哈勃空间望远镜_1990年美国研制发射空间望远镜

哈勃空间望远镜

1990年美国研制发射空间望远镜

哈勃空间望远镜（Hubble Space Telescope，缩写：HST）是以美国天文学家爱德温·哈勃为名，纪念其对宇宙膨胀学说的贡献，于1990年4月24日，由“发现”号航天飞机携带发射升空的光学望远镜。其镜体为圆柱形，长约13.3米，直径达4.3米，重11.6吨。

项目简介

从20世纪90年代起，美国就开始实施的“空间大天文台计划”，即发射4颗大型的非太阳探测天文卫星，帮助天文学家更好地观察宇宙。这4颗卫星实际上就是4个天文望远镜，被誉为空间观测的“四大天王”，按发射时间顺序为“哈勃”（HST）空间望远镜、“康普顿”γ射线望远镜（CGRO）、“钱德拉”Ｘ射线望远镜(Chandra)和“空间红外望远镜”（STIRF）。

1990年4月25日率先登天的哈勃空间望远镜（英语：Hubble Space Telescope，HST），是以天文学家爱德温·哈勃为名，由美国宇航局（NASA）和欧洲航天局（ESA）合作共同管理的望远镜。而“哈勃”技术上成功的意义，在于它取得了其他所有地基望远镜从来没有取得的革命性突破。其位置在地球的大气层之上，获得的影像不会受到大气湍流的扰动，视相度绝佳又没有大气散射造成的背景光，还能观测被臭氧层吸收的紫外线。哈勃太空望远镜于1990年发射之后，一直是天文史上最重要的仪器。它已经填补了地面观测的缺口，帮助天文学家解决了许多根本问题，使他们对天文物理有更多的认识。哈勃的超深空视场曾是天文学家获得的最敏锐的光学影像。

发展历程

前期准备

1923年，德国科学家赫尔曼·奥伯斯与罗伯特·戈达德和康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基一起出版了《迪·拉克特·祖登行星》，其中提到了如何用火箭将望远镜推进地球轨道。1946年，普林斯顿天体物理学家莱曼·斯皮策写下了望远镜在地球湍流大气层之上的科学益处。1957年，苏联人造卫星发射后，刚刚起步的美国国家航空和航天局（NASA）成功地将两个轨道天文观测站（Orbiting Astronomical Observatories,OAOs）送入轨道，他们利用这两个轨道天文观测站成功地进行了多次紫外线观测，为未来空间观测站的制造和发射铺好了道路，提供了学习经验。

与此同时，斯皮策还收集了其他天文学家对“大型轨道望远镜”的支持，并解决了批评者的担忧。1969年，美国国家科学院批准了大型太空望远镜（Large Space Telescope，LST）项目，听证会和可行性研究仍在继续。1969年阿姆斯特朗在月球上实现了“人类的巨大飞跃”之后，美国宇航局太空项目的资金开始减少，使LST计划处于危险之中。LST规划师不得不在预算限制下设计望远镜，考虑若干减负措施，例如减小主镜的尺寸、减少科学仪器、制造和测试备件的数量。最终，主镜的尺寸从120英寸减小到94英寸。

成功发射

为了维护和升级太空望远镜，NASA计划进行在轨维修任务，而不是将望远镜送回地球，在地面上进行维修翻新。这一理念的提出既是一种创新，也可以减少预算，更容易获得美国国会的批准。在这种革新精神的推动下，太空望远镜更名为哈勃空间望远镜(HST)，以纪念天文学家爱德温·哈勃对宇宙膨胀学说的贡献。到1985年，望远镜已经组装完毕，准备发射。然而，在1986年灾难袭来。“挑战者”号事故迫使美国宇航局将航天飞机机队停飞两年。HST项目利用这段时间对望远镜进行了进一步细致的安全排查和仪器检查工作。太阳能电池技术的进步使得其上所携带的太阳能电池板得到了改进。船尾罩(容纳科学仪器的望远镜的末端)经过修改，使仪器维修和更换更加容易。另外，太空望远镜接受了进一步的压力测试，计算机和通信系统也得到了产品升级，为适应恶劣的升空和太空条件做足了准备。

