![发现号航天飞机在STS-82维修任务中拍摄的哈勃空间望远镜](/d/file/p/2022/10-07/23cb9a192c7f092d2fe266e3c5b7ad22.jpg)
概述
![携带哈伯空间望远镜进入轨道的STS-31任务航天飞机升空](/d/file/p/2022/10-07/befbf833ac04ae06bd38111b50d32140.jpg)
![草帽星系(Sombrero Galaxy)距离地球2800万光年,人们一致认为这是哈勃太空望远镜拍摄到的最好的照片](/d/file/p/2022/10-07/13c42d2886d50cd9dbe0e0fa65ce666f.jpg)
![空间望远镜之父莱曼·斯皮策](/d/file/p/2022/10-07/a470f28e2740da3947f60cfe20df9092.jpg)
设计与制造
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,还有精密定位传感器(FGS),洛克希德被委托建造安装望远镜的太空船。![1980年,建造中的哈伯望远镜](/d/file/p/2022/10-07/75907596f6c683fc83cbb5648725f6ad.jpg)
·光学望远镜的组合安装(OTA)
望远镜的镜子和光学系统是最关键的部分,因此在设计上有很严格的规范。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30 纳米。 珀金埃尔默刻意使用极端复杂的电脑控制抛光机研磨镜子,但却在最尖端的技术上出了问题;柯达被委托使用传统的抛光技术制做一个备用的镜子(柯达的这面镜子现在永久保存在史密松宁学会)。1979年,珀金埃尔默开始磨制镜片,使用的是超低膨胀玻璃,为了将镜子的重量降至最低,采用蜂窝格子,只有表面和底面各一吋是厚实的玻璃。![哈勃主镜的直径将近8英尺](/d/file/p/2022/10-07/60a5732269da641c996f65ba1c055fcc.jpg)
·太空平台系统
安置望远镜和仪器的太空船是主要工程上的另一个挑战。它必须能胜任与抵挡在阳光与地球的阴影之间频繁进出所造成的温度变化,还要极端的稳定并能长间的将望远镜精确的对准目标。以多层绝缘材料制成的遮蔽物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,石墨环氧的框架将校准好的工作仪器牢固的固定住。 有一段时间用于安置仪器和望远镜的太空船在建造上比光学望远镜的组合来得顺利,但洛克希德仍然经历了预算不足和进度的落后,在1985年的夏天之前,太空船的进度落后了个月,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在太空船的建造上没有采取主动,而且过度依赖NASA的指导。·地面支持
在1983年,空间望远镜科学协会(STScI)在经历NASA与科学界之间的权力争夺后成立。空间望远镜科学协会隶属于美国大学天文研究联盟 (AURA),这是由32个美国大学和7个国际会员组成的单位,总部坐落在马里兰州巴尔地摩的约翰·霍普金斯大学校园内。 空间望远镜科学协会负责空间望远镜的操作和将数据交付给天文学家。美国国家航空航天局(NASA)想将之做为内部的组织,但是科学家依据科学界的做法将之规划创立成研究单位,由NASA位在马里兰州绿堤,空间望远镜科学协会南方48公里,的哥达德太空飞行中心和承包厂商提供工程上的支援。哈勃望远镜每天24小时不间断的运作,由四个工作团队轮流负责操作。 空间望远镜欧洲协调机构于1984年设立在德国邻近慕尼黑的Garching bei München,为欧洲的天文学家提供相似的支援。·仪器
