Question

望向宇宙的眼睛——哈勃太空望远镜

Answer 1

哈勃太空望远镜最初构想于20世纪40年代，耶鲁大学天体物理学家－小莱曼·斯皮策发表了一篇关于空间天文学优势的论文，并介绍了大型太空望远镜的概念，写了望远镜在太空中的科学好处。他提议在地球轨道上设计、建造和发射一个“地球外观测站”。他的开创性想法最终花了几十年才得以实现。

1974年天体物理学家和工程师为大型太空望远镜举行了他们的第一次工作组会议。会议制定了空间望远镜的概念以及航天器的预算和技术要求。

1977年10月1日－美国国会于1977年早些时候批准的大型空间望远镜项目的资金开始生效，该项目正式开始实施。

1983年美国宇航局宣布了大型太空望远镜的正式名称：哈勃太空望远镜，纪念已故天文学家埃德温·哈勃的开创性研究。埃德温·哈勃计算出仙女座星系大约有90万光年远，是银河系中已知最远恒星距离的8倍多，让他得出结论，仙女座不是星云，而是一个星系，最重要的是，银河系只是我们宇宙中的星系之一。改变了我们对太空的看法。以及他作为天文学家的许多其他成就，美国宇航局于1983年以他的名字正式命名了太空望远镜。

1986年1月，挑战者号航天飞机的全体机组人员在发射后爆炸。使哈勃的发射受阻了四年多。这导致了1989年发布的“指南星表”和支持它的软件，彻底改变了天文学家锁定恒星位置从任何地面或空间天文台收集数据的方式，并最终实现了哈勃观测的自动化。

在构想了40多年后，1990年4月24日哈勃太空望远镜从位于佛罗里达州卡纳维拉尔角的肯尼迪航天中心发射到地球轨道。一天后，宇航员从发现号航天飞机的货舱引导这架43英尺12吨的望远镜进入离地球表面340英里的轨道上。哈勃每天运行15圈--大约每95分钟一圈。望远镜以每秒5英里(8公里)的速度移动，大约每小时17,000英里(每小时27,300公里)。

同年5月20日哈勃望远镜发布了这张“第一束光”图像，以说明与地面观测站相比，望远镜的分辨率有所提高。右边是哈勃太空望远镜的广域/行星相机拍摄的第一张照片的一部分。

在分析了哈勃太空望远镜的第一张图像后，科学家们意识到主镜有一个缺陷，称为球面像差。一项调查显示，在制造过程中，镜子的外部边缘被磨得太平，深度为4微米(大致相当于人类头发厚度的1/50)。这个缺陷分散了宇宙物体反射的光线，导致图像模糊。虽然哈勃望远镜没有返回预期的图像质量，但它仍然提供了地面望远镜不可能获得的结果。

在1970年代初，大型太空望远镜最初计划要求每5年返回地球，翻新，并重新发射，并在轨道上服务每2.5年。硬件寿命和可靠性要求是基于服务任务之间的2.5年间隔。直到70年代后期，与航天飞机返回地球有关的污染和结构负荷问题消除了该计划中的地面返回概念。美国宇航局决定，在轨维修的可能足以维持哈勃太空望远镜的15年设计寿命。于是采用了为期三年的在轨维修周期。

所以自1990年开始运作，哈勃被设计成为一个长期的、以空间为基础的天文台。为了实现这一目标，并保护航天器免受仪器和设备故障的影响，美国航天局计划执行定期维修任务。以保持其平稳运行并延长其寿命。

服务任务(SM1)

在1993年12月2日至13日，在奋进号航天飞机上的7名宇航员对哈勃进行了第一次服务任务。在第一次服务任务中最主要的便是纠正了哈勃望远镜主镜视力模糊的缺陷。并安装了两个新的设备-广域和行星相机2，和修正光学空间望远镜轴向替换。都是为了补偿主镜的缺陷形状而设计的。并对望远镜做了其他的修理更换或替换了新的仪器。

这次成功的飞行任务不仅提高了哈勃望远镜的视力--在很短的时间内导致了一系列非凡的发现--而且它也验证了在轨服务的有效性。

服务任务(SM2)

1997年2月11日至21日发现号航天飞机的七名宇航员对哈勃太空望远镜进行了第二次服务任务。在第二次服务任务中，发现号航天飞机上的宇航员更换了两台关键的哈勃仪器。戈达德高分辨率光谱仪(GHRS)被近红外相机和多目标光谱仪(NICMOS)取代，使哈勃能够在红外波段观察宇宙，而微弱物体光谱仪(FOS)被空间望远镜成像光谱仪(STIS)所取代，用于拍摄天体的详细照片和寻找黑洞。将哈勃的波长范围扩大到近红外成像和光谱，扩大了哈勃的视野使我们能够探测宇宙中最遥远的区域。

