天文史上的今天：哈勃空间望远镜 生日快乐！

　　来源：星空早知道

　　1990年4月25日，哈勃空间望远镜由“发现号”航天飞机释放进入轨道，开始了迄今已经28年的漫长探索之旅。


“超脱平凡，尘世之外。”

　　1990年4月25日，哈勃空间望远镜由“发现号”航天飞机释放进入轨道，开始了迄今已经28年的漫长探索之旅。整整28年来，这台空间望远镜几乎已经成了地球人民的“国民望远镜”，为多少人贡献了精美的电脑桌面，屏保和手机美图。

　　28年时间里，哈勃空间望远镜对超过40000个不同目标进行了150万次以上的观测，彻底刷新了我们对于宇宙的印象和认识。


哈勃望远镜拍摄的土星图像，可以看出极光的变化来源：NASA

　　当然哈勃望远镜的升空不仅仅是为了拍一些好看的照片，它所采集的海量数据极大地加深了科学界对于宇宙的认识，近到我们的太阳系，远到最遥远的星系，以及神秘的超新星和星云。

　　哈勃老矣，尚能饭否？


1990年4月24日，发现号航天飞机执行STS-31任务：运送哈勃望远镜升空来源：NASA

　　但哈勃的故事，除了惊艳，也绝非一帆风顺。

　　众所周知，哈勃空间望远镜在升空后不久就被发现有“视力问题”，导致观测效果根本达不到预期。当时这件事让美国宇航局一度非常忧虑，毕竟考虑到哈勃望远镜项目花费了高达15亿美元的税款，这还是1990年的币值，折算到2017年的价格，大概是28.7亿美元，也就是181亿人民币。这是一笔巨款。


1990年4月25日，发现号航天飞机在轨道上释放哈勃望远镜进入轨道来源：NASA

　　好在，工程师们设计了一个给哈勃“戴近视眼镜”的天才挽救方案，并在1993年由“奋进号”航天飞机对哈勃望远镜成功进行了首次在轨维修 ，才让这台昂贵的设备不至于“出师未捷身先死”。

　　在那之后，航天飞机由前前后后对哈勃望远镜进行了4次在轨维修和升级任务，最后一次是在2009年。而由于到2011年所有的美国航天飞机都退役了，人类实际上已经失去了对航天器在轨道上进行维修升级的能力，如果在这个时候哈勃望远镜出现任何意外，地面上的人们恐怕就只能望天兴叹了。


哈勃望远镜正在进行第四次太空维修与升级工作，背后的地平线上，即将迎来日出来源：NASA

　　好在经过2009年升级改造之后的哈勃望远镜至今依旧“身体倍棒，炯炯有神”。按照目前的估算，这台太空老兵很有希望能够坚持到2020年之后，等待那个后续的“詹姆斯?韦伯望远镜”来接过“国民望远镜”的接力棒。

　　不过，后者实在非常先进，技术跨度有点大，美国宇航局拼命折腾了10多年，花的钱都可以造一艘航母了，发射日期仍然不断跳票。


哈勃望远镜的继任者。计划于2020年发射升空的詹姆斯?韦伯空间望远镜来源：NASA

　　从瑕疵，到完美


哈勃望远镜拍摄的木星极光来源：NASA

　　当意大利天文学家伽利略在1610年将一台望远镜指向夜空开始，人类进入了望远镜天文时代，相比于之前的肉眼观测，这是一次技术上的重大飞跃，后来发生的事也证明了这一点：伽利略对于夜空的观测，在统治千年的托勒密地心说的棺材板上，敲下了一颗扎扎实实的钉子。

　　然而伽利略时代的望远镜毕竟能力有限，比如伽利略就未能分辨出土星的光环，他将在土星两侧看到的两个凸起称作是“土星的耳朵”。而即便随着光学和镜片研制技术的突飞猛进，我们早已能够建造口径越来越大的望远镜，但是仍然面对一个障碍，那就是地球的大气层。


