科學探索：哈勃望遠鏡的鼎盛時期將要來臨(lin)

1999年一次天文台維修任務時宇航員在哈勃空間望遠鏡外部的演習(xi) 。圖片來源：NASA

三十年前，一隊NASA的宇航員將哈勃空間望遠鏡用火箭發射進了近地軌道。在高於(yu) 我們(men) 行星大氣層的位置上，哈勃可以研究地表天文台永遠無法觀察到的宇宙中的現象。它不是曆史上第一座空間望遠鏡，但它是至今為(wei) 止最長壽、最高產(chan) 的——這很大程度上要感謝哈勃望遠鏡的創新設計，讓它能被訪問、修複並升級。它現如今已經無法逆轉地改變了天文學，不僅(jin) 帶來了宇宙中意義(yi) 深遠的新發現，更帶來了更遠大的天文望遠鏡計劃。

雖然哈勃的眼睛位於(yu) 地表超過500千米的地方，它的心髒卻位於(yu) 巴爾的摩：在空間望遠鏡研究所的禮堂、辦公室和會(hui) 議室裏，也就是天文台科學得以運作的地方。為(wei) 了慶祝哈勃30年來的發現，科學美國人（Scientific American ）與(yu) 研究所的主管Ken Sembach探討了望遠鏡最偉(wei) 大的發現、它在新冠流行時的運營情況和它的可持續時長。

以下是這個(ge) 采訪經編輯的文字記錄。

作為(wei) 空間望遠鏡研究所的主管，你與(yu) 哈勃的關(guan) 係是什麽(me) ？

我負責哈勃的科學運作，還有我們(men) 在那兒(er) 做的其他工作，例如韋布空間望遠鏡（James Webb Space Telescope [JWST]）的科學和航行運作和米庫斯基空間望遠鏡數據庫（Mikulski Archive for Space Telescopes）的運行。所以哈勃是研究所工作的一個(ge) 要素。我的隊伍很優(you) 秀，在任務部的領導下，一隊人負責我們(men) 每天在研究所做的哈勃運行工作。

在關(guan) 於(yu) 哈勃的工作中，你認為(wei) 最有趣的部分是什麽(me) ？

當我看見整個(ge) 哈勃小組齊心協力讓一個(ge) 很棒的科學想法變成壯舉(ju) 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”。它給予我望遠鏡多達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於(yu) 各種原因難以通過常規途徑分配到望遠鏡使用時間的項目，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，那些隻是所有人都認為(wei) 我們(men) 需要的東(dong) 西，但它們(men) 並不是前沿的，也不是全新而閃耀的——但想要發展人人渴望的尖端科學，這些基本科學的基礎事物必須要打紮實。

哈勃曆年來的一些真正推動領域發展的重要成功都來源於(yu) “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），到最後是邊境深場（the Frontier Fields）——他們(men) 基本上都來自主管時間。“這是很重要，也很有改革性的。即使其他人不同意我，我們(men) 也要為(wei) 之前進、為(wei) 了整個(ge) 學術界做這個(ge) 項目。”

所以，舉(ju) 個(ge) 例子，我曾經利用我的主管時間發起了一個(ge) 被稱作ULLYSES的計劃——作為(wei) 基本標準的年輕恒星紫外線遺產(chan) 庫（the Ultraviolet Legacy Library of Young Stars as Essential Standards）。這將成為(wei) 哈勃執行過最大的計劃。通過這個(ge) 望遠鏡在地球周圍的1000個(ge) 軌道，它將為(wei) 天文台帶來獨一無二的紫外線影像，並利用光譜學來解答恒星形成的問題。加上現有以及即將到來設施的其他發現，例如Gaia，ALMA[阿塔卡瑪大型毫米/亞(ya) 毫米波陣(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)]和JWST，這將讓我們(men) 最終抓住並解開我們(men) 未曾觸及的恒星形成的細節。如果在這個(ge) 項目所有令人驚奇的設備的幫助下，我們(men) 在十年內(nei) 還不能理解恒星是如何形成的，那我們(men) 可能永遠都無法理解了。

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(wei) 大氣層會(hui) 屏蔽這樣的光，所以就需要一台空間望遠鏡完成它。目前，哈勃是唯一能夠提供這些信息的望遠鏡。JWST和它計劃中的接班人——一個(ge) 叫做WFIRST [大視場紅外巡天望遠鏡（Wide Field Infrared Survey Telescope）]的天文台都是探測紅外線的，所以它們(men) 無法完成。現在隻有哈勃能看見這種光。雖然有少數天文台也能觀測紫外光，但它們(men) 的能力與(yu) 哈勃相差甚遠。所以當哈勃停止了運作，我們(men) 將無法看見宇宙的紫外線。現如今，盡管哈勃已經三十歲了，我真的認為(wei) ，它的鼎盛時期還未到來。

真的嗎？“鼎盛時期”又會(hui) 帶來什麽(me) 成果呢？哈勃還能再維持多久？

過去三十年裏哈勃教會(hui) 我們(men) ，不論它在觀測哪個(ge) 地方，它總能用嶄新有趣的內(nei) 容帶給我們(men) 驚喜，這是我們(men) 近些年來對所見的宇宙的認知急速增長的關(guan) 鍵因素。我們(men) 了解得越多，就發現我們(men) 所知的越少——這就是為(wei) 什麽(me) 我們(men) 仍舊有這樣驚人的需求。我們(men) 每年仍收到1000多份從(cong) 世界各地的研究人員寄來的提案，他們(men) 希望能夠用哈勃研究從(cong) 太陽係到宇宙邊界的一切。

