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哈伯寶藏:哈伯太空望遠鏡30年偉大探索與傳世影像

Hubble Legacy: 30 Years of Discoveries and Images

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內容簡介

  太陽發出的光要八分半鐘才會抵達地球,因此我們看到的太陽是它八分半鐘之前的樣子。同理,往太空愈深處望去,看到的就是愈久以前的太空。哈伯太空望遠鏡能看見太空非常久以前的樣子,包括數百萬、甚至數十億年前的恆星、星雲和星系。
  
  哈伯揭露的宇宙起源和演變歷程,遠超過其他太空望遠鏡。要是沒有哈伯,我們就不可能準確地知道大爆炸發生在將近138億年前,或者大質量黑洞在宇宙中很普遍,或者需要更多證據支持暗物質的存在。2020年4月,這架當代最重要的望遠鏡已經滿30歲,並進入可用年限的最後階段。哈伯先前已歷經五次太空維護任務,為本書撰寫序言的太空人約翰.格倫斯菲爾德參與了其中三次,今後哈伯將不再接受實體維護,但在停止運作之後,哈伯的遺產仍會長久傳承下去。
  
  本書作者吉姆.貝爾教授是使用哈伯望遠鏡的天文學家,也是頂尖太空攝影專家,他在這本精采的專書中細數哈伯的所有成就,我們會了解哈伯如何拓展人類對宇宙的認識,以及我們在宇宙中的位置。
 
本書特色
 
  自1990年發射升空至今,哈伯太空望遠鏡捕捉到無以數計的壯麗影像,包括太陽系與系外行星、遙遠的衛星、大量的小行星、行蹤飄忽的彗星、爆炸的恆星、高聳的星雲,以及碰撞中的星系。不過,由於NASA已不再對哈伯望遠鏡進行實體維修,這架「時光機」很可能會在不久的未來停止運作,因此,使用哈伯進行觀測研究的天文學家、也是頂尖太空攝影專家吉姆.貝爾教授寫下了這本終極版的哈伯專書,向哈伯望遠鏡服役30週年誌慶,並回顧它為天文知識帶來的眾多進展。書中包含五大重點:
  ■以大尺寸高解析畫面呈現歷來最經典的哈伯天體照片
  ■詳細解說這些拍攝成果在天文學上的意義
  ■哈伯帶來的重大發現與後續研究
  ■使哈伯的建造、維護與升級得以實現的工程技術
  ■哈伯的下一步,以及繼哈伯之後的太空望遠鏡計畫
 

作者介紹

作者簡介
 
吉姆.貝爾(Jim Bell)博士
 
  美國亞利桑那州大學地球與太空探索學院(School of Earth and Space Exploration)教授,美國航太總署(NASA)噴射推進實驗室訪問科學家。他深度參與了NASA的多項機器人太空探索任務,包括近地小行星會合號(NEAR)、火星探路者號(Mars Pathfinder )、火星探測車(精神號、機會號、好奇號和火星2020號)、火星奧德賽號軌道器(Mars Odyssey Orbiter)、火星偵察號軌道器(Mars Reconnaissance Orbiter)、月球勘測軌道器(Mars Reconnaissance Orbiter)和靈神星軌道器。貝爾也是行星學會(The Planetary Society)會長,並曾在2011榮獲由美國天文學會頒發的卡爾.薩根獎(Carl Sagan Medal)。
 
譯者簡介
 
徐麗婷
 
  政大應用物理所兼任助理教授,北市天文館期刊《臺北星空》的特約作者。於德國慕尼黑大學取得物理博士學位,博士論文即是以哈伯太空望遠鏡的觀測結果作為主要的研究資料來源。曾於德國馬克斯.普朗克地外物理研究所、中研院天文物理研究所從事研究工作。目前專注於科普教學、寫作和翻譯。此外,平時並帶領科普讀書會,積極推廣天文科普知識,希望能以淺顯的語言文字讓大眾領會科學之美。
 

目錄

序言 ………………x
前言 ………………1
工程與歷史 ………10
科學 ……………….36
太陽系..................... 38
恆星 …………………72
星雲............................102
星系 …………………134
遙遠的宇宙..................166
超越哈伯......................188
備註和延伸閱讀......... 196
索引 …………………200
謝誌 …………………204
圖片來源 ……………205
 

