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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性能篇:哈伯的能耐

組裝中的哈伯  發射望遠鏡到太空去,擺脫一切地球大氣的干擾,一直是現代天文學家的夢想;1923年,有「太空旅行之父」美譽的德國科學家奧伯特 (Hermann Oberth) 首先提出太空望遠鏡的構想,1946年美國天文學家萊曼 (Lyman Spitzer) 也撰文支持在大氣層外設置望遠鏡的可行性,大家雖然同意這個構想能解決地面觀測的限制,但是同時也多認為不太可能在短期內實現。沒想到科技進步之快遠超過當時的人所能想像,奧伯特差一點就能看到哈伯的第一張影像-他於哈伯發射之前4個月逝世,而萊曼則在有生之年親身見證了太空望遠鏡由夢想變為真實的歷程。

  哈伯太空望遠鏡是全球第一個在繞地軌道運轉的光學天文望遠鏡,它是反射式的,光學原理基本上和地面的光學望遠鏡沒什麼兩樣;主要觀測波段是近紅外線、可見光及遠紫外線。2.4公尺口徑的主鏡,其解析度可達0.01角秒,亦即可區分相距在三 十六萬分之一度視角以上的兩物體。套段美國航太總署常用的形容法,就是相當於從華盛頓特區可以看清楚加州好萊塢星光大道上的巨星簽名一般!

  目前哈伯高解析與高清晰度的影像可說尚無「鏡」能出其右,分辨銀河系外鄰近星系中的星體早已不是問題,最遠已能分辨出遠在百億光年之外,接近宇宙生成時期太古星系中的超新星;近者對於鄰近地球的太陽系行星如火星,更是觀測得巨細靡遺;而太陽系外行星的蹤跡也是由哈伯第一個發現。不過看來神乎其技的哈伯也有它的限制,那就是它不能朝向太陽,方圓50度視角內都不可靠近,否則聚焦的太陽光將燒毀所有的儀器!這就是為什麼哈伯從來沒照出太陽及很靠近太陽的水星影像,對金星也只有一次很勉強的觀測而已。同理,也絕不會有人嘗試要哈伯觀測地球及月球。另外,哈伯對無線電波、X射線及γ射線等波段的電磁波也無能為力,因此太空中還有其它的望遠鏡在作不同性質的觀測;也有好幾個專門觀測太陽的探測船正在運轉。

  哈伯的集光能力如何呢?打個比方,它若是在美國西岸的洛杉磯,可以看得到太平洋另一頭日本東京的一盞燭光。當然,由於口徑不夠大,這樣的集光能力仍遠不如一些地面的大型望遠鏡來得好,它與地面大型望遠鏡的性能可說是各有所長,所以在觀測上可以發揮彼此互補的功效。

  哈伯的主鏡將光線反射後,分別聚焦在幾個模組式的觀測儀器中。一般大眾最常看到的漂亮影像,主要就是由巡天高等相機 (ACS) 和廣角行星相機 (目前是第二代的WFPC2) 所攝得的可見光影像,其實它們的觀測波長也包含了紫外光及紅外光;除此之外哈伯還有其它幾個不同功能的觀測儀器。

  定位及轉向系統是哈伯的另一個重要部分。3個精密導引感測器 (Fine Guidance Sensors) 內建1,500萬顆恆星位置,可以使哈伯精確定位;轉動哈伯的動力裝置並不是會產生污染的火箭,而是4具不同方位、隨時保持轉動的感應轉輪 (Reaction wheels),它們可受地面控制而分別加快或減慢轉速,靠著角動量守恆的簡單物理定律,哈伯就可以轉向任一方向。至於6具迴轉儀 (Gyroscopes) 中只要有3具正常運作,就可確保哈伯在快速繞地運動的同時還能穩定定位。當然,電腦、通訊、太陽能發電與電池設備也是必備裝置。

哈伯結構示意圖  太陽光對哈伯可說是「必要之惡」,一方面哈伯需要太陽光的能量來發電,以維持轉向及通訊所需;但另一方面太陽方向卻成了哈伯主鏡的禁地,而且為了克服向光面和背光面因熱脹冷縮而造成的晃動,哈伯還得有一些防制的機制,否則少了大氣晃動卻加上了自身的晃動,豈不是功虧一簣!

