作者:宗华 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2015/4/26 23:08:16
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哈勃生日快乐!回顾传奇太空望远镜25年辉煌路

 

4月24日是哈勃太空望远镜从美国佛罗里达州卡纳维拉尔角由“发现”号航天飞机发射进入低地球轨道的第25个年头。

随着天体物理学产生的革命性变化,这个在欧空局(ESA)帮助下由美国宇航局(NASA)建造的太空中第一个大型光学天文台,还将科学发现的兴奋感带给了几百万个家庭。假如让人们讲出一个望远镜的名字,大多数人会说“哈勃”。

哈勃每一个半小时环绕地球一周,迄今已完成13万余次绕飞,并且拍下了从尘云到遥远星系等天体的100多万张照片。1.28万余篇科学论文利用了哈勃太空望远镜的结果,其被引用次数超过55万,使该望远镜成为有史以来建造的最高产的科学仪器之一。

哈勃成功的秘诀是什么?它的“长寿”,开创的数据开放之先河,出众的数据收集归档能力,对科学界需求的关注,由空间科学机构、宇航员、科学家和工程师组成的专注的团队以及一流的可扩展基础设施都是成功的关键。这些将最初看上去的一个巨大失败——升空几周内主镜上的缺陷便被发现,变成一场科学上的胜利。

随着哈勃进入最后的高产十年,以及诸如詹姆斯·韦勃太空望远镜(JWST)等继任者一步步迈进发射台,这是一个反思哈勃传奇和教训的好时机。

“精选集”

哈勃最初的工作之一是减少宇宙膨胀率中的不确定性,即哈勃常数。正如该望远镜一样,它也是以其发现者埃德温·哈勃命名而来的。1994~2011年间,这种不确定性从两倍减少至百分之几。哈勃由此帮助确定宇宙年龄为138亿年。它通过将从一类被称为造父变星的脉动星的亮度改变周期推断距离的常用方法扩展到更加遥远的星系,实现了这一点。

1998年,哈勃太空望远镜确认宇宙膨胀正在加速,并且被一种神秘形式——“暗能量”驱使。这一功绩是通过监控超新星实现的。

哈勃还产生了一份宇宙时间范围内恒星形成的“执行摘要”。在1995~2014年间一系列大约为期10天的观测中,它“心无旁骛地盯着”小片天空,比此前任何仪器观察得都要深入。最终产生的图像聚在一起被称为“哈勃深空”。哈勃发现很多星系在宇宙大爆炸后已经存在了5亿年,并由此挑战了关于最早星系如何形成、升温并且使宇宙再次电离的观点。

通过高分辨率观测星系中心恒星和气体的变化,哈勃望远镜证明几乎所有星系在其中心拥有一个超大规模黑洞。黑洞质量和围绕它的恒星凸出部分质量成比例,这表明星系和黑洞共同进化。

哈勃太空望远镜还首次决定了一些巨大系外行星的大气化学组成,并在2001年和2008年分别揭示了钠等元素以及水和甲烷等分子的光谱特征。

成功的秘诀

科技力量并非哈勃成功的唯一原因。航天飞机宇航员分别于1993年、1997年、1999年、2002年和2009年执行了5次维修任务,使得望远镜能被再次使用。没有这些维修,哈勃不会工作到今天,或者带着上世纪70年代的技术一直运行。

机会总是眷顾有准备的人。另外4个因素也促成了哈勃的高产:使数据得到快速和公开的获取、高效和更易存档、承担危险任务以及一个稳健的资助和共同参与机制。

创造性思维通过由主管自行决断,为特大型、时间紧迫或非常规提议预留10%的观测时间而得以实现。例如,最初的“哈勃深空”成像由当时承担哈勃科研运转工作的空间望远镜科学研究所所长Robert Williams提议并且负责。包括夏威夷和智利的双子星天文台以及亚利桑那州大双筒望远镜在内的其他天文台,也已采取这种方式。

在数据得以公开前,研究人员被给予一年时间分析哈勃的观测结果,而诸如“哈勃深空”等特殊数据集被立即公开获取。哈勃太空望远镜并非第一个采取这种政策的太空天文台,但它鼓舞了其他天文台跟着做。例如,来自2004年发射的伽玛暴快速反应探测器的数据很快便可获取。

从一开始,相较于其他天文台,哈勃的数据归档和传播要更加精确,自动化程度也更高。过去10年,每年发表的基于存档的论文要比利用专有数据发表得多:2014年,302篇论文仅依靠档案资料便得以发表,利用专有数据发表的有283篇。

现在该怎么办?

马里兰州空间望远镜科学研究所天体物理学家Mario Livio指出,哈勃的成功表明,更好的做法是全力资助正确的试验,而非妥协严格的预算。同样,未来的大型天文事业应当确认需要回答的最重要问题,决定回答该问题需要什么以及这样做的技术可行性,预估这样一个项目的全部开支,衡量目标是否值得投资,并且采取相应的行动。换言之,确立必要的资金投入状况,并使其保持稳定。同时,通过认真规划和监督避免成本超支。

天文学最有趣的问题是银河系中除了太阳系外是否还有生命存在。这尤其要归功于开普勒太空望远镜,人们得知银河系充满了亿万颗位于其宿主恒星“宜居地带”的地球般大小的行星。这些宿主恒星的岩石地表上存在液态水。

下一步举措已部署完毕。当凌日系外行星观测卫星(TESS)在2017年发射时,它应当会在低质量恒星的宜居带中发现少量比地球稍重的行星。这类行星的轨道周期很短,而且依附的恒星相对微弱,在一定程度上使其更容易被探测到。随后,定于2018年发射的JWST以及计划在2024年左右升空的广域红外勘测望远镜/天文物理学焦点望远镜(WFIRST/AFTA)会在一些该类行星中寻找水和其他分子。

一台更强大的望远镜将被需要用于为银河系中生命有多普通或罕见设定有意义的限制条件。主镜至少有12米宽且分辨率是哈勃25倍的望远镜能对靠近宿主恒星的行星成像,并且利用光谱探测其大气层中氧气和其他“生命信号”是否存在。WFIRST/AFTA将有能力探测比宿主恒星微弱十亿倍的行星,而100亿的亮度对比将被需要用来对靠近太阳般宿主恒星的类地行星成像。很明显,这样一台望远镜还将带来很多其他发现。

一大批行星样本(约50颗)将需要被测试。例如,计算显示,如果未在约40颗类地行星中探测到生命信号,那么在银河周围远程探测到系外生命的可能性或许低于10%。

关于这样一台高分辨率望远镜的报告有望在今年6月前后由全美大学天文学研究会协会发布。目前还应当采取一些举措。首先,NASA、ESA和其他潜在的国际合作伙伴应召集一个小组审查此类项目。技术开发研究应当提速,以便使其在2030年发射看上去可行。对生命的寻找必须成为指导各国作出关于该任务资助决策的下一步美国和国际十年调查的重点任务。美国天文学界将在2016年重新开始这些讨论,以确定未来十年研究重点。

与此同时,对“搜寻地外文明”(SETI)计划大量增加的投入将受到欢迎。可能来自私人资本的约1亿美元额外资助,将在十年里加速对约1000万颗恒星上显示有智慧生命存在的无线电或光学信号的搜寻。成功的几率或许很低,但得到的回报将是巨大的。

人类历史上第一次,对“只有我们独自存在吗”的回答近在咫尺。对生命的搜寻应当成为未来25年科学研究议程的焦点。

 
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