原标题：#楠哥天文科普#９——哈勃空间望远镜的故事

【编者按】今天是哈勃望远镜升空30周年纪念日，特转载此篇科普，听一听太空望远镜的故事。

哈勃空间望远镜（ Hubble Space Telescope ），一个如雷贯耳的名字，并极富传奇色彩和多舛命运，它早已超越了科学的范畴，即使不了解天文的人们也时常津津乐道。谈论这个可能是人类历史上最成功天文望远镜的故事，我内心无比忐忑，深知30岁的它对人类天文探索的巨大贡献，而这远不是一篇文章可以概括的，但犹豫再三，还是怀着谦卑、朝圣和抛砖引玉的心态提起笔来。

在近地轨道运行的哈勃空间望远镜 图源：NASA

不过在这之前，我想先自问自答两个问题。那就是：我们为什么需要空间望远镜？它和地面望远镜各自优势是什么？简单来说，天文望远镜的口径越大，其角分辨率（能被清晰分辨的两个目标间所张角度大小，衍射极限条件下为1.22lambda/D，其中lambda是波长也是定值，D为望远镜口径）和解析力就越强。但在地面上，受到大气抖动、月光、人造光源等干扰，望远镜远远无法达到衍射极限下的角分辨率，而太空中则没有这个问题，纯黑色的背景也有助于较暗星体的观测，如哈勃望远镜只用2.4米的口径就实现了小于0.1角秒的解析力；与此同时，地球的大气层吸收了不少波段的电磁波，这使得空间望远镜在观测红外线、紫外线、Ｘ射线、伽马射线等方面有绝对优势；地面望远镜不但受天气变化影响，由于白天黑夜的交替，也无法做到全天候观测。不过空间望远镜造价高；维修升级困难——离地面近600百公里的哈勃还有维修的可能，而计划中预计轨道高度150万公里的詹姆斯韦伯望远镜（James Webb Space Telescope）则必须一次成功；另外受限于运载能力和成本，口径和质量也不能太大；这些又恰好是地面望远镜的优势。

可到达地面的波段

事实上近三十年，欧美在全世界最适合天文观测的夏威夷 莫纳克亚山 和智利 阿塔卡玛沙漠 (Atacama Desert) 大兴土木，从美国1991和1996年建成的由2架10米口径望远镜构成的Keck望远镜，到2001年欧洲南方天文台由4架口径8.2米望远镜组成的“甚大望远镜”（VLT），再到建设中的口径超过39米的欧洲特大天文望远镜（E-ELT）等等。而随着自适应和主动光学技术的发展，修正了大气对观察造成的影响，地面望远镜的解析力不断上升，E-ELT预计图像清晰度是哈勃的16倍，可以直接对近日恒星的行星进行观测。

凯克望远镜（Keck）坐落于夏威夷海拔4200多米的莫纳克亚山

欧洲特大天文望远镜（E-ELT）假想图，望远镜的支撑管道结构就重达到3000吨

著名天文学望远镜口径对比

做了这么多铺垫，各种看官莫急，咱们马上进入正题。空间望远镜是科学家的百年梦想，早在1923年，德国著名的火箭专家赫尔曼·奥伯特(Hermann Oberth)就在那部只有92页的著作《飞往星际空间的火箭》（The Rocket into interplanetory ）首次提出可以把望远镜送入太空，主持设计阿罗波登月火箭土星五号的冯·布劳恩就是受这本著作影响，开始对星际旅行着迷的。转眼到了1946年，来自普林斯顿大学的天文学家莱曼·斯皮策（Lyman Spitzer, Jr.）发表论文：《在地球之外的天文观测优势》，他在里面阐述了空间望远镜的两个优势，从此他便致力于推动空间望远镜的发展。而始于20世纪50年代的美苏太空争霸，仿佛给航空航天相关的项目都注入了强心剂，空间望远镜也由此迎来了发展机遇。1962年美国国家科学院的一份报告中推荐空间望远镜应作为美国太空计划的一部分，同年4月英国将英美合作的Ariel 1号送入轨道，进行了六项实验，包括测量太阳辐射和研究电离层，它传回了些数据后因太阳能发电机故障而终结，这算是人类第一架空间望远镜。这一年NASA也发射了轨道太阳天文台1号（OSO-1）。1965年斯皮策被任命领导一个科学委员会，目的在于研究大型空间望远镜的可行性。1966、1968、1970和1972年NASA为轨道天文台计划（OAO）连发四颗天文观测卫星，其中两次成功两次失败，最成功的72年发射的OAO-3，一直服役到1981年，它也被重新命名为哥白尼。它们证明了天基观测的重要性，让后来“哈勃”立项有了更高的支持率。终于，1968年NASA为大型轨道天文台计划制定了一个空间反射望远镜的子计划，并定于1979年发射，计划镜面直径为3米，并称之为大型轨道望远镜(LST)。而1969年美国国家科学院批准了“大型空间望远镜”项目，并继续进行可行性的研究。1970年NASA成立了两个委员会，一个规划空间望远镜的工程，另一个确定其任务的科学目标。

