服务30年，哈勃正在坠向地球！

1. 服务30年，哈勃正在坠向地球！

如果眼睛是人类心灵的窗户，那么天空就是宇宙为人类敞开的一扇通往真理的大门，科学的发展来源于人类对自然表象的观察、分析、总结和验证，在这个过程中我们人类才得以一步一步的接近万物的本质。其中最重要的一点离不开看与观察！
  
 
  
 那么望远镜的出现与发展就为人类的视野插上了一双腾飞的翅膀，尤其是自1990年，哈勃望远镜被送上太空以后，它以前所未有的方式在观察宇宙，其视野的深度、广度和清晰度彻底改变了人类心目中的宇宙。目前哈勃升空已有30年，明天就是哈勃的周年纪念日，但往后的每分每秒对哈勃来说都将是最珍贵的时间。
  
 
  
 因为自哈勃升空以来，我们已经对其进行了5次维护任务，其中最后一次是在2009年，在5次的维护任务中，我们对其更换了两次广角/行星照相机、修正了光学系统、更换了受损的部件和电池，并将哈勃的提升到了更高的轨道。但是随着NASA航天飞机的退役，其轨道跟国际空间站不再一个高度，NASA已经停止了对哈勃的维护任务，那么迎接哈勃的未来将是无人“无人照管”的状态。
  
 
  
 就算哈勃的各种观测仪器、制导系统、陀螺仪、电池以及通讯设备能够一直工作不会失效，哈勃的命运也会在未来不可避免的终结。因为哈勃每时每刻都是在向地球坠落...
  
 
  
 不管是小行星还是卫星，如果这些物体以一个非常高的初速度坠入地球大气层，将会与大气层摩擦上演一场绚丽的灯光秀，并被解体为许多的小碎片，这些碎片如果人为不加以干预，也有可能降落在人口稠密的地区，造成一定的破坏和威胁。
  
 
  
 哈勃目前的平均轨道高度为568公里，绕地球一周需要97分钟，国际空间站的高度在400公里左右，虽然国际空间站更低，受到大气的阻力更大，但它有动力系统可以使其一直保持在稳定的轨道上。哈勃就没那么幸运了，在它与大气的摩擦中每时每刻都在发生轨道衰减。
  
 
  
 你可能会想568公里，不是在外太空吗？为什么还会存在大气？一般我们会认为地球100公里以上的位置就是外层空间，这个位置也被称为卡门线，是航空和航天的分界线，因为在这个位置之上大气已经稀薄到不足以为任何航空飞行器提供升力。不过真实的地球大气层边界并没有一个准确的位置，越往上引力越小，大气就越稀薄，并不会在某一个位置突然停止，只会越来越弥散，地球的大气层甚至会延伸到10000公里的高度。
  
 
  
 上图可以看到地球的大气层要比我们想象中的要高很多，在地球低轨道附近运行的任何物体都会受到大气的阻力。
  
 不过从质量上来说，地球的大气层绝大部分都集中在最下面的三个层中，这都是引力吸引大气的缘故，在对流层中包含了地球大气总质量的75%，平流层占了20%，中间层包含了几乎剩下的所有大气质量。在中间层之上大气会变得异常稀薄，所有的低轨道卫星都处在热层之中，这里的每一个大气分子之间的距离都有1公里甚至更远。
  
 
  
 虽然在热层空气分子和分子之间的距离非常远，异常稀薄，但哈勃望远镜的体积要、比单个分子要大很多，而且移动速度也非常快，也就是说，哈勃望远镜正在以8公里/每秒的速度与高层大气分子发生持续的碰撞摩擦，虽然每次的碰撞所产生的影响十分的微小，但是长此以往量变会引起质变，一年、两年、甚至十年，这种微小的变化足以引起哈勃望远镜轨道衰减。
  
 
  
 而且这一过程会一直加剧变得不可控制，因为随着哈勃轨道速度降低，轨道高度衰减，它将于大气分子的碰撞摩擦更加剧烈频繁，从而加速哈勃的坠落。并且除了地球大气以外，还有太阳风粒子的影响，也会导致哈勃轨道不均匀的变动，因为哈勃轨道每97分钟一半处在太阳光下，一般处在黑暗中，处在阳光下的部分速度就会降低，导致哈勃轨道高度不对称发生偏离，这也会加剧哈勃的坠落。
  
 如果我们人类放任不管，最后哈勃会在大气层中分解，变为一个大火球，由于哈勃的体积非常大，不会燃烧殆尽，所以它会在燃烧的过程中砸向地面。
  
 
  
