哈勃空間望遠鏡

哈勃空間望遠鏡1990年美國研制發(fā)射空間望遠鏡01項目簡介發(fā)射歷程參數(shù)特點研制歷程在軌運行科研成果目錄030502040607問題維修價值意義存在問題設(shè)備評價目錄0908010基本信息哈勃空間望遠鏡（英語：HubbleSpaceTelescope，縮寫：HST）是以美國天文學(xué)家愛德溫·哈勃為名，于1990年4月24日成功發(fā)射，位于地球的大氣層之上的光學(xué)望遠鏡。哈勃望遠鏡由美國宇航局研制而成，其主鏡長2.4米，以2.8萬公里/小時的速度圍繞地球運行。截至2015年，雖然哈勃望遠鏡的費用累積已達100億美元，但它帶來的成就也遠遠超出了預(yù)期。它在服役期間，不但幫助天文學(xué)家解決了一些長期困惑的問題，還引導(dǎo)天文學(xué)界用新的理論來解釋一些現(xiàn)象，推動了天文科學(xué)的進步，從根本上改變了人類對宇宙天體的認識。2019年5月，哈勃太空望遠鏡科學(xué)家公布了最新的宇宙照片——“哈勃遺產(chǎn)場”(HLF)，這是迄今最完整最全面的宇宙圖譜，由哈勃在16年間拍攝的7500張星空照片拼接而成，包含約個星系，其中有些已至少133億歲“高齡”，對其進行研究有助于科學(xué)家深入了解更早的宇宙歷史。2021年6月19日，據(jù)法新社報道，美國宇航局NASA表示，已經(jīng)觀測宇宙30多年的哈勃太空望遠鏡過去幾天處于停機狀態(tài)，原因是一個有效載荷計算機從13日起停止了工作。項目簡介項目簡介哈勃空間望遠鏡（英語：HubbleSpaceTelescope，HST），是以天文學(xué)家愛德溫·哈勃為名，在地球軌道的望遠鏡。哈勃望遠鏡接收地面控制中心（美國馬里蘭州的霍普金斯大學(xué)內(nèi)）的指令并將各種觀測數(shù)據(jù)通過無線電傳輸回地球。由于它位于地球大氣層之上，因此獲得了地基望遠鏡所沒有的好處：影像不受大氣湍流的擾動、視相度絕佳，且無大氣散射造成的背景光，還能觀測會被臭氧層吸收的紫外線。于1990年發(fā)射之后，已經(jīng)成為天文史上最重要的儀器。它成功彌補了地面觀測的不足，幫助天文學(xué)家解決了許多天文學(xué)上的基本問題，使得人類對天文物理有更多的認識。此外，哈勃的超深空視場則是天文學(xué)家目前能獲得的最深入、也是最敏銳的太空光學(xué)影像。哈勃空間望遠鏡和康普頓γ射線天文臺、錢德拉X光天文臺、斯皮策空間望遠鏡都是美國國家航空航天局大型軌道天文臺計劃的一部分。哈勃空間望遠鏡由NASA和ESA合作共同管理。研制歷程理論基礎(chǔ)設(shè)計制造前期準備研制歷程理論基礎(chǔ)哈勃空間望遠鏡的歷史可以追溯至1946年天文學(xué)家萊曼·斯皮策（LymanSpitzer,Jr.）所提出的論文：《在地球之外的天文觀測優(yōu)勢》。在文中，他指出在太空中的天文臺有兩項優(yōu)于地面天文臺的性能。首先，角分辨率（物體能被清楚分辨的最小分離角度）的極限將只受限于衍射，而不是由造成星光閃爍、動蕩不安的大氣所造成的視象度。在當時，以地面為基地的望遠鏡解析力只有0.5-1.0弧秒，相較下，只要口徑2.5米的望遠鏡就能達到理論上衍射的極限值0.1弧秒。其次，在太空中的望遠鏡可以觀測被大氣層吸收殆盡的紅外線和紫外線。

