哈勃望遠(yuǎn)鏡，Hubble Space Telescope，縮寫(xiě)為HST，是以天文學(xué)家哈勃為名，在軌道上環(huán)繞著地球的望遠(yuǎn)鏡。他的位置在地球的大氣層之上，因此獲得了地基望遠(yuǎn)鏡所沒(méi)有的好處-影像不會(huì)受到大氣湍流的擾動(dòng)，視相度絕佳又沒(méi)有大氣散射造成的背景光，還能觀(guān)測(cè)會(huì)被臭氧層吸收的紫外線(xiàn)。

 簡(jiǎn)介

大氣層中的大氣湍流與散射，以及會(huì)吸收紫外線(xiàn)的臭氧層，這些因素都限定了地面上望遠(yuǎn)鏡做進(jìn)一步的觀(guān)測(cè)。太空望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn)使天文學(xué)家成功地?cái)[脫地面條件的限制，并獲得更加清晰與更廣泛波段的觀(guān)測(cè)圖像。

空間望遠(yuǎn)鏡的概念最早出現(xiàn)上個(gè)世紀(jì)40年代，但一直到上個(gè)世界90年代，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡才正式發(fā)射升空，并觀(guān)測(cè)迄今。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡屬于美國(guó)航空航天局(NASA)與歐洲航天局(ESA)的合作項(xiàng)目，其主要目標(biāo)是建立一個(gè)能長(zhǎng)期在太空中進(jìn)行觀(guān)測(cè)的軌道天文臺(tái)。它的名字來(lái)源于美國(guó)天文學(xué)家埃德溫·哈勃。

1990年4月25日，由美國(guó)航天飛機(jī)送上太空軌道的 “哈勃”望遠(yuǎn)鏡長(zhǎng)13.3米，直徑4.3米，重11.6噸，造價(jià)近30億美元。它以2.8萬(wàn)公里的時(shí)速沿太空軌道運(yùn)行，清晰度是地面天文望遠(yuǎn)鏡的10倍以上。同時(shí)，由于沒(méi)有大氣湍流的干擾，它所獲得的圖像和光譜具有極高的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。

哈勃望遠(yuǎn)鏡幫助科學(xué)家對(duì)宇宙的研究有了更深的了解。然而，由于NASA將哈勃SM4確定為最后一次維修任務(wù)。因此，哈勃的退役在即，而它新的繼任者詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(JWST)將發(fā)射升空，并逐步接替哈勃的工作。

哈勃望遠(yuǎn)鏡于1990年發(fā)射之后，已經(jīng)成為天文史上最重要的儀器。它已經(jīng)填補(bǔ)了地面觀(guān)測(cè)的缺口，幫助天文學(xué)家解決了許多根本上的問(wèn)題，對(duì)天文物理有更多的認(rèn)識(shí)。哈柏的哈勃超深空視場(chǎng)是天文學(xué)家曾獲得的最深入(最敏銳的)的光學(xué)影像。它上面的廣角行星相機(jī)可拍攝到幾十到上百個(gè)恒星照片，其清晰度是地面天文望遠(yuǎn)鏡的10倍以上，其觀(guān)測(cè)能力等于從華盛頓看到1.6萬(wàn)千米外悉尼的一只螢火蟲(chóng)。

發(fā)展歷史

1980年，建造中的哈勃望遠(yuǎn)鏡

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡從1946年的原始構(gòu)想開(kāi)始，直到發(fā)射為止，建造太空望遠(yuǎn)鏡的計(jì)劃不斷的被延遲和受到預(yù)算問(wèn)題的困擾。在他發(fā)射之后，立即發(fā)現(xiàn)主鏡有球面像差，嚴(yán)重的降低了望遠(yuǎn)鏡的觀(guān)測(cè)能力。幸好在1993年的維修任務(wù)之后，望遠(yuǎn)鏡恢復(fù)了計(jì)劃中的品質(zhì)，并且成為天文學(xué)研究和推展公共關(guān)系最重要的工具。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和康普頓γ射線(xiàn)天文臺(tái)、錢(qián)卓X光天文臺(tái)、斯必澤空間望遠(yuǎn)鏡都是美國(guó)宇航局大型軌道天文臺(tái)計(jì)劃的一部分 。哈勃空間望遠(yuǎn) 鏡由NASA和ESO合作共同管理。

