哈勃望远镜的历史

哈勃望远镜 姓名: 学号: 班级: 指导老师: 哈勃望远镜 摘要:哈勃空间望远镜,(Hubble Space Telescope,缩写为HST),是以天文学家爱德温·哈勃为名,在轨道上环绕着地球的望远镜,它的位置在地球的大气层之上,因此影像不会受到大气湍流的扰动,视相度绝佳又没有大气散射造成的背景光,还能观测会被臭氧层吸收的紫外线。它于1990年成功发射,弥补了地面观测的不足,帮助天文学家解决了许多天文学上的基本问题,使得人类对天文物理有更多的认识。是天文史上最重要的仪器之一。 关键词:望远镜历史成就 1原理简述 大气层中的大气湍流与散射,以及会吸收紫外线的臭氧层,这些因素都限定了地面上望远镜做进一步的观测。太空望远镜的出现使天文学家成功地摆脱地面条件的限制,并获得更加清晰与更广泛波段的观测图像。 空间望远镜的概念最早出现上个世纪40年代,但一直到上个世纪90年代,哈勃空间望远镜才正式发射升空,并观测迄今。 哈勃空间望远镜属于美国航空航天局(NASA)与欧洲航天局(ESA)的合作项目,其主要目标是建立一个能长期在太空中进行观测的轨道天文台。它的名字来源于美国著名天文学家埃德温·哈勃。1990年4月25日,由美国航天飞机送上太空轨道的“哈勃”望远镜长13.3米,直径4.3米,重11.6吨,造价近30亿美元。它以2.8万公里的时速沿太空轨道运行,清晰度是地面天文望远镜的10倍以上。同时,由于没有大气湍流的干扰,它所获得的图像和光谱具有极高的稳定性和可重复性。 哈勃空间望远镜得到的数据首先被储存在航天器中。在哈勃空间望远镜最开始发射时,储存数据设施是老式的卷带式录音机。但这些设备在之后的维修任务中得到了替换。每天哈勃空间望远镜大约分两次将数据传送至地球同步轨道跟踪与数据中继卫星系统,然后数据再被继续发送至位于新墨西哥的白沙测试设备,通过位于白沙测试设备的60英尺(18米)直径的高增益微波电线之一,信息最后被传送到戈达德太空飞行中心和太空望远镜科学研究所处存档。 传送来的数据必须要经过一系列处理才能为天文学家所用。空间望远镜研究所开发了一套软件,能够自动地对数据进行校正。然后空间望远镜研究所将利用STSDAS (Space Telescope Science Data Analysis System) 软件来选取所需要的数据。 哈勃望远镜帮助科学家对宇宙的研究有了更深的了解。然而,由于美国航空航天局将哈勃SM4确定为最后一次维修任务,因此,哈勃的退役在即,而它新的继任者詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)将发射升空,并逐步接替哈勃太空望远镜的工作。 詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope,缩写JWST)是 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 中的红外线观测用太空望远镜。作为将于2010年结束观测活动的哈勃太空望远镜的后续机,计划于2011年发射升空。但因为制造方面的问题,不得不延迟到2013年升空,因此,哈勃望远镜也不得不冒险进行修补以继续服役。因为费用已经升到了80亿美元,镜片也已经从原计划的8米缩水为6.5米。这是为观察宇宙最遥远的地方,也就是宇宙大爆炸的第一缕光线的最低要求了。系欧洲空间局(ESA)和美国宇航 局(NASA)的共同运用计划,放置于太阳-地球的第二拉格朗日点。 2发展历史 规划设计和准备 哈勃空间望远镜的历史可以追溯至1946年天文学家莱曼·斯必泽(Lyman Spitzer, Jr.)所提出的论文:《在地球之外的天文观测优势》。