瘾科学：哈勃太空望远镜（下）

由 Andy Yang 于 6 months 之前发表

下集从 1993 年哈勃终于修复完成开始说起，来谈哈勃太空望远镜的太空观测与重要贡献。上集由此去

哈勃处在相当低的轨道，离地仅 559 公里。之所以在这么低的轨道，是为了要方便航天飞机在未来进行维修工作（事实证明这是个正确的决定），而且目前为止已经进行过四次的维修任务，而第五次则是正在进行中。但是哈勃的低轨道，也意味着哈勃的观测作业会受到各式各样的限制 -- 在一边是地球，不仅被地球遮到的物体无法观测，地球反射的太阳光也会对哈勃造成类似「光害」的效果，因此地球周围一定范围内的太空观测效果也会打折扣。另一边是太阳，和地球一样，太阳周围也有一大块的范围是无法观测的。除了太阳和地球之外，月球偶尔也会出现来露个脸，但随着月相的变化，月球对哈勃观测的影响也是不定的。因此，哈勃只有在远离黄道面，朝向上方（大约是地球的北方）和下方（南方）两个方向才能持续地观测。其它方向就算没有太阳和月球捣乱，每一圈轨道（96~97 分钟）都会有一半的时间是被地球遮着的。

除了这些天文上的因素的限制外，哈勃本身的低轨道意味着哈勃会持续和大气磨擦。磨擦的力道很小，但却会让哈勃的轨道飘浮不定，六个礼拜（一个半月）的预估位置可以误差到 4000 公里以上。因此哈勃的观测都是几天前才预定的，太早设计好观测计划，反而可能时间到了会刚好被什么挡到。

哈勃还有一个很奇妙的额外限制，就是通过南大西洋上空时也无法观测。这是因为范艾伦幅射带刚好在这里碰触到地球的上层大气，如果开启观测仪器的话，很容易不小心把仪器给烧了。广域和行星相机（Wide Field and Planetary Camera, WFPC）

做为哈勃的主要摄影设备，小姜觉得 WFPC 值得特别介绍一下。第一代的 WFPC 随着哈勃一起升空，内建有两台相机，分别由二个 800x800 像素的 CCD 所组成。两台相机的差别在于每一个画素代表的天空范围有所不同：广域相机每一个画素代表的范围大，因此一张照片可以看到很大的一块范围，而行星相机则每一个画素代的范围小，可以在广域相机发现了什么之后，将该星域放大来看。WFPC 随着1993 年的第一次修理任务被 WFPC2 所替换。

WFPC2（广域和行星相机 2）身负重任 -- 它不仅是 WFPC1 的功能升级，更重要的，它还内建了补偿主镜面错误的光学镜片，可以说哈勃的未来都压在这台相机上。当然，从哈勃未来数年的多产与成功，和 WFPC2 的成功是分不开的。WFPC2 也和 WFPC 一样，由四个 800x800 画素的 CCD 所构成，但这次其中的三个是广域相机（排成 L 字形），第四个右上角的是行星相机。这样的排列，让哈勃可以同时拍下三张广域的照片，再加上一张「细部放大图」。将细部放大图缩小之后再和另外三张合并，就成了我们一般看到的「阶梯状」哈勃相片。WFPC2 在这次的维修任务中将被 WFPC3 所取代。

ACS 安装中

ACS（Advanced Camera for Surveys）严格来说不是 WFPC2 的替代品，因为从 2002 年安装至今，它都是和 WFPC2 并存的，但自从 ACS 安装后（一直到它 2007 年初挂掉前）它一直是哈勃上的主力观测设备。ACS 有三个独立的观测单元，广域信道有两个相接的 2048x4096px 的 CCD，可以产生 16.7mp 的影像；高分辨率信道是 1024x1024 的 CCD，但解析力远比广域通道高；日盲通道专司光子的计数，在 115-170nm 的紫外线范围运作。ACS 将在此次任务中修复。

WFPC3 使用的是当年从哈勃上带下来的 WFPC 的壳（真会废物利用啊 XD），使用两个 2048x4096px 的 CCD 在可见光／紫外线波段进行观测，再加上另外的一个红外线感光器，专司红外线波段。红外线感光器是 James Webb 太空望远镜（哈勃的「后继者」）将使用的设备的开路先锋。

