哈勃的軌道正在降低，大約十年后，它將重新進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最令人印象深刻和成功的項目之一。
自 1990 年發(fā)射以來，它已取得多項重大發(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；計算宇宙的年齡；探測系外行星大氣；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縮短。哈勃的軌道正在降低，大約十年后，它將重新進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？這個計劃真的會進行嗎？
哈勃望遠(yuǎn)鏡正在不斷墜落
哈勃從來沒有任何能力移動它的軌道，它所在的軌道退化得相當(dāng)快。
哈勃最初運行于距離地表 600 公里的地方，所以叫太空望遠(yuǎn)鏡。通常來說，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，這個數(shù)字只是人為定義的，大氣在這個高度確實已經(jīng)相當(dāng)稀薄了，但絕不是一點沒有。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動就知道，線速度降低就會伴隨軌道的降低。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，它沒有機載推進器，這就導(dǎo)致它只能“隨波逐流”，隨著時間的推移逐漸衰減軌道，目前距離地表大約 540 公里。
為了解決這個問題，哈勃被設(shè)計成航天飛機可以與它對接。這樣，機組人員可以執(zhí)行日常維護并升級必要的組件，航天飛機可以使用其推進器輔助哈勃抬升軌道，使其回到原本的高度。
但這些太空維護中的最后一次發(fā)生在 2009 年，航天飛機由于不斷地發(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為哈勃望遠(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
那么馬斯克會怎么完成這樣的壯舉呢？答案是他計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送到國際空間站，是目前從美國本土到達(dá)那里的唯一途徑。它取代了獵鷹 9 號火箭的鼻錐，并作為火箭的最后一級。
這意味著載人龍飛船能夠與衛(wèi)星對接且擁有自己的推進器。因此，SpaceX 提議使用載人龍飛船與哈勃對接，然后使用其推進器推進其軌道，就像航天飛機多年前所做的那樣。
或許你會認(rèn)為，之前航天飛機被用于對接國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的位置與空間站對接，那與哈勃對接自然也是輕而易舉。
可情況并非如此，因為對接機制不同，國際空間站的密閉通道式對接機制在航天飛機與載人龍飛船之間共享，但在與哈勃對接時，航天飛機實際上使用了一個巨大的機械臂來抓握住哈勃，而不是采用與國際空間站對接的模式。這意味著宇航員需要進行太空行走才能使用望遠(yuǎn)鏡。
而載人龍飛船既沒有機械臂，也沒有讓宇航員進行太空行走的能力。這意味著馬斯克將不得不修改太空艙以擁有類似的機械臂來抓住哈勃望遠(yuǎn)鏡。這樣的修改是可行的，但會占用幾乎所有的內(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)機械臂，但飛船仍缺乏讓宇航員進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)，一旦他們成功實現(xiàn)，他們可以再給哈勃延長 15 到 20 年的壽命。同時自 2011 年以來，傳感器和計算技術(shù)已經(jīng)取得了長足的進步，一些升級將使哈勃望遠(yuǎn)鏡更加強大。
為什么要延長哈勃的使用壽命？
目前美國宇航局還沒有立項，只是同意進行該任務(wù)的可行性研究，周期約為 6 個月。在這個階段，美國宇航局是不需要花錢的，但如果真的在未來執(zhí)行維護任務(wù)，或許就要支付費用了。
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大的望遠(yuǎn)鏡之一。你可能會認(rèn)為詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡 (JWST) 已經(jīng)取代了哈勃，因為它的功能要強大得多。但實際上，這兩個望遠(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)前進是有意義的。
然而，在 2026 年 SpaceX 將發(fā)射一個新的 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，因為哈勃望遠(yuǎn)鏡需要拍攝 100 張圖像才能匹配一張羅馬圖像。
有了這樣一個直接替代哈勃的機會，美國宇航局為什么仍要考慮把錢花在拯救哈勃上？
因為羅馬望遠(yuǎn)鏡的耗資是驚人的 32 億美元！而獵鷹 9 號的發(fā)射成本僅為 6700 萬美元，改裝載人龍飛船的成本可能僅需要幾百萬美元。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（盡管可能會更少）。哈勃目前擁有 290 TB 的數(shù)據(jù)檔案，自 1990 年以來已經(jīng)拍攝了超過 100 萬張圖像，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，因為它們的大小差不多，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。
這是一個非常粗略的計算。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)。但這說明了為什么 NASA 對延長哈勃望遠(yuǎn)鏡的壽命感興趣，盡管它很快就會有替代品。這是簡單的經(jīng)濟學(xué)。
但羅馬望遠(yuǎn)鏡也是為延長壽命的服務(wù)任務(wù)而設(shè)計的。因為它功能強大得多，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行，以了解 SpaceX 是否也能夠延長羅馬望遠(yuǎn)鏡的使用壽命。延長羅馬望遠(yuǎn)鏡的壽命是一項風(fēng)險更大的任務(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 可能會接受他們的提議。令人驚嘆的是，一臺擁有 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)的未來有多光明仍然令人驚嘆。
本文來自微信公眾號：出新研究 （ID：chuxinyanjiu），作者：Will Lockett，來源：Medium，編譯：劉唐詩
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