![哈勃太空望远镜 (图片:NASA)](/d/file/p/2022/10-07/aa9008baee078b1a659b3332a629bd49.jpg)
维护任务和新仪器
早在1979年,哈勃望远镜尚处于蓝图阶段,就已经把进行太空维修纳入可行性设计之中。按照设计方案,望远镜上共有50余种元件和设备可在太空中作更换。哈勃望远镜拥有5台主要的科学观测仪器,包括两台照相仪,两台光谱仪和一台高速光度计。每台设备都设计成相互独立的组装插件,可以分别或同时进行观测,也可以单独被撤换而不影响其它仪器。 哈勃望远镜频频“遇险”,于是美国国家航空航天局在1993年12月对其作了为期12天的太空维修。7名机组人员带着7吨重的各种器材,于12月2日搭乘“奋进号”航天飞机驶入太空。此次太空之旅的意义非比寻常,不但是要修好望远镜,矫正哈勃望远镜的“视力”,更重要的是可以检验人类在太空里从事高难度操作的能力,也为今后空间城的建造积累宝贵的经验。 “奋进号”启程3天之后与哈勃相会。首先,宇航员用机械臂把哈勃望远镜抓入飞船的敞开式货舱中。在随后几天激动人心的紧张“手术”中,数位宇航员轮番步入太空,依照事先周密的安排和演练,有条不紊,精心根治哈勃望远镜的诸多病患,终于“妙手回春”,全面恢复了望远镜原设计的科学能力。在修复过程中,更换了哈勃望远镜的两台陀螺仪和太阳能电池翼板上的驱动控制部件,解决了望远镜空间定向的稳定性问题。矫正望远镜主镜的像差是此次成败的关键,宇航员们为哈勃望远镜新装了"光学矫正替换箱",就仿佛给翳障迷蒙的近视眼配上一副“矫光眼镜”,使其重现清明。在科学仪器方面,换装上一台加州喷气推进实验室制作的新一代的广角行星照相仪,令望远镜的天文观测能力如虎添翼。此外,宇航员还安装了新的计算机存储器,进一步改善了电脑的使用效率。在与地面环境迥然不同的外层空间进行如此复杂而精细的工程维修,显示出人类在空间中从事高难度活动的能力,堪称科技史上的伟大创举。诚如美国国家航空航天局的主管韦勒博士所言:“这次(维修)飞行无论成功与否,都将名存史册”。![在哈勃第一次维修任务中工作的太空人](/d/file/p/2022/10-07/38b5ecdafd7915377bd69222162bf24c.jpg)
·第一次维护任务
在设计上,哈勃空间望远镜必须定期的进行维护,但是在镜子的问题明朗化之后,第一次的维护就变得非常重要,因为太空人必须全面性的进行望远镜光学系统安装和校正的工作。被选择执行任务的七位太空人,接受近百种被专门设计的工具使用的密集训练。由奋进号在1993年12月的STS-61航次中,于10天之中重新安装了几件仪器和其他的设备。 最重要的是以COSTAR修正光学组件取代了高速光度计,和广域和行星照相机由第二代广域和行星照相机与内部的光学更新系统取代。另外,太阳能板和驱动的电子设备、四个用于望远镜定位的陀螺仪、二个控制盘、二个磁力计和其他的电子组件也被更换。望远镜上携带的计算机也被更新升级,由于高层稀薄的大气仍有阻力,在三年内逐渐衰减的轨道也被提高了。 1994年1月13日,美国国家航空航天局宣布任务获得完全的成功,并显示出许多新的图片。这次承担的任务非常复杂,共进行了五次航天飞机船舱外的活动,它的回响除了对美国国家航空航天局给予极高的评价外,也带给天文学家一架可以充分胜任太空任务的望远镜。 后续的维修任务没有如此的戏剧化,但每一次都给哈勃空间望远镜带来了新的能力。·第二次维护任务
第二次维护任务由发现号在1997年2月的STS-82航次中执行,以空间望远镜影像摄谱仪(STIS)和近红外线照相机和多目标分光仪(NICMOS)替换掉戈达德高解析摄谱仪(GHRS)和暗天体摄谱仪(FOS);以一台新的固态记录器替换工程与科学录音机,修护了绝热毯和再提升哈勃的轨道。近红外线照相机和多目标分光仪包含由固态氮做成的吸热器以减少来自仪器的热噪声,但在安装之后,部分来自吸热器的热扩散却意料之外的进入光学挡板,这额外增加的热量导致仪器的寿命由原先期望的4.5年缩短为2年。·第三次维护任务(3A)
