科學(xué)探索：哈勃望遠(yuǎn)鏡的鼎盛時期將要來臨

1999年一次天文臺維修任務(wù)時宇航員在哈勃空間望遠(yuǎn)鏡外部的演習(xí)。圖片來源：NASA

三十年前，一隊NASA的宇航員將哈勃空間望遠(yuǎn)鏡用火箭發(fā)射進(jìn)了近地軌道。在高于我們行星大氣層的位置上，哈勃可以研究地表天文臺永遠(yuǎn)無法觀察到的宇宙中的現(xiàn)象。它不是歷史上第一座空間望遠(yuǎn)鏡，但它是至今為止最長壽、最高產(chǎn)的——這很大程度上要感謝哈勃望遠(yuǎn)鏡的創(chuàng)新設(shè)計，讓它能被訪問、修復(fù)并升級。它現(xiàn)如今已經(jīng)無法逆轉(zhuǎn)地改變了天文學(xué)，不僅帶來了宇宙中意義深遠(yuǎn)的新發(fā)現(xiàn)，更帶來了更遠(yuǎn)大的天文望遠(yuǎn)鏡計劃。

雖然哈勃的眼睛位于地表超過500千米的地方，它的心臟卻位于巴爾的摩：在空間望遠(yuǎn)鏡研究所的禮堂、辦公室和會議室里，也就是天文臺科學(xué)得以運(yùn)作的地方。為了慶祝哈勃30年來的發(fā)現(xiàn)，科學(xué)美國人（Scientific American ）與研究所的主管Ken Sembach探討了望遠(yuǎn)鏡最偉大的發(fā)現(xiàn)、它在新冠流行時的運(yùn)營情況和它的可持續(xù)時長。

以下是這個采訪經(jīng)編輯的文字記錄。

作為空間望遠(yuǎn)鏡研究所的主管，你與哈勃的關(guān)系是什么？

我負(fù)責(zé)哈勃的科學(xué)運(yùn)作，還有我們在那兒做的其他工作，例如韋布空間望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope [JWST]）的科學(xué)和航行運(yùn)作和米庫斯基空間望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)庫（Mikulski Archive for Space Telescopes）的運(yùn)行。所以哈勃是研究所工作的一個要素。我的隊伍很優(yōu)秀，在任務(wù)部的領(lǐng)導(dǎo)下，一隊人負(fù)責(zé)我們每天在研究所做的哈勃運(yùn)行工作。

在關(guān)于哈勃的工作中，你認(rèn)為最有趣的部分是什么？

當(dāng)我看見整個哈勃小組齊心協(xié)力讓一個很棒的科學(xué)想法變成壯舉時，我感到非常滿足，那真是非常有趣。但還有別的——我的職位帶給我的一種福利。這被稱作“主管的自由時間”。它給予我望遠(yuǎn)鏡多達(dá)10%的使用時間，讓我自由支配——這些時間常常開放給那些可能出于各種原因難以通過常規(guī)途徑分配到望遠(yuǎn)鏡使用時間的項目，比如那些時間急迫但特別重要的項目、或是那些太過宏大的項目。有些時候，那些只是所有人都認(rèn)為我們需要的東西，但它們并不是前沿的，也不是全新而閃耀的——但想要發(fā)展人人渴望的尖端科學(xué)，這些基本科學(xué)的基礎(chǔ)事物必須要打扎實(shí)。

哈勃?dú)v年來的一些真正推動領(lǐng)域發(fā)展的重要成功都來源于“主管自由時間”。我想最好的例子就是深空場（the Deep Fields）。最初是哈勃深場（Hubble Deep Field），緊接著是超深空場（the Ultra Deep Field），到最后是邊境深場（the Frontier Fields）——他們基本上都來自主管時間?！斑@是很重要，也很有改革性的。即使其他人不同意我，我們也要為之前進(jìn)、為了整個學(xué)術(shù)界做這個項目。”

