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哈勃空间望远镜

哈勃空间望远镜

哈勃空间望远镜（英语：Hubble Space Telescope，缩写：HST），又名哈勃太空望远镜。哈勃望远镜以天文学家爱德文·哈勃（Edwin Powell Hubble）的名字命名，是大型轨道天文台计划的第一颗卫星，也是美国航空航天局（NASA）的三大天文台之一。

哈勃空间望远镜的历史可以追溯至1923年提出的空间望远镜概念。1946年，美国天文学家莱曼·史匹哲（Lyman Spitzer）强调了在太空中安置望远镜的优势。20世纪70年代，美国国家航空航天局（NASA）开始规划“大型太空望远镜”，但由于成本问题，项目曾一度停滞。1978年，得益于欧洲航天局和合作伙伴的支持，项目获得美国国会拨款并重启。1982年，望远镜以爱德温·哈勃命名，原定1983年发射，但因技术和资金问题推迟至1986年。后因航天飞机事故，发射再次延期。1990年4月24日，哈勃望远镜终由“发现者”号航天飞机成功发射入轨。初期，其主镜研磨错误导致观测能力受损，直到1993年通过维修任务才得以纠正。

哈勃望远镜其五个主要仪器在电磁波谱的紫外线、可见光和近红外区域进行观测。哈勃望远镜的轨道位于地球大气层的畸变之外，这使其能够捕获极高分辨率的图像，背景光线明显低于地面望远镜。它记录了一些最详细的可见光图像，从而能够深入观察太空。哈勃望远镜的许多观测结果带来了天体物理学的突破，例如确定宇宙的膨胀速度。截至2023年，哈勃空间望远镜已经历了5次太空维修，预计它将持续服役到2030年至2040年。哈勃空间望远镜是美国航空航天局大型轨道天文台计划的一部分，其由NASA和欧洲航天局合作共同管理。哈勃望远镜的继任者是詹姆斯·韦伯空间望远镜太空望远镜。

简史

研制背景

在20世纪40年代以前，人类在地基的光学天文望远镜的建设和研发方面已经取得很大的成就，但是在建设和使用这些地基天文望远镜时，碰到的地球大气影响的问题也越来越尖锐。从上世纪40年代开始，人们就设想把望远镜送到太空上去进行观测。最早提出将望远镜送上太空的是一位美国天文学家莱曼·史匹哲（Lyman Spitzer），他在1946年发表了一篇题为《在地球之外的天文观测优势》的论文。在这篇文章中，斯皮策科学地论证了将望远镜送上太空观测的好处，比如在太空中的望远镜具有大气层内望远镜不能企及的优势——可以不受大气扰动的干扰和观测到被大气层挡在地球之外的红外光与紫外光等。

莱曼·斯皮策的观点虽然迅速被天文学界所接受，但当时要付诸实践还有很多困难。不过从1957年苏联人造卫星发射成功开始，斯皮策的设想有了实现的技术可能。因此1962年，美国国家科学院正式在一份报告中提出，将太空望远镜做为发展太空计划的一部分。而到了1965年，斯皮策被任命为了一个科学委员会的主任委员，该委员会的目的就是建造一架空间望远镜。

此外，“哈勃之母”南希·罗曼的工作至关重要。在哈勃望远镜成为一项正式的美国航空航天局项目之前，她在公开演讲中宣扬了该望远镜的科学价值。在该项目获得批准后，罗曼成为该项目科学家，成立了负责使天文学家的需求切实可行的指导委员会，并在整个20世纪70年代向国会提交证词，以倡导继续为该望远镜提供资金。她作为项目科学家的工作帮助制定了NASA开展大型科学项目的标准。

在第二次世界大战时，科学家利用发展火箭技术的同时，曾经小规模的尝试过以太空为基地的天文学。在1946年，首度观察到了太阳紫外线光谱。英国在1962年发射了太阳望远镜放置在轨道上，做为阿丽亚娜太空计划的一部分。1966年美国航空航天局进行了第一个轨道天文台（OAO）任务，但第一个OAO的电池在三天后就失效，中止了这项任务了。第二个OAO在1968至1972年对恒星和星系进行了紫外线的观测，比原先的计划多工作了一年的时间。

研制历程

寻求资金

1968年美国航空航天局确定了在太空中建造反射望远镜（直径3米）的计划，并暂时将其命名为大型轨道望远镜或大型空间望远镜（LST），预计于1979年发射。同时在1970年，美国航天局还设立了两个委员会，一个规划太空望远镜的工程，一个研究太空望远镜的科学目标。但随后项目便因资金问题而陷入停滞，美国国会对空间望远镜的预算需求提出了许多的质疑。到1974年时，在裁减政府开支的大背景下，时任美国总统的杰拉尔德·福特剔除所有进行空间望远镜的预算，这使得哈勃空间望远镜计划面临夭折的命运。但是天文学家们没有放弃，在经过多方游说，再加上美国科学院报告的支持，最终美国国会同意恢复大型空间望远镜项目一半的预算，并在1977年授权批准哈勃望远镜开始细节设计和制造，同时在1978年拨付了3600万美元作为项目的第一期资金。

