哈勃望远镜工作原理

发射光谱与吸收光谱:物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱(emission spectrum)。物质吸收电磁辐射后,以吸收波长或波长的其他函数所描绘出来的曲线即吸收光谱。是物质分子对不同波长的光选择吸收的结果,是对物质进行分光光度研究的主要依据。

哈勃望远镜结构:
哈勃望远镜采用组合望远镜设计(即Ritchey-Chretien设计)。光线从筒口进入望远镜,然后从主镜反射到副镜,副镜再把光线从主镜中心的一个小洞反射到主镜后面的焦点。

焦点处有一些更小的半反光半透明镜子,将光线分散到各个科学仪器。如上所述,原本由COSTAR提供的光学矫正系统,如今已内置于新的科学仪器中。哈勃望远镜的镜片由玻璃制成,表面镀上纯铝(厚度为0.

076微米)和镁氟化物(厚度为0.025微米),可反射可见光、红外光和紫外光。主镜重828公斤,副镜重12.3公斤。
通过观测天体光线的不同波长或光谱,您可以得知该天体的多种特征或属性。为此,哈勃望远镜配置了多种科学仪器。

各仪器均采用电荷耦合器件(CCD)而非摄影胶片来捕捉光线。CCD将探测到的光线转换成数字信号,然后将其存储在望远镜上的计算机中,并发回地面。这些数字数据随后被转化成图像,就成了新闻和杂志上那些令人惊异的图片。

下面让我们了解一下各种仪器。
宽视野行星照相机2号(WFPC2)是哈勃望远镜的主眼,或主照相机。它与人的视网膜相似,有四个用于捕光的CCD芯片:三个低分辨率、宽视野并以L形排列的芯片和一个内置于L形阵列的高分辨率行星照相机芯片。

这四个芯片同时暴露于目标物面前,而目标影像则位于适宜拍摄该目标的CCD芯片中央(不论该芯片分辨率是高是低)。它可以识别可见光和紫外光。WFPC2 可以通过各种过滤光器(红、绿、蓝)使图像的颜色更为自然,例如下面这副天鹰座星云图。

星际气体和尘埃常常会遮蔽各种天体的可见光,然而,这些被隐藏的天体发出的红外光或热量可以被观测到。为了观测红外光,哈勃望远镜配置了三台高敏照相机,构成了NICMOS。NICMOS可以透过星际气体和尘埃进行观测,正如下面这幅猎户座星云图所展现的一样。WFPC2拍摄的可视图中,我们看到的是模糊不清的大团尘埃,而用NICMOS观测红外影像时却看到了云团里的星体。

由于对热量极为敏感,多天体光谱仪传感器必需放在一个77开氏度(约-196摄氏度)的大保温瓶里。起初,NICMOS要用104公斤的固态氮降温,而现在它可以利用一种类似冰箱的机器来有效降温了。
观测天体发出的光是一回事,但测出天体的成分是另一回事。

来自星体或其他天体的颜色或光谱是该天体的化学指纹。特有的颜色告诉我们天体里包含了哪些成分,而每种颜色的深浅则显示出各种成分的含量。为了鉴别光的类型,即每种光特有的波长,太空望远镜的STIS将进入其中的光线分离开来,就像光透过棱镜产生彩虹一样。 除化学成分以外,光谱还可以告诉我们天体的温度和运动等有关情况。

如果天体在运动,其化学指纹会向光谱的蓝端移动(表示正向我们运动),或者向红端移动(表示远离我们运动)。例如,STIS观测口瞄准了M84星系中心(以下图像左侧的蓝色长方形)。如果天体没有运动,那么观测口整块区域的光谱应该是一样的。

然而,观测口中心的光存在蓝移和红移现象,这就表明这块特定区域(距核心26光年以内)正以400公里/秒的速度旋转。天文学家计算得出,要引起这样的旋转,这个星系的核心处肯定存在一个巨大的黑洞(相当于约3亿个太阳质量)。

精密制导传感器(FGS)用于望远镜定向和准确测量恒星的具体位置、双子星的分离和星体的直径。哈勃望远镜有三个FGS,其中两个用于引导望远镜瞄准并锁定目标,寻找哈勃望远镜视野范围内位于观测目标附近的导向星体。