序言
 
約翰.格倫斯菲爾德(John M. Grunsfeld)博士
天文物理學家/太空人,外號「哈伯修理工」
 

  幾千年來,人類一直仰望夜空,希望從星星的排列,以及月亮、行星與偶爾出現的彗星曲折的移動路徑中找到意義。現代文明並未改變我們對宇宙奧祕的熱愛,我們對宇宙本質的好奇心更是不減反增。我們知道宇宙誕生於138億年前的「大霹靂」,並不斷地膨脹成今日透過望遠鏡所見到的星系分布,有了望遠鏡,我們的視野得以擴展到遠遠超出祖先所能看到的範圍。所以我們知道宇宙中散布著黑洞、在夜空中看得見的恆星幾乎都有行星環繞。這些知識要歸功於天文學家,他們投入一生研究地面與太空望遠鏡取得的數據;同時也要歸功於那些以無比巧思建造天文臺的工程師和技術人員。哈伯太空望遠鏡就是這樣一座位於太空的天文臺,它在天文發現史上占有獨特的地位。哈伯望遠鏡所獲得新發現的廣度和深度,使得它可能是人類有史以來建造過最重要的科學儀器。我們慶祝1990年哈伯發射30週年之際,同時也在慶祝人類追求知識這趟不可思議的發現之旅。
 
  哈伯太空望遠鏡的觀測結果有助於為古老的問題提供解答,例如:我們從哪裡來?物質、恆星、行星、星系,以及組成我們的化學元素是從哪裡來的?我們將會去哪裡?我們太陽系的未來軌跡是什麼?太陽的未來和我們宇宙中星系的命運是什麼?黑洞存在嗎?(是的!)鄰近的恆星周圍有行星嗎?(是的!)
 
  然而,所有的這些科學議題在某方面與哈伯最重要的成就相比,都顯得黯然失色:哈伯相機所拍攝的影像中,向我們展示的宇宙比我們想像的更豐富、更美麗。這本書中所呈現的這些如今已為人熟知的圖片,啟發了世界各地的人,振奮了我們的精神,也激發了我們的好奇心。
 
  哈伯太空望遠鏡儘管帶來了許多奇蹟和讚嘆,但這輝煌的30年其實過得並不安穩。1990年,哈伯才剛由發現號太空梭送上太空就停擺了,而且幾乎沒人預期它會成功。因為這座指標性望遠鏡的2.4公尺主鏡(見第4頁)有一個製作上的小缺陷,導致第一次拍出來的影像模糊不清,天文學家擔心這項任務可能會近乎完全失敗。投入這架望遠鏡的金額高達數十億美元,公眾和美國國會對於哈伯竟然在光學系統上出問題感到困惑和憤怒。更糟糕的是,哈伯成為深夜電視節目上的笑柄和社論漫畫家的素材。但是,對所有人來說幸運的是,這不是故事的結束,而是一段奇妙旅程的開始,我們不僅拯救了望遠鏡,還將它的視野擴展到最初建造時無法想像的境界。
  
  當時在NASA領導階層的支持下,傑出的哈伯設計師想到了望遠鏡的一項獨特優勢:利用太空梭將望遠鏡送入地球軌道的載運方式,能夠在後續的任務中由太空人為望遠鏡提供維修服務。於是這開啟了公認最著名的太空梭任務之一——修理和維護哈伯太空望遠鏡。1993年由奮進號太空梭執行的第一次維護任務,攜帶了新的儀器和校正光學組件,以「消除」主鏡的錯誤設計(見第4頁和第5頁)。
 
  不誇張地說,NASA的未來、和往後的載人太空計劃都可能因此而存廢不明。值得慶幸的是,儘管面臨許多技術和人力的挑戰,我們仍然非常成功地完成了這個任務。從1993至2009年期間,總共執行了五次哈伯任務,每一次都挑戰了所有相關的工程師、科學家、技術人員、管理人員和太空人的聰明才智和毅力。我有幸參與了五次中的三次飛行任務,以太空漫步來升級和維修望遠鏡。
 