在文中,他指出在太空中的天文台有两项优于地面天文台的性能。首先,角分辨率(物体能被清楚分辨的最小分离角度)的极限将只受限于衍射,而不是由造成星光闪烁、动荡不安的大气所造成的视象度。在当时,以地面为基地的望远镜解析力只有0.5-1.0弧秒,相较下,只要口径2.5米的望远镜就能达到理论上衍射的极限值0.1弧秒。其次,在太空中的望远镜可以观测被大气层吸收殆尽的红外线和紫外线。 斯必泽以空间望远镜为事业,致力于空间望远镜的推展。在1962年,美国国家科学院在一份报告中推荐空间望远镜作为发展太空计划的一部分,在1965年,斯必泽被任命为一个科学委员会的主任委员,该委员会的目的就是建造一架空间望远镜。 在第二次世界大战时,科学家利用发展火箭技术的同时,曾经小规模的尝试过以太空为基地的天文学。在1946年,首度观察到了太阳的紫外线光谱。英国在1962年发射了太阳望远镜放置在轨道上,作为亚利安太空计划的一部分。1966年NASA进行了第一个轨道天文台(OAO)任务,但第一个OAO的电池在三天后就失效,中止了这项任务了。第二个OAO在1968至1972年对恒星和星系进行了紫外线的观测,比原先的计划多工作了一年的时间。 轨道天文台任务展示了以太空为基地的天文台在天文学上扮演的重要角色,因此在1968年NASA 确定了在太空中建造直径3米反射望远镜的计划,当时暂时的名称是大型轨道望远镜或大型空间望远镜(LST),预计在1979年发射。这个计划强调须要有人进入太空进行维护,才能确保这个所费不贷的计划能够延续够长的工作时间;并且同步发展可以重复使用的航天飞机技术,才能使前项计划成为可行的计划。 资金需求 轨道天文台计划的成功,鼓舞了越来越强的公众舆论支持,大型空间望远镜应该是天文学领域内重要的目标。在1970年NASA设立了两个委员会,一个规划空间望远镜的工程,另一个研究空间望远镜任务的科学目标。在这之后,NASA下一个需要排除的障碍就是资金的问题,因为这比任何一个地面上的天文台所耗费的资金都要庞大许多倍。美国的国会对空间望远镜的预算需求提出了许多的质疑,为了与裁军所需要的预算对抗,当时就详细的列出了望远镜的硬件需求以及后续发展所需要的仪器。在1974年,在裁减政府开支的鼓动下,杰拉尔德·福特剔除了所有进行空间望远镜的预算。 为回应此,天文学家协调了全国性的游说努力。许多天文学家亲自前往拜会众议员和参议员,并且进行了大规模的信件和文字 宣传 免费孕前优生健康检查孕期保健知识宣传1冬季预防流感知识宣传手足口病防知识宣传森林防火宣传内容 。国家科学院出版的报告也强调空间望远镜的重要性,最后参议院决议恢复原先被国会删除的一半预算。 资金的缩减导致目标项目的减少,镜片的口径也由3米缩为2.4米,以降低成本和更有效与紧密的配置望远镜的硬件。原先计划作为先期测试,放置在卫星上的1.5米空间望远镜也被取消了,对预算 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示关切的欧洲航天局也成为共同合作的伙伴。欧洲航天局同意提供经费和一些望远镜上需要的仪器,像是作为动力来源的太阳能电池,回馈的是欧洲的天文学家可以使用不少于15%的望远镜观测时间。在1978年,美国国会拨付了36,000,000元美金,让大型空间望远镜开始设计,并计划在1983年发射升空。在1980年初,望远镜被命为哈勃,以纪念在20世纪初期发现宇宙膨胀的天文学家艾德温·哈勃。 设计制造 空间望远镜的计划一经批准,计划就被分割成许多子计划分送各机关执行。马歇尔太空飞行中 心(MSFC)负责设计、发展和建造望远镜,金石太空飞行中心(GSFC)负责科学仪器的整体控制和地面的任务控制中心。