【博科园-科学科普】哈勃望远镜服役27年了，它甚至可能比你的年龄还大，相信每一个对哈勃望远镜有所了解的人都会有种莫名的深情，因为它带给我们的和改变我们认知的实在是太多了…
哈勃空间望远镜是以著名天文学家、美国芝加哥大学天文学博士爱德温·哈勃为名，在地球轨道上并且围绕地球的太空空间望远镜，它于1990年4月24日在美国肯尼迪航天中心由“发现者”号航天飞机成功发射。哈勃空间望远镜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，是天文史上最重要的仪器之一。
哈勃太空望远镜，在最后一次维修任务中所拍摄。图片：NASA
自1990年以来哈勃太空望远镜一直在重新定义我们对宇宙的看法。从地球表面的数百英里处它以每97分钟绕地球一周。包括2009年的最后一次维修任务在内的多个服务任务已经纠正了它的光学，增强了它的相机，替换了磨损的部件，并将其提升到更高的轨道。然而随着航天飞机的退役，改变世界的望远镜现在正展望着它不可避免的末日。即使精细制导传感器从未失效，即使相关能量驱动继续运转，即使通讯设备从未消失，但哈勃也陷入了麻烦，目前它正在坠落地球，目前还没有停止轨道衰变的计划。
当宇宙飞船坠落进入地球大气层时，它几乎总是不可避免地分解成许多碎片。如果这颗行星的轨道不是以一种受控制的方式进行，那么碎片可能会在人口密集的地区着陆，造成灾难性的破坏。图片：NASA/ESA/Bill Moede and Jesse Carpenter
哈勃目前正环绕地球飞行，轨道半径约353英里，即568公里。我们通常将地球大气层和外层空间的边界定义为60英里(约100公里)，但实际上情况要复杂得多。大气层没有真正的界线，但只是变得越来越分散，轨道走得越高，原子和分子就会被引力束缚在地球上，延伸到海拔10000公里(6200英里)的高度。除此之外，地球的大气层与太阳风没有什么区别，它们都是由微弱的、炽热的原子和电离粒子组成的。
如图所示，地球大气层的层别，比一般定义的空间边界要高得多，低地球轨道上的每一个物体都受到某种程度的大气阻力。图片：Wikimedia Commons user Kelvinsong
虽然我们大气的绝大多数(质量)都包含在最低层中，而对流层中含有地球上75%的大气，而平流层中又含有20%的物质，而中间层几乎占据了剩下的5%。除此之外，大气阻力显著下降，长期的轨道是可能的。从太空中最低的三层是唯一可见的，在低地球轨道上的大多数卫星都位于它们之上:在热层中。在这些令人难以置信的高度上，一个典型的大气分子(例如氧气)可能在与另一分子相撞前飞行一公里或更远。
对流层、平流层（橙色）（白色），和中间层（蓝色）占地球的大气分子的绝大多数。但除此之外空气仍然存在并导致卫星下降，最终导致轨道衰变。图片：NASA/Crew of Expedition 22
但是哈勃太空望远镜比一个氧分子大得太多太多，而且运动的速度也比一个氧分子快得多。它以每秒5英里的速度移动，在连续的基础上与这些高海拔的空气分子相撞，每次碰撞使它的速度微小、难以察觉。在一个小时、一天甚至一个月的时间里，这些变化并不明显。不过给它足够的时间，这些变化加起来就大了。失去的高度和速度意味着会非常缓慢地将使哈勃开始螺旋接近地球。
但这太糟糕了，因为我们不仅得到了科学，而且继续从哈勃望远镜得到的科学，与人类历史上的其他任何东西都不一样。当天文台下降到较低的高度时，与空气分子的碰撞变得更加频繁，加速了这个过程。此外这是一种不平衡的效果，因为哈勃花了每97分钟一半的时间在阳光下，一半的时间在黑暗中，这将导致高度不对称的哈勃太空望远镜开始翻滚。如果我们什么都不做，这些阻力将会增加，并经历所谓的“不受控制的进入”直到哈勃成为大气层中的火球，分解成许多碎片。望远镜太大了，不能简单地燃烧起来，而炽热的碎片几乎可以降落在任何地方。
就像如图所描述的那样，一个不受控制的坠落进入大气层，可能会导致巨大的大块块在地球上的任何地方着陆。沉重的固体物体，如哈勃的主镜，很容易造成大量的伤害甚至死亡，这取决于碎片落在哪里。图片：ESA
在之前的维修任务中，哈勃被“提升”到更高的轨道，以保持更长时间。然而如果没有像航天飞机这样的可重复使用的维修飞机，这将不再可行。除非我们开发出一些新技术，并大力投资于完成一项拯救生命的任务所必需的训练，否则哈勃在人类最伟大的光学观测台的工作将会毫不客气地结束。一个未完成的任务可以被发送到机器人计划的一个受控的再进入，在那里幸存的部件将在海洋中降落，但这只会缩短它的寿命。
这张图片显示了哈勃望远镜为4名宇航员在休斯敦的中立浮力实验室做了一个水下哈勃模型的练习，在NASA工程师和安全潜水员的监视下。
如果保持现状，可以想象哈勃望远镜的组件将会持续几十年。但是它的轨道不会保持。它的轨道会衰减，轨道高度降低，望远镜将会很好，但是它的轨道将会使它离地球越来越近，这也就是使命结束的时候。因此最后的任务包括安装在望远镜上的对接机制：软捕获和会合系统。任何装备齐全的火箭都可以安全地把它带回家。
在哈勃(插图)上安装的软捕获机制使用了一个低冲击对接系统(LIDS)接口和相关的相对导航目标，用于未来的交会、捕获和对接操作。该系统的LIDS接口被设计成与下一代空间运输工具上的交会对接系统兼容。图片：NASA
但是时间是发展技术的关键，既可以挽救它，也可以延长它的使用寿命，也可以安全地将它从轨道上安全地取出来。如果它继续走在当前的道路上，它很可能会在本世纪30年代中期以一种不受控制的方式坠落到地球上，这是最新的，可能在十年内，这取决于许多不可预测的因素。唯一能够维修或提升哈勃太空发射系统的计划装置——美国宇航局的太空发射系统——已经看到了它的第一个计划的飞行时间。如果事情进展得足够快，可能别无选择，只能离开轨道。
除非美国宇航局的太空发射系统及时准备好，太空总署决定将资源投入到维修和提升哈勃望远镜上，否则一个去轨道将是唯一的方法来防止无法控制的潜在灾难。图片：NASA/Marshall Space Flight Center
事实上哈勃太空望远镜已经改变了人类对宇宙的认知，比以往任何时候都要多。尽管其他基于地面和太空的观测站已经建成并将在许多方面超越哈勃，但对于一些观察类来说，它仍然是人类创造的最好的工具。但由于其轨道的性质，它不仅是有限的生命，而且如果我们什么都不做，它的消亡将会是一种可怕的、潜在的危险的方式。为进一步使用而保存它是一个需要计划的长期项目。哈勃正在坠落，如果不尽快抓住它，那就太晚了！
知识：科学无国界，博科园-科学科普
作者：Ethan Siegel（天体物理学家）
来自：Forbes science
编译：卿君侧
审校：博科园