  1997年,我被指派執行我個人的第三次太空飛行任務,這同時也是哈伯的第三次維護任務。作為一名天文物理學家,這是太空梭任務的「聖杯」(holy grail)。我們計劃進行創紀錄的六次太空漫步,將會對幾個哈伯天文臺的系統執行大整修,並且安裝一個新的高解析度相機。但是僅僅兩年後,哈伯再度向我們發出了新挑戰。1999年,望遠鏡的陀螺儀有一半出現故障,哈伯很有可能因此而停止對宇宙的觀測。所以同年12月,我們搭乘發現號太空梭出發與哈伯會合,進行只有3次太空漫步的簡短救援任務。
 
  我們在那次任務中安裝了新的陀螺儀、新的電腦、和其他設備以維持哈伯的順利運轉。在這個任務中,我也執行了我的第一次太空漫步,並且擁有與哈伯近距離接觸的機會。1999年平安夜,我有幸與我的搭檔史蒂文.史密斯(Steve Smith)進行最後一次太空漫步。聖誕節那天,我們釋放了望遠鏡,讓它繼續發現、探索和觀測太空的使命。一臺能順利運作的哈伯天文臺是送給人類最棒的禮物。
 
  在那次成功的任務之後,我被任命為酬載指揮官,負責指揮2002年哥倫比亞號太空梭任務中的太空漫步。這個任務是原先就計畫好的第三次維護任務,只是中途因為陀螺儀故障而被臨時安插另一項維修任務。在這次任務中,我們為哈伯安裝了一款新型的高解析度數位相機——先進巡天相機(Advanced Camera for Surveys)。這臺卓越的相機日後拍攝到能夠證實宇宙正在加速膨脹的數據,進而使得亞當.瑞斯(Adam Riess)、布萊恩.施密特(Brian Schmidt)和索歐.珀爾馬特(Saul Perlmutter)獲得了2011年諾貝爾物理獎。
 
  然而,在哈伯能夠做出這項貢獻之前,我們必須先修復望遠鏡主要的電力控制器。如果修復不了,哈伯將永遠停止運作。但是這次的修復工作,從來沒有實際在太空中執行過,如果我們操作錯誤,哈伯就會立刻停止運轉。多虧了位於馬里蘭州的NASA戈達德太空飛行中心(Goddard Space Flight Center)工程師的高超才華與善用資源的能力,以及休士頓的NASA詹森太空中心(Johnson Space Center)了不起的太空漫步教練和操作員團隊,我們才得以實現幾乎不可能完成的任務,在第三次太空漫步時更換了故障的裝置。我和我的太空漫步夥伴理查.林納漢(Rick Linnehan)一起進行修復工作,他的專業是獸醫。哈伯再度避開了一次危機而得以繼續服役下去。
 
  不幸的是,2003年哥倫比亞號太空梭在成功完成科學任務之後,於返回地球的途中失事。這對NASA、太空工程界和一般大眾都是一個沉重的打擊。同時也讓人懷疑最後的第五次哈伯維護任務是否能如期進行。執行哈伯任務時,並不像國際太空站任務一樣有機會停留在「避風港」中。終於,經過多次辯論之後,哈伯最後一次的太空梭任務出現在飛行計畫當中。我再一次領導太空漫步團隊進行一共五次的任務。這次任務的太空梭指揮官史考特.奧特曼(Scott Altman)和機械工程師麥克.馬西米諾(Mike Massimino)都在先前的哈伯任務中與我共事過。另外還加入了首次執勤的太空人梅根.麥克阿瑟(Megan McArthur)、安德魯.費斯特(Drew Feustel,他是我太空漫步任務的夥伴)、葛瑞格里.強生(Greg Johnson)和 麥克.古德(Mike Good)。為了降低我們組員被困在太空中的風險,奮進號太空梭在第二發射臺上隨時待命,以防萬一我們需要救援。 
 
  我們這趟亞特蘭提斯號太空梭任務的目標頗為艱鉅,要安裝第三代廣域相機(Wide Field Camera-3)、新電池、一套完整的新陀螺儀,和一個新的精細導星感測器 (Fine Guidance Sensor),同時還要修理故障的太空望遠鏡影像攝譜儀(Space Telescope Imaging Spectrometer)和強大的先進巡天相機。由工程師、飛行控制員、技術人員、發射團隊和支援人員組成的天才團隊再一次完美表現,我們達成了比原本設定更多的目標。2009年5月19日,我們把哈伯放回軌道時,哈伯正處於它太空生涯的最佳狀態,所有儀器都修理好了,也加裝了新的廣域相機,準備以完善的裝備揭開更多的宇宙奧祕。
 
