1990年4月24日清晨，美國佛羅里達州肯尼迪航天中心，“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機攜帶著此后為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。隨后的30年中，這臺望遠鏡歷經(jīng)數(shù)次坎坷又絕處逢生，它的卓越成就不僅為人類探索宇宙開啟了一扇窗，也徹底打破了人類過去對宇宙的認知和看法。

攜帶著天文學家的期望和夢想，哈勃望遠鏡

在1990年4月24日由“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機發(fā)射入軌。/NASA

    30年后的今天，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(fā)、升空、探索的全景歷程，找尋一幅幅唯美畫面背后的艱難險阻，回望人類對太空探索邁出的這一大步。

夢想啟航

    400多年前，伽利略舉起自己制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。天文望遠鏡從此成為觀測天空不可或缺的重要工具，而天文探索直接改變并重塑了人類對宇宙的看法以及宇宙觀念。之后的幾百年，望遠鏡的口徑越來越大，制作工藝更加先進。透過望遠鏡，人們發(fā)現(xiàn)的天體和宇宙現(xiàn)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并沒有結果。但幾年之后，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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)讓人們意識到，宇宙是如此廣袤，宇宙在膨脹，這也成為宇宙大爆炸理論的觀測基礎，哈勃也因此被稱為“20世紀最偉大的科學家之一”。

    天文學家也發(fā)現(xiàn)，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。于是，望遠鏡從地面走向太空成為必然。

哈勃空間望遠鏡 / NASA

    為了得到更為完美的宇宙圖像，20世紀40年代，美國天文學家提出了發(fā)射空間望遠鏡的想法。任教于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(fā)現(xiàn)意想不到的新現(xiàn)象，并可能就此改變?nèi)祟愱P于空間和時間的基本觀念，這成為哈勃望遠鏡的起點，他也為了這個偉大的理想奮斗了數(shù)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”用于紅外天文學研究，

是美國發(fā)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，但隨著1957年蘇聯(lián)的第一顆人造衛(wèi)星上天，天文界看到了希望。隨著美蘇兩國“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(fā)展。1958年10月，美國航天局（NASA）成立，斯皮策關于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。但隨著NASA的太空經(jīng)費開始縮減，大型空間望遠鏡項目一度因經(jīng)費遭到美國國會反對。在斯皮策和他的同事的努力下，終于，1977年，國會授權批準哈勃望遠鏡開始細節(jié)設計和制造，大型空間望遠鏡項目正式啟動。但由于預算縮減為原來的一半，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，并邀請歐洲空間局（ESA）加入承擔15%的研制經(jīng)費，相應給予歐洲科學家不少于15%的使用時間。

    為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年被正式命名為——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，并計劃于1983年發(fā)射升空。這一巨大工程涉及到大量的工業(yè)、技術和科學上的工作，數(shù)千人參與其中，要使望遠鏡滿足各種性能需求，在工程和管理上的挑戰(zhàn)非同一般。因為研制預算的增加，哈勃望遠鏡曾飽受質疑，直到1984年，哈勃望遠鏡的各系統(tǒng)組件才完成，并陸續(xù)運往組裝測試，發(fā)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(zhàn)者”號航天飛機從肯尼迪航天中心升空73秒后爆炸解體，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(yè)受到巨大打擊，航天飛機也被迫終止飛行。因為“挑戰(zhàn)者”號也是計劃執(zhí)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(jīng)過4年的漫長等待，1990年4月24日，“發(fā)現(xiàn)”號航天飛機帶著哈勃望遠鏡及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(fā)現(xiàn)號航天飛機中釋放至太空。/ NASA

    歷經(jīng)20多年，耗資47億美元的哈勃望遠鏡終于飛天，開始它的偉大使命。

“近視眼”哈勃

    1990年5月20日，萬眾期待的哈勃望遠鏡終于向地面?zhèn)骰亓说谝粡堈掌?，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(diào)查結果發(fā)現(xiàn)，哈勃望遠鏡居然天生“近視”。這是由于哈勃鏡面的外邊緣少磨了2200納米，對于精度非常高的哈勃鏡面而言這是一個重大缺陷，從目標恒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制造出了“哈勃麻煩”，NASA面臨著比維護自身形象更巨大的挑戰(zhàn)——如何修正？如果換成別人，故事或許就此悲劇結束，可對于有著主角光環(huán)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后不久，在1994年1月13日的新聞發(fā)布會上，

