哈勃望远镜的传奇一生（一）

欢迎来到“火星茶馆”，这是一次有关宇宙与航天内容的尝试，想提供有情怀、有深度的科普。

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哈勃望远镜漂浮在地球上空

作者按：在天文学家眼中，哈勃望远镜更像是一个知名人士，而不是一个公交车般长，位于太空的光学仪器。哈勃望远镜是人类探索宇宙的英雄壮举。他命运坎坷，多次身处绝境；他大放异彩，彻底改变了人类对宇宙的看法。本期将向各位客官讲述哈勃望远镜的传奇故事。

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为了更美的星空

有两种东西，我对它们的思考越是深沉和持久，它们在我的心灵中唤起惊奇和敬畏就会与日俱增，这就是我头顶上的星空和心中的道德律。—— 康德

璀璨银河横贯夜空

每当太阳西沉，星星高悬在漆黑的穹幕，射下美丽的星光。星空映照在眼睛上，会有神秘而深邃的感觉涌上心头，同时会被某种美丽而壮阔的力量所震撼。人类深深注视着星空，沉醉在美中，也试图理解这世界和自我的命运。

伽利略与望远镜

400多年前，当伟大的伽利略历史性地举起自己制作的简易望远镜对准了星空，他比前人看到了更深邃更美妙的星空。从伽利略以后，天文望远镜成为了观测天体不可或缺的重要工具，可以毫不夸张地说，没有望远镜的诞生和发展，就没有现代天文学。随着望远镜在各方面性能的改进和提高，天文学也正经历着巨大的飞跃，迅速推进着人类对宇宙的认识。

美国加州威尔逊山天文台的虎克反射望远镜（口径2.54米，美国天文学家哈勃在此发现宇宙膨胀） 各大光学望远镜的主镜尺寸比较

随着天文望远镜的口径越来越大，制作工艺越来越先进，人类能看到的星空更加清晰丰富了。人类对星空的研究越深入，也就对宇宙了解得更多，也就更发现自己是多么无知。而地面光学观测的极限也在逐步接近，人类要看到更美的星空需要付出的代价越来越大，而这一切源于大气层的存在。大气层是人类生存的保障，却是天文观测的障碍。动荡不安的大气层造成星光的闪烁，就是俗话说的星星眨眼。而且光谱中的红外线和紫外线被大气层吸收殆尽，造成地面观测的缺失。要知道，红外线和紫外线中也包含着丰富的宇宙信息。在地面隔着大气层通过光学观测星空，就好比我们去参观一个世界名画展，可眼前的画不是变形，就是失真，甚至干脆看不见。人类也尝试在远离城市灯光污染，大气层更稀薄的高海拔地区建立天文观测台。取得了一些改进，但效果终究有限。

大气层 对不同波段电磁波的不透明率（主要能透过的是可见光和无线电波）

1923年，德国火箭先驱赫尔曼·奥特伯在《飞往星际空间的火箭》中首次提出将望远镜放入太空轨道。而被称为史上最伟大的火箭科学家冯·布劳恩就是受到《飞往星际空间的火箭》的启迪，开始对星际旅行深深着迷。后来不但冯·布劳恩成为了奥特伯的学生，还成为了美国航天计划的重要领导者。1946年，二战刚结束，美国天文学家莱曼·斯皮策在论文《在地球之外的天文观测优势》中具体论证了空间望远镜的优势：1、可以将清晰度至少提高一个数量级；2、可以全波段无障碍观测，包括红外线和紫外线。斯皮策的这篇论文可以说是哈勃空间望远镜的起点，在其后的20世纪60、70年代，斯皮策也一直是哈勃空间望远镜的有力推动者。这两位极具浪漫主义和冒险精神的科学家，像灯塔一样照亮着人类科学前进的道路，为了更美的星空，为了宇宙的奥秘。

