哈勃空间望远镜

哈勃空间望远镜1990年美国研制发射空间望远镜01项目简介发射历程参数特点研制历程在轨运行科研成果目录030502040607问题维修价值意义存在问题设备评价目录0908010基本信息哈勃空间望远镜（英语：HubbleSpaceTelescope，缩写：HST）是以美国天文学家爱德温·哈勃为名，于1990年4月24日成功发射，位于地球的大气层之上的光学望远镜。哈勃望远镜由美国宇航局研制而成，其主镜长2.4米，以2.8万公里/小时的速度围绕地球运行。截至2015年，虽然哈勃望远镜的费用累积已达100亿美元，但它带来的成就也远远超出了预期。它在服役期间，不但帮助天文学家解决了一些长期困惑的问题，还引导天文学界用新的理论来解释一些现象，推动了天文科学的进步，从根本上改变了人类对宇宙天体的认识。2019年5月，哈勃太空望远镜科学家公布了最新的宇宙照片——“哈勃遗产场”(HLF)，这是迄今最完整最全面的宇宙图谱，由哈勃在16年间拍摄的7500张星空照片拼接而成，包含约个星系，其中有些已至少133亿岁“高龄”，对其进行研究有助于科学家深入了解更早的宇宙历史。2021年6月19日，据法新社报道，美国宇航局NASA表示，已经观测宇宙30多年的哈勃太空望远镜过去几天处于停机状态，原因是一个有效载荷计算机从13日起停止了工作。项目简介项目简介哈勃空间望远镜（英语：HubbleSpaceTelescope，HST），是以天文学家爱德温·哈勃为名，在地球轨道的望远镜。哈勃望远镜接收地面控制中心（美国马里兰州的霍普金斯大学内）的指令并将各种观测数据通过无线电传输回地球。由于它位于地球大气层之上，因此获得了地基望远镜所没有的好处：影像不受大气湍流的扰动、视相度绝佳，且无大气散射造成的背景光，还能观测会被臭氧层吸收的紫外线。于1990年发射之后，已经成为天文史上最重要的仪器。它成功弥补了地面观测的不足，帮助天文学家解决了许多天文学上的基本问题，使得人类对天文物理有更多的认识。此外，哈勃的超深空视场则是天文学家目前能获得的最深入、也是最敏锐的太空光学影像。哈勃空间望远镜和康普顿γ射线天文台、钱德拉X光天文台、斯皮策空间望远镜都是美国国家航空航天局大型轨道天文台计划的一部分。哈勃空间望远镜由NASA和ESA合作共同管理。研制历程理论基础设计制造前期准备研制历程理论基础哈勃空间望远镜的历史可以追溯至1946年天文学家莱曼·斯皮策（LymanSpitzer,Jr.）所提出的论文：《在地球之外的天文观测优势》。在文中，他指出在太空中的天文台有两项优于地面天文台的性能。首先，角分辨率（物体能被清楚分辨的最小分离角度）的极限将只受限于衍射，而不是由造成星光闪烁、动荡不安的大气所造成的视象度。在当时，以地面为基地的望远镜解析力只有0.5-1.0弧秒，相较下，只要口径2.5米的望远镜就能达到理论上衍射的极限值0.1弧秒。其次，在太空中的望远镜可以观测被大气层吸收殆尽的红外线和紫外线。

