【蔻享天文】无远弗届、无微不至：哈勃空间望远镜30岁了

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导读

从梦想到现实

制造、定名与推迟

终于发射升空了

用钱买到的最完美错误

第一次维修：拯救“哈勃”

“哈勃”深场、创生之柱与宇宙加速膨胀

第二、三、四次维修：走向红外

登峰造极：“哈勃”的第五次维修

笑傲江湖：第三代宽场照相机

“哈勃”三十年来的重大成就

丰碑永存，老兵不死

序言

30年前的今天——1990年4月24日，当地时间8点33分51秒，美国“发现号”航天飞机在自身发动机与两枚助推火箭的推动下，从佛罗里达州肯尼迪空间中心的第39-B发射位轰鸣着飞向高空。

这次飞行的主要任务是将“哈勃太空望远镜”（以下简称“哈勃”）送入轨道。10分钟后，“发现号”带着“哈勃”进入预定轨道。这一天，是哈勃的生日。

图：1990年4月24日，“发现号”航天飞机载着“哈勃”飞向太空（来源：NASA）

1990年4月25日，“发现号”的宇航员用遥控机械臂将舱内哈勃送到舱外，打开它的天线与电池帆板，然后按照计划释放了这个重达11.11吨、长约13.2米、直径4.2米的望远镜。它的主反射镜的直径是2.4米。

从那天起，“哈勃”便开始了它的传奇：因为镜面缺陷而被媒体嘲笑为废物；在3年后的一次修理之后，王者归来，它成为史上最伟大的科学仪器之一与史上最伟大的望远镜，成为无数媒体的宠儿，成为无数天文学家与天文爱好者的偶像。

图：“哈勃”的WFC3于2009年7月8日拍摄的“斯蒂芬五重奏”的可见光与近红外合成图像。左上方的星系与其他4个星系并无关联，只是恰好同框。（来源:NASA, ESA andthe Hubble SM4 ERO Team）

在过去30年中，“哈勃”为人类认识太阳系、恒星、星云、星团、银河系、银河系外星系与宇宙自身做出了无与伦比的贡献，革新了天文与天体物理学的方方面面。

图：2010年2月1日到2日，“哈勃”的WFC3拍下的船底座星云中的恒星形成柱。这是哈勃升空20周年纪念图（来源: NASA, ESA, M. Livio and theHubble 20th Anniversary Team）

 今天是“哈勃”的30岁生日。我们用这篇文章来回顾“哈勃”坎坷多难却又伟大辉煌的前半生。 从梦想到现实 1923年，德国天文学家与宇航学家奥伯特（Hermann Oberth）提出了将望远镜发射到太空的设想。这是空间望远镜概念的正式发端。1946年，耶鲁大学天文系的天文学家斯皮泽（Lyman Spitzer）提交了一篇论文，讨论了太空中工作的望远镜的优势。这篇论文认为，太空中的望远镜不受大气抖动的影响，拥有的分辨率比同样大小的地面望远镜高得多；由于没有地球大气的影响，它不仅可以观测可见光，还可以观测紫外线与红外线。这是讨论空间望远镜的第一篇论文。

图：莱曼·斯皮泽（来源: Denise Applewhite/Princeton University）

1957年10月4日，苏联发射了人类历史上第一颗人造卫星，开始了人类的太空时代。1958年7月，美国航空航天局（NASA）成立。1962年，NASA发射了“轨道太阳天文台”。1966年，NASA发射了“轨道天文台”，但因太阳能电池帆板未展开而失败。

1968年，NASA成功发射轨道天文台2号（OAO-2）。OAO-2发射成功后，NASA的决策者们终于意识到建造大型空间望远镜的可行性，于是决定建造一个口径3米的大型空间望远镜。这个计划得到美国科学院的支持。1970年，NASA成立两个委员会，分别负责空间望远镜的制造与科学目标。

1972年，NASA发射轨道天文台3号（OAO-3）。它于次年被改名为“哥白尼天文台”。但NASA要设计的大型空间望远镜却与哥白尼望远镜不同，它将由航天飞机带到高空再释放入轨，里面的几大仪器可由航天飞机上的宇航员维修甚至更换。为了验证项目，专家组还希望先造一个1.5米口径的望远镜来测试性能。

图：洁净间里的轨道天文台3号（来源：NASA）

1974年，美国国会以预算过大为由拒绝给项目拨款。为挽救这个项目，天文学家们积极游说各州参议员与国会议员，美国科学院也提交报告强调大型空间望远镜的重要性。另一方面，项目组采取以下措施以将预算控制在3亿美元左右：取消1.5米望远镜；3米主镜缩小为2.4米。

调整为2.4米的部分原因是：此前美国的“锁眼”系列军事卫星的主镜面就是2.4米的。用来组装这么大的镜面与其他零部件的飞船制造技术也已经很成熟，从而可以节省不少研发费用。

最终，国会同意批准经费4亿多美元的经费，但要求欧洲方面也参与出资。欧洲空间局投入一部分资金制造太阳能电池与暗淡天体照相机，并派出人力与NASA合作。作为回报，欧洲天文学家可使用15%的观测时间。1977年10月，项目被正式批准。

