服务30年，哈勃为何正在坠向地球？

1. 服务30年，哈勃为何正在坠向地球？

如果眼睛是人类心灵的窗户，那么天空就是宇宙为人类敞开的一扇通往真理的大门，科学的发展来源于人类对自然表象的观察、分析、总结和验证，在这个过程中我们人类才得以一步一步的接近万物的本质。其中最重要的一点离不开看与观察！


那么望远镜的出现与发展就为人类的视野插上了一双腾飞的翅膀，尤其是自1990年，哈勃望远镜被送上太空以后，它以前所未有的方式在观察宇宙，其视野的深度、广度和清晰度彻底改变了人类心目中的宇宙。目前哈勃升空已有30年，明天就是哈勃的周年纪念日，但往后的每分每秒对哈勃来说都将是最珍贵的时间。


因为自哈勃升空以来，我们已经对其进行了5次维护任务，其中最后一次是在2009年，在5次的维护任务中，我们对其更换了两次广角/行星照相机、修正了光学系统、更换了受损的部件和电池，并将哈勃的提升到了更高的轨道。但是随着NASA航天飞机的退役，其轨道跟国际空间站不再一个高度，NASA已经停止了对哈勃的维护任务，那么迎接哈勃的未来将是无人“无人照管”的状态。


就算哈勃的各种观测仪器、制导系统、陀螺仪、电池以及通讯设备能够一直工作不会失效，哈勃的命运也会在未来不可避免的终结。因为哈勃每时每刻都是在向地球坠落...


不管是小行星还是卫星，如果这些物体以一个非常高的初速度坠入地球大气层，将会与大气层摩擦上演一场绚丽的灯光秀，并被解体为许多的小碎片，这些碎片如果人为不加以干预，也有可能降落在人口稠密的地区，造成一定的破坏和威胁。


哈勃目前的平均轨道高度为568公里，绕地球一周需要97分钟，国际空间站的高度在400公里左右，虽然国际空间站更低，受到大气的阻力更大，但它有动力系统可以使其一直保持在稳定的轨道上。哈勃就没那么幸运了，在它与大气的摩擦中每时每刻都在发生轨道衰减。


你可能会想568公里，不是在外太空吗？为什么还会存在大气？一般我们会认为地球100公里以上的位置就是外层空间，这个位置也被称为卡门线，是航空和航天的分界线，因为在这个位置之上大气已经稀薄到不足以为任何航空飞行器提供升力。不过真实的地球大气层边界并没有一个准确的位置，越往上引力越小，大气就越稀薄，并不会在某一个位置突然停止，只会越来越弥散，地球的大气层甚至会延伸到10000公里的高度。


上图可以看到地球的大气层要比我们想象中的要高很多，在地球低轨道附近运行的任何物体都会受到大气的阻力。
不过从质量上来说，地球的大气层绝大部分都集中在最下面的三个层中，这都是引力吸引大气的缘故，在对流层中包含了地球大气总质量的75%，平流层占了20%，中间层包含了几乎剩下的所有大气质量。在中间层之上大气会变得异常稀薄，所有的低轨道卫星都处在热层之中，这里的每一个大气分子之间的距离都有1公里甚至更远。



上图可以看到，对流层（橙色）、平流层（白色）和中间层（蓝色），这三层是地球大气层在太空中唯一的光学可见层。

虽然在热层空气分子和分子之间的距离非常远，异常稀薄，但哈勃望远镜的体积要、比单个分子要大很多，而且移动速度也非常快，也就是说，哈勃望远镜正在以8公里/每秒的速度与高层大气分子发生持续的碰撞摩擦，虽然每次的碰撞所产生的影响十分的微小，但是长此以往量变会引起质变，一年、两年、甚至十年，这种微小的变化足以引起哈勃望远镜轨道衰减。


而且这一过程会一直加剧变得不可控制，因为随着哈勃轨道速度降低，轨道高度衰减，它将于大气分子的碰撞摩擦更加剧烈频繁，从而加速哈勃的坠落。并且除了地球大气以外，还有太阳风粒子的影响，也会导致哈勃轨道不均匀的变动，因为哈勃轨道每97分钟一半处在太阳光下，一般处在黑暗中，处在阳光下的部分速度就会降低，导致哈勃轨道高度不对称发生偏离，这也会加剧哈勃的坠落。
如果我们人类放任不管，最后哈勃会在大气层中分解，变为一个大火球，由于哈勃的体积非常大，不会燃烧殆尽，所以它会在燃烧的过程中砸向地面。


