哈勃太空望远镜轨道衰减或将坠入大气层

文章作者:bianji3 | 2017-10-25
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哈勃空间望远镜是以著名天文学家、美国芝加哥大学天文学博士爱德温·哈勃为名,在地球轨道上并且围绕地球的太空空间望远镜,它于1990年4月24日在美国肯尼迪航天中心由“发现者”号航天飞机成功发射。

哈勃空间望远镜的位置在地球的大气层之上,因此影像不会受到大气湍流的扰动,视相度绝佳又没有大气散射造成的背景光,还能观测会被臭氧层吸收的紫外线,是天文史上最重要的仪器之一。类型属于光学望远镜。

它成功弥补了地面观测的不足,帮助天文学家解决了许多天文学上的基本问题,使得人类对天文物理有更多的认识。此外,哈勃的超深空视场则是天文学家目前能获得的最深入、也是最敏锐的太空光学影像。

哈勃太空望远镜,被认为是人类历史上最伟大的望远镜之一。哈勃太空望远镜,被认为是人类历史上最伟大的望远镜之一。

图中是按一定比例的地球大气层分层结构。低地球轨道的多数卫星都在热层上方。在该高度,典型的大气分子(例如氧分子)可能穿行1公里或者更远,就会与其它分子发生碰撞。  图中是按一定比例的地球大气层分层结构。低地球轨道的多数卫星都在热层上方。在该高度,典型的大气分子(例如氧分子)可能穿行1公里或者更远,就会与其它分子发生碰撞。

  据报道,自1990年以来,哈勃太空望远镜一直不断地重新定义我们观测的宇宙,哈勃太空望远镜距离地球数百公里,每97分钟环绕地球一周。包括2009年最后一次维修,该望远镜经历了多项保养任务,校正了光学设备、增强相机效果、更换磨损零件,并且提升至更高的轨道位置。伴随着航天飞机退役,哈勃太空望远镜正在朝向不可避免的生命终结,即使精密的制导传感器未失灵、反作用轮仍保持正常运行,以及通讯设备并未出现故障。哈勃太空望远镜仍处于麻烦之中,当前它正在逐渐朝向地球降落,并且没有措施能够阻止其轨道衰减。

  当前哈勃太空望远镜在距离地面568公里的太空轨道运行,我们通常定义地球大气层和外太空之间的边界是大约100公里,但事实上该状况更为复杂。大气层的边界事实上没有明确的界定,而是随着高度变得更加扩散,原子和分子受地球引力束缚,延伸至1万公里的高度。超越1万公里以上,地球大气层和太阳风是无法区分开来的,它们都是由稀薄的热原子和电离微粒构成。

  虽然大气层绝大多数质量都处于较低层,对流层包含75%的地球大气层,同温层包含另外20%,中间层差不多包含剩余的5%。除此之外,大气阻止显著下降。从太空角度,最低的三层中仅有一层是可见的——热层,低地球轨道的多数卫星都在热层上方。在该高度,典型的大气分子(例如氧分子)可能穿行1公里或者更远,就会与其它分子发生碰撞。

  但是哈勃太空望远镜比氧分子体积更大,其移动速度更快,大约每秒飞行8公里,它将连续不断地与高空气体分子发生碰撞,每次碰撞都将对其运行速度构成极其微弱的影响,但是经过一个小时,一天,甚至一个月,这种变化将是显而易见的。在充足的时间里,这些变化累积起来,会产生较大的变化。意味着哈勃太空望远镜将随着时间其轨道高度和运行速度都非常缓慢地递减,它将朝向地球方向接近。

  这太糟糕了,因为我们不仅从哈勃太空望远镜获得重要的太空科学知识,而且该望远镜还将继续为人类探索神秘宇宙提供重要线索,它在人类历史上具有重要贡献。伴随着哈勃太空望远镜向低纬度位置下降,将更加频繁地碰撞气体分子,导致其加速下降。此外,这是一个不均匀效应,由于该望远镜在每97分钟环绕地球一周的时间里,一半时间处于阳光照射下,一半时间处于黑暗状态,这种不均匀性将导致哈勃望远镜倾斜。如果我们什么也不做,地球产生的拖曳力将逐渐增大,最终使它成为大气层中的一个火球,分解成大量碎片,成为一种“不受控制的大气层进入”。哈勃太空望远镜体积太大,很难完全燃烧殆尽,而炽热的碎片会在坠落在地球的任何地方。

未受控制的大气层再进入过程,将产生大量碎片坠落在地球任何角落。像哈勃太空望远镜主镜这样沉重坚硬部件,坠落地面将带来严重的破坏。  未受控制的大气层再进入过程,将产生大量碎片坠落在地球任何角落。像哈勃太空望远镜主镜这样沉重坚硬部件,坠落地面将带来严重的破坏。

图中显示的是在休斯顿中性浮力实验室,4位宇航员在哈勃维修任务中对哈勃望远镜进行水下模拟维修。  图中显示的是在休斯顿中性浮力实验室,4位宇航员在哈勃维修任务中对哈勃望远镜进行水下模拟维修。

  在之前的维修任务中,哈勃太空望远镜被“提升”至较高轨道位置,其目的是为了操作时间更长。然而,没有可重复使用的航天飞机提供维修,该望远镜的维护将变得十分麻烦。除非我们研制新型技术,并在必要的训练投入大量资金来完成“生命挽救任务”,否则哈勃太空望远镜作为人类最伟大的光学观测台将随意地终结生命。一项无人太空任务可能发送机器化操作,用于控制哈勃太空望远镜大气层再入过程,一些幸存的部分可能坠入海洋,但是这样做可能会缩短该望远镜的服役时间。

  如果我们保持现状,可以预测哈勃太空望远镜的组件会持续使用几十年时间,但是它的轨道位置将发生变化。曾在2009年最后一次维修哈勃太空望远镜的宇航员迈克尔·马西米诺(Michael Massimino)称,该望远镜的轨道将逐渐下降,虽然哈勃太空望远镜的状况很好,但是伴随着它的轨道距离地球越来越近,将迎来游戏结束的时刻。

  因此,2009年最后一次维修任务中在望远镜上安装了一个对接装置——软捕捉和会合系统,任何火箭与其对接之后都可以将哈勃太空望远镜安全送返地面。

  但是时间是发展这项技术的关键,它可以拯救哈勃太空望远镜,并延长其使用寿命,或者使它安全脱离轨道。如果它继续沿着当前轨道运行,很可能会碰撞在地球表面,最早于本世纪30年代以无控制的方式坠落到地面,或许仅有十几年的时间,这主要取决于不可预知因素的多少。

  事实上哈勃太空望远镜比历史上任何天文观测台都更大程度地改变了我们对宇宙的观点,虽然其它陆基和空基观测台都已建造,并在许多方面超越了哈勃望远镜,但是对于某种类型的太空观测而言,它仍是人类创造最好的太空观测设备。但是从其轨道本质上讲,其生命是有限的,如果我们什么也不做,那么它将以一种可怕的、潜在危险的方式死亡。如何拯救它是一个长期项目,需要目前就开始进行规划,哈勃太空望远镜逐渐下降,如果我们不尽快拿出措施方案,或许会错过最佳时机。

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