天文学家很讨厌“一闪一闪亮晶晶”
你还记得那首很有名的儿歌吗？“一闪一闪亮晶晶，满天都是小星星，挂在天空放光明，它是我们的小眼睛......”。很好听是吧？这首歌其实是英国儿歌《Twinkle, twinkle, little star》翻译过来的，已经有200多年历史了。它告诉孩子们，天上的星星是会闪烁的，就像调皮的孩子眨眼睛一样。
群星闪烁的模拟动画
星星本身不会眨眼睛，它之所以看起来一闪一闪，是因为大气湍流的缘故。天空中的空气密度不均匀，它在流动时会导致星光发生不规律的折射和散射，这给天文观测带来不小的麻烦。
为了解决大气湍流造成的问题，科学家们想了许多办法，一是建造更大的光学望远镜；二是配合激光监测大气湍流，再通过改进计算方法来进行图像补偿，进而获得更高的分辨率；再就是把望远镜放到更高、更干燥的地方。但这些办法都不能从根本上消除空气对天文观测的影响。
用激光束监测大气湍流
1946年，天文学家莱曼·斯皮策写了一篇论文《外星天文台的天文优势》，提出把望远镜发射到太空中去，这样至少有两个好处：一、没有大气的散射，可以用更小的望远镜获得更清晰的图像；二、在太空可以观测紫外线和红外线，这些光大部分会被大气层吸收，地面设备无法接收到。
哈勃望远镜在距离地面538公里的高度运行
经过科学家们几十年的努力争取，由欧洲航天局和美国NASA牵头，加上几十所大学的科研团队共同参与，在耗费47亿美元（FAST才6.67亿RMB）之后，哈勃太空望远镜于1990年4月24日由发现号航天飞机携带升空，在距离地面约538公里的近圆轨道上运行。到现在它总共花了100亿美元。
转眼间，哈勃望远镜已经升空30周年了。
哈勃30周岁生日
哈勃明亮深邃的大“眼睛”
按照设计，哈勃太空望远镜有一颗直径达2.4米的硕大“眼睛”。这个主镜片对于地面的天文台来说尽管不算大，但它在大气层外的理论角分辨率将达到0.05弧秒，这至少是地面最大光学望远镜的十倍以上，当时地面最好的望远镜的角分辨率只有0.5~1.0弧秒。
通常，我们想看清楚遥远的物体需要满足三个条件：你眼睛要足够大；视力正常，不能近视；空气要好，有雾霾不行。
眼睛更大，进入眼球的光更多，视网膜对光线细节的收集能力就越强。对于望远镜来说，它的物镜直径越大，聚光能力就越强，望远镜收集光的能力与物镜的面积成正比，也就是与直径的平方成正比。在资金和技术都满足的前提下，天文学家们都倾向于打造更大口径的望远镜，就是这个道理。哈勃望远镜最开始的计划是制造一块直径3米的主反射镜，后来算算钱不够，最后决定把直径定为2.4米。
技术人员在检查哈勃主镜
单单眼睛大不行，人说“大眼无光”，你近视眼就什么都看不清楚。眼科医生管近视眼叫“屈光不正”，也就是说你要么是晶状体弯曲的角度不对，要么是眼球变形导致光线不能聚焦在视网膜上，所以你看远处物体都是模糊的，需要戴眼镜来矫正。很遗憾，哈勃望远镜也是这情况。
哈勃通过双反射镜聚集光线
哈勃为什么近视？
哈勃望远镜是通过光反射来将遥远的星光汇聚于一点的。它有两面反射镜，其中主镜直径2.4米，它的中间有一个圆孔；主镜将光线反射到前方的副镜上，再经过二次反射，使光线穿过圆孔，聚焦到主镜后面的接收设备上。
哈勃望远镜的两个镜面都是双曲面的反射镜，其加工工艺非常复杂，精度要求极高。理论上，主反射镜的精度应该被控制在10纳米之内，也就是红光波长的1/65。一般情况下，位于地面的光学望远镜镜面抛光的精度要求是可见光波长的1/10，由于哈勃望远镜需要具备在太空观测宇宙中紫外波段光线的能力，因此它的精度也应该比地面上的望远镜高得多。
哈勃可探测的光谱范围很宽
镜片从1979年开始制造，康宁公司提供了玻璃毛坯，珀金埃尔默（Perkin-Elmer）公司专门定制了一套计算机控制的抛光设备用于打磨镜面。与此同时，柯达公司也参与竞标做同样的工作，NASA要求两家公司互相检查对方的质量（结果证明这样做是失败的）。珀金埃尔默公司干了三年，于1981年底完成了主镜面的打磨。
由计算机控制的打磨机正在打磨主镜
但是，但是！珀金埃尔默公司的技术人员犯了一个极低级的错误，他们在安装将其中一个光学检测透镜时忘记揭掉支架两端的塑料保护膜，使检测设备实际垫高了1.3毫米，这导致镜片在打磨的过程中计算数据偏差，结果这个凹面镜的外侧比设计要求的参数磨平了2200纳米（相当于人头发丝直径的1/50）！大家知道哈勃的主镜片的精度要求只有10纳米，相比之下它这2200纳米差得也太多了，但是如此“巨大”的误差两家公司都没检查出来，更要命的是NASA在装配之前也没做检查，哈勃失去了在地面纠正错误的机会。
