哈勃空間望遠(yuǎn)鏡

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡1990年美國(guó)研制發(fā)射空間望遠(yuǎn)鏡01項(xiàng)目簡(jiǎn)介發(fā)射歷程參數(shù)特點(diǎn)研制歷程在軌運(yùn)行科研成果目錄030502040607問(wèn)題維修價(jià)值意義存在問(wèn)題設(shè)備評(píng)價(jià)目錄0908010基本信息哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（英語(yǔ)：HubbleSpaceTelescope，縮寫：HST）是以美國(guó)天文學(xué)家愛德溫·哈勃為名，于1990年4月24日成功發(fā)射，位于地球的大氣層之上的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。哈勃望遠(yuǎn)鏡由美國(guó)宇航局研制而成，其主鏡長(zhǎng)2.4米，以2.8萬(wàn)公里/小時(shí)的速度圍繞地球運(yùn)行。截至2015年，雖然哈勃望遠(yuǎn)鏡的費(fèi)用累積已達(dá)100億美元，但它帶來(lái)的成就也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了預(yù)期。它在服役期間，不但幫助天文學(xué)家解決了一些長(zhǎng)期困惑的問(wèn)題，還引導(dǎo)天文學(xué)界用新的理論來(lái)解釋一些現(xiàn)象，推動(dòng)了天文科學(xué)的進(jìn)步，從根本上改變了人類對(duì)宇宙天體的認(rèn)識(shí)。2019年5月，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)家公布了最新的宇宙照片——“哈勃遺產(chǎn)場(chǎng)”(HLF)，這是迄今最完整最全面的宇宙圖譜，由哈勃在16年間拍攝的7500張星空照片拼接而成，包含約個(gè)星系，其中有些已至少133億歲“高齡”，對(duì)其進(jìn)行研究有助于科學(xué)家深入了解更早的宇宙歷史。2021年6月19日，據(jù)法新社報(bào)道，美國(guó)宇航局NASA表示，已經(jīng)觀測(cè)宇宙30多年的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡過(guò)去幾天處于停機(jī)狀態(tài)，原因是一個(gè)有效載荷計(jì)算機(jī)從13日起停止了工作。項(xiàng)目簡(jiǎn)介項(xiàng)目簡(jiǎn)介哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（英語(yǔ)：HubbleSpaceTelescope，HST），是以天文學(xué)家愛德溫·哈勃為名，在地球軌道的望遠(yuǎn)鏡。哈勃望遠(yuǎn)鏡接收地面控制中心（美國(guó)馬里蘭州的霍普金斯大學(xué)內(nèi)）的指令并將各種觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線電傳輸回地球。由于它位于地球大氣層之上，因此獲得了地基望遠(yuǎn)鏡所沒有的好處：影像不受大氣湍流的擾動(dòng)、視相度絕佳，且無(wú)大氣散射造成的背景光，還能觀測(cè)會(huì)被臭氧層吸收的紫外線。于1990年發(fā)射之后，已經(jīng)成為天文史上最重要的儀器。它成功彌補(bǔ)了地面觀測(cè)的不足，幫助天文學(xué)家解決了許多天文學(xué)上的基本問(wèn)題，使得人類對(duì)天文物理有更多的認(rèn)識(shí)。此外，哈勃的超深空視場(chǎng)則是天文學(xué)家目前能獲得的最深入、也是最敏銳的太空光學(xué)影像。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和康普頓γ射線天文臺(tái)、錢德拉X光天文臺(tái)、斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡都是美國(guó)國(guó)家航空航天局大型軌道天文臺(tái)計(jì)劃的一部分。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡由NASA和ESA合作共同管理。研制歷程理論基礎(chǔ)設(shè)計(jì)制造前期準(zhǔn)備研制歷程理論基礎(chǔ)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的歷史可以追溯至1946年天文學(xué)家萊曼·斯皮策（LymanSpitzer,Jr.）所提出的論文：《在地球之外的天文觀測(cè)優(yōu)勢(shì)》。在文中，他指出在太空中的天文臺(tái)有兩項(xiàng)優(yōu)于地面天文臺(tái)的性能。首先，角分辨率（物體能被清楚分辨的最小分離角度）的極限將只受限于衍射，而不是由造成星光閃爍、動(dòng)蕩不安的大氣所造成的視象度。在當(dāng)時(shí)，以地面為基地的望遠(yuǎn)鏡解析力只有0.5-1.0弧秒，相較下，只要口徑2.5米的望遠(yuǎn)鏡就能達(dá)到理論上衍射的極限值0.1弧秒。其次，在太空中的望遠(yuǎn)鏡可以觀測(cè)被大氣層吸收殆盡的紅外線和紫外線。

