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30 年前，宇航员拯救了哈勃太空望远镜
维修任务完成后
任务后，哈勃模糊的视力变成了 20:20。
宇航员将哈勃的宽视场和行星照相机更换为其后继者 WFPC2。
(图片来源：美国国家航空航天局）
美国国家航空航天局（NASA）宇航员在一次极其大胆的任务中拯救了哈勃太空望远镜，距今已有 30 年之久。这也许是当时科学家们设想过的最大胆的任务。简而言之，哈勃望远镜在 1990 年发射时，光学系统出现故障，导致图像模糊不清。不过幸运的是，这架围绕地球运行的太空望远镜可以由宇航员进行物理修复。是的，在轨道中间。
但即使有了这样的能力，在哈勃发射之前，也没有人真正预料到这么快就需要维修–而且是出于如此戏剧性的原因。
故事要从 14 年前说起，当时，哈勃光学系统的中枢–2.4 米长的巨型反射镜的 “接地 “工作刚刚开始。作为当时送入太空的最大望远镜，反射镜必须按照严格的规格进行打磨。一家名为珀金-埃尔默（Perkins-Elmer）的公司获得完成这项艰巨任务的合同。
三年来，技术人员一直在镜坯上工作。他们打磨、清洁，当然还有测量。他们一遍又一遍地重复着这些工作。为了聚焦遥远星系的光线，镜子的弧度必须精确到 5 微米，即 0.005 毫米。由于这样的精度超出了人眼的视觉范围，技术人员使用激光网格来测量镜子的曲率。这种网格由一种叫做反射式零位校正器的装置来维持，反射无效校正器是一种带有端盖的金属棒的别称，在金属棒上钻有一个孔，以便激光进入并从裸金属板上反射出来。
到 1981 年，反射镜已经完工；两年后，它与望远镜的其他部件组装完毕，并准备于 1986 年搭载航天飞机发射升空，但悲剧发生了。当年 1 月发生的 “挑战者 “号灾难导致航天飞机在事故调查期间停止发射三年。哈勃坐在无尘室里等待着。
1990年4月24日，哈勃的时代终于来临了，它在任务控制中心和全世界天文学家的欢呼声中，搭乘发现号航天飞机遨游太空。
然而，这些欢呼很快就变成了泪水。几天之内，哈勃开始工作，并将图像传回地球，但有些不对劲。图像模糊不清，一股冰冷的寒意席卷了整个美国宇航局。难道 15 亿美元浪费在了一个视力有缺陷的望远镜上？
左边是哈勃望远镜修复之前拍摄的星系 M100 的图像；右边是哈勃望远镜修复之后拍摄的第一张图像，两张对比图显示了清晰度的差异。 (图片来源：NASA/STSCI）
随后的调查发现了事情的真相，这是一个灾难性的错误，可以追溯到望远镜接地的时候，而这个错误就像一颗定时炸弹一样，一直被隐藏了起来。调查发现，在一个反射式零位校正器上，有一块漆片脱落了，但没有被发现。这就暴露出了一个裸露的金属点，激光从这个金属点反射出去，而不是本来应该反射的地方。换句话说，反射式零位校正器的工作位置偏离了 1.3 毫米。其导致的后果是，哈勃主镜的外缘无意中被磨成了错误的规格。它被磨得太浅了，仅仅两微米就无法应对这种情况。虽然这听起来不算什么，但这个微小的错误却造成了巨大的影响。哈勃望远镜的设计初衷是，将至少 70% 的入射光聚焦到一个小圆圈中，但它的镜面有问题，这意味着它只能聚焦 15% 的光线。其他一切都变得模糊不清。这种扭曲被称为 “球面像差”
当这一切曝光后，美国国家航空航天局成了公众的笑柄，脱口秀主持人拿美国国家航空航天局开涮，政客们则要求美国国家航空航天局给出答案。最终，解决方案变得简单得令人难以置信： 除了给近视患者配眼镜，验光师还能做什么呢？
