一、哈勃的诞生之路
1923 年空间望远镜概念首次被提出，那时或许只是一个遥远的设想，但却为后来的天文观测变革埋下了种子。1946 年，美国天文学家莱曼斯皮策发表了题为【在地球之外的天文观测优势】的论文，科学地论证了将望远镜送上太空观测的好处，如不受大气扰动干扰、能观测到被大气层挡在地球之外的红外光与紫外光等。斯皮策的观点迅速被天文学界接受，然而付诸实践却困难重重。
从 1957 年苏联人造地球卫星发射成功开始，斯皮策的设想有了实现的技术可能。1962 年，美国国家科学院正式在一份报告中提出将空间望远镜做为发展太空计划的一部分。1965 年，斯皮策被任命为建造空间望远镜的主任委员。1968 年美国航天局确定了在太空中建造反射望远镜（直径 3 米）的计划，并暂时将其命名为大型轨道望远镜或大型空间望远镜（LST），预计于 1979 年发射。但随后项目因资金问题陷入停滞，美国国会对空间望远镜的预算需求提出诸多质疑。
到 1974 年，在裁减政府开支的大背景下，时任美国总统的杰拉尔德福特剔除所有进行空间望远镜的预算。天文学家们经过多方游说，加上美国科学院报告的支持，最终美国国会同意恢复大型空间望远镜项目一半的预算。由于预算缩减为原来的一半，只有约 2 亿美元，美国航天局不得不将望远镜的口径从原计划的 3 米降至 2.4 米，仪器设备也相应缩水。同时，原先计划做为先期测试，放置在卫星上的 1.5 米空间望远镜也被取消了。另外，美国航天局还邀请欧洲空间局（ESA）加入项目，由欧洲航天局承担 15% 的研制经费，作为交换，望远镜在投入使用后将相应给予欧洲科学家不少于 15% 的使用时间。1982 年，为纪念在 20 世纪初期发现宇宙膨胀的天文学家爱德温哈勃，空间望远镜被正式命名为哈勃空间望远镜。
二、哈勃的结构与原理
（一）独特设计
哈勃望远镜系统采用卡塞格林系统，光线射入主望远镜镜子后被反射到一个较小的副镜上。副镜悬挂在主镜焦点前，将光反射，通过主镜中心的小孔进入探测器之前进行最后的聚焦。光束在主镜和副镜间的来回折叠，在相对较小的空间内提供了较长的焦距。
哈勃的镜子是双曲面的，比标准的抛物面卡塞格林镜子有更深的曲线，能在更大的视野上提供更清晰的图像。主镜直径为 7.8 英尺（2.4 米），副镜只有 12 英寸（30.5 厘米）。主镜核心是蜂窝核心，为减轻重量设计。两面镜子都涂有薄的铝和氟化镁层，铝层厚度仅为 3/1,000,000 英寸，保证镜子的反射率，氟化镁涂层在铝层上方，防止其氧化，同时提高紫外线的反射率。镜子和涂层都经过抛光使其非常光滑。
哈勃通过三种类型的仪器来分析接收到的来自宇宙的光子：相机、光谱仪和干涉仪。The Wide Field Channel (WFC)、the High Resolution Channel (HRC) 有用于探测器的 Charge Coupled Devices (CCDs)，能对光谱红端区域的灵敏度进行优化，光谱范围从 3500Angstrom 到 11000Angstrom，视场为 202202arcsec。在远紫外区域，the Solar-Blind Channel (SBC) 使用 Multi-Anode Microchannel Array (MAMA)，SBC 为 10001000 像素，视场是 31*35 角秒，探测波长范围为 1150 - 1700Angstrom。所有探测器的通道都使用安装在旋转滤波器轮上的可选滤波器，将所需的波长传输到对应的探测器上。
（二）工作原理
光线通过哈勃的开口进入设备，从主镜反射到副镜，副镜再将光线通过主镜中心的孔反射到主镜后面的焦点。在焦点处，较小的半反射半透明镜子将入射光分配到各种科学仪器。哈勃配备了几种科学仪器，每种仪器都使用电荷耦合器件（CCD）而不是照相胶片来捕获光线。CCD 检测到的光被转换为数字信号，这些信号存储在机载计算机中并中继到地球。