哈柏的未來(lái)依靠后續(xù)的維修任務(wù)是否成功，維持穩(wěn)定的幾個(gè)陀螺儀已經(jīng)損壞，2007年，連備用的也已經(jīng)耗盡，而且另一架用于指向的望遠(yuǎn)鏡功能也在衰減中。陀螺儀必須要以人工進(jìn)行維修，在2007年1月30日，主要的先進(jìn)巡天照相機(jī)(ACS)也停止工作，在執(zhí)行人工維修之前，只有超紫外線(xiàn)的頻道能夠使用。另一方面，如果沒(méi)有再提昇來(lái)增加軌道高度，阻力會(huì)迫使望遠(yuǎn)鏡在2010年重返大氣層。自從2003年哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)不幸事件之后，由于國(guó)際空間站和哈柏不在相同的高度上，使得太空人在緊急狀況下缺乏安全的避難場(chǎng)所，因而NASA認(rèn)為以載人太空任務(wù)去維修哈柏望遠(yuǎn)鏡是不合情理的危險(xiǎn)任務(wù)。NASA在從新檢討之后，執(zhí)行長(zhǎng)麥克格里芬在2006年10月31日決定以亞特蘭大進(jìn)行最后一次的哈柏維修任務(wù)，任務(wù)的時(shí)間安排在2008年9月11日， 基于安全上的考量，屆時(shí)將會(huì)讓發(fā)現(xiàn)號(hào)在LC-39B發(fā)射臺(tái)上待命，以便在緊急情況時(shí)能提供救援。計(jì)劃中的維修將能讓哈勃空間望遠(yuǎn)鏡持續(xù)工作至2013年。如果成功了，后繼的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(JWST)應(yīng)該已經(jīng)發(fā)射升空，可以銜接得上任務(wù)了。韋伯太空望遠(yuǎn)鏡在許多研究計(jì)劃上的功能都遠(yuǎn)超過(guò)哈柏，但將只觀(guān)測(cè)紅外線(xiàn)，因此在光譜的可見(jiàn)光和紫外線(xiàn)領(lǐng)域內(nèi)無(wú)法取代哈柏的功能。

1999年4月，利用哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的深空?qǐng)D像，美國(guó)紐約州立大學(xué)斯托尼布魯克分校的研究人員發(fā)現(xiàn)了宇宙邊緣附近有一個(gè)距離地球130億光年的古老星系，這是迄今為止人類(lèi)所發(fā)現(xiàn)的最遙遠(yuǎn)的天體;利用全新的近紅外儀器，透過(guò)茫茫的星際，人們發(fā)現(xiàn)了“皮斯托”星，這是至今發(fā)現(xiàn)的最大的一個(gè)天體。利用哈勃望遠(yuǎn)鏡的寬視場(chǎng)和行星攝像機(jī)，科學(xué)家獲取了第一張伽瑪射線(xiàn)爆發(fā)的光學(xué)照片;哈勃望遠(yuǎn)鏡上的超級(jí)攝譜儀又向人們揭示了超新星的化學(xué)成分。

哈勃望遠(yuǎn)鏡所收集的圖像和信息，經(jīng)人造衛(wèi)星和地面數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，最后到達(dá)美國(guó)的太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究中心。利用這些極其珍貴的太空?qǐng)D像和宇宙資料，科學(xué)家們?nèi)〉昧艘幌盗型黄菩缘某删?。沉寂多年的天文學(xué)領(lǐng)域，正發(fā)生著天翻地覆的變化。

哈勃望遠(yuǎn)鏡預(yù)計(jì)2010年“退休”。21世紀(jì)的太空望遠(yuǎn)鏡研制計(jì)劃正緊鑼密鼓地在全世界范圍內(nèi)展開(kāi)。21世紀(jì)初葉，將有數(shù)臺(tái)大型天文觀(guān)測(cè)設(shè)備送入外層空間，這將是繼哈勃望遠(yuǎn)鏡取得的輝煌成就之后的，人類(lèi)探測(cè)太空的又一次大手筆。

儀器

最初哈勃空間望遠(yuǎn)鏡攜帶的儀器如下：廣域和行星照相機(jī)(WF/PC)、戈達(dá)德高解析攝譜儀(GHRS)、高速光度計(jì)(HSP)、暗天體照相機(jī)(FOC)和暗天體攝譜儀(FOS)。

廣域和行星照相機(jī)

用于光學(xué)觀(guān)測(cè)的高分辨率照相機(jī)。由NASA的噴射推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室制造，附有48片光學(xué)濾鏡，可以通過(guò)篩選特殊的波段進(jìn)行天體物理學(xué)的觀(guān)察。

