哈勃太空望遠鏡的工作原理
妳有沒有盯著夜空，想知道近距離看宇宙是什麽樣子的？我們大多數人被迫只用眼睛凝視星空，在廣闊的黑夜中尋找針刺般的光線。即使妳足夠幸運地能夠接觸到地面望遠鏡，其清晰度取決於雲層和天氣等大氣因素，但它仍然無法提供這些令人驚嘆的天體應有的清晰度。
1946年，壹位名叫小萊曼·斯皮策（Lyman Spitzer Jr.）的天體物理學家提出，太空中的望遠鏡將比任何地面望遠鏡更清晰地顯示遙遠物體的圖像。這聽起來很合乎邏輯，對吧？但這是壹個令人憤慨的想法，因為當時還沒有人向外太空發射火箭。
隨著美國太空計劃在1960年代和1970年代的成熟，斯皮策遊說美國宇航局和國會開發太空望遠鏡。1975年，歐洲航天局（ESA）和美國宇航局開始為其起草初步計劃，1977年，國會批準了必要的資金。美國宇航局將洛克希德導彈公司（現為洛克希德·馬丁公司）命名為承包商，建造望遠鏡及其支持系統，並對其進行組裝和測試。
這架著名的望遠鏡以美國天文學家 埃德溫·哈勃（Edwin Hubble ）的名字命名，他對遙遠星系中變星的觀測證實了宇宙正在膨脹，並支持了大爆炸理論。
由於1986年的挑戰者號災難，哈勃太空望遠鏡在長時間的延遲之後，於1990年4月24日搭載在發現號航天飛機上進入軌道。自發射以來，哈勃望遠鏡重塑了我們對太空的看法，科學家們根據望遠鏡對重要事物的清晰發現撰寫了數千篇論文，比如宇宙的年齡、巨大的黑洞或恒星在死亡的痛苦中的樣子。
在本文中，我們將討論哈勃望遠鏡如何記錄外太空以及允許它這樣做的儀器。我們還將討論古老的望遠鏡/航天器在此過程中遇到的壹些問題。
COSTAR拯救了這壹天
在1990年部署後，天文學家幾乎立即發現了他們心愛的15億美元，43.5英尺（13.3米）望遠鏡的問題。他們在天空中的新拖拉機拖車大小的眼睛無法正確聚焦。他們意識到望遠鏡的主鏡被磨到了錯誤的尺寸。雖然鏡子中的缺陷 - 大約相當於人類頭發厚度的五十分之壹 - 對我們大多數人來說似乎非常微小，但它導致哈勃太空望遠鏡遭受球面像差並產生模糊的圖像。當然，天文學家並沒有花數年時間在望遠鏡上工作，只是為了滿足於外太空的不起眼的快照。
科學家們提出了壹種名為 COSTAR （ 校正光學太空望遠鏡軸向更換 ）的替代"隱形"鏡片來修復HST中的缺陷。COSTAR由幾個小鏡子組成，這些鏡子將攔截來自有缺陷的鏡子的光束，修復缺陷並將校正後的光束傳遞給鏡子焦點處的科學儀器。
NASAASTRONAUTS和工作人員花了11個月的時間為有史以來最具挑戰性的太空任務之壹做準備。最後，在1993年12月，奮進號航天飛機上的七名男子發射火箭進入太空，執行HST的首次維修任務。
機組人員花了壹周時間進行所有必要的維修，當望遠鏡在維修任務後進行測試時，圖像得到了極大的改善。如今，放置在HST中的所有儀器都內置了針對反射鏡缺陷的校正光學元件，不再需要COSTAR。
不過，哈勃望遠鏡比COSTAR還有更多，我們接下來將討論其中的壹些關鍵部分。
HST 剖析
像任何望遠鏡壹樣，HST有壹個長管，壹端打開，讓光線進入。它有鏡子來聚集並將光線帶到其"眼睛"所在的焦點。HST有幾種類型的"眼睛"，以各種儀器的形式出現。就像昆蟲能看到紫外線，或者我們人類能看到可見光壹樣，哈勃望遠鏡也必須能夠看到從天而降的各種類型的光。
具體來說，哈勃望遠鏡是壹個 卡塞格林反射望遠鏡 。這只是意味著光線通過開口進入設備，並從主鏡反射到次鏡。次鏡反過來將光線通過主鏡中心的孔反射到主鏡後面 的焦點 。如果妳畫出入射光的路徑，它會像字母"W"，除了有三個向下的駝峰而不是兩個。
在焦點處，較小的半反射半透明鏡子將入射光分配到各種科學儀器。（我們將在下壹節中詳細討論這些工具。正如妳可能已經猜到的那樣，這些不僅僅是普通的鏡子，妳可能會凝視著它們來欣賞妳的倒影。
HST的鏡子由玻璃制成，並塗有純鋁（百萬分之三英寸厚）和氟化鎂（百萬分之壹英寸厚）層，以使其反射可見光，紅外線和紫外線。主鏡直徑為 7.9 英尺（2.4 米），次鏡直徑為 1.0 英尺（0.3 米）。
接下來，我們將討論哈勃在射入望遠鏡後如何處理所有光。
