一、哈伯的誕生之路
1923 年空間望遠鏡概念首次被提出，那時或許只是一個遙遠的設想，但卻為後來的天文觀測變革埋下了種子。1946 年，美國天文學家萊曼斯皮策發表了題為【在地球之外的天文觀測優勢】的論文，科學地論證了將望遠鏡送上太空觀測的好處，如不受大氣擾動幹擾、能觀測到被大氣層擋在地球之外的紅外光與紫外光等。斯皮策的觀點迅速被天文學界接受，然而付諸實踐卻困難重重。
從 1957 年蘇聯人造地球衛星發射成功開始，斯皮策的設想有了實作的技術可能。1962 年，美國國家科學院正式在一份報告中提出將空間望遠鏡做為發展太空計劃的一部份。1965 年，斯皮策被任命為建造空間望遠鏡的主任委員。1968 年美國航天局確定了在太空中建造反射望遠鏡（直徑 3 米）的計劃，並暫時將其命名為大型軌域望遠鏡或大型空間望遠鏡（LST），預計於 1979 年發射。但隨後專案因資金問題陷入停滯，美國國會對空間望遠鏡的預算需求提出諸多質疑。
到 1974 年，在裁減政府開支的大背景下，時任美國總統的傑拉爾德福特剔除所有進行空間望遠鏡的預算。天文學家們經過多方遊說，加上美國科學院報告的支持，最終美國國會同意恢復大型空間望遠鏡專案一半的預算。由於預算縮減為原來的一半，只有約 2 億美元，美國航天局不得不將望遠鏡的口徑從原計劃的 3 米降至 2.4 米，儀器器材也相應縮水。同時，原先計劃做為先期測試，放置在衛星上的 1.5 米空間望遠鏡也被取消了。另外，美國航天局還邀請歐洲空間局（ESA）加入專案，由歐洲航天局承擔 15% 的研制經費，作為交換，望遠鏡在投入使用後將相應給予歐洲科學家不少於 15% 的使用時間。1982 年，為紀念在 20 世紀初期發現宇宙膨脹的天文學家愛德溫哈伯，空間望遠鏡被正式命名為哈伯空間望遠鏡。
二、哈伯的結構與原理
（一）獨特設計
哈勃望遠鏡系統采用卡塞格林系統，光線射入主望遠鏡鏡子後被反射到一個較小的副鏡上。副鏡懸掛在主鏡焦點前，將光反射，透過主鏡中心的小孔進入探測器之前進行最後的聚焦。光束在主鏡和副鏡間的來回折疊，在相對較小的空間內提供了較長的焦距。
哈伯的鏡子是雙曲面的，比標準的拋物面卡塞格林鏡子有更深的曲線，能在更大的視野上提供更清晰的影像。主鏡直徑為 7.8 英尺（2.4 米），副鏡只有 12 英寸（30.5 厘米）。主鏡核心是蜂窩核心，為減輕重量設計。兩面鏡子都塗有薄的鋁和氟化鎂層，鋁層厚度僅為 3/1,000,000 英寸，保證鏡子的反射率，氟化鎂塗層在鋁層上方，防止其氧化，同時提高紫外線的反射率。鏡子和塗層都經過拋光使其非常光滑。
哈伯透過三種類別的儀器來分析接收到的來自宇宙的光子：相機、光譜儀和幹涉儀。The Wide Field Channel (WFC)、the High Resolution Channel (HRC) 有用於探測器的 Charge Coupled Devices (CCDs)，能對光譜紅端區域的靈敏度進行最佳化，光譜範圍從 3500Angstrom 到 11000Angstrom，視場為 202202arcsec。在遠紫外區域，the Solar-Blind Channel (SBC) 使用 Multi-Anode Microchannel Array (MAMA)，SBC 為 10001000 像素，視場是 31*35 角秒，探測波長範圍為 1150 - 1700Angstrom。所有探測器的通道都使用安裝在旋轉濾波器輪上的可選濾波器，將所需的波長傳輸到對應的探測器上。
（二）工作原理
光線透過哈伯的開口進入器材，從主鏡反射到副鏡，副鏡再將光線透過主鏡中心的孔反射到主鏡後面的焦點。在焦點處，較小的半反射半透明鏡子將入射光分配到各種科學儀器。哈伯配備了幾種科學儀器，每種儀器都使用電荷耦合器件（CCD）而不是照相菲林來捕獲光線。CCD 檢測到的光被轉換為數碼訊號，這些訊號儲存在機載電腦中並中繼到地球。