美國參議員芭芭拉·米庫爾斯基向大家宣布

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(xiàn)球面色差進行了嚴厲批評。/ NASA

    哈勃望遠鏡在設計時就采用低軌維修的大衛(wèi)星，可以通過航天飛機定期維護，為了保障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?！白o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(chuàng)紀錄的太空行走，包括幾項重要操作，為哈勃望遠鏡戴上“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后的“哈勃”拍攝的第一張圖片。大約一點，照片終于傳回，一個干凈、清晰、聚焦的恒星圖像出現(xiàn)在眾人眼前，大家歡呼起來，“哈勃”麻煩終于解決！隨后NASA宣布哈勃望遠鏡通過光學系統(tǒng)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，如同伽利略開啟現(xiàn)代觀測天文學一般，哈勃望遠鏡也開啟了人類認識宇宙的嶄新時代。

 顛覆“宇宙觀”

    自1990年發(fā)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(shù)宇宙奧秘，從第一代恒星和星系到暗物質暗能量，科學成就不勝枚舉。當然，科學進展都源于一系列不同望遠鏡在不同波段所做的觀測，并非是“哈勃”的獨自發(fā)現(xiàn)，但它的觀測結果無疑發(fā)揮了至關重要的作用。下面我們用幾張公眾熟知的圖片來回顧“哈勃”的幾項代表性科學發(fā)現(xiàn)。

2002-2005年哈勃空間望遠鏡拍攝的麒麟座V838爆發(fā)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(qū)進行了近100個小時的觀測，拍攝了342張照片，經(jīng)過合成后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(jié)，創(chuàng)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(shù)百億到萬億顆恒星，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。

    后來哈勃望遠鏡經(jīng)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，得到了迄今為止最深遠的照片，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(fā)現(xiàn)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年后，哈勃深場照片首次讓我們對于宇宙中的數(shù)目有所了解。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(shù)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(shù)是對宇宙當前膨脹速率的一種量度，它的倒數(shù)就反映了宇宙的年齡。以前，由于各種確定距離方法之間的矛盾導致哈勃常數(shù)的誤差非常巨大，宇宙年齡也籠統(tǒng)在50億年到200億年之間。

    而精確測量哈勃常數(shù)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，得益于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(shù)的不確定度從10%最終降低至3%。依靠哈勃常數(shù)的不斷精確，天文學家終于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，它不僅走入了大眾文化的視野，甚至成為了科幻電影的基本設定。

    1990年哈勃望遠鏡發(fā)射之前，天文學家們只在雙星系統(tǒng)中證實了黑洞的存在。而哈勃望遠鏡在工作卻發(fā)現(xiàn)了星系中心潛藏著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。

    天文學家們后來又用“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(fā)現(xiàn)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(shù)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恒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(shù)美輪美奐的照片更是深深根植于當今人們的文化生活之中。

    如果你在互聯(lián)網(wǎng)搜索“創(chuàng)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(jīng)叛道的金屬樂隊的名字，無處不在的“哈勃”衍生品向我們展示著，哈勃望遠鏡已不僅僅是科學的象征，更是聯(lián)系了普通公眾與遙遠宇宙認知的紐帶。

創(chuàng)生之柱 / NASA

    距離2009年哈勃望遠鏡最后一次維修已過去了11年，隨著它的繼任者——韋布太空望遠鏡（JWST）的整裝待發(fā)，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復制，在人類探索宇宙的歷史上留下了珍貴的一筆，永遠流傳……

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

    了解哈勃更多精彩經(jīng)歷與偉大成就，閱讀《中國國家天文》2020第3期。

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。

    感謝茍利軍研究員對本文的指導。

原文鏈接：《全民偶像：哈勃時代30年》

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