制造、定名与推迟

NASA旗下的马歇尔飞行中心负责望远镜的设计与制造。它将制造飞船的项目外包给此前制造“锁眼”卫星飞船系统的洛克希德（Lockheed）公司，将铸造主镜面的项目外包给康宁（Corning）公司，将打磨主镜面、制造光纤与精密导星传感器的项目外包给柏尔金-埃尔默（Perkin-Elmer）公司。

飞船用来容纳望远镜主镜、副镜、所有仪器、控制系统与通信系统。由于飞船环绕地球运转，时而被太阳暴晒，时而被地球遮挡住阳光，所以温差巨大。为确保飞船内温度稳定，洛克希德公司在铝制的飞船外壳之外包上几层隔热层。该公司还要在所有仪器与零部件都完成之后将它们组装进飞船。

康宁（Corning）公司用超低膨胀率玻璃铸造了镜坯。为尽量降低重量，镜坯被分为三层，上下两层为2.5厘米厚的实心玻璃，中间一层挖成蜂窝状。

负责打磨主镜面的柏尔金-埃尔默公司迎接了最艰难的挑战。天文望远镜的打磨精度要达到观测波长的1/10。对于观测可见光的望远镜，观测极限是440纳米左右的紫光，精度要达到44纳米左右。但“哈勃”还要观测低至100纳米的紫外线。因此，它的镜面打磨精度要达到10纳米，即1亿分之1米。

柏尔金-埃尔默公司定制了非常复杂的计算机控制打磨机来磨镜子。为避免这样的高端技术出问题，NASA让柯达公司用传统的打磨技术来打磨备用镜面。打磨的工序从1978年12月开始，持续到1981年底。接着，镜子上被镀上一层65纳米厚的铝反射涂层与25纳米厚的氟化镁保护涂层。

图：打磨中的主镜面（来源：NASA Marshall Space Flight Center）

1981年，美国“哥伦比亚号”航天飞机执行了第一次飞行，标志着航天飞机时代的到来。在同一年，空间望远镜研究所成立。它管理大型空间望远镜的科学方面，审批天文学家提出的使用望远镜的申请。特别是，它的所长拥有“所长指定时间”，最多可达到每年观测时间的百分之十。正是这个“所长指定时间”，在后来直接催生了这个望远镜最伟大的几项成就。

1983年，为纪念伟大的天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble），大型空间望远镜被定名为“哈勃空间望远镜”。

图：哈勃的照片（来源：Johan Hagemeyer）

打磨“哈勃”的主镜面的进度一直没有达到NASA的要求。NASA只好将发射时间一直向后推迟：先从1983年推迟到1984年，又推迟到1985年，再推迟到1986年下半年。此时，项目的总预算已升至11.75亿美元。

1986年1月28日，“挑战者号”航天飞机在升空73秒后爆炸，7名宇航员殉职。发射“哈勃”的计划被冻结。直到NASA于1988年恢复航天飞机的飞行之后，发射计划才被重新启动。

图：挑战者号航天飞机发射时（上）与爆炸后的情景（下）（来源：NASA）

在等待发射期间，制造好的望远镜系统被放在高度洁净的洁净间内，每个月花费600万美元。但这次延迟也有一个好处：各部门都利用这段时间升级了设备，此前尚未准备充分的地面控制软件也在这个期间被开发好。

到发射前，“哈勃”的经费开支达到了47亿美元，是此前预算的10倍。其中，柏尔金-埃尔默公司开出的账单达到30亿美元，是此前定价的4倍多。

图：技术人员在检查哈勃的主镜面（来源：NASA）

终于发射升空了

1990年4月24日，“发现号”航天飞机带着“哈勃”起飞。十分钟后，“发现号”进入预定轨道。当这个承载着好几代天文学家梦想的望远镜终于成功跟随“发现号”升空后，有人开心大笑，有人激动地哭了。无数天文学家等待着见证它的辉煌。

跟随“哈勃”升空的仪器有五个：宽场与行星照相机、高分辨率光谱仪、暗淡天体照相机、暗淡天体光谱仪与高速测光器。

图：发现号航天飞机升空（来源：NASA）

宽场与行星照相机由NASA的喷气推动实验室负责制造，它由宽场相机与行星相机组成。在喷气推动实验室开始设计宽场与行星照相机时，侦查卫星“锁眼-11号”已于1976年使用电子耦合器件（CCD）替代传统底片，成为世界上第一个使用CCD相机的航天器。受锁眼-11号卫星的成功的鼓舞，宽场与行星照相机也采用CCD。

高分辨率光谱仪由戈达德飞行中心负责制造，用来探测紫外线光谱。暗淡天体照相机由欧洲空间局制造，用来拍摄暗天体的图像。暗淡天体光谱仪由加州大学圣迭戈分校与马丁·玛丽埃塔（Martin Marietta）公司制造，用来拍摄暗天体的光谱。高速测光器由威斯康辛大学麦迪逊分校设计、制造，用以快速测量变星等亮度快速变化的天体，误差在2%以内。