斯皮策以空間望遠(yuǎn)鏡為事業(yè)，致力于空間望遠(yuǎn)鏡的推展。在1962年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院在一份報(bào)告中推薦空間望遠(yuǎn)鏡做為發(fā)展太空計(jì)劃的一部分，在1965年，斯皮策被任命為一個(gè)科學(xué)委員會(huì)的主任委員，該委員會(huì)的目的就是建造一架空間望遠(yuǎn)鏡。在第二次世界大戰(zhàn)時(shí)，科學(xué)家利用發(fā)展火箭技術(shù)的同時(shí)，曾經(jīng)小規(guī)模的嘗試過(guò)以太空為基地的天文學(xué)。在1946年，首度觀察到了太陽(yáng)的紫外線光譜。英國(guó)在1962年發(fā)射了太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡放置在軌道上，做為亞利安太空計(jì)劃的一部分。1966年NASA進(jìn)行了第一個(gè)軌道天文臺(tái)（OAO）任務(wù)，但第一個(gè)OAO的電池在三天后就失效，中止了這項(xiàng)任務(wù)了。第二個(gè)OAO在1968至1972年對(duì)恒星和星系進(jìn)行了紫外線的觀測(cè)，比原先的計(jì)劃多工作了一年的時(shí)間。前期準(zhǔn)備軌道天文臺(tái)計(jì)劃的成功，鼓舞了越來(lái)越強(qiáng)的公眾輿論支持大型空間望遠(yuǎn)鏡應(yīng)該是天文學(xué)領(lǐng)域內(nèi)重要的目標(biāo)。在1970年NASA設(shè)立了兩個(gè)委員會(huì)，一個(gè)規(guī)劃空間望遠(yuǎn)鏡的工程，另一個(gè)研究空間望遠(yuǎn)鏡任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)。在這之后，NASA下一個(gè)需要排除的障礙就是資金的問(wèn)題，因?yàn)檫@比任何一個(gè)地面上的天文臺(tái)所耗費(fèi)的資金都要龐大許多倍。美國(guó)的國(guó)會(huì)對(duì)空間望遠(yuǎn)鏡的預(yù)算需求提出了許多的質(zhì)疑，為了與裁軍所需要的預(yù)算對(duì)抗，當(dāng)時(shí)就詳細(xì)的列出了望遠(yuǎn)鏡的硬件需求以及后續(xù)發(fā)展所需要的儀器。在1974年，在裁減政府開支的鼓動(dòng)下，杰拉爾德·福特剔除了所有進(jìn)行空間望遠(yuǎn)鏡的預(yù)算。為回應(yīng)此，天文學(xué)家協(xié)調(diào)了全國(guó)性的游說(shuō)努力。許多天文學(xué)家親自前往拜會(huì)眾議員和參議員，并且進(jìn)行了大規(guī)模的信件和文字宣傳。國(guó)家科學(xué)院出版的報(bào)告也強(qiáng)調(diào)空間望遠(yuǎn)鏡的重要性，最后參議院決議恢復(fù)原先被國(guó)會(huì)刪除的一半預(yù)算。資金的縮減導(dǎo)致目標(biāo)項(xiàng)目的減少，鏡片的口徑也由3米縮為2.4米，以降低成本和更有效與緊密的配置望遠(yuǎn)鏡的硬件。