由于预算缩减为原来的一半，只有约2亿美元，所以美国航空航天局不得不将望远镜的口径从原计划的3米降至2.4米，仪器设备也相应缩水。同时原先计划做为先期测试，放置在卫星上的1.5米太空望远镜也被取消了。另外，美国航天局还邀请欧洲航天局（ESA）加入项目，由欧洲航天局承担15%的研制经费，作为交换，望远镜在投入使用后将相应给予欧洲科学家不少于15%的使用时间。为纪念在20世纪初期发现宇宙膨胀的天文学家、芝加哥大学天文学博士爱德温·哈勃，空间望远镜在1982年被正式命名为——哈勃空间望远镜。

制造历程

哈勃空间望远镜由美国马歇尔太空飞行中心（MSFC）、金石太空飞行中心（GSFC）、洛克希德·马丁公司和珀金埃尔默仪器有限公司（Perkin-Elmer）公司组成的承包小组负责研制。其中马歇尔中心负责设计、发展和建造望远镜；金石中心负责科学仪器的整体控制和地面任务中心；洛克希德负责搭载望远镜的太空平台的研制；珀金埃尔默仪器有限公司则是负责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）等。

整个太空望远镜制造最关键也是最困难的是光学系统的制造，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需要达到可见光波长的二十分之一，也就是大约30纳米。珀金埃尔默仪器有限公司公司从1979年承接了制作工作，他们使用了当时极端复杂的电脑控制抛光机研磨镜子，使用的是超低膨胀玻璃，为了将镜子的重量降至最低，采用了蜂窝格子，只有表面和底面各一寸是厚实的玻璃。最终镜片的制造花费了3年时间，在1981年底全部完成，并且镀上了75纳米厚的铝增强反射膜，和25纳米厚的镁保护层。

除了光学系统外，由洛克希德·马丁公司负责研制的搭载望远镜的太空平台也是系统的关键。该平台必须能承受住阳光与地球的阴影之间存在的温度变化，同时还要使望远镜能长期稳定地对准目标。为此，洛克希德公司研制了以多层绝缘材料制成的遮蔽罩衣，它能使望远镜内部的温度保持稳定，并且以轻质的铝壳包围住望远镜和仪器的支架。在外壳之内，还有石墨环氧的框架将校准好的工作仪器牢固地固定住。和光学系统一样，太空平台的研制也出现了进度滞后，到1985年时，平台研制进度已经落后原计划好几个月，而预算超出了30%。马歇尔太空飞行中心的报告认为洛克希德·马丁公司在太空平台的建造上没有采取主动态度，而且过度依赖美国航空航天局的指导。

由于珀金·埃尔默公司镜片的抛光进度滞后，再加上花费超支，因此NASA不得不将发射日期由原计划的1983年延后至1984年10月。之后由于光学系统的组装工作和太空平台的研制工作的滞后，发射时间不得不多次变更，最终太空望远镜的各子系统在1984到1985年间陆续完成研制，开始进入组装工作，发射时间则是从1984年延后到1985年，再到1986年9月。

此外，哈勃空间望远镜上最初的两台主要计算机是由Rockwell Autonetics制造的1.25MHz DF-224系统，其中包含三个冗余CPU和两个冗余NSSC-1（美国航空航天局标准航天器计算机，模型1）系统，由Westinghouse和GSFC使用二极管——晶体管逻辑（DTL）。后在1993年维修任务1期间添加了DF-224协处理器，该协处理器由两个冗余串组成，其中一个是基于英特尔的80386处理器，另一个是80387数学协处理器。此后，1999年维修任务3A期间，DF-224及其386协处理器被基于25MHz Intel的80486处理器系统取代。新计算机的速度比以前的计算机快20倍，内存增加6倍。

哈勃空间望远镜的科学运行以及向天文学家提供数据产品是由太空望远镜科学研究所（STScI）负责，哈勃空间望远镜的工程支持由美国航空航天局和马里兰州格林贝尔特戈达德太空飞行中心的承包商人员提供，该中心位于STScI以南48公里（30英里）处。哈勃的飞行操作由组成哈勃飞行操作团队的四组飞行控制员每天24小时监控。

发射历程

1986年，就在各方期待哈勃望远镜能够按计划投入使用时，美国航天事业却发生了灾难性事故。1986年1月28日，挑战者号航天飞机在升空仅73秒后解体爆炸，7名宇航员全部遇难。这场灾难让美国航天事业受到较大打击，所有的航天飞机都被迫终止飞行。因为“挑战者”号也是计划执行哈勃任务的航天飞机，哈勃望远镜的升空时间也只好再次被推迟。最终在经过4年的漫长等待，1990年4月24日，发现号航天飞机终于带着哈勃望远镜及5名航天员到达了离地球600千米的预定轨道。第二天，“爱德文·哈勃”由航天飞机的机械臂送入太空。

