服務30年,哈勃正在墜向地球!

如果眼睛是人類心靈的窗戶,那麼天空就是宇宙為人類敞開的一扇通往真理的大門,科學的發展來源於人類對自然表象的觀察、分析、總結和驗證,在這個過程中我們人類才得以一步一步的接近萬物的本質。其中最重要的一點離不開看與觀察!

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那麼望遠鏡的出現與發展就為人類的視野插上了一雙騰飛的翅膀,尤其是自1990年,哈勃望遠鏡被送上太空以後,它以前所未有的方式在觀察宇宙,其視野的深度、廣度和清晰度徹底改變了人類心目中的宇宙。目前哈勃升空已有30年,明天就是哈勃的週年紀念日,但往後的每分每秒對哈勃來說都將是最珍貴的時間。

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因為自哈勃升空以來,我們已經對其進行了5次維護任務,其中最後一次是在2009年,在5次的維護任務中,我們對其更換了兩次廣角/行星照相機、修正了光學系統、更換了受損的部件和電池,並將哈勃的提升到了更高的軌道。但是隨著NASA航天飛機的退役,其軌道跟國際空間站不再一個高度,NASA已經停止了對哈勃的維護任務,那麼迎接哈勃的未來將是無人“無人照管”的狀態。

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就算哈勃的各種觀測儀器、制導系統、陀螺儀、電池以及通訊設備能夠一直工作不會失效,哈勃的命運也會在未來不可避免的終結。因為哈勃每時每刻都是在向地球墜落...

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不管是小行星還是衛星,如果這些物體以一個非常高的初速度墜入地球大氣層,將會與大氣層摩擦上演一場絢麗的燈光秀,並被解體為許多的小碎片,這些碎片如果人為不加以干預,也有可能降落在人口稠密的地區,造成一定的破壞和威脅。

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哈勃目前的平均軌道高度為568公里,繞地球一週需要97分鐘,國際空間站的高度在400公里左右,雖然國際空間站更低,受到大氣的阻力更大,但它有動力系統可以使其一直保持在穩定的軌道上。哈勃就沒那麼幸運了,在它與大氣的摩擦中每時每刻都在發生軌道衰減。

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你可能會想568公里,不是在外太空嗎?為什麼還會存在大氣?一般我們會認為地球100公里以上的位置就是外層空間,這個位置也被稱為卡門線,是航空和航天的分界線,因為在這個位置之上大氣已經稀薄到不足以為任何航空飛行器提供升力。不過真實的地球大氣層邊界並沒有一個準確的位置,越往上引力越小,大氣就越稀薄,並不會在某一個位置突然停止,只會越來越彌散,地球的大氣層甚至會延伸到10000公里的高度。

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上圖可以看到地球的大氣層要比我們想象中的要高很多,在地球低軌道附近運行的任何物體都會受到大氣的阻力。

不過從質量上來說,地球的大氣層絕大部分都集中在最下面的三個層中,這都是引力吸引大氣的緣故,在對流層中包含了地球大氣總質量的75%,平流層佔了20%,中間層包含了幾乎剩下的所有大氣質量。在中間層之上大氣會變得異常稀薄,所有的低軌道衛星都處在熱層之中,這裡的每一個大氣分子之間的距離都有1公里甚至更遠。

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上圖可以看到,對流層(橙色)、平流層(白色)和中間層(藍色),這三層是地球大氣層在太空中唯一的光學可見層。

雖然在熱層空氣分子和分子之間的距離非常遠,異常稀薄,但哈勃望遠鏡的體積要、比單個分子要大很多,而且移動速度也非常快,也就是說,哈勃望遠鏡正在以8公里/每秒的速度與高層大氣分子發生持續的碰撞摩擦,雖然每次的碰撞所產生的影響十分的微小,但是長此以往量變會引起質變,一年、兩年、甚至十年,這種微小的變化足以引起哈勃望遠鏡軌道衰減。

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而且這一過程會一直加劇變得不可控制,因為隨著哈勃軌道速度降低,軌道高度衰減,它將於大氣分子的碰撞摩擦更加劇烈頻繁,從而加速哈勃的墜落。並且除了地球大氣以外,還有太陽風粒子的影響,也會導致哈勃軌道不均勻的變動,因為哈勃軌道每97分鐘一半處在太陽光下,一般處在黑暗中,處在陽光下的部分速度就會降低,導致哈勃軌道高度不對稱發生偏離,這也會加劇哈勃的墜落。

如果我們人類放任不管,最後哈勃會在大氣層中分解,變為一個大火球,由於哈勃的體積非常大,不會燃燒殆盡,所以它會在燃燒的過程中砸向地面。

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哈勃望遠鏡由於沒有動力系統,如果它墜落的話將是一個完全不夠控制的過程,大量的碎片會隨機落在地球的任何位置,這其中肯定存在一定的風險,如果是人口稠密的城市呢?

在之前的5次維護任務中,每一次都會對哈勃的軌道進行修正,並將它提升到更高的軌道,以延長其軌道壽命。不過之前的任務都是由航天飛機這樣既可以載人,又可以返回並重復使用的航天器完成的,航天飛機的退役也就讓哈勃失去了繼續被維護的機會。

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如果繼續保持現在的狀態,哈勃望遠鏡上的儀器還可以持續工作幾十年,但是軌道高度就會成為最大的隱患。

不過我們現在就算有能力,也不會再為哈勃提供維護服務了,因為目前的哈勃已經達到了它的觀測極限,下一步的目標是,我們將發射一架比哈勃望遠鏡主鏡口徑更大、更加靈敏、並且能在近紅外波段工作的太空望遠鏡:詹姆斯·微波望遠鏡。

因此,在2009年哈勃最後的一次維護任務中,我們為其安裝了對接裝置(軟捕獲和交會系統),以便在未來將通過火箭將哈勃帶回家。

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科學家預計哈勃可能會在本世紀30年代中期墜入地球,不過這個時間存在很大的不確定因素。但是在哈勃墜毀之前我們首先要將哈勃安全的帶回家,而且還要保障在哈勃退役以後韋伯望遠鏡能夠升空接替哈勃的任務。

不過韋伯望遠鏡在1996年開始招標建設以來,原計劃是在2014年升空,但多次因為預算的問題而受阻,一直推遲到了今天,不過好消息是,據國外媒體報道,韋伯將最早在2021年3月30日發射升空。

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就算韋伯任務升空再次推遲,時間也不會晚過哈勃返回地面,因為NASA肯定是不會讓人類存在一個觀測宇宙的空檔期。

儘管人類目前在地面上也建造了很多大型天文臺,並且在某些觀測方面已經超越了哈勃,但是哈勃身處在宇宙空間有自己獨特的優勢,它仍然是人類歷史所創造過最強大的觀測設備,它無時無刻都在給人類帶來驚喜,無時無刻都在改變著人們心目中的宇宙景象。

哈勃的偉大成就也讓人們非常期待韋伯時代的到了,因為我們覺得韋伯的升空肯定會再次刷新人類的認知。最後希望哈勃能完美的卸任,安全的返回地面,也希望韋伯望遠鏡這次能順利按時升空。


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