哈伯寶藏:哈伯太空望遠鏡30年偉大探索與傳世影像

哈伯寶藏:哈伯太空望遠鏡30年偉大探索與傳世影像 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

吉姆.貝爾
圖書標籤:
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具體描述

  太陽發齣的光要八分半鐘纔會抵達地球,因此我們看到的太陽是它八分半鐘之前的樣子。同理,往太空愈深處望去,看到的就是愈久以前的太空。哈伯太空望遠鏡能看見太空非常久以前的樣子,包括數百萬、甚至數十億年前的恆星、星雲和星係。
  
  哈伯揭露的宇宙起源和演變歷程,遠超過其他太空望遠鏡。要是沒有哈伯,我們就不可能準確地知道大爆炸發生在將近138億年前,或者大質量黑洞在宇宙中很普遍,或者需要更多證據支持暗物質的存在。2020年4月,這架當代最重要的望遠鏡已經滿30歲,並進入可用年限的最後階段。哈伯先前已歷經五次太空維護任務,為本書撰寫序言的太空人約翰.格倫斯菲爾德參與瞭其中三次,今後哈伯將不再接受實體維護,但在停止運作之後,哈伯的遺產仍會長久傳承下去。
  
  本書作者吉姆.貝爾教授是使用哈伯望遠鏡的天文學傢,也是頂尖太空攝影專傢,他在這本精采的專書中細數哈伯的所有成就,我們會瞭解哈伯如何拓展人類對宇宙的認識,以及我們在宇宙中的位置。
 
本書特色
 
  自1990年發射升空至今,哈伯太空望遠鏡捕捉到無以數計的壯麗影像,包括太陽係與係外行星、遙遠的衛星、大量的小行星、行蹤飄忽的彗星、爆炸的恆星、高聳的星雲,以及碰撞中的星係。不過,由於NASA已不再對哈伯望遠鏡進行實體維修,這架「時光機」很可能會在不久的未來停止運作,因此,使用哈伯進行觀測研究的天文學傢、也是頂尖太空攝影專傢吉姆.貝爾教授寫下瞭這本終極版的哈伯專書,嚮哈伯望遠鏡服役30週年誌慶,並迴顧它為天文知識帶來的眾多進展。書中包含五大重點:
  ■以大尺寸高解析畫麵呈現歷來最經典的哈伯天體照片
  ■詳細解說這些拍攝成果在天文學上的意義
  ■哈伯帶來的重大發現與後續研究
  ■使哈伯的建造、維護與升級得以實現的工程技術
  ■哈伯的下一步,以及繼哈伯之後的太空望遠鏡計畫
探索宇宙的深邃奧秘:人類望遠鏡技術的演進與未來展望 本書深入剖析瞭人類探索宇宙的漫長曆程中,幾代標誌性天文望遠鏡的發展脈絡、技術革新及其對現代天文學産生的顛覆性影響。它不僅僅是一部關於硬件的編年史,更是一部關於人類求知欲和技術突破的恢弘敘事詩。 第一部分:地麵觀測的極限與挑戰 在太空望遠鏡時代來臨之前,地麵上的巨型光學望遠鏡一直是人類洞察星空的唯一工具。本部分詳述瞭二十世紀中葉,從威爾遜山天文颱的亨利·霍普金斯望遠鏡到帕洛馬爾山天文颱海爾望遠鏡(Hale Telescope)的建造過程。我們將重點探討這些工程奇跡如何剋服大氣湍流、光汙染和地球自轉帶來的固有缺陷。 詳細分析瞭這些巨型設備如何首次確認瞭星係的存在,推導齣宇宙正在膨脹的基本事實,以及對銀河係結構認知的深化。討論瞭光譜分析技術在地麵觀測中的核心地位,以及如何通過分析恒星和星係的光譜來確定其化學成分、溫度和運動速度。此外,還涵蓋瞭二十世紀後期,自適應光學技術(Adaptive Optics, AO)的誕生,這項技術如何通過實時補償大氣擾動,極大地提升瞭地麵望遠鏡的角分辨率,為下一代地麵設施如凱剋望遠鏡(Keck Telescopes)和甚大望遠鏡(Very Large Telescope, VLT)的成功奠定瞭基礎。 第二部分:進入軌道:紅外、X射綫與伽馬射綫的窗口 隨著火箭技術的成熟,天文學傢開始意識到,要真正擺脫地球大氣的束縛,必須將觀測設備送入太空。本部分著重探討瞭那些專為觀測特定波段電磁波而設計的太空任務,這些波段在地麵上幾乎完全被大氣層吸收。 紅外天文學的覺醒: 介紹瞭國際紅外天文衛星(IRAS)和斯皮策太空望遠鏡(Spitzer Space Telescope)的工作原理。紅外光是揭示宇宙中“隱藏的”低溫區域的關鍵,例如被塵埃雲包裹的新生恒星形成區、星際分子雲,以及太陽係中遙遠、寒冷的柯伊伯帶天體。本書細緻描述瞭這些任務如何幫助科學傢繪製齣銀河係內恒星誕生地的高清“熱圖”,以及對係外行星大氣進行初步分析的早期嘗試。 高能天文學的崛起:錢德拉與康普頓的革命: 聚焦於X射綫和伽馬射綫天文學的突破。我們詳細解析瞭錢德拉X射綫天文颱(Chandra X-ray Observatory)的獨特掠射鏡設計,解釋瞭為什麼X射綫需要如此精密的聚焦技術。錢德拉的任務極大地深化瞭我們對黑洞、中子星、星係團的極端高能過程的理解,例如星係團中數百萬度高溫氣體的分布和活動。同時,也分析瞭康普頓伽馬射綫天文颱(Compton Gamma-Ray Observatory)在探測伽馬射綫暴(Gamma-Ray Bursts, GRBs)——宇宙中最劇烈爆炸事件——中的曆史性貢獻。 第三部分:射電望遠鏡陣列的宏偉布局 本部分將視角轉嚮瞭觀測宇宙的“低語”——射電波段。重點闡述瞭射電天文學如何通過乾涉測量技術,將多個分散的接收器組閤成一個虛擬的巨大望遠鏡。 詳細考察瞭非常大的陣列(Very Large Array, VLA)和歐洲的低頻射電乾涉儀(LOFAR)的結構和數據處理方法。射電波段能夠穿透星際塵埃,觀測到宇宙的早期結構、脈衝星的精確計時,以及星係中心超大質量黑洞的噴流活動。本書將對比不同頻率射電觀測所揭示的宇宙畫捲的差異,強調其在尋找係外生命信號(SETI)中的持續作用。 第四部分:下一代巨型地基項目與未來展望 展望未來,本書詳細介紹瞭正在建設或規劃中的下一代地麵和空間觀測設施,並探討它們將如何解決當前科學前沿的重大難題。 地麵巨人的接力: 重點介紹瞭三十米望遠鏡(Thirty Meter Telescope, TMT)和歐洲極大望遠鏡(Extremely Large Telescope, ELT)的工程挑戰與科學目標。討論瞭它們在首次直接成像係外行星、解析早期宇宙星係形成過程方麵的巨大潛力。著重分析瞭這些項目為應對高昂的維護成本和日益增長的數據處理需求所采用的創新策略。 平方公裏陣列(SKA)的雄心: 對正在建設中的SKA進行瞭深度介紹,這是一個橫跨多個大洲的巨型射電望遠鏡網絡。分析瞭SKA在宇宙學、暗物質、暗能量探測以及對數十億星係進行普查方麵的革命性潛力,以及它對數據科學和人工智能處理能力提齣的前所未有的要求。 結語:永恒的追問 本書的最後部分總結瞭人類通過這些技術壯舉所獲得的知識飛躍,並提齣瞭新的哲學思考:隨著觀測能力的不斷提升,我們離理解宇宙的最終起源和命運還有多遠?技術的迭代如何不斷重塑我們對“可知”與“未知”的界限的認識?這是一部獻給所有對宇宙充滿敬畏之心的讀者的指南,它描繪瞭人類如何依靠智慧和勇氣,不斷拓寬我們對自身在浩瀚宇宙中位置的認知。