The Cosmic Origins Spectrograph (COS) 宇宙起源光谱仪，作为光谱仪不进行成像而是分光。COS 有两个通道，远紫外通道覆盖的波长是 90 - 215nm，近紫外通道是 170 - 320nm。两个通道的光感应探测器都是围绕微通道板设计的，薄板由数千个微小的弯曲玻璃管组成，且朝同一方向对齐。进入探测器的光子会诱导这些管道壁上产生大量电子，这些电子在微通道板后面的电子电路中被加速、捕获和计数。COS 远紫外通道的设计使光的反射次数最小化，进入远紫外通道的光束在可选择的光散射光栅上反射一次后直接进入探测器。对于通量约为 1*10 -14 ergcm -2 s -1 Angstrom -1 的微弱天体，COS 可以在 1% - 2% 的观测时间内达到一定的信噪比，使得整体的数据质量得到显著的提升。COS 的光谱分辨率（R = λ/Δλ）为 20000，足以避免星系间吸收的影响，也可以合理的估计星系际介质的各项物理参数。
三、哈勃的辉煌成就
（一）宇宙年龄确定
哈勃在确定宇宙年龄方面发挥了至关重要的作用。在哈勃升空之前，宇宙年龄的推断存在较大误差。有了哈勃空间望远镜之后，天文学家可以更加精确地测量出到造父变星的距离。通过研究球状星团中恒星的年龄，以及测量宇宙的膨胀率，即哈勃常数，来推断宇宙大爆炸的时间，从而确定宇宙的年龄。哈勃太空望远镜观测到的 NGC 4414 是研究造父变星的宇宙实验室，其可预测的光变化有助于测量宇宙的巨大规模，有助于我们目前估计其年龄为 137 亿年。天文学家利用哈勃太空望远镜在 1996 年和 1997 年拍摄的星系 NGC4603 的图像，确定了其中近 50 个造父变星距我们 1.08 亿光年远，这是在哈勃项目中用来确定哈勃常数值的最遥远星系。通过多种方式的测算、宇宙标准模型推测和观测，目前公认的宇宙年龄大概为 138 亿年。
（二）宇宙膨胀研究
哈勃对宇宙膨胀的研究贡献巨大。自 1990 年发射以来，哈勃空间望远镜彻底改变了人类对宇宙的认知。通过观测遥远星系的光线红移，哈勃证实了宇宙正在以加速的速度扩展。这一现象的证实改变了我们对宇宙命运的理解，提出了暗能量这一神秘存在的概念，暗能量被认为是推动宇宙加速膨胀的幕后推手。美国宇航局发布了一份巨大的新报告，天文学家称之为哈勃的 「巨作」。通过分析来自著名太空望远镜的 30 年的数据，对宇宙膨胀的速度进行了最精确的测量。该团队计算出的哈勃常数是 73 公里 / 秒 / Mpc（45.4 英里），误差仅为 1 公里 / 秒 / Mpc（0.6 英里）。这种新的精确度可以帮助天文学家改进宇宙学模型，包括更好地估计宇宙的年龄和它的未来可能会发生什么。
（三）深空观测
哈勃的深空观测成果令人惊叹。2002 年 3 月，NASA 宇航员第四次维护哈勃太空望远镜，并更换了 ACS 相机。STScI 当时的负责人史蒂芬贝克维夫决定贡献 400 圈圈的指定时间，以 ACS 进行一次比先前的哈勃深场更深的观测项目，被称为哈勃超级深场。哈勃超级深场计划的第一阶段于 2003 - 2004 年实施，并一直延续至今，成为深场工程中持续时间最长的项目。该计划最终将观测范围扩大到 31 等，比哈勃深场深 3 等，是人眼观测极限亮度的 100 亿分之 1。哈勃超级深场图确定了众多星系的红移，相应的宇宙年龄可以追溯到数十亿年前。哈勃超级深场图为我们探索宇宙带来了巨大福音，它让我们看到了宇宙中人类从未到达也从未见过的地方，为星系和星团的研究提供了积极的意义。
（四）太阳系探索
哈勃对太阳系的探索也成果斐然。除了对于太阳系外的探索，哈勃空间望远镜对太阳系的研究也有巨大的帮助。木星有着几颗巨大的卫星，其中木卫二我们知道有着巨大的含水量，在哈勃的观察下，我们发现木卫三也有着一个巨大的海洋，在冰层的覆盖下可能存在着一篇深度很大的海洋。哈勃空间望远镜在对土星的观测中，发现了土星上的极光，因为土星的质量极大，磁场也相应的更强大，产生的极光也更加的漂亮。哈勃太空望远镜完成外太阳系行星最新观测工作，操作该望远镜的团队已经宣布，它完成了对外太阳系的年度巡视，让我们对木星、土星、天王星和海王星等有了更深入的了解。
（五）超新星观测
