巨眼凌霄：哈勃空间望远镜的25年

卞毓麟

宇宙中充满着各种波长的电磁波。地球大气的吸收、反射和散射，致使电磁波谱中大部分波段的天体辐射无法到达地面。为了充分领略“宇宙交响曲”之妙，人类必须设法全面接收来自太空的所有种类的电磁波。否则就会像一个听力障碍严重的人出席一场音乐会，现场演奏的优美乐曲实际上大多被错过或歪曲了。20世纪后期，空间天文观测摆脱了地球大气层的桎梏，使人类跨入了在电磁波谱所有波段上研究宇宙和天体的“全波段天文学”时代。

即使对于可见光波段，将望远镜送上天也大有好处。例如，要解决许多悬而未决的天文学难题，高分辨率观测乃是关键之所在。然而在地面上，由于大气视宁度的限制，光学望远镜的角分辨率能达到1”已经很不容易；而在地球大气层外，则可以得到0.1”的角分辨率。

1990年4月，一架主镜口径2.4米的光学望远镜用航天飞机送入太空。此镜以美国天文学家哈勃（E.P.Hubble，1889-1953）的姓氏命名，称为“哈勃空间望远镜”（即Hubble SpaceTelescope，下文简称“哈勃”）。25年来。“哈勃”的观测对天文学做出了莫大的贡献。本文谨对它的历史与业绩作一简介。

“哈勃”简历

从孕育到开始工作

1923年，德国火箭专家奥伯特（H.J.Oberth）曾在一篇文章中提及将望远镜置于地球轨道上的想法。1946年，天文学家斯皮策（L.Spitzer，Jr.）写出专门报告。论述将望远镜置于太空中的优越性。1962年，美国国家科学院推荐“大型空间望远镜”作为国家级的优先项目。1976年美国国家航空与航天局（NASA）和欧洲空间局（ESA）共同提案，1977年美国国会批准“大型空间望远镜计划”拨款。1978年，美国开始为执行空间望远镜任务训练宇航员。1979年，空间望远镜口径2.4米的主镜着手研制。

1981年，美国的空间望远镜研究所开张，所址在位于巴尔的摩市的约翰斯·霍普金斯大学内。1983年，“大型空间望远镜”更名为“哈勃空间望远镜”。1984年，欧洲的空间望远镜合作机构在德国开始工作。1985年，望远镜的研制大功告成。“哈勃”上天，可谓已经万事俱备。

然而天有不测风云，1986年“挑战者号”航天飞机失事，所有航天飞机的任务全部搁浅，“哈勃”甚至濒临取消发射的绝境。好在结局顺利，1990年4月24日。“发现号”航天飞机携带“哈勃”升空。4月25日，航天飞机机组将“哈勃”释放到轨道上。“哈勃”的设计工作寿命是15年，每3年维修一次，同时更换一些辅助设施。

在地球上，天文学家急切地等待着“哈勃”的首次观测结果。但是，1990年6月传回的首批“哈勃”图像相当模糊。结果查明，“哈勃”的主镜存在球差。这件事情非常棘手，当时考虑了三种补救办法。第一种方案是用航天飞机把“哈勃”拉回地面，重新换一个主镜，但这样做时间太长，要到1996年才能重返太空；第二种方案是让宇航员上天，在望远镜的光路中插入一个改正镜，就像给“哈勃”戴上一副眼镜以纠正它的视力，但是“哈勃”的设计并未预留“戴眼镜”的空间。真正实施的是下述的第三种方案。

问题的根子在于“哈勃”制造过程中，测试阶段的光学系统装配有误。而幸运的是，整套测试系统在实验室中一直保持原状，技术人员能够据此重现如何出错的细节，这正是“哈勃”最终能够臻于完美的关键。在接下来的两年里，科学家和工程师们协力研制了一套光学改正系统，名叫“矫正光学空间望远镜中轴置换”（简称COSTAR），这是由5对光学反射镜组成的复杂部件，可以纠正“哈勃”主镜的球差。

