卞毓麟

宇宙中充滿著各種波長的電磁波。地球大氣的吸收、反射和散射，致使電磁波譜中大部分波段的天體輻射無法到達地面。為了充分領略“宇宙交響曲”之妙，人類必須設法全面接收來自太空的所有種類的電磁波。否則就會像一個聽力障礙嚴重的人出席一場音樂會，現(xiàn)場演奏的優(yōu)美樂曲實際上大多被錯過或歪曲了。20世紀后期，空間天文觀測擺脫了地球大氣層的桎梏，使人類跨入了在電磁波譜所有波段上研究宇宙和天體的“全波段天文學”時代。

即使對于可見光波段，將望遠鏡送上天也大有好處。例如，要解決許多懸而未決的天文學難題，高分辨率觀測乃是關鍵之所在。然而在地面上，由于大氣視寧度的限制，光學望遠鏡的角分辨率能達到1”已經很不容易；而在地球大氣層外，則可以得到0.1”的角分辨率。

1990年4月，一架主鏡口徑2.4米的光學望遠鏡用航天飛機送入太空。此鏡以美國天文學家哈勃（E.P.Hubble，1889-1953）的姓氏命名，稱為“哈勃空間望遠鏡”（即Hubble SpaceTelescope，下文簡稱“哈勃”）。25年來?！肮钡挠^測對天文學做出了莫大的貢獻。本文謹對它的歷史與業(yè)績作一簡介。

“哈勃”簡歷

從孕育到開始工作

1923年，德國火箭專家奧伯特（H.J.Oberth）曾在一篇文章中提及將望遠鏡置于地球軌道上的想法。1946年，天文學家斯皮策（L.Spitzer，Jr.）寫出專門報告。論述將望遠鏡置于太空中的優(yōu)越性。1962年，美國國家科學院推薦“大型空間望遠鏡”作為國家級的優(yōu)先項目。1976年美國國家航空與航天局（NASA）和歐洲空間局（ESA）共同提案，1977年美國國會批準“大型空間望遠鏡計劃”撥款。1978年，美國開始為執(zhí)行空間望遠鏡任務訓練宇航員。1979年，空間望遠鏡口徑2.4米的主鏡著手研制。

1981年，美國的空間望遠鏡研究所開張，所址在位于巴爾的摩市的約翰斯·霍普金斯大學內。1983年，“大型空間望遠鏡”更名為“哈勃空間望遠鏡”。1984年，歐洲的空間望遠鏡合作機構在德國開始工作。1985年，望遠鏡的研制大功告成?！肮鄙咸欤芍^已經萬事俱備。

然而天有不測風云，1986年“挑戰(zhàn)者號”航天飛機失事，所有航天飛機的任務全部擱淺，“哈勃”甚至瀕臨取消發(fā)射的絕境。好在結局順利，1990年4月24日?！鞍l(fā)現(xiàn)號”航天飛機攜帶“哈勃”升空。4月25日，航天飛機機組將“哈勃”釋放到軌道上。“哈勃”的設計工作壽命是15年，每3年維修一次，同時更換一些輔助設施。

在地球上，天文學家急切地等待著“哈勃”的首次觀測結果。但是，1990年6月傳回的首批“哈勃”圖像相當模糊。結果查明，“哈勃”的主鏡存在球差。這件事情非常棘手，當時考慮了三種補救辦法。第一種方案是用航天飛機把“哈勃”拉回地面，重新?lián)Q一個主鏡，但這樣做時間太長，要到1996年才能重返太空；第二種方案是讓宇航員上天，在望遠鏡的光路中插入一個改正鏡，就像給“哈勃”戴上一副眼鏡以糾正它的視力，但是“哈勃”的設計并未預留“戴眼鏡”的空間。真正實施的是下述的第三種方案。

問題的根子在于“哈勃”制造過程中，測試階段的光學系統(tǒng)裝配有誤。而幸運的是，整套測試系統(tǒng)在實驗室中一直保持原狀，技術人員能夠據(jù)此重現(xiàn)如何出錯的細節(jié)，這正是“哈勃”最終能夠臻于完美的關鍵。在接下來的兩年里，科學家和工程師們協(xié)力研制了一套光學改正系統(tǒng)，名叫“矯正光學空間望遠鏡中軸置換”（簡稱COSTAR），這是由5對光學反射鏡組成的復雜部件，可以糾正“哈勃”主鏡的球差。

