哈勃的軌道正在降低，大約十年后，它將重新進(jìn)入地球大氣層并燃燒殆盡。
哈勃太空望遠(yuǎn)鏡必須被列為人類有史以來(lái)最令人印象深刻和成功的項(xiàng)目之一。
自 1990 年發(fā)射以來(lái)，它已取得多項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)，包括發(fā)現(xiàn)冥王星的衛(wèi)星 Nix 和 Hydra；觀看彗星 Shoemaker-Levi 9 撞擊木星；計(jì)算宇宙的年齡；探測(cè)系外行星大氣；定位暗物質(zhì)；甚至弄清楚星系從一開始是如何演化的。
不幸的是，雖然這顆已有 32 年歷史的衛(wèi)星仍然功能齊全，但它的壽命很快就會(huì)縮短。哈勃的軌道正在降低，大約十年后，它將重新進(jìn)入地球大氣層并燃燒殆盡。
然而，SpaceX 最近向 NASA 提出了拯救哈勃的解決方案。但到底該怎么做？這個(gè)計(jì)劃真的會(huì)進(jìn)行嗎？
哈勃望遠(yuǎn)鏡正在不斷墜落
哈勃從來(lái)沒有任何能力移動(dòng)它的軌道，它所在的軌道退化得相當(dāng)快。
哈勃最初運(yùn)行于距離地表 600 公里的地方，所以叫太空望遠(yuǎn)鏡。通常來(lái)說(shuō)，我們將距離地表 100 公里的高度視為大氣層和太空的分界線，也就是所謂的卡門線。
但是，這個(gè)數(shù)字只是人為定義的，大氣在這個(gè)高度確實(shí)已經(jīng)相當(dāng)稀薄了，但絕不是一點(diǎn)沒有。即便是在哈勃望遠(yuǎn)鏡的高度，仍然有極其稀薄的大氣，可以給哈勃望遠(yuǎn)鏡提供阻力。
如果你還記得高中物理的圓周運(yùn)動(dòng)就知道，線速度降低就會(huì)伴隨軌道的降低。以我們的空間站為例，在 400 公里的高空中，也需要按時(shí)抬升軌道，防止墜入大氣層。然而哈勃沒有這樣的功能，它沒有機(jī)載推進(jìn)器，這就導(dǎo)致它只能“隨波逐流”，隨著時(shí)間的推移逐漸衰減軌道，目前距離地表大約 540 公里。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，哈勃被設(shè)計(jì)成航天飛機(jī)可以與它對(duì)接。這樣，機(jī)組人員可以執(zhí)行日常維護(hù)并升級(jí)必要的組件，航天飛機(jī)可以使用其推進(jìn)器輔助哈勃抬升軌道，使其回到原本的高度。
但這些太空維護(hù)中的最后一次發(fā)生在 2009 年，航天飛機(jī)由于不斷地發(fā)生事故，在 2011 年之后不久就退役了。從那之后，沒有任何航天器能夠?yàn)楣h(yuǎn)鏡服務(wù)或恢復(fù)其軌道，哈勃只能任由自己不斷地衰減軌道。
哈勃望遠(yuǎn)鏡恢復(fù)軌道的阻礙
那么馬斯克會(huì)怎么完成這樣的壯舉呢？答案是他計(jì)劃使用載人龍飛船的修改版本。
載人龍飛船可以將人員和貨物運(yùn)送到國(guó)際空間站，是目前從美國(guó)本土到達(dá)那里的唯一途徑。它取代了獵鷹 9 號(hào)火箭的鼻錐，并作為火箭的最后一級(jí)。
這意味著載人龍飛船能夠與衛(wèi)星對(duì)接且擁有自己的推進(jìn)器。因此，SpaceX 提議使用載人龍飛船與哈勃對(duì)接，然后使用其推進(jìn)器推進(jìn)其軌道，就像航天飛機(jī)多年前所做的那樣。
或許你會(huì)認(rèn)為，之前航天飛機(jī)被用于對(duì)接國(guó)際空間站與哈勃望遠(yuǎn)鏡，現(xiàn)如今載人龍飛船可以取代航天飛機(jī)的位置與空間站對(duì)接，那與哈勃對(duì)接自然也是輕而易舉。
可情況并非如此，因?yàn)閷?duì)接機(jī)制不同，國(guó)際空間站的密閉通道式對(duì)接機(jī)制在航天飛機(jī)與載人龍飛船之間共享，但在與哈勃對(duì)接時(shí)，航天飛機(jī)實(shí)際上使用了一個(gè)巨大的機(jī)械臂來(lái)抓握住哈勃，而不是采用與國(guó)際空間站對(duì)接的模式。這意味著宇航員需要進(jìn)行太空行走才能使用望遠(yuǎn)鏡。
而載人龍飛船既沒有機(jī)械臂，也沒有讓宇航員進(jìn)行太空行走的能力。這意味著馬斯克將不得不修改太空艙以擁有類似的機(jī)械臂來(lái)抓住哈勃望遠(yuǎn)鏡。這樣的修改是可行的，但會(huì)占用幾乎所有的內(nèi)部空間，給宇航員留下的空間很小。
雖然可以修改龍以擁有?？克璧年P(guān)節(jié)機(jī)械臂，但飛船仍缺乏讓宇航員進(jìn)行太空行走的氣閘所需的空間。
所以這就是 SpaceX 恢復(fù)哈勃的軌道中面臨的最大挑戰(zhàn)，一旦他們成功實(shí)現(xiàn)，他們可以再給哈勃延長(zhǎng) 15 到 20 年的壽命。同時(shí)自 2011 年以來(lái)，傳感器和計(jì)算技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，一些升級(jí)將使哈勃望遠(yuǎn)鏡更加強(qiáng)大。
為什么要延長(zhǎng)哈勃的使用壽命？