20世纪60年代，是空间望远镜完美的孵化期，在此期间，诺贝尔奖也终于认可了天文学与物理学的紧密关系，结束了以前没有天文学家获得诺贝尔奖的尴尬。

OAO-3

然而到了70年代，空间望远镜的日子就没那么好过了，随着阿波罗登月计划的成功和苏联登月计划的失败，美国仿佛没了对手，NASA的经费也开始缩减。与此同时，1973年第四次中东战争爆发，油价飞涨，美国陷入石油危机，加上日本和欧洲的崛起，大手大脚的美国人开始抗不住了。1975年，大型空间望远镜的预算被取消，一时间引发众多科学家的抗议和游说。这个时候，欧洲空间局（ESA）通过出资建造暗弱天体照相机（Faint Object Camera）和太阳能电池加入项目，投入约占整体研发经费的15%并获得至少15%的望远镜使用时间。同时NASA通过将望远镜口径由3米缩减至2.4米（为什么是2.4米是因为这个口径已经被洛克希德公司用于 KH-11锁眼侦察卫星了，节省成本之余你也可以说哈勃捡了个剩儿 ）等一系列简化操作，缩减了一半的预算至2亿美元，1977年国会通过新的预算，终于有了钱，大型空间望远镜项目算是正式启动，其预期使用寿命为15年，并初步定于1983年发射。1983年，为了纪念星系天文学的开创者，已故美国天文学家爱德文·鲍威尔·哈勃（Edwin Powell Hubble），望远镜被正式命名为“哈勃空间望远镜”。他在20世纪初发现了银河系外其他星系的存在，并通过系外星系的“红移”现象证明宇宙膨胀，建立“哈勃定律”，为宇宙大爆炸理论提供有力证据。他的一生也有很多轶事，不妨戏说一二。

年少时的他因为14个月大的妹妹推倒了他的积木而狠狠踩了妹妹的手，巧合的是妹妹几日后得了大病并最终夭折，为此他遭受了严重心理创伤。 高中时代的哈勃是一个超级运动明星，曾在市级的运动会上一举拿下7个比赛冠军和跳远比赛季军，进入芝加哥大学后，他入选校篮球队，并随队两次获得NCAA篮球冠军。他在芝加哥大学学了物理和天文，却又到牛津读法律，回美国后竟没有通过律师资格考试而成了又教数学又教体育的中学老师。1953年他因脑血栓去世，他的妻子不知为何没有公开死讯也没有举办葬礼，甚至还藏了他的尸体。而关于他与勒梅特的贡献也有些争议。最后，尽管他贡献卓越，但当时因为诺贝尔不认可天文学作为物理学的一部分，所以他并没有获得过诺贝尔奖，这对于他和诺贝尔奖都是巨大遗憾。

1937年哈勃使用威尔逊山天文台100英寸望远镜进行观测

随着1978年国会第一笔资金3600万美元的拨付，各个承包商实质行动起来，马歇尔飞行中心（MSFC）负责设计、研发和建造的总包，珀金埃尔默（Perkin-Elmer）负责望远镜的光学组件，还有精密导航传感器，金石太空飞行中心（GSFC）负责科学仪器的整体控制和地面任务控制中心，洛克希德负责壳体和结构以及总装。1979年 珀金埃尔默开始主镜的磨制工作，这是整个望远镜的核心，按照要求，抛光后的准确性须达到可见光波长的二十分之一，是普通望远镜的两倍。为此 珀金埃尔默 首次使用了计算机数控技术。不过正如“便宜没好货”的道理， 珀金埃尔默 的工作并不令人满意，用了28个月直到1981年5月才完成了主镜的抛光工作，而且严重超支。为此NASA不得不将原定于1983年12月的发射日期推迟至1984年10月。不过噩梦远未结束，由于 珀金埃尔默 副镜的磨制也不顺利，导致NASA又两次推迟发射，最终整个光学组件到1984年才完成，随着望远镜的组成部分于1985年12月到位，发射日期定在了1986年10月，而项目预算已经比最初超了5倍，达到了惊人的11.75亿美元。组装完成的哈勃空间望远镜直径4米，其中主镜直径2.4米，重828千克，副镜直径0.3米，重12.3千克。总重超过11吨，长13.3米，约是一辆大校车般大小。

