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哈勃传奇:25岁生日快乐!

脑洞大开 爱 好奇 1736浏览 0评论 来自微信:机器之心 | almosthuman2014

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本文来源Nature,机器之心微胖编译,封面创作汪汪

哈勃25岁生日之际,为你带来一场视听盛宴。

4月24日,哈勃太空望远镜将迎来自己25岁生日。25年前的今天,哈勃搭载发现号宇宙飞船从佛罗里达的卡纳维拉尔角发射升空,进入低地球轨道。

哈勃是由NASA和ESA合作完成的人类第一台太空观察望远镜,不仅给天体物理学带来革命性影响,也给千家万户送去了激动人心的科学发现。如果让人们给这台望远镜命名,几乎所有的人都会叫 它 「哈勃(Hubble)」 。

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哈勃环绕地球一周仅需一个小时半(96、97分钟——译者),如今,它已围绕地球轨道运行130,000多圈,记录下从尘云到遥远星系等超过1百万个天体。 12,800多篇科研文章使用了哈勃的“作品”,并被引用550,000多次, 哈勃因此成为历史上最多产的科学仪器。

哈勃的成功秘诀是什么?长寿、颇具前瞻性地开放数据、卓越的归档能力、关注社会要求、拥有一支宇航局、天文学家、科学家和工程师们组成的专门团队等等,都是成功的关键要素。正是它们,让最初似乎注定的巨大失败——发射数周后,发现望远镜主镜厚度打磨偏差——变成科学壮举。

83 镜面和光学系统,是哈勃的核心。这是柯达公司(多么令人怀念的名字…..)采用传统办法制作的备镜,收藏于Smithsonian学会。

值此哈勃进入最后一个多产的十年之际,随着继任者詹姆斯韦伯太空望远镜 (JWST)发射日程日益临近(2018年——译者),回顾哈勃传奇过往、反思经验教训,正当时。哈勃帮助我们回答了天文学中最有趣的问题,我们也应该继续心怀远大梦想,让科研雄心超越预算担忧。 依我之见,应将探索太阳系外文明置于首位。那种强大到能够观测类地外行星大气中的生命迹象的太空望远镜值得成为继任者。

84 当之无愧的NO.1 ,该图片是为了纪念 NASA/ESA21周岁拍摄的,是一堆正在交互中的星系,被称作Arp 273 。两个星系中较大的那个扭曲的形状展示了其与那个较小星系如潮水般的互动 。

一切尽在细节中

哈勃最伟大之处并不十分归功于那些证实其他观察结果的奇异发现。当望远镜将新的发现细节摆在 天文物理学家们面前,他们就必须 修正自己的宇宙理论。

哈勃离地560公里左右,位于地球大气层之上,这让哈勃的出色观测力有了保障。由于不受气辉( airglow)(大气化学过程中产生的微弱发光现象)和大气湍流的干扰,哈勃的分辨率很高并能侦测到微弱发光的物体,尽管按照今天的标准(8—10米),主镜口径2.4米显得有些过小。它将分辨力提高至0.07角秒——如同于3公里之外辨识一角硬币上的年份。哈勃观测结果要 比任何地基观测台的观测结果要精细10倍。

85 最著名的行星状星云之一(M57)

哈勃壮举及其超越

太空维修服务延长了哈勃寿命,也为其完成未来任务奠定基础。

1990

4月24日搭乘发现号发射升空。6月25日发现主镜厚度打磨偏差造成了球面相差。

1993

第 一次维修 ,给「近视」哈勃(Hubble)的主镜面戴上矫正「眼镜」, 广域和行星相机(WFPC)被更换为新的相机(WFPC2)

86 经对比,疗效还是很明显

87 第一次维修工作

1996

发放第一张哈勃深域图片,展示遥远星系。

1997, 1999 & 2002

维修任务,添加了一个摄谱仪和红外摄像头, 修复磨损的陀螺仪并让望远镜保持正确指向,替换了一个摄像头和太阳能电池板。

2004, 2007

成像摄谱仪断电(2004),相机断电(2007)

2008

哈勃望远镜展示了太阳系外行星北落师门b

88 北落师门星 (Formalhaut),有木有觉得像索伦之眼?