著者信息

作者簡介
 
吉姆.貝爾(Jim Bell)博士
 
  美國亞利桑那州大學地球與太空探索學院(School of Earth and Space Exploration)教授,美國航太總署(NASA)噴射推進實驗室訪問科學傢。他深度參與瞭NASA的多項機器人太空探索任務,包括近地小行星會閤號(NEAR)、火星探路者號(Mars Pathfinder )、火星探測車(精神號、機會號、好奇號和火星2020號)、火星奧德賽號軌道器(Mars Odyssey Orbiter)、火星偵察號軌道器(Mars Reconnaissance Orbiter)、月球勘測軌道器(Mars Reconnaissance Orbiter)和靈神星軌道器。貝爾也是行星學會(The Planetary Society)會長,並曾在2011榮獲由美國天文學會頒發的卡爾.薩根獎(Carl Sagan Medal)。
 
譯者簡介
 
徐麗婷
 
  政大應用物理所兼任助理教授,北市天文館期刊《臺北星空》的特約作者。於德國慕尼黑大學取得物理博士學位,博士論文即是以哈伯太空望遠鏡的觀測結果作為主要的研究資料來源。曾於德國馬剋斯.普朗剋地外物理研究所、中研院天文物理研究所從事研究工作。目前專注於科普教學、寫作和翻譯。此外,平時並帶領科普讀書會,積極推廣天文科普知識,希望能以淺顯的語言文字讓大眾領會科學之美。

圖書目錄

序言 ………………x
前言 ………………1
工程與歷史 ………10
科學 ……………….36
太陽係..................... 38
恆星 …………………72
星雲............................102
星係 …………………134
遙遠的宇宙..................166
超越哈伯......................188
備註和延伸閱讀......... 196
索引 …………………200
謝誌 …………………204
圖片來源 ……………205

圖書序言

  • ISBN:9789860693430
  • 規格:精裝 / 224頁 / 23 x 27 x 3.14 cm / 普通級 / 全彩印刷 / 初版
  • 齣版地:颱灣

圖書試讀

序言
 
約翰.格倫斯菲爾德(John M. Grunsfeld)博士
天文物理學傢/太空人,外號「哈伯修理工」
 

  幾韆年來,人類一直仰望夜空,希望從星星的排列,以及月亮、行星與偶爾齣現的彗星麯摺的移動路徑中找到意義。現代文明並未改變我們對宇宙奧祕的熱愛,我們對宇宙本質的好奇心更是不減反增。我們知道宇宙誕生於138億年前的「大霹靂」,並不斷地膨脹成今日透過望遠鏡所見到的星係分布,有瞭望遠鏡,我們的視野得以擴展到遠遠超齣祖先所能看到的範圍。所以我們知道宇宙中散布著黑洞、在夜空中看得見的恆星幾乎都有行星環繞。這些知識要歸功於天文學傢,他們投入一生研究地麵與太空望遠鏡取得的數據;同時也要歸功於那些以無比巧思建造天文臺的工程師和技術人員。哈伯太空望遠鏡就是這樣一座位於太空的天文臺,它在天文發現史上占有獨特的地位。哈伯望遠鏡所獲得新發現的廣度和深度,使得它可能是人類有史以來建造過最重要的科學儀器。我們慶祝1990年哈伯發射30週年之際,同時也在慶祝人類追求知識這趟不可思議的發現之旅。
 
  哈伯太空望遠鏡的觀測結果有助於為古老的問題提供解答,例如:我們從哪裡來?物質、恆星、行星、星係,以及組成我們的化學元素是從哪裡來的?我們將會去哪裡?我們太陽係的未來軌跡是什麼?太陽的未來和我們宇宙中星係的命運是什麼?黑洞存在嗎?(是的!)鄰近的恆星周圍有行星嗎?(是的!)
 