斯皮策以空间望远镜为事业，致力于空间望远镜的推展。在1962年，美国国家科学院在一份报告中推荐空间望远镜做为发展太空计划的一部分，在1965年，斯皮策被任命为一个科学委员会的主任委员，该委员会的目的就是建造一架空间望远镜。在第二次世界大战时，科学家利用发展火箭技术的同时，曾经小规模的尝试过以太空为基地的天文学。在1946年，首度观察到了太阳的紫外线光谱。英国在1962年发射了太阳望远镜放置在轨道上，做为亚利安太空计划的一部分。1966年NASA进行了第一个轨道天文台（OAO）任务，但第一个OAO的电池在三天后就失效，中止了这项任务了。第二个OAO在1968至1972年对恒星和星系进行了紫外线的观测，比原先的计划多工作了一年的时间。前期准备轨道天文台计划的成功，鼓舞了越来越强的公众舆论支持大型空间望远镜应该是天文学领域内重要的目标。在1970年NASA设立了两个委员会，一个规划空间望远镜的工程，另一个研究空间望远镜任务的科学目标。在这之后，NASA下一个需要排除的障碍就是资金的问题，因为这比任何一个地面上的天文台所耗费的资金都要庞大许多倍。美国的国会对空间望远镜的预算需求提出了许多的质疑，为了与裁军所需要的预算对抗，当时就详细的列出了望远镜的硬件需求以及后续发展所需要的仪器。在1974年，在裁减政府开支的鼓动下，杰拉尔德·福特剔除了所有进行空间望远镜的预算。为回应此，天文学家协调了全国性的游说努力。许多天文学家亲自前往拜会众议员和参议员，并且进行了大规模的信件和文字宣传。国家科学院出版的报告也强调空间望远镜的重要性，最后参议院决议恢复原先被国会删除的一半预算。资金的缩减导致目标项目的减少，镜片的口径也由3米缩为2.4米，以降低成本和更有效与紧密的配置望远镜的硬件。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，对预算表示关切的欧洲空间局也成为共同合作的伙伴。欧洲空间局同意提供经费和一些望远镜上需要的仪器，像是做为动力来源的太阳能电池，回馈的是欧洲的天文学家可以使用不少于15%的望远镜观测时间。在1978年，美国国会拨付了36,000,000元美金，让大型空间望远镜开始设计，并计划在1983年发射升空。设计制造1979年5月，在康涅狄格州丹柏立的珀金埃尔默公司抛光中的哈勃主镜。出现在图中的是服务于该公司的工程师马丁椰林博士。空间望远镜的计划一经批准，计划就被分割成许多子计划分送各机关执行。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（Perkin-Elmer）设计和制造空间望远镜的光学组件，还有精密定位感测器（FGS），洛克希德被委托建造安装望远镜的太空船。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。发射历程发射历程1990年4月24日，在美国肯尼迪航天中心由“发现者”号航天飞机成功发射

，哈勃太空望远镜的主要任务是：探测宇宙深空，解开宇宙起源之谜，了解太阳系、银河系和其他星系的演变过程

。早在1986年，就已经计划在当年10月份发射哈勃空间望远镜。但是挑战者号的事故使美国的太空计划停滞不前，航天飞机的暂停升空，迫使哈勃空间望远镜的发射延迟了数年。望远镜和所有的附件都必须分门别类的储藏在无尘室内，直到能够排出发射的日期，这也使得已经超支的总成本更为高涨。最后，随着航天飞机在1988年再度开始升空，望远镜也预定在1990年发射。在发射前的最后准备，用氮气喷射镜面以除去可能累积的灰尘，并且对所有的系统进行广泛的测试。终于，在1990年4月24日由发现号航天飞机，于STS-31航次将望远镜成功的送入计划中的轨道。从它原始的总预算，大约4亿美金，到现在的花费超过25亿美金，哈勃的成本依然在不断的累积与增高。美国政府估计的开销将高达45至60亿美金，欧洲所挹注的资金也高达6亿欧元（1999年的估计）。在轨运行维修维护携带仪器在轨运行携带仪器在发射时，哈勃空间望远镜携带的仪器如下：WF/PC原先计划是光学观测使用的高分辨率照相机。由NASA的喷射推进实验室制造，附有一套由48片光学滤镜组成，可以筛选特殊的波段进行天体物理学的观察。整套仪器使用8片CCD，做出了两架照相机，每一架使用4片CCD。"广域照相机"（WFC）因为视野较广，在解像力上有所损失，而"行星照相机"（PC）以比WFC长的焦距成像，所以有较高的放大率。GHRS是被设计在紫外线波段使用的摄谱仪，由哥达德太空中心制造，可以达到90,000的光谱分辨率，同时也为FOC和FOS选择适宜观测的目标。FOC和FOS都是哈勃空间望远镜上分辨率最高的仪器。这三个仪器都舍弃了CCD，使用数位光子计数器做为检测装置。FOC是由欧洲空间局制造，FOS则由马丁·玛丽埃塔公司制造。最后一件仪器是由威斯康辛麦迪逊大学设计制造的HSP，它用于在可见光和紫外光的波段上观测变星，和其他被筛选出的天体在亮度上的变化。它的光度计每秒钟可以侦测100,000次，精确度至少可以达到2%。哈勃空间望远镜的导引系统也可以做为科学仪器，它的三个精细导星感测器（FGS）在观测期间主要用于保持望远镜指向的准确性，但也能用于进行非常准确的天体测量，测量的精确度达到0.0003弧秒。维修维护1993年，宇航员在哈勃第一次维修任务中移除了广角和行星照相仪，并安装了功能更强大的“后继者”——2号广角和行星照相仪