1993年12月2日，“奋进号”航天飞机载着7名宇航员和8吨器材，进入太空抓住“哈勃”，对它进行首次维修。其中的关键是拆除原有的高速光度计。换上能够矫正“哈勃”视力的COSTAR。同时，自带光学改正部件的广角行星照相机2（WFPC2）取代了广角行星照相机1（WFPCI）。12月9日，宇航员轻按电钮，将“哈勃”重新释放到它的运行轨道上。修复后的“哈勃”不负众望，源源不断地向地面送回极佳的图像数据。NASA的一位主管人士说，它“修得比我们最大胆的梦想还要好”。此事显示了人在太空中从事高难度操作的能力，为日后兴建空间站积累了宝贵的经验。

“哈勃”的研制耗资逾20亿美元，先后有上万人参与。维修后，它不但消除了像差，分辨率也比原先设计的更高，达到了0.1”。后来，“哈勃”又于1997年2月（第2次）、1999年12月（第3A次）、2002年3月（第3B次）成功地进行太空维修。2009年5月“哈勃”最后一次维修，并服役至今。

1994——2008年

“哈勃”开始工作后，亮点不断，此处略举若干，难免挂一漏万。

1993年发现的休梅克一利维9号彗星因为过于靠近木星，而被木星的引力撕裂成一串碎块。1994年7月，这些碎块以60公里/秒的速度连珠炮似地撞入木星大气。这是人类首次观测到太阳系内如此规模的天体撞击，“哈勃”提供了这次彗木相撞的详细观测结果。同年，“哈勃”通过观测星系M87，提供了星系中心存在超大质量黑洞的决定性证据。

1995年，“哈勃”拍摄鹰状星云照片，著名的“创生之柱”即为其局部。

1996年，发布第一幅哈勃深场图像，使天文学家得以研究早期宇宙中的星系。同年，“哈勃”分解出类星体的宿主星系。

1997年2月11日，“发现号”航天飞机升空执行“哈勃”的第2次维修任务。机组人员用空间望远镜成像光谱仪（STIS）以及近红外照相机与多目标光谱仪（NICMOS）替换了原先的暗天体光谱仪（FOS）以及戈达德高分辨光谱仪（GHRS）。同年，“哈勃”观测到一个遥远星系中的y射线暴余辉。

1998年10月29日，“发现号”航天飞机携带“哈勃空间望远镜轨道系统检测仪”（HOST）升空。HOST的任务是检验日后维修“哈勃”要用的新技术。

1999年12月19日，“发现号”航天飞机升空执行第3A次维修任务。更换了“哈勃”的6个陀螺仪，但未更换科学仪器。

2001年，“哈勃”测量了系外行星HD209458b大气中的元素。

2002年3月1日，“哥伦比亚号”航天飞机升空执行“哈勃”的第3B次维修任务，安装了高级巡天照相机（ACS）、NICMOS冷却系统（NCS），以及新的太阳能电池板。当年，“哈勃”探测到一个可能比冥王星还大的柯伊伯带天体，这导致了冥王星是否有资格作为大行星的争论。

2003年，“哥伦比亚号”航天飞机在再人大气时解体，机组人员无一生还，致使航天飞机计划再次搁浅。

2004年，哈勃超深场图像发布，使天文学家能够在时间上回溯更古老的宇宙。当年，考虑到航天飞机的安全问题，取消了“哈勃”下一次的维修计划。空间望远镜成像光谱仪能源告缺。

2005年，“哈勃”拍摄到两个前所未知的冥王星卫星像，并于翌年成功确认。

2006年，决定对“哈勃”再次进行维修。

2007年，“哈勃”的观测表明矮行星阋神星比冥王星更大。基于“哈勃”拍摄的图像，构建了宇宙暗物质的3维分布图。同年，哈勃关键性的仪器之一“高级巡天照相机”能源告缺。

