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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）
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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。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。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）
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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。
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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）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）
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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。
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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）
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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 | √ |
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COSTAR |
| √ | √ | √ | √ |
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宇宙起源光谱仪 |
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| √ |
宽场与行星照相机 | √ |
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宽场与行星照相机2 |
| √ | √ | √ | √ |
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宽场照相机3 |
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| √ |
暗淡天体光谱仪 | √ | √ |
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空间望远镜成像光谱仪* |
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| √ | √ | √ | √ |
高分辨率光谱仪 | √ | √ |
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近红外照相机与多目标分光仪** |
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| √ | √ | √ | √ |
暗淡天体照相机 | √ | √ | √ | √ |
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高级巡天照相机 |
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| √ | √ |
备注：* 2004-2009，休眠；** 2008至今，休眠。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”。
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）
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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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）
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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。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。
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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。
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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）
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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。
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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。
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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；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。
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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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