1990年4月24日，人類歷史上最著名的望遠鏡“哈勃空間望遠鏡”被髮射升空。到今天，
哈勃已經在太空中服役了整整30年。30年來，哈勃辛辛苦苦勤勤懇懇，為天文學界的一個又一個重大發現立下了汗馬功勞。在祝哈勃生日快樂的同時，我們來和大家聊聊這個可以說是人類歷史上最偉大的望遠鏡。
哈勃空間望遠鏡｜NASA
前段時間 “你生日那天的宇宙” 話題爆火，很多人在NASA官網看到了自己生日那天哈勃拍攝的宇宙。這就是NASA為哈勃30週年發起的紀念活動。點擊閱讀原文，你也可以看看自己生日那天的宇宙。
圖為哈勃望遠鏡生日這天它看到的宇宙，天鵝座環狀超新星遺蹟｜NASA
哈勃的著名成果
說到哈勃的著名成果，就不得不說一個機構，STScI（Space Telescope Science Institute，空間望遠鏡研究所）。這個機構獨立於美國國家航空航天局（NASA），而且它的負責人羅伯特·威廉姆斯能夠決定哈勃空間望遠鏡10%觀測時間的分配方案。這百分之10的觀測時間被稱為“局長自由決定時間” ，也叫“DD時間”，被用於一些長週期而且高風險的研究課題。
對於一般的望遠鏡，一個觀測者能夠分配到幾個小時的觀測時間就已經相當滿足了，但是STScI卻分給了幾個課題組幾十上百個小時的觀測時間，對於花費巨大的哈勃空間望遠鏡來說，每一秒觀測時間都十分金貴，將如此多的時間分配給單一項目是一個成本與風險都很高的決定。但是最終的科學產出證明
這些有魄力的決定是相當正確的。
這個老爺子就是羅伯特·威廉姆斯｜STSCI
發現宇宙加速膨脹
這可能是哈勃望遠鏡做出的最為重要的科學發現了。通過大約兩年的觀測和計算，
天文學家們發現宇宙正在加速膨脹。這一發現徹底顛覆了當時天文學界主流猜測——宇宙是在減速膨脹。天文學家因此發明了“暗能量”這個概念來解釋宇宙的加速膨脹，而暗能量被認為佔據了宇宙中物質能量總和的70%左右，重要性不言而喻，獲得2011年的諾貝爾物理學獎實至名歸。
圖｜原圖：nobelprize.org，翻譯：luna
這個課題在20世紀90年代由兩個課題組分別發起，這兩個課題組對局長軟磨硬泡了好長時間，最終說動局長同意用DD時間來觀測他們所要觀測的目標：數個Ia型超新星（Ia中的“I”為羅馬數字）。
一種叫做白矮星的天體爆炸，就被會稱為Ia型超新星。這類超新星本身亮度特別穩定（好比路燈一樣），所以離我們越近就越亮。這讓科學家們得以計算出亮度與距離的公式，可以用這個公式來測算每一顆超新星與我們之間的距離。而光從Ia型超新星傳遞過來是需要時間的，用超新星的距離除以光速，我們就可以得到Ia型超新星爆發是什麼時候的事情。
同時呢，如果宇宙在膨脹，那麼所有的天體都會逐漸遠離我們。如果一個天體在遠離我們，這個天體就會變紅；遠離我們的速度越大、這個天體就越紅（這被稱為紅移）。天體的宇宙學紅移與當時宇宙的大小是有一個關係式的，
通過測量超新星的紅移，我們就可以得出宇宙的大小。總結一下：Ia超新星的亮度可用來計算天體與我們之間的距離、以及它爆發的時期，它的紅移可以計算它爆發時宇宙的大小。通過這兩項數據，我們就可以算出宇宙不同時期的膨脹速度。
宇宙演化示意圖丨原圖：nobelprize.org，翻譯：luna
用力看到更深的宇宙