除了这五个仪器之外，“哈勃”还有一套很特殊的装备——精密导星传感器。它共有三个，一方面用来寻找“导引星”，为“哈勃”的观测提供精确参照物，另一方面它又能确定一些恒星的精确位置，进而根据它们位置的变化计算出它们的距离，这使精密导星传感器成为天体测量学的利器。飞船上还有陀螺与反作用轮，前者感知位置，后者配合前者平稳转动，使“哈勃”的镜头精确指向任意位置的目标。

最终装配好的“哈勃”的质量达到11.11吨，长13.2米，直径4.2米，与校园大巴差不多大。“哈勃”主镜面放在中间位置，副镜放在前半部分。前面的快门打开，光照进去之后被主镜反射到副镜，再被副镜反射后通过主镜中间开的孔，进入指定的仪器。仪器分布如下图。

图：1990年升空时的哈勃上面的仪器。（来源：NASA's Goddard Space Flight Center；汉化：本文作者）

为了将“哈勃”推入预定轨道，“发现号”航天飞机飞到了破纪录的611千米的高度。1990年4月25日，舱内的宇航员打开“发现号”顶部，用加拿大造的遥控操作机械臂将“哈勃”推出舱外，展开太阳能电池板、启动天线，然后释放“哈勃”。

图：发现号与哈勃即将脱离时的合影（来源：NASA）

“哈勃”的轨道是一个非常接近正圆的椭圆，约96分钟绕地球一周，距离地球表面约568千米。因为稀薄大气的阻力与太阳风的影响，“哈勃”的高度会逐渐降低，运转周期也会逐渐减小。因此宇航员在此后的维修任务中，往往需用航天飞机将其带到更高的高度再将其释放。
图：“哈勃”轨道示意图（来源：NASA）
天体发出的光进入哈勃之后，再进入上面的仪器，直接存入自身携带的计算机。计算机将数据转化为无线电信号，发送到位于同步轨道的中继卫星，卫星将信号发给地面位于白沙基地的接收站，基地将信号发给戈达德飞行中心，戈达德飞行中心将信号发到离它很近的空间望远镜研究所。这些数据一方面在研究所存档，一方面分发给提出对应观测申请的天文学家研究。“哈勃”每星期向地面站传输140 GB数据。
图：哈勃的数据传输链（来源：NASA；汉化：本文作者） 用钱买到的最完美的错误 1990年5月20日，哈勃开始执行观测任务，宽场与行星照相机拍了第一张照片。拍照对象是恒星HD96755，拍照目的是协助主镜面对焦。这张照片的清晰度比地面望远镜拍摄的照片的清晰度高50%。但令人感觉不安的是，在这个恒星图像的外围，出现了毛发状的光。
图：左图为地面望远镜拍摄的图，右图为“哈勃”拍摄的第一张图。“哈勃”的成像质量高于地面望远镜。但图中的恒星图像周围出现了毛发状的光芒。（来源: 左: E.Persson; 右: NASA, ESA and STScI）
紧接着的一些照片也出现了类似的问题。在经过讨论、数值模拟与检测之后，天文学家终于确认：哈勃主镜面存在球面像差，本应聚焦的大部分光线发散了，形成模糊的毛发状图像，使哈勃的观测能力大打折扣。
经过调查，人们才知道：柏尔金-埃尔默公司在磨制镜面时，使用了“零反射修正器”来控制精度。安装修正器时用的小杆子的盖子上的油漆脱落了一部分，激光照射后，系统错误地报告了一个空隙。
技术工人因此用一个金属垫圈将修正器中的小透镜调高了1.3毫米，消除了空隙。于是，主镜面也被调高了1.3毫米。磨镜子的工程师就在这个基础上开始磨玻璃，最终多磨了一些玻璃，边缘处的玻璃被多磨掉2.2微米的厚度，相当于人的头发粗细的五十分之一。
微小的打磨偏差导致了严重的球面像差，落在望远镜主镜面上的光无法全部聚焦，越往外的部分接收到的光越偏离焦点，只有约15%的光会聚到一个点，远低于此前设想的是80%。这些被浪费的光还破坏了本该明锐的图像。
用这样的望远镜观测明亮的目标，受到的影响相对小；用它来观测暗淡的目标或进行高对比度成像时，受到的影响就非常大。天文学家用哈勃观测非常遥远、看起来非常暗的星系的计划泡汤了。
1990年6月27日，NASA对外宣布了这个消息，立即引发舆论的强烈批评。有媒体甚至把哈勃（Hubble）改名为跛脚（Hobble）。
在航天飞机上去维修之前，天文学家开发了复杂的“去卷积”技术用以处理哈勃得到的数据，改进了“哈勃”观测到的明亮源的照片质量，还是取得了一些重要成果。
特别是，1993年，“哈勃”测定出M81中的造父变星的距离，确定出M81星系的精确距离：1100万光年。此前估计的M81距离的范围在450万到1800万光年之间，误差范围很大。确定星系的距离之后，就可以确定出宇宙膨胀的速度以及宇宙年龄的精确值。这是“哈勃”在维修前获得的最重要成果。
图：哈勃在M81的不同区域发现的造父变星（互相垂直的白色短线标记出）（来源：NASA/ESA, STScI） 第一次维修：拯救“哈勃” 在确定“哈勃”的主镜存在严重缺陷之后，NASA立即成立专家组研究补救方案。最终方案是：1、在第二代宽场与行星照相机中内置光学矫正系统，抵消主镜面的发散效应，用以替代宽场与行星照相机； 2、制造一个矫正器，矫正主镜面像差对位于轴心附近的暗淡天体照相机、暗淡天体光谱仪与高分辨率光谱仪的影响。这个矫正器被命名为“空间望远镜轴心替代光学矫正系统”，简称COSTAR。它的核心部件是十个硬币大小的光学元件，组合成五对，装在一个箱子里。轴心附近的高速测光器必须被取下，为COSTAR腾位置。 为了能在太空失重环境下执行维修、替换任务，宇航员们在游泳池里用高度仿真的模型进行训练。事实上，早在1979年，NASA就启动了训练项目。
图：在水下训练替换宽场与行星照相机的宇航员。（来源：NASA）
1993年12月2日，“奋进号”航天飞机起飞。宇航员携带了100多种特制工具，开始维修哈勃。这次维修中，第二代宽场与行星照相机取代了第一代宽场与行星照相机，消除了主镜面缺陷导致的问题；COSTAR取代了高速测光器，矫正了主镜面缺陷对另外三个仪器的影响。宇航员还更换了电池帆板、四个陀螺仪、两个电子控制单元、两个磁力计，升级了望远镜上的计算机，把“哈勃”拉到更高轨道。在此后的13年时间内，第二代宽场与行星照相机是“哈勃”最常使用、获得成果最多的仪器，直到2009年它才被更先进的第三代宽场与行星照相机替换下来。