美国国家航空航天局就是这么做的。
哈勃的光学系统采用里奇-克雷蒂安设计，其中主镜将光反射到一个较小的副镜上，哈勃的副镜只有 30 厘米（12 英寸）宽。副镜通过主镜中心的一个孔将光反射到主镜后面的一个焦点上，那里是科学仪器（即摄谱仪和照相机）的位置。固定哈勃需要在光线到达焦点之前在光路中放置一些东西来校正球面像差。这些就是 “眼镜”，这种仪器被称为 COSTAR，即校正光学太空望远镜轴向替换装置(COSTAR)。
哈勃的光学系统采用里奇-克雷蒂安设计，其中主镜将光反射到一个较小的副镜上，哈勃的副镜只有 30 厘米（12 英寸）宽。副镜通过主镜中心的一个孔将光反射到主镜后面的一个焦点上，那里是科学仪器（即摄谱仪和照相机）的位置。固定哈勃需要在光线到达焦点之前在光路中放置一些东西来校正球面像差。这些就是 “眼镜”，这种仪器被称为 COSTAR，即校正光学太空望远镜轴向替换装置。
因此，一个由七名勇敢的宇航员组成的团队–美国宇航局的肯-鲍尔索克斯、迪克-科维、凯西-桑顿、杰夫-霍夫曼、斯托里-马斯格雷夫和汤姆-阿克斯，以及欧洲航天局的克劳德-尼科利尔，在美国宇航局的水下浮力罐中训练了几个月，练习了五次太空行走。因为要安装 COSTAR ，并用一种更先进的新型相机 （WFPC2） 替换原来的宽视场和行星相机（WFPC），必须要进行太空行走。他们将把失灵的陀螺仪换成新的。这次太空行走被认为是迄今为止最危险的太空行走。
1993年12月2日，七名宇航员搭乘奋进号航天飞机升空，执行拯救哈勃和美国国家航空航天局（NASA）的任务，因为如果NASA连哈勃都修不好，怎么能指望它发射和组装国际空间站这项复杂得多的任务呢？
哈勃太空望远镜停靠在奋进号航天飞机的货舱中。 (图片来源：美国国家航空航天局）
奋进号 “用它的机械臂抓住了哈勃，将轨道天文台拉进了敞开的货舱。英雄宇航员们完美无瑕地完成了五次太空行走和维修工作–哈勃下一次将图像传回地球时，图像非常完美。
事实证明，维修哈勃望远镜的任务，只是接下来 16 年中多次维修任务中的第一次，不过没有一次任务像第一次任务那样重要或具有戏剧性。具有讽刺意味的是，从长远来看，哈勃望远镜甚至不需要 COSTAR：随后的维修任务用最新型的相机和摄谱仪取代了老旧的相机和摄谱仪，这些相机和摄谱仪能够自行校正球面像差。最后一次维修任务是在 2009 年航天飞机退役前进行的，在这次任务中，太空望远镜得到了重大升级。
– 有史以来哈勃太空望远镜的最佳照片
– 拯救哈勃： 宇航员回忆 20 年前的第一次太空望远镜维修任务
– 哈勃常见问题： 最后一次太空望远镜维修任务的内部情况
虽然詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）可能抢走了哈勃的大部分风头，但这个老牌太空观测站仍在不断取得重要发现。就在过去的 12 个月里，哈勃观测到了木星和天王星上不断变化的天气和季节，发现土星环上掉落的物质正在加热该行星的大气层，发现了宇宙刚刚诞生 30 亿年时的双类星体，并测量出已知最近的凌日系外行星的大小是地球直径的 1.07 倍。
如果没有那次拯救失事望远镜的勇敢任务，上述一切都不可能实现。这次修复任务挽救了美国国家航空航天局的声誉，同时也确保了哈勃望远镜在随后 30 年中的传承，这种传承既深远又令人惊叹。
BY: Keith Cooper
FY: 33
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