The Cosmic Origins Spectrograph (COS) 宇宙起源光譜儀，作為光譜儀不進行成像而是分光。COS 有兩個通道，遠紫外通道覆蓋的波長是 90 - 215nm，近紫外通道是 170 - 320nm。兩個通道的光感應探測器都是圍繞微通道板設計的，薄板由數千個微小的彎曲玻璃管組成，且朝同一方向對齊。進入探測器的光子會誘導這些管道壁上產生大量電子，這些電子在微通道板後面的電子電路中被加速、捕獲和計數。COS 遠紫外通道的設計使光的反射次數最小化，進入遠紫外通道的光束在可選擇的光散射光柵上反射一次後直接進入探測器。對於通量約為 1*10 -14 ergcm -2 s -1 Angstrom -1 的微弱天體，COS 可以在 1% - 2% 的觀測時間內達到一定的訊噪比，使得整體的數據質素得到顯著的提升。COS 的光譜分辨率（R = λ/Δλ）為 20000，足以避免星系間吸收的影響，也可以合理的估計星系際介質的各項物理參數。
三、哈伯的輝煌成就
（一）宇宙年齡確定
哈伯在確定宇宙年齡方面發揮了至關重要的作用。在哈伯升空之前，宇宙年齡的推斷存在較大誤差。有了哈伯空間望遠鏡之後，天文學家可以更加精確地測量出到造父變星的距離。透過研究球狀星團中恒星的年齡，以及測量宇宙的膨脹率，即哈伯常數，來推斷宇宙大爆炸的時間，從而確定宇宙的年齡。哈伯太空望遠鏡觀測到的 NGC 4414 是研究造父變星的宇宙實驗室，其可預測的光變化有助於測量宇宙的巨大規模，有助於我們目前估計其年齡為 137 億年。天文學家利用哈伯太空望遠鏡在 1996 年和 1997 年拍攝的星系 NGC4603 的影像，確定了其中近 50 個造父變星距我們 1.08 億光年遠，這是在哈伯專案中用來確定哈伯常數值的最遙遠星系。透過多種方式的測算、宇宙標準模型推測和觀測，目前公認的宇宙年齡大概為 138 億年。
（二）宇宙膨脹研究
哈伯對宇宙膨脹的研究貢獻巨大。自 1990 年發射以來，哈伯空間望遠鏡徹底改變了人類對宇宙的認知。透過觀測遙遠星系的光線紅移，哈伯證實了宇宙正在以加速的速度擴充套件。這一現象的證實改變了我們對宇宙命運的理解，提出了暗能量這一神秘存在的概念，暗能量被認為是推動宇宙加速膨脹的幕後推手。美國太空總署釋出了一份巨大的新報告，天文學家稱之為哈伯的 「巨作」。透過分析來自著名太空望遠鏡的 30 年的數據，對宇宙膨脹的速度進行了最精確的測量。該團隊計算出的哈伯常數是 73 公裏 / 秒 / Mpc（45.4 英裏），誤差僅為 1 公裏 / 秒 / Mpc（0.6 英裏）。這種新的精確度可以幫助天文學家改進宇宙學模型，包括更好地估計宇宙的年齡和它的未來可能會發生什麽。
（三）深空觀測
哈伯的深空觀測成果令人驚嘆。2002 年 3 月，NASA 太空人第四次維護哈伯太空望遠鏡，並更換了 ACS 相機。STScI 當時的負責人史蒂芬貝克維夫決定貢獻 400 圈圈的指定時間，以 ACS 進行一次比先前的哈伯深場更深的觀測專案，被稱為哈伯超級深場。哈伯超級深場計劃的第一階段於 2003 - 2004 年實施，並一直延續至今，成為深場工程中持續時間最長的專案。該計劃最終將觀測範圍擴大到 31 等，比哈伯深場深 3 等，是人眼觀測極限亮度的 100 億分之 1。哈伯超級深場圖確定了眾多星系的紅移，相應的宇宙年齡可以追溯到數十億年前。哈伯超級深場圖為我們探索宇宙帶來了巨大福音，它讓我們看到了宇宙中人類從未到達也從未見過的地方，為星系和星團的研究提供了積極的意義。
（四）太陽系探索
哈伯對太陽系的探索也成果斐然。除了對於太陽系外的探索，哈伯空間望遠鏡對太陽系的研究也有巨大的幫助。木星有著幾顆巨大的衛星，其中木衛二我們知道有著巨大的含水量，在哈伯的觀察下，我們發現木衛三也有著一個巨大的海洋，在冰層的覆蓋下可能存在著一篇深度很大的海洋。哈伯空間望遠鏡在對土星的觀測中，發現了土星上的極光，因為土星的質素極大，磁場也相應的更強大，產生的極光也更加的漂亮。哈伯太空望遠鏡完成外太陽系行星最新觀測工作，操作該望遠鏡的團隊已經宣布，它完成了對外太陽系的年度巡視，讓我們對木星、土星、天王星和海王星等有了更深入的了解。
（五）超新星觀測