图：1993年，宇航员Story Musgrave与Jeffrey Hoffman在太空中维修哈勃（来源：NASA）

图：宇航员取出第一代宽场与行星照相机，为第二代宽场与行星照相机腾出位置。（来源：NASA）

图：宇航员Kathryn C. Thornton正在给哈勃安装“眼镜”——COSTAR。（来源: NASA/ESA）
这次维修成功消除了“哈勃”主镜面像差产生的负面影响，使哈勃的观测品质达到设计的要求。在功能恢复之后，它的分辨角可小到0.05角秒。这个角度相当于在四十公里之外分辨出一枚直径一厘米的硬币直径上的两个点。这样的分辨能力，可以将距离几千万光年之外的星系中的恒星分解出。
图：维修前宽场与行星照相机拍摄的星系M100的照片的一部分（左）与第一次维修之后于1993年12月31日拍摄的M100的一部分（右），后者比前者清晰得多（来源：NASA）
这次太空维修震撼了全世界媒体，也为“哈勃”赢得了超高的关注度。正是这样的震撼所形成的民意基础，让此后多次针对“哈勃”的耗资巨大的维修得到公众的许可甚至强烈支持，从而让“哈勃”顺利延长了寿命。当初的一个失误虽然给天文学家造成巨大的痛苦，但实际上却让“哈勃”与使用它的天文学家们因祸得福。
“哈勃”深场、创生之柱与宇宙加速膨胀
在第一次维修大获成功之后，当时担任空间望远镜研究所所长的威廉姆斯（Robert Williams）决定用“哈勃”观测极遥远的星系。越远的星系看起来越暗，需要的曝光时间越长。为了持续观测尽量远的星系，威廉姆斯贡献出1995年的“所长指定时间”的大部分来执行这个任务。 从1995年12月18日到28日，“哈勃”一边绕地球转了150圈，一边通过陀螺仪调整方向、让镜头始终对准北斗七星附近的一片狭小天区，不断积累遥远星系发出的光子。这片天区的边长不到满月宽度的十分之一。经过十天的积累，“哈勃”的第二代宽场与行星照相机拍下342张图像。数据处理专家将这些图像处理后叠加成一张图。1996年1月，NASA公布了这张图像，这就是著名的“哈勃深场图”。“哈勃”深场项目验证了“哈勃”在探测极暗淡天体方面的独一无二的杰出能力。

图：“哈勃”深场拍下的照片。照片中有大约3000个星系，其中最远的星系的光是在120多亿年前发出的，而宇宙的年龄才138亿年。（来源: Robert Williams and the Hubble Deep Field Teamand NASA/ESA）