哈勃望远镜由于没有动力系统，如果它坠落的话将是一个完全不够控制的过程，大量的碎片会随机落在地球的任何位置，这其中肯定存在一定的风险，如果是人口稠密的城市呢？
在之前的5次维护任务中，每一次都会对哈勃的轨道进行修正，并将它提升到更高的轨道，以延长其轨道寿命。不过之前的任务都是由航天飞机这样既可以载人，又可以返回并重复使用的航天器完成的，航天飞机的退役也就让哈勃失去了继续被维护的机会。


如果继续保持现在的状态，哈勃望远镜上的仪器还可以持续工作几十年，但是轨道高度就会成为最大的隐患。
不过我们现在就算有能力，也不会再为哈勃提供维护服务了，因为目前的哈勃已经达到了它的观测极限，下一步的目标是，我们将发射一架比哈勃望远镜主镜口径更大、更加灵敏、并且能在近红外波段工作的太空望远镜：詹姆斯·微波望远镜。
因此，在2009年哈勃最后的一次维护任务中，我们为其安装了对接装置（软捕获和交会系统），以便在未来将通过火箭将哈勃带回家。


科学家预计哈勃可能会在本世纪30年代中期坠入地球，不过这个时间存在很大的不确定因素。但是在哈勃坠毁之前我们首先要将哈勃安全的带回家，而且还要保障在哈勃退役以后韦伯望远镜能够升空接替哈勃的任务。
不过韦伯望远镜在1996年开始招标建设以来，原计划是在2014年升空，但多次因为预算的问题而受阻，一直推迟到了今天，不过好消息是，据国外媒体报道，韦伯将最早在2021年3月30日发射升空。


就算韦伯任务升空再次推迟，时间也不会晚过哈勃返回地面，因为NASA肯定是不会让人类存在一个观测宇宙的空档期。
尽管人类目前在地面上也建造了很多大型天文台，并且在某些观测方面已经超越了哈勃，但是哈勃身处在宇宙空间有自己独特的优势，它仍然是人类历史所创造过最强大的观测设备，它无时无刻都在给人类带来惊喜，无时无刻都在改变着人们心目中的宇宙景象。
哈勃的伟大成就也让人们非常期待韦伯时代的到了，因为我们觉得韦伯的升空肯定会再次刷新人类的认知。最后希望哈勃能完美的卸任，安全的返回地面，也希望韦伯望远镜这次能顺利按时升空。

