按計劃，本期應該更新“哈勃”望遠鏡的通信系統。但時值“哈勃”升空30週年，我們還是簡單聊一下“哈勃”給我們帶來的一些變化吧。
更多的是，希望越來越多的人熱愛“哈勃”，熱愛天文，熱愛物理，熱愛科學。
工程技術—CCD數字成像技術
拍攝海量數據，存儲是個難題。早期成像衛星採用膠捲式相機，要存儲這麼多膠片，就需要把望遠鏡造得十分巨大，然而那時的大推力運載火箭技術不成熟，這就死死卡住瞭望遠鏡的拍攝效率。為此，美國人發明了不用膠捲的CCD數字成像技術。
早期美國偵察衛星為返回式，拍攝照片量小，在軌時間短。CCD成像技術成熟之後，出現了鎖眼-9和鎖眼-11，鎖眼-9發射失敗，鎖眼-11就是“哈勃”的姊妹。有關“哈勃”和“鎖眼”之間的關係，請看往期文章“從哈勃到哈勃深空場（十）—是哈勃也是鎖眼，望遠鏡有顆間諜（衛星）心”。
在“從哈勃到哈勃深空場（九）—坎坷的十年”中我們聊到，太空偵察的早期，為了能夠把相機膠捲運回地面，衛星被設計成返回式的。返回式衛星的典型特徵就是長得太像洲際導彈彈頭了，因為二者都要面臨從外層空間重返大氣層，鈍頭體設計（可以參考往期系列文章“淺析再入式航天器鈍頭體設計 1，淺析再入式航天器鈍頭體設計 2”）是不可避免的。
“哈勃”望遠鏡的眼睛是被稱為巡天照相機（Advanced Camera for Surveys，ACS），ACS由大視場照相機（Wide Field Camera，WFC）、高分辨率照相機（High Resolution Camera，HRC），以及太陽目眩照相機（Solar Blind Camera，SBC）組成。其中每一臺設備都是為不同的觀測精心設計的，儘管太陽目眩照相機聽起來很刺激，但它並不是用來觀測太陽的。這張照片是宇航員傑弗裡霍夫曼（Jeffrey Hoffman）在1993年12月的第一次哈勃維修任務（SM1）中拍攝，他正在拆除第一代大視場照相機（WFPC 1）。圖片來源：NASA。
“哈勃”望遠鏡中被委以重任的當屬大視場照相機WFC，它的設計原則就是儘可能多的收集和分析來自遙遠星體所發出的光。核心部件是兩塊耦合在一起的CCD。圖中一名技術人員手持“哈勃”望遠鏡的CCD設備（照片來自NASA/ESA and the ACS Science Team）。
如今，CCD技術飛入尋常百姓家。現在我們手中的數碼照相機、攝像機、手機都裝上了CCD設備，照片不再需要衝印，放到電腦上即刻就可以通過互聯網傳向世界各地，這也可以說是“哈勃”給我們的生活帶來的改變。
工程技術—中繼衛星
在距地550公里近地軌道上的“哈勃”繞地球一圈大概90多分鐘，路過美國上空的時間很短，儘管美國有遍佈全球的軍事基地和觀測站，但是增設觀測站和運營維護將是一筆巨大的開支。
為此1983年4月，美國在航天飛機第六次飛行任務STS－6中部署了首顆中繼衛星TDRS－1。儘管此次發射並不完美，TDRS－1還是在軌工作了26年，直到2009年10月才退役，並於次年6月停用。遺憾的是第二顆一代TDRS衛星TDRS－B搭乘挑戰者號航天飛機在STS－51－L任務中解體。
現在中美俄日歐都建立了自己的中繼衛星網，它們跟蹤、測定中、低軌道衛星，實時轉發遙感、遙測數據，承擔著國際空間站和載人飛船的通信和數據傳輸中繼業務。
神舟五號任務時，中國還沒有自己的中繼衛星，因而楊利偉上天后我們與之通訊除了幾艘派到外面的遠望測量船就只能依賴本土的幾個測控站，這就使得與楊利偉的通話有著嚴格的時間限制。2003年10月15日17時26分，在神舟五號飛船飛行第六圈時，楊利偉與時任國防部長曹剛川通話，這次通話時間很短，以致楊利偉簡短彙報任務後就必須結束通話。
