1990年4月24日,事情发生了永远改变了人类对宇宙的看法。这是在那一天中,哈勃太空望远镜(HST)被推出到空间班车发现。

哈勃太空望远镜is named for Edwin Hubble, a pioneering American astronomer who used the giant 100-inch Hooker Telescope atop Southern California’s Mount Wilson in 1924 to observe numerous galaxies beyond our Milky Way, all of which appeared to be moving away from each other. Those observations led him to conclude that the universe is expanding.

地面望远镜的问题是,它们必须穿透地球的大气层,这导致了巨大的失真,并吸收了某些波长的光,使观察和分析它们变得困难。这促使德国火箭科学家赫尔曼·奥伯思和普林斯顿天体物理学家莱曼·斯皮策等前沿思想家提出将望远镜送入远高于地球大气层的太空。

该概念的可行性由NASA测试,推出了1966年至1972年之间的四种仪器(OAO),称为轨道天文观测者(OAO)。

与此同时,莱曼·斯皮策继续努力争取世界天文学家的支持,设计和建造一个大型的轨道太空望远镜。1969年,美国国家科学院批准了美国国家航空航天局(NASA)的大型太空望远镜(LST)计划,该计划将以直径3米(9.9英尺)的镜面为特色,这极大地推动了他的努力。

第一个维修任务纠正了望远镜的缺陷光学元件。(美国宇航局)
当国会在1974年削减所有资金时,科学界的公众抗议和大型游说努力促使参议院恢复一半的资金。少金钱意味着该项目必须减少规模和范围。例如,镜子的大小从3米变为2.4米(7.9英尺),并且完全验证了用于系统验证目的的更小(1.5米)的原型望远镜。A partnership was formed in 1975 with the European Space Agency (ESA), which agreed to absorb fifteen 15 percent of the project’s cost by providing one of the instruments, known as a Faint Object Camera (FOC), the solar panels needed to power the telescope, and manpower to support the project. In return, the European science community was guaranteed 15 percent of the telescope’s operational time.

1977年,国会同意在1978年的预算中为该项目提供3600万美元,工作终于开始了。预计的发射日期是1983年。

资金到位后,NASA开始着手构建该项目。他们指定位于亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心(MSFC)来设计和建造新命名的太空望远镜(ST),以及位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心来管理科学仪器,并在望远镜发射后处理地面控制任务。MSFC转而雇佣了珀金-埃尔默公司来制造光学望远镜组件,包括反射镜和系统的精密制导传感器。一份建造望远镜机身和组装仪器的合同授予了洛克希德导弹和空间公司(现在的洛克希德马丁公司)。

在仪器方面,戈达德征求了科学界的建议,并从这些建议中选择了五种仪器:一个模糊物体相机(FOC);广角/行星相机(WFPC);模糊物体摄谱仪(FOS);高分辨率摄谱仪;一个高速光度计(HSP)。

原乐器

这是哈勃拍摄的创世之柱的标志性图像。(美国宇航局)
模糊物体照相机(FOC):由欧洲航天局建造的FOC是一种光学和紫外仪器,能够捕捉从紫外到近红外的广谱图像。FOC配备了两个独立的探测器系统。入射光经过过滤,分离出特定波长的光,然后传送到探测器进行处理和记录。这些数据将被数字化传输到地球,在那里可以进行处理和分析。它在122 nm至550 nm波长范围内工作。

宽场和行星相机(WFPC1)该仪器由加州理工学院的James Westphal教授提出,由美国宇航局喷气推进实验室建造,由两个独立的摄像机组成,每个摄像机使用4个由德州仪器公司制造的800 × 800像素ccd。宽视场相机被设计用来捕捉远处光源的全景,而行星相机被设计用来捕捉更高分辨率的图像。它在115 nm到1000 nm波长范围内工作。

空间望远镜成像光谱仪(STI)。(美国宇航局)
暗物摄谱仪(FOS)foss是由Martin Marietta建造的,旨在分析HST收集的光,以确定各种属性,如化学成分和数量,磁场,温度等。该仪器使用了一对红色和蓝色的数字探测器,可以在高分辨率或低分辨率模式下工作,可以在近紫外到近红外的广谱光中进行光谱观测。它通常在115 nm至850 nm波长范围内工作。

高分辨率光谱仪(HRS):更常见的是戈达德高分辨率光谱仪(GHRS),该仪器由Ball Aerospace&Technologies公司制造,如FOS,它旨在分析​​来电以确定物体的物理和化学性质。两者之间的主要差异是GHR在1150埃(115nm)至3200埃(320nm)波长范围内严格关注UV光谱。

高速光度计(HSP): HSP是由一群来自空间天文实验室和空间科学与工程中心的科学家、工程师和学生在麦迪逊的威斯康星大学设计和建造的。虽然它长3' × 3' × 6',重600磅。这个仪器是独一无二的,因为它没有活动的部件。热sp被设计用来进行从近紫外到可见波长的非常高速的光度测量。它配备了4个析像管和23个精选的宽频和窄频滤波器,从1200埃到7500埃不等。它的孔径提供了三种不同的视场——0.4角秒、1.0角秒和10.8角秒——该仪器每秒能够进行多达100,000次测量。因为它没有可移动的部件,通过正确的滤光片和光圈来引导来自目标的辐射,这需要瞄准整个望远镜,这个过程可能需要30秒或更久。

