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宇航员太空访“哈勃”

1998-02-05 来源:光明日报 卞毓麟 我有话说

哈勃空间望远镜简称HST,以“星系天文学之父”、现代观测宇宙学的奠基者、杰出的美国天文学家爱德温·鲍威尔·哈勃(1889~1953年)命名。它于1990年4月24日由“发现”号航天飞机送入太空轨道,7年多来为科学家们提供了大量极有价值的天文图像和数据资料。该镜的技术指标在20世纪70年代业已确定,为了研制顺利,美国还专门建立了一个空间望远镜研究所。整个HST耗资将近20亿美元。

HST长13.1米,重11.5吨,主镜口径为2.4米。与通常的地面光学望远镜相比,它有两大显著的优点。第一,由于地球大气臭氧层的吸收,在地面上便接收不到波长短于0.3微米的天体紫外辐射。在红外波段,地球大气中的水气吸收了来自天体的大多数红外辐射,只留下少数几个特定波长的“大气窗口”。哈勃空间望远镜的观测波段则较宽,可从紫外一直延伸到红外(波长0.115微米至1.1微米)。第二,即便是能够穿过地球大气层抵达地面的天体辐射,也仍然受到大气的干扰。大气湍动以及它对光的衍射和散射效应,都会使星像变得模糊不清。空间望远镜置身大气层外,避免了这类干扰,因而所成星像的清晰程度便远胜于同类地面望远镜所成的像。

在HST制造过程中,曾非常出人意料地犯了一个原本完全可以避免的错误,结果在望远镜上观测时才发现光学系统聚焦不良。为此,美国国家宇航局又于1993年12月2日用“奋进”号航天飞机将7名宇航员送入太空前往修复。他们给这架望远镜装上一个矫正透镜———其作用有如给人戴上近视眼镜,并更换和增添了另一些部件。望远镜修复后拍摄的天体照片质量极佳。

美国国家航天局早就计划大致每三年一次重访HST,以更换损坏的部件和安装新设备,并将望远镜重新提升到原先的高度,以补偿轨道的衰减。继1993年那次检修任务之后,“发现”号航天飞机于1997年2月13日凌晨将7名宇航员带上太空轨道,执行第二次检修任务。

这7名宇航员都是经验丰富的“老手”:指令长肯·鲍尔索克斯,驾驶员斯科特·霍罗威茨,以及5名任务专家史蒂文·哈利、格雷格·哈博、马克·李、史蒂夫·史密斯和乔·坦纳。其中鲍尔索克斯、哈利、哈博和李4人已是第四次执行航天飞机飞行任务,其余3人则是进行第二次航天飞行。1990年HST上天时,哈利就在航天飞机上操纵机械臂将该镜释放到太空中去。1993年鲍尔索克斯曾驾驶“奋进”号航天飞机首次检修HST。

这次检修任务的中心内容,是用两台波段更宽、视场更大、灵敏度更高、并具有由当代高新技术带来的其他许多优点的新仪器,取代最初随HST一同发射上天的老设备。一台新仪器是“空间望远镜成像光谱仪”(简称STIS),它取代了原先的“暗天体光谱仪”(简称FOS)和“戈达德高分辨光谱仪”(简称GHRS)。STIS与两种旧仪器的重要差别在于,它可以同时获得许多天体的光谱,或同时获得一个延伸天体内不同地方的光谱。它有好几个探测器:一个CCD用于可见光波段,两个新研制的“多阳极微通道阵”则用于紫外波段。FOS和GHRS均由“发现”号运回地面。

另一台新仪器是“近红外照相机与多天体分光仪”(简称NICMOS)。它是HST的第一台工作波长超过1微米的近红外分光设备。实际上,它有3架视场各异的照相机,因此可以同时获得3个像。每架照相机还可以产生低分辨率的无缝光谱。NICMOS的探测器和内部光学系统由一块固态氮蒸发的冷气体保持冷却。

为了弥补当初不慎造成的HST主镜光学缺陷,STIS和NICMOS都包含有光学改正部件。由于原先的经费预算中并不包括这些光学部件,科学家们为了支付这笔费用就不得不减少探测器的尺寸和数目。尽管如此,STIS和NICMOS还是大大提高了HST的科学工作能力。

进行检修时,首先是让航天飞机向处于空间轨道上的HST靠拢,并由宇航员操纵机械臂“抓住”整个望远镜。然后,5名任务专家两人一组轮流倒班,离开航天飞机进入太空,累计进行了30余小时的太空行走,依次完成预定的各项工作,最后重新用机械手将HST推开去。在检修中除更换上述仪器设备外,宇航员们还安装了新的传感器线路;安装了一套新的数据记录设备;安装了新的计算机命令传输设备;更换了太阳能电池板的电子系统,并修补了它的绝缘层等。在完成所有这些任务和提升HST的轨道后,“发现”号带着宇航员们于2月19日胜利返航。

今后的检修飞行还将有些什么项目?1999年检修飞行时,宇航员们将要为HST安装它的第三代仪器,即“高级巡天照相机”。它的视场和角分辨率都将两倍于HST目前使用的“大视场和行星照相机2号”。美国国家航天局还打算再造一架更先进的仪器,用于2002年的第四次检修任务。HST的设计工作寿命是15年,即到2005年结束。有鉴于此,天文学家希望研制一种比HST还要大得多、同时又便宜得多的“下一代空间望远镜”,目前他们正在致力于与此有关的概念性研究。

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