目前美國(guó)宇航局還沒有立項(xiàng)，只是同意進(jìn)行該任務(wù)的可行性研究，周期約為 6 個(gè)月。在這個(gè)階段，美國(guó)宇航局是不需要花錢的，但如果真的在未來(lái)執(zhí)行維護(hù)任務(wù)，或許就要支付費(fèi)用了。
畢竟，哈勃仍然在做很多出色的科學(xué)，并且仍然是人類最強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡之一。你可能會(huì)認(rèn)為詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡 (JWST) 已經(jīng)取代了哈勃，因?yàn)樗墓δ芤獜?qiáng)大得多。但實(shí)際上，這兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡圖像的光譜不同。JWST 圖像是紅外圖像，而哈勃圖像是不可見的近紅外圖像。這意味著 JWST 不能直接取代哈勃。所以讓哈勃繼續(xù)前進(jìn)是有意義的。
然而，在 2026 年 SpaceX 將發(fā)射一個(gè)新的 NASA 太空望遠(yuǎn)鏡，稱為 Nancy Grace Roman 望遠(yuǎn)鏡，它可以直接替代哈勃望遠(yuǎn)鏡。它具有與哈勃相同的 0.1 弧秒分辨率（每個(gè)像素填充 0.1 弧秒的天空），具有相同可見光譜和近紅外光譜的圖像，但視野大 100 倍！這意味著羅馬望遠(yuǎn)鏡可以執(zhí)行與哈勃望遠(yuǎn)鏡完全相同的任務(wù)，但速度要快得多，因?yàn)楣h(yuǎn)鏡需要拍攝 100 張圖像才能匹配一張羅馬圖像。
有了這樣一個(gè)直接替代哈勃的機(jī)會(huì)，美國(guó)宇航局為什么仍要考慮把錢花在拯救哈勃上？
因?yàn)?strong>羅馬望遠(yuǎn)鏡的耗資是驚人的 32 億美元！而獵鷹 9 號(hào)的發(fā)射成本僅為 6700 萬(wàn)美元，改裝載人龍飛船的成本可能僅需要幾百萬(wàn)美元。這意味著哈勃望遠(yuǎn)鏡的圖像成本明顯低于羅馬望遠(yuǎn)鏡。
讓我們假設(shè) SpaceX 哈勃任務(wù)的成本為 1 億美元（盡管可能會(huì)更少）。哈勃目前擁有 290 TB 的數(shù)據(jù)檔案，自 1990 年以來(lái)已經(jīng)拍攝了超過(guò) 100 萬(wàn)張圖像，每張圖像的大小最多為 290 KB。哈勃目前每年還產(chǎn)生 10 TB 的數(shù)據(jù)，相當(dāng)于 34,483 張圖像。假設(shè) SpaceX 的任務(wù)讓哈勃望遠(yuǎn)鏡多活了 15 年，那就是額外的 517,245 張圖像。這將使每張圖片的成本為 193.33 美元。
假如羅馬望遠(yuǎn)鏡一年可以拍到和哈勃一樣多的照片，因?yàn)樗鼈兊拇笮〔畈欢?，所以它也有同樣的聚光能力。羅馬望遠(yuǎn)鏡的預(yù)期壽命也只有五年。這意味著望遠(yuǎn)鏡能夠拍攝大約 172,415 張圖像。但是這些圖像比哈勃圖像大 100 倍，所以為了使它們與哈勃圖像相媲美，讓我們將其乘以 100。這意味著羅馬望遠(yuǎn)鏡將總共拍攝相當(dāng)于 17,241,500 張哈勃圖像，成本為 32 億美元。也就是 185.60 美元的平均每張圖片成本。
這是一個(gè)非常粗略的計(jì)算。它沒有考慮圖像堆疊或數(shù)據(jù)質(zhì)量，并且基于一些非常松散的假設(shè)。但這說(shuō)明了為什么 NASA 對(duì)延長(zhǎng)哈勃望遠(yuǎn)鏡的壽命感興趣，盡管它很快就會(huì)有替代品。這是簡(jiǎn)單的經(jīng)濟(jì)學(xué)。
但羅馬望遠(yuǎn)鏡也是為延長(zhǎng)壽命的服務(wù)任務(wù)而設(shè)計(jì)的。因?yàn)樗δ軓?qiáng)大得多，所以這樣的任務(wù)將提供比 SpaceX 哈勃望遠(yuǎn)鏡更低的每張圖像成本。因此，NASA 也可能將 SpaceX 的提議視為一次試運(yùn)行，以了解 SpaceX 是否也能夠延長(zhǎng)羅馬望遠(yuǎn)鏡的使用壽命。延長(zhǎng)羅馬望遠(yuǎn)鏡的壽命是一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)更大的任務(wù)。由于望遠(yuǎn)鏡更昂貴且更年輕，因此賭注要高得多，因此先給 SpaceX 一些東西讓他們先進(jìn)行嘗試是有道理的。
所以，這就是 SpaceX 可以拯救哈勃的方式，以及為什么 NASA 可能會(huì)接受他們的提議。令人驚嘆的是，一臺(tái)擁有 80 年代技術(shù)的望遠(yuǎn)鏡仍然可以成為尖端科學(xué)的高效和卓越儀器。
就個(gè)人而言，我還是希望 NASA 接受 SpaceX 的提議，并且希望哈勃能夠繼續(xù)存在很多年。不知何故，沒有它，太空探索就不一樣了。不論如何，看到天文學(xué)的未來(lái)有多光明仍然令人驚嘆。
本文來(lái)自微信公眾號(hào)：出新研究 （ID：chuxinyanjiu），作者：Will Lockett，來(lái)源：Medium，編譯：劉唐詩(shī)
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