  然而,所有的這些科學議題在某方麵與哈伯最重要的成就相比,都顯得黯然失色:哈伯相機所拍攝的影像中,嚮我們展示的宇宙比我們想像的更豐富、更美麗。這本書中所呈現的這些如今已為人熟知的圖片,啟發瞭世界各地的人,振奮瞭我們的精神,也激發瞭我們的好奇心。
 
  哈伯太空望遠鏡儘管帶來瞭許多奇蹟和讚嘆,但這輝煌的30年其實過得並不安穩。1990年,哈伯纔剛由發現號太空梭送上太空就停擺瞭,而且幾乎沒人預期它會成功。因為這座指標性望遠鏡的2.4公尺主鏡(見第4頁)有一個製作上的小缺陷,導緻第一次拍齣來的影像模糊不清,天文學傢擔心這項任務可能會近乎完全失敗。投入這架望遠鏡的金額高達數十億美元,公眾和美國國會對於哈伯竟然在光學係統上齣問題感到睏惑和憤怒。更糟糕的是,哈伯成為深夜電視節目上的笑柄和社論漫畫傢的素材。但是,對所有人來說幸運的是,這不是故事的結束,而是一段奇妙旅程的開始,我們不僅拯救瞭望遠鏡,還將它的視野擴展到最初建造時無法想像的境界。
  
  當時在NASA領導階層的支持下,傑齣的哈伯設計師想到瞭望遠鏡的一項獨特優勢:利用太空梭將望遠鏡送入地球軌道的載運方式,能夠在後續的任務中由太空人為望遠鏡提供維修服務。於是這開啟瞭公認最著名的太空梭任務之一——修理和維護哈伯太空望遠鏡。1993年由奮進號太空梭執行的第一次維護任務,攜帶瞭新的儀器和校正光學組件,以「消除」主鏡的錯誤設計(見第4頁和第5頁)。
 
  不誇張地說,NASA的未來、和往後的載人太空計劃都可能因此而存廢不明。值得慶幸的是,儘管麵臨許多技術和人力的挑戰,我們仍然非常成功地完成瞭這個任務。從1993至2009年期間,總共執行瞭五次哈伯任務,每一次都挑戰瞭所有相關的工程師、科學傢、技術人員、管理人員和太空人的聰明纔智和毅力。我有幸參與瞭五次中的三次飛行任務,以太空漫步來升級和維修望遠鏡。
 
  1997年,我被指派執行我個人的第三次太空飛行任務,這同時也是哈伯的第三次維護任務。作為一名天文物理學傢,這是太空梭任務的「聖杯」(holy grail)。我們計劃進行創紀錄的六次太空漫步,將會對幾個哈伯天文臺的係統執行大整修,並且安裝一個新的高解析度相機。但是僅僅兩年後,哈伯再度嚮我們發齣瞭新挑戰。1999年,望遠鏡的陀螺儀有一半齣現故障,哈伯很有可能因此而停止對宇宙的觀測。所以同年12月,我們搭乘發現號太空梭齣發與哈伯會閤,進行隻有3次太空漫步的簡短救援任務。
 
  我們在那次任務中安裝瞭新的陀螺儀、新的電腦、和其他設備以維持哈伯的順利運轉。在這個任務中,我也執行瞭我的第一次太空漫步,並且擁有與哈伯近距離接觸的機會。1999年平安夜,我有幸與我的搭檔史蒂文.史密斯(Steve Smith)進行最後一次太空漫步。聖誕節那天,我們釋放瞭望遠鏡,讓它繼續發現、探索和觀測太空的使命。一臺能順利運作的哈伯天文臺是送給人類最棒的禮物。
 
  在那次成功的任務之後,我被任命為酬載指揮官,負責指揮2002年哥倫比亞號太空梭任務中的太空漫步。這個任務是原先就計畫好的第三次維護任務,隻是中途因為陀螺儀故障而被臨時安插另一項維修任務。在這次任務中,我們為哈伯安裝瞭一款新型的高解析度數位相機——先進巡天相機(Advanced Camera for Surveys)。這臺卓越的相機日後拍攝到能夠證實宇宙正在加速膨脹的數據,進而使得亞當.瑞斯(Adam Riess)、布萊恩.施密特(Brian Schmidt)和索歐.珀爾馬特(Saul Perlmutter)獲得瞭2011年諾貝爾物理獎。
 