斯皮策以空間望遠鏡為事業(yè)，致力于空間望遠鏡的推展。在1962年，美國國家科學(xué)院在一份報告中推薦空間望遠鏡做為發(fā)展太空計劃的一部分，在1965年，斯皮策被任命為一個科學(xué)委員會的主任委員，該委員會的目的就是建造一架空間望遠鏡。在第二次世界大戰(zhàn)時，科學(xué)家利用發(fā)展火箭技術(shù)的同時，曾經(jīng)小規(guī)模的嘗試過以太空為基地的天文學(xué)。在1946年，首度觀察到了太陽的紫外線光譜。英國在1962年發(fā)射了太陽望遠鏡放置在軌道上，做為亞利安太空計劃的一部分。1966年NASA進行了第一個軌道天文臺（OAO）任務(wù)，但第一個OAO的電池在三天后就失效，中止了這項任務(wù)了。第二個OAO在1968至1972年對恒星和星系進行了紫外線的觀測，比原先的計劃多工作了一年的時間。前期準備軌道天文臺計劃的成功，鼓舞了越來越強的公眾輿論支持大型空間望遠鏡應(yīng)該是天文學(xué)領(lǐng)域內(nèi)重要的目標。在1970年NASA設(shè)立了兩個委員會，一個規(guī)劃空間望遠鏡的工程，另一個研究空間望遠鏡任務(wù)的科學(xué)目標。在這之后，NASA下一個需要排除的障礙就是資金的問題，因為這比任何一個地面上的天文臺所耗費的資金都要龐大許多倍。美國的國會對空間望遠鏡的預(yù)算需求提出了許多的質(zhì)疑，為了與裁軍所需要的預(yù)算對抗，當時就詳細的列出了望遠鏡的硬件需求以及后續(xù)發(fā)展所需要的儀器。在1974年，在裁減政府開支的鼓動下，杰拉爾德·福特剔除了所有進行空間望遠鏡的預(yù)算。為回應(yīng)此，天文學(xué)家協(xié)調(diào)了全國性的游說努力。許多天文學(xué)家親自前往拜會眾議員和參議員，并且進行了大規(guī)模的信件和文字宣傳。國家科學(xué)院出版的報告也強調(diào)空間望遠鏡的重要性，最后參議院決議恢復(fù)原先被國會刪除的一半預(yù)算。資金的縮減導(dǎo)致目標項目的減少，鏡片的口徑也由3米縮為2.4米，以降低成本和更有效與緊密的配置望遠鏡的硬件。原先計劃做為先期測試，放置在衛(wèi)星上的1.5米空間望遠鏡也被取消了，對預(yù)算表示關(guān)切的歐洲空間局也成為共同合作的伙伴。歐洲空間局同意提供經(jīng)費和一些望遠鏡上需要的儀器，像是做為動力來源的太陽能電池，回饋的是歐洲的天文學(xué)家可以使用不少于15%的望遠鏡觀測時間。在1978年，美國國會撥付了36,000,000元美金，讓大型空間望遠鏡開始設(shè)計，并計劃在1983年發(fā)射升空。設(shè)計制造1979年5月，在康涅狄格州丹柏立的珀金埃爾默公司拋光中的哈勃主鏡。出現(xiàn)在圖中的是服務(wù)于該公司的工程師馬丁椰林博士。空間望遠鏡的計劃一經(jīng)批準，計劃就被分割成許多子計劃分送各機關(guān)執(zhí)行。馬歇爾太空飛行中心（MSFC）負責(zé)設(shè)計、發(fā)展和建造望遠鏡，金石太空飛行中心（GSFC）負責(zé)科學(xué)儀器的整體控制和地面的任務(wù)控制中心。馬歇爾太空飛行中心委托珀金埃爾默（Perkin-Elmer）設(shè)計和制造空間望遠鏡的光學(xué)組件，還有精密定位感測器（FGS），洛克希德被委托建造安裝望遠鏡的太空船。望遠鏡的鏡子和光學(xué)系統(tǒng)是最關(guān)鍵的部分，因此在設(shè)計上有很嚴格的規(guī)范。一般的望遠鏡，鏡子在拋光之后的準確性大約是可見光波長的十分之一，但是因為空間望遠鏡觀測的范圍是從紫外線到近紅外線，所以需要比以前的望遠鏡更高十倍的解析力，它的鏡子在拋光后的準確性達到可見光波長的廿分之一，也就是大約30納米。珀金埃爾默刻意使用極端復(fù)雜的電腦控制拋光機研磨鏡子，但卻在最尖端的技術(shù)上出了問題；柯達被委托使用傳統(tǒng)的拋光技術(shù)制做一個備用的鏡子（柯達的這面鏡子現(xiàn)在永久保存在史密松寧學(xué)會）。1979年，珀金埃爾默開始磨制鏡片，使用的是超低膨脹玻璃，為了將鏡子的重量降至最低，采用蜂窩格子，只有表面和底面各一吋是厚實的玻璃。發(fā)射歷程發(fā)射歷程1990年4月24日，在美國肯尼迪航天中心由“發(fā)現(xiàn)者”號航天飛機成功發(fā)射