1993年12月2日，“奮進號”航天飛機載著7名宇航員和8噸器材，進入太空抓住“哈勃”，對它進行首次維修。其中的關鍵是拆除原有的高速光度計。換上能夠矯正“哈勃”視力的COSTAR。同時，自帶光學改正部件的廣角行星照相機2（WFPC2）取代了廣角行星照相機1（WFPCI）。12月9日，宇航員輕按電鈕，將“哈勃”重新釋放到它的運行軌道上。修復后的“哈勃”不負眾望，源源不斷地向地面送回極佳的圖像數(shù)據(jù)。NASA的一位主管人士說，它“修得比我們最大膽的夢想還要好”。此事顯示了人在太空中從事高難度操作的能力，為日后興建空間站積累了寶貴的經驗。

“哈勃”的研制耗資逾20億美元，先后有上萬人參與。維修后，它不但消除了像差，分辨率也比原先設計的更高，達到了0.1”。后來，“哈勃”又于1997年2月（第2次）、1999年12月（第3A次）、2002年3月（第3B次）成功地進行太空維修。2009年5月“哈勃”最后一次維修，并服役至今。

1994——2008年

“哈勃”開始工作后，亮點不斷，此處略舉若干，難免掛一漏萬。

1993年發(fā)現(xiàn)的休梅克一利維9號彗星因為過于靠近木星，而被木星的引力撕裂成一串碎塊。1994年7月，這些碎塊以60公里/秒的速度連珠炮似地撞入木星大氣。這是人類首次觀測到太陽系內如此規(guī)模的天體撞擊，“哈勃”提供了這次彗木相撞的詳細觀測結果。同年，“哈勃”通過觀測星系M87，提供了星系中心存在超大質量黑洞的決定性證據(jù)。

1995年，“哈勃”拍攝鷹狀星云照片，著名的“創(chuàng)生之柱”即為其局部。

1996年，發(fā)布第一幅哈勃深場圖像，使天文學家得以研究早期宇宙中的星系。同年，“哈勃”分解出類星體的宿主星系。

1997年2月11日，“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機升空執(zhí)行“哈勃”的第2次維修任務。機組人員用空間望遠鏡成像光譜儀（STIS）以及近紅外照相機與多目標光譜儀（NICMOS）替換了原先的暗天體光譜儀（FOS）以及戈達德高分辨光譜儀（GHRS）。同年，“哈勃”觀測到一個遙遠星系中的y射線暴余輝。

1998年10月29日，“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機攜帶“哈勃空間望遠鏡軌道系統(tǒng)檢測儀”（HOST）升空。HOST的任務是檢驗日后維修“哈勃”要用的新技術。

1999年12月19日，“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機升空執(zhí)行第3A次維修任務。更換了“哈勃”的6個陀螺儀，但未更換科學儀器。

2001年，“哈勃”測量了系外行星HD209458b大氣中的元素。

2002年3月1日，“哥倫比亞號”航天飛機升空執(zhí)行“哈勃”的第3B次維修任務，安裝了高級巡天照相機（ACS）、NICMOS冷卻系統(tǒng)（NCS），以及新的太陽能電池板。當年，“哈勃”探測到一個可能比冥王星還大的柯伊伯帶天體，這導致了冥王星是否有資格作為大行星的爭論。

2003年，“哥倫比亞號”航天飛機在再人大氣時解體，機組人員無一生還，致使航天飛機計劃再次擱淺。

2004年，哈勃超深場圖像發(fā)布，使天文學家能夠在時間上回溯更古老的宇宙。當年，考慮到航天飛機的安全問題，取消了“哈勃”下一次的維修計劃?？臻g望遠鏡成像光譜儀能源告缺。

2005年，“哈勃”拍攝到兩個前所未知的冥王星衛(wèi)星像，并于翌年成功確認。

2006年，決定對“哈勃”再次進行維修。

2007年，“哈勃”的觀測表明矮行星鬩神星比冥王星更大?；凇肮迸臄z的圖像，構建了宇宙暗物質的3維分布圖。同年，哈勃關鍵性的儀器之一“高級巡天照相機”能源告缺。

2008年，“哈勃”拍攝到第一幅系外行星的可見光圖像，即系外行星北落師門b（南魚座ab）的照片。同年，發(fā)現(xiàn)一顆系外行星的有機分子?！肮币牙@地球運行100000圈。

