鄧雪梅/編譯

哈勃空間望遠鏡的“饋贈”

鄧雪梅/編譯

哈勃空間望遠鏡（HST）已經(jīng)在軌運行了25年，期間，它不斷地吸引科學界以及公眾的關(guān)注：宇航員曾5次前往HST進行維護和系統(tǒng)升級，多次挽救其脫離災難并使其成為世界上最重要的天文臺。在HST慶生25周年之際，《自然》雜志描述了其恒星探索的成就和一些躲在幕后的科學家們的工作，以及HST 25年的觀測生涯帶給我們的一些“饋贈”。

2014年拍攝的哈勃超深空區(qū)（HUDF）照片，該照片結(jié)合了從紫外到近紅外的所有波段

●25年前，哈勃空間望遠鏡在卡納維拉爾角由“發(fā)現(xiàn)”號航天飛機送入近地軌道。25年來，HST獲得的巨大成功告訴世人，即使在預算緊縮的情況下仍要不斷地勇于探索，現(xiàn)在正是回顧HST帶給人類饋贈以及反思的好時機。本文作者、美國空間望遠鏡研究所（STScI）的天體物理學家馬里奧·利維奧（Mario Livio）如是說。

細節(jié)決定成敗

HST是由美國宇航局（NASA）和歐洲空間局（ESA）聯(lián)合建造的。HST不但變革了整個天體物理學，而且作為太空中的第一個大型光學天文臺，它也把一系列的發(fā)現(xiàn)和突破帶給了千家萬戶。如果讓民眾說一個望遠鏡的名字，那么絕大部分人會說“哈勃空間望遠鏡”。

每一個半小時繞地球運行一次，迄今HST已經(jīng)繞地球運行了超過13萬次，對塵埃云及遙遠星系的無數(shù)天體進行了超過100萬次曝光。大約有1.28萬多篇科學論文使用了HST的結(jié)果，引用更是超過55萬次。HST成為了一個最富成效的科學儀器之一。

HST成功的秘訣是什么？是它的正常運轉(zhuǎn)，開創(chuàng)性的公開數(shù)據(jù)，注重科學界的需求，包括宇航員、科學家以及工程師組成的專家小組，還有優(yōu)秀的科學傳播機構(gòu)。所有的這些，將起初看似注定失敗的空間項目（發(fā)射升空后的幾周發(fā)現(xiàn)了主鏡片存在缺陷）轉(zhuǎn)化成了科學領(lǐng)域的勝利。

隨著HST進入其富有成果的最后十年，它的繼任者詹姆士·韋布空間望遠鏡（JWST）也已經(jīng)一步步地邁向發(fā)射臺，現(xiàn)在正是回顧HST帶給人類饋贈以及反思的好時機。HST向我們回答了許多關(guān)于天體物理學中最耐人尋味的問題，我們必須想得更遠并把科學的雄心壯志放在預算擔憂之前。在我看來，未來的重點應(yīng)該是尋找我們太陽系以外的生命。一個能夠在類地系外行星周圍大氣中辨認出生物信號的詹姆士·韋布空間望遠鏡是當之無愧的繼任者。

HST的成功與其說是它得到的奇特發(fā)現(xiàn)，還不如說是對其他天文臺預測結(jié)果的確認。隨著新發(fā)現(xiàn)的公布于眾，天體物理學家們不得不完善關(guān)于宇宙的理論。

HST的成功源于它在地球大氣層之上（距離地表約560千米）的高性能：不受氣輝（由大氣化學過程發(fā)出的微弱光線）和湍流的影響，它的一對高分辨率“銳眼”能夠探測到暗天體（高靈敏性）。即使按照現(xiàn)在的標準來看，其2.4米口徑是很小的（現(xiàn)在望遠鏡的口徑是8-10米），但它的分辨率卻達到了0.07個角秒——類似于從3 000米遠處看清10美分硬幣上的年份（是地面望遠鏡分辨率的十倍）。

HST觀測的波長從紫外到近紅外，其中包含了地面天文學家看不見的被大氣攔截的那些波段。它在紫外波段的觀測能力大約是以前或目前任何望遠鏡的100倍。

原計劃HST要解決三個主要問題：測量宇宙膨脹的速度，弄清楚星系是如何演化的，以及探測星系間彌漫氣體云的結(jié)構(gòu)（星際介質(zhì)）。然而，它已成功地在這些方面展現(xiàn)出了意想不到的洞察力。以下是HST的一些最重要的科學成就。

