Question

哈勃太空望远镜的工作原理

Answer 1

你有没有盯着夜空，想知道近距离看宇宙是什么样子的？我们大多数人被迫只用眼睛凝视星空，在广阔的黑夜中寻找针刺般的光线。即使你足够幸运地能够接触到地面望远镜，其清晰度取决于云层和天气等大气因素，但它仍然无法提供这些令人惊叹的天体应有的清晰度。

1946年，一位名叫小莱曼·斯皮策（Lyman Spitzer Jr.）的天体物理学家提出，太空中的望远镜将比任何地面望远镜更清晰地显示遥远物体的图像。这听起来很合乎逻辑，对吧？但这是一个令人愤慨的想法，因为当时还没有人向外太空发射火箭。

随着美国太空计划在1960年代和1970年代的成熟，斯皮策游说美国宇航局和国会开发太空望远镜。1975年，欧洲航天局（ESA）和美国宇航局开始为其起草初步计划，1977年，国会批准了必要的资金。美国宇航局将洛克希德导弹公司（现为洛克希德·马丁公司）命名为承包商，建造望远镜及其支持系统，并对其进行组装和测试。

这架著名的望远镜以美国天文学家 埃德温·哈勃（Edwin Hubble ）的名字命名，他对遥远星系中变星的观测证实了宇宙正在膨胀，并支持了大爆炸理论。

由于1986年的挑战者号灾难，哈勃太空望远镜在长时间的延迟之后，于1990年4月24日搭载在发现号航天飞机上进入轨道。自发射以来，哈勃望远镜重塑了我们对太空的看法，科学家们根据望远镜对重要事物的清晰发现撰写了数千篇论文，比如宇宙的年龄、巨大的黑洞或恒星在死亡的痛苦中的样子。

在本文中，我们将讨论哈勃望远镜如何记录外太空以及允许它这样做的仪器。我们还将讨论古老的望远镜/航天器在此过程中遇到的一些问题。

COSTAR拯救了这一天

在1990年部署后，天文学家几乎立即发现了他们心爱的15亿美元，43.5英尺（13.3米）望远镜的问题。他们在天空中的新拖拉机拖车大小的眼睛无法正确聚焦。他们意识到望远镜的主镜被磨到了错误的尺寸。虽然镜子中的缺陷 - 大约相当于人类头发厚度的五十分之一 - 对我们大多数人来说似乎非常微小，但它导致哈勃太空望远镜遭受球面像差并产生模糊的图像。当然，天文学家并没有花数年时间在望远镜上工作，只是为了满足于外太空的不起眼的快照。

科学家们提出了一种名为 COSTAR （ 校正光学太空望远镜轴向更换 ）的替代"隐形"镜片来修复HST中的缺陷。COSTAR由几个小镜子组成，这些镜子将拦截来自有缺陷的镜子的光束，修复缺陷并将校正后的光束传递给镜子焦点处的科学仪器。

NASAASTRONAUTS和工作人员花了11个月的时间为有史以来最具挑战性的太空任务之一做准备。最后，在1993年12月，奋进号航天飞机上的七名男子发射火箭进入太空，执行HST的首次维修任务。

机组人员花了一周时间进行所有必要的维修，当望远镜在维修任务后进行测试时，图像得到了极大的改善。如今，放置在HST中的所有仪器都内置了针对反射镜缺陷的校正光学元件，不再需要COSTAR。

不过，哈勃望远镜比COSTAR还有更多，我们接下来将讨论其中的一些关键部分。

HST 剖析

像任何望远镜一样，HST有一个长管，一端打开，让光线进入。它有镜子来聚集并将光线带到其"眼睛"所在的焦点。HST有几种类型的"眼睛"，以各种仪器的形式出现。就像昆虫能看到紫外线，或者我们人类能看到可见光一样，哈勃望远镜也必须能够看到从天而降的各种类型的光。

具体来说，哈勃望远镜是一个 卡塞格林反射望远镜 。这只是意味着光线通过开口进入设备，并从主镜反射到次镜。次镜反过来将光线通过主镜中心的孔反射到主镜后面 的焦点 。如果你画出入射光的路径，它会像字母"W"，除了有三个向下的驼峰而不是两个。

在焦点处，较小的半反射半透明镜子将入射光分配到各种科学仪器。（我们将在下一节中详细讨论这些工具。正如你可能已经猜到的那样，这些不仅仅是普通的镜子，你可能会凝视着它们来欣赏你的倒影。

HST的镜子由玻璃制成，并涂有纯铝（百万分之三英寸厚）和氟化镁（百万分之一英寸厚）层，以使其反射可见光，红外线和紫外线。主镜直径为 7.9 英尺（2.4 米），次镜直径为 1.0 英尺（0.3 米）。