最后一次維修

2009年5月11日，“亞特蘭蒂斯號”航天飛機載著7名機組成員升空。他們通過5次太空行走，完成了對“哈勃”的最后一次維修，于美國東部時間19日8時57分（北京時間20時57分）將“哈勃”重新送入軌道。5次太空行走的概況如下。

第一次，5月14日，兩名宇航員安裝價值1，32億美元的廣角照相機3（WFC3）。不料固定舊相機的一顆螺釘卡牢在望遠鏡上，地面控制中心要求宇航員使出最大力氣將其取出。倘若螺釘斷裂，舊相機就將固定在望遠鏡上，新相機也將無法安裝。所幸最后還是成功了，但原定6個半小時的太空行走延長到了7小時20分。天文學家可望利用這架相機觀測宇宙誕生后5億年至6億年時的情景。隨后，宇航員們?yōu)椤肮备鼡Q了數(shù)據(jù)處理裝置，并安裝了一個對接環(huán)。日后“哈勃”退役返回地球時，NASA的飛船可以借助對接環(huán)將“哈勃”引導至太平洋上空。

第二次，5月15日，兩名宇航員安裝6個新的陀螺儀，這是此次維修的首要任務。由于第三對新陀螺儀安裝不上，宇航員只好將“亞特蘭蒂斯號”的一對備用陀螺儀轉用于“哈勃”。原定6個多小時的太空行走進行了約8個小時。

第三次，5月16日，兩名宇航員為“哈勃”安裝宇宙起源光譜儀（COS）。這是此行難度最高的任務，但進展非常順利，6個半小時即告結束。宇宙起源光譜儀是迄今太空中靈敏度最高的光譜儀，它使“哈勃”得以向地面科學家提供宇宙中遙遠天體的溫度、密度及速度等精確數(shù)據(jù)。

第四次，5月17日，兩名宇航員修復已停止工作的空間望遠鏡成像光譜儀，為它更換了低壓電源板，使其成功恢復正常功能。工作持續(xù)了8個多小時?？臻g望遠鏡成像光譜儀是重要的成像設備，曾幫助“哈勃”證實星系中心普遍存在黑洞，但2004年電力故障之后一直處于休眠模式。

第五次，5月18日，兩名宇航員為“哈勃”更換3塊電池、一個恒星追蹤傳感器和熱屏蔽罩，共耗時7小時2分鐘。完成了對“哈勃”的大修。最大的意外是更換絕緣材料時，舊材料未能回收，而在太空中飄走了。好在這些材料不會對航天飛機造成危害。精確導向傳感器可以提供定點信息。還能探測恒星的相對位置及移動。在望遠鏡上的三處安裝了新外表覆蓋層（NOBL），另一處在第四次太空行走中已更換。美國的航天飛機現(xiàn)在已經退役，新的航天交通工具比較小，而且沒有捕獲“哈勃”的機械臂，不能再執(zhí)行維修“哈勃”的任務。

此次大修總耗資約10億美元。大修后“哈勃”的能力比它剛上天時強大了上百倍，它從頭到腳的器官幾乎已經換遍。NASA的一位“哈勃”項目主管說，“哈勃”身上還有一些最初上天時的部件，但“從很多方面來說，它已經是一臺新的觀測設備”。

大修之前，哈勃可以看到宇宙誕生后約8億年的情景。新安裝的廣角照相機則可觀測到宇宙誕生后5億至6億年時的場景。

2010——2015年

2010年，“哈勃”圖像揭示了紅移疑似大于8的遙遠星系，展現(xiàn)了宇宙在其年齡尚不足今日年齡之10%時的面貌。同年，“哈勃”拍攝到前所未見的兩顆小行星相撞的證據(jù)。

2011年，“哈勃”進行第1000000次觀測，這是對系外行星HAT-P-7b的一項光譜分析。同年，第10000篇利用“哈勃”數(shù)據(jù)資料的科學論文發(fā)表。

