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“哈勃”太空望远镜正向地面降落 或迎来生命终点

时间:2017年10月26日 信息来源:凤凰科技 点击: 【字体:

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宇航员在最后一次维修任务中拍摄的“哈勃”太空望远镜


凤凰科技讯 据《福布斯》杂志北京时间10月25日报道,从1990年至今,“哈勃”太空望远镜一直在不断重新定义我们对宇宙的认识。但是,“哈勃”望远镜却陷入了麻烦,目前它正朝向地球降落,而美国宇航局也没有提出任何计划去阻止其轨道衰减过程。


“哈勃”太空望远镜距离地面大概有数百公里远,每97分钟环绕地球运行一周。美宇航局对“哈勃”望远镜进行了多次维修工作,调校光学设备,提升相机效果,更换磨损零件,以及推升至更高的轨道,这其中就包括2009年实施的最后一次维修。


但随着航天飞机的退役,“哈勃”太空望远镜正走向不可避免的生命终结,即便精密制导传感器未失灵,反作用轮仍保持正常运行,通讯设备也没有出现故障,但这台曾改变了世界的太空望远镜也摆脱不了自己的宿命。

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一旦航天器重新进入地球大气层,几乎不可避免会分解成许多碎片


“哈勃”太空望远镜目前正在距地面353英里(约合568公里)的轨道上运行。我们通常定义地球大气层和外太空之间的边界是大约60英里(约合100公里),但事实上这种情况远比预想的复杂。大气层永远没有真正的边界,随着高度不断升高,受地球引力束缚的原子和分子延伸至1万公里的高度,大气层也在不断扩散。在1万公里以上的太空区域,地球大气层和太阳风是无法区分开的,它们都是由稀薄的热原子和电离微粒构成的。

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地球大气层分层结构,低地轨道的一切物体都感受到某种程度的大气阻力


地球大气层的绝大多数质量都处于最低层,对流层包含75%的地球大气层,同温层包含20%,中间层差不多包含剩余5%。超出了这一范围,大气阻力显著下降,长期轨道就有了存在的可能。从太空的角度看,最低的三层中仅有一层是可见的,而低地轨道的大多数卫星都在这一层的上方。在这些高度下,常见的大气分子(如氧分子)可能穿行1千米或更远的距离,然后与其它分子发生碰撞。

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平流层(橙色)、对流层(白色)和中间层(蓝色)聚集了地球大气层中的绝大多数分子


然而,“哈勃”太空望远镜比氧分子体积大得多,移动速度也快得多,大概为每秒5英里(约合8公里),会连续不断地与这些高空气体分子发生碰撞,而每次碰撞都对其运行速度带来极其微弱的影响,在一小时、一天,甚至一个月内,这种变化可能并不明显。但随着日积月累,这种影响会产生较大的变化。高度和速度的丧失意味着,“哈勃”太空望远镜将开始与地球越来越近。


这种情况太糟糕了,因为我们不仅从“哈勃”太空望远镜身上学习到了科学知识,而且在人类历史上具有独一无二的的重要贡献。随着“哈勃”太空望远镜向低纬度下降,它与气体分子的碰撞次数会更频繁,导致其加速下降。此外,这是不均匀影响,由于“哈勃”太空望远镜在每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,导致高度不对称的“哈勃”望远镜开始翻滚。未受控制的大气层再入过程会产生大量巨大的碎片,坠落在地球几乎任何角落。像“哈勃”太空望远镜主镜这样沉重且坚硬的部件,一旦坠落地面,将会带来严重的破坏。


如果我们任由这种状况发展下去,地球产生的拖曳力将逐渐增大,最终使“哈勃”太阳望远镜成为大气层中的一个火球,分解成无数的碎片,最终变成一种“不受控制的大气层再入”(uncontrolled entry)。“哈勃”太空望远镜体积太大,很难彻底燃烧殆尽,而炽热的碎片会坠落于地球的任何地方。

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未受控制的大气层再入过程会产生大量碎片并坠落在地球任何角落


在之前的维修任务中,“哈勃”太空望远镜的轨道被“推升”至较高位置,目的就是为了延长运营时间。然而,由于缺乏像航天飞机这样可重复使用的航天器提供维修,这种维修任务变得不可行。


除非我们研制出新型技术,投入巨资进行必要的训练,以实施“拯救生命”的任务,否则“哈勃”太空望远镜作为人类最伟大光学观测台的使命将会在某个时候走向终点。一项无人驾驶任务可能被发射到太空,由机器人对“哈勃”太空望远镜大气层再入过程进行改动,这样,一些幸存的零部件会坠入大海,但此举只会缩短它的使用寿命。


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在休斯顿中性浮力实验室,四名宇航员对“哈勃”望远镜进行水下模拟维修


如果我们保持现状,那么预计“哈勃”太空望远镜的零部件会持续使用几十年时间,但它的运行轨道不会一成不变。美国宇航员迈克尔·马西米诺(Michael Massimino)曾在2009年参加了最后一次维修“哈勃”太空望远镜的任务,他说:“哈勃望远镜的运行轨道将逐渐衰减,虽然目前状况良好,但是随着它的轨道距离地球越来越近,这台望远镜终将迎来游戏结束的时刻。”


因此,在最后一次维修任务中,宇航员在“哈勃”太空望远镜上安装了一个对接装置,即软捕捉和会合系统(Soft Capture and Rendezvous System)。有了这一装置,火箭只要能与“哈勃”适当对接,就可以将这台太空望远镜安全送返地面。

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宇航员将软捕捉和会合系统安装到“哈勃”太空望远镜上


但是,时间是开发这项技术的关键,它既可以拯救“哈勃”太空望远镜,延长其使用寿命,或许可以使它安全脱离轨道。如果“哈勃”太空望远镜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年代中期以不可控的方式坠落地面,或许仅会坚持十几年的时间,这主要取决于不可预知因素的多少。


美宇航局太空发射系统(Space Launch System)是唯一可以维修或推升“哈勃”太空望远镜轨道的仪器,但这种系统的首次飞行已经晚于预订时间。如果这种状况持续下去,除了改变“哈勃”太空望远镜的轨道,我们别无选择。

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除非美宇航局决定投入资源,再次维修和推升“哈勃”望远镜轨道,否则改变其运行轨道将是阻止一场潜在灾难的唯一方式


事实上,“哈勃”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。虽然其它一些陆基和空基观测台都已建造完成,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,它仍是人类有史以来创造最好的太空观测设备。


然而,从运行轨道的性质上讲,“哈勃”太空望远镜的使用寿命是有限的,如果我们什么也不做,那么它将以一种可怕的、具有潜在危险性的方式彻底告别历史舞台。如何延长它的寿命是一个长期项目,需要从现在就开始规划。“哈勃”太空望远镜正朝着地球的方向下落,如果我们不尽快采取相应措施,一切努力恐怕都为时已晚。




(作者:编译/清辰)
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