2. 探索广阔空间：哈勃发现 30 年

    探索广阔空间：哈勃发现 30 年   
    几个世纪以来，我们一直对太空着迷，但望远镜确实让我们睁开了眼睛，看到了我们边界之外的事物。 
    30 年来，哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope）一直是帮助我们了解外太空的伙伴，为这一过程中的许多重要科学发现铺平了道路。 
      通往宇宙的窗户   
    哈勃于 1990 年 4 月 24 日发射升空，此后一直在我们的轨道上运行。然而，它有一个不稳定的开始。由于主镜的错误，它返回了许多不稳定和模糊的图像 - 直到 1993 年 12 月的维修任务解决了这个问题。 
    今天令人难以置信的地图是由 Visual Cinnamon 的 Nadieh Bremer 为科学期刊《今日物理》（Physics Today）创作的。它包含超过 550,000 次科学观测，以展示哈勃在 1990 年至 2019 年期间捕获的各种物体。 
    包括某些 星座 以帮助放置这些发现，其中许多也是肉眼可见的。以下是地图上的主要颜色编码类别： 
      黄色：星/星团（Star/ Stellar cluster）：示例：V838 Monocerotis，其中包括一颗红星和一个光回波。 
      红色：星系/星系团（Galaxy/ Clusters of galaxies）：示例：螺旋星系 M81，大小是银河系的一半。 
      绿色：星际介质（Interstellar medium，ISM）：示例：鹰状星云，一个由宇宙尘埃和气体组成的雄伟尖顶，类似于柱子，跨度 4-5 光年。 
      蓝色：太阳系（Solar System），示例：木星的大红斑，这是行星大气中的高压风暴。 
      粉红色：校准/未识别（例如哈勃深场调查），示例：超深场，它在 11 天内捕获了 10,000 个星系的视图，其中一些可以追溯到宇宙诞生初期的 10 亿年。 
    美国宇航局（NASA）认为哈勃望远镜是“自伽利略望远镜以来天文学上最重要的进步”，这并非没有充分的理由 - 它的总观测量超过 130 万。 
      哈勃观测，按类别   
    旅程也不会就此结束。布雷默还研究了在每个类别中发生的哈勃观测频率，范围从 1,000 到 20,000。 
       每个类别都包含多个不同的描述。例如，星系可以进一步细分为螺旋形、核形、椭圆形等等。 
      哈勃不断增长的遗产   
    哈勃在这三个十年中发回的图像不仅仅是出于审美目的。该望远镜还对天文学领域做出了巨大贡献：迄今为止，已有近 13,000 篇科学论文使用哈勃望远镜作为来源。 
    迄今为止最大的科学突破？意识到我们的宇宙正在加速膨胀 - 这要归功于一种叫做暗能量（Dark Energy）的力量。 
    很明显，哈勃已经拥有令人印象深刻的遗产，预计至少要到 2025 年才会退役。很快，它将与将于 2021 年 3 月发射的新詹姆斯韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）联手。对于下一代太空爱好者来说，他们对天空的注视很可能是韦伯。 

3. 哈勃30周年，在未来，将继续解开宇宙之谜

 哈勃空间望远镜能够穿过黑暗去看我们不能预先看到的，它已经使科学家们和公众欣喜了30年，展示了星系、天象以及太阳系内外行星的细节与图像。哈勃肩负着 探索 宇宙的年龄及宇宙的膨胀这一重任被发射于1990年，未来几年里它还将继续解开新的宇宙之谜。
   
   哈勃空间望远镜不仅为研究者们提供了超过一百万个观测结果和相应数据，还向大众提供了美丽又令人震惊的图像，激发着我们对宇宙的敬畏之情，并让我们对天文学产生了更大的兴趣。
   
    
   从记录银河系中恒星的诞生和死亡，到绘制暗物质地图，望远镜已经回答了一些令人困扰的科学问题，创造了更多的 探索 ，并推动了许多天文学家和天体物理学家的理解和好奇的边界。
   
   美国物理学会(AIP)已经意识到哈勃太空望远镜发射30周年这一重大时刻并为其庆祝。在1990年4月24日发射的发现号航天飞机上，望远镜被美国国家航空和宇宙航行局的宇航员部署到轨道上，并开始了它的深空探测任务。
    
   
    
   它的第一张照片是一颗名为HD96755的双星，位于离地球约1300光年的NGC 3532开放星团中。从那时起，100亿光年之外的星系、黑洞以及最近的系外行星的图像让世界为之眩目，并增进了我们对宇宙奇迹的了解。
     
   
    
   “自1990年哈勃太空望远镜发射以来，这座伟大的天文台让我们看到了宇宙的奇迹，开启了天文学、天体物理学和行星科学的新纪元。AIP的副执行官员、国际公认的行星科学专家Steve Mackwell说到：来自哈勃的图像装饰着各个年龄的学生的卧室墙壁和科学大厅。
    
   
     
   除了这些壮观的图像外，哈勃还增进了我们对最远的恒星和星系的了解，并带来了对太阳系中行星结构和动力学的新认识。它使天文学家能够观察到不断变化的巨型行星的云图，阐明了它们的大气在时间尺度上的演变，这是任何行星宇宙飞船都无法做到的，并为太阳系的早期 历史 带来了新的曙光。尽管历经时间的摧残，望远镜仍在不断地开拓着新的领域。”
    
    今日物理学 
   AIP出版的《今日物理学》(Physics Today)在4月份的一期中，回顾了该望远镜的 历史 ，并分析了哈勃过去30年的发现，以此来突出纪念这一周年。印刷版的插页将在天空地图上精确定位哈勃望远镜的观测位置，并突出望远镜的伟大发现和图像。
   