1990年4月24日，“发现”号航天飞机从地球上升空，哈勃空间望远镜安全地安放在它的货舱摇篮里。次日，哈勃被送入预定轨道。然而，当哈勃望远镜开始将科学数据返回地球时，天文学家们没有看到清晰的、点状的恒星图像，反而是被巨大的、模糊的光晕包围着的亮团。经过反复确认，美国宇航局发现哈勃主镜在制造过程中由于设备校准不当，使镜子比设计厚度多了20纳米，导致光线无法聚焦到主镜上，无法进行有效观测。

维修记录

第一次维修

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，对“哈勃”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（WFPC1）；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。

第二次维修

1997年2月，美国航天局进行了第二次维修任务，此次任务更换了新的仪器，如空间望远镜成像光谱仪(STIS)、近红外照相机和多目标光谱仪。STIS分离了望远镜所接受的光线，以便分析其组成、温度、运动和其他特性。有了近红外摄像机及多目标光谱仪，天文学家可以从近红外波长上看到宇宙的第一个清晰视图。

第三次维修

哈勃的第三次维修任务最初被设想为维护任务，但当空间望远镜中的陀螺仪用于测量望远镜的移动速度，以确保望远镜能在观测中保持稳定的姿态和正确的方向第四次失败时，NASA将任务分成两部分：1999年12月飞行的3A（SM3A）和2002年3月的3B服务任务（SM3B）。在SM3A期间，宇航员用新的陀螺仪替换了所有六台陀螺仪，并安装了更快、更强大的主计算机、下一代固态数据记录器、新的发射机、新的绝缘材料和其他设备。

第四次维修

2002年3月１日，美国“哥伦比亚”号航天飞机在美国东部凌晨发射升空后，于3日凌晨“捕捉”到了哈勃太空望远镜，并成功地将其固定到航天飞机的载货舱内。在太空望远镜被固定到航天飞机载货舱内之后，宇航员们开始操作“哈勃”收缩太阳能电池板。驱动望远镜太阳能电池板收缩的马达，虽然自1993年“哈勃”接受首次“大修”以来，就一直没有再使用过，但此次重新启动性能依然完好，总共花了约10分钟，就顺利完成了收缩两块太阳能电池板的任务。这两块太阳能电池板被带回地球。在第四次维修期间，宇航员还安装了一种新的科学仪器—高级测量相机（ACS）。ACS可观测的波长从可见到远紫外，其输出结果远远优于原来的“暗天体相机”（FOC）。

第五次维修

2009年5月，服务团对哈勃望远镜进行了第五次访问。宇航员安装了两种新的科学仪器：宇宙起源光谱仪（COS）和第三代广域相机（WFC3）。太空望远镜成像光谱仪（STIS）和高级测量相机（ACS）通过首次在轨仪器维修而复活。为了延长哈勃望远镜的寿命，宇航员还替换了其他部件，包括新的电池、新的陀螺仪和一台新的科学计算机。此外，望远镜底部还附有一个装置，以便于望远镜最终退役时脱离轨道。

观测记录

1994年，舒梅克-列维9彗星撞击木星。

1996年，发布第一幅哈勃深场图像，使天文学家得以研究早期字宙中的星系。

1997年，哈勃被添加了一台更灵敏的空间望远镜成像光谱仪。这台光谱仪揭示了木星的紫外极光。科学家发现，极光在木星表面延伸达好几百千米。

2005年，科学家通过哈勃发现了位于柯伊伯带外围的一个大天体，如今被称为阋神星。阋神星宽约2300千米，和冥王星相仿。这一发现引发了一场辩论，最终导致冥王星被降级为矮行星。

