天文學家很討厭“一閃一閃亮晶晶”
你還記得那首很有名的兒歌嗎？“一閃一閃亮晶晶，滿天都是小星星，掛在天空放光明，它是我們的小眼睛......”。很好聽是吧？這首歌其實是英國兒歌《Twinkle, twinkle, little star》翻譯過來的，已經有200多年曆史了。它告訴孩子們，天上的星星是會閃爍的，就像調皮的孩子眨眼睛一樣。
群星閃爍的模擬動畫
星星本身不會眨眼睛，它之所以看起來一閃一閃，是因為大氣湍流的緣故。天空中的空氣密度不均勻，它在流動時會導致星光發生不規律的折射和散射，這給天文觀測帶來不小的麻煩。
為了解決大氣湍流造成的問題，科學家們想了許多辦法，一是建造更大的光學望遠鏡；二是配合激光監測大氣湍流，再通過改進計算方法來進行圖像補償，進而獲得更高的分辨率；再就是把望遠鏡放到更高、更乾燥的地方。但這些辦法都不能從根本上消除空氣對天文觀測的影響。
用激光束監測大氣湍流
1946年，天文學家萊曼·斯皮策寫了一篇論文《外星天文臺的天文優勢》，提出把望遠鏡發射到太空中去，這樣至少有兩個好處：一、沒有大氣的散射，可以用更小的望遠鏡獲得更清晰的圖像；二、在太空可以觀測紫外線和紅外線，這些光大部分會被大氣層吸收，地面設備無法接收到。
哈勃望遠鏡在距離地面538公里的高度運行
經過科學家們幾十年的努力爭取，由歐洲航天局和美國NASA牽頭，加上幾十所大學的科研團隊共同參與，在耗費47億美元（FAST才6.67億RMB）之後，哈勃太空望遠鏡於1990年4月24日由發現號航天飛機攜帶升空，在距離地面約538公里的近圓軌道上運行。到現在它總共花了100億美元。
轉眼間，哈勃望遠鏡已經升空30週年了。
哈勃30週歲生日
哈勃明亮深邃的大“眼睛”
按照設計，哈勃太空望遠鏡有一顆直徑達2.4米的碩大“眼睛”。這個主鏡片對於地面的天文臺來說盡管不算大，但它在大氣層外的理論角分辨率將達到0.05弧秒，這至少是地面最大光學望遠鏡的十倍以上，當時地面最好的望遠鏡的角分辨率只有0.5~1.0弧秒。
通常，我們想看清楚遙遠的物體需要滿足三個條件：你眼睛要足夠大；視力正常，不能近視；空氣要好，有霧霾不行。
眼睛更大，進入眼球的光更多，視網膜對光線細節的收集能力就越強。對於望遠鏡來說，它的物鏡直徑越大，聚光能力就越強，望遠鏡收集光的能力與物鏡的面積成正比，也就是與直徑的平方成正比。在資金和技術都滿足的前提下，天文學家們都傾向於打造更大口徑的望遠鏡，就是這個道理。哈勃望遠鏡最開始的計劃是製造一塊直徑3米的主反射鏡，後來算算錢不夠，最後決定把直徑定為2.4米。
技術人員在檢查哈勃主鏡
單單眼睛大不行，人說“大眼無光”，你近視眼就什麼都看不清楚。眼科醫生管近視眼叫“屈光不正”，也就是說你要麼是晶狀體彎曲的角度不對，要麼是眼球變形導致光線不能聚焦在視網膜上，所以你看遠處物體都是模糊的，需要戴眼鏡來矯正。很遺憾，哈勃望遠鏡也是這情況。
哈勃通過雙反射鏡聚集光線
哈勃為什麼近視？
哈勃望遠鏡是通過光反射來將遙遠的星光匯聚於一點的。它有兩面反射鏡，其中主鏡直徑2.4米，它的中間有一個圓孔；主鏡將光線反射到前方的副鏡上，再經過二次反射，使光線穿過圓孔，聚焦到主鏡後面的接收設備上。
哈勃望遠鏡的兩個鏡面都是雙曲面的反射鏡，其加工工藝非常複雜，精度要求極高。理論上，主反射鏡的精度應該被控制在10納米之內，也就是紅光波長的1/65。一般情況下，位於地面的光學望遠鏡鏡面拋光的精度要求是可見光波長的1/10，由於哈勃望遠鏡需要具備在太空觀測宇宙中紫外波段光線的能力，因此它的精度也應該比地面上的望遠鏡高得多。
哈勃可探測的光譜範圍很寬
鏡片從1979年開始製造，康寧公司提供了玻璃毛坯，珀金埃爾默（Perkin-Elmer）公司專門定製了一套計算機控制的拋光設備用於打磨鏡面。與此同時，柯達公司也參與競標做同樣的工作，NASA要求兩家公司互相檢查對方的質量（結果證明這樣做是失敗的）。珀金埃爾默公司幹了三年，於1981年底完成了主鏡面的打磨。
由計算機控制的打磨機正在打磨主鏡
但是，但是！珀金埃爾默公司的技術人員犯了一個極低級的錯誤，他們在安裝將其中一個光學檢測透鏡時忘記揭掉支架兩端的塑料保護膜，使檢測設備實際墊高了1.3毫米，這導致鏡片在打磨的過程中計算數據偏差，結果這個凹面鏡的外側比設計要求的參數磨平了2200納米（相當於人頭髮絲直徑的1/50）！大家知道哈勃的主鏡片的精度要求只有10納米，相比之下它這2200納米差得也太多了，但是如此“巨大”的誤差兩家公司都沒檢查出來，更要命的是NASA在裝配之前也沒做檢查，哈勃失去了在地面糾正錯誤的機會。
