文章來源：中國國家天文

作者：黃京一 苟利軍

1990年4月24日清晨，美國佛羅里達州肯尼迪航天中心，“發現號”航天飛機攜帶着此後爲天文領域做出巨大貢獻的超級明星——哈勃空間望遠鏡，一飛沖天。隨後的30年中，這臺望遠鏡歷經數次坎坷又絕處逢生，它的卓越成就不僅爲人類探索宇宙開啓了一扇窗，也徹底打破了人類過去對宇宙的認知和看法。

攜帶着天文學家的期望和夢想，哈勃望遠鏡在1990年4月24日由“發現號”航天飛機 發射入軌。/ NASA

30年後的今天，當人類重新回顧哈勃望遠鏡的傳奇之路時，試圖重新拼接起它身上一系列碎片化過往，還原從構思、研發、升空、探索的全景歷程，找尋一幅幅唯美畫面背後的艱難險阻，回望人類對太空探索邁出的這一大步。

/ 夢想啓航

400多年前，伽利略舉起自己製作的簡易望遠鏡對準星空，他看到了與前人所見完全不同的星空，掀起了人類探索宇宙的熱潮。天文望遠鏡從此成爲觀測天空不可或缺的重要工具，而天文探索直接改變並重塑了人類對宇宙的看法以及宇宙觀念。之後的幾百年，望遠鏡的口徑越來越大，製作工藝更加先進。透過望遠鏡，人們發現的天體和宇宙現象也越來越多。

“究竟銀河系就是我們的所有宇宙，還是銀河系外有其它的類似銀河系結構？”二十世紀的這場天文學大辯論當時並沒有結果。但幾年之後，美國天文學家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）使用當時世界上最大口徑的2.5米胡克望遠鏡，發現了銀河系之外還有其它星系存在，而且這些星系正在遠離我們銀河系。這一系列發現讓人們意識到，宇宙是如此廣袤，宇宙在膨脹，這也成爲宇宙大爆炸理論的觀測基礎，哈勃也因此被稱爲“20世紀最偉大的科學家之一”。

天文學家也發現，地球大氣對望遠鏡觀測結果影響很大，不僅成像質量受到大氣湍流的影響，光譜中的紅外線和紫外線也被大氣層吸收。於是，望遠鏡從地面走向太空成爲必然。

哈勃空間望遠鏡 / NASA

爲了得到更爲完美的宇宙圖像，20世紀40年代，美國天文學家提出了發射空間望遠鏡的想法。任教於美國普林斯頓大學的天文學家萊曼·斯皮策在報告中提出空間望遠鏡有潛力發現意想不到的新現象，並可能就此改變人類關於空間和時間的基本觀念，這成爲哈勃望遠鏡的起點，他也爲了這個偉大的理想奮鬥了數十年。

　　哈勃空間望遠鏡計劃的推進者萊曼 · 斯皮策。以他名字命名的望遠鏡“斯皮策空間望遠鏡”用於紅外天文學研究，是美國發射的四個大型天文臺之一。/ ESA

當時造價昂貴、技術難度極大的空間望遠鏡讓大部分天文學家望而卻步，但隨着1957年蘇聯的第一顆人造衛星上天，天文界看到了希望。隨着美蘇兩國“太空競賽”的逐步升級，兩國的太空領域也獲得了歷史性的發展。1958年10月，美國航天局（NASA）成立，斯皮策關於大型空間望遠鏡的宏偉計劃不再是科學幻想。

　　哈勃望遠鏡的心臟是它的主鏡面，直徑2.4米，主鏡和副鏡組合 使用，使光線進入望遠鏡的一套科學儀器。/ NASA

1970年，NASA設立了空間望遠鏡工程委員會和任務的科學委員會。但隨着NASA的太空經費開始縮減，大型空間望遠鏡項目一度因經費遭到美國國會反對。在斯皮策和他的同事的努力下，終於，1977年，國會授權批准哈勃望遠鏡開始細節設計和製造，大型空間望遠鏡項目正式啓動。但由於預算縮減爲原來的一半，約2億美元，NASA將望遠鏡口徑從3米降至2.4米，儀器設備也相應縮水，並邀請歐洲空間局（ESA）加入承擔15%的研製經費，相應給予歐洲科學家不少於15%的使用時間。