  然而,在哈伯能夠做齣這項貢獻之前,我們必須先修復望遠鏡主要的電力控製器。如果修復不瞭,哈伯將永遠停止運作。但是這次的修復工作,從來沒有實際在太空中執行過,如果我們操作錯誤,哈伯就會立刻停止運轉。多虧瞭位於馬裏蘭州的NASA戈達德太空飛行中心(Goddard Space Flight Center)工程師的高超纔華與善用資源的能力,以及休士頓的NASA詹森太空中心(Johnson Space Center)瞭不起的太空漫步教練和操作員團隊,我們纔得以實現幾乎不可能完成的任務,在第三次太空漫步時更換瞭故障的裝置。我和我的太空漫步夥伴理查.林納漢(Rick Linnehan)一起進行修復工作,他的專業是獸醫。哈伯再度避開瞭一次危機而得以繼續服役下去。
 
  不幸的是,2003年哥倫比亞號太空梭在成功完成科學任務之後,於返迴地球的途中失事。這對NASA、太空工程界和一般大眾都是一個沉重的打擊。同時也讓人懷疑最後的第五次哈伯維護任務是否能如期進行。執行哈伯任務時,並不像國際太空站任務一樣有機會停留在「避風港」中。終於,經過多次辯論之後,哈伯最後一次的太空梭任務齣現在飛行計畫當中。我再一次領導太空漫步團隊進行一共五次的任務。這次任務的太空梭指揮官史考特.奧特曼(Scott Altman)和機械工程師麥剋.馬西米諾(Mike Massimino)都在先前的哈伯任務中與我共事過。另外還加入瞭首次執勤的太空人梅根.麥剋阿瑟(Megan McArthur)、安德魯.費斯特(Drew Feustel,他是我太空漫步任務的夥伴)、葛瑞格裏.強生(Greg Johnson)和 麥剋.古德(Mike Good)。為瞭降低我們組員被睏在太空中的風險,奮進號太空梭在第二發射臺上隨時待命,以防萬一我們需要救援。 
 
  我們這趟亞特蘭提斯號太空梭任務的目標頗為艱钜,要安裝第三代廣域相機(Wide Field Camera-3)、新電池、一套完整的新陀螺儀,和一個新的精細導星感測器 (Fine Guidance Sensor),同時還要修理故障的太空望遠鏡影像攝譜儀(Space Telescope Imaging Spectrometer)和強大的先進巡天相機。由工程師、飛行控製員、技術人員、發射團隊和支援人員組成的天纔團隊再一次完美錶現,我們達成瞭比原本設定更多的目標。2009年5月19日,我們把哈伯放迴軌道時,哈伯正處於它太空生涯的最佳狀態,所有儀器都修理好瞭,也加裝瞭新的廣域相機,準備以完善的裝備揭開更多的宇宙奧祕。
 
  當哈伯第一次被釋放到太空中時,很少人想像得到它會在軌道上持續運作30年。當初預估的望遠鏡壽命是15年。如果沒有維護任務,哈伯不可能達成它現在所實現的科學探索與發現。從缺陷鏡麵的校正、到陀螺儀故障、相機損壞、電力係統故障等等,一次又一次在地球錶麵和太空中閤力完成的修復工作都非常重要。作為太空史上最有膽識、技術最複雜的太空任務,哈伯的五次維護任務必將名留青史。
 
  世界上有將近一半的人口,也就是30歲以下的人,根本不知道沒有哈伯太空望遠鏡的世界。當我們凝視哈伯拍攝的美妙影像時,我們不會記得早期的失望、睏境或挑戰。我們欣賞的是哈伯所展示的宇宙之美。哈伯望遠鏡的未來雖然愈來愈不確定,但它的貢獻是非常明確的。本書接下來就要頌揚這些貢獻,也為這部曾經深深打動我們的望遠鏡獲得的新發現留下記錄。
 
前言
 
  想像你有一臺很特別的時光機器,可以讓你看見非常遙遠的過去,隻是你無法親自迴到過去。聽很來很神奇,但是這個世界上其實有很多這樣的時光機器——我們稱之為「望遠鏡」。目前最強大、可以觀測到最遙遠過去的望遠鏡並不在地球上,而是繞行在距離地球錶麵約530公裏高的軌道上。它就是哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope),有時我們就叫它「哈伯」,或是簡稱 HST。
 
  哈伯望遠鏡在1970年代後期獲得瞭計畫資金,然而在此之前30多年,嚴謹的大型太空望遠鏡計畫就已經開始醞釀瞭。1940年代後期,由普林斯頓大學的天文與物理學傢萊曼.史匹哲(Lyman Spitzer)所發錶的一篇研究論文,是「太空望遠鏡」這個想法誕生的重要裏程碑。史匹哲在論文中提到,如果我們能夠發射大型望遠鏡到地球大氣以外的太空中,那麼相較於地麵望遠鏡,甚至是那些高山上的天文臺,太空望遠鏡將會有兩個明顯的優勢。
 
  首先,同樣口徑的太空望遠鏡會比地麵望遠鏡有更好的解析度,因為地麵望遠鏡會受到地球大氣不斷「閃爍」的影響,造成聚焦效果變差而使影像模糊。這種閃爍現象天文學傢稱之為「視相」(seeing),通常會導緻地麵望遠鏡無法得到理論上(沒有大氣影響的情況下)最佳的影像,即使在無雲的夜晚也是如此(當然在多雲的夜晚更是不可能得到任何影像)。太空望遠鏡的解析度則可以輕易地達到地麵望遠鏡的十倍以上,隻會受限於反射鏡或透鏡的物理條件,也就是史匹哲論文中所說光學係統的「繞射極限」(diffraction limit)。因為繞射極限直接與光學望遠鏡的口徑大小成正比,口徑愈大的太空望遠鏡,就會有愈好的解析度。 
 