2012年，“哈勃”拍攝的圖像顯示一些原初星系源自一個130多億年前形成的遙遠族，我們看到的乃是這些星系在宇宙年齡尚不足今日宇宙年齡之4%時的形象。同年晚些時候，“哈勃”再破紀錄，發(fā)現(xiàn)一個當宇宙僅為今日年齡之3%——即大爆炸之后僅4.7億年時的天體。同年，“哈勃”的觀測還導致發(fā)現(xiàn)了一類新的系外行星。

2013年，“哈勃”首次確定一顆系外行星的真實顏色，同年發(fā)現(xiàn)從木衛(wèi)二表面噴出的水蒸氣。

2014年，“哈勃”成為第一架觀測到一顆小行星解體的望遠鏡；揭示了一顆系外行星迄今最詳盡的天氣圖。

2015年，“哈勃”觀測到一顆遙遠超新星的排列成十字狀的4個像，它們由一個大質量星系團中的一個前景星系的引力透鏡效應所致。全球同慶“哈勃"25周歲。

“哈勃”成果畫廊

“哈勃”的圖像和數(shù)據(jù)是一個無與倫比的寶庫。此處“成果畫廊”所示，一如管中窺豹。

哈勃深場

建造“哈勃”的主要科學目標之一，是測量宇宙的大小和年齡，以及檢驗宇宙起源的理論。哈勃深場使天文學家首次得以清晰地回望星系形成時期。

2012-2014年，哈勃創(chuàng)建了兩個新的深場，即哈勃極深場（Hubble eXtreme Deep Field，簡稱XDF）和哈勃超深場（Hubble Ultra Deep Field，簡稱HUDF）。哈勃極深場拍攝的是迄今最深的宇宙圖像，累積觀測時間長達100萬秒。2014年公布的紫外波段最新哈勃超深場，可供天文學家研究距離我們5-10光年遠的恒星形成。

宇宙的年齡和大小

通過觀測造父變星確定宇宙的年齡和大小，是“哈勃”的一項頂級科學目標。今天我們所知的宇宙年齡，精度要比“哈勃”上天之前高得多：約為137億至138億年。

哈勃的另一個目標是測定宇宙膨脹的速率。宇宙學家已經討論多年，在遙遠的將來宇宙是否會停止膨脹，或是膨脹不斷減緩。“哈勃”和世界上其他頂級望遠鏡對遙遠Ia型超新星的大量觀測表明，由于宇宙中存在暗能量，膨脹其實是加速的！發(fā)現(xiàn)這一驚人事實，使珀爾馬特（S.Perlmutter）、里斯（A.Reiss）和施密特（B.Schmidt）3位天文學家榮獲了2011年的諾貝爾物理學獎。

恒星的一生

恒星也有生長老死。將研究大量單個恒星的誕生、成長，直至死亡與恒星演化理論相結合，“哈勃”的作為遠較其他任何天文設備更為出色。特別是，“哈勃”能夠探測河外星系中的恒星，這有助于科學家研究不同環(huán)境對于恒星一生的影響。

“哈勃”的紅外設備能夠看透環(huán)繞在新生恒星周圍的塵埃云。窺透圍繞在銀河系中心四周的塵埃云。使天文學家發(fā)現(xiàn)，早先認為毫無生氣的這個區(qū)域，其實有著許許多多聚集在星團中的大質量新生恒星。

恒星一生的最后階段，也比原先想象的更加復雜。太陽型恒星臨終時拋出的行星狀星云，可謂千姿百態(tài)，美不勝收。

太陽系天體

“哈勃”拍攝的高分辨率太陽系天體圖像，只有飛臨這些天體的探測器實地拍攝的照片方能更勝一籌。例如，它發(fā)現(xiàn)了冥王星的幾個新衛(wèi)星，發(fā)現(xiàn)了比冥王星更遙遠的矮行星鬩神星以及其他重要的柯伊伯帶天體?！肮边€觀測到一顆彗星進入內太陽系時的分裂，觀測到小行星的碰撞，并觀測到一顆神秘解體的小行星。

系外行星和原行星盤

2008年，“哈勃”拍攝到系外行星北落師門b的像，它是一顆質量約3倍于木星的氣態(tài)巨行星。這是有史以來在可見光波段拍攝到的第一幅系外行星像。同年，“哈勃”探測到系外行星HD 189733b上的有機分子。2012年，“哈勃”發(fā)現(xiàn)了一類全新的系外行星——一個名叫GJ1214b的星球，它被充盈著水蒸氣的濃密大氣包裹著，其星體含有大量的水，體積小于天王星，但是比地球大。

