服务30年,哈勃正在“坠向”地球,如何将它安全带回地面?

如果眼睛是人类心灵的窗户,那么天空就是宇宙为人类敞开的一扇通往真理的大门,科学的发展来源于人类对自然表象的观察、分析、总结和验证,在这个过程中我们人类才得以一步一步的接近万物的本质。其中最重要的一点离不开看与观察!

那么望远镜的出现与发展就为人类的视野插上了一双腾飞的翅膀,尤其是自1990年,哈勃望远镜被送上太空以后,它以前所未有的方式在观察宇宙,其视野的深度、广度和清晰度彻底改变了人类心目中的宇宙。目前哈勃升空已有30年,明天就是哈勃的周年纪念日,但往后的每分每秒对哈勃来说都将是最珍贵的时间。

因为自哈勃升空以来,我们已经对其进行了5次维护任务,其中最后一次是在2009年,在5次的维护任务中,我们对其更换了两次广角/行星照相机、修正了光学系统、更换了受损的部件和电池,并将哈勃的提升到了更高的轨道。但是随着NASA航天飞机的退役,其轨道跟国际空间站不再一个高度,NASA已经停止了对哈勃的维护任务,那么迎接哈勃的未来将是无人“无人照管”的状态。

就算哈勃的各种观测仪器、制导系统、陀螺仪、电池以及通讯设备能够一直工作不会失效,哈勃的命运也会在未来不可避免的终结。因为哈勃每时每刻都是在向地球坠落...

不管是小行星还是卫星,如果这些物体以一个非常高的初速度坠入地球大气层,将会与大气层摩擦上演一场绚丽的灯光秀,并被解体为许多的小碎片,这些碎片如果人为不加以干预,也有可能降落在人口稠密的地区,造成一定的破坏和威胁。

哈勃目前的平均轨道高度为568公里,绕地球一周需要97分钟,国际空间站的高度在400公里左右,虽然国际空间站更低,受到大气的阻力更大,但它有动力系统可以使其一直保持在稳定的轨道上。哈勃就没那么幸运了,在它与大气的摩擦中每时每刻都在发生轨道衰减。

你可能会想568公里,不是在外太空吗?为什么还会存在大气?一般我们会认为地球100公里以上的位置就是外层空间,这个位置也被称为卡门线,是航空和航天的分界线,因为在这个位置之上大气已经稀薄到不足以为任何航空飞行器提供升力。不过真实的地球大气层边界并没有一个准确的位置,越往上引力越小,大气就越稀薄,并不会在某一个位置突然停止,只会越来越弥散,地球的大气层甚至会延伸到10000公里的高度。

上图可以看到地球的大气层要比我们想象中的要高很多,在地球低轨道附近运行的任何物体都会受到大气的阻力。

不过从质量上来说,地球的大气层绝大部分都集中在最下面的三个层中,这都是引力吸引大气的缘故,在对流层中包含了地球大气总质量的75%,平流层占了20%,中间层包含了几乎剩下的所有大气质量。在中间层之上大气会变得异常稀薄,所有的低轨道卫星都处在热层之中,这里的每一个大气分子之间的距离都有1公里甚至更远。

上图可以看到,对流层(橙色)、平流层(白色)和中间层(蓝色),这三层是地球大气层在太空中唯一的光学可见层。

虽然在热层空气分子和分子之间的距离非常远,异常稀薄,但哈勃望远镜的体积要、比单个分子要大很多,而且移动速度也非常快,也就是说,哈勃望远镜正在以8公里/每秒的速度与高层大气分子发生持续的碰撞摩擦,虽然每次的碰撞所产生的影响十分的微小,但是长此以往量变会引起质变,一年、两年、甚至十年,这种微小的变化足以引起哈勃望远镜轨道衰减。

而且这一过程会一直加剧变得不可控制,因为随着哈勃轨道速度降低,轨道高度衰减,它将于大气分子的碰撞摩擦更加剧烈频繁,从而加速哈勃的坠落。并且除了地球大气以外,还有太阳风粒子的影响,也会导致哈勃轨道不均匀的变动,因为哈勃轨道每97分钟一半处在太阳光下,一般处在黑暗中,处在阳光下的部分速度就会降低,导致哈勃轨道高度不对称发生偏离,这也会加剧哈勃的坠落。

如果我们人类放任不管,最后哈勃会在大气层中分解,变为一个大火球,由于哈勃的体积非常大,不会燃烧殆尽,所以它会在燃烧的过程中砸向地面。

哈勃望远镜由于没有动力系统,如果它坠落的话将是一个完全不够控制的过程,大量的碎片会随机落在地球的任何位置,这其中肯定存在一定的风险,如果是人口稠密的城市呢?

在之前的5次维护任务中,每一次都会对哈勃的轨道进行修正,并将它提升到更高的轨道,以延长其轨道寿命。不过之前的任务都是由航天飞机这样既可以载人,又可以返回并重复使用的航天器完成的,航天飞机的退役也就让哈勃失去了继续被维护的机会。

如果继续保持现在的状态,哈勃望远镜上的仪器还可以持续工作几十年,但是轨道高度就会成为最大的隐患。

不过我们现在就算有能力,也不会再为哈勃提供维护服务了,因为目前的哈勃已经达到了它的观测极限,下一步的目标是,我们将发射一架比哈勃望远镜主镜口径更大、更加灵敏、并且能在近红外波段工作的太空望远镜:詹姆斯·微波望远镜。

因此,在2009年哈勃最后的一次维护任务中,我们为其安装了对接装置(软捕获和交会系统),以便在未来将通过火箭将哈勃带回家。

科学家预计哈勃可能会在本世纪30年代中期坠入地球,不过这个时间存在很大的不确定因素。但是在哈勃坠毁之前我们首先要将哈勃安全的带回家,而且还要保障在哈勃退役以后韦伯望远镜能够升空接替哈勃的任务。

不过韦伯望远镜在1996年开始招标建设以来,原计划是在2014年升空,但多次因为预算的问题而受阻,一直推迟到了今天,不过好消息是,据国外媒体报道,韦伯将最早在2021年3月30日发射升空。

就算韦伯任务升空再次推迟,时间也不会晚过哈勃返回地面,因为NASA肯定是不会让人类存在一个观测宇宙的空档期。

尽管人类目前在地面上也建造了很多大型天文台,并且在某些观测方面已经超越了哈勃,但是哈勃身处在宇宙空间有自己独特的优势,它仍然是人类历史所创造过最强大的观测设备,它无时无刻都在给人类带来惊喜,无时无刻都在改变着人们心目中的宇宙景象。

哈勃的伟大成就也让人们非常期待韦伯时代的到了,因为我们觉得韦伯的升空肯定会再次刷新人类的认知。最后希望哈勃能完美的卸任,安全的返回地面,也希望韦伯望远镜这次能顺利按时升空。