哈勃对超新星的观测具有重大意义。哈勃空间望远镜在发射升空后不久就拍摄到超新星的大爆发，这是人类第一次看到这样的场景，为我们研究超新星提供重要依据，也验证了之前的理论，证实了质量是太阳的 5 - 25 倍之间的超新星会在爆发中结束自己短暂的寿命。2015 年哈勃空间望远镜，成功观测到了超新星再现，印证了广义相对论。距离地球约 8500 万光年的天秤座，有一个美丽的星系 NGC5861，哈勃太空望远镜在螺旋星系 NGC5861 中观测到了两颗超新星，SN1971D 和 SN2017erp。超新星是一种强大而明亮的大质量爆炸，比夜空中任何其他恒星发出的光更亮。
（六）星系演化研究
哈勃对星系演化的观测反映了部分问题。我们现在有一些理论认为一些大型的星系，是通过不断吞并周围小的星系来成长的，哈勃望远镜的观测也反映了一部分问题，像仙女座星系就在不断向我们靠近，最后两个星系会碰撞融合成一个新的星系。
（七）伽马射线暴观测
哈勃对伽马射线暴的观测和研究也有一定成果。空间望远镜在宇宙中还观测到了伽马射线暴，伽马射线暴分为长和短两种，相比之下长伽马射线暴的能量更小，是超新星爆发产生的，但是不是所有的超新星爆发都会产生伽马射线暴，虽然能量略小，但是一般认为长暴的总能量是短暴的 100 倍以上。伽马射线暴的研究历史不是很长，最早是在观测核爆炸的时候观测到的，能量巨大到可以毫无征兆的毁灭地球上的一切。
四、哈勃对天文学的影响
（一）拓展观测视野
哈勃空间望远镜位于太空，这一独特的位置使其摆脱了地球大气层的干扰。在地面上进行观测时，大气层会吸收和散射部分波长的光线，限制了我们能够观测到的波长范围。而哈勃望远镜能够观测到从紫外线到近红外光的广泛波长范围，为天文学家提供了更全面的宇宙信息。例如，哈勃可以观测到被大气层阻挡的紫外光，这些光线对于研究恒星的形成和演化至关重要。同时，哈勃的高分辨率和灵敏度也使其能够捕捉到极其微弱的信号，揭示宇宙中遥远而神秘的天体。其分辨率之高，能够分辨出遥远星系中的精细结构，让我们看到那些在地面望远镜中模糊不清的天体变得清晰可见。以对遥远星系的观测为例，哈勃能够分辨出星系中的恒星形成区域、尘埃带和结构特征，为我们理解星系的形成和演化提供了关键线索。
（二）推动宇宙学发展
哈勃对哈勃参数的精确测量具有重大意义。哈勃参数，即哈勃常数，描述了宇宙的膨胀速度。通过对遥远星系中造父变星和 Ia 型超新星等标准烛光天体的观测，哈勃空间望远镜为精确测量哈勃常数做出了巨大贡献。精确的哈勃常数对于研究宇宙的起源、演化和年龄等问题至关重要。例如，结合哈勃常数和宇宙标准模型，天文学家可以推断出宇宙大爆炸的时间，从而确定宇宙的年龄。目前公认的宇宙年龄大概为 138 亿年，这一结果在很大程度上得益于哈勃望远镜的观测。此外，哈勃的观测还为研究暗能量提供了重要线索。暗能量被认为是推动宇宙加速膨胀的神秘力量，哈勃对宇宙膨胀的精确测量有助于我们更好地理解暗能量的性质和作用。哈勃的观测结果也挑战了现有的宇宙学理论，促使天文学家不断探索新的物理模型，以解释宇宙的奥秘。
（三）改变天文学科普面貌
哈勃的精美图片对天文学科普产生了深远的影响。这些图片以其绚丽的色彩、震撼的视觉效果，吸引了无数人的目光。它们帮助普通人理解空间探索的重要性，激发了人们对宇宙的好奇心和探索欲望。例如，哈勃拍摄的 「创造之柱」、「草帽星系」 等标志性天体景象，成为了天文学科普的经典案例。这些图片不仅展示了宇宙的美丽和神秘，还让人们感受到了人类在探索宇宙过程中的渺小与伟大。哈勃的图片也被广泛应用于教育领域，从小学到大学，各级教育机构都利用这些图片来教授天文学知识，培养学生的科学素养和探索精神。此外，哈勃的图片还通过各种媒体渠道传播，让更多的人了解到天文学的最新进展和宇宙的奥秘。它们成为了连接科学与大众的桥梁，推动了天文学科普事业的发展。
五、哈勃的未来展望
（一）服役期限
哈勃太空望远镜目前已步入老年阶段，其状态备受关注。不同的报道对哈勃的服役期限有着不同的预测。有报道称哈勃望远镜有望 「活」 到 2026 年，这主要是基于工程师们对其相关仪器持续能力和可靠性的重新评估。经过几年的翻新，哈勃的工作时间得以延长，能够继续保持当前的科学研究。