哈勃的科學儀器：WFPC2、NICMOS和STIS
通過觀察天體的不同波長或光譜，您可以辨別其許多屬性。為此，HST配備了幾種科學儀器。每種儀器都使用 電荷耦合器件 （ CCD ）而不是照相膠片來捕獲光線。CCD檢測到的光被轉換為數字信號，這些信號存儲在機載計算機中並中繼到地球。然後將數字數據轉換為令人驚嘆的照片。讓我們看壹下每種儀器如何為這些圖像做出貢獻。
寬視場和行星相機2 （ WFPC2 ）是哈勃的主要"眼睛"或相機。它借助四個排列成"L"形的CCD芯片來捕捉光線 - 三個低分辨率，寬視場CCD芯片，以及壹個高分辨率行星相機CCD芯片。所有四個芯片同時暴露在目標上，目標圖像以所需的CCD芯片為中心。這只眼睛可以看到可見光和紫外線，並且可以通過各種濾光片拍攝圖像，以制作自然的彩色圖片，例如這個眾所周知的鷹星雲圖像。
通常，星際氣體和塵埃會阻擋我們對來自各種天體的可見光的視野。沒問題：哈勃望遠鏡可以看到隱藏在塵埃和氣體中的物體的紅外光或熱量。為了看到這種紅外光，HST有三個靈敏的相機，組成了 近紅外相機和多物體光譜儀 （ NICMOS ）。
除了照亮天體之外，從該物體發出的光還可以揭示它的組成。特定的顏色告訴我們存在哪些元素，每種顏色的強度告訴我們該元素存在多少。 太空望遠鏡成像光譜儀 （ STIS ）將入射光的顏色分開，就像棱鏡形成彩虹壹樣。
除了描述化學成分外，光譜還可以傳達天體的溫度，密度和運動。如果物體正在移動，化學指紋可能會向光譜的藍色端（向我們移動）或紅色端（遠離我們）移動。不幸的是，STIS在2004年失去了電力，從那以後壹直處於非活動狀態。
繼續閱讀，找出哈勃望遠鏡的伸縮套筒上還有哪些其他科學儀器。
哈勃的科學儀器：ACS和FGS
在2002年2月的壹次維修任務中，宇航員增加了 高級測量相機 （ ACS ），使哈勃望遠鏡的視野增加了壹倍，並取代了作為HST長焦鏡頭的微弱物體相機。
ACS可以看到可見光，它的安裝是為了幫助繪制暗物質的分布，探測宇宙中最遙遠的物體，尋找大質量行星並檢查星系團的演化。科學家估計它將持續五年，就在2007年1月，由於電力短缺，它的三臺相機中的兩臺癱瘓了。
哈勃太空望遠鏡的示意圖。將鼠標懸停在"望遠鏡功能"上以檢查每個功能。註： 2002 年，"微弱物體相機"被"高級測量相機"取代。
HST上的最終儀器是其 精細制導傳感器 （ FGS ），它指向望遠鏡並精確測量恒星的位置和直徑，以及雙星的分離。哈勃望遠鏡總***有三個這樣的傳感器。兩個指向望遠鏡並將其固定在目標上，在目標附近的HST場中尋找"引導"恒星。當每個FGS找到壹顆導星時，它會鎖定它並將信息反饋給HST轉向系統，以使該導星保持在其領域內。當兩個傳感器在操縱望遠鏡時，壹個傳感器可以自由地進行 天體測量（恒星 位置）。天體測量對於探測行星很重要，因為軌道行星會導致母星在天空中移動時擺動。
這些儀器的多次維修以及壹些補充，計劃在2009年初的下壹次維修任務中進行。
現在妳知道哈勃是如何拍攝所有這些照片的了。接下來，我們將了解哈勃作為宇宙飛船的其他生命。
哈勃的航天器系統：發電和與地面控制對話
哈勃不僅僅是壹個擁有高度專業化科學儀器的望遠鏡。它也是壹艘宇宙飛船。因此，它必須具有力量，與地面溝通並能夠改變其態度（方向）。
HST上的所有儀器和計算機都需要電力。兩塊大型太陽能電池板履行了這壹職責。每個翼狀面板可以將太陽的能量轉化為2，800瓦的電力。當HST處於地球的陰影中時，存儲在機載電池中的能量可以維持望遠鏡7.5小時。
除了發電之外，HST還必須能夠與地面上的控制器通信，以中繼數據並接收下壹個目標的命令。為了進行通信，HST使用壹系列稱為 跟蹤和數據中繼衛星（TDRS）系統的中繼衛星 。目前，在天空的不同位置有五顆TDRS衛星。
哈勃望遠鏡的通信過程也得到了兩臺主計算機的幫助，這兩臺計算機安裝在科學儀器艙上方的望遠鏡管周圍。壹臺計算機與地面通信以傳輸數據並接收命令。另壹臺計算機負責控制HST和各種內務管理功能。哈勃望遠鏡在緊急情況下也有備用計算機。