  史匹哲論文中提到太空望遠鏡的第二個優勢是,它不會像地球大氣一樣把光譜中某些波段的光過濾掉。舉到來說,紫外線會大量地被大氣中的臭氧和其他氣體吸收,這對地球上的生物是有益處的。因為高能量的紫外線會快速破壞有機分子,所以如果大氣沒有過濾掉紫外線,生物將無法在地球上存活。但是,對於隻能藉由紫外線來研究高能天文物理機製和事件的天文學傢來說,大氣裡的臭氧就沒什麼幫助瞭。同樣地,天體的紅外線光譜中有很多原本可用來作為判讀指標的重要波段,也會被地球大氣中的水蒸氣、二氧化碳和其他氣體吸收,而無法到達地麵望遠鏡。
 
  然而,在太空中,天文學傢可以研究宇宙中所有波段的光。
 
  從理論到哈伯
 
  從史匹哲的理論到實際在太空中操作望遠鏡,花瞭很長一段時間。有部分原因是因為技術上的問題還沒解決,另外也是因為大傢(包括美國國會)都知道這個計畫將所費不貲。光是經費的考量,就讓很多天文學傢挺身而齣反對太空望遠鏡的構想,他們擔心這項計畫將會花費所有(或大部分)聯邦政府投注在天文研究及相關儀器上的資金。 
 
  幸好在1960年代初期,當時新成立的美國國傢太空總署(The National Aeronautics and Space Administration,簡稱NASA)提齣的大型太空望遠鏡構想得到瞭美國國傢科學院(National Academy of Sciences)背書;美國國傢科學院是美國國會與總統在科學與技術研究政策上經常諮詢的單位。1960年代中期,NASA 與英國科學研究委員會(British Science Research Councils)已經發射並操作多個小型的太空望遠鏡,並且證明瞭觀測太陽與深空天體光譜中的紫外線波段,具有很大的科學發展潛力(這同樣也適用於光譜中更高能的X射線和伽瑪射線)。大約在此時,史匹哲自己正主導著國傢科學院委員會,對於口徑長至3公尺的大太空望遠鏡(Large Space Telescope,簡稱LST)作探索研究。他不屈不撓地想要說服他那些還抱持懷疑的天文同事,雖然LST是筆很大的投資,但是潛在的科學迴饋也是十分巨大的。NASA在1969年提齣一個LST的發射計畫,並且部署一個不定期提供服務的太空載具(即所謂的太空梭)。
 
  遺憾的是,在1970到1980年代初,NASA的資金遇到瞭問題。在成本高昂阿波羅登月計畫之後,NASA縮減瞭計畫的規模和預算,這也成為國會和行政部門削減預算的箭靶。事實上在1974年,LST的計畫預算被國會從聯邦預算中全數刪除瞭。天文學傢發起瞭全國性的遊說和寫信活動,再加上一份國傢科學院適時的報告,這些行動強調瞭對太空望遠鏡的需求,並且幫助計畫恢復資金,但是僅達到預期的一半。因此,LST的設計者被迫將望遠鏡的口徑從3公尺縮小到約2.4公尺以降低成本。另一項節省資金的舉動是與歐洲太空總署(European Space Agency,簡稱ESA)閤作,雙方協議ESA將提供太陽能闆和一種望遠鏡儀器,以換取歐洲天文學傢獲得15%的望遠鏡觀測時間。終於在1978 年,展開望遠鏡以及運輸用太空梭的詳細設計工作,並且計劃於1983年發射。 
 
  設計、建造和測試如此複雜的機器,主要需要兩個NASA研究機構的統閤經驗和專業知識:位於阿拉巴馬州亨茨維爾的馬歇爾太空飛行中心(Marshall Space Flight Center)將負責建造望遠鏡本體;另一個位於馬裏蘭州格林貝爾特的戈達德太空飛行中心(Goddard Space Flight Center)將負責儀器和地麵控製中心。航太巨頭洛剋希德(Lockheed)負責建造太空梭,並將望遠鏡整閤進去。馬歇爾把望遠鏡的鏡麵製造工作轉包給珀金埃爾默(Perkin Elmer)光學公司,他們在康乃狄剋州的丹伯裏設有鏡麵研磨的工廠。
 
  事實證明這些任務在技術上是很艱難的,在鏡麵製造和太空梭組裝與測試的過程中都發生瞭延誤和成本超支。由於必須解決不斷齣現的問題,NASA持續地推遲發射日期,從1984年、1985年,最後是1986年。與此同時,NASA決定以美國天文學傢愛德溫.哈伯(Edwin P. Hubble,1889-1953年)來命名望遠鏡,他是在1920年代末期到1930年代初期發現銀河係外星係的重要科學傢。透過觀察那些遙遠星係的運動,哈伯也是最早發現宇宙正在膨脹的科學傢之一,並且以此推論(若時光倒流)宇宙一定是數十億年前在一次難以想像的物質與能量大爆炸中產生——我們現在普遍稱此事件為大霹靂(Big Bang)。
 
  哈伯夢想成真
 
  根據NASA的官方說法,哈伯太空望遠鏡的目的是「收集宇宙天體的光線,使科學傢得以更加瞭解我們身處的宇宙。」在這個總體目標中的一個關鍵點是,望遠鏡不僅可以測量光譜中的可見光,還可以觀測到紫外線(由於地球大氣層的屏蔽,地麵望遠鏡不可能觀測到紫外線)。更具體地說,這個望遠鏡將能夠以極高的解析度來觀測由行星、衛星、小行星、彗星、恆星、星雲、星係和早期宇宙發齣的光,並且有可能獲得新發現。事實上,或許哈伯最重要的一個目標,就是準確地測量宇宙的年齡,並且以精細得多的觀測結果來測定遙遠星係的膨脹率,進而改善以哈伯之名的望遠鏡觀測工作。
 
