科研悲劇:Hitomi 望遠鏡意外

上月發生了一宗非常不幸的天文消息。

日本宇宙航空開發機構 (JAXA) 的太空望遠鏡 ASTRO-H Hitomi 於 2016 年 2 月 17 號升空進入近地軌道。Hitomi 是 JAXA 與美國太空總署 (NASA) 及歐洲太空總署 (ESA) 合作的太空任務,其目標是於 X 射線與伽瑪射線波段觀測宇宙,本可望為高能量天體物理學研究帶來新突破。然而,Hitomi 進行觀測任務短短一個月後,於 3 月 28 號與地面控制中心完全失去聯絡。

Hitomi 失去聯繫之後,跟據多方在地面追蹤 Hitmoi 的影像顯示,在 Hitomi 的軌道上發現了約五塊不明物,有可能是從 Hitomi 分離出來的碎片。

發現碎片,很自然會聯想到外物撞擊。數以萬計的太空垃圾無聲無息地環繞地球運行,儘管有專門網絡監察太空垃圾的軌道,有漏網之魚亦非不可能。不過,跟據 JAXA 初步估計,是次意外是由一連串電腦和人為錯誤引發的。

除了太空望遠鏡和許多科研模組外,在 Hitomi 衛星上亦有很多負責望遠鏡軌道和方向調整的模組,其中之一是稱為慣性參考裝置 (Inertial Reference Unit) 的元件,負責監控望遠鏡的自轉。JAXA 指出 Hitomi 在 3 月 25 號完成一項活躍星系核 (active galactic nucleus) 的觀測後,進行了一次方向調整。在自轉之後,慣性參考裝置會計算望遠鏡是否已經停止轉動,這涉及基本的積分運算。有寫電腦程式的人都會有類似經驗:由電腦進行的積分運算都會有誤差,因為電腦無法對一個數學方程作無限小的切割。就好像用很多長方形去近似一個平滑的斜坡,會「起角」。因此,Hitomi 上有一個追星儀 (Star Tracker),透過觀察背景星空就可以知道望遠鏡本身的轉動,是觀星的基本知識。電腦如果發現追星儀和慣性參考裝置得出的結果不一致,就會強制使用準確度非常高的追星儀的數據調整望遠鏡。

是次意外的起因是慣性參考裝置的計算有每小時 21.7 度的誤差。本來這個誤差可以由追星儀發現,但不幸地在 3 月 25 號的這一次,追星儀沒有發揮作用。因此,電腦就誤以為望遠鏡仍然在自轉,於是指示了飛行裝置作出反方向的自轉,用來抵消這個不存在的誤差。結果導致 Hitomi 以每小時約 20 度的轉速自轉而無人發覺。

由於這個自轉,衛星的反作用飛輪 (Reaction Wheels) 裡開始累積剩餘的動量。負責調節衛星高度和防滾動的裝置磁力起轉器 (Magnetorquer) 開始發揮作用,希望保持衛星的穩定。但是由於 Hitomi 自轉太快,磁力起轉器不能有效地令它回復穩定。JAXA 指出,在世界標準時間 3 月 25 號 20:49 到 26 號 01:04,Hitomi 的轉矩已經達到 112 Nm 的數值,而 Hitomi 可抵受的極限為 120 Nm。

在這個時間,Hitomi 衛星自動進入安全模式,令衛星強制使用太陽感應器 (Sun Sensor) 的數據,並發動噴射器調整其高度和方向等等,使其太陽能電池陣能夠對準太陽充電。不幸的是,Hitomi 在 2 月 28 號進行過一次可展光學台 (Extensible Optical Bench) 的展開,並在程序進行過程中升級了噴射器的設定。可是,這次升級錯誤計算了衛星展開可展光學台後的重心。最後,處於安全模式的 Hitomi 反而因為噴射器的噴射調整,加速了它的死亡。

JAXA 估計 Hitomi 在 3 月 26 號 01:37 因為過度自轉加速令某些零件從衛星本體分離出來。JAXA 相信,分離了的零件包括可展光學台以及部分太陽能電池。Hitomi 不回應地面的原因就是能源耗盡。

從 3 月 26 號到 3 月 28 號,Hitomi 曾向地面發出三次短暫訊號。28 號至今,地面再無接收過任何來自 Hitomi 的訊號。

Hitomi 是新一代高能量太空望遠鏡,其任務主要為研究宇宙的結構和在極端環境下的物理,包括研究黑洞如何形成、星系團如何演化、宇宙如何及產生了多少重元素、高密度和磁場下的物理、黑洞附近的時空如何扭曲、宇宙射線如何及在哪裡產生等等。

這次 Hitomi 意外,絕對是科學界的悲劇。希望科學界能夠汲取教訓,改進未來的衛星,代替 Hitomi 延續研究宇宙的任務。

延伸閱讀:

Hitomi 失去聯絡的新聞

JAXA 於 4 月 15 號發表的調查報告

封面圖片:Hitomi 想像圖/JAXA

By David Yu

David Yu is the father of Simba and an Astrophysicist. He obtained his PhD in Astrophysics from the Max Planck Institute of Extraterrestrial Physics, Germany. He was formerly a postdoc at the KTH Royal Institute of Technology, Sweden, and is currently a lecturer at the University of Hong Kong. He served as the host of the RTHK TV31 programme Science Night, the Depute Editor-in-Chief of the Taiwanese Science Magazine Physics Bimonthly, and the Science Consultant of Stand News. The books he authored include Dr David’s 21 Mysteries of The Universe (2021), Space – A Down-to-Earth Astrophysicist (2021), Time – A Spacetime Journey of Astronomy and Physics (2019), and Secrets from the Stars (2017).

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