但是，檢索數據時使用了什麽呢？收集這些信息後會發生什麽？位於望遠鏡上的四個天線在哈勃和馬裏蘭州格林貝爾特戈達德太空飛行中心的飛行操作團隊之間發送和接收信息。收到信息後，戈達德將其發送到馬裏蘭州的太空望遠鏡科學研究所（STScI），在那裏它被翻譯成波長或亮度等科學單位。
接下來了解哈勃望遠鏡如何導航。
哈勃的航天器系統：引導和聚焦天空之眼
哈勃望遠鏡每97分鐘繞地球旋轉壹次，因此很難將註意力集中在目標上。三種機載系統允許望遠鏡固定在物體上：陀螺儀，我們在上壹節中討論的精細制導傳感器和反作用輪。
陀螺儀跟蹤哈勃望遠鏡的粗略運動。像指南針壹樣，它們感知到它的運動，告訴飛行計算機哈勃已經遠離目標。然後，飛行計算機計算哈勃必須移動多少和向哪個方向移動才能保持在目標上。然後，飛行計算機指示反作用輪移動望遠鏡。
哈勃的精細制導傳感器通過瞄準引導恒星來幫助望遠鏡固定在目標上。三個傳感器中的兩個在各自的視野內圍繞目標找到引導星。壹旦找到，它們就會鎖定引導星，並將信息發送到飛行計算機，以使引導星保持在視野範圍內。傳感器比陀螺儀更靈敏，但陀螺儀和傳感器的組合可以使HST固定在目標上數小時，盡管望遠鏡的軌道運動。
HST不能像大多數衛星那樣使用火箭發動機或氣體推進器進行轉向，因為廢氣會盤旋在望遠鏡附近，並使周圍的視野變得模糊。相反，HST 的反作用輪 朝向三個運動方向（x / y / z或俯仰/滾動/偏航）。反作用輪是飛輪，就像離合器中的飛輪壹樣。當HST需要移動時，飛行計算機會告訴壹個或多個飛輪旋轉哪個方向以及旋轉速度，從而提供動作力。根據牛頓第三運動定律（對於每個動作，都有壹個相等且相反的反應），HST沿飛輪的相反方向旋轉，直到到達目標。
哈勃望遠鏡的局限性
盡管HST負責無數令人難以置信的圖像和發現，但它確實有壹些局限性。
其中壹個限制是HST無法觀測太陽，因為強烈的光和熱會炸毀其敏感的儀器。因此，HST始終指向遠離太陽的地方。這也意味著哈勃望遠鏡也無法觀測到水星、金星和某些靠近太陽的恒星。
除了物體的亮度，哈勃的軌道也限制了可以看到的東西。有時，天文學家希望哈勃望遠鏡觀測到的目標在哈勃軌道運行時會受到地球本身的阻礙。這可以限制觀察給定對象所花費的時間。
最後，HST穿過 範艾倫輻射帶 的壹部分，來自太陽風的帶電粒子被地球磁場捕獲。這些遭遇會導致高背景輻射，從而幹擾儀器的探測器。在這些時期，望遠鏡不可能進行觀測。
接下來，了解天空中巨大天文臺的未來。
哈勃望遠鏡計劃：最終維修任務和更換
目前，哈勃望遠鏡的未來有點不確定。最後壹次維修任務定於2008年10月10日進行。然而，由於颶風艾克席卷德克薩斯州，休斯頓的任務控制中心被迫撤離，美國宇航局失去了壹周的準備時間。
然後，亞特蘭蒂斯號航天飛機將於2008年10月14日爆炸，載著七名宇航員完成任務 - 這段旅程需要11天，並將望遠鏡的壽命延長到至少2013年。
然而，在2008年9月29日，由於嚴重故障，美國宇航局將最終任務推遲到2009年初的某個時候。哈勃的指揮和數據處理儀器發生了故障，它只是停止捕獲和發送產生我們熟悉和喜愛的深空圖像所需的數據。
當亞特蘭蒂斯號最終發射時，NASA可能會發送故障部件的替換部件。然而，在此之前，NASA必須測試更換部件並培訓宇航員如何安裝它。與此同時，該機構還試圖激活命令和數據處理系統的備用通道，以便望遠鏡可以恢復傳輸數據。
哈勃之後的生活計劃是什麽？
哈勃的繼任者詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）以前美國宇航局局長詹姆斯·韋伯的名字命名，將研究宇宙 歷史 的每個階段。從距離地球約100萬英裏（160萬公裏）的軌道上，望遠鏡將揭示有關恒星誕生，其他太陽系和星系以及我們自己的太陽系演化的信息。
為了實現這些引人入勝的發現，JWST將主要依靠四種科學儀器：近紅外（IR）相機，近紅外多目標光譜儀，中紅外儀器和可調諧濾光片成像儀。
JWST以前被稱為"下壹代太空望遠鏡"，計劃於2013年發射，壹直是美國宇航局，歐洲航天局和加拿大航天局之間的國際合作。
但在我們轉向JWST並忘記哈勃望遠鏡之前，也許辛勤工作的望遠鏡值得壹試。由於哈勃望遠鏡無與倫比的發現，每個人都可以欣賞到地球大氣層之外的迷人圖像。