此后，深场项目成为“哈勃”的传统项目：1998年，“哈勃”对南天执行了类似的深场观测，即“哈勃南深场”；2003年到2004年，哈勃对天炉座一片狭小区域累计曝光100万秒，得到“哈勃特深场”图；2010年，“哈勃”完成红外深场项目；2012年，NASA对过去10年间的多次深场曝光叠加，累积曝光200万秒，得到了“哈勃极端深场”图；2013年到2016年，NASA执行了“哈勃边疆场”观测；2014年，NASA公布了加上了紫外线之后的“哈勃特深场”升级图像。这一系列深场观测，一次次刷新人类对早期宇宙及其中的星系的认识，也为天文学家认识各时期星系的演化提供了关键的信息。
细心的读者可能已经发现上面的哈勃深场照片是锯齿状的，右上角有一些区域没有图像。这是因为：第二代宽场与行星照相机内的宽场相机的3个CCD排成粗“L”型，行星照相机的1个CCD放在L型组合的拐弯处，使第二代宽场与行星照相机的总视场呈锯齿状，拍出的图自然也呈锯齿状。
1995年拍摄的驰名世界的“创生之柱”是另一个著名的例子，中间那根柱子的尖端部分就是由行星照相机拍摄的，其他3片大区域由宽场照相机拍摄。
图：第二代宽场与行星照相机于1995年拍摄的创生之柱的可见光照片（来源：Jeff Hester and Paul Scowen, and NASA/ESA）
威廉姆斯任所长期间促成的另一伟大成就是：发现宇宙加速膨胀。1996年，两个小组的负责人都向威廉姆斯申请了所长指定时间，用来探测遥远的Ia型超新星，以获得宇宙减速膨胀的证据。
最终的结果却表明宇宙从某个时期开始加速膨胀，持续至今。这意味着宇宙中存在一种起排斥力作用的能量——“暗能量”。暗能量的发现引发了物理学与天文学的重大变革。2011年，发现宇宙加速膨胀的两个小组的三个负责人获得诺贝尔物理学奖。
第二、三、四次维修：走向红外
1997年2月11日，“发现号”航天飞机起飞，执行哈勃的第二次维修任务。这次维修中，宇航员用空间望远镜成像光谱仪（STIS）替代了暗淡天体光谱仪，用近红外照相机与多目标分光仪（NICMOS）替代高分辨率光谱仪，用固态硬盘替代了此前工作的工程与科学磁带记录器。

图：宇航员Joseph Tanner在维修哈勃（来源：NASA）

图：第二次维修期间被替换下来的暗淡天体光谱仪（来源：NASA）
空间望远镜成像光谱仪可以更好地研究超大质量黑洞附近的恒星与气体运动、类星体吸收线、遥远星系中的恒星形成过程以及太阳系内物体的光谱。
近红外照相机与多目标分光仪在覆盖波长从800到2500纳米，既可进行近红外成像，又可以进行光谱观测。此前的第一/二代宽场与行星照相机虽然可以观测部分近红外，但只达到1000纳米。近红外照相机与多目标分光仪的观测波长延伸到2500纳米，因此使哈勃正式拥有了红外成像功能。它工作到2008年，此后因冷却剂用完而进入休眠状态。
1999年11月13日，哈勃上面六颗陀螺只剩；两颗正常，无法保证精确观测。“哈勃”进入安全模式：电池与天线保持正常，但不执行观测。陀螺仪损坏迫使NASA将计划中的第3次维修任务切割为两部分，然后开始迅速安排“任务3A”。因此，第4次维修被称为“任务3B”，第5次维修则被称为“任务4”。
1999年12月19日，“发现号”航天飞机升空，执行第3次维修任务：宇航员更换了六个新的陀螺仪，安装了性能更好的计算机，升级了电池组、固态硬盘、信号传输器与精密导星传感器。
图：执行第三次维修任务的“发现号”航天飞机在夜间发射（来源：NASA）
2002年3月1日，“哥伦比亚号”航天飞机时空，执行第4次维修任务（3B）。宇航员取下暗淡天体照相机，安装上高级巡天照相机，更换了电池帆板。高级巡天照相机视场宽、成像质量极好、灵敏度非常高，科学产生的效率超过达到前任仪器的10倍。至此，哈勃升空时携带的五个仪器全部被更换完毕。图：2002年3月7日，宇航员James Newman与Michael Massimino在“哈勃”上面取出暗淡天体照相机，为安装高级巡天照相机腾出空间。（来源：NASA）
图：2008年8月10日，哈勃围绕地球10万圈时，天文学家让第二代宽场与行星照相机拍摄了大麦哲伦云星系中的一个恒星形成星云的一小块区域。（来源: NASA, ESA and M. Livio） 登峰造极：“哈勃”的第五次维修
对“哈勃”的第五次维修原本定于2005年执行。不幸的是，2003年2月1日，“哥伦比亚号”航天飞机因起飞时一片隔热瓦脱落后在机翼上砸出洞，在返回大气层时瓦解爆炸，七名宇航员全部殉职。当天下午，原本预定对“哈勃”的第五次维修被取消。 2004年1月16日，NASA正式对外宣布：取消第五次维修任务。这个决定立即震惊了朝野：许多天文学家反对，大批普通民众出来大声疾呼，国会也要求NASA寻找一个延长哈勃生命的方案。NASA只好考虑恢复第五次维修。2006年10月31日，NASA宣布将对哈勃进行第五次维修。 2009年5月11日，“亚特兰蒂斯号”航天飞机升空，为能在危急时刻挽救陷入困境的宇航员，NASA把“奋进号”航天飞机安排在附近发射位，准备随时起飞参与营救。
图：负责第五次维修的亚特兰蒂斯号航天飞机升空（来源：NASA）
所幸的是，第五次维修很顺利。“亚特兰蒂斯号”入轨后，宇航员将第二代宽场与行星照相机替换为第三代宽场照相机。它完全是宽场相机，没有行星相机。此前“哈勃”上的所有仪器都已在内部配备了矫正系统，COSTAR已完成历史使命，宇航员按计划将COSTAR取出，换上“宇宙起源光谱仪”。