超支和拖延

技术人员准备更换SI C和DH进行测试。(美国宇航局)
珀金-埃尔默于1979年开始使用康宁公司(Corning Inc.)生产的一种特殊的低膨胀玻璃来制作这面至关重要的镜子。经过多次推迟,反射镜的工作终于在1981年底结束,迫使美国宇航局推迟了计划中的1983年发射日期。最后,在1985年,最近重新命名的哈勃太空望远镜(HST)准备发射。美国国家航空航天局将新的发射日期定在1986年10月,但在1986年1月28日,挑战者号航天飞机在起飞时解体,迫使美国国家航空航天局暂停所有航天飞机运行近三年,以调查事故原因。由于没有办法部署它,HST被投入了气候控制的存储,在那里NASA的工程师继续进行升级,包括改进的太阳能阵列和更复杂的计算机和通信系统。

航天飞机项目于1988年9月29日恢复运行。1990年4月24日,发现号航天飞机升空执行STS-31任务,将HST送入太空。此后不久,当对新望远镜的测试开始时,很快就明显地发现,镜子上有一个缺陷,妨碍了光学系统正确聚焦。其结果是,虽然比地面望远镜产生的图像更清晰,但并没有达到应有的清晰程度。

问题被追踪到镜子上由不正确的地面边缘引起的球形像差。这导致光反射镜子的边缘和反射其中心的光,以聚焦在两个不同的点。后来确定用于测试镜像的复杂乐器中的一个,称为空校正器是罪魁祸首。无论是错误地组装还是误用,导致镜子的外边缘被研磨2.2微米太平。幸运的是,有一种方法可以解决它。

维修任务

SM1 (sts - 61)1993年12月2日至13日

更换宽野和行星相机。(美国宇航局)
1993年12月2日,Thepace Shuttle努力起飞开展HST的首次维修任务。特派团的主要目的是纠正主镜子中的球面像差引起的缺陷光学。

为了做到这一点,美国宇航局审查了一系列提案,最后确定了一项由鲍尔航空航天技术公司(Ball Aerospace & Technologies)光学工程师马克·波特马(Mark Bottema)博士提交的提案。Bottema建议安装一个装置,在暗物体摄谱仪、暗物体照相机和戈达德高分辨率摄谱仪前面放置一个不超过25美分硬币大小的小镜子。它被称为COSTAR(矫正光学空间望远镜轴向更换),基本上为HST的三个仪器做了眼镜对人眼的作用。最难的部分是在HST上为它找到空间。由于COSTAR的大小与HSP差不多,HSP是哈勃望远镜上使用最少的仪器,因此官员们决定进行转换。

官员们没有在WFPC上安装矫正镜,而是决定用一个新的装置取代它,该装置包含矫正光学,以及其他改进,包括更好的紫外线性能和更精密的探测器。宇航员们还更换了HST的太阳能阵列和相关电子设备,更换了陀螺仪和磁力计,并升级了机载计算机。

SM2(STS-82)1997年2月11日至21日

哈勃望远镜的第二次维修任务包括用一个叫做空间望远镜成像光谱仪(STIS)的仪器取代FOS,用一个叫做近红外相机和多目标光谱仪(NICMOS)的仪器取代GHRS。

STIS是一种组合光谱仪和相机,设计用于覆盖近红外波长的广谱光谱。根据美国国家航空航天局,它配备了能够收集“比哈勃上的前一个光谱仪更加空间数据的频谱数据和500倍的空间数据的500倍”。

第二个新仪器,NICMOS,是一个由三架照相机组成的低温冷却仪器,所有的设计都是为了同时操作和在同一平面聚焦它们的图像。不幸的是,低温存储杜瓦的应力和变形问题使其中一个摄像机NIC3不能正常聚焦,并产生了一个散热器,比预期的更快地耗尽氮冷却剂。尽管存在这些问题,近红外多目标观测系统仍然提供了有价值的宇宙近红外图像。

SM3A (sts - 103)1999年12月19日至27日

第三次维修特派团是一个不划分的紧急修理使命,匆匆组装并在HST的六个陀螺仪失败后执行。当第四届陀螺仪于1999年11月13日失败时,将哈勃睡眠睡眠,将SM3分成两部分的智慧变得明显。当年的圣诞节,哈勃有六个新的陀螺仪,一个更强大的主电脑,另一台固态数据记录器,更复杂的FGS,电池系统改进,更好的隔热。