马歇尔太空飞行中心委托珀金埃尔默设计和制造空间望远镜的光学组件,还有精密定位传感器(FGS),洛克希德被委托建造安装望远镜的太空船。 组合安装 望远镜的镜子和光学系统是最关键的部分,因此在设计上有很严格的规范。一般的望远镜,镜子在抛光之后的准确性大约是可见光波长的十分之一,但是因为空间望远镜观测的范围是从紫外线到近红外线,所以需要比以前的望远镜更高十倍的解析力,它的镜子在抛光后的准确性达到可见光波长的二分之一,也就是大约30纳米。 珀金埃尔默刻意使用极端复杂的电脑控制抛光机研磨镜子,但却在最尖端的技术上出了问题;柯达被委托使用传统的抛光技术制作一个备用的镜子(柯达的这面镜子永久保存在史密松宁学会)。1979年,珀金埃尔默开始磨制镜片,使用的是超低膨胀玻璃,为了将镜子的重量降至最低,采用蜂窝格子,只有表面和底面各一寸是厚实的玻璃。 镜子的抛光从1979年开始持续到1981年5月,抛光的进度已经落后并且超过了预算,这时NASA 的报告才开始对珀金埃尔默的管理结构质疑。为了节约经费,NASA停止支援镜片的制作,并且将发射日期延后至1984年10月。镜片在1981年底全部完成,并且镀上了75纳米厚的铝增强反射,和25纳米厚的镁氟保护层。 因为在光学望远镜组合上的预算持续膨胀,进度也落后的情况下,对珀金埃尔默能否胜任后续工作的质疑继续存在。为了回应被描述成“未定案和善变的日 报表 企业所得税申报表下载财务会计报表下载斯维尔报表下载外贸周报表下载关联申报表下载 ”,NASA将发射的日期再延至1985年的4月。但是,珀金埃尔默的进度持续地以每季增加一个月的速率恶化中,时间上的延迟也出现了每个工作天都在持续落后的情况。NASA被迫延后发射日期,先延至1986年3月,然后又延至1986年9月。这时整个计划的总花费已经高达美金11亿7500万。 安置望远镜和仪器的太空船是主要工程上的另一个挑战。它必须能胜任与抵挡在阳光与地球的阴影之间频繁进出所造成的温度变化,还要极端的稳定并能长间的将望远镜精确的对准目标。以多层绝缘材料制成的遮蔽物能使望远镜内部的温度保持稳定,并且以轻质的铝壳包围住望远镜和仪器的支架。在外壳之内,石墨环氧的框架将校准好的工作仪器牢固的固定住。 有一段时间用于安置仪器和望远镜的太空船在建造上比光学望远镜的组合来得顺利,但洛克希德仍然经历了预算不足和进度的落后,在1985年的夏天之前,太空船的进度落后了个月,而预算超出了30%。马歇尔太空飞行中心的报告认为洛克希德在太空船的建造上没有采取主动,而且过度依赖NASA的指导。 在1983年,空间望远镜科学协会(STScI)在经历NASA与科学界之间的权力争夺后成立。空间望远镜科学协会隶属于美国大学天文研究联盟(AURA),这是由32个美国大学和7个国际会员组成的单位,总部坐落在马里兰州巴尔地摩的约翰·霍普金斯大学校园内。 空间望远镜科学协会负责空间望远镜的操作和将数据交付给天文学家。美国国家航空航天局(NASA)想将之作为内部的组织,但是科学家依据科学界的做法将之规划创立成研究单位,由NASA位在马里兰州绿堤,空间望远镜科学协会南方48公里,的哥达德太空飞行中心和承包厂商提供工程上的支援。哈勃望远镜每天24小时不间断的运作,由四个工作团队轮流负责操作。 空间望远镜欧洲协调机构于1984年设立在德国邻近慕尼黑的Garching bei München,为欧洲的天文学家提供相似的支援。 3哈勃成就 发现最古老星系 2013年10月,哈勃太空望远镜发现了可能是宇宙中测量距离上最遥远的星系,来自德克萨斯大学等研究人员通过MOSFIRE摄谱仪精确测量了该星系的距离,其大约存在于宇宙大爆炸后的7亿年左右。 宇宙年龄 哈勃空间望远镜对造父变星的观测为哈勃常数的精确测量提供了保证。