阿来
捕捉遥远星光
捕捉遥远星光
2000 第3期   - 科学故事

阿来


    这不是诗人在感叹世事无常，而是当今一个天文学家的感慨。人类最先通过望远镜把目光投向星空时，是想明了地球在太空中所处的位置。但是，很快，人们便在星空中发现了更多的秘密。这些秘密促使人们开始考虑宇宙本身的历史与由来。在这个转折期中，一个重要的人物是美国天文学家哈勃。他是最早观测并确认银河系外还有天体存在的天文学家之一，也是最早提供了宇宙膨胀实测证据的第一人。

    在已经过去的伟大的二十世纪，哈勃们还用满布天幕的星光，建立起了我们对于时间，特别是过去时间的直接观念。为了纪念哈勃，二十世纪末一项最具野心的天文计划，便寇上了哈勃的名字。

    1990年4月24日，美国佛罗里达州卡拉维拉尔角，发现号航天飞机静静地竖立在发射架上。“装载着最新型的观测宇宙的眼睛——哈勃太空望远镜的发现号航天飞机即将升空”。

    这个时刻，距当初预计的哈勃太空望远镜升空的时间已过去了9年。如果算上哈勃太空望远镜本身的设计与制造，这个过程则长达15年。在人类的认识水平一日千里的时代，15年已经是一段相当漫长的时间。

    美国国会早在1977年就通过了有关哈勃太空望远镜的财务预算。科学家们预计，哈勃将于1981年升入太空，在不受大气干扰的情形下去发现隐藏在浩瀚宇宙中众多的秘密。乐观的设计者们大大低估了建造这架望远镜所需要的时间。只是用手工研磨巨大的主镜片便用去了整整五年。

    于是，望远镜的升空时间推延至1983年，后来又因为电脑程序错误延迟至1985年。

    人们已经习惯了把延迟发射的消息与哈勃望远镜联系在一起。果然，到了预计中的发射期，升空日期再次推迟至1986年。1986年8月，因为临时追加的一些必要测试，发射日期又推迟到10月。人们再也想不出什么理由使哈勃的升空再行延迟了。

    就在这个时候，挑战者号航天飞机爆炸的事故，使美国所有的太空计划都搁置下来，这一停顿便是两年半时间。随着所有航天计划的修改，哈勃望远镜发射升空的日子再一次修改为1989年6月。可当这个日子到来的时候，人们并没有看到航天飞机竖立在发射架上。人们再被告知，发射时间又一次修改。这次，哈勃进入太空的时间定在了1990年2月。最后，在1990年4月10日，装载着哈勃望远镜的航天飞机再次站立在发射架上。但在发射前5分钟，发现油压系统的辅助装置有运转不良的现象，发射前最后一分钟，升空计划被中止。两千余名屏息等待的科学家的希望再次变成了深深的失望。

    哈勃还未升空，便成了一部典型的科学教程，一次失败接着一次失败。每一次失败之后，人们能够告诉自己的就是，我们离成功又近了一点。在人类的文明构成中，除了科学，似乎没有别的事业能够经历如此众多的失败。

    1990年4月24日，花费了科学家们九年精力以及7亿美元的巨资，装载着哈勃太空望远镜的发现号航天飞机顺利地升入了太空。

    大气层保护着地球上的生灵，同时，又遮蔽着人类投向宇宙的目光，科学家们把一台大口径的天文望远镜送入太空，就是为了突破大气层对光线的屏蔽，观测到更遥远的天体，探索宇宙早期的模样，进而判定出宇宙的年龄。但是，发射期一共延迟了九年之久的哈勃真的能够完成这样的使命吗?

    也许，任何一个将会使人类认识水平得到革命性提升的科学突破，都必须付出更大的代价。在哈勃的故事里，这个代价不只是通过国会批准而耗费大量的纳税人的美元，更大的考险还在于，科学家们的信念是否足够坚定，公众和政治家们对这一项目是否具有足够的理解和耐心。

    升空一个月后，哈勃在地面遥控下开始工作。一个意想不到的悲剧性的结果呈现在人们面前哈勃拍摄的天体照片都模糊不清，其解析度只能达到设计指数的二十分之一。哈勃望远镜设计者之一威廉·鲍姆说“我们事先针对哈勃所可能产生的各种问题进行了模拟演习，万万没有想到球面像差问题的产生，因为这个问题太基本了，连做梦都没有想到会有这种事情。”

    球面像差，是指反射到主镜面上的光线无法聚焦的现象。这是早在伽利略和牛顿的时代就已经被认识并找到了克服方法的问题。哈勃的直径为2.4米，这块镜片磨制出来后，其边缘出现了0.002厘米误差，使进入哈勃的光线产生了5厘米左右的扩散，所有星星都成为模糊的光团。

    人们普遍认为，天文学家们浪费纳税人的大笔税金，发射上天的只是一个造价昂贵的太空垃圾。科学家们在自身与外界所施加的重重压力下进行最后的努力，发现进入哈勃的光线的百分之十五可以聚焦，便尽量利用从这点光线中采撷到的观测成果，来缓解外界的压力，并以此来支撑这个群体本身的自信心。

    球面像差不是哈勃惟一的问题。其中最突出的一个问题与太阳能电池板有关。哈勃太空望远镜每96分钟绕行地球一圈，其中有一半时间会处在地球的阴影里。在太空环境中，受阳光照射与不受阳光照射两者之间有着极大的温差。太阳能电池板便无休止地因温度急剧下降而收缩，又在阳光照耀下因温度急剧上升而膨胀。膨胀过程引起太阳能电池板长达数分钟的震动，从而带动整架望远镜剧烈摇晃，使剩下的那百分之十五镜面也无法拍到清晰的照片。