  當哈伯第一次被釋放到太空中時,很少人想像得到它會在軌道上持續運作30年。當初預估的望遠鏡壽命是15年。如果沒有維護任務,哈伯不可能達成它現在所實現的科學探索與發現。從缺陷鏡面的校正、到陀螺儀故障、相機損壞、電力系統故障等等,一次又一次在地球表面和太空中合力完成的修復工作都非常重要。作為太空史上最有膽識、技術最複雜的太空任務,哈伯的五次維護任務必將名留青史。
 
  世界上有將近一半的人口,也就是30歲以下的人,根本不知道沒有哈伯太空望遠鏡的世界。當我們凝視哈伯拍攝的美妙影像時,我們不會記得早期的失望、困境或挑戰。我們欣賞的是哈伯所展示的宇宙之美。哈伯望遠鏡的未來雖然愈來愈不確定,但它的貢獻是非常明確的。本書接下來就要頌揚這些貢獻,也為這部曾經深深打動我們的望遠鏡獲得的新發現留下記錄。
 
前言
 
  想像你有一臺很特別的時光機器,可以讓你看見非常遙遠的過去,只是你無法親自回到過去。聽很來很神奇,但是這個世界上其實有很多這樣的時光機器——我們稱之為「望遠鏡」。目前最強大、可以觀測到最遙遠過去的望遠鏡並不在地球上,而是繞行在距離地球表面約530公里高的軌道上。它就是哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope),有時我們就叫它「哈伯」,或是簡稱 HST。
 
  哈伯望遠鏡在1970年代後期獲得了計畫資金,然而在此之前30多年,嚴謹的大型太空望遠鏡計畫就已經開始醞釀了。1940年代後期,由普林斯頓大學的天文與物理學家萊曼.史匹哲(Lyman Spitzer)所發表的一篇研究論文,是「太空望遠鏡」這個想法誕生的重要里程碑。史匹哲在論文中提到,如果我們能夠發射大型望遠鏡到地球大氣以外的太空中,那麼相較於地面望遠鏡,甚至是那些高山上的天文臺,太空望遠鏡將會有兩個明顯的優勢。
 
  首先,同樣口徑的太空望遠鏡會比地面望遠鏡有更好的解析度,因為地面望遠鏡會受到地球大氣不斷「閃爍」的影響,造成聚焦效果變差而使影像模糊。這種閃爍現象天文學家稱之為「視相」(seeing),通常會導致地面望遠鏡無法得到理論上(沒有大氣影響的情況下)最佳的影像,即使在無雲的夜晚也是如此(當然在多雲的夜晚更是不可能得到任何影像)。太空望遠鏡的解析度則可以輕易地達到地面望遠鏡的十倍以上,只會受限於反射鏡或透鏡的物理條件,也就是史匹哲論文中所說光學系統的「繞射極限」(diffraction limit)。因為繞射極限直接與光學望遠鏡的口徑大小成正比,口徑愈大的太空望遠鏡,就會有愈好的解析度。 
 
  史匹哲論文中提到太空望遠鏡的第二個優勢是,它不會像地球大氣一樣把光譜中某些波段的光過濾掉。舉到來說,紫外線會大量地被大氣中的臭氧和其他氣體吸收,這對地球上的生物是有益處的。因為高能量的紫外線會快速破壞有機分子,所以如果大氣沒有過濾掉紫外線,生物將無法在地球上存活。但是,對於只能藉由紫外線來研究高能天文物理機制和事件的天文學家來說,大氣裡的臭氧就沒什麼幫助了。同樣地,天體的紅外線光譜中有很多原本可用來作為判讀指標的重要波段,也會被地球大氣中的水蒸氣、二氧化碳和其他氣體吸收,而無法到達地面望遠鏡。
 
  然而,在太空中,天文學家可以研究宇宙中所有波段的光。
 
  從理論到哈伯
 
  從史匹哲的理論到實際在太空中操作望遠鏡,花了很長一段時間。有部分原因是因為技術上的問題還沒解決,另外也是因為大家(包括美國國會)都知道這個計畫將所費不貲。光是經費的考量,就讓很多天文學家挺身而出反對太空望遠鏡的構想,他們擔心這項計畫將會花費所有(或大部分)聯邦政府投注在天文研究及相關儀器上的資金。 
 