三個小時後，飛船飛行第八圈，楊利偉與家人通話，這次通話只持續了不到五分鐘。在這短短的幾分鐘之外，他是沒有辦法與地面取得聯繫的，只能一個人蜷縮在狹小的飛船艙內，默默承受著孤獨與恐懼，熬到下一個通信窗口。
神舟五號返回後，我們隨即立項“天鏈工程”，建立自己的中繼衛星網絡。2008年4月25日23時35分第一顆中繼衛星“天鏈01星”由長三丙火箭送入同步軌道，天鏈衛星正式組網。
2012年7月25日隨著“天鏈一號03”星入軌，我們的“天鏈”中繼衛星系統全面建成，實現全軌道覆蓋。
“天鏈”組網第二年，2013年6月20日的神舟10號，女航天員王亞平給全國中小學生通過央視直播的方式，進行了長達51分鐘的太空授課，51分鐘，飛船繞地球轉了多半圈了。
科學探索—估算宇宙年齡
宇宙的年齡一直是人類孜孜以求的謎題，這裡說的宇宙的年齡是以我們地球為參考系，自宇宙大爆炸那一刻起到現在，所流逝的時間的總和。
如果您看過《從哈勃到哈勃深空場（二）—膨脹在氣球上的宇宙》您一定對哈勃定律不陌生，“哈勃”望遠鏡就是以哈勃定律的發現者愛德文·哈勃命名。在這篇文章中我們詳細聊了哈勃定律，造父變星測距法以及宇宙膨脹理論，在後續文章《從哈勃到哈勃深空場（四）—'A Day Without Yesterday'》中我們又詳細介紹了宇宙大爆炸理論的發現歷程。
哈勃發現視向速度和星系距離成正比例關係，這就是大名鼎鼎的哈勃定律：V=HD，這裡V表示星系遠離我們的退行速度，D表示星系的距離，H表示哈勃常數，也就是說星系的退行速度與距離之比是一個定值，這個定值就是哈勃常數。
哈勃定律直接從實驗觀測證明了宇宙是處於膨脹中的，這推翻了愛因斯坦的宇宙學常數假設（不同於現在的宇宙學常數）。這個膨脹速率就是哈勃常數H。
既然宇宙是在膨脹中的，而且膨脹的速率又是一個常數，一個定值，那我們就可以計算宇宙從一個點膨脹到現在這個樣子所需要的時間。這個時間其實很好計算，就是哈勃常數的倒數，用1除以哈勃常數，得到的數值其實就是宇宙的年齡。只要這個哈勃常數測量得越精確，那麼宇宙的年齡也就會被計算得越精確。
早期真人愛德文·哈勃用肉眼觀測了上百個星系中的造父變星，通過估算紅移大小得到了一個哈勃常數，當時得到的哈勃常數誤差較大。現在，有了哈勃太空望遠鏡，我們觀測星系紅移等規律的手段上了一個新臺階。
2009年，“哈勃”望遠鏡通過對NGC 4258中造父變星周光關係測量，取得了更為精確的哈勃常數：72±8。
NGC 4258（也稱為M106）是一個位於獵犬座螺旋星系，它由法國天文學家皮埃爾·梅香（Pierre Méchain）於1781年所發現，它也是一個賽弗特星系（Seyfert galaxies），由於星系發射出X射線，意謂著有一個超大質量黑洞位於星系的核心。
由哈勃常數計算得到的宇宙年齡是個秒數，需要換算成年。這是筆者用上述哈勃常數自己計算的宇宙年齡，約為137.6億年，與當今世界公認的138.2億年相差僅0.4%。
但是這裡需要大家注意一下，這個計算方法的假定前提是宇宙是勻速膨脹的。如果宇宙不是勻速膨脹的，那麼這個計算結果就有問題了。
現在觀測到的宇宙是加速膨脹的， 更為詭異的是，在不同時期，宇宙加速膨脹的速度還不一樣。
關於宇宙膨脹的問題，我們會在後面詳細講到，它直接引出了當今宇宙學領域中最大的謎題—暗能量。
科學探索—變加速膨脹的宇宙