原先計(jì)劃做為先期測(cè)試，放置在衛(wèi)星上的1.5米空間望遠(yuǎn)鏡也被取消了，對(duì)預(yù)算表示關(guān)切的歐洲空間局也成為共同合作的伙伴。歐洲空間局同意提供經(jīng)費(fèi)和一些望遠(yuǎn)鏡上需要的儀器，像是做為動(dòng)力來(lái)源的太陽(yáng)能電池，回饋的是歐洲的天文學(xué)家可以使用不少于15%的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)時(shí)間。在1978年，美國(guó)國(guó)會(huì)撥付了36,000,000元美金，讓大型空間望遠(yuǎn)鏡開始設(shè)計(jì)，并計(jì)劃在1983年發(fā)射升空。設(shè)計(jì)制造1979年5月，在康涅狄格州丹柏立的珀金埃爾默公司拋光中的哈勃主鏡。出現(xiàn)在圖中的是服務(wù)于該公司的工程師馬丁椰林博士?？臻g望遠(yuǎn)鏡的計(jì)劃一經(jīng)批準(zhǔn)，計(jì)劃就被分割成許多子計(jì)劃分送各機(jī)關(guān)執(zhí)行。馬歇爾太空飛行中心（MSFC）負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、發(fā)展和建造望遠(yuǎn)鏡，金石太空飛行中心（GSFC）負(fù)責(zé)科學(xué)儀器的整體控制和地面的任務(wù)控制中心。馬歇爾太空飛行中心委托珀金埃爾默（Perkin-Elmer）設(shè)計(jì)和制造空間望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)組件，還有精密定位感測(cè)器（FGS），洛克希德被委托建造安裝望遠(yuǎn)鏡的太空船。望遠(yuǎn)鏡的鏡子和光學(xué)系統(tǒng)是最關(guān)鍵的部分，因此在設(shè)計(jì)上有很嚴(yán)格的規(guī)范。一般的望遠(yuǎn)鏡，鏡子在拋光之后的準(zhǔn)確性大約是可見光波長(zhǎng)的十分之一，但是因?yàn)榭臻g望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的范圍是從紫外線到近紅外線，所以需要比以前的望遠(yuǎn)鏡更高十倍的解析力，它的鏡子在拋光后的準(zhǔn)確性達(dá)到可見光波長(zhǎng)的廿分之一，也就是大約30納米。珀金埃爾默刻意使用極端復(fù)雜的電腦控制拋光機(jī)研磨鏡子，但卻在最尖端的技術(shù)上出了問(wèn)題；柯達(dá)被委托使用傳統(tǒng)的拋光技術(shù)制做一個(gè)備用的鏡子（柯達(dá)的這面鏡子現(xiàn)在永久保存在史密松寧學(xué)會(huì)）。1979年，珀金埃爾默開始磨制鏡片，使用的是超低膨脹玻璃，為了將鏡子的重量降至最低，采用蜂窩格子，只有表面和底面各一吋是厚實(shí)的玻璃。發(fā)射歷程發(fā)射歷程1990年4月24日，在美國(guó)肯尼迪航天中心由“發(fā)現(xiàn)者”號(hào)航天飛機(jī)成功發(fā)射