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。

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。

2010年，“哈勃”图像揭示了红移疑似大于8的遥远星系，展现了字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，这是对系外行展HAT-P-7b的一项光谱分析。

2012年，“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。

2012年，哈勃团队发布极深场照片。该照片只覆盖4.6弧分面积，即整个天空面积的3200万分之一，曝光时间却长达23天。它回望到了132亿年前的情景，显示了一个才诞生4.5亿年的星系。

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截止2014年最详尽的天气图；同年，哈勃新配备的3号广域相机拍摄到了天鹰星云中“创世之柱”的图像，其中最高的“柱子”高达5光年。

2015年，“哈勃”观测到一颗遥运超新星的排列十字状的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。同年，全球同庆“哈勃”25周岁。

2019年，哈勃在系外行星K2-18b的大气层中发现了水汽，这也是首次发现存在水的系外行星。

2020年1月，一个国际天文学家团队利用美国哈勃太空望远镜发现了迄今已知的最遥远、最古老的星系群。这个三重星系群被称为EGS77。更重要的是，观测表明这个三重星系群参与了宇宙初期被称为“再电离”的改造过程。EGS77大约诞生于宇宙大爆炸后6.8亿年时，当时宇宙年龄还不足现今138亿岁的5%。

2022年3月30日，美国国家航空航天局表示，哈勃空间望远镜借助“引力透镜”效应发现了人类迄今观测到的最遥远单颗恒星。

2022年5月30日，据国外媒体报道，哈勃太空望远镜最新观测图像呈现了对虾星云的局部特征，该区域色彩斑驳，令人眼花缭乱，其中包括明亮发光气体部分。

2022年6月，美国《福布斯》双周刊网站报道，来自美国太空望远镜科学研究所和加州大学伯克利分校的研究团队分别独立发表论文称，他们利用美国国家航空航天局（NASA）的哈勃太空望远镜，借助引力透镜效应，首次探测到一个完全独立于恒星伴星的自由漂浮黑洞，这颗5000光年外的“流浪黑洞”位于银河系人马座旋臂内。

2022年12月，一组“系外行星猎人”在《自然天文学》杂志上宣布，利用NASA哈勃望远镜和已经退役的斯皮策太空望远镜，发现了两颗充满水的系外行星，即开普勒-138c和开普勒-138d。

2023年4月10日，美国趣味科学网报道，研究人员使用哈勃空间望远镜观测距离地球约75亿光年的矮星系RCP28时，发现一个“落跑”的黑洞，其表现为一条明亮的条纹。

2024年6月26日，哈勃空间望远镜拍摄到的一张图像捕捉到原恒星改变星云的过程，有助于揭示恒星的生命周期及其对周围分子云的影响。

新工作模式

2024年4月27日，美国航天局发布消息称，由于陀螺仪出现故障，哈勃空间望远镜已于4月23日进入安全模式，停止科学观测，截至2022年4月24日哈勃空间望远镜仍处于工作状态——任务期已达32年，创下了运行时间最长的太空望远镜的吉尼斯世界纪录。2024年6月16日，美国航天局日前发布消息称，哈勃空间望远镜转入仅使用一个陀螺仪的工作模式后，已恢复日常的科学观测，设备运作总体稳定，预计将运行到2035年。

NASA的哈勃空间望远镜项目经理PatrickCrouse透露，这样做的代价是观测时间减少了大约12%，整体科学产出减少了25%。哈勃空间望远镜的陀螺仪每分钟旋转19200转。在标准的三陀螺仪模式下，这些设备通过精确的制导传感器帮助望远镜快速建立和维持视野。然而，在单陀螺仪模式下，哈勃空间望远镜必须依赖其他传感器。缓慢的定位将妨碍哈勃空间望远镜跟踪快速移动的目标，如月球或太阳系内的小行星。一个更大的限制来自这样一个事实，即从望远镜中部以固定角度向外观测的恒星跟踪器若被地球阻挡，将不起作用。这使哈勃空间望远镜指向的太空面积减半——从82%到大约40%。瞬时视场减半将阻碍其发现超新星等遥远瞬态现象。