 哈勃望远镜由于没有动力系统，如果它坠落的话将是一个完全不够控制的过程，大量的碎片会随机落在地球的任何位置，这其中肯定存在一定的风险，如果是人口稠密的城市呢？
  
 在之前的5次维护任务中，每一次都会对哈勃的轨道进行修正，并将它提升到更高的轨道，以延长其轨道寿命。不过之前的任务都是由航天飞机这样既可以载人，又可以返回并重复使用的航天器完成的，航天飞机的退役也就让哈勃失去了继续被维护的机会。
  
 
  
 如果继续保持现在的状态，哈勃望远镜上的仪器还可以持续工作几十年，但是轨道高度就会成为最大的隐患。
  
 不过我们现在就算有能力，也不会再为哈勃提供维护服务了，因为目前的哈勃已经达到了它的观测极限，下一步的目标是，我们将发射一架比哈勃望远镜主镜口径更大、更加灵敏、并且能在近红外波段工作的太空望远镜：詹姆斯·微波望远镜。
  
 因此，在2009年哈勃最后的一次维护任务中，我们为其安装了对接装置（软捕获和交会系统），以便在未来将通过火箭将哈勃带回家。
  
 
  
 科学家预计哈勃可能会在本世纪30年代中期坠入地球，不过这个时间存在很大的不确定因素。但是在哈勃坠毁之前我们首先要将哈勃安全的带回家，而且还要保障在哈勃退役以后韦伯望远镜能够升空接替哈勃的任务。
  
 不过韦伯望远镜在1996年开始招标建设以来，原计划是在2014年升空，但多次因为预算的问题而受阻，一直推迟到了今天，不过好消息是，据国外媒体报道，韦伯将最早在2021年3月30日发射升空。
  
 
  
 就算韦伯任务升空再次推迟，时间也不会晚过哈勃返回地面，因为NASA肯定是不会让人类存在一个观测宇宙的空档期。
  
 尽管人类目前在地面上也建造了很多大型天文台，并且在某些观测方面已经超越了哈勃，但是哈勃身处在宇宙空间有自己独特的优势，它仍然是人类 历史 所创造过最强大的观测设备，它无时无刻都在给人类带来惊喜，无时无刻都在改变着人们心目中的宇宙景象。
  
 哈勃的伟大成就也让人们非常期待韦伯时代的到了，因为我们觉得韦伯的升空肯定会再次刷新人类的认知。最后希望哈勃能完美的卸任，安全的返回地面，也希望韦伯望远镜这次能顺利按时升空。