，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的主要任務(wù)是：探測(cè)宇宙深空，解開宇宙起源之謎，了解太陽(yáng)系、銀河系和其他星系的演變過(guò)程

。早在1986年，就已經(jīng)計(jì)劃在當(dāng)年10月份發(fā)射哈勃空間望遠(yuǎn)鏡。但是挑戰(zhàn)者號(hào)的事故使美國(guó)的太空計(jì)劃停滯不前，航天飛機(jī)的暫停升空，迫使哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射延遲了數(shù)年。望遠(yuǎn)鏡和所有的附件都必須分門別類的儲(chǔ)藏在無(wú)塵室內(nèi)，直到能夠排出發(fā)射的日期，這也使得已經(jīng)超支的總成本更為高漲。最后，隨著航天飛機(jī)在1988年再度開始升空，望遠(yuǎn)鏡也預(yù)定在1990年發(fā)射。在發(fā)射前的最后準(zhǔn)備，用氮?dú)鈬娚溏R面以除去可能累積的灰塵，并且對(duì)所有的系統(tǒng)進(jìn)行廣泛的測(cè)試。終于，在1990年4月24日由發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)，于STS-31航次將望遠(yuǎn)鏡成功的送入計(jì)劃中的軌道。從它原始的總預(yù)算，大約4億美金，到現(xiàn)在的花費(fèi)超過(guò)25億美金，哈勃的成本依然在不斷的累積與增高。美國(guó)政府估計(jì)的開銷將高達(dá)45至60億美金，歐洲所挹注的資金也高達(dá)6億歐元（1999年的估計(jì)）。在軌運(yùn)行維修維護(hù)攜帶儀器在軌運(yùn)行攜帶儀器在發(fā)射時(shí)，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡攜帶的儀器如下：WF/PC原先計(jì)劃是光學(xué)觀測(cè)使用的高分辨率照相機(jī)。由NASA的噴射推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室制造，附有一套由48片光學(xué)濾鏡組成，可以篩選特殊的波段進(jìn)行天體物理學(xué)的觀察。整套儀器使用8片CCD，做出了兩架照相機(jī)，每一架使用4片CCD。"廣域照相機(jī)"（WFC）因?yàn)橐曇拜^廣，在解像力上有所損失，而"行星照相機(jī)"（PC）以比WFC長(zhǎng)的焦距成像，所以有較高的放大率。GHRS是被設(shè)計(jì)在紫外線波段使用的攝譜儀，由哥達(dá)德太空中心制造，可以達(dá)到90,000的光譜分辨率，同時(shí)也為FOC和FOS選擇適宜觀測(cè)的目標(biāo)。FOC和FOS都是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡上分辨率最高的儀器。這三個(gè)儀器都舍棄了CCD，使用數(shù)位光子計(jì)數(shù)器做為檢測(cè)裝置。FOC是由歐洲空間局制造，F(xiàn)OS則由馬丁·瑪麗埃塔公司制造。最后一件儀器是由威斯康辛麥迪遜大學(xué)設(shè)計(jì)制造的HSP，它用于在可見光和紫外光的波段上觀測(cè)變星，和其他被篩選出的天體在亮度上的變化。它的光度計(jì)每秒鐘可以偵測(cè)100,000次，精確度至少可以達(dá)到2%。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的導(dǎo)引系統(tǒng)也可以做為科學(xué)儀器，它的三個(gè)精細(xì)導(dǎo)星感測(cè)器（FGS）在觀測(cè)期間主要用于保持望遠(yuǎn)鏡指向的準(zhǔn)確性，但也能用于進(jìn)行非常準(zhǔn)確的天體測(cè)量，測(cè)量的精確度達(dá)到0.0003弧秒。維修維護(hù)1993年，宇航員在哈勃第一次維修任務(wù)中移除了廣角和行星照相儀，并安裝了功能更強(qiáng)大的“后繼者”——2號(hào)廣角和行星照相儀

。1997年2月11日凌晨，美國(guó)7名宇航員搭乘“發(fā)現(xiàn)”號(hào)航天飛機(jī)升空，對(duì)在太空飛行了7年的“哈勃”太空望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行改造。從2月13日深夜到18日凌晨，宇航員為“哈勃”更換了包括近紅外照相機(jī)、多目標(biāo)分光儀和太空望遠(yuǎn)鏡圖像攝譜儀在內(nèi)的11種新設(shè)備，并修補(bǔ)了望遠(yuǎn)鏡上部分剝落的絕緣層

