SpaceX能否拯救哈勃太空望远镜？
本文来自微信公众号：出新研究（ID：chuxinyanjiu），作者：Will Lockett，编译：刘唐诗，题图来自：视觉中国
哈勃太空望远镜必须被列为人类有史以来最令人印象深刻和成功的项目之一。
自 1990 年发射以来，它已取得多项重大发现，包括发现冥王星的卫星 Nix 和 Hydra；观看彗星 Shoemaker-Levi 9 撞击木星；计算宇宙的年龄；探测系外行星大气；定位暗物质；甚至弄清楚星系从一开始是如何演化的。
不幸的是，虽然这颗已有 32 年历史的卫星仍然功能齐全，但它的寿命很快就会缩短。哈勃的轨道正在降低，大约十年后，它将重新进入地球大气层并燃烧殆尽。
然而，SpaceX 最近向 NASA 提出了拯救哈勃的解决方案。但到底该怎么做？这个计划真的会进行吗？
哈勃望远镜正在不断坠落
哈勃从来没有任何能力移动它的轨道，它所在的轨道退化得相当快。
哈勃最初运行于距离地表600公里的地方，所以叫太空望远镜。通常来说，我们将距离地表100公里的高度视为大气层和太空的分界线，也就是所谓的卡门线。
但是，这个数字只是人为定义的，大气在这个高度确实已经相当稀薄了，但绝不是一点没有。即便是在哈勃望远镜的高度，仍然有极其稀薄的大气，可以给哈勃望远镜提供阻力。
如果你还记得高中物理的圆周运动就知道，线速度降低就会伴随轨道的降低。以我们的空间站为例，在400公里的高空中，也需要按时抬升轨道，防止坠入大气层。然而哈勃没有这样的功能，它没有机载推进器，这就导致它只能“随波逐流”，随着时间的推移逐渐衰减轨道，目前距离地表大约540公里。
为了解决这个问题，哈勃被设计成航天飞机可以与它对接。这样，机组人员可以执行日常维护并升级必要的组件，航天飞机可以使用其推进器辅助哈勃抬升轨道，使其回到原本的高度。
但这些太空维护中的最后一次发生在 2009 年，航天飞机由于不断地发生事故，在 2011 年之后不久就退役了。从那之后，没有任何航天器能够为哈勃望远镜服务或恢复其轨道，哈勃只能任由自己不断地衰减轨道。
哈勃望远镜恢复轨道的阻碍
那么马斯克会怎么完成这样的壮举呢？答案是他计划使用载人龙飞船的修改版本。
载人龙飞船可以将人员和货物运送到国际空间站，是目前从美国本土到达那里的唯一途径。它取代了猎鹰 9 号火箭的鼻锥，并作为火箭的最后一级。
这意味着载人龙飞船能够与卫星对接且拥有自己的推进器。因此，SpaceX提议使用载人龙飞船与哈勃对接，然后使用其推进器推进其轨道，就像航天飞机多年前所做的那样。
或许你会认为，之前航天飞机被用于对接国际空间站与哈勃望远镜，现如今载人龙飞船可以取代航天飞机的位置与空间站对接，那与哈勃对接自然也是轻而易举。
可情况并非如此，因为对接机制不同，国际空间站的密闭通道式对接机制在航天飞机与载人龙飞船之间共享，但在与哈勃对接时，航天飞机实际上使用了一个巨大的机械臂来抓握住哈勃，而不是采用与国际空间站对接的模式。这意味着宇航员需要进行太空行走才能使用望远镜。
而载人龙飞船既没有机械臂，也没有让宇航员进行太空行走的能力。这意味着马斯克将不得不修改太空舱以拥有类似的机械臂来抓住哈勃望远镜。这样的修改是可行的，但会占用几乎所有的内部空间，给宇航员留下的空间很小。
虽然可以修改龙以拥有停靠所需的关节机械臂，但飞船仍缺乏让宇航员进行太空行走的气闸所需的空间。
所以这就是 SpaceX 恢复哈勃的轨道中面临的最大挑战，一旦他们成功实现，他们可以再给哈勃延长 15 到 20 年的寿命。同时自 2011 年以来，传感器和计算技术已经取得了长足的进步，一些升级将使哈勃望远镜更加强大。
为什么要延长哈勃的使用寿命？