這是運用DD時間做出的又一個非常重要的成果，簡而言之就是讓哈勃空間望遠鏡對著太空中的一小塊區域使勁地看，一看看幾個星期幾個月，在這麼長時間的積累下，哈勃望遠鏡就能夠探測到宇宙中最為闇弱的天體。
被拍攝的天區就在北斗七星旁邊，這樣不管哈勃望遠鏡運行到什麼位置，都可以進行觀測不被地球擋住，極大的提
類似的觀測做了好幾次，分別稱為：哈勃深場、哈勃南天深場、哈勃超深場，哈勃極深場。每次觀測都發現了大量新的星系，為星系演化、宇宙演化理論提供了重要的觀測依據。
哈勃深場,裡面的每一個小點基本都是一個星系 ｜NASA
拍攝了數不勝數的精美照片
對我們看熱鬧的普通人來說，哈勃望遠鏡拍攝的那些震撼的照片是最吸引人的。不知道多少年少的孩子正是被哈勃望遠鏡拍攝的照片激發了對宇宙的興趣，從而走上了科研之路，至少我就是這些孩子的其中之一。
這張經典的創生之柱與其他照片一同為我們揭示了絢麗多彩的宇宙｜NASA
上個月我詳細介紹了絢麗多彩的宇宙是如何拍攝並後期的，那些照片的有色光部分絕大多數都來自於今天的這位老壽星。
哈勃為什麼這麼強
先報個三圍身高體重：哈勃空間望遠鏡口徑2.4米，焦距57.6米，長13米。全重11噸左右。
哈勃一直在500公里高度左右的近地軌道環繞地球運行。把天文望遠鏡放到太空，可以說是天文學家一直以來追求的目標。因為太空中沒有大氣層的干擾，太空望遠鏡就擁有了比地面望遠鏡更多的優勢。
沒有大氣
一般來說，望遠鏡的分辨率——也就是它看得清不清楚——主要是由望遠鏡的口徑和望遠鏡臺址的大氣穩定程度（視寧度）所決定的。望遠鏡口徑越大，望遠鏡所在臺址大氣越穩定，它就看得越清楚。
但是太空中根本沒有大氣，憑這一條就可以把地面望遠鏡甩開幾條街。一臺太空中口徑為40釐米的望遠鏡能夠與地面上口徑為10米的望遠鏡看得一樣清楚（在10米望遠鏡不裝備自適應光學系統的情況下）——何況哈勃空間望遠鏡的口徑是2.4米。
【左圖為雲南高美古2.4米望遠鏡拍攝的蟹狀星雲，右圖為哈勃空間望遠鏡拍攝的蟹狀星雲，同為2.4米口徑的望遠鏡，清晰度真如望遠鏡一般一個天上一個地上，單看星點來說哈勃望遠鏡的星點就比高美古2.4米望遠鏡細膩很多。｜右圖：NASA ESA；左圖：雲南天文臺】
沒有亂七八糟的光
這一點非常好理解，如果你生活在大城市，那麼夜晚幾乎看不見什麼星星。因為在夜晚，大氣會散射城市的燈光和月光，淹沒闇弱的星體。更不要說白天的太陽光線讓光學望遠鏡徹底休息。不止如此，就算是沒有其他光源，大氣層裡的原子也會自己閒的沒事發出或者吸收一些光線，這些干擾也十分影響天文觀測。而哈勃望遠鏡幾乎不受光汙染和大氣發射線的影響。
圖中天空中綠色和紅色的光就是大氣自己發出的光線｜作者拍攝
哈勃的煩惱
作為世界上觀測能力最強大的望遠鏡之一，哈勃望遠鏡的科研之路可不是一帆風順，不少科學家都為哈勃貢獻了數不勝數的頭髮。
煩惱1：沒錢
你以為NASA財大氣粗想幹啥就幹啥嘛？錯了，在上個世紀80年代，美國國會對於太空望遠鏡的項目還是處於模稜兩可的態度。要不是靠著美國眾多天文學家親自拜訪參眾兩院的議員，不停地遊說，哈勃望遠鏡的項目可能早就涼涼了。
即便遊說成功，原先的資金也是被攔腰砍了一半，導致計劃的3米口徑望遠鏡降為了2.4米，而且資金裡的15%還是由歐洲航天局（ESA）提供的，也就是說美國天文學家得和歐洲天文學家共享望遠鏡的使用時間。到今天，很多哈勃空間望遠鏡照片的版權寫的都是：NASA，ESA。