哈勃空間望遠鏡的成功和超越

太空維修升級服務(wù)延長了HST的壽命，并為未來的空間任務(wù)鋪平了道路。

1990年：HST于4月24日由“發(fā)現(xiàn)”號航天飛機發(fā)射升空。同年6月25日發(fā)現(xiàn)了望遠鏡鏡面的扭曲。

1993年：在第一次維修任務(wù)中，宇航員修復了鏡面并安裝了新的照相機。

1996年：發(fā)布了第一個哈勃深空區(qū)照片，并顯示出遙遠星系。

1997年、1999年和2002年：添加了光譜儀和紅外照相機，修復了用于望遠鏡準確指向的磨損陀螺儀，替換了一個照相機和太陽能電池板。

2004年、2007年：攝譜儀（2004年）和一臺照相相機（2007年）的電源出現(xiàn)故障。

2008年：HST展示出了系外行星“北落師門b”，完成了繞轉(zhuǎn)地球運行的第十萬圈。

2009年：宇航員對其進行了徹底的修理，并安裝了一臺新的照相機和光譜儀。

2011年：HST對一顆系外行星進行了第100萬次觀測，使用該數(shù)據(jù)發(fā)表了大約1萬篇科學論文（就超新星而言）。

2018年：JWST將要開啟對于整個宇宙的紅外視角。

約2024年：大視場紅外巡天望遠鏡/天體物理學焦點望遠鏡（WFIRST/AFTA）將在太空中進行紅外波段的大規(guī)模巡天。

約2030年：計劃發(fā)射一個嶄新的天文臺來對系外行星進行特性化成像。

成就之精選

HST最初的工作之一是降低宇宙膨脹速度——“哈勃常數(shù)”——的不確定性。哈勃常數(shù)同HST一樣都是由天文學家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）的名字命名。在1994到2011年間，這個不確定性由原先的二倍降低到目前的百分之幾——HST由此得出了宇宙年齡為137億年。這主要是使用了遙遠星系中造父變星這把“標尺”來細化和完善宇宙的“距離階梯”。

1998年，HST確認了驅(qū)使宇宙加速膨脹的神秘物質(zhì)——“暗能量”（了解暗能量的性質(zhì)是當今物理學家所面臨的最重要挑戰(zhàn)之一）。這項發(fā)現(xiàn)主要是通過觀測超新星實現(xiàn)的。超新星是某些恒星在演化末期時所經(jīng)歷的一種劇烈爆炸，HST所觀測到的超新星對于地面望遠鏡而言是不可及的。

HST還給出了宇宙演化過程中發(fā)生的星系形成過程（天文學家仍在試圖充分理解為什么恒星形成的速率在100億年前達到峰值）。在1995到2014年間的一系列觀測中，HST探視到以前任何觀測設(shè)備都無法觸及的深度空間（即所謂的哈勃深空區(qū)），包括發(fā)現(xiàn)了第一代星系形成于大爆炸后的5億年（這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)著關(guān)于第一代恒星如何形成、加熱和再電離宇宙的理論）。

通過使用高分辨率來觀測星系中心恒星和氣體的運動，HST證明了幾乎所有的星系在其中心都存在超大質(zhì)量黑洞（其質(zhì)量為數(shù)百萬到數(shù)十億倍太陽質(zhì)量）。黑洞的質(zhì)量通過其周圍圍繞它運轉(zhuǎn)的恒星來決定，并由此顯示出星系和黑洞是一起演化的。

HST也首次確定了一些太陽系外行星大氣的化學組成：2001年揭示出系外行星大氣中具有鈉元素的光譜特征，2008年揭示出了其大氣中有水和甲烷等分子。未來某一天，一個更大的望遠鏡或許能夠識別出太陽系以外的某顆巖石行星周圍大氣中生命進程的信號。

蜘蛛星云，由哈勃空間望遠鏡在可見光、紅外和紫外波段所拍攝

成功的秘訣

科技的力量并不是HST成功的唯一理由。由宇航員所進行的五次維修任務(wù)——1993年、1997年、1999年、2002年以及2009年——使得HST被徹底改造。宇航員們在望遠鏡光路上加裝了校正鏡片，把機械式磁帶記錄儀替換成固態(tài)存數(shù)驅(qū)動器，升級了太陽能電池板，安裝了照相機和光譜儀。如果沒有這些維修和升級，HST不會工作至今。

當然，機遇只青睞有準備的事物。另外四個因素則提升了HST的能力：快速制作數(shù)據(jù)和開放使用，高效和可獲取的歸檔，風險項目的承擔和連續(xù)的資金等制度這四個因素增加了HST的活力。其中還包括科研人員的創(chuàng)造性思維。

最初的哈勃深空區(qū)照片是由空間望遠鏡研究所（STScI）時任所長羅伯特·威廉姆斯（Robert Williams）提出的。其他天文臺，包括夏威夷和智力的雙子星天文臺、美國亞利桑那州的大雙筒望遠鏡也采用了類似的方法。例如，在對HST觀測數(shù)據(jù)進行為其一年的分析后，哈勃深空區(qū)的特殊數(shù)據(jù)組可以對其進行公開訪問。事實上，HST并不是第一個采用這項政策的空間天文臺，但它卻激發(fā)了其他天文臺的效仿：例如，2004年發(fā)射的雨燕衛(wèi)星，其獲得的數(shù)據(jù)隨即進行公開。

