哈勃空間望遠鏡升空30周年|宇宙不缺美,只缺一雙發現的眼睛

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

1990年4月24日12：33：51，帶著人類想要看清宇宙的美好願望，哈勃空間望遠鏡（簡稱「哈勃」）搭乘發現號航天飛船(STS-31)，在美國甘迺迪航天中心發射升空。

然而，一上天哈勃就壞了。

3年來，哈勃拍攝的照片模糊不清。隨著哈勃主鏡片存在「球面像差光學缺陷」的消息被爆出，哈勃團隊顏面掃地。

「12年，花費15億美元，這群人卻把它搞砸了！」

在美國各大ZZ性綜藝秀節目中，NASA受到了前所未有的嘲諷。

為了挽回顏面，1993年12月2日凌晨4：27：00，一個7人小組授命登空，著手為哈勃進行一次為期5天的「配鏡任務」。他們為哈勃帶來一副「眼鏡」，以修護哈勃模糊的視力。

這幅為了「矯正光學空間望遠鏡的軸向替換（Corrective Optics Space TelescopeAxial Replacement）」的巨大眼鏡，簡稱COSTAR，由5對可移動的彎曲反射鏡組成。它替換了原來的高速光度計（HSP）。

矯正後，第二代廣域行星照相機（WFPC2）取代了第一代廣域行星照相機（WFPC1），保留了原來的暗天體照相機(FOC)、暗天體光譜儀(FOS)和戈達德高分辨光譜儀(GHRS)。就結果來看，這次修護行動相當成功。

哈勃視力不再模糊了

事實上，哈勃作為一項大型的複雜創新工程，早期出現問題在所難免。如今在人類智慧的不斷加持之下，哈勃已變得更加強大，並開啟了「5眼神通」。為紀念「哈勃空間望遠鏡升空30周年」，今天就給大家介紹一下哈勃的「5眼神通」。

「黑洞眼」空間望遠鏡成像光譜儀

（SpaceTelescope Imaging Spectrograph，簡稱：STIS）

STIS對紫外線敏感，是一種功能強大的光譜器件，比第一代哈勃光譜儀收集的光譜數據多30倍，空間數據多500倍。1997年，STIS正式取代了GHRS，成為了哈勃第一隻升級後的「神通之眼」。

這隻眼睛具有高靈敏度和高解析度，極其擅長發現宇宙中的質量分布、尋找宇宙中的幽冥——超大質量黑洞。

上圖：右面的STIS光譜顯示了星系中心的快速恆星運動，顯示了一個超大質量的黑洞。

「透視眼」近紅外攝像機與多目標光譜儀

（NearInfrared Camera and Multi-Object Spectrometer，簡稱：NICMOS）

1997年，過時的GHRS也被換下，按上了更先進的NICMOS，通過觀測紅外線，哈勃可以透過星際塵埃一窺星系中心的神秘，並幫助我們探測遙遠的宇宙，這是其他光學或紫外線設備所無法做到的。

NICMOS有三個照相機充當其複眼，通過捕捉紅外光，NICMOS可以幫助天文學家回答關於恆星、太陽系、星系誕生的問題。

上圖：NICMOS剝去多層塵埃，以顯示塵埃星雲的內部區域。

由於這隻眼睛捕捉的是紅外線，所以容易積攢過多熱量，還曾因為過熱而「紅眼」失效。

「深空眼」高級調查攝影機

（Advanced Camera for Surveys，簡稱：ACS）

2002年3月1日，在哈勃的第四次維修任務中，FOC被替換，哈勃換上了最重要的第三隻眼：ACS，使哈勃的觀測能力趨近頂峰。

ACS包含的先進技術，遠超當時望遠鏡所能達到的技術，具有廣闊的視野、高清的圖像質量和非凡的靈敏度，增強了哈勃從可見光到遠紫外線的觀測能力。

我們在網上看到的那些美麗的哈勃深空場（Hubble Deep Field）照片大都依靠這隻眼睛。它能捕捉到更多不同的光學數據，為我們繪製出了宇宙更多美麗的細節，揭開了宇宙最深和最遠的奧秘。