通過種種努力，人們對造父變星所作的直接觀測將“哈勃常數”限定在了70到75 km/s/Mpc之間，允許有大約5%－10%的誤差。然而天文學家並不感到滿足：5%－10%的誤差使得人們只能估測宇宙年齡，對宇宙膨脹的詳細細節無從瞭解。
關於宇宙膨脹的細節，最初宇宙學家和物理學家認為這個膨脹過程是減速的，因為有萬有引力的作用嘛，它會拉慢宇宙的膨脹速度。
可是隨著天文觀測的深入下去，尤其是“哈勃”、“斯皮策”、“錢德拉”、COBE以及WMAP望遠鏡（往期文章“從哈勃到哈勃深空場（七）—大爆炸與威爾金森微波背景輻射探測器”）的發射，對宇宙膨脹觀測精度的不斷題高，天文學家驚訝地發現，宇宙是在加速膨脹，而且不同時期，宇宙的膨脹速度還不一樣，也就是說宇宙是在變加速膨脹的。
上世紀末，美國加利福尼亞大學伯克利分校的物理學家薩爾·波爾馬特（Saul Perlmutter）研究小組想到了藉助“哈勃”望遠鏡，用Ia型超新星和造福變星相結合的方法得到更為精確的哈勃常數，進一步揭露了宇宙加速膨脹的更多細節。
Ia型超新星爆發過程中，質量極大的白矮星吸取巨星的物質（主要是氫），當達到1.44或3.00個太陽質量時，會引發碳爆轟，這一特殊的核反應方式，使得這類爆炸的恆星在閃耀時本身都擁有相同的亮度，而且非常明亮，足以在更加遙遠得多的距離上被看見。因而Ia型超新星爆發是造父變星之外的另一類常用的宇宙量天尺。
這個小組的測量方式類似於接力賽。他們先用哈勃空間望遠鏡測量了包含Ia型超新星的星系中造父變星的距離，這樣就知道了這個星系到地球的距離，星系中的Ia型超新星和造父變星到地球的距離也就知道了。
利用造父變星法校準了超新星爆發的真實亮度，使得更為明亮的超新星能夠被用作宇宙量天尺，去測量遙遠得多的其他星系的距離。
今天被認為是最優的宇宙距離臺階搭建方式中，利用了視差法、造父變星和Ia型超新星。左邊的虛線框中觀測者利用視差法校準造父變星法，中間的鄰近星系中造父變星被用來校準超新星。而Ia型超新星因為亮度很高，可以延伸到宇宙深處。
由於Ia型超新星比造父變星明亮得多，這個小組用300顆更遙遠的Ia型超新星與已知距離的Ia型超新星作比較，進一步測定它們所屬的那些遙遠星系的距離。
哈勃空間望遠鏡拍攝的星系UGC 9391，是這項新研究中採用的星系之一。這個星系包含兩類“量天尺”——造父變星（紅圈所示）和Ia型超新星（藍色光標所示）——天文學家利用它們計算出了更精確的哈勃常數。圖片來源：NASA/ESA/A. Riess [STScI/JHU]。
哈勃空間望遠鏡拍攝的五顆超新星爆發的圖片，第一行圖片中的箭頭指向爆發的超新星，第二行圖片中箭頭指向的是超新星爆發前/後的宿主星系。圖片來源：NASA; ESA; and A. Riess, STScI。
根據這項觀測結果，這個天文學小組發現宇宙膨脹速率比理論估計快了9%。這一差異意味著，要麼對於宇宙微波背景輻射的觀測是錯的，要麼就是有某種未知的物理現象正在加速空間的膨脹（暗能量？）。
波爾馬特的工作與一年前布萊恩·施密特（Brian Paul Schmidt）得到的宇宙膨脹速率隨時間變化的曲線圖相一致，他們與亞當·里斯（Adam Guy Riess）一起分享了2011年諾貝爾物理學獎。
科學探索—哈勃深空場之恆星的數量堪比沙粒
1995年一個美國天文學研究小組租用了哈勃望遠鏡，與以往不同的是，這個小組選擇了一個頗受爭議的天區進行觀測：位於大熊座的一小片天空中最黑的黑區。所謂黑區，顧名思義就是看上去什麼也沒有的黑黑的區域。
