望遠(yuǎn)鏡顯然是人類最偉大的發(fā)明之一，自伽利略時代以來，人們制造了數(shù)不清的望遠(yuǎn)鏡，但迄今為止還沒有一臺望遠(yuǎn)鏡能像哈勃空間望遠(yuǎn)鏡一樣改變我們的思維，因為它展示的不只是遙遠(yuǎn)宇宙美麗的照片，而是重新定義我們對于整個宇宙的認(rèn)知！

哈勃望遠(yuǎn)鏡是怎么來的？

哈勃望遠(yuǎn)鏡大家都知道是仍然運(yùn)行在近地軌道上的空間望遠(yuǎn)鏡，但最早這個想法卻出自1946年天文學(xué)家萊曼·斯皮策的想法，1965年斯皮策被任命為建造空間望遠(yuǎn)鏡的主任委員，1968年NASA正式確定了建造3米反射望遠(yuǎn)鏡的計劃！

萊曼·斯皮策

盡管計劃確立，但望遠(yuǎn)鏡建造計劃卻一波三折，差點(diǎn)因削減開支被時任總統(tǒng)的福特取消而胎死腹中，幸虧眾多天文學(xué)家協(xié)調(diào)游說，最終將計劃資金縮水一半保留了空間望遠(yuǎn)鏡計劃！因此3米的反射鏡口徑被縮小至2.4米，原先打算在哈勃望遠(yuǎn)鏡的小型望遠(yuǎn)鏡也被取消，并且歐空局也加入了計劃，提供部分預(yù)算，回報則是ESA見過擁有15%的哈勃使用時間！

哈勃的光學(xué)結(jié)構(gòu)：卡塞格林式反射系統(tǒng)，由兩個雙曲面反射鏡組成

1980年初，正在展開設(shè)計的空間望遠(yuǎn)鏡被命名為“哈勃”，這是紀(jì)念二十世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹的偉大天文學(xué)家埃德溫·哈勃命名，而望遠(yuǎn)鏡制造過程則遭遇預(yù)算暴增，進(jìn)度落后，發(fā)射時間一推再推，不過最終在1990年4月24日由發(fā)現(xiàn)號航天飛機(jī)在STS-31航次中將望遠(yuǎn)鏡成功的送入了預(yù)定軌道！

埃德溫·哈勃真該觀測

• 上天就近視哈勃

近視眼是哈勃著名的失誤，上天不久的哈勃就被發(fā)現(xiàn)獲取的圖像盡管比地面望遠(yuǎn)鏡清晰，但顯然沒有達(dá)到哈勃的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，而原因則是鏡面形狀被磨錯了，而誤差僅僅只是邊緣被多磨掉了2.2微米，當(dāng)然補(bǔ)救措施就是增加一片修正鏡，將其重新校正過來，不過因為位置安裝關(guān)系，犧牲了高速光度計，以及修正了部分相機(jī)的像差，這個“空間望遠(yuǎn)鏡光軸補(bǔ)償校正光學(xué)”系統(tǒng)的安裝任務(wù)在奮進(jìn)號航天飛機(jī)的1993年12月的STS-61航次中成功完成。

第一次維修任務(wù)后，哈勃照片解析度直線提升

所以正在近地軌道上工作的哈勃，是戴了一副近視眼鏡的！

上天三十年，哈勃到底干了哪些好事？

哈勃的觀測波段涵蓋紫外波段到紅外波段（115-2500納米），這已經(jīng)遠(yuǎn)超肉眼可見范圍，在三十年不間斷的觀測中，哈勃帶來的是驚喜，但更多的是震撼，因為人類的對于宇宙的認(rèn)識正被哈勃所改寫！

• 宇宙膨脹速度到底有多快？宇宙到底有多久遠(yuǎn)？

哈勃望遠(yuǎn)鏡正在驗證埃德溫·哈勃在上世紀(jì)二十年代提出哈勃常數(shù)，這一點(diǎn)非常重要，因為宇宙的大小與未來發(fā)展的趨勢都將與這一項研究有關(guān)，而關(guān)鍵則是精確測定那個哈勃常數(shù)H0，在哈勃望遠(yuǎn)鏡之前，哈勃常數(shù)的范圍很大，甚至相差一半！