图：第五次维修期间，宇航员Andrew Feustel移除COSTAR（来源：NASA）

图：宇航员John Grunsfeld（左）与Andrew Feustel在维修“哈勃”（来源：NASA）
图：第五次维修期间，站在机械臂尾端的Andrew Feustel给John Grunsfeld拍照，自己也出现在后者头盔的反光面之中。（来源：NASA）
此前，空间望远镜成像光谱仪上隔热设备出现问题，冷却剂过快消耗完毕，于2004年提前休眠，这次宇航员加了冷却剂，使其工作至今。宇航员还修理了高级巡天照相机损坏的两个相机中的一个，替换了电池、陀螺仪与科学数据格式器的一个单元与新计算机，翻修了精密导星传感器。图：John Grunsfeld站在机械臂尾端，Andrew Feustel靠近“哈勃”，二人协作，替换三个精密导星传感器中的一个。（来源：NASA）
在对哈勃进行第五次维修时，NASA已决定此后让所有航天飞机陆续退役。此后既无法维修“哈勃”，也无法按原计划将其运回地球。因此在第五次维修时，宇航员在“哈勃”上面安装了一个“软俘获机械”。将来科研控制哈勃的下落方向，避免人员伤亡。
图：在第五次维修时，安装到哈勃上面的软俘获机械（来源：NASA）
图：2009年，维修之后被重新放回太空的哈勃（来源：NASA）图：2009年维修之后的哈勃上面的仪器。（来源：NASA's Goddard Space Flight Center；汉化：本文作者）
虽然“哈勃”望远镜上的仪器共有12个，但“哈勃”上面可放仪器的地方只有五个。每次放新仪器，都必须取下旧的。根据这五个位置，可将哈勃的仪器分为五组，按服役时间列表：

	90-93	93-97	97-99	99-02	02-09	09-现在
高速测光器	√
COSTAR		√	√	√	√
宇宙起源光谱仪						√
宽场与行星照相机	√
宽场与行星照相机2		√	√	√	√
宽场照相机3						√
暗淡天体光谱仪	√	√
空间望远镜成像光谱仪*			√	√	√	√
高分辨率光谱仪	√	√
近红外照相机与多目标分光仪**			√	√	√	√
暗淡天体照相机	√	√	√	√
高级巡天照相机					√	√

备注：* 2004-2009，休眠；** 2008至今，休眠。表：不同时期的哈勃上的仪器（制作者：本文作者）。 2011年3月7月，NASA的“发现号”、“奋进号”与“亚特兰蒂斯号”航天飞机先后退役，在太空中维修“哈勃”的壮举也终于暂时不再可能。几年前，内华达山脉公司曾经提议让其旗下的“追梦人”飞船在未来十年内载人进入轨道再次维修“哈勃”。笑傲江湖：第三代宽场照相机
在第五次维修中上马的第三代宽场照相机在被安装上去之后立即成为哈勃上面最先进的仪器。它不仅包含了退役的宽场与行星照相机的多个部件，还继承了先辈的卓越品质，性能更是比先辈高得多，覆盖的波长也宽得多：光学-紫外部分从200纳米到1000纳米——这相当于前两代相机的覆盖的整个波长范围，近红外部分敏感波长从1000延展到1700纳米。
比起更专注可见光的高级巡天照相机，第三代宽场照相机在红外方面具有更加独特的作用。此外，由于近红外照相机与多目标分光仪（NICMOS）从2008年开始就进入休眠状态，第三代宽场照相机在红外方面的观测能力就显得更加重要。
此后，第三代宽场照相机与高级巡天照相机并驾齐驱，成为“哈勃”上的美图拍摄利器。它们拍下的图像为人类研究恒星形成与演化、星系的形态与物理性质以及各时期宇宙起到了重要作用。
图：哈勃于2009年公布的触须星系的可见光与近红外合成图像。这张图由高级巡天照相机、第三代宽场照相机与第二代宽场与行星照相机得到的数据合成而得（来源：ESA/Hubble & NASA）
图：时隔20年，“哈勃”于2015年再次拍摄“创生之柱”。这次，“哈勃”使用第三代宽场照相机拍摄了可见光与近红外图像。图中为可见光图像。（来源：NASA, ESA/Hubble and the HubbleHeritage Team）
图：2014年，第三代宽场照相机监测木星大红斑的变化时，木卫三经过了大红斑上空，影子与木星大红斑重叠，仿佛浅红眼睛里的黑色眼珠。（来源：NASA, ESA, and A. Simon）

图：“哈勃”的第三代宽场照相机拍摄的气泡星云（NGC 7635）的可见光图像，它是庆祝哈勃升空26周年纪念图。（来源: NASA, ESA, Hubble Heritage Team）

“哈勃”三十年来的重大成就 从1990年升空到现在，30年间，“哈勃”历尽坎坷，又创下无数辉煌。它涉足的领域有星系、引力透镜、宇宙学、星云与星团、恒星形成与演化、恒星爆炸、太阳系内天体、太阳系外行星与卫星，等等。我们可以简单列举哈勃在这些领域的重大突破： 星系天文学领域：拍摄了各类星系的高清图；发现多个星系中有超大质量黑洞；执行多次深场观测，观测到大量远古星系，为揭示宇宙中星系演化的规律做出巨大贡献。
图：大天文台宇宙起源深场巡天（GOODS）项目执行期间，高级巡天照相机拍摄的图像。小图中被放大的是至今为止被发现的最古老星系GN-z11，照片拍出的是它134年前的图像，当时宇宙的年龄只有4亿年。（来源：NASA, ESA, and P. Oesch）
图：哈勃的高级巡天照相机拍摄的“双鼠星系”NGC 4676（来源: NASA, Holland Ford, the ACS Science Team and ESA）

