癮科學:哈伯太空望遠鏡(下)



下集從 1993 年哈伯終於修復完成開始說起,來談哈伯太空望遠鏡的太空觀測與重要貢獻。上集由此去

哈伯處在相當低的軌道,離地僅 559 公里。之所以在這麼低的軌道,是為了要方便太空梭在未來進行維修工作(事實證明這是個正確的決定),而且目前為止已經進行過四次的維修任務,而第五次則是正在進行中。但是哈伯的低軌道,也意味著哈伯的觀測作業會受到各式各樣的限制 -- 在一邊是地球,不僅被地球遮到的物體無法觀測,地球反射的太陽光也會對哈伯造成類似「光害」的效果,因此地球周圍一定範圍內的太空觀測效果也會打折扣。另一邊是太陽,和地球一樣,太陽周圍也有一大塊的範圍是無法觀測的。除了太陽和地球之外,月球偶爾也會出現來露個臉,但隨著月相的變化,月球對哈伯觀測的影響也是不定的。因此,哈伯只有在遠離黃道面,朝向上方(大約是地球的北方)和下方(南方)兩個方向才能持續地觀測。其他方向就算沒有太陽和月球搗亂,每一圈軌道(96~97 分鐘)都會有一半的時間是被地球遮著的。

除了這些天文上的因素的限制外,哈伯本身的低軌道意味著哈伯會持續和大氣磨擦。磨擦的力道很小,但卻會讓哈伯的軌道飄浮不定,六個禮拜(一個半月)的預估位置可以誤差到 4000 公里以上。因此哈伯的觀測都是幾天前才預定的,太早設計好觀測計畫,反而可能時間到了會剛好被什麼擋到。

哈伯還有一個很奇妙的額外限制,就是通過南大西洋上空時也無法觀測。這是因為范艾倫幅射帶剛好在這裡碰觸到地球的上層大氣,如果開啟觀測儀器的話,很容易不小心把儀器給燒了。廣域和行星相機 (Wide Field and Planetary Camera, WFPC)

做為哈伯的主要攝影設備,小薑覺得 WFPC 值得特別介紹一下。第一代的 WFPC 隨著哈伯一起升空,內建有兩台相機,分別由二個 800x800 像素的 CCD 所組成。兩台相機的差別在於每一個畫素代表的天空範圍有所不同:廣域相機每一個畫素代表的範圍大,因此一張照片可以看到很大的一塊範圍,而行星相機則每一個畫素代的範圍小,可以在廣域相機發現了什麼之後,將該星域放大來看。WFPC 隨著1993 年的第一次修理任務被 WFPC2 所替換。



WFPC2(廣域和行星相機 2)身負重任 -- 它不僅是 WFPC1 的功能升級,更重要的,它還內建了補償主鏡面錯誤的光學鏡片,可以說哈伯的未來都壓在這台相機上。當然,從哈伯未來數年的多產與成功,和 WFPC2 的成功是分不開的。WFPC2 也和 WFPC 一樣,由四個 800x800 畫素的 CCD 所構成,但這次其中的三個是廣域相機(排成 L 字形),第四個右上角的是行星相機。這樣的排列,讓哈伯可以同時拍下三張廣域的照片,再加上一張「細部放大圖」。將細部放大圖縮小之後再和另外三張合併,就成了我們一般看到的「階梯狀」哈伯相片。WFPC2 在這次的維修任務中將被 WFPC3 所取代。


ACS 安裝中


ACS(Advanced Camera for Surveys)嚴格來說不是 WFPC2 的替代品,因為從 2002 年安裝至今,它都是和 WFPC2 並存的,但自從 ACS 安裝後(一直到它 2007 年初掛掉前)它一直是哈伯上的主力觀測設備。ACS 有三個獨立的觀測單元,廣域通道有兩個相接的 2048x4096px 的 CCD,可以產生 16.7mp 的影像;高解析度通道是 1024x1024 的 CCD,但解析力遠比廣域通道高;日盲通道專司光子的計數,在 115-170nm 的紫外線範圍運作。ACS 將在此次任務中修復。

WFPC3 使用的是當年從哈伯上帶下來的 WFPC 的殼(真會廢物利用啊 XD),使用兩個 2048x4096px 的 CCD 在可見光/紫外線波段進行觀測,再加上另外的一個紅外線感光器,專司紅外線波段。紅外線感光器是 James Webb 太空望遠鏡(哈伯的「後繼者」)將使用的設備的開路先鋒。