服务任务(SM3A / SM3B)

本来哈勃的第三次维修任务最初被设想为维修任务。但当第四个陀螺仪失效时，美国航天局将任务分为两部分：服务任务3A(SM3A)于1999年12月飞行和服务任务3B(SM3B)于2002年3月飞行。

1999年11月13日，六个陀螺仪中的四个在哈勃上失效，（当时，哈勃需要三个陀螺仪来观测天体目标。）望远镜暂时关闭了对宇宙的观察。没有三个工作的陀螺仪，哈勃无法进行科学研究，因此进入了一种叫做安全模式的休眠状态。本质上，哈勃“睡着了”，而它却在等待帮助。在安全模式下，哈勃无法观测目标，但它的安全性得到了保护。这种保护模式允许地面控制望远镜，为了保护光学系统，控制器关闭了光圈门，并将航天器对准太阳，以确保哈勃的太阳能电池板能从太阳获得足够的能量。

于是在1999年12月19日至27日，7名宇航员乘坐发现号航天飞机对哈勃进行了第三次服务任务。其主要目标是恢复哈勃的工作秩序，并升级其系统。在两部分任务的第一阶段，最紧迫的任务是更换陀螺仪。机组人员成功地更换了所有的六台陀螺仪，并进行了几次重要的维修升级。他们安装了一台比它的前身快20倍的计算机和一台可以存储10倍数据的数字数据记录器。机组人员还增加了一个电子增强工具包，电池改进工具包，以及新的外层热保护。哈勃几乎如新的。在SM3A之后，哈勃再次成功地开始运行和观测。

2002年3月1日至12日在哥伦比亚号航天飞机上，七名宇航员开始了哈勃的第四次服务任务，即3B服务任务。服务团3A以前是在1999年作为哈勃的救援任务进行的，而服务3B任务的目的是更新哈勃。

此次宇航员的主要任务是安装一种新的科学仪器，叫做高级调查照相机(ACS)。这是自1997年以来第一台安装在哈勃望远镜上的新仪器，ACS以其广阔的视野、锐利的图像质量和更高的灵敏度，将哈勃的视野扩大了一倍，收集数据的速度比望远镜早期的测量仪器广域行星照相机2（WFPC 2）快10倍。

太空行走的宇航员们用更小、更硬的太阳能电池板取代了大型、灵活、有八年 历史 的太阳能电池板。还取代了过时的电力控制单元，后者将太阳能阵列和电池的电力分配给望远镜的其他部分。此次任务中自1990年发射以来，工作了近12年的哈勃太空望远镜第一次被地面控制完全关闭。

宇航员还为近红外相机和多目标光谱仪安装了一个新的冷却系统。在1999年耗尽了自1997年以来冷却它的230磅重的氮冰。新的低温冷却器延长了哈勃红外相机的寿命

服务任务(SM4)

2003年2月1日在经过15天的太空任务后，哥伦比亚号航天飞机在重返地球大气层后解体，机上七名宇航员全部遇难。于是原定于 2004年1月16日–哈勃的第五次也是最后一次维修任务(服务任务4)被正式取消。

直到2006年10月31日美国宇航局宣布恢复对哈勃太空望远镜进行第五次维修任务的计划，这也是哈勃最具挑战性和最复杂的服务任务。

2009年5月11日至24日 – 乘坐亚特兰蒂斯号航天飞机上的宇航员，在为期13天的任务中完成了第五次也是对哈勃的最后一次维修任务。

宇航员在第四次服务任务期间在哈勃上安装了两个新仪器：广域摄像机3(WFC 3）和宇宙起源谱仪(COS)。这些仪器使天文台比发射时更强大100倍。WFC 3能看到三种不同的光：近紫外线、可见光和近红外光，相机的分辨率和视场比以前的仪器要大得多。Cos使哈勃望远镜的紫外线灵敏度至少提高了10倍，在观察极其微弱的物体时提高了70倍。

在SM4期间宇航员完成了望远镜创建者从未设想过的壮举及有史以来第一次在太空修复科学仪器(高级调查照相机(ACS)和空间望远镜成像光谱仪(STl)。两个都已停止工作。ACS在2007年停电后停止工作，而STI则在2004年停电后停止工作。为了进行修理，宇航员必须进入仪器内部，打开组件并重新供电。这项任务的成功完成，加上两项新仪器的增加，使哈勃充分补充了五种可供今后观测的仪器。