黑洞、類星體和活動星系

“哈勃”對超大質量黑洞的研究貢獻巨大。它的高分辨率觀測表明，多數(shù)大星系的中心極可能都存在超大質量黑洞。它還觀測到了超大質量黑洞周圍物質的發(fā)光盤。再者，較大的星系似乎是較大黑洞的宿主。表明星系的形成與其黑洞之形成有著某種聯(lián)系。這對星系形成與演化理論具有深遠意義。

在“哈勃”之前，類星體被視為性質神秘的孤立的恒星狀天體?！肮卑l(fā)現(xiàn)好些類星體都寄居在星系中心。現(xiàn)在多數(shù)科學家相信，星系中心的超大質量黑洞正是為類星體提供能量的發(fā)動機。

塵埃云中的恒星形成

15幅“哈勃”圖像拼接后清晰顯示了獵戶座大星云的中部。這是有史以來一個恒星形成區(qū)的最為詳盡的圖像。廣角望遠鏡3在可見光波段拍攝的船底座星云圖像，顯示出稠密的塵埃一氣體云。但在紅外波段拍攝的同一區(qū)域的圖像上，塵埃褪去，云內正在形成的年輕恒星赫然現(xiàn)身。

宇宙的組成成分

宇宙中存在著大量不可見的暗物質?！肮痹谠噲D確定暗物質的位置和數(shù)量方面，扮演了重要的角色。它對引力透鏡的敏銳觀測，為在此領域的進一步研究鋪設了寶貴的階石。“哈勃”在此領域的重大突破之一，是發(fā)現(xiàn)當星系團互相碰撞時暗物質會有何種行為。研究表明。暗物質的分布并不與熱氣體的分布相吻合。星系團碰撞時，熱氣體互相撞擊，且因壓力變大而減速。暗物質則不然，它們不經歷這種摩擦，而是在碰撞中安然通過。2015年3月27日美國《科學》雜志發(fā)表了基于“哈勃”和錢德拉X射線天文臺的一項研究結果，表明暗物質自身的相互作用甚至比先前想象的更加微弱。

引力透鏡

愛因斯坦的廣義相對論預言，在引力場的作用下光線行進方向會發(fā)生偏折。引力透鏡現(xiàn)象即由光線的引力偏折所致：如果從觀測者到遙遠光源的視線方向上，中途有一個大質量的居間天體——例如有一個黑洞。那么這個居問天體的引力場造成的遙遠光源的光線偏折。效果就會與透鏡使光線聚焦相類似。不過，倘若居間天體的物質分布延展得很廣，那么成像就會相當復雜。如果居間天體又非嚴格處在從觀測者到被成像天體的連線方向上，而是多少有些偏離，那么成像情況就會更加復雜。例如，同一個遙遠天體有可能形成兩個甚至多個像?；蛘咚傻南窬哂泻芷嫣氐男螤?。“哈勃”得天獨厚的高靈敏度和高分辨率，使它在引力透鏡觀測方面碩果累累。

“哈勃”在25年的歷程中，以其一系列的突破性發(fā)現(xiàn)。使人們對宇宙的認識有了深刻的變化。如今，它的接班人已經確定：美國、加拿大已與歐洲空間局共同計劃于2018年發(fā)射一架新一代的空間望遠鏡，即詹姆斯·韋布空間望遠鏡（簡稱JWST）。韋布（James R.Webb）是NASA的第二任局長，他在1961年至1968年任職期間，領導實施了阿波羅計劃等一系列非常重要的空間探測項目?！绊f布”比“哈勃”更先進而廉價，其靈敏度將為“哈勃”的7倍，主要在紅外波段工作，因而通常被認為是一架空間紅外望遠鏡。至于“韋布”又會給人類帶來怎樣的新發(fā)現(xiàn)，且讓我們拭目以待吧。

最后順便一提，關于“哈勃”據(jù)以命名的哈勃其人，筆者亦曾為《科學》撰文紹介，題為《譜寫天文學的“神曲”——寫于哈勃逝世50周年》，歡迎讀者參閱教正。