要知道，全世界的天文學家都在排著隊租用哈勃的觀測時間，有多少重要的研究項目因為申請不到哈勃的觀測時間而被擱置。哈勃觀測時間表，安排得滿滿當當。圖片來源：HUBBLESITE。
消息一公佈，舉世譁然，NASA也太不靠譜了吧？！
這一小片黑區有多小呢？用專業一點的術語講是144弧秒，相當於站在一百米開外看一個網球的大小，放在天空中就是一個點的大小，它只佔整個天區的2400萬分之一。圖片來源：NASA；ESA;
更不靠譜的還在後面，這個研究小組租用了整整11天的觀測時間。
原來是美國太空望遠鏡科學研究所所長羅伯特·威廉姆斯（Robert Williams）在搗鬼，他還有另外一個身份：「哈勃深空場」項目的負責人。儘管如此，不少天文學家和媒體預言，哈勃這一天觀測下來，那片黑區什麼也看不見，這次觀測最後會成為一個“笑話”，浪費哈勃寶貴的觀測時間。
就在一片嘲諷之中，“哈勃”上路了，它把鏡頭聚焦到了這片黑黑的區域，從12月18日一直觀測到了12月28日，在這11天當中，哈勃望遠鏡繞地球轉了150多圈，它在四個不同的波段上曝光了342次。曝光的過程中，在宇宙中高速旅行了一百多億年的光子一顆一顆地打在“哈勃”極為靈敏的感光元件上，形成了342張圖像。誰都不會想到，這些光子組成的圖像，將讓全世界的天文學家經受一次革命性的洗禮。
342張圖像合成後的照片就是著名的哈勃深空場，儘管有些不完整，但這恐怕是人類天文學歷史上最為重要的一張照片了。照片中每個小亮點其實都不是一顆星星，而是一整個星系，一個像銀河系這樣包含了上千億顆恆星的星系！
在這樣一個只有2400萬分之一的天區中，“哈勃”就拍攝到了超過3000個星系。
是不是很震撼？！
很早之前觀測就已經證明，宇宙中星系的分佈密度是基本均勻的， 哈勃深空場就告訴天文學家，宇宙中可以被觀測到的星系總數將超過1000億個，在這張照片出來之前，全世界哪怕是最富有想象力的天文學家也只認為宇宙中的星系不會超過千萬個，但是這一次，哈勃太空望遠鏡直接把這個數字推到了1000億的數量級。
如果假設宇宙中所有星系平均大小與我們所在的銀河系一樣，那麼宇宙中平均每個星系就包含了1000億到2000億顆恆星，這樣估算下來，全宇宙中恆星的數量將是1000億乘以1000億！
這個數字我們不大好想象，一個公認的類比是，它差不多是地球上所有沙粒的數量！
儘管難以置信，但它就是哈勃望遠鏡帶給我們的實實在在的觀測事實。
科學探索—哈勃深空場之恆星的誕生、成長、死亡與葬禮
哈勃深空場的海量星系照片讓天文學家對銀河系的演化找到了第一手資料，就像通過觀察三千個人的身高、發育得知一個人一生的成長、發育、死亡一樣。
在同一時刻拍攝到的星系數量足夠多，就能夠知道一個典型星系的演化過程。我們可以觀察其他不同星系的形態，來了解銀河系的過往與未來。
哈勃太空望遠鏡的寬視場相機拍攝到了這張照片，照片中年輕的恆星S106正處於生長旺盛期，它高速噴射出物質，產生髮光、熾熱的氫氣，表明它正在擺脫母塵埃雲逐漸長大，宏達的圖像顯示恆星形成過程有多暴力。圖片來源：NASA；ESA
同樣的故事發生在M83星系的旋臂上，恆星誕生在旋臂紅結所在之處，這裡瀰漫著許多氣態的星雲，新生的小星用它們熾熱的光照亮了整個星雲，藍結是剛形成不久的年輕星族們的聚集地。整個M83星系還處在活躍的發展演化之中。圖片來源：NASA；ESA