   这张地图将作为《今日物理学》关于哈勃的互动演示的一部分在网上发布。此外，网上的文章将记录哈勃太空望远镜在轨道上的最初几年，当时一块变形的镜子模糊了它的视野，并分解了望远镜观测到的天体。
    
   斯皮策在1968年预测的观测中包括造父变星，其亮度的可测量波动与绝对光度成正比，因此产生了宇宙距离。大型太空望远镜可以将造父变星的观测范围扩大一个数量级。”——摘自《孵化哈勃》，《今日物理学》。
    天空和望远镜 
   在美国天文学会（美国物理联合会的成员协会）于4月出版的《天空与望远镜》期刊中，业余天文学家描述了与NASA一起进行太空观测的工作内容，并且在作为封面文章的照片文章里回忆了一些来自哈勃望远镜的著名又令人惊叹的照片。
   
   《天空与望远镜》主编彼得·泰森说：“望远镜和科学的内容多次刊登在我们封面上。从建造、发射和部署到航天飞机宇航员的五次呼叫，但主要是因为宏伟的影像和开创性的发现不断出现，哈勃已经制造了40多年'为哈勃30周年庆祝'的新闻了”。
     
   詹姆斯·韦伯太空望远镜预计将于2021年发射，它将补充和扩展哈勃的发现。虽然哈勃最适合在紫外线和光谱的光学范围内观察，但JWST是一架功能更强大的望远镜，它可以看到更远的太空和更近红外波段的时间。预计在未来的许多年里，这两个天文台的发现将继续让科学界和整个世界感到惊奇。
    
    作者 ：Staff Writers
    FY ：Astronomical volunteer team
     转载还请取得授权，并注意保持完整性和注明出处

4. 2009年5月11日，人类历史上最为惊险的一次哈勃维修之旅？

5. 上天30年，哈勃都为地球做了什么？

6. 哈勃30周年，30年中，它都发现了什么东西，又经过多少次维修呢？

哈勃太空望远镜，属于光学望远镜，可以直接进行成像。上世纪60年代，莱曼·斯皮策提出了在太空建造望远镜的想法，然后展开了后续的准备。

其实，哈勃望远镜和天文学家哈勃本人并没有什么联系，而是为了纪念这位伟大的天文学家。
到目前为止，哈勃已经升空30周年，这30年来哈勃带给了我们无数的惊喜，无数的浪漫情感。
哈勃太空望远镜有多厉害？正常情况下，人眼只能看到可见光波段，大大限制了人们对电磁波的接受范围。而哈勃望远镜除了可见光外，还可以接受到红外线、紫外线波段。

同时它也是第一个绕地球轨道的精密光学望远镜，它约13米长，直径约4米，是一个重达11吨的圆柱体，看起来是个庞然大物。但随着技术的进步，宇航员可以做到在太空中替换仪器，能赶上时代的变化。
来自宇宙中的光，会照射到这个四英寸厚，直径为2.4的主镜上，然后光线反射上去，再照到其次镜上，光线再次从次镜上反射，随后会穿过一个大洞。
然后光线再一次的穿过主镜而照射下来，被仪器接收。然后仪器会把宇宙中照射下来的光束收集起来，反射到它自己的设备上。

哈勃望远镜共有有三个照相机，两个摄谱仪和一套精密的导航传感器，它所有的相机和摄谱仪都安装在同一个设备上，而且这个设备可以在光镜的末端一次定位一个相机来拍摄照片，还有其精密的制导传感器单元锁定在导向星上，从而精确的保证了观测所需的高指向精度。

据估计，哈勃的精确定位精度竟高达0.007弧秒，可以看到天区里只有0.05弧秒角大小的天体。相当于它能够发射一束激光，精准打到300多公里以外的一枚硬币上。可见哈勃望远镜是一台非常精密的仪器。
哈勃望远镜眼中的星辰大海。哈勃太空望远镜使用直径2.4米的反射镜，而在1分钟内收集的光线就达到6.3英寸口径望远镜3小时45分钟收集的。

而哈勃望远镜也拍下了无数张令人惊叹的宇宙照片，为人类探索宇宙带来了一个完美的开始，下面让我们看一下哈勃升空30年来拍摄下的星光灿烂。
木星。这是在哈勃升空的第二年所拍下的，是哈勃望远镜宽视场行星相机拍摄的第一张木星的真彩照片。