廣域照相機(jī)(WFC)視野較廣，因此在解像能力上有所不足，但可對(duì)光度微弱的天體進(jìn)行全景觀(guān)測(cè)。而行星照相機(jī)每個(gè)畫(huà)素的解析力為0.043弧秒，可以與廣域照相機(jī)互補(bǔ)，用于高分辨率的觀(guān)測(cè)。

在1993年12月STS-61的維修任務(wù)中，廣域和行星照相機(jī)被新的第二代替換，為了避免混淆，通常WFPC就是第一代的廣域和行星照相機(jī)，新機(jī)稱(chēng)為WFPC-2。

WFPC-2本身也將在第四次維修任務(wù)中被在1997年開(kāi)始研發(fā)的WFC-3替換。

戈達(dá)德高解析攝譜儀

戈達(dá)德高解析攝譜儀是被用于紫外線(xiàn)波段的攝譜儀，由戈達(dá)德太空中心制造，可以達(dá)到90,000的光譜分辨率。它舍棄了CCD,使用數(shù)位光子計(jì)數(shù)器作為檢測(cè)裝置。在1997年2月的哈柏維護(hù)任務(wù)中被太空望遠(yuǎn)鏡影像攝譜儀(STIS)取代。

高速光度計(jì)

高速光度計(jì)能夠快速的測(cè)量天體的光度變化和偏極性。它可以每10微秒在紫外線(xiàn)、可見(jiàn)光和近紅外線(xiàn)的波段上測(cè)量一次光度，因此用于在可見(jiàn)光和紫外線(xiàn)波段上觀(guān)測(cè)變星，精確度至少可以達(dá)到2%。 高速光度計(jì)因?yàn)橹麋R的光學(xué)問(wèn)題，自升空以來(lái)一直未能成功使用。1993年12月，在第一次的哈勃維護(hù)任務(wù)中，它被用于矯正其他儀器的光學(xué)問(wèn)題的太空望遠(yuǎn)鏡光軸補(bǔ)償校正光學(xué)(COSTAR)替換掉。

暗天體照相機(jī)

暗天體照相機(jī)的觀(guān)測(cè)波段在115至650納米，它在2002年被先進(jìn)巡天照相機(jī)(ACS)取代。

暗天體攝譜儀

暗天體攝譜儀是觀(guān)測(cè)波長(zhǎng)在1150至8500埃的攝譜儀。在1997年第二次哈勃維護(hù)任務(wù)中被太空望遠(yuǎn)鏡影像攝譜儀(STIS)取代。

維護(hù)任務(wù)

第一次維護(hù)

在1990年4月哈勃空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空的數(shù)星期后，研究人員發(fā)現(xiàn)從哈勃空間望遠(yuǎn)鏡傳回來(lái)的圖片有嚴(yán)重的問(wèn)題，獲得的的最佳圖像品質(zhì)也遠(yuǎn)低于當(dāng)初的期望：點(diǎn)源的影像被擴(kuò)散成超過(guò)一弧秒半徑的圓。

通過(guò)對(duì)圖樣缺陷的分析顯示，問(wèn)題來(lái)源于主鏡的形狀被磨錯(cuò)了。雖然這個(gè)差異小于光的1/20波長(zhǎng)， 鏡面與需要的位置只差了微不足道的2微米，但這個(gè)差別造成了災(zāi)難性的球面像差。這樣來(lái)自鏡面邊緣的反射光不能聚集在與中央的反射光相同的焦點(diǎn)上。

1993年進(jìn)行對(duì)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的第一次維修，研究人員設(shè)計(jì)一個(gè)有相同的球面像差，但功效相反的光學(xué)系統(tǒng)來(lái)抵消錯(cuò)誤，相當(dāng)于配上一副能改正球面像差的眼鏡。用來(lái)改正球面像差的儀器稱(chēng)為空間望遠(yuǎn)鏡光軸補(bǔ)償校正光學(xué)(COSTAR)。為了給COSTAR在望遠(yuǎn)鏡內(nèi)提供位置，必須移除其中一件儀器，天文學(xué)家的選擇是犧牲高速光度計(jì)。

除此之外，廣域和行星照相機(jī)被第二代廣域和行星照相機(jī)以及內(nèi)部的光學(xué)更新系統(tǒng)取代。另外，太陽(yáng)能板和驅(qū)動(dòng)的電子設(shè)備、四個(gè)用于望遠(yuǎn)鏡定位的陀螺儀、二個(gè)控制盤(pán)、二個(gè)磁力計(jì)和其他的電子組件也被更換。