哈勃的任务目标：测量哈勃常数

M100 星系中的造父变星，由 WFPC2 所摄

哈勃常数简单来说，就是离我们愈远的星体，远离我们的速度愈快。这种距离和速度的关系是个固定值，称为哈勃常数。从哈勃常数反推，看宇宙在何时是缩成一个点的，就可以大致上知道宇宙的年龄，因此找出哈勃常数的正确值无论对了解宇宙的过去还是未来，都至关重要。我们可以从星体的红移（Redshift）来判断其远离我们的速率，问题是，要怎么才能知道被观测的星体距离我们多远？这就要靠一种名为造父变星的特殊星体。

造父变星（Cephid variable）的亮度会随着时间而波动，亮暗间的周期愈短，表示星体的亮度愈高，而且周期相同的造父变星绝对亮度也会差不多。利用这种特性，只要在某个远方的星系中发现一个造父变星，接下来只要计算它的周期，就可以估算出它的绝对亮度。再比较它的绝对亮度和实际看到的亮度，就可以估算出变星的距离，连带的星系的距离也可以知道了。

哈勃将造父变星的亮度估算准确度大大地提高，连带地也将宇宙年龄的误差值从 50% 降到 10% 上下。

舒梅克-利瓦伊 9 号彗星

不过，这么强悍的太空望远镜却只能拿来量星星的亮度也太浪费了，不是吗？所幸就在哈勃刚修好没久的 1994 年，一个千年一见的太空盛事正好发生在眼前 -- 舒梅克-利瓦伊 9 号彗星分裂成了 21 块碎片排成一排，依序撞上了木星。这个事件除了让我们更了解宇宙撞击事件外，也让我们更了解木星的大气构成（顺便提供了一系列以彗星／陨石撞地球为题材的灾难片）。当时伽利略探测宇宙飞船还有点远，地面上的望远镜受天气影响又不能长时间观察，只剩下哈勃可以以相对固定的间隔持续对木星进行拍照。

Hubble Deep Field 和 Hubble Ultra Deep Field

左为 Hubble Deep Field，右为 Hubble Ultra Deep Field

这两张是什么鬼，除了一堆星星之外，没什么特别的嘛！表面上是这样，但这两张照片可能比哈勃所以拍过的那些炫丽的照片更重要。这两张照片都是将小小的一块什么都没有的天空，持续多次曝光之后的成果。 Hubble Deep Field 在 1995 年底花了十天，一共由 342 张照片迭合而成；Hubble Ultra Deep Field 则是从 2003 年九月到 2004 年一月，组合由 ACS 拍下的照片而成。这些照片中很多红色的物体展现了大幅度的红移，表示它们远离我们的速度非常快，应该是很古早以前（宇宙刚形成八亿年内）的东西，而且还找到很多奇奇怪怪的物体，可能是今日的星系、星云的原始状态。在一片黑的天空中也能拍到这样的画面（而且两张看起来差不多）从侧面为宇宙论原则提供了左证 -- 即宇宙在最大的尺度下是均一的，无论往哪个方向看，天空都应该是长得差不多的。

哈勃做为民众与天文学间的桥梁

除了上面这些比较「科学性」的成就外，小姜认为哈勃最重要的成就，是做为将一般人和天文学间的桥梁。或许一般人没办法像拜访地面上的著名天文台一样去「参观」哈勃，但哈勃不断产生的惊人相片，却比较那些每天不知道都在做什么的天文台，更像是在为连结一般人和远方的宇宙而努力。下面是几张比较著名的哈勃照片：

M16 星云中央的氢气柱，内有这多新的星球在生成

V838 Monocerotis 是一个变星...不过这根本不重要，重要的是它长得像 Firefox 的 Logo 啊 XD

北落师门星（Formalhaut），亦或是...索伦之眼？

有兴趣的人可以上上 Google Sky，里面有个哈勃照片专区。

结语

哈勃即将开始其多产的一生的最后一章。随着新换上的 WFPC3 而来的，会是什么样的新发现？

过了这一次的维修之后，哈勃将不再进行维修。虽然目前哈勃的未来仍然未决，但看起来哈勃恐怕是晚景凄凉的。小姜的看法是，哈勃在某些方面就代表了天文学，无论地面上的望远镜多清晰，未来的太空望远镜多先进，都取代不了哈勃开路先锋的地位。在人类有能力离开太阳系，前往宇宙深处前，哈勃的镜头和摄影机是我们所拥有，最接近宇航宇宙飞船的东西。虽然小姜人微言轻，但真的很希望能把哈勃从太空中救回来，放到博物馆里给人参观，而不是化成一团火球，坠毁在太平洋某处。

往好处想，至少已经把 WFPC2 给救下来了 ^^"

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