天马行空的科幻迷 赫尔曼·奥特伯 既是科学家又是登山家的莱曼·斯皮策

命名哈勃

20世纪50年代开始，美国和苏联这两个超级大国展开了激烈竞争，人类在太空领域的发展也由此获得了历史性的机遇。从20世纪50年代到90年代，人类经历一个太空发展的黄金时代，短时间内实现了人造卫星、宇航员、航天飞机、空间站、空间望远镜等一系列太空奇迹。那是一个值得所有人铭记的辉煌岁月。哈勃望远镜也诞生于这个时期，故事的精彩程度一点也不逊色于其它太空事件。

你争我夺的美苏太空竞赛

1962年，也就是斯皮策的论文发表16年后，美国国家科学院在一份报告中推荐空间望远镜做为发展太空计划的一部分。1965年，斯皮策被任命领导一个科学委员会，该委员会目的在于研究大型空间望远镜的可能用途，并在1969年公布了名为《大型空间望远镜的科学用途》的研究报告。美国国家科学院在1969年批准了“大型空间望远镜”项目，并继续进行可行性研究。

在理解宇宙的物质组成、结构、尺寸和演化过程等方面，大型空间望远镜将做出主导性的贡献。  ——  《大型空间望远镜的科学用途》

《大型空间望远镜的科学用途》  的封面

要真正将空间望远镜从科学梦想变为现实，美国国家航空航天局（NASA，1958年10月1日成立）的支持和投入是不可或缺的。实际上，从20世纪60年代开始，冯·布劳恩以及他的团队已经开始思考如何应对空间望远镜的挑战。1966年和1968年，NASA分别进行了两次轨道天文台（OAOs）任务，完成了外太空的紫外线观测，展示了以太空为基地的天文台在天文学上扮演的重要角色。在1970年NASA设立了两个委员会，一个规划空间望远镜的工程，另一个研究空间望远镜任务的科学目标。

NASA早期标志

1969年，随着阿波罗11登月计划的成功，NASA的太空经费开始缩减，大型空间望远镜项目也面临危险。1975年，众议院拨款小组委员会删除了大型空间望远镜项目的预算。为回应此，天文学家协调了全国性的游说努力。许多天文学家亲自前往拜会众议员和参议员，并且进行了大规模的信件和文字宣传。国家科学院出版的报告也强调空间望远镜的重要性。同时，为了缩减预算支出，美国国家航空航天局将望远镜口径从3米降至2.4米，仪器设备也相应缩水，并邀请欧洲航天局（ESA）加入承担15%的研制经费，相应给予欧洲科学家不少于15%的使用时间。通过这一系列的操作，将预算缩减为原来的一半，大约为2亿美元。1977年，最后国会通过了新的预算，至此大型空间望远镜项目正式启动。1983年，望远镜被命为哈勃，以纪念美国著名的天文学家艾德温·哈勃。哈勃在20世纪初期证实了星河系外其他星系的存在，并发现了宇宙膨胀的现象，建立了哈勃定律，为大爆炸理论提供了证据。哈勃被天文学界尊称为星系天文学之父，而哈勃望远镜的观测任务在很大程度上正是基于哈勃的工作，因此以他的名字命名再合适不过了。

彻夜进行天文观测的哈勃

哈勃望远镜的设计制造

对大型空间望远镜项目来说，预算缩水是一个不小的打击。美国作出发展航天飞机的决策，则是大型空间望远镜项目的重要转机。航天飞机可以完成大型空间望远镜的发射任务、太空维修任务，甚至是返回任务。采用航天飞机可以极大提高大型空间望远镜的可行性和可扩展性。后来哈勃望远镜的历史证明，采用航天飞机的方案是极其英明的。哈勃望远镜和航天飞机都成为了传奇，在一定程度上相互成就了对方。

大型空间望远镜的设想图，已经能看出望远镜的基本构型和采用航天飞机进行发射

1978年，美国国会拨付了3600万美元，让大型空间望远镜开始设计，并计划在1983年发射升空。空间望远镜的计划一经批准，计划就被分割成许多子计划分送各机关执行。 马歇尔太空飞行中心（MSFC）负责设计、发展和建造望远镜，金石太空飞行中心（GSFC）负责科学仪器的整体控制和地面的任务控制中心。马歇尔太空飞行中心委托珀金埃尔默设计和制造空间望远镜的光学组件，还有精密定位感测器（FGS），洛克希德被委托建造安装望远镜的太空船。

