哈勃空间望远镜的前世今生

2020.4.22 / 空间探测 / 历史 HST 哈勃空间望远镜

【写在前面的话】

30年弹指一挥间，当年的婴孩现在都已经成家立业，而哈勃空间望远镜老当益壮，仍然在太空中发光发热，帮地球人睁开大眼睛窥探宇宙深处的秘密。人生易老天难老，对于茫茫宇宙，用一个人有限的生命难以看透，但是人类会创造，会传承，一代又一代人前赴后继，在不断展开的卷轴上描绘出宇宙的模样。哈勃空间望远镜不是终点，而是新一代人的起点，我们的理想永远是星辰大海。

【越来越大】

从1609年伽利略第一次将DIY的5厘米口径的望远镜指向天空开始，人类对望远镜口径的追求就从来没有停止过，为了将天上的星星看得更清楚一些，再清楚一些，我们造出来的望远镜越来越大。从5厘米到0.5米，再到1米、2米……….，在人类进入太空时代的前夜，地面上的望远镜口径已经达到了惊人的6米。但是，有一个问题一直困扰着地面上的观测者们，那就是遥远的星光经过了数千万光年的旅行畅通无阻，但是却在最后数十公里的旅程中被干扰，那就是地球的大气层。

因为大气的影响，星光会被扭曲，会被削弱，让我们即使造出再大的望远镜也不能看清楚遥远的宇宙，为了减少大气的扰动，人类想尽了各种办法，力图把望远镜搬到更高的山上去，于是现在的地面天文台都是在高山之巅。但是，人类还不满足，试问：还有比山更高的地方吗？答：有的，那就是太空！

【太空望远镜的构想】

1923年，德国科学家赫尔曼•奥伯斯（Hermann Oberth），现代火箭技术之父之一（另外两个是：戈达德和齐奥尔科夫斯基），他发表了《火箭进入行星空间》，其中提到了如何实现用火箭将望远镜送入太空，这是人类最早提出把望远镜带出地球。

1946年，普林斯顿大学的天体物理学家莱曼•斯皮策（Lyman Spitzer）发表了一篇文章，介绍了太空望远镜的科学价值，并为此奔走游说了30个年头。

随着1957年世界上的第一颗人造卫星进入轨道，人类终于叩开了太空的大门，在太空中放置望远镜的理想也就越来越近了。1969年，人类第一次登上的月球表面，也就是在这一年，在斯皮策的努力下，大型太空望远镜（LST）项目被美国国家科学院批准，人类对太空望远镜的理想开始进入有计划的行动。

但是大型太空望远镜的项目因为NASA经费的减少前途并不明朗，在权衡资金的数额后，减小了主镜的尺寸，缩减了科学仪器的数量，减少了系统支持模块的直径以及创建和执行的备件的数量。但是它仍然能达到0.1角秒的分辨率，同时观测波段覆盖红外到紫外的广泛范围，这对当年的地面望远镜来说已经是跨越式的发展。

1975年，欧洲空间局（ESA）也带着资金和技术加入到了LST项目中来，作为回报，NASA保证至少15％的望远镜使用时间给欧洲天文学家。1977年，美国国会最终批准了对LST项目的资助，斯皮策的理想终于进入了快车道。

这个时候的另一个航天项目也给太空望远镜的设计建造提供了坚实的后盾，那就是航天飞机，航天飞机可以实现把LST部署到太空轨道上，还可以将它带回地球，装载能力又非常强大，因此LST的设计可以更加大胆。最终敲定，它将是一台2.4米口径的R-C式反射望远镜，全长12.8米，镜筒直径4.27米，总重量11吨，和一辆大巴车差不多尺寸。

1979年3月LST的镜面开始磨制；

1981年LST的反射镜面完成磨制，2.4米的镜胚重达900多公斤。

1983年NASA将著名天文学家哈勃的名字授予了LST，哈勃空间望远镜自此得名，LST就变成了HST。

1984年HST装配上了0.3米的副镜，并安装上了石墨环氧的衍架。

1985年HST完成组装，一切准备就绪，等待发射。

【哈勃空间望远镜】

然而1986年挑战者号航天飞机在发射的时候发生了爆炸，7名航天员因此殒命，哈勃空间望远镜的发射也因此延期，这一拖就是4年。

1990年4月24日，在斯皮策的太空望远镜的构想过去了40多年后，哈勃空间望远镜终于搭乘着发现号航天飞机在卡纳维拉尔角发射升空，1天过后，在厄瓜多尔西部太平洋的上空，这架11吨重的望远镜被释放到了绕地球公转的轨道上，距离地面600公里，每100分钟就会绕地球一圈。哈勃空间望远镜从此展开了其波澜壮阔的一生。

