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宇宙侦探事务所-电子书下载

人文社科 热爱 读书 2年前 (2022-06-24) 1246次浏览 已收录 0个评论 扫描二维码

简介

从“新视野号”到“好奇号”,太空机器人都干了些什么? 冥王星发来神秘情书?! 哈勃空间望远镜曾是劣质品?! 有人故意炸月球?! “噬星老妖”伤害了火星车?! 土卫二上能泡温泉?! 太阳遭遇全天候“跟踪狂”?! 来,我有个宇宙想讲给你听!真实还原九次史诗级无人太空任务,与NASA科学家亲密接触,发现众多意料之外的太空新鲜事儿。 在《宇宙侦探事务所》一书中,太空记者南希·阿特金森分享了9次惊心动魄的无人太空任务。她采访了美国国家航空航天局的35名科学家和工程师,他们的有趣洞见把我们带到了那些生动而又具有划时代意义的太空探索故事中。无人太空任务改变了人类的太阳系观和宇宙观! 而南希·阿特金森灵动的文字更是将一对一访谈与无人航天器自身的传奇故事穿插起来,再现了真正的探索与发现精神。此外,贯穿全书的全彩插图让我们在感慨科学发现的同时,得以领略令人叹为观止的宇宙图景。向传回这些杰作的无人航天器致敬!

作者介绍

[美]南希·阿特金森(NancyAtkinson),大众太空和天文学新闻网站“今日宇宙网”的编辑和作者,美国国家航空航天局(NASA)喷气推进实验室的太阳系大使。自2004年以来,她撰写了几千篇有关太空新发现的文章。她是《太空生活方式杂志》(SpaceLifestyleMagazine)的主编,并在Wired.com、Space.com、美国国家航空航天局的《太空生物学杂志》(AstrobiologyMagazine)、《太空时代》(SpaceTimes)和中西部的几家报纸上发表过文章。她参与过四个太空主题的播客,包括“天文学热播”(AstronomyCast)和天文学365天(365DaysofAstronomy),是美国国家航空航天局月球科学研究所播客的主播。南希居住在美国明尼苏达州。