2008年，“哈勃”拍摄到第一幅系外行星的可见光图像，即系外行星北落师门b（南鱼座ab）的照片。同年，发现一颗系外行星的有机分子。“哈勃”已绕地球运行100000圈。

最后一次维修

2009年5月11日，“亚特兰蒂斯号”航天飞机载着7名机组成员升空。他们通过5次太空行走，完成了对“哈勃”的最后一次维修，于美国东部时间19日8时57分（北京时间20时57分）将“哈勃”重新送入轨道。5次太空行走的概况如下。

第一次，5月14日，两名宇航员安装价值1，32亿美元的广角照相机3（WFC3）。不料固定旧相机的一颗螺钉卡牢在望远镜上，地面控制中心要求宇航员使出最大力气将其取出。倘若螺钉断裂，旧相机就将固定在望远镜上，新相机也将无法安装。所幸最后还是成功了，但原定6个半小时的太空行走延长到了7小时20分。天文学家可望利用这架相机观测宇宙诞生后5亿年至6亿年时的情景。随后，宇航员们为“哈勃”更换了数据处理装置，并安装了一个对接环。日后“哈勃”退役返回地球时，NASA的飞船可以借助对接环将“哈勃”引导至太平洋上空。

第二次，5月15日，两名宇航员安装6个新的陀螺仪，这是此次维修的首要任务。由于第三对新陀螺仪安装不上，宇航员只好将“亚特兰蒂斯号”的一对备用陀螺仪转用于“哈勃”。原定6个多小时的太空行走进行了约8个小时。

第三次，5月16日，两名宇航员为“哈勃”安装宇宙起源光谱仪（COS）。这是此行难度最高的任务，但进展非常顺利，6个半小时即告结束。宇宙起源光谱仪是迄今太空中灵敏度最高的光谱仪，它使“哈勃”得以向地面科学家提供宇宙中遥远天体的温度、密度及速度等精确数据。

第四次，5月17日，两名宇航员修复已停止工作的空间望远镜成像光谱仪，为它更换了低压电源板，使其成功恢复正常功能。工作持续了8个多小时。空间望远镜成像光谱仪是重要的成像设备，曾帮助“哈勃”证实星系中心普遍存在黑洞，但2004年电力故障之后一直处于休眠模式。

第五次，5月18日，两名宇航员为“哈勃”更换3块电池、一个恒星追踪传感器和热屏蔽罩，共耗时7小时2分钟。完成了对“哈勃”的大修。最大的意外是更换绝缘材料时，旧材料未能回收，而在太空中飘走了。好在这些材料不会对航天飞机造成危害。精确导向传感器可以提供定点信息。还能探测恒星的相对位置及移动。在望远镜上的三处安装了新外表覆盖层（NOBL），另一处在第四次太空行走中已更换。美国的航天飞机现在已经退役，新的航天交通工具比较小，而且没有捕获“哈勃”的机械臂，不能再执行维修“哈勃”的任务。

此次大修总耗资约10亿美元。大修后“哈勃”的能力比它刚上天时强大了上百倍，它从头到脚的器官几乎已经换遍。NASA的一位“哈勃”项目主管说，“哈勃”身上还有一些最初上天时的部件，但“从很多方面来说，它已经是一台新的观测设备”。

大修之前，哈勃可以看到宇宙诞生后约8亿年的情景。新安装的广角照相机则可观测到宇宙诞生后5亿至6亿年时的场景。

2010——2015年

2010年，“哈勃”图像揭示了红移疑似大于8的遥远星系，展现了宇宙在其年龄尚不足今日年龄之10%时的面貌。同年，“哈勃”拍摄到前所未见的两颗小行星相撞的证据。

2011年，“哈勃”进行第1000000次观测，这是对系外行星HAT-P-7b的一项光谱分析。同年，第10000篇利用“哈勃”数据资料的科学论文发表。

2012年，“哈勃”拍摄的图像显示一些原初星系源自一个130多亿年前形成的遥远族，我们看到的乃是这些星系在宇宙年龄尚不足今日宇宙年龄之4%时的形象。同年晚些时候，“哈勃”再破纪录，发现一个当宇宙仅为今日年龄之3%——即大爆炸之后仅4.7亿年时的天体。同年，“哈勃”的观测还导致发现了一类新的系外行星。

