韦布时代，哈勃空间望远镜将何去何从？

空间之瞳|1990年4月24由发现号送上天的哈勃空间望远镜，至今仍是天文研究的主力。

哈勃空间望远镜已经勤勤恳恳工作了30余年，成果无数，但最近几年里，不断出现在天文头条新闻的精彩照片，更多来自于它体积更大的兄弟——詹姆斯·韦布空间望远镜。在韦布时代，哈勃还能发挥多大的作用？在太空中逾30年工龄的哈勃空间望远镜，还能在工作岗位坚挺多久？

在过去的两年中，由于数据处理器、陀螺仪和太阳能电池板的指向问题，这台老化的望远镜已暂停过至少六次。每当进入安全模式，望远镜都不得不离线一段时间，有时可长达数周，观测被迫重新排期。因此，一些原定的观测项目也没有被执行。

话说回来，哈勃的运行和管理人员，都认为望远镜至少还有十年的有效寿命。如果美国航天局批准了一项提高其轨道的任务的话，其工作寿命还可能进一步延长。在未来至少十年内，这台正在老去的望远镜仍会拥有无与伦比的工作能力和波长覆盖，这是包括韦布在内的任何现有和计划中的望远镜都无法比拟的。

“哈勃望远镜现在的科学能力其实比以往任何时候都要强。”美国航天局戈达德航天中心的珍妮弗·怀斯曼如是说，她是哈勃望远镜的高级项目科学家。得益于2009年完成的第五次成功维修——宇航员安装了新陀螺仪和两个新的仪器，以及此后天文学家开发的新技术，怀斯曼认为哈勃“现在正处于科学产出的巅峰期”。

哈勃望远镜的时间申请竞争仍然激烈，每年都会收到约1000份新的观测提案，但只有其中200份左右会被接收。申请多个仪器的协同提案越来越多，比如结合哈勃和韦布的观测，这些观测模式能同时得到最宽的波长覆盖和最佳的分辨率范围。怀斯曼说，“我们现有的空间旗舰项目可以覆盖从中红外到可见光，再到紫外的波长范围，加上钱德拉望远镜后可达X射线范围。因此，哈勃空间望远镜实际上和以前一样强大和不可或缺，尤其是在韦布空间望远镜开始运行后。”

/关键的紫外

哈勃空间望远镜的一个独特能力是可以观测到可达100纳米的远紫外范围。由于地球的大气在很大程度上阻挡了紫外线到达地面，只有空间望远镜才能有效地观测到紫外辐射。空间望远镜研究所的任务负责人汤姆·布朗说：“很多天文现象的温度和化学诊断信息都在紫外波段。”

有没有宽波段的光谱覆盖，对于确定围绕恒星公转的行星大气的成分和性质影响重大。怀斯曼说道：“在测定地外行星的凌星吸收光谱并区分其化学成分方面，哈勃空间望远镜是先驱。”这一方法需要在行星从其恒星前方穿过（凌星）时进行光谱观测，然后减去恒星的数据，进而得到行星大气在光谱上留下的化学“指纹”。空间望远镜研究所研究员内斯托尔·埃斯皮诺萨说：“哈勃空间望远镜无疑是研究系外行星的主力。”从紫外到可见光的精度和准确度，现役的任何其他望远镜都难以望其项背。

大气光谱|当一颗有大气的行星从其恒星前面经过时，不同波长的星光会被大气层不同程度地阻挡，阻挡的程度取决于大气的成分。在本示意图中，较短的蓝波被吸收。天文学家可以利用吸收谱的特征来推断行星大气中存在哪些元素和化合物。

布朗表示，望远镜的波长覆盖范围在观测快速时变现象时也十分有力。“这是哈勃空间望远镜的另一大优势，任何与爆炸和瞬时现象相关的观测，以及这些现象对应的化学和温度变化。”时域天文学研究的是随时间变化的天体。随着大尺度巡天的兴起，时域天文蓬勃发展，研究人员得以看到以前无法探测到的变化。面对越来越多对瞬时现象的观测申请，布朗解释道：“人们正在观测爆炸中的恒星、并合的恒星、引力波等等现象。我们可以期待，时域天文学即将迎来汹涌的研究热潮。”