接下来，我们将讨论哈勃在射入望远镜後如何处理所有光。

哈勃的科学仪器：WFPC2、NICMOS和STIS

通过观察天体的不同波长或光谱，您可以辨别其许多属性。为此，HST配备了几种科学仪器。每种仪器都使用 电荷耦合器件 （ CCD ）而不是照相胶片来捕获光线。CCD检测到的光被转换为数字信号，这些信号存储在机载计算机中并中继到地球。然后将数字数据转换为令人惊叹的照片。让我们看一下每种仪器如何为这些图像做出贡献。

宽视场和行星相机2 （ WFPC2 ）是哈勃的主要"眼睛"或相机。它借助四个排列成"L"形的CCD芯片来捕捉光线 - 三个低分辨率，宽视场CCD芯片，以及一个高分辨率行星相机CCD芯片。所有四个芯片同时暴露在目标上，目标图像以所需的CCD芯片为中心。这只眼睛可以看到可见光和紫外线，并且可以通过各种滤光片拍摄图像，以制作自然的彩色图片，例如这个众所周知的鹰星云图像。

通常，星际气体和尘埃会阻挡我们对来自各种天体的可见光的视野。没问题：哈勃望远镜可以看到隐藏在尘埃和气体中的物体的红外光或热量。为了看到这种红外光，HST有三个灵敏的相机，组成了 近红外相机和多物体光谱仪 （ NICMOS ）。

除了照亮天体之外，从该物体发出的光还可以揭示它的组成。特定的颜色告诉我们存在哪些元素，每种颜色的强度告诉我们该元素存在多少。 太空望远镜成像光谱仪 （ STIS ）将入射光的颜色分开，就像棱镜形成彩虹一样。

除了描述化学成分外，光谱还可以传达天体的温度，密度和运动。如果物体正在移动，化学指纹可能会向光谱的蓝色端（向我们移动）或红色端（远离我们）移动。不幸的是，STIS在2004年失去了电力，从那以后一直处于非活动状态。

继续阅读，找出哈勃望远镜的伸缩套筒上还有哪些其他科学仪器。

哈勃的科学仪器：ACS和FGS

在2002年2月的一次维修任务中，宇航员增加了 高级测量相机 （ ACS ），使哈勃望远镜的视野增加了一倍，并取代了作为HST长焦镜头的微弱物体相机。

ACS可以看到可见光，它的安装是为了帮助绘制暗物质的分布，探测宇宙中最遥远的物体，寻找大质量行星并检查星系团的演化。科学家估计它将持续五年，就在2007年1月，由于电力短缺，它的三台相机中的两台瘫痪了。

哈勃太空望远镜的示意图。将鼠标悬停在"望远镜功能"上以检查每个功能。注： 2002 年，"微弱物体相机"被"高级测量相机"取代。

HST上的最终仪器是其 精细制导传感器 （ FGS ），它指向望远镜并精确测量恒星的位置和直径，以及双星的分离。哈勃望远镜总共有三个这样的传感器。两个指向望远镜并将其固定在目标上，在目标附近的HST场中寻找"引导"恒星。当每个FGS找到一颗导星时，它会锁定它并将信息反馈给HST转向系统，以使该导星保持在其领域内。当两个传感器在操纵望远镜时，一个传感器可以自由地进行 天体测量（恒星 位置）。天体测量对于探测行星很重要，因为轨道行星会导致母星在天空中移动时摆动。

这些仪器的多次维修以及一些补充，计划在2009年初的下一次维修任务中进行。

现在你知道哈勃是如何拍摄所有这些照片的了。接下来，我们将了解哈勃作为宇宙飞船的其他生命。

哈勃的航天器系统：发电和与地面控制对话

哈勃不仅仅是一个拥有高度专业化科学仪器的望远镜。它也是一艘宇宙飞船。因此，它必须具有力量，与地面沟通并能够改变其态度（方向）。

HST上的所有仪器和计算机都需要电力。两块大型太阳能电池板履行了这一职责。每个翼状面板可以将太阳的能量转化为2，800瓦的电力。当HST处于地球的阴影中时，存储在机载电池中的能量可以维持望远镜7.5小时。

除了发电之外，HST还必须能够与地面上的控制器通信，以中继数据并接收下一个目标的命令。为了进行通信，HST使用一系列称为 跟踪和数据中继卫星（TDRS）系统的中继卫星 。目前，在天空的不同位置有五颗TDRS卫星。

哈勃望远镜的通信过程也得到了两台主计算机的帮助，这两台计算机安装在科学仪器舱上方的望远镜管周围。一台计算机与地面通信以传输数据并接收命令。另一台计算机负责控制HST和各种内务管理功能。哈勃望远镜在紧急情况下也有备用计算机。