推迟发射期间的改进

在推迟发射的1983到1990年期间，哈勃望远镜又作了下列改进：

①采用不易老化的新太阳电池翼，比原来的太阳电池翼多供电40%。

②用长寿命的镍氢蓄电池代替镍镉蓄电池。

③改进安全系统，保障望远镜的自身生存能力。

①由于推迟发射，许多电子部件已装在卫星上有7~10年时间，为了保证可靠性和长寿命，更换了一些电子部件。

⑤增加了轨道替换单元，将来可由航天飞机宇航员在轨道上更换这些部件。

维修记录

在哈勃空间望远镜发射成功后，进行过5次维护：

第一次维护是在1993年哈勃空间望远镜进入太空轨道的几周后，由于科学研究人员发现哈勃空间望远镜传回的图片存在问题，因为进行第一次维护，纠正望远镜主镜上的球面像差，同时对其系统进行更新；第二次维护是1997年2月，在这次维护中，由于出现了一些意外，使得哈勃空间望远镜一些部件的寿命由原来期望的4.5年缩短至2年；第三次维护是在1999年12月，在这次维护中，维修人员对哈勃空间望远镜的零部件进行更新，使其能够处理以往只能够在地面完成的计算工作；第四次维护是在2002年3月进行的，在这次维护中，首次对哈勃的配电系统进行更新，使其能将所获得的电力进行充分的运用；哈勃空间望远镜的最近一次维护是在2008年8月，这次维护主要是对望远镜的电池进行更换，并为其更换上了高精传感器。

2021年6月13日，哈勃望远镜的有效载荷计算机发现与仪器的通信出现错误而进入安全模式，地面控制中心试图切换到备用系统但仍然未能排除故障，之后经过地面模型的排查后，发现实际是计算机的电源控制单元出现故障，经过切换备用电源控制单元后，7月16日望远镜恢复正常运作。2021年10月23日，哈勃望远镜科学仪表再次发出错误代码，团队重设仪表后，隔天早上便恢复科学操作。同年10月25日2时38分，科学仪表再次发出错误代码，自主进入安全模式状态，为2021年的第三次出现错误。直到2021年12月8日，美国航空航天局已恢复哈勃望远镜全面的科学运作，并正在开发更新，降低仪器因缺失同步消息带来的影响。

工作原理

哈勃望远镜是全球第一个在绕地轨道运转的光学天文望远镜，它是反射式的，光学原理基本上和地面的光学望远镜一样，主要观测波段是红外线、可见光及紫外线。2.4米口径的主镜，其分辨率可达0.01角秒，亦即可区分相距在36万分之一度视角以上的两物体。

哈勃空间望远镜的控制和操纵自动化程度很高，它主要是以装定加注的程序指令为控制依据，因此任何一项观测必须事先作好计划。每次观测前都必须事先排好一组拟被执行的指令，比如拟定望远镜须置于什么视向、选用焦平面上的哪种仪器、它的具体操作方式、需要哪些必要的定标和星上数据储存等，都得预先编辑成程序指令。

哈勃空间望远镜的直接控制机构是空间望远镜科学研究所（STSCI）和戈达德飞行中心（GSFC），他们共同负责操纵望远镜。GSFC可直接控制望远镜，并作为其发回数据的收集点。GSFC接收数据后传给STSCI，STSCI负责望远镜观测数据的初步处理和分析，然后提供给观测者。

整体构成

哈勃空间望远镜主要由光学系统、科研仪器和保障系统组成。其中光学系统配备有主镜、副镜、成像系统、计算机处理系统、中心消光圈、主副镜消光圈、控制操作系统等。科研仪器则是有广角行星照相机、高解析摄谱仪、高速光度计、暗天体照相机和暗天体摄谱仪等。保障系统则是有图像发送系统、太阳能电池板以及与地面保持通信联系的抛物面天线等。哈勃空间望远镜携带有多种当时最先进的天文观测仪器，比如广角/行星照相机（WF/PC）、戈达德高分辨摄谱仪（GHRS）、高速光度计（HSP）、暗弱天体照相机（FOC）和暗弱天体摄谱仪（FOS）等。

总体设计

哈勃空间望远镜为长13米，直径4.3米的圆筒。主镜口径为2.4米，总重量是12.5吨。它主要由光学系统、科研仪器和保障系统组成。望远镜的主体为圆筒状设计，里面是由两个双曲面反射镜组成的核心光学系统，两个双曲面分别是2.4米的凹面主镜和装在主镜前约4.5米处的小凸面副镜，副镜前部有可打开的镜头盖。除了光学系统外的主要科学仪器和成像设备则是主要在后部直径更粗的圆筒舱内。望远镜的主体两侧各有一块13.7米长的太阳能电池板，用于给系统供电，通信用的抛物面天线则是布置在镜体筒身背部和腹部，天线杆采用折叠设计。

光学系统

哈勃空间望远镜的光学系统主要是一台大尺寸的卡塞格伦式光学望远镜，其结构如下图所示，入射光由舱门进入，射到主镜（直径2.4米），再反射到它前面的副镜（直径0.3米），副镜将光线聚焦后，重新返回到主镜，从主镜中央小孔穿过到达焦平面上形成高质量的图像。为减轻镜子重量，美国柯宁玻璃厂采用超低膨胀系数的玻璃制造镜坯。镜坯是由两个1英寸厚玻璃片，中间夹有12英寸宽的玻璃蜂窝制成，这样主镜重量只有816公斤。镜子表面不平度为10-6英寸，聚焦误差不超过氦激光波长的1/20。