在六台陀螺仪中的三台故障之后(第4台在任务之前几个星期故障,使望远镜不能胜任执行科学观察),第三次维护任务仍然由发现号在1999年12月的STS-103航次中执行。在这次维护中更换了全部的六台陀螺仪,也更换了一个精细导星传感器和计算机,安装一套组装好的电压/温度改善工具(VIK)以防止电池的过热,并且更换绝热的毯子。新的计算器是能在低温辐射下运作的英特尔486,可以执行一些过去必须在地面处理的与太空船有关的计算工作。·第四次维护任务(3B)
第四次维护任务由哥伦比亚号在2002年3月的STS-109航次中执行,以先进巡天照相机(ACS)替换了暗天体照相机(FOC),并且查看了冷却剂已经在1999年耗尽的近红外线照相机和多目标分光仪(NICMOS)。更换了新的冷却系统之后,虽然还不能达到原先设计时预期的低温,但已经冷到足以继续工作了。 在这次任务中再度更换了太阳能板。新的太阳能板是为铱卫星发展出来的,大小只有原来的三分之二,除了可以有效的减少稀薄大气层带来的阻力,还能多供应30%的动力。这多出来的动力使得哈勃空间望远镜上所有的仪器可以同时运作,并且因为较为柔软,还消除了老旧的太阳能板因为进出阳光照射区域会产生震动的问题。为了改正继电器迟滞的问题,哈勃的配电系统也被更新了。这是哈勃空间望远镜升空之后,首度能完全的应用所获得的电力。其中影响最大的两架仪器,先进巡天照相机和近红外线照相机和多目标分光仪,在2003至2004年间共同完成了哈勃超深空视场。·最近的维护任务(SM4)
最近一次的哈勃维修任务原本安排在2008年8月,太空人将更换新的电池和陀螺仪。更换精细导星传感器(FGS)并修理空间望远镜影像摄谱仪(STIS)。他们也会安装二架新的仪器:宇宙起源频谱仪和第三代广域照相机,但是可能不会重置或替换先进巡天照相机。然而美国国家航空航天局于2008年9月宣布哈勃空间望远镜上的数据处理系统出现严重故障,无法正常存储观测数据并传回地球,而且哈勃太空任务高度与国际太空站距离十分远,太空人在紧急情况下未能找到有效安全避难处,这使得维护哈勃望远镜变为一项极度危险的任务。经过美国国家航空航天局考虑后,因此原定的维修任务将推迟于2009年5月12日之后,由亚特兰提斯号航天飞机进行代号为STS-125航次任务。更会以另一艘航天飞机于发射台待命以为安全之计。而这将会是哈勃空间望远镜最后一次的维护任务,会将哈勃空间望远镜的寿命延长至2013年后。届时发射的詹姆斯·韦伯空间望远镜能接续哈勃空间望远镜的天文任务。但若任务失败的话,哈勃空间望远镜将于2010年坠入大气层报销。 美国东部时间2009年5月11日14点01分,美国“阿特兰蒂斯”号航天飞机从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空。在此次太空之旅中,机上的7名宇航员通过5次太空行走对哈勃太空望远镜进行了最后一次维护,为其更换了大量设备和辅助仪器,进行了脱胎换骨的维护更新。这些更新主要包括:以新的第三代广域照相机(WFC3)取代WFPC2;安装新的宇宙起源频谱仪(COS)、取回该处的COSTAR光学矫正系统;修复损坏的先进巡天照相机(ACS);修复损坏的空间望远镜影像摄谱仪(STIS);替换损坏的2#精细导星传感器(FGS);更换科学仪器指令和数据处理系统(SIC&DH);更换全部的电池模组;更换所有的6个陀螺仪和3组定位传感器(RSU);更换对接环、安装全新的绝热毯(NBOL)、补充制冷剂等等。 美国东部时间2009.5.19 08:57,女宇航员梅甘·麦克阿瑟用“阿特兰蒂斯”号航天飞机上机械臂将哈勃放出货舱。这次维护不但全方位提高了哈勃望远镜的观测性能,而且可望使其服役期最少延长至2014年。