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哈勃30周年——从测定宇宙年龄到发现黑洞,人类文明史上的英雄!

“哈勃望远镜是人类精神力量的伟大证明,因为它带领我们探知未知区域。”

——霍金

哈勃太空望远镜,属于光学望远镜,可以直接进行成像。上世纪60年代,莱曼·斯皮策提出了在太空建造望远镜的想法,然后展开了后续的准备。



其实,哈勃望远镜和天文学家哈勃本人并没有什么联系,而是为了纪念这位伟大的天文学家。

到目前为止,哈勃已经升空30周年,这30年来哈勃带给了我们无数的惊喜,无数的浪漫情感。

哈勃太空望远镜有多厉害?

正常情况下,人眼只能看到可见光波段,大大限制了人们对电磁波的接受范围。而哈勃望远镜除了可见光外,还可以接受到红外线、紫外线波段。



同时它也是第一个绕地球轨道的精密光学望远镜,它约13米长,直径约4米,是一个重达11吨的圆柱体,看起来是个庞然大物。但随着技术的进步,宇航员可以做到在太空中替换仪器,能赶上时代的变化。

来自宇宙中的光,会照射到这个四英寸厚,直径为2.4的主镜上,然后光线反射上去,再照到其次镜上,光线再次从次镜上反射,随后会穿过一个大洞。

然后光线再一次的穿过主镜而照射下来,被仪器接收。然后仪器会把宇宙中照射下来的光束收集起来,反射到它自己的设备上。



哈勃望远镜共有有三个照相机,两个摄谱仪和一套精密的导航传感器,它所有的相机和摄谱仪都安装在同一个设备上,而且这个设备可以在光镜的末端一次定位一个相机来拍摄照片,还有其精密的制导传感器单元锁定在导向星上,从而精确的保证了观测所需的高指向精度。



据估计,哈勃的精确定位精度竟高达0.007弧秒,可以看到天区里只有0.05弧秒角大小的天体。相当于它能够发射一束激光,精准打到300多公里以外的一枚硬币上。可见哈勃望远镜是一台非常精密的仪器。

哈勃望远镜眼中的星辰大海。

哈勃太空望远镜使用直径2.4米的反射镜,而在1分钟内收集的光线就达到6.3英寸口径望远镜3小时45分钟收集的。


而哈勃望远镜也拍下了无数张令人惊叹的宇宙照片,为人类探索宇宙带来了一个完美的开始,下面让我们看一下哈勃升空30年来拍摄下的星光灿烂。

  • 木星。

这是在哈勃升空的第二年所拍下的,是哈勃望远镜宽视场行星相机拍摄的第一张木星的真彩照片。



木星的云层温度特别低,在-280℉以下,但在这张照片中,哈勃明显的拍摄了木星大气中的云层特征,包括冻氨小晶体和碳、硫、磷组成的化合物的痕迹。

众所周知,在木星上最著名的风景是大红斑,非常巨大,甚至可以覆盖整个地球,而在照片木星的右下角我们可以发现它。

  • 天鹅座环。

这是天鹅座超新星残骸的一小部分,展示了大约15000年前一颗巨大的恒星爆炸产生的冲击波的边缘。



在哈勃拍摄照片中,明显的显示出了天鹅座环中冲击波背后的结构,可以帮助天文学家们将其实际冲击结构与理论模型计算进行比较。

  • 星系M100的核心。

照片中是螺旋星系M100的中心,由于哈勃在刚开始发射的时候镜面有轻微缺陷,所以导致了刚开始拍摄的照片很模糊。



而这张照片就是哈勃太空望远镜执行首次维修任务之后使用新仪器拍摄的。拍摄的照片中,可以看出M100是处女座星系团中最亮的成员之一,螺旋星系有两个突出的明亮恒星臂和几个较弱的臂。

  • 蝴蝶星云



是哈勃望远镜在2009年安装广域红外视场相机3之后拍摄的,也是哈勃望远镜拍摄到的第一批"双极星云"的照片之一。它精确地显示了在一颗恒星生命结束时会发生的现象(向周围空间喷射灰尘和气体)。

  • 哈勃深空场

全称为哈勃深空视场,这个可不是什么力场磁场之类的,而是一张照片,不过却是一张令人惊叹的星空照片。


在这张照片中的景象是位于赤经3h 32m 40.0s,赤纬-27°47' 29"(J2000)天炉座的一小片天区,面积仅仅只有3平方角分,但就是这么一小块区域的地方我们可以看到无数的小亮点,这是因为在这张照片中拍摄到几千颗星系,这可不是行星也不是恒星,而是像银河系那样的大星系团。



在这面积渺小的太空区域中,竟然出现了近3000个形态各异的星系,其中除了少量在银河系内的恒星之外,大多数星系都距离我们几十亿光年之遥。

而且最远的星系距离甚至都超过了120亿光年。哈勃深场向我们展示了宇宙深处的真实模样,也是在2006年之前以可见光拍摄的最深远的宇宙景象。

  • 鹰状星云——创生之柱

这是哈勃望远镜1995 年4月1日拍摄在鹰星云内圆柱形的星际气体和尘埃的一张影像,之所以称作“鹰状星云”是因为其形状似一只展翅翱翔的雄鹰。


它位于巨蛇座的蛇尾,距离地球约6000光年,占据长宽约20光年的空间。由于在鹰状星云中有很多恒星正在慢慢形成,因此其发光发亮的部分其实就是恒星从气体云中诞生时发出的光亮。

如果可以靠近老鹰星云,其实不难发现那块明亮的区域是星际尘埃和气体的结构体构成的恒星形成区,而且里面还有高大的云柱,是由冰冷的星际氢气和尘埃所组成的柱子。

同时还是新恒星的诞生之处,柱子从深色分子云的内壁突出,长度约一光年,是鹰状星云(M16)的一部分,而且其顶部的云气正在蒸发,不过必须需要较大的望远镜才能发现这个现象。

哈勃望远镜是如何诞生的?

