科學(xué)探索：哈勃望遠(yuǎn)鏡的鼎盛時(shí)期將要來(lái)臨

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

三十年前，一隊(duì)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(tái)永遠(yuǎn)無(wú)法觀(guān)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(zhǎng)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(jì)，讓它能被訪(fǎng)問(wèn)、修復(fù)并升級(jí)。它現(xiàn)如今已經(jīng)無(wú)法逆轉(zhuǎn)地改變了天文學(xué)，不僅帶來(lái)了宇宙中意義深遠(yuǎn)的新發(fā)現(xiàn)，更帶來(lái)了更遠(yuǎn)大的天文望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃。

雖然哈勃的眼睛位于地表超過(guò)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(huì)議室里，也就是天文臺(tái)科學(xué)得以運(yùn)作的地方。為了慶祝哈勃30年來(lái)的發(fā)現(xiàn)，科學(xué)美國(guó)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(shí)的運(yùn)營(yíng)情況和它的可持續(xù)時(shí)長(zhǎng)。

以下是這個(gè)采訪(fǎng)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?cè)谀莾鹤龅钠渌ぷ?，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(kù)斯基空間望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)庫(kù)（Mikulski Archive for Space Telescopes）的運(yùn)行。所以哈勃是研究所工作的一個(gè)要素。我的隊(duì)伍很優(yōu)秀，在任務(wù)部的領(lǐng)導(dǎo)下，一隊(duì)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(jiàn)整個(gè)哈勃小組齊心協(xié)力讓一個(gè)很棒的科學(xué)想法變成壯舉時(shí)，我感到非常滿(mǎn)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(chēng)作“主管的自由時(shí)間”。它給予我望遠(yuǎn)鏡多達(dá)10%的使用時(shí)間，讓我自由支配——這些時(shí)間常常開(kāi)放給那些可能出于各種原因難以通過(guò)常規(guī)途徑分配到望遠(yuǎn)鏡使用時(shí)間的項(xiàng)目，比如那些時(shí)間急迫但特別重要的項(xiàng)目、或是那些太過(guò)宏大的項(xiàng)目。有些時(shí)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(lái)的一些真正推動(dòng)領(lǐng)域發(fā)展的重要成功都來(lái)源于“主管自由時(shí)間”。我想最好的例子就是深空?qǐng)觯╰he Deep Fields）。最初是哈勃深場(chǎng)（Hubble Deep Field），緊接著是超深空?qǐng)觯╰he Ultra Deep Field），到最后是邊境深場(chǎng)（the Frontier Fields）——他們基本上都來(lái)自主管時(shí)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(gè)學(xué)術(shù)界做這個(gè)項(xiàng)目?！?/p>

所以，舉個(gè)例子，我曾經(jīng)利用我的主管時(shí)間發(fā)起了一個(gè)被稱(chēng)作ULLYSES的計(jì)劃——作為基本標(biāo)準(zhǔn)的年輕恒星紫外線(xiàn)遺產(chǎn)庫(kù)（the Ultraviolet Legacy Library of Young Stars as Essential Standards）。這將成為哈勃執(zhí)行過(guò)最大的計(jì)劃。通過(guò)這個(gè)望遠(yuǎn)鏡在地球周?chē)?000個(gè)軌道，它將為天文臺(tái)帶來(lái)獨(dú)一無(wú)二的紫外線(xiàn)影像，并利用光譜學(xué)來(lái)解答恒星形成的問(wèn)題。加上現(xiàn)有以及即將到來(lái)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(kāi)我們未曾觸及的恒星形成的細(xì)節(jié)。如果在這個(gè)項(xiàng)目所有令人驚奇的設(shè)備的幫助下，我們?cè)谑陜?nèi)還不能理解恒星是如何形成的，那我們可能永遠(yuǎn)都無(wú)法理解了。

如果沒(méi)有哈勃，這些紫外線(xiàn)研究就不能完成了嗎?

