出品：科普中國
製作：川陀太空
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
1990年5月，在美國宇航局戈達德空間飛行中的一間會議室內，NASA各路科學家屏住了呼吸。
圖像分析專家、哈勃團隊資深科學家戴維-萊克隆皺起了眉頭，憑藉其30多年的圖像分析經驗給出瞭解釋：是一個雙星系統的圖像，但是非常模糊。
有人說："沒有關係，這可能就是雙星系統的模樣，難道不是？"
會議室內聚集的是哈勃望遠鏡研發科學家，以及NASA主要管理層，意識到問題嚴重性的人都沉默不語，因為這個雙星系統原本可不是這樣的。
此時距離哈勃望遠鏡升空才一個月，已經耗資21億美元。這個時候哈勃出現問題，就意味著沒有達到設計要求。
NASA工程師花了數週時間來檢查哈勃的所有系統，最終給出了故障結論：由於反射式校正設備在組裝時位置偏離了1.3毫米，導致哈勃望遠鏡的主鏡面邊緣在製造打磨階段"削"得太平了，多打磨了2200納米，造成主鏡面邊緣反射光無法精確聚焦，圖像自然也模糊不清了。
在戈達德空間飛行中心的那個房間裡，每次例行會議舉行時總會出現一個滑稽而尷尬的鏡頭：
熱力小組：一切正常；
控制小組：一切正常；
電源小組：一切正常；
光學小組：一切都不正常。
△右圖為哈勃太空望遠鏡（HST）廣域行星相機拍攝的第一張圖像，左邊則是智利拉斯坎帕納斯（Las Campanas）天文臺拍攝的同一張照片，兩者對比可以看出，哈勃的球差問題非常嚴重，出現了虛像。 圖片來源：NASA
已經發現問題所在，就需要研究如何解決問題。
哈勃望遠鏡的主鏡面體積龐大，直徑有2.4米，不可能將哈勃重新帶回地面，只能用巧勁。最後敲定方案是，用糾正近視眼的方法，來恢復主鏡面的缺陷，即，給哈勃安裝一個矯正光學設備。
說來輕巧，但哈勃望遠鏡上設備冗餘空間幾乎沒有，NASA只能將原本安裝在光路上的高速光度計給拆除，替換成光軸補償矯正儀，糾正了哈勃望遠鏡的"近視眼"問題。
1993年，航天飛機將校正設備安裝到哈勃望遠鏡上，這才解決了成像模糊的問題，至此，哈勃望遠鏡參與了近乎所有重大的天文成果。直到今天，哈勃望遠鏡也沒有因為大面積故障停止工作，30年期間繞地飛行超過16萬圈，不老傳奇仍然在延續中。
哈勃望遠鏡上天30年，都幹了啥？
近30年來，哈勃望遠鏡取得的成果不計其數，而其中這幾件成果，足夠哈勃名留青史。
第一個是對哈勃常數的測定。哈勃望遠鏡是以愛德溫-哈勃的名字命名，他在1920年代就發現了宇宙正在膨脹，並提出用哈勃常數H0來表示宇宙膨脹的速度。哈勃常數是星系遠離銀河系的速率，與兩者之間的距離比，該常數並不是定值，會隨時間變化。哈勃在1929年計算出的哈勃常數為500km/s/Mpc， Mpc為百萬秒差距，相當於326萬光年，指的是在這個距離上星系退行速度為500公里/每秒。
但是，1990年代弗裡德曼使用哈勃望遠鏡數據測量哈勃常數，給出了74km/s/Mpc的數值，該值與歐洲普朗克衛星測定的67.8km/s/Mpc非常接近。
導致兩者差異的原因可能是暗能量在起作用。要讓兩個值兼容，就需要對宇宙學標準模型進行修改，並且需要解決暗能量的問題。如果誰能夠成功搞定這個問題，必然能將一枚諾貝爾獎章收入囊中。
第二個重大發現與暗能量有關。1998年，科學家發現宇宙膨脹的原因是暗能量形成的斥力在推動，根據對Ia型超新星的跟蹤調查，在90億年前，暗能量就已經存在，至今仍然主導著宇宙膨脹。
哈勃望遠鏡第三個成果是星系的形成與演化調查。通過哈勃深場和哈勃超深場，科學家發現早期宇宙中的星系體積較小，形狀也不規則，於是發現了星系通過合併和碰撞重塑外形和質量。