SM4的目标之一是加强和振兴望远镜的基本空间飞行系统。宇航员们用新的、改良过的电池替换了所有18年前的哈勃电池。宇航员安装了六个新的陀螺仪，用来指向望远镜，和一个精细制导传感器锁定恒星作为指向系统的一部分。他们还安装了一种新的设备--软捕获机制--允许机器人航天器某一天在望远镜生命周期结束时将自己附着在哈勃上，并引导其降落到地球或将其提升到更高的轨道。

2008年8月11日 – 哈勃完成了它的100000太空轨道，为了纪念哈勃太空望远镜在其 探索 和发现的第18个年头中完成了其100000个轨道，位于马里兰州巴尔的摩的太空望远镜科学研究所的科学家们瞄准哈勃拍摄了一个令人眼花缭乱的天体诞生和更新区域的快照。

这张具有代表性拍摄于2008年8月10日，哈勃的广角行星相机2。红色显示硫原子的发射，绿色来自发光的氢，蓝色来自燃烧的氧气。

在这个大约100光年宽的幻想状景观中，黑暗的尘埃塔在分子云表面的一堵发光的气体墙上方升起。右下角的海马柱长约20光年，大约是太阳和最近的恒星--半人马座阿尔法星之间距离的四倍。

2011年7月4日– 哈勃太空望远镜在其21年的太空 探索 和发现之旅中跨越了另一个里程碑。哈勃记录了在1000光年以外的一个系外行星大气层中寻找水的第一百万次科学观测。

“21年来，哈勃一直是最重要的空间科学观测站，给我们留下了深刻而美丽的图像，使我们能够在广泛的天文学科中进行开创性的科学研究，”美国宇航局局长查尔斯·博尔登说。他驾驶了把哈勃送入轨道的航天飞机任务。“哈勃望远镜在研究一颗遥远的行星时遇到了这一里程碑，这一事实极大地提醒了它的力量和遗产。”

2011年10月4日 – 哈勃科学小组成员亚当·里斯和其他天文学家因发现宇宙正在加速膨胀而获得了瑞典皇家科学院的诺贝尔物理学奖。证明宇宙的膨胀速度正在加速，这一现象被广泛地归因于一种神秘的、无法解释的“暗能量”充满了宇宙。

2011年12月6日 – 哈勃太空望远镜在其 探索 中又走过了一个里程碑：第一万份哈勃科学论文已经发表。这使哈勃成为 历史 上最多产的天文事业之一。

这些论文是基于哈勃望远镜的观测，几乎涵盖了天文学的每一个前沿。五篇最高参考的科学论文依次是：寻找用来表征暗能量的遥远超新星；精确测量宇宙的膨胀速度；星系质量与中心黑洞质量之间的明显联系；哈勃深场中的早期星系形成；低质量恒星和褐矮星的演化模型。

哈勃望远镜在轨期间向地球发射了数十万张图像，照亮了天文学的许多奥秘。在它的许多发现中，哈勃揭示了宇宙的年龄约为138亿年，比100亿到200亿年的旧范围精确得多。哈勃在发现暗能量方面发挥了关键作用，暗能量是导致宇宙膨胀加速的一种神秘力量。

哈勃太空望远镜自发射三十二年以来，已经对超过48,000个天文物体进行了140万次观测，并且继续“其在天文学前沿的作用”，从我们自己的太阳系到“高红移宇宙”。为我们研究宇宙的起源以及 探索 星系做出了不可磨灭的贡献。

在未来的时间里哈勃太空望远镜将会与他的接班人詹姆斯·韦伯空间望远镜共同合作。2021年12月25日詹姆斯·韦伯太空望远镜发射。并且STSCI（太空望远镜科学研究所）还将计划下一个太空望远镜 南希·格雷斯罗马太空望远镜。仅次于詹姆斯·韦伯空间望远镜。

在同样的灵敏度和分辨率下，罗马太空望远镜的视野比哈勃太空望远镜宽100倍，它将在近红外光下绘制天空大区域的宽视场地图，并有可能回答系外行星和暗能量研究中的重要问题。南希·格雷斯罗马太空望远镜目前正计划于2026年年底发射。

展望未来，哈勃太空望远镜将于詹姆斯·韦伯空间望远镜并有希望于南希·格雷斯罗马太空望远镜共同合作，为我们揭示宇宙的奥秘。