  幸好在1960年代初期,當時新成立的美國國家太空總署(The National Aeronautics and Space Administration,簡稱NASA)提出的大型太空望遠鏡構想得到了美國國家科學院(National Academy of Sciences)背書;美國國家科學院是美國國會與總統在科學與技術研究政策上經常諮詢的單位。1960年代中期,NASA 與英國科學研究委員會(British Science Research Councils)已經發射並操作多個小型的太空望遠鏡,並且證明了觀測太陽與深空天體光譜中的紫外線波段,具有很大的科學發展潛力(這同樣也適用於光譜中更高能的X射線和伽瑪射線)。大約在此時,史匹哲自己正主導著國家科學院委員會,對於口徑長至3公尺的大太空望遠鏡(Large Space Telescope,簡稱LST)作探索研究。他不屈不撓地想要說服他那些還抱持懷疑的天文同事,雖然LST是筆很大的投資,但是潛在的科學回饋也是十分巨大的。NASA在1969年提出一個LST的發射計畫,並且部署一個不定期提供服務的太空載具(即所謂的太空梭)。
 
  遺憾的是,在1970到1980年代初,NASA的資金遇到了問題。在成本高昂阿波羅登月計畫之後,NASA縮減了計畫的規模和預算,這也成為國會和行政部門削減預算的箭靶。事實上在1974年,LST的計畫預算被國會從聯邦預算中全數刪除了。天文學家發起了全國性的遊說和寫信活動,再加上一份國家科學院適時的報告,這些行動強調了對太空望遠鏡的需求,並且幫助計畫恢復資金,但是僅達到預期的一半。因此,LST的設計者被迫將望遠鏡的口徑從3公尺縮小到約2.4公尺以降低成本。另一項節省資金的舉動是與歐洲太空總署(European Space Agency,簡稱ESA)合作,雙方協議ESA將提供太陽能板和一種望遠鏡儀器,以換取歐洲天文學家獲得15%的望遠鏡觀測時間。終於在1978 年,展開望遠鏡以及運輸用太空梭的詳細設計工作,並且計劃於1983年發射。 
 
  設計、建造和測試如此複雜的機器,主要需要兩個NASA研究機構的統合經驗和專業知識:位於阿拉巴馬州亨茨維爾的馬歇爾太空飛行中心(Marshall Space Flight Center)將負責建造望遠鏡本體;另一個位於馬里蘭州格林貝爾特的戈達德太空飛行中心(Goddard Space Flight Center)將負責儀器和地面控制中心。航太巨頭洛克希德(Lockheed)負責建造太空梭,並將望遠鏡整合進去。馬歇爾把望遠鏡的鏡面製造工作轉包給珀金埃爾默(Perkin Elmer)光學公司,他們在康乃狄克州的丹伯里設有鏡面研磨的工廠。
 
  事實證明這些任務在技術上是很艱難的,在鏡面製造和太空梭組裝與測試的過程中都發生了延誤和成本超支。由於必須解決不斷出現的問題,NASA持續地推遲發射日期,從1984年、1985年,最後是1986年。與此同時,NASA決定以美國天文學家愛德溫.哈伯(Edwin P. Hubble,1889-1953年)來命名望遠鏡,他是在1920年代末期到1930年代初期發現銀河系外星系的重要科學家。透過觀察那些遙遠星系的運動,哈伯也是最早發現宇宙正在膨脹的科學家之一,並且以此推論(若時光倒流)宇宙一定是數十億年前在一次難以想像的物質與能量大爆炸中產生——我們現在普遍稱此事件為大霹靂(Big Bang)。
 
  哈伯夢想成真
 
  根據NASA的官方說法,哈伯太空望遠鏡的目的是「收集宇宙天體的光線,使科學家得以更加了解我們身處的宇宙。」在這個總體目標中的一個關鍵點是,望遠鏡不僅可以測量光譜中的可見光,還可以觀測到紫外線(由於地球大氣層的屏蔽,地面望遠鏡不可能觀測到紫外線)。更具體地說,這個望遠鏡將能夠以極高的解析度來觀測由行星、衛星、小行星、彗星、恆星、星雲、星系和早期宇宙發出的光,並且有可能獲得新發現。事實上,或許哈伯最重要的一個目標,就是準確地測量宇宙的年齡,並且以精細得多的觀測結果來測定遙遠星系的膨脹率,進而改善以哈伯之名的望遠鏡觀測工作。
 