光学系统的主、副两面镜子都涂有很薄的铝和氟化镁层。铝层厚度仅为75纳米，保证了镜子的反射率。氟化镁涂层厚25纳米，在铝层上方，作用是防止其氧化，同时提高紫外线的反射率。镜子和涂层都经过抛光使其非常光滑。两面镜子用140根杆组成的桁架支撑，支撑杆由波音公司制造，采用环氧石墨材料。为了托住这两面镜子，并使它们在一条直线上，既要修正地面安装时重力的影响，又要经受住发射时的力学环境和轨道300°F的温度变化，为此，设计方特意在主镜背后加装了24个作动器，在副镜背后加装了6个作动器。一旦镜子变形，平台的控制系统就会操纵作动器调节镜面，使聚焦光线能到达焦平面。

太空望远镜主镜口径2.4m，主镜是由熔融石英构成的蜂窝状的空格形的镜面结构，是由康宁公司生产的超低膨胀石英玻璃材料制成。这个主镜由上、下、内表面，外环表面和内部芯格构成，呈三明治夹芯结构。主镜的总重量仅为829kg，它的加工是在气垫支承下进行的。

副镜装在主镜前约4.5米处，口径0.3米，投射到主镜上的光线先反射到副镜上，再由副镜射向主镜的中心孔。在穿过中心孔达到主镜的焦面上形成高质量的图像。

成像系统

光学系统是哈勃望远镜的核心结构，它采用的是组合望远镜设计。光学系统C1包括主镜、副镜和矫正光学设备。光线从筒口进入望远镜，然后从主镜反射到副镜，副镜再把光线从主镜中心的一个小洞反射到主镜后面的焦点，形成清晰的图像。焦点处有一些更小的半反光半透明的镜子，将光线分散到各个科学仪器，供各种科学仪器进行精密处理，得出的数据通过中继卫星系统发回地面。望远镜的镜片由玻璃制成，表面镀上纯铝和镁氟化物，可以反射可见光、红外线和紫外线。哈勃望远镜通过观测天体光线的不同波长或光谱，可以检测到该天体的特征。

科研仪器

广角/行星照相机（WFPC）

广域行星照相机（英文：Wide Field/Planetary Camera，简称WFPC）。它是一个独立的系统，由两架照相机——广域照相机和行星照相机组成，每架都包括四片德州仪器的800×800像素CCD，形成了相互联接的光学视野。其中广域照相机视野广，但解像力有所损失，可以对光度微弱的天体进行全景观测；而行星照相机的解像力高，用于高分辨率的观测。广域照相机与行星照相机正好互补。它由喷气推进实验室制造，全重272公斤左右。它的成像系统的核心是由四个电荷耦合器件（CCD）光敏硅片组成的矩阵。每片硅片为边长约0.5英寸的正方形，每边有800个像素，所以每片有64万个像素。由四个CCD镶成的照片具有超过250万个像素，每个像素产生正比于一次曝光时达到像素的光子数的电讯号。

广角/行星照相机有两种工作模式，分别是广角宽视场模式和窄角行星照相模式，前者可拍摄几十个到上百个星系的照片，清晰度是地基望远镜的10倍；后者则是可提供火星、木星、土星、天王星和海王星的气象资料。在广角宽视场模式中，照相机具有2’.67的正方形视场，是当时所有仪器中最大的视场，每个像素对着一个0″.1的角。在窄角行星照相模式中，方形视场边长68”.7，每个像素对应0″.043的角。CCD探测系统的低背景噪声和高灵敏度，很适用于对弱光源的观测，使得进行某些行星观测只需很短的曝光时间。观测者也可利用这种设备对延伸的银河系和河外天体进行高分辨率的观测。

暗弱天体照相机（FOC）

暗弱天体照相机（FOC）用于某一波段的暗天体的观察，后被更先进的中国空间站工程巡天望远镜照相机代替。由欧洲道尼尔、马特拉和英国航宇三家公司制造，重317.5公斤左右。它有三级电子星象增强器，能将目标天体亮度放大10万倍，可观测到比地基望远镜观测远5~7倍距离的天体。它有极高灵敏度，甚至能探测到单个光子。这种特殊的照相机包含两个相似但是又彼此独立的光学系统，两个光学系统拥有各自的光路和相同的探测器。这两个相同的探测器都由像增强器、电视阴极射线管以及它们之间的耦合透镜系统组成。电视管可检测出像增强器的输出闪烁——相应于到达光阴极的光子。两个照相系统分别在光阴极管上产生11″×11″或22″×22″图像。一般图像数据格式为512×512像素（每像素16bit），每个像素对应0″.022或0″.04。暗弱天体照相机的功能与广角/行星照相机相似，但它对较窄波段更敏感、视场也较小，具有较高的空间分辨率。

暗弱天体摄谱仪（FOS）

暗弱天体摄谱仪（FOS）由马丽埃塔公司制造，重308.4公斤。它能拍摄到暗弱天体，特别是星系喷发；测量深空天体的化学组分，研究类星体的特征。它的掩星装置能帮助暗弱天体照相机研究明亮天体附近的暗弱天体，如红巨星——比太阳大许多倍的非常古老的恒星。