图：2012年9月25日公布的哈勃极端深场图。这张图累积了过去10年哈勃望远镜对天炉座的一小片天区200万秒的曝光，图有5500个星系（来源：NASA,ESA, G. Illingworth, D. Magee, and P. Oesch, R. Bouwens, and the HUDF09 Team）

引力透镜领域：发现大量因星系团/星系的引力作用而产生的星系与类星体的多重像、环与弧；观测到超新星的多重像；利用引力透镜的亮度放大效应，看到极远的星系与单颗恒星。
图：“哈勃”的第三代宽场照相机拍摄到一个因引力透镜效应而产生的“爱因斯坦环”。远处星系发出的光经过一个巨大的红色星系之后，光被扭曲，形成一个几乎闭合的U型弧（来源：ESA/Hubble& NASA）图：“哈勃”的第三代宽场照相机拍摄的星系团MACSJ1149+2223内的超新星四重像。（来源：NASA, ESA, S. Rodney and theFrontierSN team; T. Treu, P. Kelly and the GLASS team; J. Lotz and the FrontierFields team; M. Postman and the CLASH team; and Z. Levay）
宇宙学领域：测出多个星系中的造父变星的精确距离，为确定宇宙精确年龄做出关键贡献；寻找出宇宙中遗失的氢；测出远距离Ia型超新星的距离，证明宇宙加速膨胀；通过星系团的引力透镜效应，确定出星系团内的物质与暗物质的分布规律与暗能量的特征。

图：哈勃的ACS/WFC3/NICMOS拍摄的旋涡星系NGC 3021与其中的造父变星（图中绿圆中的点）（来源：NASA,ESA and A. Riess）

图：“哈勃”的高级巡天照相机拍摄的星系团Cl0024+17的图像。这个星系团内存在一个暗物质环。（来源：NASA, ESA, M.J. Jee and H. Ford）

星云与星团领域：拍下了著名的创生之柱与其他大量精美、清晰的恒星形成星云与星团的图像，揭示出的细节让天文学家对恒星的形成与演化有了更透彻的理解。
图：“哈勃”的第三代宽场照相机拍摄的马头星云的近红外线照片。哈勃升空23周年纪念图。（来源: NASA, ESA, and the HubbleHeritage Team）
图：“哈勃”的第三代宽场照相机和高级巡天照相机拍摄的星云韦斯特隆德2与其中的疏散星团。这是哈勃升空25周年纪念图。（来源: NASA, ESA, the Hubble Heritage Team, A. Nota, and the Westerlund 2 Science Team） 图：哈勃的第三代宽场照相机拍摄的半人马ω球状星团中各种颜色、各种年龄的恒星（来源：NASA, ESA, and the Hubble SM4 ERO Team） 恒星形成、演化与爆炸领域：拍摄了恒星刚诞生时喷发出的喷流、不同时期的不同恒星、恒星死亡早期喷发的物质云、中等质量恒星死亡时吹出的“行星状星云”；拍出大质量恒星爆发为超新星之前的图像；拍摄到恒星的“回光”现象。 图：“哈勃”的高级巡天照相机拍摄的恒星“海山二”（ Eta Carinae）与它喷发出的“矮人星云”的可见光与紫外线图像。（来源: ESA/Hubble & NASA）图：“哈勃”第三代宽场照相机拍摄的行星状星云“环状星云”（M57）的图像。（来源: NASA, ESA, and C. Robert O’Dell） 

图：哈勃的第二代宽场与行星照相机拍摄的蟹状星云的图像。这是第二代宽场与行星照相机拍摄的最大的图，由24张图拼接而成。（来源: NASA, ESA and Allison Loll/Jeff Hester）

太阳系内天体领域：拍摄到除水星与地球之外的各大行星、矮星系、小行星、彗星的图像；发现木星大红斑收缩；发现天王星的环；拍摄到月球与其他行星的重要卫星的图像；发现天王星的新卫星；发现冥王星5颗卫星中的4颗；发现鸟神星的卫星；发现木卫二大气中存在氧气；发现木卫二的水蒸气羽流；发现木卫一的尘埃羽流；拍摄到彗星与木星碰撞的过程；拍摄到彗星与小行星分裂的过程；发现小行星碰撞的过程。
图：2016年5月12日，哈勃的第三代宽场照相机在22分钟内拍摄到的火星卫星火卫一的运行轨迹。图为这13张图的叠加。（来源: NASA, ESA, and Z. Levay）

图：2009年2月24日，“哈勃”的第二代宽场与行星照相机拍摄到土星4颗卫星同时经过土星上空的情景。黑点为卫星的影子。（来源: NASA, ESA and the Hubble Heritage Team）