部分摘录:
哈勃空间望远镜遇到的第一个困难是建造资金不足。在20世纪70年代早期,美国国会面对4亿美元的造价犹豫不决,进而取消了当时被称为大型空间望远镜(Large Space Telescope)的计划。后来欧洲空间局抓住了这个机会,表示愿意带着资金和专业知识参与进来。
“你可能注意到我的口音了。”延克纳边说边露出了迷人的微笑,说话声音酷似阿诺德·施瓦辛格的男中音。延克纳来自奥地利,1983年作为欧洲空间局的代表加入项目。“哈勃空间望远镜是国际项目,多样化是它与生俱来的特点。这吸引了来自世界各地、各个领域的专家,给哈勃项目带来莫大的帮助。如果顺着研究所的长廊一路走过去,你能听到各式各样的口音。”
延克纳的第一个任务是协助编制导星表。利用所谓的精细 导星传感器 (Fine Guidance Sensor),哈勃空间望远镜能以极高的精度跟踪恒星,从而在扫描天空时辨别方向,牢牢锁定目标。为确保正常工作,目标偏离不能超过7/1000角秒,这相当于从1英里 [1] 外看一根头发丝的粗细。哈勃空间望远镜装有6个陀螺仪和4个称为动量轮(reaction wheel)的万向转向器,用于保持稳定。
延克纳时任导星表项目的首席系统分析员,与一群同样年轻、精通技术的天文学家和工程师共同开发一套软件。凭借这套软件,哈勃空间望远镜可以自主选择任意方向上的一对恒星,然后精准定位。为此,他们首先要扫描近1 500张玻璃底片,将上面记录的信息转成数字格式。
1969年电荷耦合器件(CCD)的发明给摄影和天文学带来翻天覆地的变化。时至今日,小到手机摄像头,大到“哈勃”等大型空间望远镜,无不使用这种图像传感器。但在20世纪80年代初期,历史天文数据几乎全都存储在从19世纪50年代就开始使用的玻璃底片上。
在洛克希德·马丁公司(Lockheed Martin)的声学振动室,哈勃空间望远镜被抬升至直立位,为1990年的发射做准备。这台望远镜于20世纪70年代和80年代设计建造,但受1986年“挑战者号”(Challenger)航天飞机失事的影响一度推迟发射。如果仔细观察,你可以看到安装在望远镜外部、长68.6米的扶手,这是宇航员执行出舱维修任务的辅助设施。
接下来,延克纳和他的同事们基于玻璃底片记录的天文数据,创建了一个详细的电子数据库,其中包含近2 000万个天体,数据量超过以往任何一个星表约100倍。
“我们成功了,但回想起来,当时竟然没人劝阻我们,这让我感到好不遗憾呢。”延克纳笑呵呵地说,“我们那会儿太年轻,太理想主义,压根儿没想过还有失败的可能。现在回头看,我们胆敢挑战那个年代数据处理能力的极限。”
困难层出不穷。建造一台精密复杂的空间望远镜,这涉及一些前所未见的技术难题。以反射镜为例,要满足大尺寸(主镜口径2.4米)和高灵敏度的双重要求,反射镜的形状必须分毫不差,同时还要经得起发射升空的严酷考验。再比如,望远镜将随航天飞机发射,所以必须达到载人航天的安全标准。发射推后、成本上升等问题自然接踵而至。即便困难重重,任务团队还是勤奋工作,争取在1986年年底发射。
然而,1986年1月,“挑战者号”航天飞机升空后不久爆炸,7名宇航员无一生还,整个航天飞机计划随即被搁置。哈勃空间望远镜本该随“挑战者号”的下次任务发射,但受事故影响,只好再等几年,这一点大家都心知肚明。那是美国太空计划的艰难时期,但同时也给哈勃任务团队留出更多时间,继续完善和提高望远镜的性能,尤其是改进地面操作软件。
1990年4月24日,耗资13亿美元的哈勃空间望远镜终于由“发现号”航天飞机(Space Shuttle Discovery)STS-31任务送入太空,并成功部署就位。看起来一切顺利。
然而,事与愿违。哈勃空间望远镜投用不久,科学团队就发现它传回地球的图像模糊不清。原来由于抛光问题,主镜的形状与设计值相比有2微米的偏差,形成了一个球面像差 (spherical aberration)。一张纸的厚度大概是100微米,2微米仅是一张纸厚度的1/50。就是这样一个微不足道的偏差损害了“哈勃”的视力,导致成像扭曲。
美国国家航空航天局、欧洲空间局、世界各地的天文学家感到震惊和沮丧,公众失望透顶,政客大发雷霆。哈勃空间望远镜成了一个笑柄和一件华而不实的太空摆设。
“哈勃”的故事当然不会到此为止。恰恰相反,故事才刚刚开始。
其他空间望远镜要是反射镜出现问题,早就被放弃了。历史上,太空任务的仪器设备很少采用模块化设计,但哈勃空间望远镜是少数几个例外之一。模块化仪器可由航天飞机的宇航员在低近地轨道上置换和升级。正因如此,人们才认为“哈勃”有修复的可能。美国国家航空航天局早已编制哈勃维修任务计划表,首次维修任务正是修复缺陷的机会。可是,怎么修呢?仪器可以更换或者微调,但反射镜不能啊。接下来,全世界都开始绞尽脑汁想办法。
在1993年首次维修任务中,哈勃空间望远镜与“奋进号”航天飞机的有效载荷舱连在一起。宇航员F.斯托里·马斯格雷夫(F. Story Musgrave)被固定在航天飞机的机械臂上,他下方的宇航员是杰弗里·霍夫曼(Jeffrey Hoffman)。
图片来源:美国国家航空航天局