戈达德高分辨摄谱仪（GHRS）

戈达德高分辨摄谱仪（GHRS）是用于紫外线波段的摄谱仪，后被太空望远镜影像摄谱仪替代，由Ball航宇系统部制造，重317.5公斤左右。它是卫星的主要紫外仪器，提供恒星天体的组分、温度和密度数据，也能研究银河系冕和其他星系冕。戈达德高分辨摄谱仪的光谱分辨率比暗弱天体摄谱仪更高，同时对紫外波段非常敏感。它主要是利用准直器、照相镜、色散器件等设备，在探测器光阴极上形成光谱像。色散器件有5个定向光栅、一个中阶梯光栅。戈达德高分辨摄谱仪有高、中、低三种光谱分辨率，其中高、中分辨率方式的波段范围为1100-3200Å；低分辨率方式为1100-1700Å。

高速光度计（HSP）

高速光度计（HSP）能够快速地测量天体的光度变化和偏极性。因为主镜的光学问题，自升空以来一直未能成功使用，后来用于矫正其他仪器的光学问题，由美国威斯康星州大学设计，重272公斤左右。它测量天体目标从紫外到可见光的亮度及随时间的变化；观测爆发变星、快速脉冲星和双星。它有5个电子敏感光源探测器；每个探测器有入射孔/滤波器。这5个电子敏感光源探测器具体是四个析像管和一个光电倍增管。其中有三个析象管用于光度计，另一个管用于偏振仪，主要是测量近紫外的线性偏振。

保障系统

哈勃空间望远镜的保障系统主要包括通信系统和供电系统等，其中通信系统包括天线系统，指令和图像收发系统等，供电系统则主要依靠太阳能电池板和蓄电池。哈勃的天线系统主要是在望远镜背部和腹部对称布置的两付高增益抛物面天线，它们装在16英尺长可伸展的折叠杆上。利用这两部天线，天文望远镜上的数据可以以1×106bit/s的速率通过中继卫星传到地面。在伯尔第莫的空间望远镜研究所里有380人的团队负责接收和处理这些数据。除了通信系统和供电系统外，哈勃号望远镜上其他系统还包括自动循环检测装置、用于与轨道器连接的供电脐带，在窄筒段还有2个机械臂抓捕装置等。

地面部分

哈勃空间望远镜的综合科学利用由座落在美国马里兰州约翰·霍普金斯大学校园内的空间望远镜科学研究所管理。该研究所将负责安排望远镜的观测日程，并将作为使用望远镜的天文学家与望远镜项目机构之间的联络处。欧洲的天文学家还可使用设在慕尼黑附近的欧洲南部天文台内的空间望远镜欧洲协调设施（ST-ECF）。

哈勃空间望远镜将通过美国航空航天局的跟踪和中继卫星系统（TDRSS）把数据传送到该局的戈达德操作中心，并最终送到空间望远镜科学研究所进行科学分析和归档。由于并不总是与地面保持联系，望远镜要以全自动的方式完成天文观测程序，包括自动转换并锁定到新的目标上以及在与TDRSS接通时将积累下来的数据传送出去。在获得了足够的使用经验之后，望远镜可望达25%-35%的稳定观测效率。

性能指标

哈勃空间望远镜由美国航空航天局和欧洲航天局联合研制，历时13年，耗资21亿美元。它的空间轨道高度600千米，与赤道的倾角为28.5度，绕地球一周约需95分钟，初步计划在轨道上工作15年，每5年左右返回地面检修一次。

哈勃空间望远镜可以探测到比肉眼所能看到的暗淡100亿倍的天体，它不受地球大气层的影响，比地面上视宁度最好台址的望远镜都能更清晰地看到宇宙。哈勃可以分辨出角直径仅为0.05角秒的天体，这个分辨率比更大的地面望远镜要好10倍左右。高分辨率使哈勃能够定位恒星周围的尘埃盘或极度遥远星系的发光核。此外，由于它在大气层上方，可以看到的波长范围比地面望远镜更大，不受大气窗口的限制，所以利用哈勃望远镜能更全面地看到和测量产生辐射的能量过程。

问题和维修

1990年6月21日爱德文·哈勃管理局宣称哈勃拍摄照片失败，从广域行星照相机发回来的照片显示，照片失真，存在球状像差。造成这一问题的原因在于哈勃空间望远镜的光学系统有严重问题，即主镜、副镜或者二者都存在问题。为此，美国航空航天局成立了HST调查委员会。调查对象包括制造商和测试人员，重新查看了相关的文献记载分析和检测了HST制造中用到的镜子。

问题根源：喷气推进实验室主任卢·艾伦建立的艾伦委员会发现反射零位校正器组装不正确，其中一个透镜错位1.3毫米。在镜子的初始研磨和抛光过程中，Perkin-Elmer使用两个传统的折射零点校正器分析了其表面，在最后的制造步骤时，他们转而使用定制的反射零点校正器，该校正器的设计明确是为了满足非常严格的公差。该装置的错误组装导致镜子被非常精确地研磨，但形状错误。在制造过程中，使用传统零位校正器进行的一些测试正确地报告了球面像差。但这些结果被驳回，从而错过了捕捉错误的机会，因为反射零点校正器被认为更准确。