结构组成

摄谱仪

摄谱仪可以通过棱镜和衍射光栅把光分成各种单色成分，这样就可以对天体辐射的光进行深入的分析。除微光物体照相机和有几个摄谱状态外，哈勃空间望远镜还携带有两台特殊设计的专用摄谱仪，即微光物体摄谱仪和戈达德高分辨率摄谱仪。微光物体摄谱仪可在低分辨率及中等分辨率模式下工作，并具有分光偏振计的功能。它的光谱响应范围是115-850纳米。戈达德高分辨率摄谱仪有三种高分辨率工作模式，它的光谱响应范围是115-320纳米，是哈勃空间望远镜上唯一的一台真正的紫外仪器。

测光仪

测光仪的用途是精确地测定光的强度。哈勃空间望远镜上所用的高速测光仪该望远镜所用的5台第一代仪器中最为简单的一台。它由4个光量子计算析像管、1个光电倍增管和50多个焦面滤色镜光圈组件组成，没有活动部件。这些滤色镜覆盖了115-700纳米的光谱区域。高速测光仪还能测量光的偏振，并能以高于20微秒的精度测量不同光量子的到达时间，从而探测到来自天体的光所具有的高速波动特性。

精确定向传感器

哈勃空间望远镜上的三个精确定向传感器位于焦面的最外边，由非常复杂的干涉测量装置组成。观测时，传感器将分别锁定在位于目标天体附近的、预先选定的定向星体上，并帮助使望远镜以0.007弧秒的精度稳定地对准目标天体。由于望远镜在任意一个给定时刻仅需要用两个精确定向传感器的干涉仪，这样，第三个传感器就可以用于测量在其视界内的其它星体的相对位置。采用这种办法可望取得0.002弧秒的位置精度，这一精度与希巴克斯卫星所能达到的精度相近，但相比较而言，哈勃空间望远镜将对数量上多得多的星体进行天文观测研究，所采用的系统方式也远比希巴克斯简单。特别是，哈勃空间望远镜所运用的测量方法使其在给定的任意时刻仅在一个很小的范围里进行测量，因而不需要像希巴克斯那样建立一个总参照系。

科研成果

天体的距离尺度

星系的演化过程

“哈勃”运用“测光红移”的技术进行深空区观测后显示，宇宙中绝大多数星系形成的时间正是宇宙中恒星开始大量形成的时间。除了观测遥远的年轻星系以外，“哈勃”还观测过星系形成过程中遗留下来的蛛丝马迹。这些蛛丝马迹就暗藏在星系里的恒星之中。从地面上看，一个星系模模糊糊地聚集了几十亿颗恒星，但当在“哈勃”的高分辨率下观看时，模糊的星系影像就变成几百万个的点，单个恒星都被分离了出来。这些恒星的颜色和亮度包括了它们年龄和化学组成的信息，文学家依据这些信息可以推测出星系中的恒星形成历史。他们还利用“哈勃”观测近距星系尘埃盘中的恒星形成，并由此在超过几亿年的时间尺度上追溯恒星形成的详细演化过程。

证实黑洞的存在

当一个大质量恒星耗尽了能量就会发生坍缩，并且它的物质可以在引力的作用下坍缩入史瓦西半径以内，于是就会形成一个连光都无法从它表面逃逸的致密天体--黑洞。“哈勃”发射时，超大质量黑洞一般被假设来解释遥远类星体不同寻常的高光度和光谱中的特殊谱线以及近距活动星系核的光度。然而并没有确凿的证据能证明类星体本身就是星系。“哈勃”发射升空后，就这些问题进行了系统的观测。它所获得的近距星系光谱的动力学模型，有力证实了黑洞的存在。并通过对十几个星系中央黑洞质量的可靠测量，揭示了黑洞质量和星系核球质量之间极为紧密的联系。尽管之前的地面观测已发现了这一关系，但是误差要大得多。另外，“哈勃”还观测到，即使是没有明亮活动核心的“休眠”星系，其核心处也有黑洞，这说明星系中央的超大质量黑洞是星系形成的一个普遍特征。