　　地球的大气窗口，棕色越高，透明度越差。越往左侧波长越短，越往右侧波长越长。可以看到，在最左侧的伽马射线和X射线波段地球大气几乎是不透明的，中间红外波段同样大气透明度很差。在这些波段，地面观测效果不好，就很需要发射空间望远镜 来源：wiki

　　湍动的气流不仅让天体画面变得模糊，更严重的是，地球大气层会阻挡很多波段的电磁波，使其无法抵达地面。比如来自天体的伽马射线和X射线等波段的信号，在地面上几乎就完全不能观测。

　　1923年，德国科学家赫尔曼?奥伯斯（Hermann Oberth）首先指出，如果可以将望远镜放到地球大气层之外，运行在地球轨道上，那就能够有效避开大气层的影响。


　　1994年，苏梅克?列维9号彗星撞击木星，哈勃望远镜拍摄的图像记录下了当时的撞击在木星大气中留下的“伤疤” 来源：NASA

　　随着火箭技术日臻成熟，这种设想变得越来越可行。1968年，美国宇航局便拟定了被称作“大型空间望远镜”的方案，拟研制一座口径约3米的空间望远镜，并瞄准1979年发射升空。

　　当时谁也没想到，人类拥有大型空间望远镜的道路，走的比登月还要漫长得多。


火星来源：NASA

　　1975年，欧洲空间局（ESA）加入了美国的这个项目，双方开始共同出资承担项目费用，这个联合项目，后来将逐渐成为今天哈勃望远镜的雏形。

　　1977年，美国国会在经过漫长审议后终于通过了为空间望远镜项目拨款的决定。而航天飞机项目的顺利推进，以及1981年首次航天飞机发射的成功，为大型空间望远镜的轨道部署提供了合适手段。


蝴蝶星云来源：NASA/hubblesite.org

　　大型空间望远镜项目后来被重新命名为“哈勃空间望远镜”（HST），以纪念已故的美国天文学家，宇宙学家埃德温?哈勃（Edwin Hubble），他最大的贡献之一是发现宇宙要远远超出银河系的范围，并且，宇宙似乎处于膨胀之中。

　　1990年4月24日，“发现”号航天飞机发射，执行STS-31次飞行任务。一天之后，1990年4月25日，航天飞机借助机械臂，成功将哈勃望远镜释放进入地球轨道。自此，这台价值15亿美元的“太空巨眼”安放到位，大功告成！但事情后来的发展，却偏离了最初的设想。


蝌蚪星系，这个星系的诡异形状可能与远古时期的一次星系间碰撞有关来源：NASA/hubblesite.org

　　哈勃望远镜上最开始安装的设备包括“广角行星相机”（WFPC），“戈达德高分辨率光谱仪”（GHRS），“暗弱天体相机”（FOC），“暗弱天体光谱仪”（FOS）以及“高速光度计”。

　　但这里有一个问题。这些设备都很好，很先进，可是哈勃最关键的主镜面有瑕疵。地面工程师在哈勃进入轨道后首次试验拍摄时便意识到了这个问题：最重要的主镜面在磨制时出现了大约相当于头发丝直径1/50尺度的偏差，这一看似极小的瑕疵导致了严重的球面像差效应，成像模糊不清。


1993年12月，修理前和修理后的哈勃望远镜成像质量对比来源：NASA

　　后面的事大家也都知道了：美国宇航局在整整3年之后才终于对哈勃望远镜进行了“眼科手术”。1993年12月2日，“奋进号”航天飞机上的7位宇航员花费超过5天，多次进行长时间的太空行走，才完成了给哈勃望远镜加装“光学补偿镜”的工作。

　　很快，经过维修后的哈勃望远镜拍摄的第一帧图像传回地球，控制室一片沸腾――因为此刻屏幕上显示的成像质量，完美无瑕。


　　“哈勃超深场”图像。当你看着这张照片，你正在回溯宇宙的历史。这张照片里的每一个点都是一个星系，其中很多出现在宇宙年龄仅有4亿~6亿年的时期。是的，你的目光看到了100多亿年前的画面，而那时，连太阳系都还不存在，遑论地球，或是你 来源：NASA/Hubblesite.org