第二次維護(hù)

1997年2月，發(fā)現(xiàn)號(hào)在STS-82航次中執(zhí)行了第二次維修任務(wù)。用空間望遠(yuǎn)鏡攝譜儀(STIS)和近紅外線(xiàn)照相機(jī)和多目標(biāo)分光儀(NICMOS)替換掉戈拉德高解析攝譜儀(GHRS)和暗天體攝譜儀(FOS)。修護(hù)絕熱毯，再提升哈勃的軌道。

在維修中出現(xiàn)的意外縮短了儀器的使用年限。安裝后吸熱器的部分熱擴(kuò)散意料之外地進(jìn)入光學(xué)擋板，這額外增加的熱量導(dǎo)致儀器的壽命由原先期望的4.5年縮短為2年。

第三次維護(hù)

第三次維護(hù)任務(wù)仍然由發(fā)現(xiàn)號(hào)在1999年12月的STS-103航次中執(zhí)行。在這次維護(hù)中更換了全部的六臺(tái)陀螺儀，也更換了一個(gè)精細(xì)導(dǎo)星傳感器和計(jì)算機(jī)，安裝一套組裝好的電壓/溫度改善工具(VIK)以防止電池的過(guò)熱，更換絕熱的毯子。新的計(jì)算器是能在低溫輻射下下運(yùn)作的英特爾486，可以執(zhí)行一些過(guò)去必須在地面處理的與太空船有關(guān)的計(jì)算工作。

第四次維護(hù)

第四次維護(hù)任務(wù)由哥倫比亞號(hào)在2002年3月的STS-109航次執(zhí)行，用先進(jìn)巡天照相機(jī)(ACS)替換了暗天體照相機(jī)(FOC)，更換了新的冷卻系統(tǒng)和太陽(yáng)能板。哈勃的配電系統(tǒng)也被更新了，這是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡升空之后，首度能完全的應(yīng)用所獲得的電力。

最近一次維護(hù)

在原本安排在2008年8月維修任務(wù)中，太空人將更換新的電池和陀螺儀，更換精細(xì)導(dǎo)星傳感器(FGS)并修理空間望遠(yuǎn)鏡影像攝譜儀(STIS)。并在保留先進(jìn)巡天照相機(jī)的同時(shí)，安裝二架新的儀器：宇宙起源頻譜儀和第三代廣域照相機(jī)。然而NASA于2008年9月宣布哈勃空間望遠(yuǎn)鏡上的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障，無(wú)法正常存儲(chǔ)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)并傳回地球，而且由于哈勃太空任務(wù)高度與國(guó)際太空站距離十分遠(yuǎn)，太空人在緊急情況下未能找到有效安全避難處，這使得維護(hù)哈勃望遠(yuǎn)鏡變?yōu)橐豁?xiàng)極度危險(xiǎn)的任務(wù)。

在美國(guó)東部時(shí)間2009年5月11日14點(diǎn)01分，美國(guó)“阿特蘭蒂斯”號(hào)航天飛機(jī)從佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心發(fā)射升空。在此次太空之旅中，機(jī)上的7名宇航員通過(guò)5次太空行走對(duì)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了最后一次維護(hù)，為其更換了大量設(shè)備和輔助儀器，這些更新主要包括：用第三代廣域照相機(jī)(WFC3)取代WFPC2;安裝新的宇宙起源頻譜儀(COS)、取回該處的COSTAR光學(xué)矯正系統(tǒng);修復(fù)損壞的先進(jìn)巡天照相機(jī)(ACS);修復(fù)損壞的空間望遠(yuǎn)鏡攝譜儀(STIS);替換損壞的精細(xì)導(dǎo)星傳感器(FGS);更換科學(xué)儀器指令和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(SIC&DH);更換全部的電池模組;更換所有的6個(gè)陀螺儀和3組定位傳感器(RSU);更換對(duì)接環(huán)、安裝全新的絕熱毯(NBOL)、補(bǔ)充制冷劑等等。而這將會(huì)是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡最后一次的維護(hù)任務(wù)，會(huì)將哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的壽命延長(zhǎng)至2013年后。屆時(shí)發(fā)射的詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡能接續(xù)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的天文任務(wù)。