實際一點來說，我認為(wei) 哈勃起碼還能再工作五年。我們(men) 以能夠保持其科學產(chan) 出能力至2025年的方式來運行它，但這是不是意味著它真的能運行到2025年？不，明天就可能出什麽(me) 差錯——畢竟這是太空事業(ye) ，但它也可能運行到2030年。哈勃有很多內(nei) 置的冗餘(yu) ，迄今為(wei) 止，宇航員已經對它進行了五次訪問、維修和升級。每一次維修任務都使天文台煥如新生，並賦予了其新的能力——例如更好的電子設備、更好的機械部件、更好的探測器等等。而事實上，大部分這些新部件都沒有失靈，這意味著它們(men) 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，讓我擔憂的是天文台上的某些原始設備，例如精密導航傳(chuan) 感器的電子設備。它們(men) 已經在宇宙的輻射中沐浴三十年了，也終因此退休。

就哈勃現在仍舊能做到的變革性的事情來說：一方麵，它能夠對多信使天文學有重大的影響——在那裏你可以使用引力波觀測站來觀測例如黑洞和中子星結合的現象，然後再使用更傳(chuan) 統的設備來研究這些東(dong) 西。這個(ge) 研究領域為(wei) 我們(men) 了解宇宙中出現的最宏大、最有活力的事件打開了一扇全新的窗，這些事件在時空結構上泛起了漣漪。哈勃可以幫助我們(men) 清晰地了解到是什麽(me) 在黑夜中碰撞在了一起，是什麽(me) 的碰撞或結合產(chan) 生了這些漣漪。

另外，還有一個(ge) 哈勃的設計初衷就想要幫助解決(jue) 的問題，就是確定宇宙膨脹的速度，它被稱為(wei) 哈勃常數。如今，基於(yu) 宇宙微波來測量哈勃常數和基於(yu) 使用超新星來觀測相對臨(lin) 近宇宙的方法測量哈勃常數之間的局勢越來越緊張，而天文站已經幫助把臨(lin) 近宇宙的哈勃常數誤差減小到了10%，就像開始承諾的那樣，接下來我們(men) 又將誤差減小到了3%，而我們(men) 現在正朝著1%的方向努力。這兩(liang) 種測量方式之間的局勢可能馬上就要達到極其緊張的狀態，以至於(yu) 需要有一種全新的理論來描述所發生的事。這其中可能還存在中微子（neutrinos），那麽(me) 這將是個(ge) 大發現。

在JWST將要到來之際，我們(men) 得記得，人們(men) 會(hui) 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(ge) 更完整的圖像，而這兩(liang) 座天文台在操作上有很大的重合部分。對恒星形成的研究、最早星係的研究、係外行星的研究都會(hui) 在這兩(liang) 個(ge) 天文台的共同工作下受益。

所以所有這些內(nei) 容讓我相信，哈勃的鼎盛時期將要來臨(lin) 。

你認為(wei) NASA需要考慮下一次維修任務嗎？

這確實值得考慮。在21世紀20年代甚至30年代的不遠的將來裏，哈勃在紫外線和藍色可見光區域的觀測能力似乎都無人能及。如果哈勃確實在2025年停止運行，我們(men) 可能在下一台有這種能力的大型望遠鏡投入運營前需要等待10年，15年，甚至20年時光。對這個(ge) 領域來說，這將多麽(me) 有摧毀性？你會(hui) 希望哈勃或與(yu) 它相似的東(dong) 西能和許多計劃中未來的探測任務的觀察結果協同合作。

你知道的，我永遠不會(hui) 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麵納入考量。凡事必定有失有得。我可以說決(jue) 定停止翻修是非常目光短淺的做法，但在沒有仔細思考就做出“那就去做吧”的決(jue) 定也會(hui) 顯得漫不經心。

冠狀病毒的流行顯然給這個(ge) 社會(hui) 的方方麵麵提供了挑戰，它有沒有衝(chong) 擊哈勃的運行？

將哈勃放在一個(ge) 正發生在全球每一個(ge) 人身上的巨大事件背景下是很困難的，但我們(men) 很幸運的已經為(wei) 此做好了充分的準備，因為(wei) 多年來我們(men) 都在減小規模，流水作業(ye) ，使用自動化來節省開銷，增加效率。所以，我們(men) 能保證科學繼續前行，盡管大部分員工都在家工作，哈勃仍舊能繼續運行。我們(men) 確實有一些現場員工來對望遠鏡上傳(chuan) 指令，相比之下，對那些地麵天文台來說，員工必須在現場進行手動運作，他們(men) 的運行就要困難得多。所以，哈勃在病毒流行期間填補了一些觀察的空白，我們(men) 也很高興(xing) 能做到這些。我們(men) 為(wei) 能夠發表鼓舞人心的成果來給在黑暗中的人們(men) 帶去一些光亮而感到快樂(le) 。

撰文：Lee Billings 科學美國人在太空和物理領域的高級編輯。

翻譯：魏沁悅

審校：費哲妮

引進來源：科學美國人

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