。第三次維護(hù)任務(wù)仍然由發(fā)現(xiàn)號(hào)在1999年12月的STS-103航次中執(zhí)行。在這次維護(hù)中更換了全部的六臺(tái)陀螺儀，也更換了一個(gè)精細(xì)導(dǎo)星傳感器和計(jì)算器，安裝一套組裝好的電壓/溫度改善工具(VIK)以防止電池的過(guò)熱，并且更換絕熱的毯子

。2001年，科學(xué)家利用美國(guó)“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)對(duì)哈勃望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行的第四次維修，安裝測(cè)繪照相機(jī)，更換太陽(yáng)能電池板以及已工作11年的電力控制裝置，并激活了休眠狀態(tài)的近紅外照相機(jī)和多目標(biāo)分光計(jì)

。2009年，美國(guó)利用航天飛機(jī)對(duì)哈勃望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了維護(hù)

。宇航員為哈勃安裝了兩套全新的儀器：宇宙起源光譜儀（COS）和寬視場(chǎng)相機(jī)3，對(duì)望遠(yuǎn)鏡的另外兩臺(tái)儀器——高級(jí)巡天相機(jī)（ACS）和太空望遠(yuǎn)鏡成像光譜儀（STIS）進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)維修，此外，還用新電池替換了哈勃用了18年的舊電池，安裝了6個(gè)負(fù)責(zé)望遠(yuǎn)鏡指向的新陀螺儀，并添加了一套全新的精細(xì)制導(dǎo)系統(tǒng)來(lái)幫助望遠(yuǎn)鏡指向正確的方向

。參數(shù)特點(diǎn)參數(shù)特點(diǎn)哈勃望遠(yuǎn)鏡口徑為2.4米，長(zhǎng)度約16米，帶有多種觀測(cè)暗弱天體的儀器，在地面之上約640公里的軌道上環(huán)繞地球，巡視宇宙。由于它位于大氣層之上，不像地面望遠(yuǎn)鏡飽受大氣湍流擾動(dòng)的影響，極大地拓展了人們對(duì)宇宙的了解

。科研成果科研成果1.增進(jìn)了人類對(duì)宇宙大小和年齡的了解。2.證明某些宇宙星系中央存在超高質(zhì)量的黑洞以及多數(shù)星系的中心都可能存在黑洞。3.在可見光譜范圍內(nèi)，對(duì)宇宙進(jìn)行了最深入的研究，觀察了數(shù)千個(gè)星系，探測(cè)到了宇宙誕生早期的“原始星系”，使天文學(xué)家有可能跟蹤研究宇宙發(fā)展的歷史。4.清楚展現(xiàn)了銀河系中類星體這種最明亮的天體存在的環(huán)境。5.更清晰地闡述了恒星形成的不同過(guò)程。6.對(duì)宇宙誕生早期恒星形成過(guò)程中重元素的組成進(jìn)行了研究，這些元素是行星和生命存在的必要條件。7.展示了死亡恒星周圍氣體殼的復(fù)雜組成。8.對(duì)獵戶星云中年輕恒星周圍的許多塵埃碟進(jìn)行了探測(cè)，說(shuō)明地球所在的銀河系還有可能形成其他行星系統(tǒng)。9.對(duì)千載難逢的慧木相撞進(jìn)行了詳細(xì)觀測(cè)。10.對(duì)火星等太陽(yáng)系行星上的氣候民政部進(jìn)行了研究。11.發(fā)現(xiàn)木星衛(wèi)星木衛(wèi)二和木衛(wèi)三的大氣層中存在氧氣

