老化的哈勃空間望遠鏡轉向“單陀螺儀”操作

在超過34年的時間里，哈勃空間望遠鏡之所以能提供非凡的宇宙景象，部分原因是它可以快速、精確地瞄準，在1600多公里外保持激光穩定。據《科學》報道，現在，硬件故障迫使美國國家航空航天局（NASA）為其選擇一個速度較慢的指向系統，盡管它仍然精確，但會降低望遠鏡的效率，限制它所能做的科學研究。

哈勃空間望遠鏡用陀螺儀測量它在太空中的運動，陀螺儀是一種快速旋轉的輪子，可以感知來自三個方向的力。但是現在望遠鏡剩下的3個陀螺儀中有1個出了故障。為保證下一次故障時仍有一個能正常工作的陀螺儀，哈勃空間望遠鏡接下來將只依靠一個陀螺儀進行定位。

哈勃空間望遠鏡只剩下最后兩個可用的陀螺儀，這意味著它瞄準目標的速度將變得更慢。圖片來源：NASA

“我們相信這是支持哈勃空間望遠鏡順利度過這十年并進入下一個十年的最佳方法。”NASA天體物理學部門主任Mark Clampin說。

NASA的哈勃空間望遠鏡項目經理Patrick Crouse透露，這樣做的代價是觀測時間減少了大約12%，整體科學產出減少了25%。

盡管天文學家多年來一直在為這一時刻做準備，但他們仍在努力適應這一新的現實。“我并不震驚，我很難過。”德國馬克斯·普朗克天文研究所的Laura Kreidberg說。

哈勃空間望遠鏡的陀螺儀每分鐘旋轉19200轉，精確但脆弱。為了對其進行維護，維修任務已在望遠鏡的使用壽命期內向其運送了16個替換陀螺儀。現在，只剩下最后2個了。在標準的三陀螺模式下，這些設備通過其精確的制導傳感器幫助望遠鏡快速建立和維持視野。

然而，在單陀螺儀模式下，哈勃空間望遠鏡必須依賴其他傳感器。首先，望遠鏡使用單陀螺儀同時測量太陽位置和地球磁場，以達到目標的10°或20個月球直徑以內。然后由恒星跟蹤器接手，在最終將任務移交給精細制導傳感器之前，逐漸接近目標。緩慢的過程將阻止哈勃空間望遠鏡跟蹤快速移動的目標，如月球或太陽系內的小行星，盡管這些目標通常只占其計劃觀測的1%或更少。

一個更大的限制來自這樣一個事實，即從望遠鏡中部以固定角度向外觀測的恒星跟蹤器如果被地球阻擋，它將不起作用。這使哈勃空間望遠鏡在任何時刻都能有把握地指向的天空面積減半——從82%到大約40%。

在一年的時間里，該望遠鏡仍將能夠看到整個天空，但其瞬時視場減半將阻礙其發現超新星等遙遠瞬態現象的能力。太空望遠鏡科學研究所的哈勃任務負責人Thomas Brown說，恒星爆炸已經很罕見了，現在還必須在“天空的正確部分”觀測它。

有限的視野也可能對系外行星天文學家帶來打擊，他們從地球角度觀察系外行星穿過恒星表面的時刻來辨別外星大氣的組分。為詳細捕捉一顆系外行星的凌日現象，哈勃空間望遠鏡必須在極其精確的時間和位置反復觀測。美國達特茅斯學院的博士候選人Keighley Rockcliffe說：“我的直覺是，在單陀螺儀模式下，可能需要幾年時間才能成功觀測到這種現象。”

單陀螺操作也可能使哈勃空間望遠鏡更難與新的韋布空間望遠鏡同時觀測同一片天空。天文學家希望用兩臺望遠鏡同時瞄準系外行星，因為它們對光譜的不同部分敏感，綜合數據將有助于揭示行星大氣中較小的原子種類和較大的分子。

哈勃空間望遠鏡最后一次維修和升級是在2009年。NASA沒有在未來進行更換陀螺儀或其他儀器的計劃。

根據Crouse的說法，NASA估計，到2035年，哈勃空間望遠鏡至少有一個可用陀螺儀的可能性超過70%。Brown補充道，單陀螺儀模式的低效率估計是“相當保守的”，一旦望遠鏡的觀測針對新模式進行了優化，“實際上可能不會損失那么多”。