目前美国宇航局还没有立项，只是同意进行该任务的可行性研究，周期约为6个月。在这个阶段，美国宇航局是不需要花钱的，但如果真的在未来执行维护任务，或许就要支付费用了。
毕竟，哈勃仍然在做很多出色的科学研究，并且仍然是人类最强大的望远镜之一。你可能会认为詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）已经取代了哈勃，因为它的功能要强大得多。但实际上，这两个望远镜图像的光谱不同。JWST 图像是红外图像，而哈勃图像是不可见的近红外图像。这意味着 JWST 不能直接取代哈勃。所以让哈勃继续前进是有意义的。
然而，在 2026 年 SpaceX 将发射一个新的 NASA 太空望远镜，称为 Nancy Grace Roman 望远镜，它可以直接替代哈勃望远镜。它具有与哈勃相同的 0.1 弧秒分辨率（每个像素填充 0.1弧秒的天空），具有相同可见光谱和近红外光谱的图像，但视野大 100 倍！这意味着罗马望远镜可以执行与哈勃望远镜完全相同的任务，但速度要快得多，因为哈勃望远镜需要拍摄 100 张图像才能匹配一张罗马图像。
有了这样一个直接替代哈勃的机会，美国宇航局为什么仍要考虑把钱花在拯救哈勃上？
因为罗马望远镜的耗资是惊人的 32 亿美元！而猎鹰 9 号的发射成本仅为 6700 万美元，改装载人龙飞船的成本可能仅需要几百万美元。这意味着哈勃望远镜的图像成本明显低于罗马望远镜。
让我们假设 SpaceX 哈勃任务的成本为 1 亿美元（尽管可能会更少）。哈勃目前拥有290 TB 的数据档案，自 1990 年以来已经拍摄了超过100 万张图像，每张图像的大小最多为 290 KB。哈勃目前每年还产生 10 TB 的数据，相当于 34483 张图像。假设 SpaceX 的任务让哈勃望远镜多活了 15 年，那就是额外的 517245 张图像。这将使每张图片的成本为 193.33 美元。
假如罗马望远镜一年可以拍到和哈勃一样多的照片，因为它们的大小差不多，所以它也有同样的聚光能力。罗马望远镜的预期寿命也只有五年。这意味着望远镜能够拍摄大约 172415 张图像。但是这些图像比哈勃图像大 100 倍，所以为了使它们与哈勃图像相媲美，让我们将其乘以 100。这意味着罗马望远镜将总共拍摄相当于 17241500 张哈勃图像，成本为 32 亿美元。也就是 185.60 美元的平均每张图片成本。
这是一个非常粗略的计算。它没有考虑图像堆叠或数据质量，并且基于一些非常松散的假设。但这说明了为什么 NASA 对延长哈勃望远镜的寿命感兴趣，尽管它很快就会有替代品。这是简单的经济学。
但罗马望远镜也是为延长寿命的服务任务而设计的。因为它功能强大得多，所以这样的任务将提供比 SpaceX 哈勃望远镜更低的每张图像成本。因此，NASA 也可能将 SpaceX 的提议视为一次试运行，以了解 SpaceX 是否也能够延长罗马望远镜的使用寿命。延长罗马望远镜的寿命是一项风险更大的任务。由于望远镜更昂贵且更年轻，因此赌注要高得多，因此先给 SpaceX 一些东西让他们先进行尝试是有道理的。
所以，这就是 SpaceX 可以拯救哈勃的方式，以及为什么 NASA 可能会接受他们的提议。令人惊叹的是，一台拥有 80 年代技术的望远镜仍然可以成为尖端科学的高效和卓越仪器。
就个人而言，我还是希望 NASA 接受 SpaceX 的提议，并且希望哈勃能够继续存在很多年。不知何故，没有它，太空探索就不一样了。不论如何，看到天文学的未来有多光明仍然令人惊叹。
本文来自微信公众号：出新研究（ID：chuxinyanjiu），作者：Will Lockett，编译：刘唐诗