爲紀念偉大的美國天文學家埃德溫·哈勃，這架空間望遠鏡在1982年被正式命名爲——哈勃空間望遠鏡。

/ 艱難飛天

美國國會撥付了3600萬美元設計建造哈勃望遠鏡，並計劃於1983年發射升空。這一巨大工程涉及到大量的工業、技術和科學上的工作，數千人蔘與其中，要使望遠鏡滿足各種性能需求，在工程和管理上的挑戰非同一般。因爲研製預算的增加，哈勃望遠鏡曾飽受質疑，直到1984年，哈勃望遠鏡的各系統組件才完成，並陸續運往組裝測試，發射時間也從1983年推遲到1986年。

就在萬事俱備的時候，1986年，“挑戰者”號航天飛機從肯尼迪航天中心升空73秒後爆炸解體，7名宇航員全部遇難，這場震驚世界的災難讓美國航天事業受到巨大打擊，航天飛機也被迫終止飛行。因爲“挑戰者”號也是計劃執行哈勃任務的航天飛機，哈勃望遠鏡的升空時間只好再次被推遲。經過4年的漫長等待，1990年4月24日，“發現”號航天飛機帶着哈勃望遠鏡及5名航天員到達了離地球500多千米的預定軌道。第二天，“哈勃”由航天飛機的機械臂送入太空。

1990年哈勃空間望遠鏡從發現號航天飛機中釋放至太空。/ NASA

歷經20多年，耗資47億美元的哈勃望遠鏡終於飛天，開始它的偉大使命。

/“近視眼”哈勃

1990年5月20日，萬衆期待的哈勃望遠鏡終於向地面傳回了第一張照片，隨即給所有人澆了一桶冷水：照片成像質量遠遠沒有達到設計要求。兩個月的調查結果發現，哈勃望遠鏡居然天生“近視”。這是由於哈勃鏡面的外邊緣少磨了2200納米，對於精度非常高的哈勃鏡面而言這是一個重大缺陷，從目標恆星來的所有光線不能被聚在同一個銳焦點上。

47億美元的投入居然只是製造出了“哈勃麻煩”，NASA面臨着比維護自身形象更巨大的挑戰——如何修正？如果換成別人，故事或許就此悲劇結束，可對於有着主角光環的哈勃來說，這只是它傳奇故事的開端。

　　哈勃第一次維修任務後不久，在1994年1月13日的新聞發佈會 上，美國參議員芭芭拉·米庫爾斯基向大家宣佈她所說的“歷史上 最重要的隱形眼鏡”是如何極大地增強了哈勃的宇宙觀測能力。 而此前，她對哈勃出現球面色差進行了嚴厲批評。/ NASA

哈勃望遠鏡在設計時就採用低軌維修的大衛星，可以通過航天飛機定期維護，爲了保障15年的設計壽命，航天飛機大約每3年就要對哈勃望遠鏡進行一次全面的修理。“護花使者”航天飛機出場！1993年，“奮進號”航天飛機升空，對哈勃望遠鏡進行了儀器和設備的更換。7名宇航員們完成5次創紀錄的太空行走，包括幾項重要操作，爲哈勃望遠鏡戴上“眼鏡”，解決了“近視”問題。

1993年12月，哈勃空間望遠鏡的第一次維修任務。/ NASA

1993年12月18日凌晨，NASA官員、天文學家們焦急等待修復後的“哈勃”拍攝的第一張圖片。大約一點，照片終於傳回，一個乾淨、清晰、聚焦的恆星圖像出現在衆人眼前，大家歡呼起來，“哈勃”麻煩終於解決！隨後NASA宣佈哈勃望遠鏡通過光學系統維修修正了主鏡的球面像差問題，圖像清晰度達到預期。

這是“哈勃”時代的歷史里程碑，如同伽利略開啓現代觀測天文學一般，哈勃望遠鏡也開啓了人類認識宇宙的嶄新時代。

/ 顛覆“宇宙觀”

自1990年發射升空至今的30年間，哈勃望遠鏡迄今已完成超過130萬次觀測，揭開了無數宇宙奧祕，從第一代恆星和星系到暗物質暗能量，科學成就不勝枚舉。當然，科學進展都源於一系列不同望遠鏡在不同波段所做的觀測，並非是“哈勃”的獨自發現，但它的觀測結果無疑發揮了至關重要的作用。下面我們用幾張公衆熟知的圖片來回顧“哈勃”的幾項代表性科學發現。