1979年5月工程师马丁椰林博士在Perkin-Elmer公司与抛光中的哈勃主镜

本以为这回可以尘埃落定了吧？没有的事儿。本来1982年4月12日，哥伦比亚号首飞成功，给“哈勃”的未来开了个好头。航天飞机这种装载量大，可重复使用，并可加装如机械臂等维修工具的航天器，正是哈勃持续运行所需要的，可谓互相成就。可就在“哈勃”计划发射前，1986年1月28日，挑战者号航天飞机在肯尼迪航天中心发射升空73秒后发生爆炸，7名宇航员因此丧命，而航天飞机也被停飞。这起“一个橡胶环”引发的惨痛事故也导致“哈勃”发射的再次延期。直到1990年4月24日，肩负探寻宇宙奥秘使命的它终于 带着15亿美元的造价成本（加上地面支持设备妥妥超过20亿） 被“奋进”号航天飞机带入太空，并于25日进入预定轨道，那里是距地面近600公里的宁静世界，唯一的疑问是，经历了如此多的磨难，它能带给人们怎样的惊喜？

携带哈勃空间望远镜的“奋进”号发射升空

“哈勃”被释放到轨道上

答案是：“惊吓”。5月20日，“哈勃”发回第一张照片，结果令人大失所望，成像质量只比地面同级别望远镜稍好，经过反复对焦，依然得不到清晰的图像，点源的影像被扩散成超过一弧秒半径的圆，只达到设计要求的不到十分之一，证明主镜存在重大问题。后来经过深入调查，发现原来是不争气的珀金埃尔默公司制造镜片的加工模具被装偏了 1.3 毫米，导致主镜的形状磨错了，镜面边缘弧度比设计要求平了少许差了约2.2微米，这样一个看似微小的错误直接导致了“哈勃”的近视。造成这样的结果，除了珀金埃尔默公司流程上的特大失误，预算的削减和进度的落后导致后续测试不足也是重要原因。除此之外，“哈勃”还得了“颤抖症”，每当进出地球阴影时，也会长时间抖动，这是因为太阳能电池板的支架热胀冷缩所致。

“哈勃”发回的第一张照片，只比智利拉斯坎帕纳斯天文台的2.5米口径望远镜的成像稍好

为了解决这些问题，科学家制定了修复方案，准备用一个有相同的球面像差，但功效相反的光学系统来抵消成像问题，即望远镜 光学矫正系统 （COSTAR）。 4名航天员则进行了1年的训练，为了模仿太空的工作环境，他们在约翰逊太空中心的水池中反复演练修复安装过程。1993年12月，"奋进号"再次为哈勃升空，开始了修复之旅。在十天的旅程中，宇航员通过五次太空行走，除给哈勃戴上“眼镜”外，太阳能板和驱动的电子设备、四个陀螺仪、二个控制盘、二个磁力计和其他的电子组件也被更换，同时还顺手升级了哈勃的计算机并升高了轨道高度。此次修复万众瞩目，如果不能成功，NASA的声望和地位将岌岌可危。

宇航员正在打开哈勃

好在任务圆满成功，这个庞然大物又满血“复活”了，从此一骑绝尘，打破各种人类对宇宙的认知，如测算了宇宙年龄，将系外星系的数量从千万级推至千亿级等，并在太空兢兢业业工作了30年。当然，为了保持良好的工作状态，至今为止，它又进行了4次更换和维修。分别是第二次1997年2月，由“奋进”号执飞，用空间望远镜摄谱仪（STIS）和近红外线照相机和多目标分光仪（NICMOS）替换掉戈拉德高解析摄谱仪（GHRS）和暗天体摄谱仪（FOS），更换绝热毯并提升轨道。第三次是1999年12月进行，仍由“奋进”号执飞，更换了全部六台陀螺仪，换上更精细导星传感器 （FGS） 和英特尔486计算机等。第四次是 2002年3月 ，由“哥伦比亚号”执飞，用 先进巡天照相机（ACS）替换掉暗天体照相机（FOC），新的相机 具备更广阔的视野、卓越的图像质量和精确的灵敏度 ，较旧机器的研究能力提升10倍；更换了新的冷却系统和太阳能板 、配电系统等，新的太阳能电池体积减小至2/3，发电量则提升30%，可以让哈勃的所有仪器同时工作。2003 年，哥伦比亚号在返回地面时失事，航天飞机再次停飞。这也导致第五次维修延期，这 最后一次维修任务一直拖到 2009年5月 ，由“ 阿特兰蒂斯 ”号执飞，由于此时航天飞机退役已成定局，所以珍惜机会对哈勃进行了大规模的更新和零件更换。包括 用第三代广域照相机（WFC3）替换掉WFPC2，安装新的宇宙起源频谱仪（COS）、取回该处的光学矫正系统（ COSTAR ），修复损坏的先进巡天照相机（ACS）和空间望远镜摄谱仪（STIS），更换损坏的精细导星传感器（FGS）和科学仪器指令和数据处理系统（SIC&DH），更换 对接环 、全部的电池模组、所有的6个陀螺仪和3组定位传感器（RSU），安装全新的绝热毯（NBOL）、补充制冷剂等。每一次维修，都让“哈勃”脱胎换骨，重获新生，迸发出更大的潜力。

