天空之眼

 

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周家祥 / 文
認識哈伯太空望遠鏡

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維修篇:坎坷哈伯路

  哈伯的主要任務之一,就是要以其優異的解析力觀測百億光年之外,宇宙太古時代的星體,分析其性質及遠離速度,以獲知宇宙初始時期的狀態及宇宙膨脹的真象,名為「哈伯」正是為紀念本世紀初提出宇宙膨脹定律的天文學家哈伯 (Edwin Hubble, 1889-1953)。哈伯的高解析力設計只有在太空中才能發揮功能。

  然而,要有座太空望遠鏡不是單靠夢想就可以辦到的,這涉及了技術與經費等不同層面的問題。以哈伯來說,它現在的尺寸就是考量預算後縮小的結果,當然天文學家想要的是更大的一台。而從研發、建造到真正發射出去,其間所耗費的人力、物力與時間更是龐大得難以想像。由於建造期很長,哈伯的各項儀器在發射時自是在技術上已顯落伍,因此哈伯採用「模組化」的設計,每一項儀器模組都可以視需要獨立抽換,如此可使哈伯的設備得以不斷地更新,確保哈伯可以物盡其用。

修復前的哈伯,圖中右下方的太陽能板是彎的  由於挑戰者號太空梭的失事事件及其它大小因素,歷經數次的延期與預算不斷地暴增,NASA終於在1990年4月24日升空的發現號任務中把倉儲數年的哈伯放置在繞地軌道上。然而哈伯的工作一開始就不是很順遂:它的捲動式太陽能板有一側無法完全張開,太陽能板支架在張開的過程中也變形了 (右圖右下側),這使得供電系統的效能大不如預期;而當哈伯在5月20日傳回第一批影像時,真是把NASA嚇壞了:影像是模糊的!天文學界及輿論立時一片嘩然。

就是這一面!闖禍的主鏡  眼看哈伯就要變成一個超級昂貴的廢物,灰頭土臉的NASA分析出差錯的地方竟然是主鏡!由於哈伯高解析力性能的要求,主鏡的凹面鏡面要磨得非常精準,原設計的要求是與理論鏡面的任一點誤差都不能大於200萬分之一公分,換個方式來說,若把主鏡放大到和地球一樣大時,它表面最突出的高度也不會超過15公分。可是主鏡就是沒達到此標準:差了小小的2微米厚度,約為一根頭髮的五千分之一厚,結果使得哈伯無法將星光準確聚焦到各個觀測儀器中,因而造成影像模糊,簡單地說:哈伯「先天視力欠佳」。這種絕對不能發生的事情為什麼還是會發生呢?問題就出在當初在建造時 (左圖) 沒有檢驗鏡面的預算,NASA索性就把磨好的鏡片直接安裝起來,結果就開了天文學界這麼個昂貴的玩笑。

  花了大把鈔票,NASA當然不會就這樣放棄了哈伯,但是該怎麼補救這個致命的錯誤呢?換裝一個新主鏡上去嗎?光是建造成本就要再砸下至少數億美金,而且耗時甚久,想要說服失望至極的白宮及國會再撥下預算根本就是不可能的任務。NASA痛定思痛,旗下的科學家在其後數年努力研發,除了透過通訊修改哈伯主電腦程式之外,也製造了新的組件,包括矯正「視力」的「矯正透鏡組太空望遠鏡軸心替代系統」(COSTAR) 及第二代廣角行星相機 (WFPC2),如此哈伯的「視力」將會很接近原始的設計目標。

完成修復的哈伯  當初建造哈伯時的規畫原本是每隔數年就由太空梭收回地球檢修,但NASA決定全改由太空梭在太空直接維修。1993年12月,奮進號7名機組員以5個工作天、5次太空漫步親手完成所有儀器及太陽能板的換裝工作,過程可說是驚險萬狀:有小螺絲不慎飛出,還好在撞到鏡面之前被抓了回來;而受損的太陽能板卡死,既張不開也收不起來,太空人就在太陽能板無法斷電的狀況下把它給拆了,這一不小心可是會電死人的!

  當大修過的哈伯回到它的軌道,重新傳回天體影像時,大家才鬆了一口氣:視力矯正手術成功!延宕了3年多,哈伯終能如當初設計時的期望,成為當代最重要的天文觀測工具之一。

哈伯觀測的能力

  1997年2月,哈伯又在太空中接受了第二次維修,將原來的黯淡天體攝譜儀 (FOS) 及高達德高解析度攝譜儀 (GHRS) ,更換為近紅外線相機暨多目標分光測熱計 (NICMOS) 及太空望遠鏡照相攝譜儀 (STIS),使哈伯的性能再度升級。這次任務還發現哈伯外殼已飽受太空物質的撞擊,不過尚無立即損壞的顧慮。

  哈伯原本預計就要在1999年進行第三次維修,但是在1999年初,原有的6具迴轉儀已陸續損壞到只剩下3具可用,只要再壞一具,哈伯就無法精確轉向定位,一切觀測計畫都得停擺。於是NASA緊急將第三次任務的部分工作提前進行,攪亂了原訂的計畫,稱為3A任務。不過由於太空梭不是說出發就可以出發,不巧又因各種原因數度延後發射日期,當維修任務還沒來得及出動時,哈伯的倒數第3具迴轉儀真的就先在11月中宣告罷工,哈伯從此放假將近兩個月。直到12月底,發現號太空梭趕在千禧年電腦危機發作之前終於升空,為哈伯換裝了全部6具迴轉儀、新的主電腦核心 (相信嗎?是3顆Intel 486微處理器)、擴充記憶體、精密導引感測器、通訊設備、記錄器及鋼製保護罩等,哈伯才在2000年1月中旬恢復運轉。在這一段停擺期間,天文學界已錯過了150個以上的觀測計畫,可謂損失慘重;不過沒辦法,太空中的哈伯在維修上無法像地面望遠鏡一樣的方便,10年來出了兩次大狀況真是折煞多少天文學家與太空科學家!

  原來在第三次維修中,計畫把黯淡天體相機 (FOC) 換成10倍感光度的巡天高等相機 (ACS),這個計畫只好被迫延後至2002年2月,由哥倫比亞號太空梭執行的3B任務來完成。同一維修任務中還為 NICMOS 換裝了新的冷卻系統 NCS,原來 NICMOS 需要在極低溫環境下運轉,而在哈伯中負責維持低溫的固態氮,卻比原來預期的4年壽命短了一半,2年內就用光了,結果自1999年起停擺,這個消息比起同時期的迴轉儀故障危機來說不算是最糟的,也許難以吸引大眾的關注,直到現在 NICMOS 才終於得以重新運作了。此外,3B任務也為哈伯換裝了新的動力控制系統及太陽能板,使生產的電力增加27%,哈伯的儀器設備因而可使用加倍的電能進行觀測及資料傳輸。

  若未來一切順利,預定在2004年進行的4號維修任務中還將加裝宇宙起源攝譜儀 (COS),廣角行星相機也將升級為第三代機種 (WFPC3)。由於模組化的設計,配合不斷的維修與換裝任務,現在的哈伯可說是老當益壯,原設計15年的壽命至少可以延長為20年。即使STScI與NASA已經在籌畫下一代的太空望遠鏡,但預計在21世紀的第一個10年內,哈伯仍將是天文學界數一數二的頂級觀測工具。且讓我們拭目以待哈伯再為世人帶來更多的驚喜與發現!

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