同時，科學家還確定了星系形成高峰期出現70至80億年前，在宇宙誕生之後不到10億年的階段，恆星形成速率要比峰值低3倍左右，而今天的宇宙中恆星形成速率要比峰值低10倍。
哈勃望遠鏡第四大成果是發現超大質量黑洞與類星體有關，並且對存在類星體的宿主星系進行了觀測。在哈勃望遠鏡之前，沒有天文臺能夠執行這項研究。哈勃望遠鏡研究對象就是M87星系（室女A星系），這裡也是動畫片中奧特曼的故鄉，距離我們5350萬光年。星系中的超大質量黑洞，質量相當於太陽的66億倍，事件視界半徑遠至海王星軌道，2019年公佈的M87星系黑洞也是第一張黑洞圖像。哈勃望遠鏡發現，M87星系的黑洞噴流以光速向外噴射，延伸5000多光年。
哈勃望遠鏡第五大成果應該是對系外行星的觀測。自2009開普勒望遠鏡升空之後，發現系外行星變成了天文學一個風口。事實上哈勃望遠鏡在1990年代就開始研究如何觀測系外行星。哈勃望遠鏡使用的方法是凌日法，當行星週期性通過恆星盤面時，恆星會變暗大約1%至2%，據此我們可以推算出行星半徑。
恆星光超過行星大氣層，一部分會被原子吸收形成特定的光譜，這樣就可以確定行星大氣中原子和分子有哪些，以及丰度多少。實戰觀測中，NASA發現HD 209458恆星周圍的行星大氣中有氧元素，這是首次對系外行星大氣成分進行確定，哈勃望遠鏡還對北落師門b（距離地球25.13±0.09光年的一顆行星）進行了首次可見光成像觀測。
太空望遠鏡有很多，為什麼哈勃望遠鏡獨領風騷？
哈勃望遠鏡雖然不是第一臺太空望遠鏡，但應該是成果最多、影響力最大的太空望遠鏡，在近30年生涯內無人能敵。
哈勃望遠鏡主要工作波段是近紅外、可見光和部分紫外，覆蓋波長為115納米至1200納米。
近紅外主要用來觀測被塵埃雲遮擋的天體，賦予哈勃透視能力；可見光可拍攝到人肉眼能看見的圖像，提升了成像質量；部分紫外可分析星際介質的化學成分、密度、新生恆星的溫度，也可以觀測白矮星、行星狀星雲中心天體，它們在紫外波段上有較強的輻射。
從工作波長上就可以清楚得知，哈勃望遠鏡本質是將陸基光學望遠鏡搬到了天上，並且增加了中短波長紫外光譜的觀測能力。地球臭氧層、大氣會吸收掉100納米至320納米的中短波長紫外線，在地面上的光學望遠鏡無法對這部分光譜進行觀測。在太空望遠鏡中，波長覆蓋可見光的大型平臺，除了哈勃望遠鏡外，還有開普勒太空望遠鏡、TESS凌日系外行星太空望遠鏡，蓋爾太空望遠鏡等。但這些平臺鏡面直徑太小，任務單一，屬於細分領域的太空望遠鏡，無法與哈勃望遠鏡匹敵。
在過去30年內建立的大型陸基望遠鏡，主要觀測波長都在300納米以上，只能捕捉到可穿透大氣層的長波紫外線（波長介於320納米至400納米），這部分長波紫外就是把你皮膚曬黑的真兇。
正在建造中的GMT巨型麥哲倫望遠鏡主鏡面直徑為8.4米，工作波長為320納米至25微米，可覆蓋遠紅外線；主鏡面39.3米直徑的E-ELT歐洲極大望遠鏡觀測波長為可見光至遠紅外；主鏡面8.2米直徑VLT甚大望遠鏡觀測波長為300納米至20微米；TMT30米直徑望遠鏡工作波長也是可見光至中紅外；10米主鏡面直徑的凱克天文臺工作波長為可見光至近紅外。由此可見，陸基大型光學望遠鏡的主鏡面比哈勃望遠鏡的2.4米鏡面更大，因此從觀測能力上看，哈勃在可見光波段上要遜於陸基大型光學望遠鏡。
綜上，哈勃望遠鏡能夠獨領風騷的技巧是跨界對抗上佔盡了優勢，雖然主鏡面沒有陸基大型光學望遠鏡大，但是其工作環境在軌道上，成功避免了大氣、臭氧層的干擾，並且增加了陸基大型光學望遠鏡所沒有的中短波長紫外光譜的觀測能力。
在太空望遠鏡家族中，哈勃望遠鏡突出了自己強大的可見光觀測能力，這是其他太空望遠鏡所不具備的，並且結合了近紅外和部分紫外波段觀測能力，在可見光太空望遠鏡家族中也是鶴立雞群。