哈伯的任務目標:測量哈伯常數


M100 星系中的造父變星,由 WFPC2 所攝


哈伯常數簡單來說,就是離我們愈遠的星體,遠離我們的速度愈快。這種距離和速度的關系是個固定值,稱為哈伯常數。從哈伯常數反推,看宇宙在何時是縮成一個點的,就可以大致上知道宇宙的年齡,因此找出哈伯常數的正確值無論對了解宇宙的過去還是未來,都至關重要。我們可以從星體的紅移(Redshift)來判斷其遠離我們的速率,問題是,要怎麼才能知道被觀測的星體距離我們多遠?這就要靠一種名為造父變星的特殊星體。

造父變星(Cephid variable)的亮度會隨著時間而波動,亮暗間的周期愈短,表示星體的亮度愈高,而且周期相同的造父變星絕對亮度也會差不多。利用這種特性,只要在某個遠方的星系中發現一個造父變星,接下來只要計算它的周期,就可以估算出它的絕對亮度。再比較它的絕對亮度和實際看到的亮度,就可以估算出變星的距離,連帶的星系的距離也可以知道了。

哈伯將造父變星的亮度估算準確度大大地提高,連帶地也將宇宙年齡的誤差值從 50% 降到 10% 上下。

舒梅克-李維 9 號彗星



不過,這麼強悍的太空望遠鏡卻只能拿來量星星的亮度也太浪費了,不是嗎?所幸就在哈伯剛修好沒久的 1994 年,一個千年一見的太空盛事正好發生在眼前 -- 舒梅克-李維 9 號彗星分裂成了 21 塊碎片排成一排,依序撞上了木星。這個事件除了讓我們更了解宇宙撞擊事件外,也讓我們更了解木星的大氣構成(順便提供了一系列以彗星/隕石撞地球為題材的災難片)。當時伽利略探測太空船還有點遠,地面上的望遠鏡受天氣影響又不能長時間觀察,只剩下哈伯可以以相對固定的間隔持續對木星進行拍照。

Hubble Deep Field 和 Hubble Ultra Deep Field


左為 Hubble Deep Field,右為 Hubble Ultra Deep Field

這兩張是什麼鬼,除了一堆星星之外,沒什麼特別的嘛!表面上是這樣,但這兩張照片可能比哈伯所以拍過的那些炫麗的照片更重要。這兩張照片都是將小小的一塊什麼都沒有的天空,持續多次曝光之後的成果。 Hubble Deep Field 在 1995 年底花了十天,一共由 342 張照片疊合而成;Hubble Ultra Deep Field 則是從 2003 年九月到 2004 年一月,組合由 ACS 拍下的照片而成。這些照片中很多紅色的物體展現了大幅度的紅移,表示它們遠離我們的速度非常快,應該是很古早以前(宇宙剛形成八億年內)的東西,而且還找到很多奇奇怪怪的物體,可能是今日的星系、星雲的原始狀態。在一片黑的天空中也能拍到這樣的畫面(而且兩張看起來差不多)從側面為宇宙論原則提供了佐證 -- 即宇宙在最大的尺度下是均一的,無論往哪個方向看,天空都應該是長得差不多的。

哈伯做為民眾與天文學間的橋樑

除了上面這些比較「科學性」的成就外,小薑認為哈伯最重要的成就,是做為將一般人和天文學間的橋樑。或許一般人沒辦法像拜訪地面上的著名天文台一樣去「參觀」哈伯,但哈伯不斷產生的驚人相片,卻比較那些每天不知道都在做什麼的天文台,更像是在為連結一般人和遠方的宇宙而努力。下面是幾張比較著名的哈伯照片:


M16 星雲中央的氫氣柱,內有這多新的星球在生成


V838 Monocerotis 是一個變星...不過這根本不重要,重要的是它長得像 Firefox 的 Logo 啊 XD


北落師門星(Formalhaut),亦或是...索倫之眼?

有興趣的人可以上上 Google Sky,裡面有個哈伯照片專區。

結語

哈伯即將開始其多產的一生的最後一章。隨著新換上的 WFPC3 而來的,會是什麼樣的新發現?

過了這一次的維修之後,哈伯將不再進行維修。雖然目前哈伯的未來仍然未決,但看起來哈伯恐怕是晚景淒涼的。小薑的看法是,哈伯在某些方面就代表了天文學,無論地面上的望遠鏡多清晰,未來的太空望遠鏡多先進,都取代不了哈伯開路先鋒的地位。在人類有能力離開太陽系,前往宇宙深處前,哈伯的鏡頭和攝影機是我們所擁有,最接近宇航太空船的東西。雖然小薑人微言輕,但真的很希望能把哈伯從太空中救回來,放到博物館裡給人參觀,而不是化成一團火球,墜毀在太平洋某處。

往好處想,至少已經把 WFPC2 給救下來了 ^^"