我们只看到了哈勃望远镜光鲜亮丽的一面,却不知道在它背后的艰辛,可以说是一波三折。

哈勃望远镜最初是在1946年由天文学家莱曼·斯皮策提出的想法,但由于要建造一架口径三米的太空望远镜,花费巨大,因此直到1968年NASA才开始正式确定了建造3米反射望远镜的计划。



本以为这样就能够进行建造,但是望远镜的建造计划并不是众人想象的那么简单。当时美国国会对空间望远镜的预算提出了许多质疑,由于要削减一系列的经费开支,美国政府竟然取消了进行空间望远镜建设的一切预算。

不过当时有众多天文学家仍旧坚持这一建造计划,最终以资金缩水一半的条件继续实行空间望远镜计划,这也是为什么当时计划明明是3米的反射镜口径却改为2.4米的原因。



后来欧空局承诺提供部分预算,但是条件是必须要ESA见过并且拥有15%的哈勃使用时间。但这并没有结束,在哈勃太空望远镜建造期间,工程进度并不是十分顺利,因此一而再再而三推迟发射的日期。

不过功夫不负有心人,终于在1990年4月24日这天,哈勃空间望远镜搭乘发现号航天飞机升空并进入预定轨道,开展观测工作!



时至今日,哈勃望远镜已经顺利升空30周年。那么,哈勃为何能正常工作30年?

哈勃望远镜的艰难维修历程。

1940年4月本以为这次哈勃望远镜升空,会为我们人类在天文学方面奠定了坚实的里程碑,揭开宇宙的面纱,但是成功传回来的第一张照片却有严重的问题。



照片清晰度远远低于预期,并且这一图片也显示出望远镜聚焦不准的问题,经过工程师们的研究,得出结果是由于望远镜的镜面边缘磨得太平了些,与需要的位置差了2.2微米。

虽然仅仅是差了2.2微米,但是这个差别却造成了灾难性的球面像差,这样一来,从镜面边缘的反射光就不能聚集在与中央的反射光相同的焦点上。

而原本的观测精度由0.1角秒变成了现在的0.7角秒,经过科学家们的讨论研究,决定派遣宇航员搭乘航天飞机去给哈勃望远镜装一个光学矫正系统。



在1993年12月2日七名宇航员搭乘奋进号航天飞机到太空给哈勃望远镜进行维修,维修之后分辨率竟然比原本的预想的还要好。

当哈勃望远镜在轨道上工作了长达7年的时间之后,又一次出现了问题,就像太阳能电池板上会被一些流星体撞出许多破洞。

因此哈勃望远镜表面的绝缘涂层有许多裂隙裂缝,而且部分的设备也老化严重。于是在1997年2月11日七名宇航员搭乘发现号航天飞机飞入太空对哈勃望远镜进行第二次的修理工作。


在1999年的2月哈勃望远镜上有3台陀螺仪坏掉,而且到11月竟然又有一台陀螺仪坏掉,而哈勃望远镜上总共也只有6台陀螺仪,现在已经坏了4个,哈勃望远镜肯定会停止工作,自动进入休眠状态。

于是在1999年12月宇航员再次搭乘航天飞机进入太空进行第三次维修,并且还额外的给哈勃更换了一台新计算机,让其提高运行速度。

这次维修是在2002年3月2日,宇航员搭乘航天飞机进入太空,目的是给哈勃望远镜更换新的电力系统,使其能够以更加稳定的电力供应,希望让哈勃望远镜在轨道上再多工作几年。



这是由于在2003年哥伦比亚号航天飞机失事,导致了七名宇航员全部遇难,这次事故的影响让NASA对哈勃是否再次进行维修而犹豫。但在宇航员们以及科研人员们的坚持下,NASA才决定在2009年对哈勃望远镜进行第五次维修,不过这是对哈勃望远镜的最后一次维修。

虽然哈勃望远镜经历过五次维修,但哈勃望远镜带给人类的利益是巨大的,每年传回的哈勃数据约有10兆兆字节,数据总量超过150TB,给天文物理学的带来了长久的发展。



哈勃望远镜是目前最成功的太空望远镜!

夜晚仰望星空,我们凭借自己的肉眼可以看到大约6000颗恒星,还有我们地球的卫星月亮,太阳系内的五颗行星,银河系和其他一些模糊的星云。

但随着望远镜的出现,彻底打开了人类的视野,可以说望远镜的应用是人类现代天文学的开端。但一般的望远镜都会受到地球大气层的影响。



而哈勃太空望远镜的主要优点之一就是它可以不受地球大气的干扰,哈勃空间望远镜的位置在地球的大气层之上,因此影像不仅不会受到大气层的影响。

而且视相度绝佳又没有大气散射造成的背景光,还能观测到会被臭氧层吸收的紫外线,是天文史上最重要的仪器之一;同时哈勃望远镜还成功的弥补了在地面观测的不足,帮助天文学家们解决了许多天文学上的基本问题。



哈勃望远镜使人类对天文物理有了更多的认识,是目前用途最广,贡献最大的太空望远镜,如果想要更多的认识哈勃,了解宇宙的星辰大海,可以在头条搜索观看纪录片《哈勃三十年:揭示宇宙奇观》。

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