图：第三代宽场照相机拍摄的ISON彗星。（来源: NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team）太阳系外行星与卫星领域：发现绘架座β星拥有行星的证据；发现一颗恒星周围的行星胚胎——“星子”；探测到系外行星大气中的钠；发现系外行星大气蒸发到太空的现象；发现系外行星雾状大气；探测到系外行星中的有机分子；拍摄到系外行星北落师门b（Fomalhaut b）的图像——最新研究认为，那可能不是行星，而是两颗小行星碰撞后的残留；研究了类似地球的系外行星的大气；发现了宜居带内的系外行星的水蒸气；发现了可能的系外卫星。 丰碑永存，老兵不死 从1990年4月24日升空到今天，“哈勃”在太空中度过了三十个春秋。无数天文学家、工程师、宇航员为它耗尽心血。在航天飞机独领风骚的时代，哈勃躬逢其盛：从发射到维修，共有六架次航天飞机为其服务；前后五次维修，宇航员太空行走的时间累计为166小时5分。图：五架航天飞机起飞图拼接。从左到右：哥伦比亚号、挑战者号、发现号、亚特兰蒂斯号、奋进号。其中挑战者号与哥伦比亚号分别于1986年与2003年爆炸。（来源：NASA）我们不该忘记“哈勃”背后的这些人的汗水、泪水与欢呼，我们更不该忘记在“挑战者号”与“哥伦比亚号”失事悲剧中牺牲的14名宇航员。没有他们的奋斗与牺牲，“哈勃”的成功就无从谈起。图：“挑战者号”爆炸后牺牲的宇航员。从左到右：载荷专家Christa McAuliffe与Gregory Jarvis，任务专家Judith Resnik，指令长Francis Scobee，任务专家Ronald E. McNair，飞行员Michael Smith，任务专家Ellison Onizuka（来源：NASA） 

图：“哥伦比亚号”爆炸后牺牲的宇航员。从左到右：任务专家David M. Brown，指令长Rick D. Husband，任务专家Laurel Blair Salton Clark与Kalpana Chawla，载荷指令长Michael P. Anderson，飞行员William C. McCool，载荷专家Ilan Ramon（来源：NASA）

当年天文学家埃德温·哈勃用2.52米口径望远镜在地面上确定宇宙中众多星系距离并发现宇宙膨胀证据，从而被誉为“星云世界的水手”。多年以后，以埃德温·哈勃来命名的口径2.4米的“哈勃”成为更强大的水手，带领无数天文学家在广袤宇宙远航，创下了一个又一个奇迹，带来一个又一个惊奇与惊喜：它以超凡的聚光能力让视野远及可见宇宙的边缘，它以超凡的分辨能力洞见星系、星云、各类星星的细节。我们几乎可以用“无远弗届”、“无微不至”来形容哈勃的博大与精深。

图：1999年，人们在埃德温·哈勃的家乡放置了一个1/4比例的哈勃望远镜模型（来源：Dual Freq）

“哈勃”的众多成果，不仅帮助人类深刻理解宇宙万物乃至于宇宙自身的秘密，使其成为历史上最伟大的天文望远镜；它还为人类提供了巨量的太空美图，使其成为超一流的太空艺术家。

图：不同时期对宇宙的探测极限。1990年，地面望远镜探测到年龄为60亿年时的宇宙；1995、2004、2010年，哈勃深场、哈勃特深场与哈勃红外特深场分别探测到年龄为15亿年、8亿年与4.8亿年时的宇宙，将来升空的韦伯望远镜可以探测到年龄为2亿年的宇宙。（来源：NASA） 从第一次维修任务成功之后，“哈勃”就立即成为无数民众中的超级偶像。当NASA因为“哥伦比亚号”失事而决定停止维修“哈勃”时，美国数千名中小学学生写信给NASA，呼吁重启维修；民众甚至认为，如果有什么事值得航天飞机冒险起飞的话，维修“哈勃”就是其中之一——如果放着垂危的“哈勃”不修理，航天飞机的意义就会大打折扣。 空间望远镜研究所当年的所长威廉姆斯在最近的一篇应邀发表于中国科学院Research in Astronomy and Astrophysics杂志的回忆文章中从个人思考的观点总结了“哈勃”成功的六大因素：1、耗资巨大的航天飞机项目需要一个配得上那么大代价的项目来体现其价值；2、维修哈勃的壮观场面与超凡结果震撼了全世界；3、空间望远镜研究所不归NASA管；4、与“哈勃”有关的科普与教育非常成功，即使是住在山洞里的隐士看到“哈勃”拍出的那些美图，也会被吸引；5、空间望远镜研究所所长拥有所长指定时间，可用于那些耗时长、风险大的项目；6、NASA提供了大量资金用于“哈勃”数据的处理，转化出众多科研成果。图：2019年，威廉姆斯在中国进行一次关于“哈勃”的科学演讲（来源：Research in Astronomy and Astrophysics杂志）
尽管韦伯空间望远镜即将在未来升空，但其寿命直接依赖于其携带的制冷剂，且只观测红光与红外线，而不观测紫外线与其他波段的可见光。因此，我们在期待韦伯空间望远镜的同时，也期待未来十年内会有其他飞行任务可以继续挽救“哈勃”，让它继续带领人类遨游浩渺壮观的星辰大海。

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