科學(xué)成就

宇宙年齡

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡對(duì)造父變星的觀(guān)測(cè)為哈勃常數(shù)的精確測(cè)量提供了保證。哈勃的精細(xì)導(dǎo)星傳感器對(duì)造父變星進(jìn)行了直接的視差測(cè)量，大大削減了用造父變星周光關(guān)系推算距離的不確定性。在哈勃空間望遠(yuǎn)鏡之前，觀(guān)測(cè)得到的哈勃常數(shù)有1-2倍的差異，但是在有了新的造父變星觀(guān)測(cè)之后宇宙距離尺度的不確定性猛然下降到了大約只有10%，從而對(duì)宇宙的擴(kuò)張速率和年齡有更正確的認(rèn)知。

恒星形成

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡還有助于研究諸如獵戶(hù)星云之類(lèi)的恒星形成區(qū)。通過(guò)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡對(duì)獵戶(hù)星云的早期觀(guān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，其中聚集了許多被濃密氣體和塵埃盤(pán)包裹的年輕恒星。盡管已經(jīng)從理論上和甚大天線(xiàn)陣的觀(guān)測(cè)中推測(cè)出來(lái)了這些盤(pán)的存在，但是直到哈勃所拍攝的高分辨率照片才第一次直接揭示出了這些盤(pán)的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。

恒星死亡

哈勃的觀(guān)測(cè)還在超新星爆發(fā)和γ射線(xiàn)暴之間建立起了聯(lián)系。通過(guò)哈勃對(duì)γ射線(xiàn)暴余輝的觀(guān)測(cè)，研究人員把這些暴發(fā)鎖定在了河外星系中的大質(zhì)量恒星形成區(qū)。由此哈勃望遠(yuǎn)鏡也令人信服地證明了這些劇烈的爆發(fā)和大質(zhì)量恒星死亡的直接聯(lián)系。

黑洞

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡最早的核心計(jì)劃之一就是要建立起由黑洞驅(qū)動(dòng)的類(lèi)星體和星系之間的關(guān)系。之后，通過(guò)它們對(duì)周?chē)阈堑囊ψ饔?，針?duì)“哈勃”所獲得的近距星系光譜的動(dòng)力學(xué)模型證實(shí)了黑洞的存在。這些研究也導(dǎo)致了對(duì)十幾個(gè)星系中央黑洞質(zhì)量的可靠測(cè)量，揭示出了黑洞質(zhì)量和星系核球質(zhì)量之間極為緊密的聯(lián)系。

宇宙學(xué)

由于宇宙學(xué)的研究對(duì)象主要來(lái)自天文觀(guān)測(cè)，而這也是唯一能在宇宙演化和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上測(cè)量宇宙距離和年齡的辦法。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡能夠通過(guò)對(duì)造父變星距離的測(cè)量來(lái)測(cè)定哈勃常數(shù)，而這與宇宙在今天的膨脹速度有關(guān)。此外，通過(guò)對(duì)超新星的測(cè)定，可以幫助研究人員來(lái)限制超新星的亮度，從而進(jìn)一步限制宇宙早期膨脹的屬性，從而為暗能量模型提供一個(gè)強(qiáng)有力的限制。

繼任者

韋伯空間望遠(yuǎn)鏡

詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡(JWST的)是紅外空間觀(guān)測(cè)站，研究人員計(jì)劃用它取代哈勃望遠(yuǎn)鏡，用以探索遠(yuǎn)超過(guò)目前儀器可觀(guān)測(cè)到的宇宙中最遠(yuǎn)的對(duì)象。它由NASA帶頭，與歐洲航天局和加拿大航天局合作。曾用名為NGST。在2002年更名。預(yù)定的望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射計(jì)劃不早于2014年6月，將由Ariane5號(hào)火箭發(fā)送。

歐洲航天局赫歇爾空間天文臺(tái)

2009年5月14日發(fā)送的歐洲航天局赫歇爾空間天文臺(tái)，有一面鏡子赫歇爾大大超過(guò)哈勃，但只有在遠(yuǎn)紅外線(xiàn)觀(guān)察。

先進(jìn)的技術(shù)大口徑太空望遠(yuǎn)鏡

先進(jìn)的技術(shù)大口徑太空望遠(yuǎn)鏡 也已提上日程。如果該項(xiàng)目批準(zhǔn)的話(huà)，它將有8至16米(320至640英寸)的光學(xué)空間望遠(yuǎn)鏡。它是真正的哈勃望遠(yuǎn)鏡繼承人: 有能力觀(guān)察和拍攝的光學(xué)，天體紫外線(xiàn)和紅外線(xiàn)的波長(zhǎng)，但更高的分辨率大大高于哈勃。