见证恒星的死亡

当恒星中的氢耗尽之后，其中心的主要能源也会枯竭，于是恒星就会经历剧烈的演化。在这一演化中，恒星会急剧膨胀并且抛射出大量的物质，然后要么爆发要么慢慢地变暗，并且留下一个致密的残骸-白矮星、中子星或者黑洞。从“哈勃”对中子星的观测结果来看，即使是中子星这样看上去更为对称的天体，也诞生于恒星非对称的死亡。中子星是大质量恒星超新星爆发之后留下的超高密度恒星残骸，但直径只有大约几千米，因此在光学波段上显得暗弱。而中子星的光学辐射却是确定它温度和大小的重要手段，由此可获得许多有关其内部奇异核物质的大量信息。“哈勃”已识别出了多个中子星的光学对应体，且通过观测发现，有一些中子星在银河系中的运动速度竟然可以高达100千米/秒，甚至更高。另外，“哈勃”的观测还在超新星爆发和神秘的伽马射线暴之间建立起了联系。“哈勃”刚发射时，人们还不清楚这些伽马射线暴是来自银河系内还是来自银河系外。2019年，哈勃发现一次伽玛射线暴来自大约50亿光年外一个明亮星系的暴烈环境。这说明像这样的暴烈环境可能引发伽玛射线暴。

分析宇宙中气体

普通重子物质中的大能分被认为是以气体的形式出现的，它们在天体物理光谢中可以产生射线和吸收线。而这些谱线所在波长以及强弱可以用来限制气体的化学组成、湿度、密度和压强。尽管可以从地面上获得气体的光谱，但是许多光谱中最有用的特征--紫外波段，却只有在太空中才能观测到。而“哈勃”的紫外分光仪正好可以帮助天文学家探测宇由中气体的位置以及气体的质量是如何随着时间变化的。“哈勃”最早的核心计划之一就是通过由氢所产生的吸收线来测量和遥远类星体在同一视线方向上的近距星系中的气体分布。哈勃的解析能力很强大，它甚至能描述行星表面的基本天气模式。当观测被潮汐力锁定的系外行星WASP-43b（它的一个半面总是朝向母恒星）时，哈勃能辨识被恒星永久照亮的这个行星半面上的暗色区域。

暗物质

暗物质既不发出也不吸收电磁辐射。天文学家只能通过其引力效应来推断它的存在。在星系的尺度上，恒星和气体云的运动速度过高，单靠可见物质的引力无法束缚住它们。星系团中的星系也是如此，没有暗物质的引力它们就会解体。暗物质构成了宇宙物质的85%左右，为宇宙中可见大尺度结构的形成提供了骨架。星系团周围暗物质的引力会扭曲来自更遥远天体的光线，产生引力透镜效应。“哈勃”通过观测这一效应，制作出了迄今最大的暗物质三维分布图。此外，通过对特定的星系团——例如阿贝尔1689——的研究，“哈勃”帮助科学家建立了这些天体系统中详细的暗物质分布图。这些分布图有助于限制描述星系团如何生长的理论模型。最重要的是，“哈勃”和钱德拉X射线天文台以及地面望远镜的联合观测显示，在碰撞星系团中暗物质和高温普通气体之前存在明显的分离。“哈勃”已经在子弹星系团（1E0657-56）、潘多拉星系团（阿贝尔2744）和星系团MACSJ0025.41222中观测到了这一现象。科学家们认为这是迄今有关暗物质弱相互作用特性的最佳证据。