对于其他望远镜观测到的时域现象进行后随观测，则是哈勃空间望远镜一个持续发展的重要领域。布朗表示，这些后随观测“将在未来十年内带来重大发现”。

这些发现将主要来自即将开展的全天巡天项目，如天文学家们计划利用智利的薇拉·鲁宾天文台和在轨的南希·格雷丝·罗曼空间望远镜进行的巡天观测。布朗说，“当观测到这些爆炸现象，如超新星和引力波等事件时，人们总是希望在紫外获取后随观测，因为紫外是事件响应最迅速的波段”。例如，当激光干涉引力波观测台在2017年探测到两颗中子星的并合事件时，哈勃空间望远镜的后随观测提供了紫外光随时间衰退的关键观测数据。

目前还没有能与哈勃空间望远镜相媲美的综合性望远镜，也没有任何计划中的设备可与之匹敌，直到二十一世纪四十年代，美国航天局可能会发射一个新的空间望远镜，它的大小与韦布空间望远镜相当，目前暂命名为宜居世界望远镜（Habitable Worlds Observatory）。美国航天局正在对其建造方案进行调研，但是，即使宜居世界望远镜最终得以立项和实现，且拥有与哈勃空间望远镜相同（或更宽）的紫外覆盖范围，在哈勃空间望远镜的有效使用寿命结束和新设备发射之间，仍可能存在一个空白期。“一旦哈勃空间望远镜结束服役，数年内，整个领域将没有具备这种能力的空间紫外-光学望远镜存在。”布朗说。保持哈勃望远镜的健康长寿，“希望尽可能缩短这个空白期。

/忧患何在？

什么可能会导致哈勃空间望远镜退出舞台？个别系统失灵的风险一直存在，例如陀螺仪、电池或计算机芯片，都可能出现问题。

哈勃空间望远镜的每个陀螺仪内都有一个高速的转轮，可用于精确测量方向的变化，帮助这架巨大的望远镜平稳从一个目标转向另一个目标。事实上，在几年的时间内，其中的四个陀螺仪就失灵了。在1999年和2009年的维修任务中，宇航员替换了所有六个陀螺仪，第二次维修还包括了三个更新设计后的陀螺仪。它们的表现是超出预期的，新的设计比早期型号的预期寿命提高了至少五倍。与此同时，剩下的三个旧型号陀螺仪也失效了。

其中一个的陀螺仪故障就曾多次触发望远镜进入安全模式，仅2023年8月份就发生了两起。美国航天局戈达德航天中心的项目经理帕特里克·克劳斯表示，哈勃空间望远镜一旦进入安全模式运行，在识别并修正了潜在的问题后，还需要至少24至30小时才能让所有系统重新在线。团队正在研究减少停机时间的方法。“我们有信心，在未来几年内，三个陀螺仪中至少有一两个是可用的，”怀斯曼说，“我们已经尝试并测试了一种仅用一个陀螺仪的技术，与哈勃空间望远镜的精细导向传感器相结合后，望远镜可以继续定向并保持稳定性。”

话说回来，当失去一个陀螺仪时，望远镜的功能还是会大打折扣。布朗表示：“如果再失去一个陀螺仪，我们将不再拥有目前的观测视野，即除太阳外覆盖整个天空的观测能力，届时，它将只能观测到大约半个天空。虽然在以年为单位的观测期内，哈勃还是可以将整个天空纳入观测范围，但不能在同一天。”他说，无论是韦布望远镜还是罗曼望远镜，都不具备这种全天的观测能力，“因此，在对事件的跟踪能力方面，我们将失去一些科学上的效率。”如果有两个陀螺仪失效，望远镜的效率将下降25%。随着望远镜对天空的覆盖能力受到更大限制，有一些计划中的观测将变得不再可行。

翻新 |1993年，哈勃空间望远镜的首次维修任务中，宇航员修复并更换了多个仪器。更新包括：移除了有钢琴大小的WFPC（广角和行星相机1），并在原来的位置上安装了一个新的相机。

自上次维修任务以来，已经过了十年以上，望远镜上的其他设备仍在继续工作。怀斯曼说，2009年任务期间，对ACS（高级巡天相机）和STIS（空间望远镜成像光谱仪）进行的维修比预期得更为成功。“我们原本希望维修后能再用五年，现在已经过去了14年，它们仍然运行良好。”与此同时，上次任务时安装的两个新仪器——WFC3（广角相机3）和COS（宇宙起源光谱仪）——也表现得很优秀，它们“将继续提供出色的图像，只要哈勃空间望远镜还能运行”。COS仪器的灵敏度正在缓慢下降，“但这是预料之中的。”她说，“我们有充分的理由相信，哈勃空间望远镜将在这一个十年内继续产出杰出的科学成果。”

