哈勃空间望远镜

哈勃空间望远镜，（Hubble Space Telescope，缩写为HST），是以天文学家爱德温·哈勃为名，在轨道上环绕着地球的望远镜，它的位置在地球的大气层之上，因此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，还能观测会被臭氧层吸收的紫外线。它于1990年成功发射，弥补了地面观测的不足，帮助天文学家解决了许多天文学上的基本问题，使得人类对天文物理有更多的认识。是天文史上最重要的仪器之一。2011年11月，借助哈勃空间望远镜，天文学家们首次拍摄到围绕遥远黑洞存在的盘状构造。

哈勃空间望远镜，是以天文学家爱德温·哈勃为名，在地球轨道的望远镜，通光口径2.4m的反射式天文望远镜，用于从紫外到近红外(115—1 010nm) 探测宇宙目标，配备有光谱仪及高速光度计等多种附属设备，由高增益天线通过中继卫星与地面联系，计划工作15年，为纪念E.P.Hubble而得名。

哈勃望远镜接收地面控制中心（美国马里兰州的霍普金斯大学内）的指令并将各种观测数据通过无线电传输回地球。由于它位于地球大气层之上，因此获得了地基望远镜所没有的好处——影像不受大气湍流的扰动、视相度绝佳，且无大气散射造成的背景光，还能观测会被臭氧层吸收的紫外线。

哈勃空间望远镜于1990年发射之后，已经成为天文史上最重要的仪器。它成功弥补了地面观测的不足，帮助天文学家解决了许多天文学上的基本问题，使得人类对天文物理有更多的认识。此外，哈勃的超深空视场则是天文学家目前(2011年）能获得的最深入、也是最敏锐的太空光学影像。

哈勃空间望远镜和康普顿γ射线天文台、钱德拉X光天文台、斯皮策空间望远镜都是美国宇航局大型轨道天文台计划的一部分。哈勃空间望远镜由NASA和ESA合作共同管理。 

哈勃空间望远镜 - 设计理念

哈勃空间望远镜的历史可以追溯至1946年天文学家莱曼·斯必泽（Lyman Spitzer, Jr.）所提出的，在当时以地面为基地的望远镜解析力只有0.5-1.0弧秒，相较下，只要口径2.5米的望远镜就能达到理论上衍射的极限值0.1弧秒。其次，在太空中的望远镜可以观测被大气层吸收殆尽的红外线和紫外线。在1962年美国国家科学院在一份报告中推荐空间望远镜做为发展太空计划的一部分，在1965年斯必泽被任命为一个科学委员会的主任委员，该委员会的目的就是建造一架空间望远镜。

在第二次世界大战时，科学家利用发展火箭技术的同时，曾经小规模的尝试过以太空为基地的天文学。在1946年首度观察到了太阳的紫外线光谱。英国在1962年发射了太阳望远镜放置在轨道上，做为亚利安太空计划的一部分。轨道天文台任务展示了以太空为基地的天文台在天文学上扮演的重要角色，因此在1968年NASA确定了在太空中建造直径3米反射望远镜的计划，当时暂时的名称是大型轨道望远镜或大型空间望远镜（LST），预计在1979年发射。这个计划强调须要有人进入太空进行维护，才能确保这个所费不贷的计划能够延续够长的工作时间；并且同步发展可以重复使用的航天飞机技术，才能使前项计划成为可行的计划。

资金的缩减导致目标项目的减少，镜片的口径也由3米缩为2.4米，以降低成本和更有效与紧密的配置望远镜的硬件。原先计划做为先期测试，放置在卫星上的1.5米空间望远镜也被取消了，对预算表示关切的欧洲航天局也成为共同合作的伙伴。欧洲航天局同意提供经费和一些望远镜上需要的仪器，像是做为动力来源的太阳能电池，回馈的是欧洲的天文学家可以使用不少于15%的望远镜观测时间，让大型空间望远镜开始设计，并计划在1983年发射升空，在1980年初望远镜被命为哈勃，以纪念在20世纪初期发现宇宙膨胀的天文学家艾德温·哈勃。