但是，检索数据时使用了什么呢？收集这些信息后会发生什么？位于望远镜上的四个天线在哈勃和马里兰州格林贝尔特戈达德太空飞行中心的飞行操作团队之间发送和接收信息。收到信息后，戈达德将其发送到马里兰州的太空望远镜科学研究所（STScI），在那里它被翻译成波长或亮度等科学单位。

接下来了解哈勃望远镜如何导航。

哈勃的航天器系统：引导和聚焦天空之眼

哈勃望远镜每97分钟绕地球旋转一次，因此很难将注意力集中在目标上。三种机载系统允许望远镜固定在物体上：陀螺仪，我们在上一节中讨论的精细制导传感器和反作用轮。

陀螺仪跟踪哈勃望远镜的粗略运动。像指南针一样，它们感知到它的运动，告诉飞行计算机哈勃已经远离目标。然后，飞行计算机计算哈勃必须移动多少和向哪个方向移动才能保持在目标上。然后，飞行计算机指示反作用轮移动望远镜。

哈勃的精细制导传感器通过瞄准引导恒星来帮助望远镜固定在目标上。三个传感器中的两个在各自的视野内围绕目标找到引导星。一旦找到，它们就会锁定引导星，并将信息发送到飞行计算机，以使引导星保持在视野范围内。传感器比陀螺仪更灵敏，但陀螺仪和传感器的组合可以使HST固定在目标上数小时，尽管望远镜的轨道运动。

HST不能像大多数卫星那样使用火箭发动机或气体推进器进行转向，因为废气会盘旋在望远镜附近，并使周围的视野变得模糊。相反，HST 的反作用轮 朝向三个运动方向（x / y / z或俯仰/滚动/偏航）。反作用轮是飞轮，就像离合器中的飞轮一样。当HST需要移动时，飞行计算机会告诉一个或多个飞轮旋转哪个方向以及旋转速度，从而提供动作力。根据牛顿第三运动定律（对于每个动作，都有一个相等且相反的反应），HST沿飞轮的相反方向旋转，直到到达目标。

哈勃望远镜的局限性

尽管HST负责无数令人难以置信的图像和发现，但它确实有一些局限性。

其中一个限制是HST无法观测太阳，因为强烈的光和热会炸毁其敏感的仪器。因此，HST始终指向远离太阳的地方。这也意味着哈勃望远镜也无法观测到水星、金星和某些靠近太阳的恒星。

除了物体的亮度，哈勃的轨道也限制了可以看到的东西。有时，天文学家希望哈勃望远镜观测到的目标在哈勃轨道运行时会受到地球本身的阻碍。这可以限制观察给定对象所花费的时间。

最后，HST穿过 范艾伦辐射带 的一部分，来自太阳风的带电粒子被地球磁场捕获。这些遭遇会导致高背景辐射，从而干扰仪器的探测器。在这些时期，望远镜不可能进行观测。

接下来，了解天空中巨大天文台的未来。

哈勃望远镜计划：最终维修任务和更换

目前，哈勃望远镜的未来有点不确定。最后一次维修任务定于2008年10月10日进行。然而，由于飓风艾克席卷德克萨斯州，休斯顿的任务控制中心被迫撤离，美国宇航局失去了一周的准备时间。

然后，亚特兰蒂斯号航天飞机将于2008年10月14日爆炸，载着七名宇航员完成任务 - 这段旅程需要11天，并将望远镜的寿命延长到至少2013年。

然而，在2008年9月29日，由于严重故障，美国宇航局将最终任务推迟到2009年初的某个时候。哈勃的指挥和数据处理仪器发生了故障，它只是停止捕获和发送产生我们熟悉和喜爱的深空图像所需的数据。

当亚特兰蒂斯号最终发射时，NASA可能会发送故障部件的替换部件。然而，在此之前，NASA必须测试更换部件并培训宇航员如何安装它。与此同时，该机构还试图激活命令和数据处理系统的备用通道，以便望远镜可以恢复传输数据。

哈勃之后的生活计划是什么？

哈勃的继任者詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）以前美国宇航局局长詹姆斯·韦伯的名字命名，将研究宇宙 历史 的每个阶段。从距离地球约100万英里（160万公里）的轨道上，望远镜将揭示有关恒星诞生，其他太阳系和星系以及我们自己的太阳系演化的信息。

为了实现这些引人入胜的发现，JWST将主要依靠四种科学仪器：近红外（IR）相机，近红外多目标光谱仪，中红外仪器和可调谐滤光片成像仪。

JWST以前被称为"下一代太空望远镜"，计划于2013年发射，一直是美国宇航局，欧洲航天局和加拿大航天局之间的国际合作。

但在我们转向JWST并忘记哈勃望远镜之前，也许辛勤工作的望远镜值得一试。由于哈勃望远镜无与伦比的发现，每个人都可以欣赏到地球大气层之外的迷人图像。