1979年5月，在康涅狄格州丹柏立的Perkin-Elmer公司抛光中的哈勃主镜。出现在图中的是服务于珀金埃尔默的工程师马丁椰林博士。

1979年，珀金埃尔默开始哈勃望远镜主镜的磨制工作，这是望远镜中最关键的部分。一般的望远镜，镜子在抛光之后的准确性大约是可见光波长的十分之一，但是因为空间望远镜观测的范围是从紫外线到近红外线，所以需要比以前的望远镜更高十倍的解析力，它的镜子在抛光后的准确性达到可见光波长的廿分之一，也就是大约头发丝直径的1/3000。为了能达到如此苛刻的精度要求，珀金埃尔默使用基于计算机的激光研磨系统制造主镜。同时，为了能在太空复杂的环境条件下能一直保持此精度，特意采用了超低膨胀玻璃。

艰难的发射

由于包括主镜研制在内的光学系统进度持续落后，镜子于1981年底才全部完成，整个光学组件直到1984年才完成。与此同时，光学望远镜组合上的预算也在持续膨胀，导致在1986年时比初始预算增加了5倍。整个哈勃项目的研制饱受质疑，特别是光学部分诟病最多，气氛越来越紧张。NASA被迫多次推迟发射时间，从最开始的1983年一直推到1986年。随着哈勃的各部分于1985年12月到位，美国国家航空航天局最终计划于1986年10月发射。

1986年1月28日，挑战者号航天飞机自位在佛罗里达州的肯尼迪航天中心升空。 航天飞机在升空大约73秒后发生解体。

就在这个万事俱备只欠东风的时候，一场灾难正悄悄来临。1986年1月28日的寒冷早晨，在美国佛罗里达的卡那维拉尔角，“挑战者”号航天飞机升空73秒后爆炸解体，顷刻之间爆裂成一团桔红色火球，碎片拖着火焰和白烟四散飘飞，坠落到大西洋，7名宇航员全部遇难。这场航天灾难震惊了全世界，让人扼腕叹息。“挑战者”号的失事使美国的航天事业受到沉重打击，举国上下陷入悲痛当中，航天飞机被迫停止了飞行。而“挑战者”号就是计划将执行哈勃任务的航天飞机。命运开了个沉痛的玩笑，由于航天飞机任务恢复遥遥无期，哈勃任务再次陷入泥沼，未来何时，甚至能否进入太空都变得非常不确定。

美国国家航空航天局的D-67相机拍到右侧SRB尾部处，靠近连接该部件与外储箱的支架处喷出了一股黑灰色的烟雾。

经过近5个月艰难细致的事故调查，事故调查委员会确认事故原因是O形橡胶环在低温下失效，导致燃料泄露并发生起火爆炸。痛定思痛，此后美国对航天飞机进行了400处以上的改进，并加装了安全系统。1988年9月28日，“发现”号在航天飞机任务中止32个月后升空，这标志着航天飞机项目再次走上正轨。

哈勃望远镜离开航天飞机的瞬间，展开金色的帆板正对着耀眼的太阳，而镜筒盖板则映照着蓝色的地球

哈勃望远镜经过漫长的等待，终于等到了最终的发射。1990年4月24日，装载哈勃望远镜的“发现”号航天飞机成功发射升空，4月25日将哈勃望远镜送入距地面600公里的轨道。哈勃望远镜经历了一系列内部与外部的挫折，从项目开始到发射历时20多年，耗资20多亿美元，终于得以翱翔太空。哈勃望远镜的伟大使命就此展开，全世界都在等待哈勃即将传回的图片。

环状星云

下期预告：就在这个欢欣鼓舞满怀期待的时候，一次致命的打击来临。1990年5月20日，哈勃望远镜向地面传回了第一幅照片，成像质量太差，远远没有达到设计要求。是什么原因造成的，又该如何解决？敬请期待火星茶馆下一期。