但哈勃所處的近地軌道沒有大氣干擾，也沒有天氣影響，因此哈勃觀測大量遙遠(yuǎn)星系中的標(biāo)準(zhǔn)燭光之一：造父變星，過去是通過它的亮度變化周期幫助判定所在星系的實際距離，但誤差相對比較大，而哈勃則直接的視差測定了造父變星，從而得出不同距離上的星系膨脹的速度，哈勃將H0的精度縮小到了10%，后期又將其縮小到了5%以內(nèi)！

造父變星和它的發(fā)現(xiàn)者勒維特

宇宙誕生到底多久了？這是勒梅特提出大爆炸理論后天文學(xué)家一直都想搞明白的話題，二十年代埃德溫·哈勃用威爾遜山天文臺證明了仙女星系在銀河系以外，遙遠(yuǎn)星系正在離去，現(xiàn)在處在太空的哈勃望遠(yuǎn)鏡利用這些精確測定的數(shù)據(jù)，將宇宙年齡確定為138億歲，正負(fù)在3%以內(nèi)，第一次人類宇宙的年齡調(diào)查得那么清楚。

• 恒星到底是怎么誕生的，哈勃為你呈現(xiàn)

獵戶座大星云，也就是M42的火鳥星云中遍布正在形成中的恒星，這是對恒星形成理論的一次有效驗證，從星云的金斯不穩(wěn)定性開始坍縮，到博克球狀體形成，再到原始恒星積盤產(chǎn)生，再到行星同心圓誕生，在獵戶座和金牛座星云中都得到了驗證，而對超新星殘骸的觀測，哈勃同時將恒星消亡與誕生過程完整的呈現(xiàn)在世人面前！



獵戶座恒星的搖籃

• 星系的演化與黑洞

一直以來天文學(xué)家都懷疑在活躍星系和類星體中心存在巨大的黑洞，但在哈勃望遠(yuǎn)鏡之前幾乎就無法觀測到類星體的宿主星系，而類星體又在遙遠(yuǎn)的宇宙邊緣！哈勃通過詳細(xì)觀測比較近距離的類星體的輸注星系，并且追蹤了數(shù)十個星系中心的恒星運(yùn)動，結(jié)果表明在這些星系核球的中心都存在一個超大質(zhì)量的黑洞，這些黑洞質(zhì)量從太陽的數(shù)百萬倍到數(shù)十億倍不等！



哈勃證實了活躍星系中心存在巨大的黑洞

除此以外哈勃望遠(yuǎn)鏡還提供了類星體的高分辨率圖像，發(fā)現(xiàn)了星系和類星體中黑洞的復(fù)雜物質(zhì)來源，并且發(fā)現(xiàn)了星系中心的黑洞與核球形成之間的復(fù)雜關(guān)系，這表示黑洞和宿主星系之間不是獨(dú)立演化的，而是存在這千絲萬縷的聯(lián)系，可以說是一個相互成就的過程。



銀河系中心就存在一個太陽質(zhì)量400萬倍的黑洞，它位于人馬座方向！

• 暗能量和宇宙加速膨脹的秘密

暗能量二十世紀(jì)末最令人震驚的發(fā)現(xiàn)，1998年兩個團(tuán)隊都發(fā)現(xiàn)了宇宙正在加速膨脹，從而發(fā)現(xiàn)了暗能量的存在，而對宇宙微波背景輻射觀測發(fā)現(xiàn)，暗能量大約占了70%的宇宙質(zhì)量，但這一切似乎從來都不會記得哈勃望遠(yuǎn)鏡對遙遠(yuǎn)宇宙的標(biāo)準(zhǔn)燭光Ia型超新星的觀測依據(jù)。



NGC266的超新星

Ia超新星是一種特殊的超新星，由一顆白矮星和一顆紅巨星構(gòu)成，紅巨星直徑膨脹后落入了白矮星的希爾球，從而被白矮星吞噬，物質(zhì)累積超過錢德拉塞卡極限時，白矮星便炸成了一顆超新星，每次爆發(fā)時質(zhì)量恒定，能量一致，所以就成了宇宙中最標(biāo)準(zhǔn)的燭光。