“那段时间,局里的每个人都胆战心惊,气氛极度紧张。”弗兰克·切波利纳(Frank Cepollina)说。他当时在马里兰州格林贝尔特的戈达德航天中心(Goddard Space Flight Center)工作,是哈勃维修任务的负责人。切波利纳曾参与模块化、可维修航天器的概念设计,还牵头负责载人哈勃维修任务的规划和编排。这次维修任务已经变成关乎“哈勃”生死的大事,切波利纳和他的团队立即切换到“高速档”,欣然接受挑战。
“别人坐立不安,我们却乐在其中。”切波利纳一边回味那段肾上腺素飙升的日子,一边兴致勃勃地说。那时,美国国家航空航天局向他和他的团队求助,盼望他们能创造奇迹。“这是一次前所未有的挑战,创新是我们的制胜法宝。一个口径达2.4米的主镜,用什么办法能修复上面一个极小的缺陷呢?具体怎么操作?这些都需要创新。”
他们的创新就是:给“哈勃”戴“眼镜”。科学家、工程师和光学专家合作发明了一套矫正透镜,称为矫正光学空间望远镜中轴置换(Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement,COSTAR),适用于哈勃空间望远镜的三部仪器。
“造一套光学矫正透镜不难,”切波利纳说,“但要把透镜放到准确的位置上,同时保证组件间距分毫不差,那简直就是一场技术噩梦。组件的设计制造和透镜抛光都必须达到最高水准,而我们没有任何先例可循。”
对比前后两张M 100星系的图像可以看出,哈勃空间望远镜的成像水平已得到显著改善。左图由第一代大视场行星照相机(WFPC-1)拍摄于1993年11月27日,也就是首次哈勃维修任务的前几天。主镜的瑕疵模糊了星光,限制了望远镜观测微弱结构的能力。右图由第二代大视场行星照相机拍摄于1993年12月31日,可以看出整合在新一代照相机中的矫正透镜已对球面像差做出补偿,自此哈勃空间望远镜开始以前所未有的清晰度和灵敏度探索宇宙。
图片来源:美国国家航空航天局
切波利纳如今80多岁,但依然活跃在戈达德航天中心的机器人技术研发领域。当时切波利纳还要解决另一个难题。执行维修任务的宇航员身穿笨重的宇航服,戴着又厚又大的手套,动作极不灵便,必须借助特殊的工具才能在零重力环境中从事精密的操作。
这是史上最复杂的太空任务之一。在矫正透镜开发成功之后,切波利纳和他的团队又花了一年多的时间训练宇航员。“1号维修任务”(Servicing Mission 1,SM1)不仅关乎哈勃任务的未来,而且一旦成功,将极大地促进人机交互装置的发展,使宇航员出舱修理故障卫星成为可能,这正是切波利纳多年来努力的方向。
1993年年底,在为期10天的维修任务中,“奋进号”航天飞机的宇航员完成了5次无比艰难的太空行走,将矫正透镜和其他设备成功安装到“哈勃”身上,其中包括升级后自带光学矫正系统的第二代大视场行星照相机、新的陀螺仪和太阳能电池板。每项升级都是为了修复或改进整个系统,从而保证哈勃空间望远镜的观测能力达到甚至超出预期。宇航员冒着生命危险完成了维修任务,结果如何呢?全世界拭目以待。
1994年1月初,哈勃空间望远镜修复后拍摄的首批图像发布。
那是距我们几千万光年的一个星系,图像清晰分明,连只有30光年跨度的微弱结构也清晰可见。“哈勃”总算兑现了最初的承诺,没有辜负人们的等待和期望。
“生日气球”,即气泡星云(Bubble Nebula),产生于一颗超高温的大质量恒星。这个巨泡位于仙后座(Cassiopeia),距离地球7 100光年,直径7光年,大致相当于太阳到最近的恒星邻居南门二 [2] 距离的1.5倍。这张图像是为庆祝哈勃空间望远镜26岁生日发布的。
图片来源:美国国家航空
航天局、欧洲空间局和哈勃遗产团队(空间望远镜科学研究所、美国大学天文研究联盟)
“看到首批图像的那一刻让人永生难忘。”延克纳说,“望远镜修好了,还有人说美国国家航空航天局得救了,我想我们所有人都如释重负。”
对延克纳来说,这次任务之所以令人难忘,还有另外一个原因:“我有幸带着女友去研究所一起观看宇航员的太空行走,几个月后,她嫁给了我。”
1997年、1999年、2002年和2009年的哈勃维修任务也十分成功,宇航员每次都给“哈勃”换上改进的仪器和其他重要部件。
“每次维修任务都比上一次复杂,”切波利纳说,“因为我们希望宇航员用更少的时间完成更多的工作,要更换的零件似乎一次比一次多。等到倒数第二次维修任务时,人人都想参与进来,就连那些起初不以为然的人也想!这一切都令人兴奋,并且不断激发我们去创新。”
“每次维修任务都是一场硬仗。”森巴赫说,“对我个人而言,维修任务本身固然意义重大,但整个过程中的筹备、讨论、决策、团队合作,还有大家结下的情谊,这一切尤其令人感动。”
值得一提的是,截至2016年,26岁的“哈勃”差不多浑身上下都换了一遍。
“‘哈勃’表现得非常出色。”森巴赫说,“从论文数量看,2015年的成果最多。利用它的观测数据发表的论文达到了846篇,也就是平均每天两篇以上。它的状态良好,各个仪器、子系统、陀螺仪、动量轮、通信设备、太阳能电池板等等都在正常工作。我们相信,它会一直坚持到21世纪20年代初,其间将源源不断提供优质的科学数据。”

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