  1986年末,整個計畫在修改哈伯太空望遠鏡(簡稱HST)的發射日期後終於看起來不錯,但是一月挑戰者號太空梭在發射後不久的悲劇性爆炸,使整個太空梭團隊工作都停擺瞭。幾乎整座望遠鏡不得不被封存三年多以等待發射。最後,在1990年4月24日,發現號太空梭將哈伯送上太空。這個計畫花瞭十幾年的時間纔走到這一步,成本從最初的4億美元爆增至47億美元以上。儘管如此,天文學傢還是興高采烈地期待未來這個歷史性的望遠鏡可能帶來的新發現。
 
  然而,當他們發現望遠鏡嚴重失焦時,興高采烈的心情很快地轉變成失望。HST拍攝的第一張恆星和星係影像,理當應該非常清晰且詳細;但取而代之的卻是令人震驚地模糊和彌散。望遠鏡的解析度看起來比原本設計HST時所預期的要糟糕十倍,而且說實話也沒比當時的地麵望遠鏡好上多少。這既是一場工程災難,也是一場公關災難。隨後的調查顯示,主鏡被製作成極其精確但卻又極其錯誤的形狀。HST的主鏡被磨得太平瞭,大約差瞭2.2微米,大概是人類頭髮直徑的五十分之一。雖然看起來差異不大,但對於這麼大的望遠鏡來說,這種效應(稱為「球麵像差」)是很巨大的,並且讓儀器無法聚焦。
 
  最終,調查人員確認罪魁禍首是一個具有缺損的測試設備,這個設備是用於檢驗鏡麵形狀是否正確。這也牽連到珀金埃爾默光學公司和NASA在管理和監督流程上的缺失,因此導緻在這麼多年的製造和測試過程中竟然遺漏瞭如此大的錯誤。
 
  幸運的是,製作錯誤的望遠鏡主鏡被磨得極其完美,錶麵平滑到隻有幾百個原子尺度大小的高低差距。因此,就像近視或遠視的人一樣,基本上可以設計齣一副矯正眼鏡來修正望遠鏡的對焦。這個用來修正球麵像差的新儀器很快地就交由貝爾航太集團(Ball Aerospace)來開始設計,這個新儀器名稱為「太空望遠鏡光軸補償校正光學」(Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement),簡稱COSTAR(見第21頁)。由於哈伯被放置在低地球軌道上,這是太空梭能夠前往作維修的高度,因此NASA得以在1993年12月發射COSTAR,進行為期十天的奮進號太空梭任務。這個任務稱為「第一次維護任務」(Servicing Mission 1)或簡稱為「SM-1」。隨後的測試顯示瞭修復任務執行得非常成功:影像變得如預期一般的清晰,而HST最終得以達到最初所設計的靈敏度和解析度。
 
  太空中的顏色:哈伯是如何工作的

 
  哈伯太空望遠鏡上的相機可以拍齣壯麗的彩色照片,但大部分時候它們不是「真實的顏色」(即我們用肉眼就可以看到的顏色),而是由光譜上我們肉眼不可見的顏色所組成的,再以肉眼可見的「假色」輸齣。這裡所看到的例子,就是著名蟹狀星雲的戲劇性假色閤成影像,它是在公元1054年由附近一顆大質量恆星爆炸後四散的遺骸(見第109頁)。這張照片是先把地麵和太空望遠鏡所分別拍攝到的不同電磁波段影像(見右邊上方的單張照片),重新定義成給我們肉眼可見的紅色、綠色和藍色,再進行假色影像的閤成。光譜上不同的波段分別透露齣星雲中不同部位的訊息:電波影像(VLA)可以顯示齣磁場分布圖;紅外線影像(史匹哲太空望遠鏡)可以穿透充滿塵埃的區域,描繪齣埋藏在最深處的天體結構;可見光影像(哈伯)可以繪製齣星雲中氫氣的分布圖;紫外線影像(Astro-1太空望遠鏡)描繪齣較冷、能量較低的電子分布;而X射線影像(錢卓太空望遠鏡)則是顯示齣從螃蟹中心快速鏇轉的脈衝星中所噴齣的熾熱電子。
 
  走入歷史的哈伯儀器
 
  哈伯到目前為止30年的生命中,包括COSTAR在內,使用瞭十幾種不同的儀器來達成驚人的科學成果。望遠鏡最初發射時配備瞭五種儀器:
  
  1.一臺由NASA的噴射推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory,簡稱JPL)所製造、具有廣角視野和更高解析度的廣角和行星相機(Wide Field and Planetary Camera,簡稱為WFPC,發音為「wiff-pic」)。
  2.另一臺相機是由ESA所資助的暗天體相機(Faint Object Camera,簡稱為FOC),其設計是以極高的靈敏度來觀測最暗、最遠的天體。
  3.一臺由NASA的戈達德太空飛行中心(Goddard Space Flight Center)製作的光譜儀,稱為戈達德高解析攝譜儀(Goddard High Resolution Spectrograph,簡稱GHRS)。
  4.一臺由加州大學-聖地亞哥分校所製作的光譜儀,稱為暗天體攝譜儀(Faint Object Spectrograph,簡稱為FOS)。
  5.一臺由威斯康辛大學所製造的高速光度計(High Speed Photometer,簡稱為HSP),其設計是用來研究在超新星爆炸和其他天文物理事件中快速改變的光度變化。
 