1997年2月 11日至21日 维修任务中的太空行走

1999年维修任务中，已经被航天飞机捕获的哈勃空间望远镜

1995年（上图）和2015年（下图）哈勃拍摄的“创生之柱”，证明了新更换相机的强大

每年哈勃升空纪念日前后，哈勃团队的科学家都会放出精美的宇宙图像，2019年4月哈勃发射升空29周年放出的是南蟹状星云（Southern Crab Nebula），官方名称Hen2-104。它呈两个嵌套的沙漏状结构，是由白矮星和红巨星相互作用形成的，红巨星的外层正在脱落，一些喷射出的物质被伴星白矮星所吸引，达到饱和状态时再向空间喷发，这种喷发可能已经持续了几千年。图中呈现的四种色彩绿、红、蓝、橘分别对应着氢、硫、氧和氮元素。

南蟹状星云 图源：NASA

2019年5月哈勃团队公布的宇宙照片：哈勃遗产场（Hubble Legacy Field），由近7500张照片拼接在一起，拍摄时间横跨16年，总计用时超过250天，约包含了26.5万个星系，其中一些古老的星系，其历史可追溯到宇宙初期，大爆炸5亿年后。图中很多像星星一样的小点，可能就是银河系般的星系，可见宇宙之浩淼。第二张照片也在制作中，预计将由超过5200张照片拼接而成。

哈勃遗产场（Hubble Legacy Field），图源：NASA

通过7398次曝光拼接而成的有着1.5亿像素的仙女座星系局部照片，图中包含了1亿多颗恒星，尽管仙女座离我们有250万光年，哈勃还是分辨出了单个恒星。

离银河系最近的星系—— 仙女座星系

下面再发几张哈勃空间望远镜的美图：

名为Arp273的 一组相互作用的星 系 。其中较大的螺旋星系为UGC1810，受其伴侣星系UGC1813引力影响，下方出现扭曲，酷似玫瑰花形状

NGC 3603，是银河系最大的恒星形成区之一，距离太阳二万光年，位在邻近的银河系船尾旋臂上，它中心有数千颗质量比太阳要大的成员星

位于乌鸦座 (Corvus)内的二个星系正在发生碰撞

棒旋星系 NGC 1672，离地球约六千万光年远，大小约为七万五千光年

活跃星系英仙座A ，蔓延超过十万光年，距发球约两亿三千万光年，中心有个质量很大的黑洞

猎户座大星云，距离我们只有1500光年

蟹状星云是1054年超新星的遗骸，大小约10光年，中间是一颗中子星，质量与太阳相当，只有一座城那么大

老鹰星云的仙女，高约10光年

蝴蝶星云NGC 6302，中心表面温度约25万摄氏度

气泡星云，距离地球约8000光年的发射星云

涡旋星系NGC 4380

紫外线下的土星

今年是哈勃空间望远镜发射30周年，自从2011年航天飞机退役后，它似乎已不太可能再得到新的维修和升级，2018年10月曾因陀螺仪失效而暂停观测，好在最后得以解决。30岁又失去后援的它，已渐显老态，曾经NASA想在它退役后把它取回放进博物馆，亦不知还能否实现。 而哈勃的继任者——拥有6.5米口径的詹姆斯·韦伯空间望远镜（James Webb Space Telescope）又重蹈它的覆辙，从最初5亿美元预算飙升至96.6亿美元，发射日期却从2007年一拖再拖到了谁也不知会是什么时候。 所以哈勃还要不忘初心继续战斗，并仍会带给我们新的惊喜，偶尔也许是惊吓，就像30年前一样。

正如我写完这篇文章时，漆黑的东方忽现了鱼肚白，一时间五味杂陈。 于是，我决定自信点，把开篇形容哈勃“可能是人类历史上最成功天文望远镜”的“可能”去掉吧！

审发：赵涟漪 余欢欢 返回搜狐，查看更多