，哈勃太空望遠鏡的主要任務(wù)是：探測宇宙深空，解開宇宙起源之謎，了解太陽系、銀河系和其他星系的演變過程

。早在1986年，就已經(jīng)計劃在當年10月份發(fā)射哈勃空間望遠鏡。但是挑戰(zhàn)者號的事故使美國的太空計劃停滯不前，航天飛機的暫停升空，迫使哈勃空間望遠鏡的發(fā)射延遲了數(shù)年。望遠鏡和所有的附件都必須分門別類的儲藏在無塵室內(nèi)，直到能夠排出發(fā)射的日期，這也使得已經(jīng)超支的總成本更為高漲。最后，隨著航天飛機在1988年再度開始升空，望遠鏡也預(yù)定在1990年發(fā)射。在發(fā)射前的最后準備，用氮氣噴射鏡面以除去可能累積的灰塵，并且對所有的系統(tǒng)進行廣泛的測試。終于，在1990年4月24日由發(fā)現(xiàn)號航天飛機，于STS-31航次將望遠鏡成功的送入計劃中的軌道。從它原始的總預(yù)算，大約4億美金，到現(xiàn)在的花費超過25億美金，哈勃的成本依然在不斷的累積與增高。美國政府估計的開銷將高達45至60億美金，歐洲所挹注的資金也高達6億歐元（1999年的估計）。在軌運行維修維護攜帶儀器在軌運行攜帶儀器在發(fā)射時，哈勃空間望遠鏡攜帶的儀器如下：WF/PC原先計劃是光學(xué)觀測使用的高分辨率照相機。由NASA的噴射推進實驗室制造，附有一套由48片光學(xué)濾鏡組成，可以篩選特殊的波段進行天體物理學(xué)的觀察。整套儀器使用8片CCD，做出了兩架照相機，每一架使用4片CCD。"廣域照相機"（WFC）因為視野較廣，在解像力上有所損失，而"行星照相機"（PC）以比WFC長的焦距成像，所以有較高的放大率。GHRS是被設(shè)計在紫外線波段使用的攝譜儀，由哥達德太空中心制造，可以達到90,000的光譜分辨率，同時也為FOC和FOS選擇適宜觀測的目標。FOC和FOS都是哈勃空間望遠鏡上分辨率最高的儀器。這三個儀器都舍棄了CCD，使用數(shù)位光子計數(shù)器做為檢測裝置。FOC是由歐洲空間局制造，F(xiàn)OS則由馬丁·瑪麗埃塔公司制造。最后一件儀器是由威斯康辛麥迪遜大學(xué)設(shè)計制造的HSP，它用于在可見光和紫外光的波段上觀測變星，和其他被篩選出的天體在亮度上的變化。它的光度計每秒鐘可以偵測100,000次，精確度至少可以達到2%。哈勃空間望遠鏡的導(dǎo)引系統(tǒng)也可以做為科學(xué)儀器，它的三個精細導(dǎo)星感測器（FGS）在觀測期間主要用于保持望遠鏡指向的準確性，但也能用于進行非常準確的天體測量，測量的精確度達到0.0003弧秒。維修維護1993年，宇航員在哈勃第一次維修任務(wù)中移除了廣角和行星照相儀，并安裝了功能更強大的“后繼者”——2號廣角和行星照相儀

。1997年2月11日凌晨，美國7名宇航員搭乘“發(fā)現(xiàn)”號航天飛機升空，對在太空飛行了7年的“哈勃”太空望遠鏡進行改造。從2月13日深夜到18日凌晨，宇航員為“哈勃”更換了包括近紅外照相機、多目標分光儀和太空望遠鏡圖像攝譜儀在內(nèi)的11種新設(shè)備，并修補了望遠鏡上部分剝落的絕緣層

。第三次維護任務(wù)仍然由發(fā)現(xiàn)號在1999年12月的STS-103航次中執(zhí)行。在這次維護中更換了全部的六臺陀螺儀，也更換了一個精細導(dǎo)星傳感器和計算器，安裝一套組裝好的電壓/溫度改善工具(VIK)以防止電池的過熱，并且更換絕熱的毯子

。2001年，科學(xué)家利用美國“哥倫比亞”號航天飛機對哈勃望遠鏡進行的第四次維修，安裝測繪照相機，更換太陽能電池板以及已工作11年的電力控制裝置，并激活了休眠狀態(tài)的近紅外照相機和多目標分光計

。2009年，美國利用航天飛機對哈勃望遠鏡進行了維護

。宇航員為哈勃安裝了兩套全新的儀器：宇宙起源光譜儀（COS）和寬視場相機3，對望遠鏡的另外兩臺儀器——高級巡天相機（ACS）和太空望遠鏡成像光譜儀（STIS）進行了現(xiàn)場維修，此外，還用新電池替換了哈勃用了18年的舊電池，安裝了6個負責(zé)望遠鏡指向的新陀螺儀，并添加了一套全新的精細制導(dǎo)系統(tǒng)來幫助望遠鏡指向正確的方向