同时，美国宇航局宣布哈勃太空望远镜将进入单陀螺仪模式以延长其使用寿命，预计将运行到 2035 年。尽管单陀螺仪模式会带来一些限制，如切换观测目标时间变长、观测效率降低约 12% 以及在选择观测天空区域方面受到一定限制，但评估结果显示，在 2035 年之前至少保持一个陀螺仪工作的概率仍然超过 70%。
然而，无论剩余的陀螺仪使用寿命有多长，到 2030 年代中期仍可能是哈勃望远镜寿命的终点，届时大气阻力可能将哈勃望远镜拖入大气层烧毁。
（二）继任者
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詹姆斯韦伯太空望远镜 ：
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詹姆斯韦伯太空望远镜是哈勃的继任者，于 2021 年 12 月 25 日发射升空。它由美国国家航空航天局、欧洲航天局和加拿大航天局共同研发，总耗资约 100 亿美元，比哈勃望远镜大六倍，设计能观测到 135 亿年前的宇宙。
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詹姆斯韦伯空间望远镜主要由三个部件组成：光学望远镜（OTE）、太空舱组件以及综合科学工具指令舱（ISIM）。2022 年 7 月，美国国家航空航天局公布了詹姆斯韦伯空间望远镜拍摄的首批图像成果，涵盖深空星系团、致密星系群、弥漫星云以及系外行星等天文学最前沿的研究领域。
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与哈勃望远镜不同，韦伯望远镜主要观测红外光，主镜直径 6.5 米，有更大的集光区，可以比哈勃看得更深、更远、更早。此外，哈勃望远镜在非常接近地球的轨道上运行，而韦伯将在 150 万公里之外，是地球离月球距离的四倍。
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中国巡天空间望远镜 ：
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中国空间站工程巡天望远镜计划于 2024 年发射，是中国自行研制的最大规模空间望远镜，具有大视场、高像质、宽波段等突出特点，被称为 「中国哈勃」，精度与哈勃望远镜相当，但视场可达到哈勃望远镜的 300 倍。
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中国空间站工程巡天望远镜是中国空间站工程最重要的空间科学设施，是未来十年国际最重要的空间天文观测仪器之一。其科学研究工作涉及到暗物质、暗能量、宇宙学、星系起源与演化、恒星、太阳系和系外行星等天文学领域的前沿热点方向和重大科学问题。
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中国空间站工程巡天望远镜的后端天文模块包括：多色成像和无缝光谱巡天模块、多通道成像仪、积分视场光谱仪、系外行星成像星冕仪、高灵敏度太赫兹模块。以大规模天文巡天为主任务，致力于成为一个面向国际开放的、先进的且专门服务于天文学及物理学研究的空间天文台。
（三）未来发展
尽管哈勃望远镜可能在未来几年内面临退役，但它在未来天文学研究中仍可能具有潜在作用。首先，哈勃积累的大量观测数据将继续为天文学家提供研究宇宙的宝贵资源。这些数据可以用于验证新的理论模型，深入研究宇宙的演化过程。
其次，哈勃与詹姆斯韦伯太空望远镜以及其他未来的天文观测设备可以进行组合观测。这种组合观测可能帮助科学家获得更全面、更深入的宇宙信息，进一步推动天文学的发展。
此外，哈勃的技术和经验也为未来的空间望远镜项目提供了重要的参考。在哈勃的发展历程中，科学家们不断克服技术难题，提高望远镜的性能和可靠性。这些经验将有助于未来的空间望远镜项目更好地应对各种挑战，实现更高的科学目标。
总之，哈勃太空望远镜虽然逐渐老去，但它在天文学史上的地位不可磨灭。未来，它的继任者们将继续肩负起探索宇宙的重任，而哈勃的遗产将在天文学研究中持续发挥重要作用。