木星的云层温度特别低，在－280℉以下，但在这张照片中，哈勃明显的拍摄了木星大气中的云层特征，包括冻氨小晶体和碳、硫、磷组成的化合物的痕迹。
众所周知，在木星上最著名的风景是大红斑，非常巨大，甚至可以覆盖整个地球，而在照片木星的右下角我们可以发现它。
天鹅座环。这是天鹅座超新星残骸的一小部分，展示了大约15000年前一颗巨大的恒星爆炸产生的冲击波的边缘。

在哈勃拍摄照片中，明显的显示出了天鹅座环中冲击波背后的结构，可以帮助天文学家们将其实际冲击结构与理论模型计算进行比较。
星系M100的核心。照片中是螺旋星系M100的中心，由于哈勃在刚开始发射的时候镜面有轻微缺陷，所以导致了刚开始拍摄的照片很模糊。

而这张照片就是哈勃太空望远镜执行首次维修任务之后使用新仪器拍摄的。拍摄的照片中，可以看出M100是处女座星系团中最亮的成员之一，螺旋星系有两个突出的明亮恒星臂和几个较弱的臂。
蝴蝶星云
是哈勃望远镜在2009年安装广域红外视场相机3之后拍摄的，也是哈勃望远镜拍摄到的第一批"双极星云"的照片之一。它精确地显示了在一颗恒星生命结束时会发生的现象（向周围空间喷射灰尘和气体）。
哈勃深空场全称为哈勃深空视场，这个可不是什么力场磁场之类的，而是一张照片，不过却是一张令人惊叹的星空照片。

在这张照片中的景象是位于赤经3h 32m 40.0s，赤纬-27°47' 29"（J2000）天炉座的一小片天区，面积仅仅只有3平方角分，但就是这么一小块区域的地方我们可以看到无数的小亮点，这是因为在这张照片中拍摄到几千颗星系，这可不是行星也不是恒星，而是像银河系那样的大星系团。

在这面积渺小的太空区域中，竟然出现了近3000个形态各异的星系，其中除了少量在银河系内的恒星之外，大多数星系都距离我们几十亿光年之遥。
而且最远的星系距离甚至都超过了120亿光年。哈勃深场向我们展示了宇宙深处的真实模样，也是在2006年之前以可见光拍摄的最深远的宇宙景象。
鹰状星云——创生之柱这是哈勃望远镜1995 年4月1日拍摄在鹰星云内圆柱形的星际气体和尘埃的一张影像，之所以称作“鹰状星云”是因为其形状似一只展翅翱翔的雄鹰，它位于巨蛇座的蛇尾，距离地球约6000光年，占据长宽约20光年的空间。

由于在鹰状星云中有很多恒星正在慢慢形成，因此其发光发亮的部分其实就是恒星从气体云中诞生时发出的光亮，如果可以靠近老鹰星云，其实不难发现那块明亮的区域是星际尘埃和气体的结构体构成的恒星形成区，而且里面还有高大的云柱，是由冰冷的星际氢气和尘埃所组成的柱子。
同时还是新恒星的诞生之处，柱子从深色分子云的内壁突出，长度约一光年，是鹰状星云（M16）的一部分，而且其顶部的云气正在蒸发，不过必须需要较大的望远镜才能发现这个现象。
哈勃望远镜是如何诞生的？我们只看到了哈勃望远镜光鲜亮丽的一面，却不知道在它背后的艰辛，可以说是一波三折。
哈勃望远镜最初是在1946年由天文学家莱曼·斯皮策提出的想法，但由于要建造一架口径三米的太空望远镜，花费巨大，因此直到1968年NASA才开始正式确定了建造3米反射望远镜的计划。

本以为这样就能够进行建造，但是望远镜的建造计划并不是众人想象的那么简单。当时美国国会对空间望远镜的预算提出了许多质疑，由于要削减一系列的经费开支，美国政府竟然取消了进行空间望远镜建设的一切预算。
不过当时有众多天文学家仍旧坚持这一建造计划，最终以资金缩水一半的条件继续实行空间望远镜计划，这也是为什么当时计划明明是3米的反射镜口径却改为2.4米的原因。