艾伦委员会将这些失败主要归咎于珀金埃尔默公司。在望远镜建造过程中，由于频繁的进度延误和成本超支，美国航空航天局和光学公司之间的关系严重紧张。NASA发现Perkin-Elmer没有充分审查或监督镜子的构造，没有指派最好的光学科学家到该项目，特别是没有让光学设计师参与镜子的构造和验证。虽然该委员会严厉批评珀金埃尔默仪器有限公司公司的这些管理失误，但美国宇航局也因没有注意到质量控制缺陷而受到批评，例如完全依赖单一仪器的测试结果。

就哈勃空间望远镜的成像不清来说，皮特引用了美国航空航天局总督察员向国会提交的报告，提出哈勃空间望远镜主镜出现了问题。具体表现在以下方面：①没有经过校对的反射零位校正器垫圈；②没有预料到反转零位校正器的结果；③折射零位测试与反射零位测试不一致；④总体错误测试没有进行。

解决方案：需要精确表征主镜中的误差。天文学家根据点源图像进行逆推，确定所建造的镜子的圆锥常数为−1.01390±0.0002，而不是预期的−1.00230。通过分析Perkin-Elmer用于绘制镜子的零位校正器以及分析镜子地面测试期间获得的干涉图，也得出了相同的数字。由于哈勃空间望远镜仪器的设计方式，需要两套不同的校正器。广域行星相机2的设计已计划取代现有的WF/PC，其中包括中继镜，可将光线引导到构成两个相机的四个独立的电荷耦合器件（CCD）芯片上。它们表面内置的逆误差可以完全消除主镜的像差。但其他仪器缺乏以这种方式配置的任何中间表面，因此需要外部校正装置。

校正光学太空望远镜轴向替换（COSTAR）系统旨在校正聚焦在FOC、FOS和GHRS处的光的球面像差。它由光路中的两个镜子组成，其中一个地面用于校正像差。为了将COSTAR系统安装到望远镜上，必须拆除其他仪器之一，天文学家选择牺牲高速光度计。到2002年，所有需要costar的原始仪器都已被带有自己的校正光学器件的仪器所取代。COSTAR随后被移除并于2009年返回地球，并在华盛顿哥伦比亚特区的国家航空和航天博物馆展出。COSTAR以前使用的区域现在被宇宙起源光谱仪占据。

研究目标

多学科观测台

哈勃空间望远镜是一个真正的多学科观测台，它的科学应用范围极广。由于空间分辨率的提高，这个望远镜将用微光物体照相机的日冕仪器直接对太阳系外行星及原始行星进行探测。微光物体摄谱仪和戈达德高分辨率摄谱仪能够在紫外光谱区摄取到光强很低的天体的高质量光谱，从而使天文学家们能够大大扩大国际紫外线探测器（IUE）卫星已得到的一系列新发现。这两台摄谱仪所摄取的关于我们银河系内星体的紫外观测资料无疑将显著地加深人们对天体大气、宇宙风、质量衰减以及色球层的理解。戈达德高分辨率摄谱仪还将广泛地用于对星际和星系间广阔真空中的稀薄气体的研究。高速测光仪将用来寻找高密度天体（如双联星系，该星系中有中子星和可能的黑洞）辐射光线中可能存在的极快速闪变现象。哈勃空间望远镜的另一项重要任务是研究星系核和更边远的类星体中剧烈的活动现象，这些观测活动将动用望远镜上几乎所有的仪器。

寻找哈勃常数

哈勃空间望远镜还将执行一项重要的、也是长期性的任务，即改进人们对宇宙的总体尺寸和年龄的认识。“爱德文·哈勃”这个名字就是由此而来的。美国天文学家哈勃在1929年发现，宇宙正在均匀地向外膨胀。他指出，星系离开地球的速度与它们已离开地球的距离成正比。宇宙膨胀造成的星系后退速度与距离的恒定比值现在被称为哈勃常数，它是宇宙大小和自“大爆炸”形成宇宙以来的时间的一个尺度，是现代宇宙学的基本参数之一。

哈勃常数测量起来较为困难。其中的遥远星系后退速度项可以通过测量星系光谱的多普勒频移而比较容易地确定下来。该常数的另一项，即距离，则只能依靠间接的方法导出。一旦哈勃常数得以准确地测定，天文学家们将利用哈勃空间望远镜来进行一项更加艰巨的工作，即确定宇宙在空间内到底是有限的还是无限的。

CANDELS

CANDELS（宇宙大会近红外深河外遗产中国空间站工程巡天望远镜）被称为“哈勃历史上最大的项目”，该调查旨在探索早期宇宙的星系演化，以及大爆炸后不到十亿年宇宙结构的最初种子。

哈勃深空计划2012

哈勃深空计划2012旨在通过借助引力透镜研究空白场中的高红移星系来观察“遥远宇宙中最暗的星系”，从而增进对早期星系形成的了解。该计划的目标如下：

宇宙演化调查（COSMOS）

宇宙演化调查（秋英属）是一项旨在研究星系演化的天文项目，其覆盖2平方度的赤道区域，利用多种望远镜进行光谱和成像。该项目于2006年启动，至今仍是绘制深空地图的最大连续区域，已检测到超过200万个星系。COSMOS合作是规模最大、持续时间最长的河外合作，涉及全球200多名科学家。