2013年，“哈勃”首次确定一颗系外行星的真实颜色，同年发现从木卫二表面喷出的水蒸气。

2014年，“哈勃”成为第一架观测到一颗小行星解体的望远镜；揭示了一颗系外行星迄今最详尽的天气图。

2015年，“哈勃”观测到一颗遥远超新星的排列成十字状的4个像，它们由一个大质量星系团中的一个前景星系的引力透镜效应所致。全球同庆“哈勃"25周岁。

“哈勃”成果画廊

“哈勃”的图像和数据是一个无与伦比的宝库。此处“成果画廊”所示，一如管中窥豹。

哈勃深场

建造“哈勃”的主要科学目标之一，是测量宇宙的大小和年龄，以及检验宇宙起源的理论。哈勃深场使天文学家首次得以清晰地回望星系形成时期。

2012-2014年，哈勃创建了两个新的深场，即哈勃极深场（Hubble eXtreme Deep Field，简称XDF）和哈勃超深场（Hubble Ultra Deep Field，简称HUDF）。哈勃极深场拍摄的是迄今最深的宇宙图像，累积观测时间长达100万秒。2014年公布的紫外波段最新哈勃超深场，可供天文学家研究距离我们5-10光年远的恒星形成。

宇宙的年龄和大小

通过观测造父变星确定宇宙的年龄和大小，是“哈勃”的一项顶级科学目标。今天我们所知的宇宙年龄，精度要比“哈勃”上天之前高得多：约为137亿至138亿年。

哈勃的另一个目标是测定宇宙膨胀的速率。宇宙学家已经讨论多年，在遥远的将来宇宙是否会停止膨胀，或是膨胀不断减缓。“哈勃”和世界上其他顶级望远镜对遥远Ia型超新星的大量观测表明，由于宇宙中存在暗能量，膨胀其实是加速的！发现这一惊人事实，使珀尔马特（S.Perlmutter）、里斯（A.Reiss）和施密特（B.Schmidt）3位天文学家荣获了2011年的诺贝尔物理学奖。

恒星的一生

恒星也有生长老死。将研究大量单个恒星的诞生、成长，直至死亡与恒星演化理论相结合，“哈勃”的作为远较其他任何天文设备更为出色。特别是，“哈勃”能够探测河外星系中的恒星，这有助于科学家研究不同环境对于恒星一生的影响。

“哈勃”的红外设备能够看透环绕在新生恒星周围的尘埃云。窥透围绕在银河系中心四周的尘埃云。使天文学家发现，早先认为毫无生气的这个区域，其实有着许许多多聚集在星团中的大质量新生恒星。

恒星一生的最后阶段，也比原先想象的更加复杂。太阳型恒星临终时抛出的行星状星云，可谓千姿百态，美不胜收。

太阳系天体

“哈勃”拍摄的高分辨率太阳系天体图像，只有飞临这些天体的探测器实地拍摄的照片方能更胜一筹。例如，它发现了冥王星的几个新卫星，发现了比冥王星更遥远的矮行星阋神星以及其他重要的柯伊伯带天体。“哈勃”还观测到一颗彗星进入内太阳系时的分裂，观测到小行星的碰撞，并观测到一颗神秘解体的小行星。