  1986年末,整個計畫在修改哈伯太空望遠鏡(簡稱HST)的發射日期後終於看起來不錯,但是一月挑戰者號太空梭在發射後不久的悲劇性爆炸,使整個太空梭團隊工作都停擺了。幾乎整座望遠鏡不得不被封存三年多以等待發射。最後,在1990年4月24日,發現號太空梭將哈伯送上太空。這個計畫花了十幾年的時間才走到這一步,成本從最初的4億美元爆增至47億美元以上。儘管如此,天文學家還是興高采烈地期待未來這個歷史性的望遠鏡可能帶來的新發現。
 
  然而,當他們發現望遠鏡嚴重失焦時,興高采烈的心情很快地轉變成失望。HST拍攝的第一張恆星和星系影像,理當應該非常清晰且詳細;但取而代之的卻是令人震驚地模糊和彌散。望遠鏡的解析度看起來比原本設計HST時所預期的要糟糕十倍,而且說實話也沒比當時的地面望遠鏡好上多少。這既是一場工程災難,也是一場公關災難。隨後的調查顯示,主鏡被製作成極其精確但卻又極其錯誤的形狀。HST的主鏡被磨得太平了,大約差了2.2微米,大概是人類頭髮直徑的五十分之一。雖然看起來差異不大,但對於這麼大的望遠鏡來說,這種效應(稱為「球面像差」)是很巨大的,並且讓儀器無法聚焦。
 
  最終,調查人員確認罪魁禍首是一個具有缺損的測試設備,這個設備是用於檢驗鏡面形狀是否正確。這也牽連到珀金埃爾默光學公司和NASA在管理和監督流程上的缺失,因此導致在這麼多年的製造和測試過程中竟然遺漏了如此大的錯誤。
 
  幸運的是,製作錯誤的望遠鏡主鏡被磨得極其完美,表面平滑到只有幾百個原子尺度大小的高低差距。因此,就像近視或遠視的人一樣,基本上可以設計出一副矯正眼鏡來修正望遠鏡的對焦。這個用來修正球面像差的新儀器很快地就交由貝爾航太集團(Ball Aerospace)來開始設計,這個新儀器名稱為「太空望遠鏡光軸補償校正光學」(Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement),簡稱COSTAR(見第21頁)。由於哈伯被放置在低地球軌道上,這是太空梭能夠前往作維修的高度,因此NASA得以在1993年12月發射COSTAR,進行為期十天的奮進號太空梭任務。這個任務稱為「第一次維護任務」(Servicing Mission 1)或簡稱為「SM-1」。隨後的測試顯示了修復任務執行得非常成功:影像變得如預期一般的清晰,而HST最終得以達到最初所設計的靈敏度和解析度。
 
  太空中的顏色:哈伯是如何工作的

 
  哈伯太空望遠鏡上的相機可以拍出壯麗的彩色照片,但大部分時候它們不是「真實的顏色」(即我們用肉眼就可以看到的顏色),而是由光譜上我們肉眼不可見的顏色所組成的,再以肉眼可見的「假色」輸出。這裡所看到的例子,就是著名蟹狀星雲的戲劇性假色合成影像,它是在公元1054年由附近一顆大質量恆星爆炸後四散的遺骸(見第109頁)。這張照片是先把地面和太空望遠鏡所分別拍攝到的不同電磁波段影像(見右邊上方的單張照片),重新定義成給我們肉眼可見的紅色、綠色和藍色,再進行假色影像的合成。光譜上不同的波段分別透露出星雲中不同部位的訊息:電波影像(VLA)可以顯示出磁場分布圖;紅外線影像(史匹哲太空望遠鏡)可以穿透充滿塵埃的區域,描繪出埋藏在最深處的天體結構;可見光影像(哈伯)可以繪製出星雲中氫氣的分布圖;紫外線影像(Astro-1太空望遠鏡)描繪出較冷、能量較低的電子分布;而X射線影像(錢卓太空望遠鏡)則是顯示出從螃蟹中心快速旋轉的脈衝星中所噴出的熾熱電子。
 