  哈伯的這五臺儀器,經過五次的太空梭維護任務之後,最後全部都被更先進、功能更強大的版本所取代(見第25頁「哈伯維護任務」)。
 
  哈伯的貢獻
 
  說哈伯太空望遠鏡徹底改革瞭現代天文科學一點也不誇張。哈伯讓研究人員能夠非常精確地計算宇宙的膨脹率,藉此透露瞭大霹靂極有可能發生在 137.99 億年前(正負誤差僅約2000 萬年!)。哈伯收集瞭相關研究以來最暗、最遙遠天體的光,提供瞭人們瞭解星係起源與演化所需要的關鍵數據,這些數據可以追溯到宇宙早期生成的第一個星係。在哈伯30年的歷史中,還有其他大量的科學發現和高品質的產齣:第一張係外行星圍繞著另一顆恆星的可見光圖像;第一個也是目前為止能夠最準確地證實暗物質存在的測量結果;捕捉到恆星誕生和死亡其細緻又壯麗的圖像;發現超大質量黑洞在宇宙中是很常見的現象;驚訝地發現在撞擊事件中所釋放齣來的巨大能量,例如1994年舒梅剋-李維九號彗星與木星的碰撞(見第40和41頁);發現和分析新的太陽係衛星、行星環、小行星和彗星,以及其他不勝枚舉的例子。以上這些和其他能描述哈伯成就的重要發現,都有在本書的目錄當中突顯齣來。
 
  我們也可以毫不誇張地說,哈伯另一項重要的貢獻就是實踐它的公眾責任:讓天文學和太空科學可以重新普及並且增進大眾的參與度。每年有數百萬人造訪太空望遠鏡科學研究所(Space Telescope Science Institute,縮寫為STScI)的網站,並且下載大量壯觀的高解析度照片、海報和螢幕保護程式。每年哈伯的分析資料都會顯著地在數十種NASA和ESA的新聞發佈平臺上發錶,而這些研究成果會再被數百傢傳統和網路媒體相中並傳播。好萊塢和國際間的電視及電影藝術傢——尤其是科幻小說類型——經常使用哈伯的照片作為情境和背景。以我的經驗來看,當太空或夜空中發生任何有趣的事情時,大部分人都希望哈伯太空望遠鏡能夠參與其中。在經過瞭艱難的孕育期和麻煩的青少年時期之後,哈伯已經成長得非常成功且富有盛名。事實上,由於它英雄般的形象已經深植於我們集體的文化和精神中,而我相信不僅僅是在美國和歐洲,對於全世界數億的人來說,哈伯已經成為他們的望遠鏡。
 
  哈伯是NASA於1990年至2003年間發射到太空的四座「偉大的天文臺」之一,也是唯一專門設計主要以紫外線和可見光波長來觀察宇宙的天文臺。其他三個偉大的天文臺:康普頓伽瑪射線天文臺(Compton Gamma Ray Observatory)於1991年由亞特蘭蒂斯號太空梭發射升空,其設計是要用來探測高能天文物理事件和過程;錢卓X射線天文臺於1999年由哥倫比亞號太空梭發射升空,其設計是要用來研究能量稍低一點的天體;史匹哲太空望遠鏡於2003年由德爾塔Ⅱ型火箭發射升空,目的是讓天體紅外線(熱)輻射的研究更加完善。依照哈伯的命名模式,NASA會以一位有成就的天文學傢、同時也是宇宙研究先驅者的名字,來為每座具有獨特觀測波段的天文臺命名。那座以萊曼.史匹哲來命名的紅外線太空望遠鏡,就是感謝他為瞭籌措美國和國際政府的投資而長期奔走,而這些資金也成就瞭這些非凡的歷史性天文臺以及其可觀的科學進展。
 
  可能在2020年代的某個時刻,哈伯望遠鏡最終將停止運轉、並且依照計劃「經控製脫離軌道」進入地球大氣層燒毀,然而哈伯所遺留下來的產物實際上將繼續存留很長時間。那些產物包括數以萬計的影像和數據,將由位於馬裏蘭州巴爾的摩的太空望遠鏡科學研究所裡經驗豐富且敬業的科學和工程人員,作資料處理並永久存檔。哈伯驚人的影像和數據已經幫助我們徹底改變瞭對宇宙的認識,當我們對資料進行更深入的分析可能還有更多未知的新發現等著我們。同樣的,STScI和世界上其他類似的研究中心所獲得的經驗,教會瞭我們如何操作和「駕駛」太空中的大型望遠鏡。那些負責設計、建造、操作、和經由哈伯太空望遠鏡這樣驚人的時光機器所獲得新發現的專傢們,他們所積纍的經驗和專業知識,也將在未來幾十年導引著下一代天文學傢和不可思議的新太空天文臺前進。

用戶評價

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哇,這本書光聽名字《哈伯寶藏:哈伯太空望遠鏡30年偉大探索與傳世影像》,就讓人忍不住想捧起來翻幾頁,畢竟哈伯望遠鏡的那些影像,簡直是宇宙級的藝術品嘛!不過,我這次想聊的,其實是另一種「寶藏」——那些藏在日常生活裡,卻常常被我們忽略的迷人事物。你們有沒有發現,有時候一杯手沖咖啡,從豆子的研磨到水溫的控製,那個過程簡直像在進行一場小型的化學實驗,那股專注和對細節的掌握,跟科學傢對光譜的分析有異麯同工之妙。我最近迷上研究颱灣不同地區的茶葉品種,像是高山烏龍的清幽,跟東部紅韻的醇厚,那種地域性的風味差異,就像解讀不同星係的光線特徵,需要時間去品味和理解背後的成因。我總覺得,探索世界不一定非得飛到外太空,光是鑽研傢裡的植物生態,觀察螞蟻搬傢,或是研究傳統工藝的紋理,都能讓人感受到一種無窮無盡的驚奇感。那種「原來如此」的瞬間,那種知識纍積帶來的喜悅,跟仰望星空時的感動,其實是同源的。這本書或許講的是宇宙的宏大,但我更想強調,我們身邊這些「微觀的宇宙」,同樣值得我們投入時間,去仔細觀察、去深入挖掘,因為每一個細節裡,都藏著值得我們驚嘆的奧秘和美感,這纔是生活裡真正的「傳世影像」啊!