美国国家航空和航天局将对望远镜展开测试,计划9月公布哈勃维修后拍摄的首批照片。由于这次行动风险极高,宇航局还布置“奋进”号航天飞机待命,随时准备上天“营救”。2009.5.24星期天早晨,“阿特兰蒂斯”号航天飞机安全降落在爱德华空军基地(因天气原因,降落被延迟了3天并最终没有直接降落在肯尼迪中心航天飞机专用机场)。 WFC3的第一张照片已经于2009.7.24公布,拍摄的是木星最新的撞击痕迹,最后的精细校准继续进行,到2009.10.20,除了NICMOS外,哈勃的主力科学仪器都已经投入紧张的科研工作。 哈勃SM4任务是NASA规划的最后一次维修任务,预计在2014年开始,詹姆斯.韦伯太空望远镜(JWST)将发射升空,并逐步接替哈勃的工作。但是,哈勃在可见光通道尤其是紫外通道的观测能力,是无可替代的。重要的发现
![哈勃最著名的影像之一:在老鹰星云内诞生恒星的“创生柱”](/d/file/p/2022/10-07/9ae471e522e8b7643d4e849fc1d18e9e.jpg)
哈勃太空望远镜将何去何从
哈勃太空望远镜是人类有史以来最大、最精确的天文望远镜,这位孤独的观测者在太空中默默奉献,让全人类领略到了宇宙的奇观美景。 从哈勃望远镜搭乘“发现”号航天飞机升入太空的那一刻起,整整16年过去了。在这16年中,哈勃至少环绕了地球轨道8.8万圈,拍摄了75万张外层空间和地球照片。·巡天遥看一千河,哈勃成为天文史上永远的里程碑
哈勃太空望远镜是人类有史以来最大、最精确的天文望远镜,这位孤独的观测者在太空中默默奉献,让全人类领略到了宇宙的奇观美景。 感谢哈勃,它让科学家们观测到了宇宙的确在迅速膨胀,从而证明了“宇宙大爆炸”的理论。根据哈勃拍摄的照片,科学界还对宇宙的年龄进行了长期的讨论,现在估计是137亿年。哈勃还是研制其他更先进的太空望远镜的基础,没有哈勃就没有詹姆士·韦伯。 感谢哈勃,它让科学家们见到了彗星撞击木星的奇景,见到了新星的诞生、老星的死亡,证实了超级黑洞的存在,了解了星系的形成和演化。在它的帮助下,科学家们还发现了一种存在于宇宙中的新能量形式——暗能量(dark energy)。 哈勃太空望远镜堪称人类天文史上永久的里程碑,将为全世界所铭记。·江山代有才人出,哈勃将“何去何从”?
尽管哈勃能观测到140亿光年范围内的宇宙空间,但它却没法看到自己未来的命运。据预测,哈勃15年的探索之旅可能已经走到了尽头,更新更先进的太空望远镜即将取代这位“探索老将”。 自从1990年4月25日升空后,宇航员已经对哈勃望远镜进行了4次维修,每次都耗资无数。而随着地基望远镜等技术的迅速发展,要求哈勃“退役”的呼声越来越高。据工程师们分析,哈勃逐日老化的太阳能电池能让它支撑到2007年,那时必须更换新电池和陀螺仪,否则,哈勃将无法继续工作并将陨落。 然而,美国国家航空航天局(NASA)早就否定了派载人飞船维修哈勃的计划,因为那将耗费4.5亿美元巨资。但最近,航天局的新掌门迈克尔·格里芬表示,他将重新考虑投入10亿美元展开这一维修计划。 哈勃的继任者是詹姆士·韦伯太空望远镜,这是新一代的太空望远镜,其内置的红外设备会使科学家们观测到更远的星系。韦伯将于2011年搭乘航天飞机进入太空,因此科学家们希望美国航空航天局能派宇航员对哈勃进行第五次维修,使哈勃能等到韦伯“前来接班”。太空维修宇航员评哈勃最佳照片
据美国宇航局太空网报道,本周将飞往哈勃太空望远镜的7名美国宇航局宇航员都很幸运将有机会近距离欣赏这台寿星级望远镜的风采,这也为他们执行此次重要的轨道修复任务增添了些许动力。![老鼠和宇航员](/d/file/p/2022/10-07/3aaedfd9bf34fd5589d7cfaf8ead5b37.jpg)
·老鼠和宇航员
