“哈勃”，25岁生日快乐

1990年4月25日清晨，美国佛罗里达州卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心，数百名天文学家和技术专家翘首注目。远处，巨大的发射平台上，“发现号”航天飞机如同展翼欲升的鲲鹏，正巍然倚靠在发射塔边。航天飞机此次飞行肩负着重要使命——把耗资巨大、深受世人瞩目的哈勃空间望远镜（HubbleSpace Telescope）送入太空。上午8点34分，随着指令的发出，航天飞机喷云吐焰，在轰鸣声中直上蓝天，标志着人类探索宇宙的历程揭开了新的一页。

“哈勃”的由来

众所周知，天文学的研究以观测为基础。但由于地球大气的吸收，波长在300nm（纳米又称毫微米，长度单位，即十亿分之一米）以下的紫外光波段对地面观测者来说是“盲区”。即使在可见光和近红外波段，由于大气宁静度的制约，通常3米左右口径的大型地面光学望远镜对星象的分辨率很难优于1角秒（量度角度的单位，1度= 60角分=3600角秒）。而在大气层以外的观测则只受衍射极限的限制，角分辨率可比地面观测提高近10倍，达到0.1角秒，这相当于能分辨出约10千米以外的一枚5分硬币。对于天文学上许多悬而未决的“宇宙之谜”来说，高分辨率的观测正是破解谜底的关键，这也是人类不惜工本进行空间天文观测的主要原因。

1923至1924年在威尔逊天文台工作时，一名OLI埃德温·哈勃的天文工作者发现仙女座大星云的12颗造父变星（光变周期与光度成正比的一种变星，可用于测量星际和星系际的距离），根据周光关系（指造父变星具有的光变周期和绝对星等之间的关系），推算出它们位于银河系以外，是与银河系一样的恒星系统，这一发现使哈勃成为星系天文学的奠基人。哈勃空间望远镜（以下简称“哈勃”）便以这位美国天文学家的名字命名，它是由美国国家航空航天局主持建造的四座巨型空间天文台项目中的第一台，也是迄今为止天文观测项目中投资最多、最受关注的项目之一。

“哈勃”是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。它的成功发射，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了更多的认识，是天文史上最重要的仪器之一。

“哈勃”外观像5层楼高的圆筒，它是一座高度自动化的空间天文台，它的主要性能要比通常的地面光学望远镜优越一个量级以上。“哈勃”从1979年蓝图设计到1990年投入观测，若按重量计算，平均每克造价接近130美元，远超黄金的价格。天文学家期望着凭借“哈勃”那锐利无比的“神眼”，去洞察宇宙深层的奥秘，开辟天文观测的黄金时代。

“哈勃”的组成部分

“哈勃”升空时携带的仪器如下：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）和其他一些仪器。

望远镜的光学部分是整个仪器的心脏。“哈勃”采用卡塞格林式反射系统，由两个双曲面反射镜组成，一个是口径2.4米的主镜，另一个是装在主镜前约4.5米处的副镜，口径0.3米。投射到主镜上的光线首先反射到副镜上，然后再由副镜射向主镜的中心孔，穿过中心孔到达主镜的焦面上形成高质量的图像，供各种科学仪器进行精密处理，得出来的数据通过中继卫星系统发回地面。

“哈勃”的工作原理

“哈勃”以2.8万千米的时速沿太空轨道运行，用于从紫外到近红外（波长115—1 0lOnm）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清晰度是地面天文望远镜的10倍以上。每天大约分两次将数据传送至地球同步轨道跟踪与数据中继卫星系统，然后数据再被继续发送至位于新墨西哥州的白沙测试设备，通过位于白沙测试设备的60英尺（18米）直径的高增益微波电线，信息最后被传送到戈达德太空飞行中心和太空望远镜科学研究所处存档。传送来的数据要经过处理才能为天文学家所用。空间望远镜研究所开发了一套软件，能够自动地对数据进行校正，然后利用STSDAS软件来选取所需要的数据。

