哈勃太空望遠(yuǎn)鏡：

今天是你升空30周年的日子，地球人祝你生日快樂！

撰文 | 蘇道

1990年4月24日，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（Hubble Space Telescope）由“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機(jī)搭載升空。30年來，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡深刻改變了我們對宇宙的認(rèn)識(shí)，成為有史以來最成功的太空任務(wù)。它的觀測產(chǎn)出了成千上萬篇論文，對星系演化、恒星物理、系外行星、太陽系內(nèi)天體等研究領(lǐng)域都貢獻(xiàn)巨大。如果去探究哈勃太空望遠(yuǎn)鏡取得如此豐碩成果背后的原因，我們也許可以用“天時(shí)地利人和”來粗略地概括。

天 時(shí)

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在發(fā)射之時(shí)就備受期待，但是投入運(yùn)行不久，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡的主鏡存在嚴(yán)重的問題。圖像的清晰度很差，哈勃面臨“出師未捷身先死”的窘境。這一消息公布后，美國的媒體、公眾、國會(huì)的質(zhì)疑紛至沓來。美國國家航空航天局（NASA）經(jīng)過一系列評估，最終決定再發(fā)射一次航天飛機(jī)，航天員通過太空行走對哈勃太空望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行在軌維修，以解決主鏡的問題以及此后發(fā)現(xiàn)的一系列其他設(shè)備問題。

1993年12月，7名航天員搭乘“奮進(jìn)號”航天飛機(jī)進(jìn)入太空，其中4人用5次太空行走成功完成了維修任務(wù)。雖然美國的航天飛機(jī)項(xiàng)目命運(yùn)多舛，“挑戰(zhàn)者號”和“哥倫比亞號”在1986年和2003年先后失事，但是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡服役與航天飛機(jī)項(xiàng)目同時(shí)期進(jìn)行，這對它順利完成一系列任務(wù)有很大的幫助。1993年的那次維修拯救了哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，而此后于1997年2月、1999年12月、2002年2月和2009年5月進(jìn)行的4次維修任務(wù)也保證望遠(yuǎn)鏡處于良好的狀態(tài)。在這幾次任務(wù)中，航天員不僅可以維修設(shè)備，還可以對一些老舊的設(shè)備進(jìn)行更換，安裝最新開發(fā)的尖端設(shè)備。2011年之后，美國終止了航天飛機(jī)任務(wù)，因此也就無法再進(jìn)行維護(hù)，但是最后一次成功的維護(hù)還是使望遠(yuǎn)鏡又得以繼續(xù)高效工作超過10年。

我們可以設(shè)想一下，如果沒有航天飛機(jī)，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的維護(hù)會(huì)困難重重，主鏡的災(zāi)難性問題不僅可能讓15億美元的投資大打折扣（即使存在缺陷，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在1993年之前還是獲得了重要的觀測成果），而且由此引發(fā)的質(zhì)疑還會(huì)阻礙此后一系列項(xiàng)目的實(shí)施。

除了航天飛機(jī)的輔助作用外，其他一系列先進(jìn)技術(shù)在哈勃太空望遠(yuǎn)鏡上的應(yīng)用也賦予它前所未有的觀測能力。因此，30年來大放光芒的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡既是時(shí)代的產(chǎn)物，也最終開啟了一個(gè)新的時(shí)代。

地 利

在哈勃太空望遠(yuǎn)鏡這個(gè)項(xiàng)目之前，NASA實(shí)施過“軌道天文臺(tái)”（Orbiting Astronomical Observatory，OAO）計(jì)劃，已經(jīng)有了運(yùn)行太空探測器的經(jīng)驗(yàn)。但是，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的項(xiàng)目規(guī)模和復(fù)雜程度遠(yuǎn)非OAO可比。同時(shí)，美國天文學(xué)界認(rèn)為，作為一家任務(wù)導(dǎo)向的機(jī)構(gòu)，NASA可能會(huì)在未來將注意力從哈勃太空望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)向新的計(jì)劃和任務(wù)上。他們希望能夠有一家獨(dú)立于NASA的機(jī)構(gòu)來負(fù)責(zé)執(zhí)行哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)任務(wù)，同時(shí)便于游說美國國會(huì)以獲得后續(xù)的研究經(jīng)費(fèi)支持。

這家專門的機(jī)構(gòu)就是太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)中心（Space Telescope Science Institute，STScI），成立于1982年，位于美國馬里蘭州巴爾的摩，由美國天文學(xué)研究大學(xué)聯(lián)盟（Association of Universities for Research in Astronomy）負(fù)責(zé)運(yùn)營。從1990年開始，這家機(jī)構(gòu)就負(fù)責(zé)為哈勃太空望遠(yuǎn)鏡篩選科學(xué)任務(wù)以及處理回傳的數(shù)據(jù)（望遠(yuǎn)鏡的飛行控制仍由NASA的戈達(dá)德太空飛行中心來完成）。

除哈勃太空望遠(yuǎn)鏡外，STScI還負(fù)責(zé)未來將要發(fā)射的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope）和廣角紅外巡天望遠(yuǎn)鏡（Wide Field Infrared Survey Telescope）等探測設(shè)備的日常管理工作。同時(shí)，STScI還建立了一個(gè)太空望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)庫（Barbara A. Mikulski Archive for Space Telescopes），目前其中包含超過20項(xiàng)天文學(xué)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)，天文學(xué)家可以借助數(shù)據(jù)庫中的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