Ia型超新星爆發(fā)過程

Ia超新星非常明亮，因此即使在遙遠(yuǎn)的宇宙邊緣也能被強(qiáng)大的哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測到，結(jié)果就是宇宙大約在90億年前開始結(jié)束減速膨脹，并最終漸漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧铀倥蛎?，今天我們的宇宙正在加速膨脹?/p>



宇宙的命運(yùn)是不停膨脹，可能是熱寂，可能是大撕裂，具體是哪個估計誰也說不準(zhǔn)，但至少它不會再收縮！

• 哈勃展示的宇宙

哈勃有很多“不務(wù)正業(yè)”的工作，除了給大眾留下那些嘆為觀止的照片外，當(dāng)然更多的是給了天文學(xué)家研究這些天體的機(jī)會，而最“不務(wù)正業(yè)”的工作是三次次超深空觀測：

第一次：1995年12月18日至28日間，位置：北天區(qū)大熊座附近

第二次：1998年9月至10月間，位置：南天區(qū)杜鵑座

第三次：2003年9月24日至2004年1月16，位置：北天區(qū)天爐座



HUDF展示的遙遠(yuǎn)宇宙

觀測使用的是哈勃主任裁量時間，也就是老大想看哪就看哪，但這卻不是隨便看，而是盯著一片看上去沒有任何天體的天區(qū)觀測，結(jié)果是令人震驚的，天空中任意區(qū)域，都密布了無數(shù)“星星”！其中2003年9月的這張照片中，請注意這些星星點(diǎn)點(diǎn)的每一個光斑，都代表一個星系，每一個星系都和銀河系一樣有數(shù)千億顆恒星，而它們中最遠(yuǎn)的星系距離大約在130億光年外，這張在天空中占據(jù)的范圍為3平方角分，全天區(qū)面積的12700000分之一！



XDF和滿月的大小相比

這是繼宇宙微波背景輻射的各向同性后，星系分布也同樣遵循各向同性的原則，三次觀測，方向迥異，但結(jié)果是一樣的，宇宙深處一樣熱鬧，而且有過之而無不及！這三次觀測是繼“暗淡藍(lán)點(diǎn)”后對人類的再一次震撼，暗淡藍(lán)點(diǎn)是人類對于地球只是宇宙中一粒沙子的感嘆，而哈勃超深空照則是感慨十幾萬光年直徑的銀河系也不過是宇宙中的一粒沙子！



XDF展示的星系，最遠(yuǎn)可達(dá)133.5億光年

哈勃未來將功成身退，詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡將繼任

哈勃在這條相對于赤道傾斜28.5度、547千米高度的軌道上運(yùn)行了30年，每年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)超過10TB，數(shù)萬篇論從哈勃提供的數(shù)據(jù)中產(chǎn)出，它的造價與維護(hù)費(fèi)用已經(jīng)超過了100億美元，但它對于人類的貢獻(xiàn)可能無法用金錢來衡量！



哈勃的軌道

三十歲的哈勃，對于人類而言不過是而立之年，但對于在太空工作了三十年的哈勃望遠(yuǎn)鏡來說，也已垂垂老矣，而隨著航天飛機(jī)的退役，未來維修已經(jīng)不可能，最后一次維護(hù)是在2009年5月，所以未來哈勃退役已經(jīng)進(jìn)入倒計時，不過預(yù)計哈勃正常工作到2025年還沒有問題！



2009年5月最后一次哈勃維修任務(wù)，宇航員邁克·古德正在固定哈勃望遠(yuǎn)鏡

不過各位也無需擔(dān)心，推遲了N次的詹姆斯韋伯望遠(yuǎn)鏡將會在2021年發(fā)射，它將定位于日地系拉格朗日點(diǎn)L2，此處沒有地球的干擾，而且有超大遮光罩保護(hù)，設(shè)備將處在50K的低溫下（?220 °C）下，消除熱噪點(diǎn)，為高靈敏度紅外線傳感器、光譜儀等提供一個絕佳的環(huán)境！



缺點(diǎn)則是未來將不會有任何航天器到達(dá)這里給它提供維修，它將獨(dú)自在工作數(shù)十年！韋伯望遠(yuǎn)鏡的6.5米口徑的鈹鍍金鏡片將給我們帶來全新的視角，也許韋伯望遠(yuǎn)鏡將發(fā)現(xiàn)宇宙中的第一縷光！