哈勃空间望远镜 - 设计制造

 马歇尔太空飞行中心（MSFC）负责设计、发展和建造望远镜，金石太空飞行中心（GSFC）负责科学仪器的整体控制和地面的任务控制中心。马歇尔太空飞行中心委托珀金埃尔默设计和制造空间望远镜的光学组件，还有精密定位传感器（FGS），洛克希德被委托建造安装望远镜的太空船。

光学望远镜的组合安装（OTA）

 望远镜的镜子和光学系统是最关键的部分，因此在设计上有很严格的规范。一般的望远镜，镜子在抛光之后的准确性大约是可见光波长的十分之一，但是因为空间望远镜观测的范围是从紫外线到近红外线，所以需要比以前的望远镜更高十倍的解析力，它的镜子在抛光后的准确性达到可见光波长的廿分之一，也就是大约30 纳米。

1979年，珀金埃尔默开始磨制镜片，使用的是超低膨胀玻璃，为了将镜子的重量降至最低，采用蜂窝格子，只有表面和底面各一吋是厚实的玻璃。

镜子的抛光从1979年开始持续到1981年5月，抛光的进度已经落后并且超过了预算，这时NASA的报告才开始对珀金埃尔默的管理结构质疑。为了节约经费，NASA停止支援镜片的制作，并且将发射日期延后至1984年10月。镜片在1981年底全部完成，并且镀上了75 nm厚的铝增强反射，和25 nm厚的镁氟保护层。

太空平台系统

安置望远镜和仪器的太空船是主要工程上的另一个挑战。它必须能胜任与抵挡在阳光与地球的阴影之间频繁进出所造成的温度变化，还要极端的稳定并能长间的将望远镜精确的对准目标。以多层绝缘材料制成的遮蔽物能使望远镜内部的温度保持稳定，并且以轻质的铝壳包围住望远镜和仪器的支架。在外壳之内，石墨环氧的框架将校准好的工作仪器牢固的固定住。

地面支持

在1983年，空间望远镜科学协会（STScI）在经历NASA与科学界之间的权力争夺后成立。空间望远镜科学协会隶属于美国大学天文研究联盟 （AURA），这是由32个美国大学和7个国际会员组成的单位，总部坐落在马里兰州巴尔地摩的约翰·霍普金斯大学校园内。

空间望远镜科学协会负责空间望远镜的操作和将数据交付给天文学家。哈勃望远镜每天24小时不间断的运作，由四个工作团队轮流负责操作。

空间望远镜欧洲协调机构于1984年设立在德国邻近慕尼黑的Garching bei München，为欧洲的天文学家提供相似的支援。

哈勃空间望远镜 - 携带仪器

在发射时，哈勃空间望远镜携带的仪器如下：

广域和行星照相机（WF/PC）
戈达德高解析摄谱仪（GHRS）
高速光度计（HSP）)
暗天体照相机（FOC）
暗天体摄谱仪（FOS）

WF/PC原先计划是光学观测使用的高分辨率照相机。由NASA的喷射推进实验室制造，附有一套由48片光学滤镜组成，可以筛选特殊的波段进行天体物理学的观察。整套仪器使用8片CCD，做出了两架照相机，每一架使用4片CCD。"广域照相机"（WFC）因为视野较广，在解像力上有所损失，而"行星照相机"（PC）以比WFC长的焦距成像，所以有较高的放大率。

GHRS是被设计在紫外线波段使用的摄谱仪，由哥达德太空中心制造，可以达到90,000的光谱分辨率，同时也为FOC和FOS选择适宜观测的目标。FOC和FOS都是哈勃空间望远镜上分辨率最高的仪器。这三个仪器都舍弃了CCD，使用数位光子计数器做为检测装置。FOC是由欧洲航天局制造， FOS 则由Martin Marietta公司制造。

最后一件仪器是由威斯康辛麦迪逊大学设计制造的HSP，它用于在可见光和紫外光的波段上观测变星，和其他被筛选出的天体在亮度上的变化。它的光度计每秒钟可以侦测100,000次，精确度至少可以达到2%。