哈伯對超新星的觀測具有重大意義。哈伯空間望遠鏡在發射升空後不久就拍攝到超新星的大爆發，這是人類第一次看到這樣的場景，為我們研究超新星提供重要依據，也驗證了之前的理論，證實了質素是太陽的 5 - 25 倍之間的超新星會在爆發中結束自己短暫的壽命。2015 年哈伯空間望遠鏡，成功觀測到了超新星再現，印證了廣義相對論。距離地球約 8500 萬光年的天秤座，有一個美麗的星系 NGC5861，哈伯太空望遠鏡在螺旋星系 NGC5861 中觀測到了兩顆超新星，SN1971D 和 SN2017erp。超新星是一種強大而明亮的大質素爆炸，比夜空中任何其他恒星發出的光更亮。
（六）星系演化研究
哈伯對星系演化的觀測反映了部份問題。我們現在有一些理論認為一些大型的星系，是透過不斷吞並周圍小的星系來成長的，哈勃望遠鏡的觀測也反映了一部份問題，像仙女座星系就在不斷向我們靠近，最後兩個星系會碰撞融合成一個新的星系。
（七）Gamma射線暴觀測
哈伯對Gamma射線暴的觀測和研究也有一定成果。空間望遠鏡在宇宙中還觀測到了Gamma射線暴，Gamma射線暴分為長和短兩種，相比之下長Gamma射線暴的能量更小，是超新星爆發產生的，但是不是所有的超新星爆發都會產生Gamma射線暴，雖然能量略小，但是一般認為長暴的總能量是短暴的 100 倍以上。Gamma射線暴的研究歷史不是很長，最早是在觀測核爆炸的時候觀測到的，能量巨大到可以毫無征兆的淪陷地球上的一切。
四、哈伯對天文學的影響
（一）拓展觀測視野
哈伯空間望遠鏡位於太空，這一獨特的位置使其擺脫了地球大氣層的幹擾。在地面上進行觀測時，大氣層會吸收和散射部份波長的光線，限制了我們能夠觀測到的波長範圍。而哈勃望遠鏡能夠觀測到從紫外線到近紅外光的廣泛波長範圍，為天文學家提供了更全面的宇宙資訊。例如，哈伯可以觀測到被大氣層阻擋的紫外光，這些光線對於研究恒星的形成和演化至關重要。同時，哈伯的高分辨率和靈敏度也使其能夠捕捉到極其微弱的訊號，揭示宇宙中遙遠而神秘的天體。其分辨率之高，能夠分辨出遙遠星系中的精細結構，讓我們看到那些在地面望遠鏡中模糊不清的天體變得清晰可見。以對遙遠星系的觀測為例，哈伯能夠分辨出星系中的恒星形成區域、塵埃帶和結構特征，為我們理解星系的形成和演化提供了關鍵線索。
（二）推動宇宙學發展
哈伯對哈伯參數的精確測量具有重大意義。哈伯參數，即哈伯常數，描述了宇宙的膨脹速度。透過對遙遠星系中造父變星和 Ia 型超新星等標準燭光天體的觀測，哈伯空間望遠鏡為精確測量哈伯常數做出了巨大貢獻。精確的哈伯常數對於研究宇宙的起源、演化和年齡等問題至關重要。例如，結合哈伯常數和宇宙標準模型，天文學家可以推斷出宇宙大爆炸的時間，從而確定宇宙的年齡。目前公認的宇宙年齡大概為 138 億年，這一結果在很大程度上得益於哈勃望遠鏡的觀測。此外，哈伯的觀測還為研究暗能量提供了重要線索。暗能量被認為是推動宇宙加速膨脹的神秘力量，哈伯對宇宙膨脹的精確測量有助於我們更好地理解暗能量的性質和作用。哈伯的觀測結果也挑戰了現有的宇宙學理論，促使天文學家不斷探索新的物理模型，以解釋宇宙的奧秘。
（三）改變天文學科普面貌
哈伯的精美圖片對天文學科普產生了深遠的影響。這些圖片以其絢麗的色彩、震撼的視覺效果，吸引了無數人的目光。它們幫助普通人理解空間探索的重要性，激發了人們對宇宙的好奇心和探索欲望。例如，哈伯拍攝的 「創造之柱」、「草帽星系」 等標誌性天體景象，成為了天文學科普的經典案例。這些圖片不僅展示了宇宙的美麗和神秘，還讓人們感受到了人類在探索宇宙過程中的渺小與偉大。哈伯的圖片也被廣泛套用於教育領域，從小學到大學，各級教育機構都利用這些圖片來教授天文學知識，培養學生的科學素養和探索精神。此外，哈伯的圖片還透過各種媒體渠道傳播，讓更多的人了解到天文學的最新進展和宇宙的奧秘。它們成為了連線科學與大眾的橋梁，推動了天文學科普事業的發展。
五、哈伯的未來展望
（一）服役期限
哈伯太空望遠鏡目前已步入老年階段，其狀態備受關註。不同的報道對哈伯的服役期限有著不同的預測。有報道稱哈勃望遠鏡有望 「活」 到 2026 年，這主要是基於工程師們對其相關儀器持續能力和可靠性的重新評估。經過幾年的翻新，哈伯的工作時間得以延長，能夠繼續保持當前的科學研究。