/指令与通讯

另一个潜在的故障点是舱内的计算机，它负责科学仪器的指令和数据的处理。哈勃望远镜搭载了两台这样的计算机，其中一台用于备份和候补。2021年，其中一台出现了故障，操作团队转而使用备用计算机。同时，他们也一直在努力恢复主计算机的功能，以有备无患。

克劳斯表示，计算机的修复工作进展顺利，但评估和测试所需的更新是一个漫长的过程。“我觉得可能还需要一年半到两年的时间，才能调试到功能健全和高效率运行的模式。”克劳斯说，“但我们的工作，也是为了风险防控，这样如果我们在现行系统的一侧出现故障时，我们仍然有备选方案可以继续观测。”“这确实是哈勃望远镜的巨大优点之一，”布朗表示，“它携带了足够的硬件冗余备份，运行团队中又有许多聪明的工程师，因此，当故障真的出现，大多数情况下我们都能找到解决的办法。”

/不可避免的轨道衰减

不过，最大的潜在的问题是望远镜的轨道。哈勃空间望远镜于1990年发射升空，进入了高达615千米的轨道，但是由于地球稀薄的大气顶层对望远镜产生的阻力，它的轨道被迫衰减，哈勃空间望远镜随着时间的推移离地球也越来越近。现在的望远镜轨道大约位于530千米的高空。一旦降到约500千米以下，望远镜不受控地重返地球大气的风险就会增加。到那时，将不得不主动推动其以可控的方式重返大气层，望远镜会在大气层中被烧毁，或者要保留望远镜的话，就需要将其推进到更高的轨道。

行星拥抱者 |哈勃空间望远镜的轨道距离地球表面约530千米。地球的大气层对望远镜产生了一定的阻力，不可逆地消耗着它的轨道能量。随着望远镜的轨道高度进一步下降，不受控地重返地球大气层的可能性也越来越大。

2022年12月，美国航天局向各公司发布了一份征求意见书，征集于2025年前为哈勃空间望远镜提升轨道的建议。意见书不同于正式的任务书，是为了帮助美国航天局考虑下一步的计划。美国航天局目前正在评估这些提交的意见，并可能会在后续发出正式的项目书申请通知。

其中一份提案由两家公司（Astroscale和Momentus）共同提出。他们建议利用机械臂抓取望远镜，放置到更高的轨道上，这一提案不需要人员参与。Momentus的首席技术官罗布·施瓦茨表示，这样的任务“将为哈勃空间望远镜再增加五到十年的寿命，甚至可能更长，这取决于当前的太阳活动周期有多活跃。”太阳的活动程度之所以重要，是因为它会增加稀薄的大气顶层的湍流程度，从而提高大气对望远镜的阻力。Momentus是一家建造太空拖船的公司，用于重新定位卫星，与此同时，其合作伙伴Astroscale，将提供交会飞行器。施瓦茨说：“提升哈勃空间望远镜轨道任务的不同子任务其实都已经得到过在轨验证，只是还没有以一个整体的形式出现。”

还有一个来自SpaceX公司的提案，提议使用其由猎鹰9号助推器发射的载人龙飞船。该公司将资助这项任务，或许还会与旅游项目或其他付费客户相结合。由于宇航员将参与其中，或许还可以进行一些维修工作，比如更换三个失灵的陀螺仪。然而，这项任务可能存在风险，特别是任务涉及让龙飞船与望远镜对接，这将会使用到上一次维修任务时安装的对接端口。然而望远镜的设计并不包括承受这类对接所产生的冲击和振动。

如果这一任务得到批准并实施，“我们认为，即使只是普通的性能提升，也能让哈勃空间望远镜的使用寿命延长到二十一世纪四十年代，甚至可能到二十一世纪五十年代，”克劳斯说，“我认为需要权衡执行此类任务的风险和复杂性，和哈勃空间望远镜上所有日益老化的系统的预期使用寿命之间的关系，并判断这样做是否值得。”

/仍然举足轻重

对望远镜的使用者而言，任何能够延长其使用寿命的可能性都是非常受欢迎的。

空间望远镜研究所的苏维·盖扎里说道：“哈勃望远镜卓越的空间分辨率，以及从紫外光学到近红外的灵敏度，对于定位和描述瞬态现象是至关重要的，”她解释说，哈勃在超新星爆炸后的几天内对其进行紫外光谱的观测能力是无可比拟的，这也为天文学家提供了研究被超大质量黑洞撕碎的恒星死亡过程的关键信息。