2. 哈勃空间望远镜的探索成果

 从1990年到2015年4月，哈勃望远镜在地球轨道上运行了接近13万7千圈，累计54亿公里，执行了120多万次观测任务，观察了超过38,000个天体。 哈勃望远镜观测到的目标中最远的是距地球130亿光年的原始星系，这些星系的发出光芒来自大爆炸后刚刚形成的宇宙早期。 平均每个月，哈勃都会产生829G观测数据，累计已超过100T。 在执行任务的早期，哈勃望远镜证明了大质量黑洞在宇宙中普遍存在——大多出现在星系的中央位置。同时，天文学家还在它的帮助下，观测到宇宙膨胀的精确数据，从而推算出宇宙年龄为138亿年（误差不超过3%）。 在这一过程中，“暗能量”这个如今在科学界频频出现的神秘概念，逐渐为人们所知晓。而且在“大爆炸”之后，另一个非常关键的“暴涨”阶段对于我们宇宙现在的结构同样起着决定性的作用。 截至2015年4月，直接或间接通过哈勃望远镜的成果而发表的科学论文数目，达到12800篇，包括几项问鼎诺贝尔奖的成果。  2012年3月，美国宇航局“哈勃”太空望远镜在距离地球24亿光年的“阿贝尔520”星系团中再次发现了一个巨大的暗物质块。这一异常发现令天文学家百思不得其解，并怀疑暗物质块中可能藏有一个神秘的“暗物质核心”。研究人员介绍说，在距离地球24亿光年的遥远星系团“阿贝尔520”中，星系发生碰撞后，从星系中分离出来的暗物质可能在星系周围聚集形成一个“暗物质核心”。由于暗物质被认为是将星系结合成一体的神秘“胶水”，因此这种现象本不应该存在。现象的问题是，如果暗物质被认为是将星系结合成一体的神秘“胶水”，那么星系碰撞后它们仍然可以将星系“粘合”在一起。这一异常现象最早发现于2007年。由于这一现象过于异常，因此许多天文学家都将其作为一种假象而不予理会。然而，“哈勃”太空望远镜最新的观测结果证实，“阿贝尔520”星系团中的暗物质和星系是分开的。“哈勃”太空望远镜观测图像蓝绿色区域显示，一个巨大的暗物质块位于炽热的气体附近，但该区域几乎看不到星系。异常现象的再一次发现，让天文学家们不得不对其重视起来并重新思考它的原理。暗物质最早发现于大约80年前，被认为是将星系结合成一体的“引力胶水”。事实上，天文学家对暗物质仍然知之甚少。“哈勃”太空望远镜研究项目首席科学家、加利福尼亚大学天文学家詹姆斯-吉表示，“这一结果令人困惑。暗物质的行为无法预测，很难说清它的原理。”对于这一异常发现，研究团队提出了数种解释，但最终每一种解释都会让天文学家更为困惑。研究团队成员、美国加州旧金山州立大学科学家安迪谢-马哈达维曾经是2007年对“阿贝尔520”星系团首次观测项目的负责人，他表示，“这会让你越来越困惑，越陷越深。”对于这种矛盾现象，一个可能的解释就是，“阿贝尔520”星系团是三个星系团之间复杂的交互体，而不仅仅是两个碰撞系统。另一种可能就是，“暗物质核心”中包含有许多星系，但是由于它们过于暗淡而无法观测到，甚至“哈勃”太空望远镜都无法看到。 2013年12月3日，美国航天局宣布，天文学家利用哈勃太空望远镜在太阳系外发现5颗行星，它们的大气层中都有水存在的迹象。此前也曾观测到少数大气层中有水存在迹象的系外行星，但这是首次能确定性地测量多个系外行星的大气光谱信号特征与强度，并进行比较。这5颗行星分别叫做WASP-17b、HD209458b、WASP-12b、WASP-19b与XO-1b，它们的体积比地球大得多，属于“热木星”型行星，即大小与木星相当，但温度极高、运行轨道距其绕行恒星非常近的气态巨行星。研究人员利用哈勃的广角照相机，观测这些行星大气层吸收光线的细节特征，结果发现，尽管5颗行星都有水存在的迹象，但信号均弱于预期，他们怀疑这是因为这些行星的大气中有一层霾或灰尘的存在，导致信号减弱。  早在1996年，著名的哈勃空间望远镜就拍摄到标志性的哈勃深场图像，巨大数量的星系就隐藏在这片小天区中，美国宇航局计划进行一次全新的深场成像计划。哈勃望远镜在捕捉深场图像时将收集极遥远天体的微弱光线，慢慢“堆积”才能揭示宇宙大爆炸数亿年后的情景，否则由于光线太弱而看不到当时宇宙中存在的天体。在哈勃望远镜于2004年拍摄的“超深场”图像中，收集光线的时间更久，2012年拍摄的“极深场”图像则花了更长的时间才完成成像。 根据巴尔的摩空间望远镜研究所科学家丹安·科介绍：“与超深场图像类似，本次哈勃拍摄的六个超深场图像计划几乎可获得相同品质，在哈勃前沿领域的任务中，收集光线花了45个小时，描绘出宇宙大爆炸后大约五亿年的情景。”这些图像深刻揭示了宇宙最深处的景象，捕捉到年代非常久远的星系和从未见过的遥远星系。负责本项研究的科学家认为有些星系是之前尚未被发现的，比如最远的星系MACS0647-JD，就距离地球大约133亿光年处，原始深空场也显示了在仅仅2.5弧分跨度上就存在大约3000个并未被观测到宇宙星系。 作为天体观测的主力，美国宇航局希望哈勃望远镜能维持到2018年，其继任者詹姆斯·韦伯空间望远镜将在不久后发射。研究人员认为哈勃拍摄的新深场图像需要一定的运气，那片黑暗的天区包含了丰富的宝藏，这项新的观测活动将在2012年晚些时候开始。  根据一架曝光的俄罗斯A-60机载激光武器（Beriev A-60，苏联时期的遗存）试验机照片，机身徽标图案明确显示出以激光攻击哈勃空间望远镜的情景。这间接表明了哈勃空间望远镜在军事上对俄罗斯的威胁程度。进而引发对哈勃空间望远镜是否单纯用于和平用途的争论，以及反对太空军事化的抗议。更有阴谋论者进一步指出：哈勃空间望远镜初期的“近视”缺陷乃有意为之，直至苏联解体后两年才加以修正。