  此外,暴露在太空中的哈伯也有發生意外的可能,例如受到流星雨或隕石的襲擊等等。1998年11月的獅子座流星雨極大期來臨時,控制中心就曾刻意將哈伯主鏡轉向流星雨相反方向,以免這些太空碎片擊中主鏡或其它精密設備;而必要時主鏡前方的護鏡蓋還可關閉。由於哈伯是在低繞地軌道上運轉,還在地球磁場的保護範圍內,所以因太陽磁暴而傳來的太陽風在一般情況下不致對它產生什麼損害。

  以下是哈伯太空望遠鏡的基本資料:

  型式:Richey-Chretien反射式光學望遠鏡 (類似於標準蓋賽格林 Cassegrain 式)
  口徑:2.4公尺 (面積約5.5坪)
  尺寸:全長13.2公尺 / 寬度4.2公尺 (立起來大約4層樓高)
  總重:11,110公斤 (11.11公噸) / 其中主鏡重 828 公斤
  造價:22億美金
  可觀測波段:近紅外線、可見光、遠紫外線
  目前運轉中的觀測儀器
   廣角行星相機  (WFPC2): 觀測波長1,200埃 (紫外線)∼11,000埃 (紅外線),
最佳解析力0.053角秒
   巡天高等相機 (ACS): 由3組相機組成,觀測波長分布在1,150埃∼11,000埃
之間,最佳解析力0.027角秒
   近紅外光相機暨多目標分光測熱計 (NICMOS): 觀測波長8,000埃∼25,000埃,
最佳解析力0.14角秒
   太空望遠鏡照相攝譜儀 (STIS): 觀測波長1,150埃∼10,300埃,
最佳解析力0.024角秒
  軌道:高度612公里 / 與赤道面傾斜28.5°角 哈伯現在位置
  航速:時速28,000公里 / 每97分鐘繞地球一圈 (10秒鐘越過美國)
  穩定度:晃動量不大於千分之7角秒
  供電系統:2,400瓦 / 耗電量相當於24個家用燈泡的總和
  儲電設備:6個鎳氫電池 / 總儲電量相當於20個車用電池之和

  哈伯是由美國航太總署 (NASA) 主導建造,歐洲太空總署以提供15%經費參與建造並取得日後分配觀測計畫的權利。雖然哈伯是由NASA發射,並由旗下位於馬里蘭州的高達德太空飛行中心 (Goddard Space Flight Center) 負責通訊與控制工作,但是天文學界並不希望由官方掌控哈伯的使用,在許多的折衝之下,終於成立了一個較為自主獨立的研究機構來控管所有觀測,那就是現在人盡皆知的哈伯「總部」-太空望遠鏡科學院 (Space Telescope Science Institute, STScI),這個機構設於馬里蘭州巴爾的摩市的約翰霍普金斯大學 (Johns Hopkins University) 校區內。STScI要審查所有的科學觀測計畫,並據以分配哈伯執行觀測任務的時間,哈伯傳回的資料也都儲存在此;而對公眾的傳播與教育更是STScI的重大工作之一,單是看看 STScI 的哈伯網站就知道他們下了多大的功夫接觸大眾。

  由於哈伯並非在地面同步軌道上運轉,不能隨時與控制中心通訊,因此觀測資料都是先暫存在哈伯的電腦磁帶中,再集中傳輸到位於美國新墨西哥州白沙市 (White Sands) 的地面追蹤接收站,再透過通訊衛星中繼傳到高達德中心,再轉到STScI。整個系統的運作與維護費用非常驚人:平均每年約2.5億美金,或者說,每秒8美金,這還不包括建造與發射成本以及數次太空梭維修任務的費用。不過這麼昂貴的成本是值得的,哈伯每年安排了超過400項的觀測任務,申請觀測計畫通常要一年的時間才能排到;單單每日傳送的資料就足以存滿1萬卷標準電腦磁帶,相當於5套百科全書的資料量,經常為世人及學界帶來驚人的影像和全新的研究視野。

哈伯觀測過的星空
哈伯觀測過的星空領域在圖中以各種色塊表示,本圖以銀河系盤面為橫軸

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