。參數(shù)特點參數(shù)特點哈勃望遠鏡口徑為2.4米，長度約16米，帶有多種觀測暗弱天體的儀器，在地面之上約640公里的軌道上環(huán)繞地球，巡視宇宙。由于它位于大氣層之上，不像地面望遠鏡飽受大氣湍流擾動的影響，極大地拓展了人們對宇宙的了解

。科研成果科研成果1.增進了人類對宇宙大小和年齡的了解。2.證明某些宇宙星系中央存在超高質(zhì)量的黑洞以及多數(shù)星系的中心都可能存在黑洞。3.在可見光譜范圍內(nèi)，對宇宙進行了最深入的研究，觀察了數(shù)千個星系，探測到了宇宙誕生早期的“原始星系”，使天文學(xué)家有可能跟蹤研究宇宙發(fā)展的歷史。4.清楚展現(xiàn)了銀河系中類星體這種最明亮的天體存在的環(huán)境。5.更清晰地闡述了恒星形成的不同過程。6.對宇宙誕生早期恒星形成過程中重元素的組成進行了研究，這些元素是行星和生命存在的必要條件。7.展示了死亡恒星周圍氣體殼的復(fù)雜組成。8.對獵戶星云中年輕恒星周圍的許多塵埃碟進行了探測，說明地球所在的銀河系還有可能形成其他行星系統(tǒng)。9.對千載難逢的慧木相撞進行了詳細觀測。10.對火星等太陽系行星上的氣候民政部進行了研究。11.發(fā)現(xiàn)木星衛(wèi)星木衛(wèi)二和木衛(wèi)三的大氣層中存在氧氣

。問題維修問題維修從它于1946年的原始構(gòu)想開始，直到發(fā)射為止，建造空間望遠鏡的計劃不斷的被延遲和受到預(yù)算問題的困擾。在它發(fā)射之后，立即發(fā)現(xiàn)主鏡有球面像差，嚴重的降低了望遠鏡的觀測能力。幸好在1993年的維修任務(wù)之后，望遠鏡恢復(fù)了計劃中的品質(zhì)，并且成為天文學(xué)研究和推展公共關(guān)系最重要的工具。

哈勃的未來依靠后續(xù)的維修任務(wù)是否成功，維持穩(wěn)定的幾個陀螺儀已經(jīng)損壞，至2007年，連備用的也已經(jīng)耗盡，而且另一架用于指向的望遠鏡功能也在衰減中。陀螺儀必須要以人工進行維修，在2007年1月30日，主要的先進巡天照相機（ACS）也停止工作，在執(zhí)行人工維修之前，只有超紫外線的頻道能夠使用。另一方面，如果沒有再提升來增加軌道高度，阻力會迫使望遠鏡在2010年重返大氣層。自從2003年航天飛機哥倫比亞不幸事件之后，由于國際太空站和哈勃不在相同的高度上，使得太空人在緊急狀況下缺乏安全的避難場所，因而NASA認為以載人太空任務(wù)去維修哈勃望遠鏡是不合情理的危險任務(wù)。NASA在重新檢討之后，執(zhí)行長麥克格里芬在2006年10月31日決定以亞特蘭大進行最后一次的哈勃維修任務(wù)，任務(wù)的時間安排在2008年9月11日，基于安全上的考量，屆時將會讓發(fā)現(xiàn)號在LC-39B發(fā)射臺上待命，以便在緊急情況時能提供救援。計劃中的維修將能讓哈勃空間望遠鏡持續(xù)工作至2013年。如果成功了，后繼的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（JWST）應(yīng)該已經(jīng)發(fā)射升空，可以銜接得上任務(wù)了。韋伯空間望遠鏡在許多研究計劃上的功能都遠超過哈勃，但將只觀測紅外線，因此在光譜的可見光和紫外線領(lǐng)域內(nèi)無法取代哈勃的功能。存在問題存在問題在望遠鏡發(fā)射數(shù)星期之后，傳回來的圖片顯示在光學(xué)系統(tǒng)上有嚴重的問題。雖然，第一張圖像看起來比地基望遠鏡的明銳，但望遠鏡顯然沒有達到最佳的聚焦狀態(tài)，獲得的最佳圖像品質(zhì)也遠低于當初的期望。點源的影像被擴散成超過一弧秒半徑的圓，而不是在設(shè)計準則中的標準：集中在直徑0.1弧秒之內(nèi)，有同心圓的點彌漫函數(shù)圖像。對圖樣缺陷的分析顯示，問題的根源在主鏡的形狀被磨錯了。鏡面邊緣太平了一些，與需要的位置差了約2.2微米，但這個差別造成的是災(zāi)難性的、嚴重的球面像差。來自鏡面邊緣的反射光，不能聚集在與中央的反射光相同的焦點上。鏡子的瑕疵造成的作用是在科學(xué)觀察的核心觀測上，核心像差的PSF要