，它沒有按照最初的要求組裝零校正器。錯誤的零點校正器導致了輕微的偏差。珀金·埃爾默並非不知道這一事件，但他們沒有糾正。取而代之的是，他們填充了幾塊金屬板來迫使偏差消失，並試圖矇混過關。

這裡仍有恢復的空間。挑戰者號太空事故給了他們時間和最後的機會。只要美國宇航局人員再次檢查，就能發現問題。然而，珀金·埃爾默的人不停地拍著他們的胸部，以確保主鏡沒有問題，所以測試沒有進行。

紙不能生火。當哈勃望遠鏡傳回的第一批照片呈現在人們面前時，也就是當人們目瞪口呆的時候。

差點流產的哈勃望遠鏡。

艾倫委員會的結論是，這種偏離的主要錯誤是珀金·埃爾默公司的粗心大意，在你知道的壓力下，該公司不得不賠償1500萬美元。與此同時，美國宇航局的相關人員也因工作不力而受到嚴厲批評。

然而，懲罰不是目的。出現的問題應該如何解決？

(圖片說明:太空人在天空修理哈勃望遠鏡空)

將望遠鏡拉回到地面進行維護並非不可能，但高昂的成本令人望而卻步。幸運的是，仍有解決問題的空間。他們可以在太空時給哈勃望遠鏡「戴眼鏡」。通過重新計算和反覆檢查，技術員得出結論，主鏡的圓錐常數是-1.01390±0.0002，而不是預定的-1.00230。

1993年，美國宇航局發射了奮進號太空梭，使用機械臂將哈勃望遠鏡抓進太空梭。在接下來的7天裡，太空人將在哈勃望遠鏡中安裝矯正光學空間望遠鏡軸替換裝置(縮寫為COSTAR)，以消除球面像差。由於哈勃望遠鏡內部空間不足，美國宇航局不得不放棄五大武器中的高速光度計。與此同時，他們還用第二代廣域和行星照相機取代了第一代，提高了他們的觀察能力。