2002-2005年哈勃空間望遠鏡拍攝的麒麟座V838爆發事件過程。/ NASA

/ 尋找宇宙的過去

哈勃望遠鏡可以看到多遠的地方？1995年，“哈勃”用10天時間對大熊座的一小片天區進行了近100個小時的觀測，拍攝了342張照片，經過合成後得到了著名的哈勃深場（HDF）照片。

1995年的哈勃深場照片

這張著名照片揭示了前所未有的遙遠星系的大量細節，創造了歷史。深場中的每一個亮斑都是一個星系，每個星系中又包含了數百億到萬億顆恆星，其中能分辨出的星系就有3000多個，這些遙遠的星系比我們裸眼能看到最暗的天體還要暗淡40億倍。

後來哈勃望遠鏡經過幾次升級，拍攝了更深遠的照片——哈勃超深空（HUDF）。2009年，哈勃望遠鏡累計23天的曝光時間，得到了迄今爲止最深遠的照片，哈勃極深場（XDF）。

2012年的哈勃極深場照片

自上個世紀20年代哈勃首次發現河外星系起，一個懸在大家心中的問題就是：整個宇宙當中有多少個星系。70年後，哈勃深場照片首次讓我們對於宇宙中的數目有所瞭解。而如今，從哈勃深場到哈勃超深空，再到哈勃極深場，看到的星系數目從上千億個擴大了上萬億個，這樣的結果讓我們不由思考人類在宇宙中的位置和宇宙本質等深刻的問題。

2019年的哈勃紅外深場照片

/ 宇宙的年齡

宇宙有多古老，它也有年齡嗎？在這一終極哲學問題上，“哈勃”同樣做出重大貢獻。哈勃常數是對宇宙當前膨脹速率的一種量度，它的倒數就反映了宇宙的年齡。以前，由於各種確定距離方法之間的矛盾導致哈勃常數的誤差非常巨大，宇宙年齡也籠統在50億年到200億年之間。

而精確測量哈勃常數是哈勃望遠鏡的核心項目之一。從90年代末到20世紀前10年，得益於哈勃望遠鏡的進一步觀測，天文學家研究了包括造父變星、La型超新星等許多距離指標，使哈勃常數的不確定度從10%最終降低至3%。依靠哈勃常數的不斷精確，天文學家終於將宇宙的年齡精確到138億年。

/ 超大質量黑洞普遍存在

提到黑洞大家都不陌生，在科普力量的推動下，它不僅走入了大衆文化的視野，甚至成爲了科幻電影的基本設定。

1990年哈勃望遠鏡發射之前，天文學家們只在雙星系統中證實了黑洞的存在。而哈勃望遠鏡在工作卻發現了星系中心潛藏着一種令人震驚的黑洞類型——超大質量黑洞，它的質量從一百萬個太陽質量到幾十億個太陽。

天文學家們後來又用“哈勃”探索許多星系的中心，尋找超大質量黑洞，這次宇宙“人口普查”使天文學家們發現超大質量黑洞其實非常普遍，即使不是每個大星系都有，也是絕大多數大星系中心都擁有一個。更驚人的是，中央黑洞的質量和星系中心由恆星構成的核球質量直接相關，核球質量越大，黑洞質量越大。

/“太空巨眼”

不僅在科學領域， 哈勃無數美輪美奐的照片更是深深根植於當今人們的文化生活之中。

如果你在互聯網搜索“創生之柱”，得到的不僅僅是這張哈勃最著名的照片之一，同時也是系列暢銷小說《真理之劍》（Sword of Truth）中的書目，甚至離經叛道的金屬樂隊的名字，無處不在的“哈勃”衍生品向我們展示着，哈勃望遠鏡已不僅僅是科學的象徵，更是聯繫了普通公衆與遙遠宇宙認知的紐帶。

創生之柱 / NASA

距離2009年哈勃望遠鏡最後一次維修已過去了11年，隨着它的繼任者——韋布太空望遠鏡（JWST）的整裝待發，哈勃望遠鏡在太空的使命也即將步入倒計時。但30年來，它曲折動人的傳奇故事無可複製，在人類探索宇宙的歷史上留下了珍貴的一筆，永遠流傳……

儘管哈勃望遠鏡的研究遍佈天文學的各個領域，但仍有太多耀眼的成就無法展開評述。

瞭解哈勃更多精彩經歷與偉大成就，

作者簡介 /

黃京一，中國科學院國家天文臺工程師，《中國國家天文》編輯部主任。

感謝苟利軍研究員對本文的指導。