取得成果

从1990年到2015年，哈勃空间望远镜在地球轨道上运行了累计54亿千米，执行了120多万次观测任务，观察了超过38000个天体。哈勃空间望远镜通过观测到的目标中最远的是距地球130亿光年的原始星系，还证明了大多数星系中央都存在超大质量黑洞，并观测到宇宙膨胀的精确数据，使得空间天文学的发展进入一个新的阶段。

探测宇宙年龄

哈勃空间望远镜对造父变星的观测为哈勃常数的精确测量提供了保证。爱德文·哈勃空间望远镜的精细导星传感器对造父变星进行了直接的视差测量，大大削减了用造父变星周光关系推算距离的不确定性。在哈勃空间望远镜之前，观测得到的哈勃常数有1~2倍的差异，但是在有了新的造父变星观测之后，宇宙距离尺度的不确定性猛然下降到了大约只有10%，从而使人们对宇宙的扩张速率和年龄有了更正确的认知。

观测恒星形成

哈勃空间望远镜还有助于研究诸如猎户星云之类的恒星形成区。通过哈勃空间望远镜对猎户星云的早期观测发现，其中聚集了许多被浓密体和尘埃盘包裹的年轻恒星。尽管已经从理论上和天线阵的观测中推测出来了这些盘的存在，但是直到哈勃所拍摄的高分辨率照片，才第一次直接揭示出了这些盘的结构和物理性质。

证实恒星死亡

哈勃空间望远镜的观测还在超新星爆发和射线爆发之间建立起联系。通过哈勃对射线爆发余辉的观测，研究人员把这些爆发锁定在了河外星系中的大质量恒星形成区。由此哈勃空间望远镜也令人信服地证明了这些剧烈的爆发和大质量恒星死亡的直接联系。

观察黑洞

哈勃空间望远镜最早的核心计划之一就是要建立起由黑洞驱动的类星体和星系之间的关系。之后，通过它们对周围恒星的引力作用，针对“哈勃”所获得的近距星系光谱的动力学模型证实了黑洞的存在。这些研究也导致了对十几个星系中央黑洞质量的可靠测量，揭示出了黑洞质量和星系核球质量之间极为紧密的联系。2011年11月8日，借助哈勃空间望远镜，天文学家们首次拍摄到围绕遥远黑洞存在的盘状构造。这个盘状结构由气体和尘埃构成，并且正处于不断下降进入黑洞中被消耗的过程中。在这些物质落入黑洞的一瞬间，它们将释放巨大的能量，形成一种宇宙射电信号源，称为“类星体”。

太阳系发现

1994年舒梅克-利维9号彗星与木星的碰撞对天文学家来说是偶然的，就在维修任务1恢复爱德文·哈勃光学性能几个月后。哈勃拍摄的这颗行星的图像比1979年旅行者2号探测器通过以来拍摄的任何图像都要清晰，对于研究大型彗星与木星碰撞的动力学至关重要。

2015年3月，研究人员宣布，对木星卫星之一木卫三周围极光的测量显示，木卫三周围有一个地下海洋。研究人员利用哈勃望远镜研究极光的运动，确定大型咸水海洋有助于抑制木星磁场与木卫三磁场之间的相互作用。据估计，海洋深100公里（60英里），被困在150公里（90英里）的冰壳之下。2022年4月，美国航空航天局宣布，天文学家能够利用爱德文·哈勃空间望远镜的图像确定彗星C/2014UN271（贝尔纳迪内利-伯恩斯坦）彗核的大小，这是天文学家迄今为止发现的最大的冰彗星核。C/2014UN271的核心估计质量为50万亿吨，是太阳系中其他已知彗星质量的50倍。

超新星再现

2015年12月11日，哈勃捕捉到了一张被称为“Refsdal”的超新星首次预测再现的图像，该图像是使用星系团的不同质量模型计算得出的，星系团的引力使超新星的光线发生扭曲。这颗超新星此前曾于2014年11月作为哈勃前沿场计划的一部分在星系团MACS J1149.5+2223后面被发现。从星团发出的光大约需要五十亿年才能到达地球，而从其背后的超新星发出的光则比这要多五十亿年，这是根据它们各自的红移来测量的。由于星系团的引力效应，超新星的图像出现了四张，而不是一张。

银河系的质量和大小

2019年3月，爱德文·哈勃望远镜的观测结果与欧洲航天局盖亚太空天文台的数据相结合，确定银河系的质量约为太阳质量的1.5万亿倍。

对天文学的影响

超过15000篇基于哈勃数据的论文已发表在同行评审期刊上。平均而言，基于哈勃数据的论文获得的引用次数大约是基于非哈勃数据的论文的两倍。每年发表的200篇被引用次数最多的论文中，大约10%是基于哈勃数据的。