柯達加工的主鏡沒有鍍膜，它是透明的，後面是網格狀支架
我們在前節說了，人近視的其中一個原因就是“曲光不正”，晶狀體不能將光線正確聚焦到視網膜上，你看東西就是模糊的。哈勃的主鏡打磨得十分光滑，但它的形狀錯了，於是導致光線在二次反射之後不能正確聚焦，其焦點在軸線上分佈的範圍達到38毫米。
哈勃主鏡打磨錯誤導致焦點模糊
當哈勃發射升空，開始向地面傳送照片時，科學家們才發現，這臺大家寄予厚望的太空望遠鏡是個“近視眼”，它能達到的最優角分辨率半徑大於1個弧秒。儘管角分辨率與地面上的光學望遠鏡差不多，但對於花了近50億美元得到的這樣結果，科學家們顯然不會滿意。
哈勃“近視手術”前後拍攝同一星系的圖像對比
拯救哈勃
哈勃望遠鏡在設計之初就確定了“模塊化”的方針，它的絕大部分的構件都是可更換的，一方面可以很方便地在軌維修，同時還能根據任務的需要和未來技術發展安裝新的部件——除了外殼。
但搞笑的是，望遠鏡的這個出問題的組件恰恰是哈勃無法更換的那個部分。為了保證光線的精準傳輸，哈勃的兩個最重要的反射鏡被牢牢固定在它的主體結構上，要想替換掉它，你需要用航天飛機將其帶回地面，修理完成後再重新發射上天，這樣一來成本會很高。
為了讓哈勃繼續發揮作用，科學家們需要為它專門打造一套“近視眼鏡”。這並不簡單。
近視的矯正很簡單
我們矯正近視可以戴眼鏡，鏡片將光線射入眼睛之前就預先調整一個角度，當光線再經過晶狀體，就能準確地在視網膜上聚焦。
這在哈勃望遠鏡上並不容易實現，因為哈勃望遠鏡是用來分析遙遠星光以及它們的光譜。科學家們不僅要求得到清晰的圖像，還要求不能出現像差和色差，由於光線校準帶來的任何畸變對於科學研究來說都將是災難。
不同波長的光線折射率不同
比如說當一束白光通過三稜鏡後，由於不同顏色的光其波長和頻率不同，它的折射率會存在差異，因此其聚焦的焦點也會有區別，如果單純地用一片透鏡來進行圖像矯正，就會出現不同顏色的光聚焦的點不一樣，從而造成色差，這對於以光的波長來判斷天體成分的天文學研究來說是不允許的。
透鏡會造成圖像色差
為了既糾正像差又保持色彩的準確，科學家們需要設計一組複雜的反射鏡和透鏡，並且將其安裝到哈勃望遠鏡的最核心部分，也就是在圖像到達OTA傳感器之前就攔截光線，在進行修正之後再傳輸到正確的焦面上。其原理如下圖所示：
哈勃“近視矯正”原理簡圖
整個這一套矯正設備設計得十分複雜，它被稱為“空間望遠鏡光軸補償校正光學系統”，簡稱COSTAR。
COSTAR上的一組光學鏡片
COSTAR有一臺冰櫃那麼大，因此需要犧牲掉哈勃望遠鏡上的一臺設備以騰出位置來安裝它，最後科學家們決定去掉哈勃望遠鏡設備艙裡的高速光度計（HSP）。高速光度計原本是用來測量那些快速變化天體的亮度和極性的，但為了安裝COSTAR，它捨棄掉了。
宇航員將COSTAR從航天飛機安裝到哈勃望遠鏡上
在1993年12月使用COSTAR對光線進行矯正之後，科學家們獲得了比較滿意的圖像。但由於整個矯正的過程光線經過多輪反射與折射，它的亮度大打折扣，因此遠沒有達到哈勃望遠鏡最初設計的要求。
在其後的幾次維修中，NASA逐步替換了哈勃望遠鏡裡所有的設備，並且在新的設備上直接內置了新的光學矯正系統，使它的成像效果得到進一步提高。直到2009年進行第五次（也是最後一次）維修任務時，COSTAR模塊被取出，取而代之的是宇宙起源頻譜儀（COS）。完成使命的COSTAR被航天飛機帶回地面，在美國國家航空航天博物館展出。
拆卸下來展出的COSTAR
寫在最後：
哈勃望遠鏡作為世界上少數最偉大的天文觀測設備之一，它極大地拓展了人類探索宇宙的視野，它拍攝的照片不僅具有極高的科學研究價值，也極大地激發了許多人對太空、對科學的興趣。
仙后座星雲，哈勃拍攝
在哈勃望遠鏡升空30週年之際，我們將這件事拿出來進行剖析，並沒有“揭短”的意思。而是以此提醒我們，科學來不得半點馬虎，任何一點小的差錯（比如忘記揭掉塑料膜）都將造成數以十億計的金錢損失和更加寶貴的時間浪費。
哈勃在軌維護
與此同時，哈勃的模塊化結構設計也為拯救這臺昂貴的天文望遠鏡提供了可能。相信未來與中國空間站共軌運行的太空望遠鏡也會以哈勃為借鑑，以更優化的設計和更嚴謹的製造支持我們科學探索目標。