在STScI前主任羅伯特·威廉姆斯（Robert Williams）看來，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡取得成功還有一個(gè)關(guān)鍵因素是STScI有較大的自主權(quán)。與NASA相比，STScI的主任被授權(quán)可以自主安排最多10%的觀測時(shí)間。這樣一來，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡可以安排一些長期的、有風(fēng)險(xiǎn)的觀測項(xiàng)目，而不是像其他望遠(yuǎn)鏡一樣安排盡可能多并且有立竿見影效果的觀測項(xiàng)目。著名的哈勃深場（Hubble Deep Field）和證實(shí)宇宙加速膨脹的對Ia型超新星的觀測最初都是利用這類觀測機(jī)會(huì)完成的。

人 和

在任何科學(xué)研究中，人都是決定性因素，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡自然也不例外。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的成功首先要?dú)w功于幾代天文學(xué)家前赴后繼的努力，這里僅舉幾個(gè)有代表性的例子。

1946年，美國天文學(xué)家萊曼·斯皮策（Lyman Spitzer，1914-1997）論證了在太空中放置光學(xué)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行天文觀測的優(yōu)勢，為此后太空望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。1990年哈勃太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空的時(shí)候，斯皮策本人在現(xiàn)場見證了這一時(shí)刻。NASA于2003年發(fā)射的斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡（Spitzer Space Telescope）正是以他的名字命名的。這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡在2020年1月30日退役，同樣取得了非常豐碩的研究成果。

20世紀(jì)70年代，NASA把研制“大型太空望遠(yuǎn)鏡”列入議事日程。此時(shí)，被譽(yù)為“哈勃望遠(yuǎn)鏡之母”的南?！じ窭俳z·羅曼（Nancy Grace Roman，1925-2018）領(lǐng)導(dǎo)了望遠(yuǎn)鏡的論證和立項(xiàng)工作。為了爭取研究資金，南希不遺余力地進(jìn)行游說。她曾經(jīng)表示，每個(gè)美國人只要拿出一張電影票的錢，就能夠在很多年里持續(xù)從哈勃太空望遠(yuǎn)鏡獲得重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。NASA前局長愛德華·維勒（Edward J. Weiler）認(rèn)為，“很多使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡來從事研究的年輕一代天文學(xué)家經(jīng)常會(huì)忘記南希；但是，在沒有網(wǎng)絡(luò)、谷歌和電子郵件的時(shí)代里，是南希推動(dòng)了哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的項(xiàng)目，她組織起天文學(xué)家，并最終說服國會(huì)資助這個(gè)項(xiàng)目?！?/p>

今年4月5日去世、享年100歲的天文學(xué)家瑪格麗特·伯比奇（Margaret Burbidge）在天文學(xué)研究中的最后一項(xiàng)重要工作就是幫助開發(fā)了哈勃太空望遠(yuǎn)鏡上的暗天體光譜儀（FOS）。依靠這臺(tái)設(shè)備，她領(lǐng)導(dǎo)的數(shù)據(jù)分析團(tuán)隊(duì)在橢圓星系M87的中心附近發(fā)現(xiàn)了一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。（參看《活著的傳奇：黑洞照片的幕后英雄與拒絕領(lǐng)獎(jiǎng)的抗?fàn)幷摺罚?/p>

斯皮策、南希和瑪格麗特只是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡成功背后付出辛勞的科學(xué)家的代表而已，30年來，多少科學(xué)家把整個(gè)青春都獻(xiàn)給了這個(gè)項(xiàng)目。

在科學(xué)界之外，公眾對哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的熱情和支持也是它成功的關(guān)鍵因素。望遠(yuǎn)鏡的持續(xù)運(yùn)行與更新需要來自美國國會(huì)的撥款，而公眾的態(tài)度對撥款會(huì)起到至關(guān)重要的作用。1993年，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的“起死回生”在令公眾震驚之余，也使他們對望遠(yuǎn)鏡寄予了更大的期待。同時(shí)，與望遠(yuǎn)鏡有關(guān)的出色的科學(xué)傳播和教育工作吸引了公眾特別是青少年的注意力。30年來，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的大量太空圖片給公眾帶來了巨大的震撼，讓天文學(xué)的外行也有機(jī)會(huì)領(lǐng)略宇宙的壯麗。不夸張地說，我們看到過的太空圖片中有很大一部分都是來自哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，這些圖片也成為哈勃太空望遠(yuǎn)鏡最好的廣告。在慶祝哈勃太空望遠(yuǎn)鏡升空30周年的日子，我們不妨再回顧一下其中的幾張經(jīng)典照片。

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的巨大成功為未來的太空望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。目前，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在軌工作正常，正在等待詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡升空后一道完成多波段的觀測任務(wù)。我們在為它慶祝30歲生日的時(shí)候，可以大膽期待，在未來10年甚至更長的時(shí)間里，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡還將給我們帶來更多的驚喜，讓我們了解更多的宇宙奧秘。

參考資料

[1] http://www.raa-journal.org/docs/papers_accepted/4534.pdf

[2] http://www.stsci.edu/institute/

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Hubble_Space_Telescope

[4] https://www.space.com/15892-hubble-space-telescope.html

[5] https://www.nasa.gov/content/about-the-hubble-story