  走入歷史的哈伯儀器
 
  哈伯到目前為止30年的生命中,包括COSTAR在內,使用了十幾種不同的儀器來達成驚人的科學成果。望遠鏡最初發射時配備了五種儀器:
  
  1.一臺由NASA的噴射推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory,簡稱JPL)所製造、具有廣角視野和更高解析度的廣角和行星相機(Wide Field and Planetary Camera,簡稱為WFPC,發音為「wiff-pic」)。
  2.另一臺相機是由ESA所資助的暗天體相機(Faint Object Camera,簡稱為FOC),其設計是以極高的靈敏度來觀測最暗、最遠的天體。
  3.一臺由NASA的戈達德太空飛行中心(Goddard Space Flight Center)製作的光譜儀,稱為戈達德高解析攝譜儀(Goddard High Resolution Spectrograph,簡稱GHRS)。
  4.一臺由加州大學-聖地亞哥分校所製作的光譜儀,稱為暗天體攝譜儀(Faint Object Spectrograph,簡稱為FOS)。
  5.一臺由威斯康辛大學所製造的高速光度計(High Speed Photometer,簡稱為HSP),其設計是用來研究在超新星爆炸和其他天文物理事件中快速改變的光度變化。
 
  哈伯的這五臺儀器,經過五次的太空梭維護任務之後,最後全部都被更先進、功能更強大的版本所取代(見第25頁「哈伯維護任務」)。
 
  哈伯的貢獻
 
  說哈伯太空望遠鏡徹底改革了現代天文科學一點也不誇張。哈伯讓研究人員能夠非常精確地計算宇宙的膨脹率,藉此透露了大霹靂極有可能發生在 137.99 億年前(正負誤差僅約2000 萬年!)。哈伯收集了相關研究以來最暗、最遙遠天體的光,提供了人們瞭解星系起源與演化所需要的關鍵數據,這些數據可以追溯到宇宙早期生成的第一個星系。在哈伯30年的歷史中,還有其他大量的科學發現和高品質的產出:第一張系外行星圍繞著另一顆恆星的可見光圖像;第一個也是目前為止能夠最準確地證實暗物質存在的測量結果;捕捉到恆星誕生和死亡其細緻又壯麗的圖像;發現超大質量黑洞在宇宙中是很常見的現象;驚訝地發現在撞擊事件中所釋放出來的巨大能量,例如1994年舒梅克-李維九號彗星與木星的碰撞(見第40和41頁);發現和分析新的太陽系衛星、行星環、小行星和彗星,以及其他不勝枚舉的例子。以上這些和其他能描述哈伯成就的重要發現,都有在本書的目錄當中突顯出來。
 
  我們也可以毫不誇張地說,哈伯另一項重要的貢獻就是實踐它的公眾責任:讓天文學和太空科學可以重新普及並且增進大眾的參與度。每年有數百萬人造訪太空望遠鏡科學研究所(Space Telescope Science Institute,縮寫為STScI)的網站,並且下載大量壯觀的高解析度照片、海報和螢幕保護程式。每年哈伯的分析資料都會顯著地在數十種NASA和ESA的新聞發佈平臺上發表,而這些研究成果會再被數百家傳統和網路媒體相中並傳播。好萊塢和國際間的電視及電影藝術家——尤其是科幻小說類型——經常使用哈伯的照片作為情境和背景。以我的經驗來看,當太空或夜空中發生任何有趣的事情時,大部分人都希望哈伯太空望遠鏡能夠參與其中。在經過了艱難的孕育期和麻煩的青少年時期之後,哈伯已經成長得非常成功且富有盛名。事實上,由於它英雄般的形象已經深植於我們集體的文化和精神中,而我相信不僅僅是在美國和歐洲,對於全世界數億的人來說,哈伯已經成為他們的望遠鏡。
 