所以，舉個例子，我曾經(jīng)利用我的主管時間發(fā)起了一個被稱作ULLYSES的計劃——作為基本標(biāo)準(zhǔn)的年輕恒星紫外線遺產(chǎn)庫（the Ultraviolet Legacy Library of Young Stars as Essential Standards）。這將成為哈勃執(zhí)行過最大的計劃。通過這個望遠(yuǎn)鏡在地球周圍的1000個軌道，它將為天文臺帶來獨(dú)一無二的紫外線影像，并利用光譜學(xué)來解答恒星形成的問題。加上現(xiàn)有以及即將到來設(shè)施的其他發(fā)現(xiàn)，例如Gaia，ALMA[阿塔卡瑪大型毫米/亞毫米波陣(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)]和JWST，這將讓我們最終抓住并解開我們未曾觸及的恒星形成的細(xì)節(jié)。如果在這個項目所有令人驚奇的設(shè)備的幫助下，我們在十年內(nèi)還不能理解恒星是如何形成的，那我們可能永遠(yuǎn)都無法理解了。

如果沒有哈勃，這些紫外線研究就不能完成了嗎?

是的，如果沒有哈勃，這些將無法完成。地表上的研究站無法獲取紫外線，因為大氣層會屏蔽這樣的光，所以就需要一臺空間望遠(yuǎn)鏡完成它。目前，哈勃是唯一能夠提供這些信息的望遠(yuǎn)鏡。JWST和它計劃中的接班人——一個叫做WFIRST [大視場紅外巡天望遠(yuǎn)鏡（Wide Field Infrared Survey Telescope）]的天文臺都是探測紅外線的，所以它們無法完成。現(xiàn)在只有哈勃能看見這種光。雖然有少數(shù)天文臺也能觀測紫外光，但它們的能力與哈勃相差甚遠(yuǎn)。所以當(dāng)哈勃停止了運(yùn)作，我們將無法看見宇宙的紫外線?，F(xiàn)如今，盡管哈勃已經(jīng)三十歲了，我真的認(rèn)為，它的鼎盛時期還未到來。

真的嗎？“鼎盛時期”又會帶來什么成果呢？哈勃還能再維持多久？

過去三十年里哈勃教會我們，不論它在觀測哪個地方，它總能用嶄新有趣的內(nèi)容帶給我們驚喜，這是我們近些年來對所見的宇宙的認(rèn)知急速增長的關(guān)鍵因素。我們了解得越多，就發(fā)現(xiàn)我們所知的越少——這就是為什么我們?nèi)耘f有這樣驚人的需求。我們每年仍收到1000多份從世界各地的研究人員寄來的提案，他們希望能夠用哈勃研究從太陽系到宇宙邊界的一切。

實(shí)際一點(diǎn)來說，我認(rèn)為哈勃起碼還能再工作五年。我們以能夠保持其科學(xué)產(chǎn)出能力至2025年的方式來運(yùn)行它，但這是不是意味著它真的能運(yùn)行到2025年？不，明天就可能出什么差錯——畢竟這是太空事業(yè)，但它也可能運(yùn)行到2030年。哈勃有很多內(nèi)置的冗余，迄今為止，宇航員已經(jīng)對它進(jìn)行了五次訪問、維修和升級。每一次維修任務(wù)都使天文臺煥如新生，并賦予了其新的能力——例如更好的電子設(shè)備、更好的機(jī)械部件、更好的探測器等等。而事實(shí)上，大部分這些新部件都沒有失靈，這意味著它們都度過了最初的危險期，能再使用10-15年。哈勃的大部分部件都很健康，讓我擔(dān)憂的是天文臺上的某些原始設(shè)備，例如精密導(dǎo)航傳感器的電子設(shè)備。它們已經(jīng)在宇宙的輻射中沐浴三十年了，也終因此退休。

就哈勃現(xiàn)在仍舊能做到的變革性的事情來說：一方面，它能夠?qū)Χ嘈攀固煳膶W(xué)有重大的影響——在那里你可以使用引力波觀測站來觀測例如黑洞和中子星結(jié)合的現(xiàn)象，然后再使用更傳統(tǒng)的設(shè)備來研究這些東西。這個研究領(lǐng)域為我們了解宇宙中出現(xiàn)的最宏大、最有活力的事件打開了一扇全新的窗，這些事件在時空結(jié)構(gòu)上泛起了漣漪。哈勃可以幫助我們清晰地了解到是什么在黑夜中碰撞在了一起，是什么的碰撞或結(jié)合產(chǎn)生了這些漣漪。