。問(wèn)題維修問(wèn)題維修從它于1946年的原始構(gòu)想開始，直到發(fā)射為止，建造空間望遠(yuǎn)鏡的計(jì)劃不斷的被延遲和受到預(yù)算問(wèn)題的困擾。在它發(fā)射之后，立即發(fā)現(xiàn)主鏡有球面像差，嚴(yán)重的降低了望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)能力。幸好在1993年的維修任務(wù)之后，望遠(yuǎn)鏡恢復(fù)了計(jì)劃中的品質(zhì)，并且成為天文學(xué)研究和推展公共關(guān)系最重要的工具。

哈勃的未來(lái)依靠后續(xù)的維修任務(wù)是否成功，維持穩(wěn)定的幾個(gè)陀螺儀已經(jīng)損壞，至2007年，連備用的也已經(jīng)耗盡，而且另一架用于指向的望遠(yuǎn)鏡功能也在衰減中。陀螺儀必須要以人工進(jìn)行維修，在2007年1月30日，主要的先進(jìn)巡天照相機(jī)（ACS）也停止工作，在執(zhí)行人工維修之前，只有超紫外線的頻道能夠使用。另一方面，如果沒有再提升來(lái)增加軌道高度，阻力會(huì)迫使望遠(yuǎn)鏡在2010年重返大氣層。自從2003年航天飛機(jī)哥倫比亞不幸事件之后，由于國(guó)際太空站和哈勃不在相同的高度上，使得太空人在緊急狀況下缺乏安全的避難場(chǎng)所，因而NASA認(rèn)為以載人太空任務(wù)去維修哈勃望遠(yuǎn)鏡是不合情理的危險(xiǎn)任務(wù)。NASA在重新檢討之后，執(zhí)行長(zhǎng)麥克格里芬在2006年10月31日決定以亞特蘭大進(jìn)行最后一次的哈勃維修任務(wù)，任務(wù)的時(shí)間安排在2008年9月11日，基于安全上的考量，屆時(shí)將會(huì)讓發(fā)現(xiàn)號(hào)在LC-39B發(fā)射臺(tái)上待命，以便在緊急情況時(shí)能提供救援。計(jì)劃中的維修將能讓哈勃空間望遠(yuǎn)鏡持續(xù)工作至2013年。如果成功了，后繼的詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）應(yīng)該已經(jīng)發(fā)射升空，可以銜接得上任務(wù)了。韋伯空間望遠(yuǎn)鏡在許多研究計(jì)劃上的功能都遠(yuǎn)超過(guò)哈勃，但將只觀測(cè)紅外線，因此在光譜的可見光和紫外線領(lǐng)域內(nèi)無(wú)法取代哈勃的功能。存在問(wèn)題存在問(wèn)題在望遠(yuǎn)鏡發(fā)射數(shù)星期之后，傳回來(lái)的圖片顯示在光學(xué)系統(tǒng)上有嚴(yán)重的問(wèn)題。雖然，第一張圖像看起來(lái)比地基望遠(yuǎn)鏡的明銳，但望遠(yuǎn)鏡顯然沒有達(dá)到最佳的聚焦?fàn)顟B(tài)，獲得的最佳圖像品質(zhì)也遠(yuǎn)低于當(dāng)初的期望。點(diǎn)源的影像被擴(kuò)散成超過(guò)一弧秒半徑的圓，而不是在設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中的標(biāo)準(zhǔn)：集中在直徑0.1弧秒之內(nèi)，有同心圓的點(diǎn)彌漫函數(shù)圖像。對(duì)圖樣缺陷的分析顯示，問(wèn)題的根源在主鏡的形狀被磨錯(cuò)了。鏡面邊緣太平了一些，與需要的位置差了約2.2微米，但這個(gè)差別造成的是災(zāi)難性的、嚴(yán)重的球面像差。來(lái)自鏡面邊緣的反射光，不能聚集在與中央的反射光相同的焦點(diǎn)上。鏡子的瑕疵造成的作用是在科學(xué)觀察的核心觀測(cè)上，核心像差的PSF要