2009

大量修补工作,安装了新的相机和摄谱仪。

2011

完成第一百万次观测任务,使用哈勃数据的第一万份科研论文出炉(有关超新星)

2018

詹姆斯韦伯望远镜 ( 红外线观测用太空望远镜, 斥资88亿美元—— 译者)将开启太空之旅

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~ 2024

发射广域红外勘测望远镜/天文物理学焦点望远镜(WFIRST/AFTA)

~ 2030

发射新的观测台,摄像、描述系外行星。

望远镜能够观测到从紫外到近红外的波长,那些因大气阻挡而无法被地面天文学家观测到的波长,也包括在内。哈勃的紫外线观测能力是任何当前的望远镜及其前辈的100倍。

哈勃最初想要解决的三个问题是:测量宇宙膨胀速度、银河系如何进化以及探测星际之间漫射气体云团的结构。哈勃不仅不辱使命,还一路提供了超乎预料的壮美景观。 我选择了几个最重要的科研成就。

90 艺术作品:另一颗太阳的耀斑

最伟大的成就

哈勃的第一个任务是降低宇宙膨胀速率—— 「哈勃常数(Hubble constant) 」(以常数发现者 Edwin Hubble命名)——的不确定性。 1994年到2011年,不确定性由50%降低到只 有百分之几(3.3%——译者)。在哈勃帮助下,我们确定了宇宙年龄大约为138亿年(137.5亿年左右——译者)。将借助一系列「 造父变星」的脉动变星的亮度变化推算它们距离的办法应用到更为遥远的星系,得出更为精确的常数值。

1998年,哈伯确定宇宙膨胀正在加速,动力源于神秘的 「暗能量( dark energy)」。通过观测超新星 ——爆炸中的恒星——获得的这一成果已超出地基望远镜的观测范围。 理解这种暗物质的性质成为摆在物理学家面前最重大挑战之一。

91 100亿年前的一个超新星帮助天文学家证明了宇宙中暗能量的存在

望远镜勾勒出宇宙时间里恒星的「演化纲要」。 从 1995年到2014年,在一系列大约为期十天的观测中,哈勃专注盯着小天区,,其所达到的深度,远甚于以往任何仪器。相关成果专辑被称为「 哈勃深域(Hubble Deep Fields)」。由于哈勃发现 许多星系在宇宙大爆炸五亿年后就已经存在了,对最初恒星如何形成、变热并再次电离宇宙的各种观点提出了巨大挑战。 天文学家们仍在试图完全理解为什么新恒星诞生的速度大约在100亿年前达到顶峰。

92 哈勃超深空场域(HUDF) 描绘了远古时代的星系图景,根据大爆炸理论,它们处于一个更年轻、更致密且更炽热的宇宙。

借由高分辨率观测恒星和星际中心气体变化,哈勃证明几乎所有的星系的中心都有一个超级庞大的黑洞(核心质量数百万甚至数十亿倍于太 阳)。 黑洞的质量尺度与周围恒星的「膨胀」表明星系和黑洞一起进化。

93 多亏了哈勃,现在已经知道超大质量黑洞普遍存在于绝大多数星系的中心。椭圆星系M87中的超大质量黑洞射出了一道巨大的喷流。

哈勃太空望远镜首次确定了一些巨大的太阳系外行星的大气化学成分,2001年, 元素的光谱特征表明大气含钠;2008年证实大气化学成分包含分子水和甲烷等。我们未来需要借助 一个更大的望远镜来确定在太阳系外岩态行星大气中的生命物质迹象 ——比如,氧气和叶绿素等。

94 蝴蝶星云

成功秘诀

哈勃的成功,并不只在于其雄厚的科学实力。宇航员的5次维修任务——1993、1997、1999、2002和2009————让望远镜如获新生。

机会总是留给有准备的人。其他四个让哈勃生产力如虎添翼的因素包括:快速获取并公开数据、高效且容易获取的归档;从事风险项目以及稳健的基金与奖学金制度。

根据主管人员的自由裁量,哈勃可以留出观测时间的10%从事宏大、时序要求严格( time-critical )或非传统的观测,在这些观测活动中, 创造性思维为王。哈勃深度场域的观测就是在当时 太空望远镜科学研究所( STScI )主任Robert Williams倡导、指导下完成的。其他观测活动,包括夏威夷和智利的双子天文台、亚利桑那的大型双筒望远镜,都贯彻了这一思路。

在哈勃观测数据公布于众之前,研究人员要花上一年时间对其进行分析。不过,特殊数据,比如哈勃深度场域的数据组,会立刻向 公众开放。哈勃并不是第一个采取这种数据政策的科研仪器,但是,它确实激励了其他同行如法炮制:比如,2004年发射的「伽玛暴快速反应探测器」 (雨燕卫星——译者)的数据就是及时公开的。

从一开始,哈勃的数据归档和传播就比其他天文台更加严格、也更加高度自动化。在过去十年里,每年以归档数据为基础的论文要多于使用专有数据的论文:2014年,302篇论文完全依赖归档数据;293篇论文使用了专有数据。1993年,欧洲南方天文台借鉴了哈勃的数据归档机制。