“哈勃”的五在科学发现

1.从较小结构演化而来的星系

1990年，天文学家探测到红移（是指物体的电磁辐射由于某种原因波长增加的现象）最高为0.7的正常星系，这个数值在宇宙中所对应的距离相当于70亿光年，而“哈勃”的早期观测发现了打破当时纪录的红移为1.5的星系，它所对应的距离超过了90亿光年。天文学家注意到了许多形状怪异的“病态”星系，而正常星系中由恒星形成产生的亮点则清晰可见。2002年“哈勃”高新巡天相机安装到位，拍摄了哈勃超深空区（HUDF）照片，这确认了天文学家并非是因为偶然看到了紧密天体而错失了更大的星系。2009年5月安装到“哈勃”上的大视场照相机3在近红外波段上再一次推进了这一深度观测。由此也发现了红移高达9的天体，它们所对应的时间相当于宇宙诞生之后仅6亿年。

“哈勃”高新巡天相机揭示出了最初宇宙中结构的出现和随后星系演化的动态阶段。在“哈勃”之前，近距离上的星系碰撞只是有趣的个别现象。但是，这些深空图像却显示，在早期宇宙中星系的碰撞并合是家常便饭的事。这为宇宙随着时间在不断发生变化提供了令人信服且直观的证据。

2.超大质量黑洞遍及星系

“哈勃”在被应用于天文观测之前，天文学家只在双星系统中证实存在黑洞。这一系统中一颗恒星爆炸，其核心会坍缩成具有几个太阳质量的黑洞。但天文学家怀疑，质量远大得多的黑洞必定是更强大的“引力引擎”，驱动着由近及远的一系列超高能现象。

为“称量”黑洞，探测隐藏着的或“不发光”的物质是不是超出了恒星所能达到的极限，就需要精密的分光观测。当空间望远镜成像光谱仪（ STIS）在1997年投入运转时，天文学家迅速将其对准了最近的迷你类星体——室女座巨型椭圆星系M87明亮的核心。和更遥远的类星体一样，M87也有一条从它的核心高速射出的喷流，而喷流通常都与黑洞有关。

“哈勃”测得M87核心的质量高达30亿个太阳质量。这些气体的速度表明核心处的质量要远高于仅有恒星聚集所能达到的程度，证实了黑洞的存在。

3.暗能量的存在

“哈勃”曾经的一个重点项目是确定宇宙正在以多快的速度减速。因为在宇宙大爆炸后引力必然会对空间膨胀施加阻力，这就像在斜面上自下而上运动的一个小球，它的速度最终会减小。

但宇宙是否有足够的引力来完全阻止其自身膨胀呢？通过天文学家的研究发现，遥远的超新星比预期的要更为暗弱。这意味着，宇宙正在以比早先更快的速度膨胀。由于天体物理学家还不清楚它的行为是否严格地如宇宙学常数所述，因此这一现象现在只是被称为“暗能量”。

“哈勃”后来又观测到了一颗100亿年前的超新星，进一步支持了宇宙中有暗能量存在的事实。这颗超新星异常的明亮，说明在很久以前宇宙确实是在减速，但此后宇宙的膨胀便开始了加速并一直持续到现在。这一转变大约发生在70亿年前。

从那以后，天文学家进行了更多的观测，期望能更好地确定暗能量的特性，并确认它的行为是否真的像爱因斯坦的宇宙学常数那样。天文学家就此为下一代望远镜提出了一些新的研究方法，其中包括观测更多的超新星以及测量天空中由宇宙大爆炸原初等离子体中的作用力所引发的重子声学振荡。

4.精确测定宇宙膨胀速度

1929年，埃德温·哈勃为宇宙年龄提供了第一个观测证据。他发现距离越远的星系，离开我们的速度越快，比值由哈勃常数给出。这意味空间在往各方向上膨胀。通过精确地测定宇宙膨胀的速度，科学家就可以倒转宇宙时钟，计算出宇宙的年龄。但由此估计出的宇宙年龄的精度会受制于精度较低的距离测量结果，而哈勃常数的精确值则是校准其他宇宙参数的关键。