另外，還有一個哈勃的設(shè)計初衷就想要幫助解決的問題，就是確定宇宙膨脹的速度，它被稱為哈勃常數(shù)。如今，基于宇宙微波來測量哈勃常數(shù)和基于使用超新星來觀測相對臨近宇宙的方法測量哈勃常數(shù)之間的局勢越來越緊張，而天文站已經(jīng)幫助把臨近宇宙的哈勃常數(shù)誤差減小到了10%，就像開始承諾的那樣，接下來我們又將誤差減小到了3%，而我們現(xiàn)在正朝著1%的方向努力。這兩種測量方式之間的局勢可能馬上就要達(dá)到極其緊張的狀態(tài)，以至于需要有一種全新的理論來描述所發(fā)生的事。這其中可能還存在中微子（neutrinos），那么這將是個大發(fā)現(xiàn)。

在JWST將要到來之際，我們得記得，人們會想使用哈勃來觀測在使用JWST時看到的一切，以此來獲得一個更完整的圖像，而這兩座天文臺在操作上有很大的重合部分。對恒星形成的研究、最早星系的研究、系外行星的研究都會在這兩個天文臺的共同工作下受益。

所以所有這些內(nèi)容讓我相信，哈勃的鼎盛時期將要來臨。

你認(rèn)為NASA需要考慮下一次維修任務(wù)嗎？

這確實(shí)值得考慮。在21世紀(jì)20年代甚至30年代的不遠(yuǎn)的將來里，哈勃在紫外線和藍(lán)色可見光區(qū)域的觀測能力似乎都無人能及。如果哈勃確實(shí)在2025年停止運(yùn)行，我們可能在下一臺有這種能力的大型望遠(yuǎn)鏡投入運(yùn)營前需要等待10年，15年，甚至20年時光。對這個領(lǐng)域來說，這將多么有摧毀性？你會希望哈勃或與它相似的東西能和許多計劃中未來的探測任務(wù)的觀察結(jié)果協(xié)同合作。

你知道的，我永遠(yuǎn)不會和哈勃打賭，但在考慮哈勃的任何一次可能的翻新時都要將其成本效益的許多方面納入考量。凡事必定有失有得。我可以說決定停止翻修是非常目光短淺的做法，但在沒有仔細(xì)思考就做出“那就去做吧”的決定也會顯得漫不經(jīng)心。

冠狀病毒的流行顯然給這個社會的方方面面提供了挑戰(zhàn)，它有沒有沖擊哈勃的運(yùn)行？

將哈勃放在一個正發(fā)生在全球每一個人身上的巨大事件背景下是很困難的，但我們很幸運(yùn)的已經(jīng)為此做好了充分的準(zhǔn)備，因為多年來我們都在減小規(guī)模，流水作業(yè)，使用自動化來節(jié)省開銷，增加效率。所以，我們能保證科學(xué)繼續(xù)前行，盡管大部分員工都在家工作，哈勃仍舊能繼續(xù)運(yùn)行。我們確實(shí)有一些現(xiàn)場員工來對望遠(yuǎn)鏡上傳指令，相比之下，對那些地面天文臺來說，員工必須在現(xiàn)場進(jìn)行手動運(yùn)作，他們的運(yùn)行就要困難得多。所以，哈勃在病毒流行期間填補(bǔ)了一些觀察的空白，我們也很高興能做到這些。我們?yōu)槟軌虬l(fā)表鼓舞人心的成果來給在黑暗中的人們帶去一些光亮而感到快樂。

撰文：Lee Billings 科學(xué)美國人在太空和物理領(lǐng)域的高級編輯。

翻譯：魏沁悅

審校：費(fèi)哲妮

引進(jìn)來源：科學(xué)美國人

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