同時，美國太空總署宣布哈伯太空望遠鏡將進入單陀螺儀模式以延長其使用壽命，預計將執行到 2035 年。盡管單陀螺儀模式會帶來一些限制，如切換觀測目標時間變長、觀測效率降低約 12% 以及在選擇觀測天空區域方面受到一定限制，但評估結果顯示，在 2035 年之前至少保持一個陀螺儀工作的概率仍然超過 70%。
然而，無論剩余的陀螺儀使用壽命有多長，到 2030 年代中期仍可能是哈勃望遠鏡壽命的終點，屆時大氣阻力可能將哈勃望遠鏡拖入大氣層燒毀。
（二）繼任者
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占士韋伯太空望遠鏡 ：
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占士韋伯太空望遠鏡是哈伯的繼任者，於 2021 年 12 月 25 日發射升空。它由美國太空總署、歐洲航天局和加拿大航天局共同研發，總耗資約 100 億美元，比哈勃望遠鏡大六倍，設計能觀測到 135 億年前的宇宙。
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占士韋伯空間望遠鏡主要由三個部件組成：光學望遠鏡（OTE）、太空艙元件以及綜合科學工具指令艙（ISIM）。2022 年 7 月，美國太空總署公布了占士韋伯空間望遠鏡拍攝的首批影像成果，涵蓋深空星系團、致密星系群、彌漫星雲以及系外行星等天文學最前沿的研究領域。
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與哈勃望遠鏡不同，韋伯望遠鏡主要觀測紅外光，主鏡直徑 6.5 米，有更大的集光區，可以比哈伯看得更深、更遠、更早。此外，哈勃望遠鏡在非常接近地球的軌域上執行，而韋伯將在 150 萬公裏之外，是地球離月球距離的四倍。
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中國巡天空間望遠鏡 ：
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中國空間站工程巡天望遠鏡計劃於 2024 年發射，是中國自行研制的最大規模空間望遠鏡，具有大視場、高像質、寬波段等突出特點，被稱為 「中國哈伯」，精度與哈勃望遠鏡相當，但視場可達到哈勃望遠鏡的 300 倍。
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中國空間站工程巡天望遠鏡是中國空間站工程最重要的空間科學設施，是未來十年國際最重要的空間天文觀測儀器之一。其科學研究工作涉及到暗物質、暗能量、宇宙學、星系起源與演化、恒星、太陽系和系外行星等天文學領域的前沿熱點方向和重大科學問題。
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中國空間站工程巡天望遠鏡的後端天文模組包括：多色成像和無縫光譜巡天模組、多通道成像儀、積分視場光譜儀、系外行星成像星冕儀、高靈敏度太赫茲模組。以大規模天文巡天為主任務，致力於成為一個面向國際開放的、先進的且專門服務於天文學及物理學研究的太空望遠鏡。
（三）未來發展
盡管哈勃望遠鏡可能在未來幾年內面臨退役，但它在未來天文學研究中仍可能具有潛在作用。首先，哈伯積累的大量觀測數據將繼續為天文學家提供研究宇宙的寶貴資源。這些數據可以用於驗證新的理論模型，深入研究宇宙的演化過程。
其次，哈伯與占士韋伯太空望遠鏡以及其他未來的天文觀測器材可以進行組合觀測。這種組合觀測可能幫助科學家獲得更全面、更深入的宇宙資訊，進一步推動天文學的發展。
此外，哈伯的技術和經驗也為未來的空間望遠鏡專案提供了重要的參考。在哈伯的發展歷程中，科學家們不斷克服技術難題，提高望遠鏡的效能和可靠性。這些經驗將有助於未來的空間望遠鏡專案更好地應對各種挑戰，實作更高的科學目標。
總之，哈伯太空望遠鏡雖然逐漸老去，但它在天文學史上的地位不可磨滅。未來，它的繼任者們將繼續肩負起探索宇宙的重任，而哈伯的遺產將在天文學研究中持續發揮重要作用。