SM3B(STS-109)2002年3月1日至12日

SM3的后半段发生在2002年3月。哥伦比亚号航天飞机上的宇航员用一种叫做高级测量相机(ACS)的新设备取代了哈勃上的原始仪器。ACS的特点是一个大的探测器区域和三个摄像机能够记录波长从紫外线到近红外。宽视场相机,配备了一个1600万像素的探测器,在350 - 1100纳米的光谱范围内运行,旨在搜索可以追溯到宇宙早期的一些星系。高分辨率相机(HRC)的设计目的是拍摄精细的高分辨率图像,如星系、星团和气体星云。太阳盲相机通过使用类似于STIS的多阳极微通道阵列(MAMA)阻挡可见光,提高了对紫外线的敏感性,特别是在1150到1700埃的范围内。

ACS运转良好近5年,但从2006年年中开始,一系列的电气问题迫使NASA想出了各种创造性的变通办法,以保持仪器的运行。然而,在2007年1月,该装置的备用电源发生了短路,暂时导致了HRC的死亡。

除了安装ACS外,还安装了新的太阳能阵列,更换了哈勃的动力控制单元(PCU),用一个新的实验性低温冷却系统改造了NICMOS,使其恢复服务。

SM4(STS-125)2009年5月11 - 24日

哈勃望远镜的最后一次维修任务原定于2005年2月,但由于哥伦比亚号航天飞机失事后的安全考虑,这次维修任务可能根本没有进行。对哈勃望远镜进行最后一次任务的风险和价值存在着严重的争论,但最终还是由NASA局长迈克尔·d·格里芬批准,并定于2008年10月进行。

2008年9月27日,特派团预定推出前几周,哈勃的主要数据处理单元称为科学仪器命令和数据处理(SI C&DH)模块,失败。该模块与HST的数据管理单元一起控制了由Hubble收集的所有科学和工程数据的处理,存储和通信。美国宇航局的工程师成功将霍布尔转换到备用单元并推迟SM4,直到可以准备新的SI C和DH模块。

2009年5月11日,航天飞机亚特兰蒂斯队开始了最终的HST旅行。除了更换故障数据处理单元外,机组人员还安装了两种新仪器:宽的现场摄像机3(WFC3),替换WFPC2和宇宙渊源的光谱仪(COS),它们安装在以前由Costar占用的空间。此外,他们修复了STI和ACS。这些维修对哈勃的使命是至关重要的,因为ACS和WFC3彼此相互补充,STIS和COS。WFC3向正常被ACS覆盖的可见光光谱附加了紫外线和红外能力。Cos增加了观察精确光源的能力,例如恒星和Quasars发出的那些,以观察通常由诸如星形和星云的较大体释放的广谱光谱的能力。

此外,机组人员还替换了HST的所有6个镍氢(NiH)2)电池,安装了翻新的精细引导传感器和新外毯层绝缘板,并安装了一个名为软捕获和Rendezvous系统(SCR)的设备,这将允许未来的载人或机器人任务在达到结束时恢复HST生命。

未来

没有人知道哈勃继续运作的程度更长。美国宇航局的预期寿命的原始投影为15年,因此它已经超出了所有期望。但没有什么持续的。知道这一点,1996年,美国宇航局开始策划哈勃的继任者。最初称下一代太空望远镜(NGST),它在2002年正式更名为James Webb Space Telescope(JWST),以纪念NASA的第二个管理员。

JWST旨在拿起哈勃离开的地方,通过宇宙越来越远。其中霍布尔设计用于主要在可见和紫外线谱中操作,JWST将主要在0.6至28微米的红外波长下运行。哈勃的乐器可以在红外光谱中做到最好的是0.8至2.5微米。

JWST也将拥有一个比哈勃大得多的主镜——6.5米vs. 2.4米——而哈勃在大约350英里的高度围绕地球运行,而JWST将在地球-太阳L2拉格朗日点围绕太阳运行。这将使JWST能够观测到宇宙中形成最早的恒星和星系。

哈勃的遗产

就像神话中的凤凰号一样,哈勃望远镜从一个可能是NASA最伟大成就之一的尴尬失败的灰烬中崛起。它对我们认识和理解宇宙的贡献是无价的。

例如,哈勃收集的关于宇宙膨胀的数据帮助天文学家计算出它的年龄大约是137亿年。哈勃望远镜不仅发现了宇宙正在膨胀,而且还确定了膨胀的速度最近开始加快,这让天文学家想知道为什么。哈勃也为超大质量黑洞的存在提供了令人信服的证据,并为天文学家提供了行星形成的重要线索。

让我们不要忘记哈勃捕获的数千个令人叹为观的形象,例如哈勃深场和创造的标志性的柱子。

根据美国宇航局提供的数据,自1990年以来,哈勃已经达到了超过100万人的38,000个天体的观察。它通常以每月844千兆字节的速度收集数据,这意味着在其25年的职业生涯中,它为我们对宇宙的理解提供了超过100岁的知识。通过任何措施,必须被认为是不合格的成功。

有关哈勃太空望远镜的更多信息,请访问www.nasa.gov哈勃


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本文首先出现在2015年3月期刊上光子学技术简介金宝搏官网杂志。

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