煩惱2：眼神兒不太好，後配了副眼鏡
沒錯，大名鼎鼎的哈勃望遠鏡也曾經眼神兒不好。哈勃望遠鏡在加工過程中出現了2.2微米的偏差，導致無法準確的把光線聚焦到一個點上。造成的那種朦朦朧朧的效果，有點像人類的近視眼。
要命的是，這個偏差直到哈勃上了太空，拍到了一團模糊的照片之後、才被人們發現。幸虧3年以後，科學家們上天對哈勃進行了一次維護任務，給它戴上了個眼鏡，才解決了這個問題。
戴上眼鏡之前哈勃拍攝的M100星系與戴上眼鏡之後哈勃拍攝的M100星系｜NASA
煩惱3：地球母親的光輝
當哈勃空間望遠鏡運行到地球的亮面並且觀測角度接近地球的時候，地球上的光會照到望遠鏡的鏡筒裡面並多次反射，並在望遠鏡裡產生X形條紋。對此NASA在觀測手冊裡表示，沒辦法，這玩意消不了，要麼就不要在這個時間段觀測這個目標，等望遠鏡轉到地球暗面再觀測；要麼就移動望遠鏡，讓目標源不落在X上，或者使用其他濾鏡，這樣散射光的影響比較小。
哈勃空間望遠鏡的原始數據，不禁讓人懷疑是不是X戰警造的哈勃。圖中的X型應該是地球的光照到哈勃望遠鏡相機
煩惱4：無處不在的宇宙射線
這可能是太空望遠鏡相對於地面望遠鏡少數幾個缺點了。宇宙射線就是宇宙裡的高能粒子，我們在地球上時，大氣層會為我們擋掉很多宇宙射線，但是在太空中，哈勃的各種電子設備直接暴露在各種輻射下。它不僅會汙染拍攝出來的照片，還會長期損耗探測器，導致靈敏度下降等一系列問題。
哈勃的原始數據，每一個小黑點都是一個宇宙射線。
煩惱N
上面舉的幾個例子只是哈勃望遠鏡觀測中問題的一部分，有的問題甚至比上面的還要典型而且難處理比如設備老化、軌道降低、衛星干擾、陀螺儀損壞等一系列問題。畢竟已經是一個服役了30多年的老將了，它也該到了退役的年齡。
哈勃的繼任者
詹姆斯·韋伯望遠鏡是哈勃望遠鏡的繼任者，它的口徑為6米。由於任務風險太大，發射日期一推再推。這個望遠鏡還沒有一棟房子大，但它的研發製造成本已經達到了100多億美元，快能買下一條福特級航空母艦了。
詹姆斯韋伯太空望遠鏡
我國的空間望遠鏡也在計劃之中，是與哈勃空間望遠鏡同級別的光學空間望遠鏡。羅伯特·威廉姆斯去年訪問中國，為中國的空間望遠鏡提出了許多寶貴的建議。衷心希望我們自己的空間望遠鏡也能像哈勃一樣產生非常重大的科研成果並激發更多人對宇宙的興趣。
參考文獻
[1] Dressel, L., 2019. “Wide Field Camera 3 Instrument Handbook, Version 12.0” (Baltimore: STScI)
[2]WILLIAMS, Robert. Hubble telescope 30 years in orbit: personal reflections. Research in Astronomy and Astrophysics (RAA), [S.l.], v. 20, n. 4, p. 44, mar. 2020. ISSN 2397-6209.
[3]https://en.wikipedia.org/wiki/Hubble_Space_Telescope
作者：馬門溪龍飼養員
編輯：Luna、Judy
一個AI
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