是的，如果沒(méi)有哈勃，這些將無(wú)法完成。地表上的研究站無(wú)法獲取紫外線(xiàn)，因?yàn)榇髿鈱訒?huì)屏蔽這樣的光，所以就需要一臺(tái)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(jì)劃中的接班人——一個(gè)叫做WFIRST [大視場(chǎng)紅外巡天望遠(yuǎn)鏡（Wide Field Infrared Survey Telescope）]的天文臺(tái)都是探測(cè)紅外線(xiàn)的，所以它們無(wú)法完成。現(xiàn)在只有哈勃能看見(jiàn)這種光。雖然有少數(shù)天文臺(tái)也能觀(guān)測(cè)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(wú)法看見(jiàn)宇宙的紫外線(xiàn)。現(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(shí)期還未到來(lái)。

真的嗎？“鼎盛時(shí)期”又會(huì)帶來(lái)什么成果呢？哈勃還能再維持多久？

過(guò)去三十年里哈勃教會(huì)我們，不論它在觀(guān)測(cè)哪個(gè)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(lái)對(duì)所見(jiàn)的宇宙的認(rèn)知急速增長(zhǎng)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(lái)的提案，他們希望能夠用哈勃研究從太陽(yáng)系到宇宙邊界的一切。

實(shí)際一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，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(lái)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(cuò)——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(duì)它進(jìn)行了五次訪(fǎng)問(wèn)、維修和升級(jí)。每一次維修任務(wù)都使天文臺(tái)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(cè)器等等。而事實(shí)上，大部分這些新部件都沒(méi)有失靈，這意味著它們都度過(guò)了最初的危險(xiǎn)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(yōu)的是天文臺(tái)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(lái)說(shuō)：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(guān)測(cè)站來(lái)觀(guān)測(cè)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(lái)研究這些東西。這個(gè)研究領(lǐng)域?yàn)槲覀兞私庥钪嬷谐霈F(xiàn)的最宏大、最有活力的事件打開(kāi)了一扇全新的窗，這些事件在時(shí)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(gè)哈勃的設(shè)計(jì)初衷就想要幫助解決的問(wèn)題，就是確定宇宙膨脹的速度，它被稱(chēng)為哈勃常數(shù)。如今，基于宇宙微波來(lái)測(cè)量哈勃常數(shù)和基于使用超新星來(lái)觀(guān)測(cè)相對(duì)臨近宇宙的方法測(cè)量哈勃常數(shù)之間的局勢(shì)越來(lái)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(kāi)始承諾的那樣，接下來(lái)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(cè)量方式之間的局勢(shì)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(lái)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(gè)大發(fā)現(xiàn)。

在JWST將要到來(lái)之際，我們得記得，人們會(huì)想使用哈勃來(lái)觀(guān)測(cè)在使用JWST時(shí)看到的一切，以此來(lái)獲得一個(gè)更完整的圖像，而這兩座天文臺(tái)在操作上有很大的重合部分。對(duì)恒星形成的研究、最早星系的研究、系外行星的研究都會(huì)在這兩個(gè)天文臺(tái)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(shí)期將要來(lái)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(lái)里，哈勃在紫外線(xiàn)和藍(lán)色可見(jiàn)光區(qū)域的觀(guān)測(cè)能力似乎都無(wú)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(tái)有這種能力的大型望遠(yuǎn)鏡投入運(yùn)營(yíng)前需要等待10年，15年，甚至20年時(shí)光。對(duì)這個(gè)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，這將多么有摧毀性？你會(huì)希望哈勃或與它相似的東西能和許多計(jì)劃中未來(lái)的探測(cè)任務(wù)的觀(guān)察結(jié)果協(xié)同合作。

你知道的，我永遠(yuǎn)不會(huì)和哈勃打賭，但在考慮哈勃的任何一次可能的翻新時(shí)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(shuō)決定停止翻修是非常目光短淺的做法，但在沒(méi)有仔細(xì)思考就做出“那就去做吧”的決定也會(huì)顯得漫不經(jīng)心。

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

將哈勃放在一個(gè)正發(fā)生在全球每一個(gè)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?yàn)槎嗄陙?lái)我們都在減小規(guī)模，流水作業(yè)，使用自動(dòng)化來(lái)節(jié)省開(kāi)銷(xiāo)，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(chǎng)員工來(lái)對(duì)望遠(yuǎn)鏡上傳指令，相比之下，對(duì)那些地面天文臺(tái)來(lái)說(shuō)，員工必須在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行手動(dòng)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(guān)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(lái)給在黑暗中的人們帶去一些光亮而感到快樂(lè)。

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

翻譯：魏沁悅

審校：費(fèi)哲妮

引進(jìn)來(lái)源：科學(xué)美國(guó)人

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