哈勃空间望远镜的导引系统也可以做为科学仪器，它的三个精细导星传感器（FGS）在观测期间主要用于保持望远镜指向的准确性， 但也能用于进行非常准确的天体测量，测量的精确度达到 0.0003弧秒。

哈勃空间望远镜 - 镜片瑕疵

在望远镜发射数星期之后，传回来的图片显示在光学系统上有严重的问题。虽然，第一张图像看起来比地基望远镜的明锐，但望远镜显然没有达到最佳的聚焦状态，获得的最佳图像品质也远低于当初的期望。点源的影像被扩散成超过一弧秒半径的圆，而不是在设计准则中的标准：集中在直径0.1 弧秒之内，有同心圆的点弥漫函数图像。更详细的资料可以参考以mis-图显示的PSF图表，和地基观测比较的PSF图表。

对图样缺陷的分析显示，问题的根源在主镜的形状被磨错了。虽然，这个差异小于光的1/20波长，只是在边缘太平了一点。镜面与需要的位置只差了微不足道的2微米，但这个差别造成的是灾难性的、严重的球面像差。来自镜面边缘的反射光，不能聚集在与中央的反射光相同的焦点上。

镜子的瑕疵造成的作用是在科学观察的核心观测上，核心像差的PSF要足够的明锐到足以进行高解析的分辨，但对明亮的天体和光谱分析是不受影响的。虽然，在外围损失大片的光因为不能汇聚在焦点上而造成晕像，严重的减损了望远镜观察暗天体或高反差的影像的能力。这意味着几乎所有对宇宙学的研究计划都不能执行，因为她们都是非常暗弱的观测对象。美国国家航空航天局和哈勃空间望远镜成为许多笑话的箭靶，并且被认为是大白象（花费大而无用的东西）。

问题的根源

从点源的图像往回追溯，天文学家确定镜面的圆锥常数是-1.01324，而不是原先期望的 -1.00230。

通过分析珀金埃尔默的零校正器(精确测量抛光曲面的仪器)和分析在地面测试镜子的干涉图影像，也获得了相同的数值。

由喷射推进实验室主任，亚伦领导的委员会，确定了错误是如何发生的。亚伦委员会发现珀金埃尔默使用的零校正器在装配上发生了错误，它的向场透镜位置偏差了1.3 mm。

在抛光镜子的期间，珀金埃尔默使用另外二架零校正器，两者都(正确的)显示镜子有球面像差。

委员会指出失败的主因是珀金埃尔默。美国航空暨太空总署发现珀金埃尔默并不认为镜子的制做在他们的业务中是关键性的困难工作，而美国航空暨太空总署也未能在抛光之前善尽本身的职责。

解决方案

望远镜的设计中原本就规画了维修的任务，所以天文学家立刻就开始寻找可以在1993年，预定进行第一次维修任务时解决问题的方案。

由于原本仪器的设计方式，必须要两套不同的校正仪器。广域和行星照相机的设计包括转动的镜片和直接进入两架照相机的8片独立CCD芯片的光线，可以用一个反球面像差的镜片完全的消除掉它们表面上的主要变形。[14] 修正镜被固定在替换的第二代广域和行星照相机内(由于进度和预算的压力，只修正4片CCD而不是8片)。但是，其他的仪器就缺乏任何可以安置的中间表面，因此必须要一个外加的修正装置。

设计用来改正球面像差的仪器称为“空间望远镜光轴补偿校正光学(COSTAR)”，基本上包含两个在光路上的镜子，其中一个将球面像差校正过来，光线被聚焦给暗天体照相机、暗天体光谱仪和高达德高解析摄谱仪。