在这些哈勃传给地球的堆积如山的照片中,奥特曼最喜欢那张两个星系正互相拉扯着的照片,星系的绰号为“老鼠”。这张照片拍摄于2002年,就在美国宇航局最近的哈勃维修任务STS-109刚结束的时候。照片显示两个星系——其中一个拖着长长的尾巴(“老鼠”星系因此得名)——在距离地球约3亿光年的后发星座内互相拉扯着。 奥特曼说:“光想想一下那里的情景就让我兴奋不已。”他称,这两个星系后有大约1500个其他遥远星系,每个星系有大约10亿颗恒星。他说:“你不禁开始想,这是夜空中一根吸管大小的地方,这中间的天体数量多得超乎我们想象,包括很多其他星系,每个星系中有数十亿恒星。我就想,哦,这是我们居住的一个好地方。”哈勃使用那时还很新的高级巡天照相仪拍下了这张照片,现在这个照相仪正等待修复。![“猫眼”的凝视](/d/file/p/2022/10-07/b3a7c42dee1653689a65af1611270234.jpg)
·“猫眼”的凝视
“猫眼”星云的照片是“亚特兰蒂斯”航天飞机驾驶员乔治·约翰逊的最爱,“猫眼”是一个遥远的行星状星云,“猫眼”星云是哈勃望远镜1994年最先拍到的天体。约翰逊说:“显然,我们1990年发射哈勃,1993年和1994年安装光学装置,于是,人们发现了我们银河系之外的这个星云,这张照片令人惊异。”![一张看不到的照片](/d/file/p/2022/10-07/a9e0a17c9ad35f07a07c4d1e280f39da.jpg)
·一张看不到的照片
美国空军上校迈克尔·古德最喜欢的是显示哈勃超深空区的照片。古德是在这次即将到来的哈勃修复任务中进行太空行走的4名成员之一。这张照片哈勃望远镜在2003年9月和2004年1月间轨道运行400圈才合成的,哈勃超深空区含约1万个星系,是天炉座的一小部分。这张照片上显示的星系是宇宙大爆炸后7亿年刚形成的星系。古德说:“它或许不是这里最美的照片。但它是让我震撼的一张照片,我认为,如果看到宇宙的样子,那一定相当有趣,相当震惊。” 但是随着发射日期的临近,古德最近称,他对哈勃的敏锐有了新的期待。他说:“现在,我的答案将是下张照片,是我们离开后哈勃传回来的照片,那将是我的最爱。”·哈勃图书馆
航天飞机机械手专家梅根·迈克亚瑟将使用“亚特兰蒂斯”号航天飞机的机械臂把哈勃拉离轨道进行可能的修复。迈克亚瑟曾表示,她也喜欢这些照片中的超深空区和猫眼星云。但是,她补充说,哈勃望远镜照相机在过去19年收集到的数据和图像的价值比区区一张快照大得多。最近她告诉记者:“我认为,我看到的几乎每一张照片都是我的最爱,它们都让我感到震撼。我真的选不出哪一张来。”![太空中的蝌蚪](/d/file/p/2022/10-07/67673905e43184ab71e2e353db71ab0d.jpg)
·太空中的蝌蚪
哈勃太空望远镜维修项目的首席科学家约翰·格伦斯费尔德是哈勃的老朋友了,进行过5次太空飞行,3次哈勃之旅,他称,最走进他心扉的照片是2002年拍到的两个星系相撞的照片,蝌蚪星系也叫UGC 10214星系,这张照片是蝌蚪星系比一个较小的星系撞击后哈勃拍到的,它那条引人注目的“尾巴”长达28万光年。这张照片是哈勃2002年维修后第一次公布的照片之一,格伦斯费尔德![柱状星云](/d/file/p/2022/10-07/b575c6f73fd89d2a01bbffb023a63594.jpg)
·柱状星云
经验丰富的宇航员、哈勃维修人员迈克尔·马斯米诺把柱状星云选为是哈勃望远镜最重要的发现。与老鼠星系和蝌蚪星系一样,柱状星云也是2002年哈勃STS-109维修任务后首批公布的照片之一,马斯米诺和格伦斯费尔德以及奥特曼都参加了这次任务。![宇宙喷泉](/d/file/p/2022/10-07/0b6bc84d8e8c1db7af887b4afa67cba2.jpg)
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