柯达加工的主镜没有镀膜，它是透明的，后面是网格状支架
我们在前节说了，人近视的其中一个原因就是“曲光不正”，晶状体不能将光线正确聚焦到视网膜上，你看东西就是模糊的。哈勃的主镜打磨得十分光滑，但它的形状错了，于是导致光线在二次反射之后不能正确聚焦，其焦点在轴线上分布的范围达到38毫米。
哈勃主镜打磨错误导致焦点模糊
当哈勃发射升空，开始向地面传送照片时，科学家们才发现，这台大家寄予厚望的太空望远镜是个“近视眼”，它能达到的最优角分辨率半径大于1个弧秒。尽管角分辨率与地面上的光学望远镜差不多，但对于花了近50亿美元得到的这样结果，科学家们显然不会满意。
哈勃“近视手术”前后拍摄同一星系的图像对比
拯救哈勃
哈勃望远镜在设计之初就确定了“模块化”的方针，它的绝大部分的构件都是可更换的，一方面可以很方便地在轨维修，同时还能根据任务的需要和未来技术发展安装新的部件——除了外壳。
但搞笑的是，望远镜的这个出问题的组件恰恰是哈勃无法更换的那个部分。为了保证光线的精准传输，哈勃的两个最重要的反射镜被牢牢固定在它的主体结构上，要想替换掉它，你需要用航天飞机将其带回地面，修理完成后再重新发射上天，这样一来成本会很高。
为了让哈勃继续发挥作用，科学家们需要为它专门打造一套“近视眼镜”。这并不简单。
近视的矫正很简单
我们矫正近视可以戴眼镜，镜片将光线射入眼睛之前就预先调整一个角度，当光线再经过晶状体，就能准确地在视网膜上聚焦。
这在哈勃望远镜上并不容易实现，因为哈勃望远镜是用来分析遥远星光以及它们的光谱。科学家们不仅要求得到清晰的图像，还要求不能出现像差和色差，由于光线校准带来的任何畸变对于科学研究来说都将是灾难。
不同波长的光线折射率不同
比如说当一束白光通过三棱镜后，由于不同颜色的光其波长和频率不同，它的折射率会存在差异，因此其聚焦的焦点也会有区别，如果单纯地用一片透镜来进行图像矫正，就会出现不同颜色的光聚焦的点不一样，从而造成色差，这对于以光的波长来判断天体成分的天文学研究来说是不允许的。
透镜会造成图像色差
为了既纠正像差又保持色彩的准确，科学家们需要设计一组复杂的反射镜和透镜，并且将其安装到哈勃望远镜的最核心部分，也就是在图像到达OTA传感器之前就拦截光线，在进行修正之后再传输到正确的焦面上。其原理如下图所示：
哈勃“近视矫正”原理简图
整个这一套矫正设备设计得十分复杂，它被称为“空间望远镜光轴补偿校正光学系统”，简称COSTAR。
COSTAR上的一组光学镜片
COSTAR有一台冰柜那么大，因此需要牺牲掉哈勃望远镜上的一台设备以腾出位置来安装它，最后科学家们决定去掉哈勃望远镜设备舱里的高速光度计（HSP）。高速光度计原本是用来测量那些快速变化天体的亮度和极性的，但为了安装COSTAR，它舍弃掉了。
宇航员将COSTAR从航天飞机安装到哈勃望远镜上
在1993年12月使用COSTAR对光线进行矫正之后，科学家们获得了比较满意的图像。但由于整个矫正的过程光线经过多轮反射与折射，它的亮度大打折扣，因此远没有达到哈勃望远镜最初设计的要求。
在其后的几次维修中，NASA逐步替换了哈勃望远镜里所有的设备，并且在新的设备上直接内置了新的光学矫正系统，使它的成像效果得到进一步提高。直到2009年进行第五次（也是最后一次）维修任务时，COSTAR模块被取出，取而代之的是宇宙起源频谱仪（COS）。完成使命的COSTAR被航天飞机带回地面，在美国国家航空航天博物馆展出。
拆卸下来展出的COSTAR
写在最后：
哈勃望远镜作为世界上少数最伟大的天文观测设备之一，它极大地拓展了人类探索宇宙的视野，它拍摄的照片不仅具有极高的科学研究价值，也极大地激发了许多人对太空、对科学的兴趣。
仙后座星云，哈勃拍摄
在哈勃望远镜升空30周年之际，我们将这件事拿出来进行剖析，并没有“揭短”的意思。而是以此提醒我们，科学来不得半点马虎，任何一点小的差错（比如忘记揭掉塑料膜）都将造成数以十亿计的金钱损失和更加宝贵的时间浪费。
哈勃在轨维护
与此同时，哈勃的模块化结构设计也为拯救这台昂贵的天文望远镜提供了可能。相信未来与中国空间站共轨运行的太空望远镜也会以哈勃为借鉴，以更优化的设计和更严谨的制造支持我们科学探索目标。