上圖：ACS覆蓋的面積是原來的兩倍，銳度兩倍，對光的敏感度五倍。

至此，哈勃原來的FOC、FOS、GHRS全部被替換，通過換眼手術，哈勃再也不需要原來那副帶著些許尷尬的巨大眼鏡（COSTAR）了。

然而，哈勃的崛起之路遠不止於此。

2009年5月11日的修護任務中，哈勃又進行了兩大重要的升級，再次提升了其洞察宇宙的眼力。

「微視眼」宇宙起源光譜儀

（CosmicOrigins Spectrograph，簡稱：COS）

COSTAR的移除，意味著為安裝新的科學儀器騰出了空間。COS填補了這個空間，為哈勃開啟了第4項神通：看見星際氣體雲發出的微弱之光，感知遙遠類星體光的變化。

COS只關注紫外線，是哈勃目前使用的最靈敏的紫外光譜儀。通過測量微光強度等信息，COS可以幫天文學家確定許多氣體性質，包括化學成分、密度、溫度等。分析恆星和類星體時，COS更能幫助揭示星雲演化和對周圍星系的影響。

上圖：COS觀測來自遙遠背景物體的光線在穿過史密斯雲（Smith Cloud）時是如何受到影響的。這為測量史密斯雲的化學成分提供了線索。通過這些星系間的取證，有天文學家將史密斯雲的起源追溯到了我們銀河系形成之初。

「暗域眼」廣域攝像機

（The Wide Field Camera，簡稱WFC3）

當WFPC2被更先進的WFC3替換後，再次提升了哈勃對光線的捕捉能力，極大拓展了哈勃看不見的「暗域邊界」。這隻眼睛讓哈勃從近紅外線到遠紫外線的頻段都能看見，並且還擁有近距離和遠距離的對焦功能。

史密斯雲（Smith Cloud）一億年的軌跡，它從銀河系的平面上彎曲，然後像回飛一樣返回。

由於這一特性，哈勃可以通過WFC3拍攝隨時間推移的星際環境變化照片，而所有「暗能量」理論也都依賴這個眼睛，進行主要的視覺研究。

至此，哈勃已經比1990年發射時，強大了100倍。

除了5大神通眼，哈勃還有一大絕技。

要知道哈勃可是以時速約27200公裡的高速，在距離地表570公裡外繞地球公轉。那為什麼它不會轉暈？它如何做到在這樣的高速運動中還能緊盯目標的呢？

「轉不暈」的訣竅：精密制導傳感器

(Fine Guidance Sensors)

哈勃上有3個精密制導傳感器。這三個傳感器中有兩個都在不斷地對望遠鏡進行著微操。剩下一個傳感器用於跟蹤望遠鏡的位置，並根據需要對其進行調整，使其保證在飛行路徑上，目不斜視。

正由於有這個傳感器的存在，哈勃在太空中的對準度比地球上任何望遠鏡精確10倍。

同時傳感器還能用於測量恆星的運動軌跡、距離，以及質量。傳感器收集的大量數據，還能為測量宇宙提供一個距離尺度。

自1990年4月，哈勃空間望遠鏡進入軌道以來，為天文學發展帶來了許多變革，最主要的科學貢獻之一，是改變了天文學文化方式。

在此之前，天文學歷史上曾出現過一段時間，人們為了維護自身的智慧財產權，直到得出研究成果之前，都不會將收集到的資料公布出來。

而哈勃團隊改變了這一切，他們更願意將發現向更多科研團體公布，而不是隱藏。這才有了如今已司空見慣的數據公開。正因如此，如今我們在網絡衝浪時，才能看見這些美麗的高倍率的深空照片。每一張都是那麼震撼人心，每一張都是那麼充滿故事。

韋斯特倫德-哈勃25周年紀念照片

鷹星雲的「創生之柱」

「星系玫瑰」哈勃21周年紀念照片

極端星團爆發出生命

「氣泡星雲」哈勃26周年紀念照片

以上是哈勃100張震撼之作中的5張，更多的美照大家可以到哈勃官方網站上去欣賞。