  哈伯是NASA於1990年至2003年間發射到太空的四座「偉大的天文臺」之一,也是唯一專門設計主要以紫外線和可見光波長來觀察宇宙的天文臺。其他三個偉大的天文臺:康普頓伽瑪射線天文臺(Compton Gamma Ray Observatory)於1991年由亞特蘭蒂斯號太空梭發射升空,其設計是要用來探測高能天文物理事件和過程;錢卓X射線天文臺於1999年由哥倫比亞號太空梭發射升空,其設計是要用來研究能量稍低一點的天體;史匹哲太空望遠鏡於2003年由德爾塔Ⅱ型火箭發射升空,目的是讓天體紅外線(熱)輻射的研究更加完善。依照哈伯的命名模式,NASA會以一位有成就的天文學家、同時也是宇宙研究先驅者的名字,來為每座具有獨特觀測波段的天文臺命名。那座以萊曼.史匹哲來命名的紅外線太空望遠鏡,就是感謝他為了籌措美國和國際政府的投資而長期奔走,而這些資金也成就了這些非凡的歷史性天文臺以及其可觀的科學進展。
 
  可能在2020年代的某個時刻,哈伯望遠鏡最終將停止運轉、並且依照計劃「經控制脫離軌道」進入地球大氣層燒毀,然而哈伯所遺留下來的產物實際上將繼續存留很長時間。那些產物包括數以萬計的影像和數據,將由位於馬里蘭州巴爾的摩的太空望遠鏡科學研究所裡經驗豐富且敬業的科學和工程人員,作資料處理並永久存檔。哈伯驚人的影像和數據已經幫助我們徹底改變了對宇宙的認識,當我們對資料進行更深入的分析可能還有更多未知的新發現等著我們。同樣的,STScI和世界上其他類似的研究中心所獲得的經驗,教會了我們如何操作和「駕駛」太空中的大型望遠鏡。那些負責設計、建造、操作、和經由哈伯太空望遠鏡這樣驚人的時光機器所獲得新發現的專家們,他們所積累的經驗和專業知識,也將在未來幾十年導引著下一代天文學家和不可思議的新太空天文臺前進。
 

詳細資料

  • ISBN:9789860693430
  • 規格:精裝 / 224頁 / 23 x 27 x 3.14 cm / 普通級 / 全彩印刷 / 初版
  • 出版地:台灣
 

內容連載

現代時光機
 
1990–2020
 
為什麼要把望遠鏡放在太空中?建在固定的地面上,例如在遠離城市燈光的高山頂上,不是更容易嗎?世界上最大的望遠鏡比哈伯太空望遠鏡大很多倍。這麼「小」的望遠鏡怎麼可能有競爭力?自從1940年代首次認真考慮太空望遠鏡的想法以來,這些都是必須回答的好問題。這些問題也在哈伯30年的歷史中,持續推動它的修復、維護和升級需求。
 
過去30年間,地面望遠鏡的口徑不斷加大,也獲得了驚人的天文發現,然而哈伯已經占據了幾個特殊的「小眾市場」,並且證明它的持續觀測是有必要性的。例如,地表上沒有任何望遠鏡可以觀測到宇宙中的紫外線輻射,因此我們無法了解大量的高能行星和天文物理機制,因為這些能量只能在光譜的紫外線波段中被偵測並研究。另外,哈伯在遠離地球大氣閃爍干擾的上方觀察宇宙,與口徑五倍大的地面望遠鏡相比,哈伯可以拍攝到的影像解析度是十倍以上,且穩定清晰。
 
然而,哈伯最重要的利器(也是已受到驗證的能力),或許是它能比其他人類建造的機器看到更久遠以前的時空。因為光速是有限的,就定義而言,眺望太空意味著回顧過去(例如,我們看到的太陽光是8.5分鐘以前從太陽發射出來的;距離太陽最近的比鄰星發出的光是它4.2年前看起來的樣子;而我們現在看到的仙女座星系是它200多萬年前的樣子)。因為哈伯能盯著某一小塊天空連續觀察幾天或幾週,不受雲、霧霾或城市燈光的干擾,所以能帶我們看見數十億年前星系的樣子,回到宇宙可能只有幾億年歷史、而且比現在小得多的時空。
 
當然,哈伯太空望遠鏡能夠例行性地研究行星、恆星、星系和其他在宇宙最初幾億年生成的天體,我們就能利用它來紀錄整個宇宙的起源和演化編年史。如果你有一臺時光機,這不是你會用來做的事嗎?

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