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。

與 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。