物理新知–哈勃太空望遠鏡
文﹕湯兆昇

哈勃太空望遠鏡
圖一   哈勃太空望遠鏡 (圖片﹕NASA)
 
大家可能不知道,把光學望遠鏡送上太空,像人造衛星一樣繞地球旋轉,是天文學家多年來的夢想。為甚麼要把望遠鏡送上太空?原來地球的大氣層對天文觀測構成極大的障礙。即使在遠離人煙的高山觀測,大氣電離層中的輻射仍然會使夜空背景發光,影響了一些要求很高的光度測量。大氣的擾動亦是使天文學家十分頭痛的問題。大家可能有這樣的經驗﹕在一個炎熱的下午看著路面的熱氣流上升,遠方的景物便會不斷浮動而變得模糊。試想想這景像被望遠鏡放大了數百倍後會是甚麼模樣?在大氣擾動下,原本在望遠鏡中呈現點狀的星光變成了模糊的圓盤,大大減低了望遠鏡的分解能力和量度星體位置的準確度。以著名的派洛瑪山 (Mount Palomar) 天文台五米口徑望遠鏡為例,理論上它可以分辨兩顆在天空上相距衹有幾百分之一弧秒的星星,但事實上即使在大氣十分穩定的情況下,它的分解能力仍然比理想差約 100 倍!

早在 1946 年天文學家 Lyman Spitzer 已經提出了太空望遠鏡的構思,但這個夢想卻要到 90 年代才實現。太空望遠鏡的歷史可說是波折重重。在 1972 美國太空總處開始建造穿梭機的時候,不少天文學家憧憬著穿梭機不久便可以把太空望遠鏡送上軌道,並可協助定期維修。但一次石油危機使這美夢幾乎完全粉碎,醉心研究的科學家可能從來沒有想像過美國國會竟然在短短五分鐘的討論中決定把太空望遠鏡計劃達四億多美元的撥款全部取消!後來經過科學家漫長的游說後,太空望遠鏡計劃終於得以落實。但不幸的事接踵而來,建造過程中出現了不少技術問題,花費比原來的預算超資四倍,直至最後建造完畢,望遠鏡的升空日期亦因為穿梭機「挑戰者號」爆炸的意外而延誤了兩年半。在 90 年 4 月,以著名天文學家哈勃 (Hubble) 命名的太空望遠鏡終於順利升空,它脫離了「發現號」穿梭機,徐徐張開了長達 12 米但非常纖薄的太陽能吸收板,正式進入繞地軌道。可是災難並未就此結束,研究人員很快便發現直徑 2.4 米的主鏡有嚴重缺陷,不能準確地把光線聚焦,使星星的映象變成了模糊的圓盤﹔後來發現這是負責建造主鏡的專家們疏忽所至。為了彌補缺陷以免數億美元付諸流水,研究人員設計了一個名為 COSTAR 的複雜光學修正系統,經過一番努力,太空望遠鏡最後終於能夠向勞苦功高的科學家與及在稅款上不斷支持這項計劃的廣大美國市民展示其應有的實力,不負眾望。

花了那麼多人力和金錢,太空望遠鏡究竟可以讓我們看到甚麼?簡單地說,它使人類在短短一生中了解到恆星數十億年生老病死的歷史,以至茫茫宇宙的過去與未來。通過太空望遠鏡,我們目睹星雲收縮成恆星過程中的各個階段,在獵戶座大星雲中,天文學家更首次清楚地攝得繞著新誕生恆星的氣體盤,相信這些氣體和塵埃會在吸積的過程下形成行星,就像今天九大行星繞太陽旋轉,更說不定當中有些行星能孕育出像人類一樣有智慧的生命。太空望遠鏡使人類間接地了解自身的來源。哈勃望遠鏡亦攝得很多形狀奇異獨特、色彩絢麗的「行星狀星雲」,它們都是恆星死亡時拋射出來的物質,在太空中展示其最後的光輝。在 87 年一顆巨型恆星在麥哲倫星系以一次稱為超新星的大爆炸結束一生,天文學家藉哈勃望遠鏡詳細地記錄了它爆發後噴出的氣體變化,從而準確地推算出麥哲倫星系的距離,為量度其他更遙遠星糸的距離奠下了基礎。哈勃望遠鏡強大的分解能力更把遠至數千萬光年外星系中的一些「造父變星」分辨出來。這些奇異天體的變光週期和它們本身發光多少有關,天文學家把這些星體的真實光度和望遠鏡所量得的視光度比較便可得出星系的距離。在一些名為射電星系的核心,天文學家找到了巨型黑洞存在的證據。許多星系核心附近高速旋轉的氣體暗示著它們的核心隱藏著一些質量高達數千萬以至數十億個太陽的巨型黑洞。在數十億至一百億光年以外,哈勃望遠鏡觀測到一些星系及類星體產生所謂「重力透鏡」的現象。根據廣義相對論,像星系般巨大的質量會使周圍的星光因引力而偏轉,形成多重影象。在這樣巨大的尺度下,哈勃望遠鏡又攝得不少形狀古怪的原始星系,它們都是宇宙初期誕生的嬰兒。凡此種種發現都對研究宇宙的結構和歷史有著極為深遠影響。其實哈勃望遠鏡還帶給我們許多其他關於宇宙的訊息,有興趣的朋友可參考哈勃望遠鏡的網頁﹕
http://www.stsci.edu/