哈勃的精细导星传感器对造父变星进行了直接的视差测量,大大削减了用造父变星周光关系推算距离的不确定性。在哈勃空间望远镜之前,观测得到的哈勃常数有1-2倍的差异,但是在有了新的造父变星观测之后宇宙距离尺度的不确定性猛然下降到了大约只有10%,从而对宇宙的扩张速率和年龄有更正确的认知。 恒星形成 哈勃空间望远镜还有助于研究诸如猎户星云之类的恒星形成区。通过哈勃空间望远镜对猎户星云的早期观测发现,其中聚集了许多被浓密气体和尘埃盘包裹的年轻恒星。尽管已经从理论上和甚大天线阵的观测中推测出来了这些盘的存在,但是直到哈勃所拍摄的高分辨率照片才第一次直接揭示出了这些盘的结构和物理性质。 恒星死亡 哈勃的观测还在超新星爆发和γ射线暴之间建立起了联系。通过哈勃对γ射线暴余辉的观测,研究人员把这些暴发锁定在了河外星系中的大质量恒星形成区。由此哈勃望远镜也令人信服地证明了这些剧烈的爆发和大质量恒星死亡的直接联系。 黑洞 哈勃空间望远镜最早的核心计划之一就是要建立起由黑洞驱动的类星体和星系之间的关系。之后,通过它们对周围恒星的引力作用,针对“哈勃”所获得的近距星系光谱的动力学模型证实了黑洞的存在。这些研究也导致了对十几个星系中央黑洞质量的可靠测量,揭示出了黑洞质量和星系核球质量之间极为紧密的联系。2011年11月8日,借助哈勃空间望远镜,天文学家们首次拍摄到围绕遥远黑洞存在的盘状构造。这个盘状结构由气体和尘埃构成,并且正处于不断下降进入黑洞中被消耗的过程中。当这些物质落入黑洞的一瞬间,它们将释放巨大的能量,形成一种宇宙射电信号源,称为“类星体”。 暗物质 2012年3月,美国宇航局“哈勃”太空望远镜在距离地球24亿光年的“阿贝尔520”星系团中再次发现了一个巨大的暗物质块。这一异常发现令天文学家百思不得其解,并怀疑暗物质块中可能藏有一个神秘的“暗物质核心”。 研究人员介绍说,在距离地球24亿光年的遥远星系团“阿贝尔520”中,星系发生碰撞后,从星系中分离出来的暗物质可能在星系周围聚集形成一个“暗物质核心”。由于暗物质被认为是将星系结合成一体的神秘“胶水”,因此这种现象本不应该存在。现象的问题是,如果暗物质被认为是将星系结合成一体的神秘“胶水”,那么星系碰撞后它们仍然可以将星系“粘合”在一起。 这一异常现象最早发现于2007年。由于这一现象过于异常,因此许多天文学家都将其作为一种假象而不予理会。然而,“哈勃”太空望远镜最新的观测结果证实,“阿贝尔520”星系团中的暗物质和星系是分开的。“哈勃”太空望远镜观测图像蓝绿色区域显示,一个巨大的暗物质块位于炽热的气体附近,但该区域几乎看不到星系。 异常现象的再一次发现,让天文学家们不得不对其重视起来并重新思考它的原理。暗物质最早发现于大约80年前,被认为是将星系结合成一体的“引力胶水”。事实上,天文学家对暗物质仍然知之甚少。“哈勃”太空望远镜研究项目首席科学家、加利福尼亚大学天文学家詹姆斯-吉表示,“这一结果令人困惑。暗物质的行为无法预测,很难说清它的原理。” 对于这一异常发现,研究团队提出了数种解释,但最终每一种解释都会让天文学家更为困惑。研究团队成员、美国加州旧金山州立大学科学家安迪谢-马哈达维曾经是2007年对“阿贝尔520”星系团首次观测项目的负责人,他表示,“这会让你越来越困惑,越陷越深。” 对于这种矛盾现象,一个可能的解释就是,“阿贝尔520”星系团是三个星系团之间复杂的交互体,而不仅仅是两个碰撞系统。另一种可能就是,“暗物质核心”中包含有许多星系,但是由于它们过于暗淡而无法观测到,甚至“哈勃”太空望远镜都无法看到。 有水行星 2013年12月3日,美国航天局宣布,天文学家利用哈勃太空望远镜在太阳系外发现5颗行星,它们的大气层中都有水存在的迹象。