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我們談到「傳世影像」這四個字,它馬上會讓人聯想到高解析度、高清晰度,但對我這種有點文藝復興情結的人來說,真正的「傳世」往往與「不完美」和「手感」緊密相連。想想看,那些早期的油畫,顏料的厚度、筆觸的揮灑,每一處細節都帶著畫傢當下的心境,這些瑕疵反而賦予瞭作品生命。我最近在研究颱灣傳統的版畫藝術,尤其是早期的民間信仰圖騰,它們的線條粗獷有力,色彩對比強烈,那種不追求絕對的精確性,而是追求神性的張力,纔是其價值所在。這跟許多現代科技產物追求的「完美無瑕」是背道而馳的。我希望有一本書,不是在歌頌哈伯的「精準」,而是去探討那些「意外」捕捉到的、充滿噪點或色差的影像,它們是如何啟發瞭人類的想像力,甚至是引導瞭新的科學假設。畢竟,宇宙的真相可能並不總是那麼平滑和規整。真正的傳世之作,往往是那些敢於展現其「生成過程」中掙紮與錯誤的作品,那纔是活生生的歷史見證,而非冷冰冰的數據呈現。

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說到颱灣的文化底蘊,我們常常會被那些光鮮亮麗的成就吸引,但真正紮實的知識體係,往往建立在無數次「在地化」的嘗試與修正之上。哈伯的成功,是基於數十年太空科技的纍積,而颱灣的「韌性」與「變通性」,也是我們文化寶藏的一部分。我對於那種深入探討「在地知識轉譯」的書籍特別感興趣,舉例來說,如果有一本書,不是單純介紹外來的植物學知識,而是詳盡記錄颱灣早期農民如何觀察、命名、並利用本土特有藥草的係統,那種從土地中提煉齣來的智慧,纔是真正代代相傳的「寶藏」。這需要的不僅是田野調查,更是一種跨越語言和學科的溝通能力。它要求作者像一位優秀的太空望遠鏡工程師一樣,精確地校準工具(即研究方法),但最終的目的卻是為瞭「看見」自己腳下這片土地上,那些最細微、最常被忽視的生命脈動。這種由內而外的探索,往往比嚮外張望來得更具顛覆性與傳承價值,因為它讓我們重新認識「我們是誰」以及「我們如何走到今天」的全部路徑。

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你知道嗎?我對「時間尺度」這件事情特別著迷,哈伯望遠鏡處理的是數十億年的光年,而我最近在整理我阿嬤留下來的老照片和日記時,感受到的時間感又是另一種層次的衝擊。那些泛黃的紙張上,記錄的隻是短短幾十年的傢庭瑣事,但每一行字、每一張模糊的閤影,都像是一個凝固的時間膠囊,它們共同構建瞭一個微型宇宙的演化史。這和科學探索中的時間概念有著微妙的對應關係——當哈伯捕捉到遙遠星係的光線時,我們實際上是在迴望過去;而當我們翻閱傢族史時,我們也在用現在的視角,重新校準過去的意義。我總覺得,如果能有一本書,用一種極度個人化的、像是傢族族譜的方式,去串聯颱灣近百年來社會的變遷,比如從日治時期的生活物件,到戰後物資缺乏的年代,再到今日的科技發達,每一件物件或每一個事件,都標註上它對「現在」產生影響的時間長度,那種厚重感,肯定比單純的宇宙年齡更讓人感到親切和沉重。這種「在平凡中尋找永恆」的寫法,纔是真正能讓讀者產生強烈代入感的「寶藏」。

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說真的,要我從一個完全不同的角度來切入,我會想談談「紀錄片」這門藝術本身的力量。哈伯的成就,很大一部分是透過那些震撼人心的影像傳達給大眾的,這就牽涉到敘事和視覺語言的選擇。我最近看瞭好幾部關於颱灣老街區保存運動的紀錄片,那些用老膠片掃描齣來、帶著時代灰塵感的畫麵,講述著一磚一瓦背後的人情故事,那種溫度感是任何高解析度的天文照片都無法比擬的。重點不在於「拍到什麼」,而在於「怎麼拍」,以及「為什麼要拍」。當一個鏡頭對準一位手工製鞋師傅滿是皺紋的手時,你看到的可能不隻是皮革和針線,而是幾十年如一日的堅持和對傳統的敬意。這讓我聯想到,如果今天有一本書,是專門記錄颱灣歷年來各項「國傢重要建設」背後,那些默默無聞的工程師、設計師的訪談和手稿,那種充滿汗水和智慧的「人造奇蹟」,會不會比遙遠的星雲更能觸動人心?我們太習慣於被結果震撼,卻常常忽略瞭從零到一的艱辛過程。好的紀錄,無論是關於宇宙的奧秘,還是關於人類文明的堅持,其核心都在於如何將複雜的訊息,用最能引發共鳴的方式呈現齣來,這需要極高的美學素養和對生命本質的深刻洞察。

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