HST是怎樣觀測宇宙的？

如果你透過望遠鏡觀察宇宙，你能很清晰地看到一顆遙遠的恒星或一塊星云。借助望遠鏡，你可以看到幾十億光年以外的地方，可以看到幾十億年前所發生的事情。天文學家們正是借助HST（哈勃太空望遠鏡）做到這一點的！

如果要借助地面望遠鏡來觀看遙遠的恒星，最大的問題是恒星發出的光線必須穿過大氣層。地球的大氣層除了云層和天氣狀況外，還充滿了各種物質：灰塵、正在上升的暖氣流、正在下降的冷氣流以及水蒸氣，這些物質都會阻擋視線。在這些因素的作用下，恒星的圖像可能會模糊不清，降低了地面望遠鏡的準確度。天文望遠鏡則可以很好地解決這些問題。

在HST內部

和其他望遠鏡一樣，HST的一端也有一個帶有開口的鏡筒。鏡筒的鏡子可以把光線匯集到它的“眼睛”所在的焦距處。HST的“眼睛”是由幾個不同的儀器組成的。事實上，正是有了這些儀器，HST才成為如此神奇的天文學工具。同時，HST也是一艘宇宙飛船。因此，它擁有動力系統，可以在軌道上運行。在我們研究這艘宇宙飛船的系統之前，讓我們先來看看HST的功能。

◎ 光學鏡

光線通過鏡筒的開口處進入HST，從第一個鏡面跳到第二個鏡面。第二個鏡面通過第一個鏡面的中心孔把光線反射出去，落到第一個鏡面后面的焦點上。體積更小的半反射半透明的光學鏡把光線從焦點處散射到各種科學儀器上。

HST的鏡片（和大多數大型望遠鏡一樣）由特殊的低膨脹玻璃制成，這種玻璃在溫度變化下膨脹和收縮的程度不大。這種玻璃表面涂有純鋁（厚度為8.3納米）和氟化鎂（厚度為25納米），可以反射可見光、紅外線和紫外線。主鏡重828千克，副鏡重12.3千克。

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◎ 科學儀器

通過觀察一個天體不同的波長或光譜，我們可以了解該天體的許多特征和屬性。通過HST上安裝的各種儀器，我們可以看到所有長度的波長。每種儀器都是通過CCD（電荷耦合器件）而并非攝影膠片來捕捉光線的。CCD檢測到的光線會變成數字信號，儲存到機載電腦中，再傳回地球。數字數據經過轉化，就成為我們在新聞和雜志上看到的神奇照片了。下面讓我們來了解一下這些儀器。

◇ WFPC2（寬視場行星照相機2）：HST的主要感光裝置，即主照相機。WFPC2通過4個CCD來捕捉光線：3個排成L形狀的、低分辨率的寬視場CCD芯片，1個裝在L形結構內部的、高分辨率的行星照相機CCD芯片。這4個CCD芯片同時面向目標物體，目標物體的圖像就會出現在適合的CCD芯片上（芯片可能是高分辨率的，也可能是低分辨率的）。這部照相機可以分辨可見光和紫外線。WFPC2可以通過不同的濾光器來拍攝照片，從而使色彩非常自然。

◇ NICMOS（近紅外線照相機和多目標分光儀）：星際氣體和灰塵會阻擋可見光。不過，我們還是有可能從隱藏在灰塵和氣體中的物體上看到紅外線或熱量。為了對這種紅外線進行觀測，HST的NICMOS配備了3種感光照相機。

由于NICMOS的傳感器對熱量十分敏感，因此必須被保存在-196℃的熱水瓶狀的大瓶子中。

最初，NICMOS是由重量為140千克的固態氮塊進行冷卻的；而現在，它由一臺作用類似冰箱的儀器進行有效冷卻。

◇ STIS（太空望遠鏡成像光譜儀）：這是觀察天體光線的工具，但是你能說出天體的組成嗎？來自恒星或其他天體的顏色或光譜，就是這個天體的化學指紋。特殊的顏色告訴我們一個天體呈現的元素，而強烈的各種顏色則告訴我們天體有多少種元素。所以識別天體顏色——光的特殊波長，STIS分離進入的光線的顏色，就像棱鏡制造彩虹一樣。

在加起來的化學成分中，光譜可以告訴我們一個天體的溫度和運動。

◇ FOC（暗天體照相機）：HST是如何對一個物體進行放大的呢？為了放大物體，HST配備了FOC，這是一種高分辨率的照相機。FOC通過3個步驟來放大圖像或增加圖像的對比度，還對可見光和紫外線都很敏感。