    还有一个更大的问题，是控制哈勃飞行姿态并保持其稳定的陀螺仪。哈勃上装有六个陀螺仪，使用三个，三个作为备用。到1992年底，三个备用陀螺仪已全部启用，如果再有一个陀螺仪出现故障，哈勃的飞行姿态便无法控制了。

    拯救哈勃的太空行动势在必行。

    1993年12月2日下午4点27分，奋进号航天飞机从肯尼迪航天中心发射升空。机上搭载了7名宇航员和一些必要的设备上天，对哈勃望远镜进行维修。

    奋进号升空的第三天，便用机械手将哈勃回收进开放式的货舱中。然后，宇航员们分组进行太空行走。第一项工作是更换陀螺仪。尽管在地面时，便预想了可能出现的种种问题，但人的预想能力终究有限，人们没有想到金属热胀冷缩的特性，使得收藏陀螺仪的舱门无法关闭。最终费尽九牛二虎之力，在即将宣布放弃之时，才将舱门关上。

    第二项工作是更换太阳能电池板。

    第三项，宇航员为哈勃望远镜更换广角行星照相机，以及一套能修正主镜面球面像差的COSTAR装置。有科学家比喻说，这好比为哈勃散光的眼睛加上一副隐形眼镜。1993年12月10日，维修工作完成，哈勃太空望远镜被释放出航天飞机，回到了自己的轨道。

    太空总署的发言人宣布“维修小组终于完成了病人的眼部手术，但大约还要等六到八周，才能将眼部的绷带拆下来检查视力。”但等待太久的天文学家们再也不愿意忍受漫长的等待，12月31日，哈勃被启动，镜头对准了位于室女座的M100的涡漩星系。这是一个距离地球数千万光年的星系，通过哈勃这只眼睛看去，其清晰程度隔我们好像只有30光年。这一次，哈勃终于使太空总署的发言人感到骄傲：“拆除绷带的时间比预定的还早。我们的病人已经能够以惊人的清晰度看见物体。哈勃在戴上隐形眼镜之后，不但恢复到设计水平，甚至比原来设计的更棒。”

    人类借由光线来辨识宇宙中的天体。

    光线一年前进9.5兆公里，这便是一个光年。光年即是空间的距离，也是时间的距离。距离我们最近的恒星是4.3光年。距离我们最近的仙女座星系发出来的光要过220万年才能到达地球。也就是说，我们看到这个星系的时候，其实是看到这个星系220万年前的模样。宇宙如此深广，使我们得以看到过去的时间。

    正是广大空间中体现出来的这种时间特性，使我们看得越远，便越有可能看到宇宙的边缘，看到宇宙的起源。

    据说，天文学家哈勃在观察星空时常常说“真想拍摄到与银河系一样的星系。”那是二十世纪初叶，而在二十世纪最后的十年里，以他的名字命名的太空望远镜，终于达成了他的梦想。

    1995年12月，将焦距对准北斗七星附近一块极为狭窄的领域，并连续进行了10天的观察与拍摄。通常，相似的观测不超过一天，其目的，就是想要尽可能看到宇宙最深远的景象。在这次拍下的最深宇宙图像照片中，呈现出1500到2000个左右的星系。根据这个观测结果来推算，宇宙比此前所预计的要扩大5倍之多。

    哈勃还为天文学家们提供了另一个机会，即通过对不同演化期的星体的观测，看到太阳及其行星的过去与将来。哈勃望远镜在这些年里，已经拍摄下了许多星体从诞生到死亡的图片，这些图片连接起来，就成了星星整个一生的历史。于是，我们也就看见了太阳系一生的历史。

    1997年以来，哈勃相继又有三个陀螺仪发生故障，据说故障原因可能是因为线路腐蚀生锈。1999年11月13日，它的第四个陀螺仪又出现问题，望远镜上的电脑马上发现了故障，并指令望远镜的孔径门立即关闭，停止工作。

    是年12月19日，美国发现号航天飞机又升空了，其主要使命便是修理这个多病的千里眼。宇航员通过太空行走不仅为望远镜更换了六个新的陀螺仪，而且安装了新的神经系统——一台486电脑。与原来的386相比，哈勃神经中心的速度提高了20倍，记忆能力也增强了6倍，可以提高哈勃望远镜跟踪活动目标的能力和瞄准能力。也许读者会问，为什么不加装一台功能更强的电脑呢，答案非常简单，哈勃上的太阳能电池板供电有限，不能支持功能更为强大的电脑。

    宇航员们还为哈勃太空望远镜安装了三个导航传感器，这种像冰箱一样大的装置能够帮助望远镜瞄准遥远的天体或星系。他们还为哈勃安装一个新的无线电收发机、数据记录器和一个用来保护其免受太阳辐射损伤的钢铁外罩。

    哈勃在上个世纪末最后十年运行于太空，所提供的宇宙图像，极大地拓展了人类在宇宙中的认知范围，我们也有理由期待，在新世纪最初的十年中，它又将为满怀希望的人类提供什么样的宇宙图景呢?在它于2010年达到设计寿命之前。

    创世纪时，上帝说，要有光，  于是，光便以瑰丽的笔触勾勒了世界。

    现在，科学说，看见光，因为看见光才能看见世界。于是，我们知道，哈勃所捕捉到的遥远星光，就是我们所知的宇宙的最新边疆。