精确测定哈勃常数成为“哈勃”早期重点项目。此前，宇宙膨胀的速度存在巨大的不确定性。哈勃常数的预估范围在50千米/秒/百万秒差距到100千米/秒/百万秒差距之间。这意味着，宇宙的年龄可以年轻到只有80亿年或者老到160亿年。

上世纪90年代后期，哈勃常数的值精确到了只有大约10%的误差。这使得天文学家能够精确地把宇宙膨胀的速度定在74.3千米/秒/百万秒差距，其不确定性不超过5%。

5.采样术阳系外行星的大气

直到“哈勃”发射升空5年之后，天文学家才在另一颗普通恒星的周围发现了第一颗太阳系外行星。对于当时的地面望远镜而言，外星行星过于暗弱，无法被直接观测到，但它们会造成其宿主恒星规律地摆动，由此泄露了天机。这一现象唯一能提供的信息就是外星行星的轨道周期以及它的粗略质量。

上世纪90年代后期，天文学家已经可以观测到太阳系外行星的凌星（行星从其宿主恒星前方通过）。由于可以在其宿主恒星的映衬下来观测外星行星，这为探测它们的特性提供了可能。天文学家很快就把“哈勃”的独特能力用到了它们身上。“哈勃”对太阳系外行星的大气进行了首次测量，发现外星行星HD209458b的大气中存在钠。在后续的观测中，“哈勃”还发现了凌星行星大气中的二氧化碳、氧和水蒸气。

尽管取得了这些进展，但对外星行星直接成像仍十分困难，甚至对于“哈勃”也是如此。直到2008年，“哈勃”才第一次在可见光波段下拍摄到了一颗年轻气态巨行星。

“哈勃”的未来

如果宇宙也可以做地质切片的话，星空照片就是它最直观的标本。广袤深远的宇宙是一部把时光平摊在空间上的年代记，“哈勃”是它最忠实的记录者。自工作之日起，“哈勃”一次又一次用清晰的图片向世界展现太空惊心动魄的美丽。在25年的勘测历程中，“哈勃”为人类天文探索做出了重要贡献。

对于人类来说，“哈勃”是人类科学的结晶，它让科学的世界真实美丽到如梦似幻。尽管它的服役期已不长，但我们人类驶向辽阔太空的航程才刚刚起步。如今，人类的目光已指向银河深处。建立空间站，漫游太阳系，已不再只是少数先驱者头脑中的理想或科幻小说里的奇景。也许在不远的将来，回首今天，人们会意识到，“哈勃”自身的业绩，正是人类拓展空间疆域历程中坚实的一大步。遗憾的是，“哈勃”退役在即，而它新的继任者詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）将逐步接替“哈勃”的工作。

詹姆斯·韦伯空间望远镜是红外线观测用太空望远镜，是欧洲空间局、美国国家航空航天局和加拿大航天局的合作项目，计划于2018年10月发射升空，放置于太阳一地球的第二拉格朗日点。研究人员计划用它取代哈勃空间望远镜，用以探索远超过目前仪器可观测到的宇宙中最远的对象。“詹姆斯·韦伯”这个名字取自美国国家航空航天局第二任局长詹姆斯·韦伯，他在任期间美国的航天事业揭开了新的篇章，其中包括探测月球和“阿波罗”登月计划等。同“哈勃”相比，“詹姆斯·韦伯”更大、更精密，其主镜片的口径约为6米，是“哈勃”的2.5倍。它能探测到的物体可以比当前最大地面望远镜或空间红外望远镜探测到的物体暗淡400倍。

此外，欧洲空间局于2009年5月14日将赫歇尔空间天文台发射升空，赫歇尔空间天文台是为纪念发现红外线的英国天文学家赫歇尔而命名的。它宽4米，高7.5米，是迄今为止人类发射的最大中远红外线望远镜。“赫歇尔”的镜面直径大大超过“哈勃”，但其只观测红外线，因此在光谱的可见光和紫外线领域无法取代“哈勃”的功能。