舉個例子，當把FOC對準參宿四（位于獵戶座肩部的一顆深紅色的恒星）時，它可以拍攝到該顆恒星的表面。這是人類第一次拍攝到除太陽外的其他星體的表面。從這一圖像上，科學家推斷在參宿四表面上有一個溫度極高的點，該點的溫度比這顆星表面的其他區域高1800℃。

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◇ FGS（精密制導傳感器）：這些傳感器的作用是控制望遠鏡指向，對恒星的位置、雙子星的間距、恒星的直徑進行細致準確的測量。在HST中裝有3個這樣的FGS，其中有2個被用來控制望遠鏡的指向，使其始終對準目標，以便在靠近目標的區域內尋找導航星。當傳感器發現導航星后，它就會鎖定目標，同時將信息傳回HST導航系統，以確保導航星始終處于HST的觀測范圍內。由于行星在公轉時會使其母星發生顫動，因此在探測行星時進行天體測量是十分重要的。

下面，讓我們再來看看HST的宇宙飛船系統。

宇宙飛船系統

我們之前提到，HST也是一艘宇宙飛船。因此，它必須具備能量，能夠與地面進行通訊以及改變它的姿態（方位）。

HST上的所有儀器和電腦都需要電能。這些電能來自于兩塊巨大的太陽能電池帆板，每塊帆板長和寬分別為7.6米和2.45米。這兩塊太陽能電池帆板能夠提供3000瓦的電量，相當于75個40瓦的燈泡加起來的耗電量。當HST位于地球的陰影區時，所需電能是由6個鎳氫電池來提供的，它們儲存的電量相當于20個車載電池的電量總和。當HST再次轉向陽光的一面，太陽能電池帆板就會重新充電。

◎ 通訊

HST必須能夠與地面的控制人員進行對話，以便將得到的數據傳回地面，同時接受下一個任務的指示。HST利用一組被稱為“TDRSS”（跟蹤與數據中繼衛星系統）的中繼衛星與地面進行通訊，這套系統同時也被國際空間站所使用。

HST接收了來自物體的光，并將其轉化為數字數據。隨后，這些數據先被傳送到在軌道上運行的TDRSS，再傳送至位于新墨西哥州白沙市的地面接收站。白沙接收站的工作人員再將這些數據傳送到美國國家航空和航天局的戈達德航天控制中心，HST控制臺就位于該中心。隨后，來自附近馬里蘭州巴爾的摩空間望遠鏡科學研究所的科學家們將對這些數據進行分析。在大多數情況下，工作人員會在預計觀測時段之前向HST發出指令，必要時也有可能發出實時指令。

◎ 操控

HST在拍攝照片時必須完全對準目標，通常它都要用幾個小時（甚至幾天）的時間來聚集足夠的光線。要知道，HST每97分鐘繞地球運行一圈，因此，讓HST始終對準目標就像我們站在一艘沿海岸快速行駛、在波浪中翻滾的船的甲板上，始終盯著岸上的一個小物體看一樣。為了始終對準目標，HST上裝備了3個系統。

◇ 陀螺儀：感應大小運動。

◇ 反作用輪：用來轉動望遠鏡。

◇ FGS：感應微動。

陀螺儀記錄著HST的整個運動過程。它就像一個指南針，能夠感應HST的運動，告知飛行電腦HST偏離了目標。隨后，飛行電腦會計算出HST需要運行多少距離以及朝哪個方向運行，才能重新對準目標。然后，飛行電腦就會通過反作用輪來轉動望遠鏡。

HST無法像大多數衛星那樣使用火箭發動機或氣體推進器，因為廢氣會在望遠鏡附近懸浮，遮擋住周圍的視線。與這些衛星不同，HST上安裝的是分別指向3個運動方向（x軸/y軸/z軸或縱軸/橫軸/立軸）的反作用輪。這些反作用輪是飛輪。當HST需要運動時，飛行電腦就會對一個或多個飛輪發出指令，告知其旋轉方向、速度以及作用力的提供者。根據牛頓第三運動定律——有作用力就必然有反作用力，且兩者大小相等，HST朝著與飛輪相反方向旋轉，直至到達目標。

前面提過，FGS通過尋找導航星，來使望遠鏡始終對準目標。3個傳感器中的2個在其各自的視野中發現目標附近的導航星。發現之后，它們鎖定導航星，并將信息傳給飛行電腦，從而使導航星始終處于其視野范圍內。FGS比陀螺儀的靈敏度更高。盡管HST要在軌道上進行運動，有了FGS和陀螺儀，它就可以在數小時內始終對準目標。

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