哈勃空间望远镜 - 维护任务

首次维护

在设计上，哈勃空间望远镜必须定期的进行维护，但是在镜子的问题明朗化之后，第一次的维护就变得非常重要，因为太空人必须全面性的进行望远镜光学系统安装和校正的工作。被选择执行任务的七位太空人，接受近百种被专门设计的工具使用的密集训练。由奋进号在1993年12月的STS-61航次中，于10天之中重新安装了几件仪器和其他的设备。在1994年的1月13日，美国国家航空航天局宣布任务获得完全的成功，并显示出许多新的图片。这次承担的任务非常复杂，共进行了五次航天飞机船舱外的活动，它的回响除了对美国国家航空航天局给予极高的评价外，也带给天文学家一架可以充分胜任太空任务的望远镜。

第二次维护

第二次维护任务由发现号在1997年2月的STS-82航次中执行，以空间望远镜影像摄谱仪（STIS）和近红外线照相机和多目标分光仪（NICMOS）替换掉戈达德高解析摄谱仪（GHRS）和暗天体摄谱仪（FOS）；以一台新的固态记录器替换工程与科学录音机，修护了绝热毯和再提升哈勃的轨道。近红外线照相机和多目标分光仪包含由固态氮做成的吸热器以减少来自仪器的热噪声，但在安装之后部分来自吸热器的热扩散却意料之外的进入光学挡板，这额外增加的热量导致仪器的寿命由原先期望的4.5年缩短为2年。

第三次(3A)

在六台陀螺仪中的三台故障之后（第4台在任务之前几个星期故障，使望远镜不能胜任执行科学观察），第三次维护任务仍然由发现号在1999年12月的STS-103航次中执行。在这次维护中更换了全部的六台陀螺仪，也更换了一个精细导星传感器和计算机，安装一套组装好的电压/温度改善工具（VIK）以防止电池的过热，并且更换绝热的毯子。新的计算器是能在低温辐射下运作的英特尔486，可以执行一些过去必须在地面处理的与太空船有关的计算工作。

第四次(3B)

第四次维护任务由哥伦比亚号在2002年3月的STS-109航次中执行，以先进巡天照相机（ACS）替换了暗天体照相机（FOC），并且查看了冷却剂已经在1999年耗尽的近红外线照相机和多目标分光仪（NICMOS）。更换了新的冷却系统之后，虽然还不能达到原先设计时预期的低温，但已经冷到足以继续工作了。在这次任务中再度更换了太阳能板。新的太阳能板是为铱卫星发展出来的，大小只有原来的三分之二，除了可以有效的减少稀薄大气层带来的阻力，还能多供应30%的动力。这多出来的动力使得哈勃空间望远镜上所有的仪器可以同时运作，并且因为较为柔软，还消除了老旧的太阳能板因为进出阳光照射区域会产生震动的问题。为了改正继电器迟滞的问题，哈勃的配电系统也被更新了。这是哈勃空间望远镜升空之后，首度能完全的应用所获得的电力。其中影响最大的两架仪器，先进巡天照相机和近红外线照相机和多目标分光仪，在2003至2004年间共同完成了哈勃超深空视场。

最近维护（SM4）

最近一次的哈勃维修任务原本安排在2008年8月，太空人将更换新的电池和陀螺仪。更换精细导星传感器（FGS）并修理空间望远镜影像摄谱仪（STIS）。他们也会安装二架新的仪器：宇宙起源频谱仪和第三代广域照相机，但是可能不会重置或替换先进巡天照相机。然而美国国家航空航天局于2008年9月宣布哈勃空间望远镜上的数据处理系统出现严重故障，无法正常存储观测数据并传回地球，而且哈勃太空任务高度与国际太空站距离十分远，太空人在紧急情况下未能找到有效安全避难处，这使得维护哈勃望远镜变为一项极度危险的任务。经过美国国家航空航天局考虑后，因此原定的维修任务将推迟于2009年5月进行。更会以另一艘航天飞机于发射台待命以为安全之计。而这将会是哈勃空间望远镜最后一次的维护任务，会将哈勃空间望远镜的寿命延长至2013年。让将于2011年发射的詹姆斯韦布空间望远镜能接续哈勃空间望远镜的天文任务。但若任务失败的话，哈勃空间望远镜将于2010年坠入大气层报销。

哈勃空间望远镜 - 科学成就

宇宙年龄

恒星形成

恒星死亡

黑洞

宇宙学