发现遥远新恒星

2022年，哈勃空间望远镜借助“引力透镜”效应发现了最遥远的单颗恒星。这颗恒星诞生于宇宙大爆炸后的不到 10亿年内，距离地球约280亿光年。研究人员估计，这颗恒星的质量至少是太阳的50倍，亮度是太阳的数百万倍。由于距离非常遥远，它的光线用了129亿年才到达地球。研究人员将这颗新恒星命名为Earendel，该词来自古英语，意为“晨星”。研究人员之一布莱恩·韦尔奇表示，Ear⁃endel 存在于很久以前，形成它的“原材料”可能与周围的恒星不同。

探测“光学回声”

哈勃望远镜捕捉到麒麟座V838爆发后形成的光反射序列图像。2002年1月，这颗红巨星爆发出一个无法解释的闪光，然后留下一片看起来像“扩张的泡沫”一般的遗迹。实际上，这泡沫似的遗迹只是闪光将本来已经存在的尘埃云照亮了而已。由于光只能以有限的速度——光速传播，所以闪光花了几年才到达更远的尘埃云，然后照亮它们。这种现象称为“光学回声”，就像声波在遇到峡谷或墙壁时的反射一样。

柯伊伯带的大发现

在对太阳系边缘的矮行星——冥王星的探测中，“哈勃”在这个冰冷的世界中发现了四颗卫星，分别是水神星（Nix）、九头蛇星（Hydra）冥卫四（Kerberos）、冥卫五（Styx）。2015年7月美国宇航局的新视野号探测器拍摄了一张冥王星的精彩照片。在科学家为“新视野号”安排行程的过程中，哈勃望远镜起了重要的作用，它从上世纪90年代到2010年这些年对太阳系边缘的探测，为“新视野号”绘制了旅行的地图。此外哈勃望远镜还在鸟神星附近发现了一个直径为161千米左右的卫星。

存在问题

相机故障

2019年1月9日，美国宇航局称由于出现硬件故障，哈勃空间望远镜上的主相机“宽视场相机”（WFC）3已停止工作。该局未给出问题细节，只是称问题系因硬件问题引起，并称该相机配备有冗余电子设备，可用于使其恢复工作。修复需花多长时间还不清楚。这起故障出现时美国宇航局等政府部门处于关门状态，WFC-3相机是在2009年的最后一次维护任务中安装的。望远镜上的另3台相机在2019年仍在继续开展观测工作。

2021年3月7日，哈勃太空望远镜由于一个软件故障导致暂停运行；3月12日，望远镜已经部分恢复工作，但仍有故障没有排除。

计算机故障

2021年6月19日，美国宇航局NASA表示，已经观测宇宙30多年的哈勃太空望远镜过去几天处于停机状态，原因是一个有效载荷计算机从13日起停止了工作。NASA表示，有效载荷计算机是用于控制和协调科学仪器，并出于健康和安全目的对其进行监控；此外NASA还表示哈勃望远镜本身和伴随它的科学仪器都“处于良好状态”。本周一NASA曾试图恢复计算机，但未能成功。初步证据显示问题的根源是计算机内存模块退化，不过尝试切换备用内存模块的方法也失败了。

陀螺仪故障

2024年4月27日，美国航天局发布消息称，由于陀螺仪出现故障，哈勃空间望远镜已于4月23日进入安全模式，停止科学观测。4月26日介绍，系统显示哈勃望远镜上3个仍在运转的陀螺仪中的一个出现故障，望远镜也随之自动进入安全模式。陀螺仪用于测定望远镜转动速度，帮助它对准并锁定观测目标。望远镜进入安全模式后，就会停止科学观测，需要等待地面控制中心发出新指令。此次出问题的陀螺仪在2023年11月也曾出故障并导致哈勃望远镜进入安全模式。