系外行星和原行星盘

2008年，“哈勃”拍摄到系外行星北落师门b的像，它是一颗质量约3倍于木星的气态巨行星。这是有史以来在可见光波段拍摄到的第一幅系外行星像。同年，“哈勃”探测到系外行星HD 189733b上的有机分子。2012年，“哈勃”发现了一类全新的系外行星——一个名叫GJ1214b的星球，它被充盈着水蒸气的浓密大气包裹着，其星体含有大量的水，体积小于天王星，但是比地球大。

黑洞、类星体和活动星系

“哈勃”对超大质量黑洞的研究贡献巨大。它的高分辨率观测表明，多数大星系的中心极可能都存在超大质量黑洞。它还观测到了超大质量黑洞周围物质的发光盘。再者，较大的星系似乎是较大黑洞的宿主。表明星系的形成与其黑洞之形成有着某种联系。这对星系形成与演化理论具有深远意义。

在“哈勃”之前，类星体被视为性质神秘的孤立的恒星状天体。“哈勃”发现好些类星体都寄居在星系中心。现在多数科学家相信，星系中心的超大质量黑洞正是为类星体提供能量的发动机。

尘埃云中的恒星形成

15幅“哈勃”图像拼接后清晰显示了猎户座大星云的中部。这是有史以来一个恒星形成区的最为详尽的图像。广角望远镜3在可见光波段拍摄的船底座星云图像，显示出稠密的尘埃一气体云。但在红外波段拍摄的同一区域的图像上，尘埃褪去，云内正在形成的年轻恒星赫然现身。

宇宙的组成成分

宇宙中存在着大量不可见的暗物质。“哈勃”在试图确定暗物质的位置和数量方面，扮演了重要的角色。它对引力透镜的敏锐观测，为在此领域的进一步研究铺设了宝贵的阶石。“哈勃”在此领域的重大突破之一，是发现当星系团互相碰撞时暗物质会有何种行为。研究表明。暗物质的分布并不与热气体的分布相吻合。星系团碰撞时，热气体互相撞击，且因压力变大而减速。暗物质则不然，它们不经历这种摩擦，而是在碰撞中安然通过。2015年3月27日美国《科学》杂志发表了基于“哈勃”和钱德拉X射线天文台的一项研究结果，表明暗物质自身的相互作用甚至比先前想象的更加微弱。

引力透镜

爱因斯坦的广义相对论预言，在引力场的作用下光线行进方向会发生偏折。引力透镜现象即由光线的引力偏折所致：如果从观测者到遥远光源的视线方向上，中途有一个大质量的居间天体——例如有一个黑洞。那么这个居问天体的引力场造成的遥远光源的光线偏折。效果就会与透镜使光线聚焦相类似。不过，倘若居间天体的物质分布延展得很广，那么成像就会相当复杂。如果居间天体又非严格处在从观测者到被成像天体的连线方向上，而是多少有些偏离，那么成像情况就会更加复杂。例如，同一个遥远天体有可能形成两个甚至多个像。或者所成的像具有很奇特的形状。“哈勃”得天独厚的高灵敏度和高分辨率，使它在引力透镜观测方面硕果累累。

“哈勃”在25年的历程中，以其一系列的突破性发现。使人们对宇宙的认识有了深刻的变化。如今，它的接班人已经确定：美国、加拿大已与欧洲空间局共同计划于2018年发射一架新一代的空间望远镜，即詹姆斯·韦布空间望远镜（简称JWST）。韦布（James R.Webb）是NASA的第二任局长，他在1961年至1968年任职期间，领导实施了阿波罗计划等一系列非常重要的空间探测项目。“韦布”比“哈勃”更先进而廉价，其灵敏度将为“哈勃”的7倍，主要在红外波段工作，因而通常被认为是一架空间红外望远镜。至于“韦布”又会给人类带来怎样的新发现，且让我们拭目以待吧。

最后顺便一提，关于“哈勃”据以命名的哈勃其人，笔者亦曾为《科学》撰文绍介，题为《谱写天文学的“神曲”——写于哈勃逝世50周年》，欢迎读者参阅教正。