后来欧空局承诺提供部分预算，但是条件是必须要ESA见过并且拥有15%的哈勃使用时间。但这并没有结束，在哈勃太空望远镜建造期间，工程进度并不是十分顺利，因此一而再再而三推迟发射的日期。
不过功夫不负有心人，终于在1990年4月24日这天，哈勃空间望远镜搭乘发现号航天飞机升空并进入预定轨道，开展观测工作！

时至今日，哈勃望远镜已经顺利升空30周年。那么，哈勃为何能正常工作30年？
哈勃望远镜的艰难维修历程。1940年4月本以为这次哈勃望远镜升空，会为我们人类在天文学方面奠定了坚实的里程碑，揭开宇宙的面纱，但是成功传回来的第一张照片却有严重的问题。

照片清晰度远远低于预期，并且这一图片也显示出望远镜聚焦不准的问题，经过工程师们的研究，得出结果是由于望远镜的镜面边缘磨得太平了些，与需要的位置差了2.2微米。
虽然仅仅是差了2.2微米，但是这个差别却造成了灾难性的球面，这样一来，从镜面边缘的反射光就不能聚集在与中央的反射光相同的焦点上。
而原本的观测精度由0.1角秒变成了现在的0.7角秒，经过科学家们的讨论研究，决定派遣宇航员搭乘航天飞机去给哈勃望远镜装一个光学矫正系统。

在1993年12月2日七名宇航员搭乘奋进号航天飞机到太空给哈勃望远镜进行维修，维修之后分辨率竟然比原本的预想的还要好。
当哈勃望远镜在轨道上工作了长达7年的时间之后，又一次出现了问题，就像太阳能电池板上会被一些流星体撞出许多破洞。
因此哈勃望远镜表面的绝缘涂层有许多裂隙裂缝，而且部分的设备也老化严重。于是在1997年2月11日七名宇航员搭乘发现号航天飞机飞入太空对哈勃望远镜进行第二次的修理工作。

在1999年的2月哈勃望远镜上有3台陀螺仪坏掉，而且到11月竟然又有一台陀螺仪坏掉，而哈勃望远镜上总共也只有6台陀螺仪，现在已经坏了4个，哈勃望远镜肯定会停止工作，自动进入休眠状态。
于是在1999年12月宇航员再次搭乘航天飞机进入太空进行第三次维修，并且还额外的给哈勃更换了一台新计算机，让其提高运行速度。
这次维修是在2002年3月2日，宇航员搭乘航天飞机进入太空，目的是给哈勃望远镜更换新的电力系统，使其能够以更加稳定的电力供应，希望让哈勃望远镜在轨道上再多工作几年。

这是由于在2003年哥伦比亚号航天飞机失事，导致了七名宇航员全部遇难，这次事故的影响让NASA对哈勃是否再次进行维修而犹豫。但在宇航员们以及科研人员们的坚持下，NASA才决定在2009年对哈勃望远镜进行第五次维修，不过这是对哈勃望远镜的最后一次维修。
虽然哈勃望远镜经历过五次维修，但哈勃望远镜带给人类的利益是巨大的，每年传回的哈勃数据约有10兆兆字节，数据总量超过150TB，给天文物理学的带来了长久的发展。

哈勃望远镜是目前最成功的太空望远镜！夜晚仰望星空，我们凭借自己的肉眼可以看到大约6000颗恒星，还有我们地球的卫星月亮，太阳系内的五颗行星，银河系和其他一些模糊的星云。
但随着望远镜的出现，彻底打开了人类的视野，可以说望远镜的应用是人类现代天文学的开端。但一般的望远镜都会受到地球大气层的影响。

而哈勃太空望远镜的主要优点之一就是它可以不受地球大气的干扰，哈勃空间望远镜的位置在地球的大气层之上，因此影像不仅不会受到大气层的影响。
而且视相度绝佳又没有大气散射造成的背景光，还能观测到会被臭氧层吸收的紫外线，是天文史上最重要的仪器之一；
同时哈勃望远镜还成功的弥补了在地面观测的不足，帮助天文学家们解决了许多天文学上的基本问题。