五、哈勃空间望远镜

人类自从进入空间时代以来，天文学家就梦想把光学望远镜送到太空中去观察宇宙。因为浓密的大气层是天文学家观测研究宇宙天体的一大障碍。地球大气对天文观测的影响主要有两个方面。第一，在宇宙空间，没有大气的干扰，光学望远镜的分辨本领可以达到它的衍射极限。而地面光学望远镜却由于大气的干扰而大大降低分辨率。第二，地球大气中的臭氧对紫外辐射有强烈的吸收作用，大气中的水汽又能够吸收大部分红外辐射，因此地面光学望远镜的观测波段受到很大限制。把光学望远镜送到距地面几百千米以上的太空中去进行观测，就可以彻底摆脱地球大气的干扰，从而达到地面望远镜望尘莫及的高分辨能力，并且大大地扩展了观测波段，从紫外一直到红外，比地面光学望远镜的观测波段宽很多。

美国宇航局1962年就开始酝酿空间望远镜计划，1977年得到批准，由美国宇航局和欧洲空间局联合研制。1990 年4 月24 日，这架主镜口径2.4米的望远镜终于由“发现”号航天飞机送上了距地面600 千米的太空轨道。用伟大的天文学家哈勃（1889—1953 ）的名字命名，简称HST。它从酝酿到发射历经近30 年时间，耗资20 多亿美元。哈勃空间望远镜可以观测到140 亿光年之远、暗至29 等的天体。分辨率可达0.06角秒，而当时地面上的观测最高分辨率只有1角秒。

哈勃空间望远镜是迄今为止被送入太空的最大的天文望远镜（图2-13）。它全长12.8米，镜筒直径4.27 米，重11 吨，由三大部分组成。第一部分是光学部分，第二部分是科学仪器，第三部分是辅助系统，包括两个长11.8米、宽2.3米、能提供2.4千瓦功率的太阳能电池帆板，两个与地面通讯用的抛物面天线。镜筒的前部是光学部分，后面是一个环形舱，在这个环形舱里面，望远镜主镜的焦平面上安放着一组天文观测仪器。太阳能电池帆板和天线从镜筒的中间伸出。

望远镜的光学部分是整个空间望远镜的心脏，它由两个双曲面反射镜组成，一个是口径2.4 米的主镜，另一个是装在主镜前约4.5 米处的副镜，口径0.3米。投射到主镜上的光线首先反射到副镜上，然后再由副镜射向主镜的中心孔，穿过中心孔达到主镜的焦面上形成高质量的图像，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。

装在焦平面上的一组天文观测仪器有行星照相机，暗弱天体照相机，暗弱天体摄谱仪，高分辨率摄谱仪和高速光度计。还有一组精密的制导系统。为了使空间望远镜能够利用最新的技术成果，焦平面上的这些仪器可以作不同的组合，还可以通过航天飞机上的宇航员去进行维修和更换。必要时，也可以用航天飞机将整个望远镜载回地面作大的修理，然后再送入轨道。这一功能在哈勃空间望远镜上天后就派上了用场。在设计望远镜时，一个小疏忽铸成大错，在磨制主镜的过程中把检测系统内一个光学元件的位置放错了1.3毫米。这样，使主镜表面偏离了设计要求，产生了球差。使得哈勃空间望远镜拍摄的天体照片的质量与地面光学望远镜拍摄的差不多，令人们大失所望。

1993年12月2日，美国宇航局发射了载有7名宇航员的“奋进”号航天飞机进入太空去修复哈勃空间望远镜。宇航员们五次走出机舱，去为“哈勃”实施“手术”。最关键的是换上了能够矫正空间望远镜视力的新的光度计。修复后的哈勃空间望远镜不负众望，分辨能力大大提高，远远超过了地面上最优秀的大型光学望远镜。1997年2月，由“发现”号航天飞机载宇航员到太空给哈勃空间望远镜安装了红外摄像机和多天体成像摄谱仪，大大地提高了“哈勃”的观测能力。1999年，已经老化的空间望远镜频繁出现故障，为了救活“哈勃”，美国宇航局在12 月19 日将载有7名宇航员的“发现”号航天飞机再次送上太空，对“哈勃”进行第三次维修。最主要的任务是更换陀螺仪和增加一台新型的电脑。

哈勃镜一个最大的优点是图像清晰，能分辨小到0.06角秒的细节，比几年前地面观测所能达到的分辨率高出10 倍以上。10 年来，哈勃空间望远镜已经取得了非常丰硕的观测成果，源源不断地给我们送回了许多效果极佳的宇宙天体图像资料，正在帮助天文学家解决某些最有兴趣而又难以回答的问题，如星系的起源和宇宙的年龄。

哈勃空间望远镜以其卓越的贡献揭示了宇宙中许多前所未知的秘密，然而它的使用寿命有限，大约2010 年前后就要退役。现在，美国国家宇航局已经决定在“哈勃”的寿命终结之后再发射一架新的空间望远镜——第二代空间望远镜来接班。已经提出的几个方案具有共同的特点，人们希望下一代空间望远镜的直径达到6~8米，并能观测到红外波段。这两项重大的改进面临巨大的技术困难。在地面上制造8 米望远镜已经不成问题，但是要把这样的庞然大物送上天，绝非易事。为了能接收遥远天体的红外辐射，望远镜的温度必须非常低，否则它本身的红外辐射将把来自天体的红外辐射淹没掉。因此要把下一代空间望远镜发射到地球背太阳一面、距地球150 万千米的拉格朗日点上，让它随着地球围绕太阳的公转一同转动，永远停留在太阳照不到的背面。这样就可以把太阳光的干扰减少到最低限度。而且，还都加上了遮阳伞的装置。图2-14为预选方案中的两种。