所有被分配到的哈勃观测活动都会得到NASA的科研资助,以确保观测数据能够及时获得分析及传播。自从1990年以来,超过4600份哈勃计划获得通过,资助费用总额高达5亿美元。

该项目也资助新一代顶尖研究人员。1990年以来,已诞生了352位哈勃研究人员——博士后研究人员,接受资助在美国大学独立从事与哈勃有关的研究工作。1993年以来,已有500位PhD使用了哈勃数据。

民众的望远镜

哈勃已经改变了科学宣传教育的面貌 。 太空望远镜科学研究所(STScI)的公共宣传办公室从一开始就从事提供新闻稿,在线宣传以及针对学校、科研中心和天文馆相关教育等方面的宣传工作。在研究所中设立这样一个办公室——位于马里兰州约翰霍普金斯大学校园——确保了职业宇航员能够参与其中。由其设立的 网站( hubblesite.org),界面友好、非常吸引人,每年用户流量数以亿计。

在在线面向学校传播天文资料方面,哈勃可谓先行者。 如今,仅在美国,每年天文资讯材料受众已达6百万学生和50万教育人员。办公室也在世界多国科学中心,多媒体展示星系、系外行星以及黑洞。

哈勃的摄影图片—— 英国艺术批评家 Jonathan Jones称之为「我们这个时代最耀眼的美丽艺术品 」——已经渗透进大众文化中。有一个专门的 团队确保图片质量。哈勃拍下的景观已经被从巴尔的摩到威尼斯的艺术展收录。它们装饰着书籍、音乐专辑的封面,比如,珍珠果酱乐队于2000年发行的Binaural专辑,就是受到当代古典音乐(比如,作曲家 Paola Prestini的The Hubble Cantata) 和舞蹈的启示。以下为The Hubble Cantata的预告片:

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这是珍珠果酱乐队 Binaural专辑封面: Hourglass星云 ,被称为宇宙的沙漏

专辑欣赏:

现在该怎么办?

哈勃的成功已经证明,较之削足适履地满足紧张预算,全力资助正确实验的做法更为明智。同样,未来主要的天文事业应该是:确定最重要的问题;决定找到问题答案的方法及其可行性;预估项目成本;评价是否值得投资以及采取行动。认真预算、监管,避免成本透支。

依我之见,天文学中最具启发性的问题当属太阳系之外是否存在生命。感谢开普勒太空望远镜,我们已经知道银河系恒星周围的「适居带」充满数以百计、千计的类地行星,这一空间地带使得其中行星岩石表面存在液态水。

下一步已经摆在面前。2017年, 凌日系外 行星 勘测人造 卫星 ( TESS)将被发射 升空,旨在寻找低质量恒星周围「适居带」中少数重于地球的类地行星。这些行星的轨道周期比较短,它们围绕的恒星发出的光比较微弱,因此比较容易观测到。 接下来,詹姆斯韦伯望远镜将于2018年发生升空,发射广域红外勘测望远镜/天文物理学焦点望远镜(WFIRST/AFTA)计划于2024年左右发射,它们会在这些行星的大气中寻找水或其他分子。

我们需要功能更加强大的望远镜,给银河系的生命究竟有多普遍或稀有这样的问题一个有意义的统计上的约束。一台带有口径12米、分辨率是哈勃25倍的镜面的太空望远镜才能拍摄到距离它恒星附近的行星,并检测到如幽灵般的大气中的氧气和其他生物特征。 发射广域红外勘测望远镜/天文物理学焦点望远镜(WFIRST/AFTA)将被用来检测比它的恒星微弱近10亿倍的行星;这种对比度将被要求用来拍摄类似太阳恒星身边的类地行星。

我们需要观测50个左右这样的行星样本。计 算表明,如果超过三打的地类行星上 没有检测到生物特征,那么,在我们银河系附近远程探测太阳系外生活的可能性将小于约10%。

今年6月,大学天文研究协会(AURA)将会刊发有关 这种「高清」望远镜的报告。现在,我们要做的是:首先,NASA、ESA和其他潜在合作伙伴应该成立一个小组,检查这该相互。加快技术研发,让2030发射成为可能。

与此同时,我也乐意实质增加搜寻地外文明计划( SETI)的经费。只要再多资助1亿美元(可能来自私人捐助),就能加快行动进程——十年内搜索1亿颗恒星,找寻暗示智慧生命存在的无线电或光信号。 虽然成功几率不高,但是,回报将是巨大的。

「茫茫宇宙,人类是否形单影只? 」人类历史上第一次,答案变得触手可及。在 接下来25年的科研日程上,探寻宇宙生命应该居于要位。

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