為了確保數(shù)據(jù)的分析以及結(jié)構(gòu)盡快發(fā)表，所有分配給HST的觀測都需要NASA的經(jīng)費支持。自1990年以來，有超過4 600個HST觀測的提案，經(jīng)費資助達5億美元。這個項目同時也資助了新一代的頂尖科學家。從1990年起，已有352位從事HST望遠鏡相關(guān)工作的科研人員——這些人員在美國各大學得到相關(guān)資助并獨立從事該研究的博士后。自1993年以來，大約500位博士后使用了HST的數(shù)據(jù)。

事實上，HST已經(jīng)創(chuàng)新了科學傳播的模式。幾乎從一開始起，設(shè)在約翰·霍普金斯大學校園內(nèi)的STScI大眾科普辦公室便開展了新聞發(fā)布，以及針對學校、科學中心和天文館的網(wǎng)絡(luò)傳媒和科普宣傳活動。比如，一個有吸引力的用戶友好界面網(wǎng)站（hubblesite.org）每年都吸引了數(shù)十億的點擊量。

就面向?qū)W校的網(wǎng)絡(luò)傳媒而言，現(xiàn)在每年僅僅在美國參與該網(wǎng)絡(luò)傳媒的學生就超過了600萬人，教育工作者超過了50萬人——關(guān)于星系、系外行星以及黑洞的多媒體演示在全球的科學中心播放。而HST在太空中所拍攝的照片，已經(jīng)滲透到大眾文化中——英國藝術(shù)評論家喬納森·瓊斯（Jonathan Jones）將此稱之為“我們這個時代最耀眼美麗的藝術(shù)品?！币恢Ь礃I(yè)的團隊確保了這些照片在視覺上的高質(zhì)量，并被列入從巴爾的摩到威尼斯的藝術(shù)品展覽中，包括書籍封面和音樂專輯的裝飾。

人類孤獨嗎？

對于合適的實驗，HST已經(jīng)證明了寧可全額資助也不愿因預算問題而減少資金的投入。同樣地，在確定未來的主要天文項目方面，我們應(yīng)當確定需要回答的一些最重要問題，以及對技術(shù)上獲取答案的可行性進行評估和是否值得投入資金，進而采取相應(yīng)的措施。換言之，必要的融資可使項目持續(xù)穩(wěn)定，從而避免成本超支。

在我看來，天文學中最吸引人的問題是銀河系中太陽系以外的地方是否存在生命。這主要歸功于開普勒空間望遠鏡，使我們了解到銀河系充滿了數(shù)以百萬計地球大小的行星，這些類地行星同樣處于它們寄主星引力場中的“宜居帶”，在這個宜居帶上有可能讓這些類地行星表面保留液態(tài)的水。

接下來的空間計劃已基本布局好了。隨著2017年的發(fā)射升空，系外行星凌星巡天衛(wèi)星（TESS）或會在低質(zhì)量恒星宜居帶上找到比地球質(zhì)量大的一些行星（這些行星的寄主星較為暗弱，或更容易被探測到）。2018年將發(fā)射JWST，以及2024年發(fā)射的大視場紅外巡天望遠鏡-天體物理學焦點望遠鏡（WFIRST/AFTA），這些計劃將在系外類地行星中的大氣中尋找水和其他分子。

對于銀河系中常見或罕見的生命現(xiàn)象，一臺更強大的望遠鏡需要有統(tǒng)計學意義上的限制。比如，一臺口徑12米、分辨率為HST 25倍的望遠鏡可以對寄主星下的行星成像，并從光譜上探測出該行星大氣中的水和其他生物特征；WFIRST/AFTA可以探測到比寄主星暗弱10億倍的行星；而亮度對比為100億的望遠鏡能夠在一顆類太陽寄主星下對類地球行星成像。顯而易見，這樣的一臺望遠鏡也將會提供大量其他的發(fā)現(xiàn)。

可以預見，大約有50顆行星將會被探測。根據(jù)計算機顯示，如果在超過36顆類地行星中沒有發(fā)現(xiàn)生命特征的話，那么在銀河系中太陽系以外探測到生命的可能性小于10%。

美國大學天文研究協(xié)會(AURA)今年6月份有望公布一份關(guān)于高分辨率望遠鏡的報告?，F(xiàn)在看來，有必要成立一個由NASA、ESA等潛在國際合作者參與的一個專門小組來評估這份報告，以保障未來合理的空間任務(wù)發(fā)射計劃（2030年左右），以及加快相應(yīng)的技術(shù)研發(fā)。在未來的十年中，尋求太空生命必須被優(yōu)先考慮，以此引導國家資金對于這些任務(wù)的配置。美國天文學界將在2016年重新開啟對于未來十年優(yōu)先研究領(lǐng)域的討論。

與此同時，我非常歡迎對于地外文明探索（SETI）項目的資金投入。或許可以從私人渠道獲得大約1億美元的額外資金，旨在未來十年里搜尋智慧生命的射電或光學信號可以顯示10 000萬顆天體。成功的機率很渺茫，但回報可能是豐碩的。

對于“人類孤獨嗎？”這個問題的答案已經(jīng)近在咫尺。對于生命的搜尋應(yīng)當是未來25年的重要科學日程。

[資料來源：Nature][責任編輯：則鳴]