此前也曾观测到少数大气层中有水存在迹象的系外行星,但这是首次能确定性地测量多个系外行星的大气光谱信号特征与强度,并进行比较。 这5颗行星分别叫做WASP-17b、HD209458b、WASP-12b、WASP-19b与XO-1b,它们的体积比地球大得多,属于“热木星”型行星,即大小与木星相当,但温度极高、运行轨道距其绕行恒星非常近的气态巨行星。 研究人员利用哈勃的广角照相机,观测这些行星大气层吸收光线的细节特征,结果发现,尽管5颗行星都有水存在的迹象,但信号均弱于预期,他们怀疑这是因为这些行星的大气中有一层霾或灰尘的存在,导致信号减弱。 宇宙学 由于宇宙学的研究对象主要来自天文观测,而这也是唯一能在宇宙演化和结构的基础上测量宇宙距离和年龄的办法。哈勃空间望远镜能够通过对造父变星距离的测量来测定哈勃常数,而这与宇宙在今天的膨胀速度有关。此外,通过对超新星的测定,可以帮助研究人员来限制超新星的亮度,从而进一步限制宇宙早期膨胀的属性,从而为暗能量模型提供一个强有力的限制。 哈勃深场 早在1996年,著名的哈勃空间望远镜就拍摄到标志性的哈勃深场图像,巨大数量的星系就隐藏在这片小天区中,美国宇航局计划进行一次全新的深场成像计划。哈勃望远镜在捕捉深场图像时将收集极遥远天体的微弱光线,慢慢“堆积”才能揭示宇宙大爆炸数亿年后的情景,否则由于光线太弱而看不到当时宇宙中存在的天体。在哈勃望远镜于2004年拍摄的“超深场”图像中,收集光线的时间更久,2012年拍摄的“极深场”图像则花了更长的时间才完成成像。 根据巴尔的摩空间望远镜研究所科学家丹安·科介绍:“与超深场图像类似,本次哈勃拍摄的六个超深场图像计划几乎可获得相同品质,在哈勃前沿领域的任务中,收集光线花了45个小时,描绘出宇宙大爆炸后大约五亿年的情景。”这些图像深刻揭示了宇宙最深处的景象,捕捉到年代非常久远的星系和从未见过的遥远星系。负责本项研究的科学家认为有些星系是之前尚未被发现的,比如最远的星系MACS0647-JD,就距离地球大约133亿光年处,原始深空场也显示了在仅仅2.5弧分跨度上就存在大约3000个并未被观测到宇宙星系。 作为天体观测的主力,美国宇航局希望哈勃望远镜能维持到2018年,其继任者詹姆斯?韦伯空间望远镜将在不久后发射。研究人员认为哈勃拍摄的新深场图像需要一定的运气,那片黑暗的天区包含了丰富的宝藏,这项新的观测活动将在2012年晚些时候开始。 4后继探索器 韦伯空间望远镜 詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST的)是红外空间观测站,研究人员计划用它取代哈勃望远镜,用以探索远超过目前仪器可观测到的宇宙中最远的对象。它由NASA带头,与欧洲航天局和加拿大航天局合作。曾用名为NGST。在2002年更名。预定的望远镜的发射计划不早于2014年6月,将由Ariane5号火箭发送。 赫歇尔空间天文台 2009年5月14日发送的欧洲航天局赫歇尔空间天文台,有一面镜子赫歇尔大大超过哈勃,但只有在远红外线观察。 大口径太空望远镜 先进的技术大口径太空望远镜也已提上日程。如果该项目批准的话,它将有8至16米(320至640英寸)的光学空间望远镜。它是真正的哈勃望远镜继承人: 有能力观察和拍摄的光学,天体紫外线和红外线的波长,但更高的分辨率大大高于哈勃。 参考资料 1.科研专用望远镜- 空间天文望远镜.中国科普博览.2010-01-03. 2.回眸哈勃发射20年:哈勃太空望远镜简介.腾讯网.2010-04-24. 3.揭秘:一张“哈勃”照片的诞生.科学松鼠会.2009-06-25. 4.哈勃空间望远镜五大科学发现.科学松鼠会.2013-11-14.