“哈勃”十大作品欣赏

1.黑洞碰撞

2004年2月4日，“哈勃”观测到两个星系发生碰撞的情景。碰撞发生时，受强大重力辐射爆作用，其中一个超大质量黑洞被踢出来，而不是按人们所想它们会结合形成一个更大的黑洞。

2.暗能量

2004年2月20日，“哈勃”的观测结果证实爱因斯坦的观点是正确的。正如爱因斯坦所预言，一种叫作“暗能量”的物质作为一种斥力试图与宇宙中的引力达到一种平衡状态。“哈勃”研究人员称，即使爱因斯坦的观点是错误的，宇宙中的暗能量也无法在今后300亿年中摧毁宇宙。

3.草莓之夜

2004年3月4日，“哈勃”拍摄的遥远恒星V838 Mon的光环非常类似于凡·高的油画作品，天文学家把这张照片称为“草莓之夜”。这张照片是由先进勘测相机拍摄的。图中星际灰尘强度来自图片中心位置的红超巨恒星。V838 Mon距离地球20 000光年，处于银河系的边缘。

4.恒星烟花

7月4日是美国的独立日，每年的这个时候美国城市都会燃放烟花庆祝节日。“哈勃”的观测显示，在1 250万光年之遥的NGC 4449矮星系中持续燃放着“恒星烟花”。

5.两个彼此环绕的恒星

2006年12月11日，“哈勃”拍摄到恒星簇Pismis 24位于天蝎星座NGC 6357星云的内核区域，该恒星簇距离地球8 000光年。恒星簇Pismis 24内部多数恒星的质量非常大，并喷射着强烈的紫外线放射线。图像显示该恒星簇中存在着两个彼此环绕的恒星，它们的质量大约都在太阳质量的100倍以上。

6.死亡恒星星系

2007年11月17日，“哈勃”观测到邻近星系中超大质量黑洞释放出超强能量喷射流。当前所观测的星系系统叫作“3C 321”，它的内部包含着两个彼此绕轨道运行的星系。这两个星系中心位置包含着超大质量黑洞。较大星系从中心黑洞喷射出超强能量喷射流，较小星系在这股喷射流中摇摆不定。天文学家将较小星系称为“死亡恒星星系”。据悉，太空和地面望远镜均可观测到这一壮观天文现象。

7.条状螺旋星系

2008年7月29日，“哈勃”在大型星系统计任务中取得了具有纪念意义的重大突破，现已探测发现超过2 000颗螺旋星系。如图所示，这是天文学家所观测到的“条状螺旋星系”。

8.南方风车

2009年11月5日，“哈勃”3号广角相机（WFC3）拍摄到邻近螺旋星系内详细的恒星诞生状态，M83星系具有美丽、弯曲的旋臂结构。M83星系又被称为“南方风车”，它比银河系孕育恒星的速度更快，尤其是内核区域。3号广角相机拍摄到数百个年轻恒星簇、蜂群状远古球状恒星簇和数以万计的单独恒星，其中多数是蓝色超巨大的红巨星。

9.侏罗纪远古星系

2010年2月18日，天文学家通过“哈勃”最新发现太空“侏罗纪远古星系”：一组较小的远古星系等待了100亿年才结合在一起。这些晚熟星系正在以自己的方式形成一个较大的椭圆星系。图中所示的“侏罗纪远古星系”是希克森紧密星系群31中的一部分，距离地球1.66亿光年。

10.超新星爆炸

根据美国国家航空航天局公布的图片显示.2013年8月19日，“哈勃”拍摄的旋涡星系NGC 6984的图像中，发现一颗已经爆发的超新星SN 2012im。

哈勃空间望远镜基本档案

主体长：13.2米

最大直径：4.3米

轨道斜角：28.5度

质量：11 110千克

轨道类型：椭圆

轨道高度：559千米

轨道周期：96—97分钟

轨道速度：28 000千米/时

重力加速度：8.169米/秒2

位置：低地球轨道

望远镜类型：RC反射镜

波段：可见光、紫外线、近红外线

光学主镜口径：2.4米

集光面积：约4.3平方米

焦距：57.6 m

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