一旦找到导向星体,FGS便将其锁定并向哈勃望远镜的制导系统反馈信息,以便让导向星体保持在望远镜的视野内。在这两个FGS引导哈勃望远镜的同时,另一个则进行天体测量(星体位置)。天体测量对探测行星起着重要作用,因为行星在轨道上运行会导致母星在运动中晃动。

哈勃望远镜的所有仪器和计算机都需要电力。这些电力由两块巨大的太阳能电池板提供,每块长12.2米。它们能够提供2,400瓦的电力,相当于60盏40瓦灯泡的耗电量。望远镜被地球挡住时,则由6个镍氢电池提供电力(相当于20个汽车电池的蓄电量)。

当望远镜再次被太阳光照射时,太阳能电池板又会重新给电池充电。
哈勃望远镜必需能够与地面的控制系统联系,以传送观测所得的数据并接收观测新目标的指令。哈勃望远镜利用一系列名为跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)的中继卫星进行通讯。

这个系统与国际空间站使用的系统一样。
哈勃望远镜在拍摄时必须一直锁定某个目标,这一过程可能要保持数小时,具体取决于观测者使用的仪器。别忘了,哈勃望远镜在以97分钟的轨道周期绕地球运行。

因此,望远镜就像一艘沿海岸线在波浪起伏的海面上高速行驶的船,而它瞄准目标就像从这艘船上瞄准海滩上的一个小物体。为了做到这一点,哈勃望远镜配备了三个系统:
陀螺仪感应大小运动
反应轮移动望远镜
精密制导传感器感应细微运动
科学仪器舱上的望远镜镜筒周围装有两台主计算机。

一台与地面通讯以传输数据和接收指令;另一台负责操纵哈勃望远镜,同时还有各种内务操作功能。此外,还有备用计算机供紧急使用。哈勃望远镜上的每一台仪器都装有微处理器,可以移动过滤轮、控制快门、收集数据以及与主计算机对话。

哈勃望远镜有一个构架,使光学设备、各种仪器及航天器系统各就其位。哈勃望远镜有一个用石墨环氧树脂做成的桁架系统支撑这些光学设备,材料与网球拍和高尔夫球杆类似。这个桁架长5.3米,宽2.9米,重114公斤。支撑光学设备和科学仪器的镜筒用铝制成,上面覆盖了多层绝缘体。这些绝缘体使望远镜在经受阳光和阴影之间极端的温度变化时不致受损。

哈勃望远镜不能用来观测太阳,因为太阳的强光和强热会烧坏它灵敏的仪器。因此,它绝对不能指向太阳。另外,哈勃望远镜也不能观测水星或金星,因为它们离太阳太近了。还有某些星体也无法用它来观测,因为这些星体对于望远镜的某些仪器来说还是太亮。

所用的仪器不同(WFPC2、NICMOS、STIS、FOC、FGS),观测时受到的星等限制也有所不同。
除天体的亮度以外,哈勃望远镜的运行轨道也限制了它的观测范围。

望远镜在轨道上运行时,观测目标有时会被地球本身挡住,这就限制了观测某一天体的时间。而且,哈勃望远镜在通过范艾伦辐射带的某个区域时,地球磁场会吸收来自太阳风的带电粒子,所产生的高强度背景辐射会影响科学仪器上的观测器。

在此期间什么都观测不了。
尽管早期存在瑕疵,哈勃望远镜后来的表现还是相当不错。它为我们提供了大量的科学数据和精美的图像。然而,它也有寿终正寝的一天。一个名为下一代太空望远镜(NGST)的新式太空望远镜正处于计划建造阶段。

NGST将比哈勃更灵敏,不仅能够观测更远的天体,而且拍摄到的图像也更清晰(有关更多信息,请参见美国宇航局NGST页面)。始于哈勃望远镜的光学太空望远镜时代必定会给天文学领域带来一场大革命,这场革命的重大意义绝不逊于早年伽利略首次使用望远镜的创举。