然而哈勃的成功发射并没有让地面的工作人员开心多久，1990年5月20日在地面人员的指挥下，HST将镜筒对向了1300光年外的NGC3532疏散星团，使用广角行星相机（WFPC）拍摄下了第一张照片，尽管这张照片没有绚丽的色彩，但是它向我们展示出了HST远优于地面同级别望远镜的分辨率。不过进一步分析后发现，HST并没有达到其设想的分辨率，也就是说它本应该看得更清晰。

怎么办？HST已经在轨道上了，而问题的根源在于主镜！因为望远镜在磨制的过程中，一个检测系统光学质量的仪器偏差了1.3mm，从而导致主镜的边缘打磨得太平了，和设计值偏差了4微米，别看这个数值很小，它直接导致了HST出现严重的球面像差。现在载回来是不可能载回来的了，要么凑合着用，要么送宇航员上去维修。凑合着用也不是不行，毕竟其分辨率已经很高了，但是科学家是一群精益求精的家伙，不榨干HST的性能是让人无法接受的。

于是乎，在无数的科学家、工程师、管理者和宇航员的努力下，人们终于拿出了一套维修方案，就是给哈勃空间望远镜的内部光路上增加一个矫正透镜，就像戴一副近视眼镜一样，可以一劳永逸地解决这个问题，这也将成为HST历史上的第一次太空维修。

不过因为航天飞机任务排班的要求，要等到1993年才能有空送宇航员进行太空维修，但是在这期间，HST也没有闲着，用它“近视”的眼睛还是可以看到不少东西的：

1990年8月29日观测到超新星1987A周围的一圈光环

1991年科学家基于HST的观测数据发表了第一篇科学论文

1991年5月17日HST第一次拍摄木星

1992年1月13日HST确认星系间物质的存在

1992年11月19日HST发现NGC4261核心的疑似黑洞吸积盘

1992年12月16日HST发布第一张真彩色的猎户座大星云边缘的图像

1993年1月7日发现马卡良315星系的双核心结构

1993年6月9日HST在确定宇宙年龄方面迈出重要的一步……..

【第一次维修】

1993年12月2日，7名宇航员乘坐着奋进号航天飞机从卡纳维拉尔角起航，前往太空开展哈勃空间望远镜的“拯救”任务。在太空中奋进号航天飞机用它的机械臂牢牢地抓住了HST，让宇航员打开它的仪器舱，给它装入了一个光学矫正组件——COSTAR，同时还更换了广角行星相机（WFPC），换成第二代产品WFPC2，显著地提高了HST的紫外线观测能力。除此之外还给HST升级了新的太阳能电板等。此次“营救”获得了媒体的广泛关注，从此哈勃空间望远镜在全世界家喻户晓。

任务结束后，在1994年1月13日，科学家紧张地在电脑屏幕前等待着维修后的HST发回第一张照片，当一幅无比清晰的M100星系图像显示在屏幕上时，大家留下了激动的泪水——哈勃空间望远镜终于得救了，从此HST开始了他开挂的一生。

接下来的HST大家也都知道了，我们现在网络上看到的天文美图，有一大半是它拍摄的，同时在科学研究领域，HST可是一天也没有闲着，每天都被安排得满满当当，为天文学家提供了无数的科研素材。

1994年5月25日，刚维修好的哈勃空间望远镜就确认了M87中心存在超大质量黑洞的证据。

1994年7月16日，苏梅克-列维9号彗星撞击木星，当全世界的焦点都聚焦在木星上的时候，HST也没有闲着，它给我们提供了前所未有的清晰图像。

1994年12月21日，HST观测到了新的土星风暴。

1995年1月10日，HST观测了车轮星系，这样的形状应该是源于两个星系的正面撞击。

1995年6月14日，HST第一次观测海王星。

1995年4月1日，HST拍摄的闻名世界的“创生之柱”照片诞生，这是位于鹰状星云核心的气体和尘埃柱，是孕育新恒星的地方。

可以说，我们这代人，是HST陪伴着我们成长，我们从懵懂无知的孩童时期走来，当第一眼看到HST拍摄的绚丽的宇宙图景时，就被其深深地吸引了，有多少孩子是在HST的影响下立下探索宇宙的志向，直到最后真的走上了职业天文道路，又有多少人，虽然从事着各行各业，但是因为HST而保持着对宇宙的关注，并把宇宙的魅力传播给更多的人。30年来，哈勃空间望远镜为这个世俗的世界打开了一扇通往梦想的窗户。

【第二次维护】

1997年2月11日，哈勃空间望远镜进行了第二次例行维护工作，这次维护用近红外照相机和多目标光谱仪（NICMOS）替换了原先的戈达德高分辨率光谱仪（GHRS），用空间望远镜成像光谱仪（STIS）替换了暗弱目标光谱仪（FOS）。NICMOS工作在近红外波段，可以帮助我们透过尘埃重重的星际物质，直接窥视银河系核心的性质。