3. 哈勃30周年，在未来，将继续解开宇宙之谜

 哈勃空间望远镜能够穿过黑暗去看我们不能预先看到的，它已经使科学家们和公众欣喜了30年，展示了星系、天象以及太阳系内外行星的细节与图像。哈勃肩负着 探索 宇宙的年龄及宇宙的膨胀这一重任被发射于1990年，未来几年里它还将继续解开新的宇宙之谜。
   
   哈勃空间望远镜不仅为研究者们提供了超过一百万个观测结果和相应数据，还向大众提供了美丽又令人震惊的图像，激发着我们对宇宙的敬畏之情，并让我们对天文学产生了更大的兴趣。
   
    
   从记录银河系中恒星的诞生和死亡，到绘制暗物质地图，望远镜已经回答了一些令人困扰的科学问题，创造了更多的 探索 ，并推动了许多天文学家和天体物理学家的理解和好奇的边界。
   
   美国物理学会(AIP)已经意识到哈勃太空望远镜发射30周年这一重大时刻并为其庆祝。在1990年4月24日发射的发现号航天飞机上，望远镜被美国国家航空和宇宙航行局的宇航员部署到轨道上，并开始了它的深空探测任务。
    
   
    
   它的第一张照片是一颗名为HD96755的双星，位于离地球约1300光年的NGC 3532开放星团中。从那时起，100亿光年之外的星系、黑洞以及最近的系外行星的图像让世界为之眩目，并增进了我们对宇宙奇迹的了解。
     
   
    
   “自1990年哈勃太空望远镜发射以来，这座伟大的天文台让我们看到了宇宙的奇迹，开启了天文学、天体物理学和行星科学的新纪元。AIP的副执行官员、国际公认的行星科学专家Steve Mackwell说到：来自哈勃的图像装饰着各个年龄的学生的卧室墙壁和科学大厅。
    
   
     
   除了这些壮观的图像外，哈勃还增进了我们对最远的恒星和星系的了解，并带来了对太阳系中行星结构和动力学的新认识。它使天文学家能够观察到不断变化的巨型行星的云图，阐明了它们的大气在时间尺度上的演变，这是任何行星宇宙飞船都无法做到的，并为太阳系的早期 历史 带来了新的曙光。尽管历经时间的摧残，望远镜仍在不断地开拓着新的领域。”
    
    今日物理学 
   AIP出版的《今日物理学》(Physics Today)在4月份的一期中，回顾了该望远镜的 历史 ，并分析了哈勃过去30年的发现，以此来突出纪念这一周年。印刷版的插页将在天空地图上精确定位哈勃望远镜的观测位置，并突出望远镜的伟大发现和图像。
   
   这张地图将作为《今日物理学》关于哈勃的互动演示的一部分在网上发布。此外，网上的文章将记录哈勃太空望远镜在轨道上的最初几年，当时一块变形的镜子模糊了它的视野，并分解了望远镜观测到的天体。
    
   斯皮策在1968年预测的观测中包括造父变星，其亮度的可测量波动与绝对光度成正比，因此产生了宇宙距离。大型太空望远镜可以将造父变星的观测范围扩大一个数量级。”——摘自《孵化哈勃》，《今日物理学》。
    天空和望远镜 
   在美国天文学会（美国物理联合会的成员协会）于4月出版的《天空与望远镜》期刊中，业余天文学家描述了与NASA一起进行太空观测的工作内容，并且在作为封面文章的照片文章里回忆了一些来自哈勃望远镜的著名又令人惊叹的照片。
   
   《天空与望远镜》主编彼得·泰森说：“望远镜和科学的内容多次刊登在我们封面上。从建造、发射和部署到航天飞机宇航员的五次呼叫，但主要是因为宏伟的影像和开创性的发现不断出现，哈勃已经制造了40多年'为哈勃30周年庆祝'的新闻了”。
     
   詹姆斯·韦伯太空望远镜预计将于2021年发射，它将补充和扩展哈勃的发现。虽然哈勃最适合在紫外线和光谱的光学范围内观察，但JWST是一架功能更强大的望远镜，它可以看到更远的太空和更近红外波段的时间。预计在未来的许多年里，这两个天文台的发现将继续让科学界和整个世界感到惊奇。
    
    作者 ：Staff Writers
    FY ：Astronomical volunteer team
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