对航空航天工程的影响

除了科学成果外，爱德文·哈勃还为航空航天工程做出了贡献，特别是低地球轨道（LEO）系统的性能。这些见解源于哈勃在轨道上的较长寿命、广泛的仪器以及将组件返回地球以便对其进行详细研究。特别是，哈勃对石墨复合结构在真空中的行为、残留气体和人类服务造成的光学污染、对电子设备和传感器的辐射损伤以及多层绝缘体的长期行为的研究做出了贡献。此外，哈勃的维修任务，特别是那些维修非空间维护组件的任务，为在轨维修新工具和技术的开发做出了贡献。

其他发现

2014年4月，哈勃空间望远镜发现“ElGordo”星系团容量大大超出科学家估计，为三千万亿颗太阳质量。2016年3月4日，哈勃空间望远镜捕捉了距离地球达134亿光年的GN-z11 星系发出的微光，是目前为止人类宇宙观测的最远距离。

未来计划

随着对宇宙诞生及演化、黑洞和暗物质等前沿领域的迫切探索需求，目前国际上的高水平空间相机一般要求毫角秒级别的稳像精度，如哈勃天文望远镜要求达到0.007″的稳像精度。高精度稳像控制系统直接决定着太空望远镜的成像质量，是一项需要充分重视和深入研究的关键技术。但多种复杂的影响因素均会对稳像精度造成影响，如搭载于飞行器之上的空间望远镜会受到飞行器轨道运动和姿态变化的影响，望远镜内外部的振动条件也会影响指向精度；直接暴露于外空间环境的望远镜还会受到宇宙中多种扰动力矩的影响（如近地轨道中的太阳辐射光压、重力梯度、气动和地磁等力矩）。

为此，空间大口径望远镜的稳像控制是一个复杂的系统工程，需要充分考虑各种扰动源，采取隔振措施抑制振动，合理设计望远镜的结构特性，考虑多级控制系统级联的设计方案。目前，中国地基大口径望远镜的稳像控制已经比较成熟。为提高控制精度，普遍采用多级复合轴控制系统，一些抗扰能力较强的控制算法如滑模变结构、自抗扰、内模等方法也得到了工程实现，但是中国尚无在轨运行的空间大口径望远镜。

哈勃望远镜在极为稀薄的上层大气中绕地球运行，随着时间的推移，它的轨道会因阻力而衰减。如果不重新加速，它将在几十年内重新进入地球大气层，确切的日期取决于太阳活动的活跃程度及其对上层大气的影响。如果哈勃以完全不受控制的再入方式下降，主镜及其支撑结构的部分可能会幸存，存在可能造成损坏甚至人员伤亡的风险。2013年，副项目经理詹姆斯·杰利蒂克（James Jeletic）预计哈勃望远镜可能会延续到2020年代。根据太阳活动和大气阻力，或其缺乏情况下，哈勃望远镜的自然大气再入将在2028年至2040年之间发生。2016年6月，美国航空航天局将哈勃望远镜的服务合同延长至2021年6月。2021年11月，美国宇航局将哈勃望远镜的服务合同延长至2026年6月。

2020年，约翰·格伦斯菲尔德表示，SpaceX Crew Dragon或Orion可以在十年内执行另一次哈勃空间望远镜修复任务。他直言：“我们可以用新的陀螺仪和仪器让哈勃再运行几十年。”2022年9月，NASA和SpaceX签署了《太空法案协议》，研究发射龙飞船任务的可能性，为哈勃望远镜提供服务并将其推进到更高的轨道，可能将其寿命再延长20年。

哈勃继任者的计划具体化为下一代太空望远镜项目，该项目最终形成了詹姆斯·韦伯空间望远镜太空望远镜（詹姆斯·韦伯空间望远镜）的计划，它是哈勃的正式继任者，已于2021年12月25日发射。更先进的21世纪太空望远镜的进一步概念包括大型紫外光学红外测量仪（LUVOIR）。一个概念化的8至16.8米（310至660英寸）光学太空望远镜，如果实现，该望远镜可能会成为哈勃空间望远镜更直接的后继者。

公众使用

任何人都可以申请使用哈勃空间望远镜；对国籍或学术背景没有限制，但分析资金仅适用于美国机构。望远镜上的使用时间竞争激烈，每个周期提交的提案中约有五分之一能够赢得时间表上的时间。征集提案大Hubble Space Telescope Call for Proposals for Cycle17约每年发布一次，周期分配的时间大约为一年。提案分为几类；“一般观察员”建议是最常见的，涵盖日常观察。“快照观测”是指目标仅需45分钟或更短的望远镜时间（包括获取目标等开销）的观测。快照观测用于填补望远镜计划中常规普通观测计划无法填补的空白。

天文学家可以提出“机会目标”提案，其中如果在调度周期内发生该提案涵盖的瞬态事件，则安排观测。此外，高达10%的望远镜时间被指定为“主管酌情”（DD）时间。天文学家可以在一年中的任何时间申请使用DD时间，它通常被授予对超新星等意外瞬态现象的研究。DD时间的其他用途包括导致哈勃深场和哈勃超深场视图的观测，以及在望远镜时间的前四个周期中由业余天文学家进行的观测。2012年，欧洲航天局举办了哈勃数据公共图像处理竞赛，以鼓励在原始哈勃数据中发现“隐藏的宝藏”。