【第三次维修】

1999年11月，HST的6个陀螺仪中的4个发生了故障，随后进入安全模式，NASA随即安排了新的维修任务，派遣发现号航天飞机前往替换所有的6个陀螺仪。陀螺仪是用于帮助HST精确地对准天体目标的一个传感器，失去了它，HST就像是一只无头苍蝇，无法对准目标。此时距离HST发射已经过去了9年，这9年里地面的科技日新月异，HST上的计算机明显已经落伍了，航天员为它更换了比以前快20倍的计算机和一台比以前大10倍容量的数据记录仪。

2000年，哈勃空间望远镜迎来了10岁生日，在这头十年里，它为天文学家们研究了13670个天体，并且进行了271000次观测，发表了2651篇科学论文，可谓是成果丰硕。

【第四次维护】

2002年3月，哥伦比亚号航天飞机再次载着7名宇航员前往太空去给哈勃空间望远镜做例行的维护和升级，为它安装上了先进的勘测相机（ACS），为它更换了太阳能电板，还给它的NICMOS安装新的冷却系统，使HST重新恢复红外视力。

2005年，哈勃空间望远镜已经走过了15个年头，对于原先的设计来说，HST已经进入了垂垂暮年，而新一代的太空望远镜也已经在路上了——詹姆斯·韦伯（JWST）空间望远镜，后者的口径达到了6.5米，是哈勃空间望远镜的3倍，原计划于2007年就送上太空，接替哈勃空间望远镜的工作，但是大家也看到了，直到现在JWST还在地面上测试，而HST仍然在轨道上孜孜不倦地工作着。

因为2003年哥伦比亚号航天飞机在返航时发生了解体事故，航天飞机项目也进入了倒计时阶段，NASA决定在2011年让航天飞机退役，这对于HST来说不得不说是一个坏消息，因为没有了航天飞机的支持，HST就没办法获得轨道维修的机会。从此以后，零件坏一个就少一个，直到最后关键零部件发生故障，那哈勃空间望远镜也就到了寿终正寝的时候了。

【第五次维护】

为了继续给哈勃空间望远镜续命，2009年5月11日，航天飞机项目安排了最后一次更新维护任务，7名宇航员在太空中给HST更换上了最先进的仪器和设备，WFC3取代了WFC2，因为剩下的所有仪器都具有了内置的光学矫正装置，所以原先的光学矫正组件（COSTAR）也就失去了用武之地，替换成了新的仪器——宇宙起源光谱仪（COS）。除此之外，宇航员还维修了出现故障的ACS和STIS，彻底更换了6个陀螺仪，这次维修起码为HST又获得了10年的寿命。

2020年4月24日即将到来，我们的哈勃空间望远镜30岁了，30岁对一个人来说正是而立之年，而太空中的HST，常年累月地经受着巨大的温差、微小流星体的撞击等恶劣的环境影响，早已进入晚年时分。特别是对于控制望远镜指向的陀螺仪来说，只有10年左右的寿命。一般来讲，维持HST正常工作只需要3个陀螺仪就足够了，但是为了延长HST的使用寿命，它上面装了6个陀螺仪，其中3个作为备份。到了2018年，HST正在使用的陀螺仪其中两个已经失灵，一个时好时坏已经持续了一年之久，也就是说只剩下另外3个是完全可以正常使用的，只要再坏一个哈勃空间望远镜就要彻底歇菜。2018年10月5日，那个时好时坏的陀螺仪发生了故障，但是备份陀螺仪可能是因为时间久远，并没有立即启动运行，于是乎哈勃空间望远镜进入了关机状态的“安全”模式。好在地面的科学家并没有放弃它，反复地对这个陀螺仪进行重启摇晃，再重启再摇晃，最终在10月26日这个备份陀螺仪开始正常工作！HST捡回了一条命。不过这也告诉我们，HST现在是用一天就少一天，鬼知道哪一天它就要彻底和我们说再见了呢？

【继任者】

哈勃空间望远镜的继任者呢？我们刚才提到的詹姆斯·韦伯望远镜（JWST），因为经费问题和设计问题，其发射时间一推再推，从2007年推到2009年，再推到2014年，最后在2016年才完成组装，结果又在2018年的地面演练中出现遮阳罩撕裂问题而继续推迟发射，延期到2020年5年。但是今年大家也看到了，因为新冠疫情的影响，JWST的发射时间继续后延，预计2021年3月才能上天。不过俗话说，好事多磨，毕竟JWST望远镜是要放置在距离地球150万公里外的拉格朗日点，在这个位置上一旦发射就没有退路，现如今没有任何一种航天器可以载人到达这个位置上进行维修工作，所以万事还是谨慎点为好。