但是哈勃也有自己的不足，比如遠紅外波段無法顧及，導致哈勃望遠鏡無法對更加遙遠的低溫天體進行觀測，這部分觀測研究還得依靠更專業的紅外太空望遠鏡和建造在高山上的大型天文臺。
因此，哈勃望遠鏡的成功秘笈就是綜合業務能力強，明銳察覺到太空望遠鏡家族中缺乏大型光學望遠鏡，揚長避短，將特長髮揮到極致。
從以上比對可以看出，哈勃望遠鏡的主要側重點仍然是可見光及其前後紫外和近紅外波段，彌補陸基光學望遠鏡無法捕捉到的中短波紫外觀測能力，直到今天，哈勃望遠鏡仍然是首屈一指的，相當於將陸基光學望遠鏡搬到了軌道上。
哈勃望遠鏡的繼任者
到今年，哈勃已經超額"服役"了多年，期間還經歷過多次維修，算上1993年的第一次"大手術"，哈勃望遠鏡一共進行過5次軌道維修和升級，耗費數十億美元。
哈勃退役後，誰將成為它的繼承者？
美國宇航局研發的詹姆斯韋伯望遠鏡將成為哈勃的繼承者。
但詹姆斯韋伯望遠鏡與哈勃的工作波長有很大的不同，韋伯望遠鏡在可見光工作的波長大大減少，起點是600納米至28.3微米，這意味著用詹姆斯韋伯望遠鏡看不到紫外圖像和大部分可見光波段的圖像。
600納米對應的是橙色光，因此韋伯望遠鏡只剩下了橙光和紅外，以及中紅外光。缺少了紫外光和部分可見光，韋伯望遠鏡的圖像呈現飽和度肯定會偏弱，或者說視覺效果比不上哈勃望遠鏡。
從任務設計上看，韋伯望遠鏡側重點是紅外觀測，因此它也是斯皮策紅外望遠鏡的接班人。中紅外波長觀測是接下來的重點方向，可探測到更加遙遠的天體，比如早期宇宙的分子云、行星盤，讓我們進一步洞察宇宙早期的奧秘，只不過在視覺呈現上沒有那麼飽滿。
哈勃望遠鏡更像是一臺全綵的照相機，而韋伯望遠鏡則是一臺專業級的紅外相機，對於普通觀眾而言，韋伯望遠鏡的圖像在審美上可能不及哈勃，但對於科學家而言，韋伯望遠鏡才是更好的寶貝。因此，作為哈勃望遠鏡的繼任者，韋伯望遠鏡更加側重科學上的研究，哈勃則是側重科研、科普都可以，更加接地氣一些。
中國是否有自己的空間望遠鏡？
探索星辰大海，空間望遠鏡很重要。到目前為止，中國空間望遠鏡已經起步，2017年發射了第一個X射線空間望遠鏡，主要通過X射線波段巡天觀測，因此其探測的對象就是高能天體，諸如黑洞、中子星等。
X射線的探測機制是通過接收宇宙中高能X射線信號來研究天體事件，在工作波段上與哈勃望遠鏡有很大的區別。X射線圖像很大程度上服務於科研，非專業人員難以看懂，且不容易呈現。
要研製和哈勃望遠鏡同一級別的大型光學太空望遠鏡，需要攻克較多的困難。比如哈勃望遠鏡質量為11噸，升空使用的是航天飛機，後期也需要使用航天飛機進行維護。如果沒有航天飛機，維護就無法進行，或者維護難度較大。這個問題也困擾著美國宇航局，因為韋伯望遠鏡的軌道在150萬公里之外，與哈勃望遠鏡所處的近地軌道不同，一旦出現故障，就無法進行維修。
要建造哈勃這樣的空間望遠鏡，首先要有大推力火箭，這一點中國已經具備，長征5號完全能夠將11噸的載荷送入近地軌道。
其次是要有大型光學鏡面的製造和加工技術，在這方面中國也在追趕世界先進水平，也取得了一些進步。
第三，在軌維護技術也已經具備，中國能夠將宇航員送入空間站，同樣也能在空間站上建造一個觀測站點，宇航員可通過空間站這個平臺進行維護。
因此在可預見的未來，中國也有能力建造一個空間望遠鏡部署到軌道上，主鏡面可以為1米，低於哈勃的2.4米，可靈活對接空間站，或者形成航天器編隊，以便宇航員出艙維護，形成具有中國特色的空間望遠鏡。
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