有生就有死，星星也難逃這樣的命數。哈勃太空望遠鏡捕捉到了葫蘆星雲中（OH 231.8+04.2）像太陽大小一樣的恆星死亡時候的樣子，這課恆星經歷過從紅巨星到行星狀星雲的快速轉變，在此期間，恆星將外層的氣體和塵埃吹向宇宙空間。這樣的過程很難捕捉到，因為它發生在眨眼之間。圖片來源：NASA；ESA
蝴蝶星雲一直為大家喜愛，然而這種美卻是一種悽美——這是2009年歐空局用哈勃望遠鏡拍攝到的恆星死亡的畫面。星系的中心有兩顆相互纏繞旋轉的恆星，這對恆星在死亡之際拋出灼熱的氣體形成兩極形外觀，它的形狀酷似一直蝴蝶，因而起名為蝴蝶星系。
在勁烈的恆星風的作用下，蝴蝶星雲還在以超乎想象的速度向外擴張。這些塵埃氣體向著太空延伸，最終可能成為孕育新生恆星的原料，開啟下一個輪迴。圖片來源：NASA；ESA
就像人之間的相遇一樣，星系也有相遇的時候，事實上星系的碰撞、合併是宇宙中的主旋律。當兩個星系彼此接近時，原來的形狀就會受到引力作用產生變形。位於天龍座的蝌蚪星系就是兩個星系相撞、變形形成的。看起來像個小蝌蚪，它的尾巴是星系相撞後伸展出的一條塵埃帶，它由氣體、塵埃和星星組成，長達28萬光年。圖片來源：NASA；ESA
科學探索—驚世大碰撞
在從哈勃到哈勃深空場（一）—“男神帶你肉眼看（仙女座）星雲”我們聊到通過光譜分析發現，仙女座星系正在以110 km/s的速度靠近銀河系，並在大約38億年後，與銀河系開始合併。
恐懼中人們不禁好奇，相撞後的銀河系會是什麼樣的呢？
在哈勃望遠鏡升空18週年之際，研究機構向世界公佈了59個星系碰撞的照片，這些照片展示了星系碰撞時如何在前所未有的細節中產生各種各樣的複雜結構。現在宇宙已經膨脹到了一個很大的尺度，星系碰撞發生的不像以前那樣頻繁，畢竟在很久很久（這裡的很久，真的是很久很久）以前，星系與星系之間靠得十分近。圖片來源：NASA；ESA
我們無法知道未來銀河系和仙女座大星系相撞後會是什麼場景，畢竟那是38億年以後的事情了。但是我們可以通過哈勃望遠鏡觀察遠方星系相撞的場景來預知銀河系和仙女座星系在38億年後的邂逅。上圖為哈勃望遠鏡拍攝的星系相撞、融合的不同階段照片。圖片來源：NASA；ESA
根據哈勃望遠鏡的觀測數據，天文學家按葫蘆畫瓢，模擬出銀河系和仙女座星系的驚世大碰撞。從這個角度來說，哈勃望遠鏡為我們打開了一個通向未來的窗口。
尾聲—人文關懷
“哈勃”望遠鏡探索宇宙之路坎坷而崎嶇。一次次的故障伴隨著一次次的航天飛機升空維修。“哈勃”的命運一次次地與世界人民相系相連。這與真人哈勃順風順水的探索生涯形成鮮明對比。
“哈勃”太空望遠鏡自從1990年升空一來，已經成為人類製造的最為高產的科學儀器之一，它帶著我們遊歷神秘的宇宙世界，它的發現一次次改寫了教科書，在人們心中“哈勃”望遠鏡不僅僅是一架冰冷的科學儀器，更是一個標誌、一部傳奇，一個令無數人難以割捨的時代。
2004年NASA因為哥倫比亞號航天飛機失事，認為太空維修的風險太大，所以宣佈放棄“哈勃”太空望遠鏡的維修，提前結束“哈勃”的使命，消息傳出後在社會上引起了軒然大波，在美國大眾的極力挽救下，“哈勃”望遠鏡的第五次維修任務終於獲得批准。
回想70年代美國遭遇財政危機，“哈勃”項目面臨被剔除的風險，也是美國民眾和天文學家的奔走呼籲促使國會立項撥款。
可以說哈勃望遠鏡從誕生到維修，處處體現著人文關懷。
2009年維修後，“哈勃”一直服役至今。今天，“哈勃”在軌運行整整30個年頭了。我們期待“哈勃”能繼續健康運行，到時候，說不定它能帶給我們更多更大的驚喜。
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