。1997年2月11日凌晨，美国7名宇航员搭乘“发现”号航天飞机升空，对在太空飞行了7年的“哈勃”太空望远镜进行改造。从2月13日深夜到18日凌晨，宇航员为“哈勃”更换了包括近红外照相机、多目标分光仪和太空望远镜图像摄谱仪在内的11种新设备，并修补了望远镜上部分剥落的绝缘层

。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器，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

。2001年，科学家利用美国“哥伦比亚”号航天飞机对哈勃望远镜进行的第四次维修，安装测绘照相机，更换太阳能电池板以及已工作11年的电力控制装置，并激活了休眠状态的近红外照相机和多目标分光计

。2009年，美国利用航天飞机对哈勃望远镜进行了维护

。宇航员为哈勃安装了两套全新的仪器：宇宙起源光谱仪（COS）和宽视场相机3，对望远镜的另外两台仪器——高级巡天相机（ACS）和太空望远镜成像光谱仪（STIS）进行了现场维修，此外，还用新电池替换了哈勃用了18年的旧电池，安装了6个负责望远镜指向的新陀螺仪，并添加了一套全新的精细制导系统来帮助望远镜指向正确的方向

。参数特点参数特点哈勃望远镜口径为2.4米，长度约16米，带有多种观测暗弱天体的仪器，在地面之上约640公里的轨道上环绕地球，巡视宇宙。由于它位于大气层之上，不像地面望远镜饱受大气湍流扰动的影响，极大地拓展了人们对宇宙的了解

。科研成果科研成果1.增进了人类对宇宙大小和年龄的了解。2.证明某些宇宙星系中央存在超高质量的黑洞以及多数星系的中心都可能存在黑洞。3.在可见光谱范围内，对宇宙进行了最深入的研究，观察了数千个星系，探测到了宇宙诞生早期的“原始星系”，使天文学家有可能跟踪研究宇宙发展的历史。4.清楚展现了银河系中类星体这种最明亮的天体存在的环境。5.更清晰地阐述了恒星形成的不同过程。6.对宇宙诞生早期恒星形成过程中重元素的组成进行了研究，这些元素是行星和生命存在的必要条件。7.展示了死亡恒星周围气体壳的复杂组成。8.对猎户星云中年轻恒星周围的许多尘埃碟进行了探测，说明地球所在的银河系还有可能形成其他行星系统。9.对千载难逢的慧木相撞进行了详细观测。10.对火星等太阳系行星上的气候民政部进行了研究。11.发现木星卫星木卫二和木卫三的大气层中存在氧气

。问题维修问题维修从它于1946年的原始构想开始，直到发射为止，建造空间望远镜的计划不断的被延迟和受到预算问题的困扰。在它发射之后，立即发现主镜有球面像差，严重的降低了望远镜的观测能力。幸好在1993年的维修任务之后，望远镜恢复了计划中的品质，并且成为天文学研究和推展公共关系最重要的工具。

哈勃的未来依靠后续的维修任务是否成功，维持稳定的几个陀螺仪已经损坏，至2007年，连备用的也已经耗尽，而且另一架用于指向的望远镜功能也在衰减中。陀螺仪必须要以人工进行维修，在2007年1月30日，主要的先进巡天照相机（ACS）也停止工作，在执行人工维修之前，只有超紫外线的频道能够使用。另一方面，如果没有再提升来增加轨道高度，阻力会迫使望远镜在2010年重返大气层。自从2003年航天飞机哥伦比亚不幸事件之后，由于国际太空站和哈勃不在相同的高度上，使得太空人在紧急状况下缺乏安全的避难场所，因而NASA认为以载人太空任务去维修哈勃望远镜是不合情理的危险任务。NASA在重新检讨之后，执行长麦克格里芬在2006年10月31日决定以亚特兰大进行最后一次的哈勃维修任务，任务的时间安排在2008年9月11日，基于安全上的考量，届时将会让发现号在LC-39B发射台上待命，以便在紧急情况时能提供救援。计划中的维修将能让哈勃空间望远镜持续工作至2013年。如果成功了，后继的詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）应该已经发射升空，可以衔接得上任务了。韦伯空间望远镜在许多研究计划上的功能都远超过哈勃，但将只观测红外线，因此在光谱的可见光和紫外线领域内无法取代哈勃的功能。存在问题存在问题在望远镜发射数星期之后，传回来的图片显示在光学系统上有严重的问题。虽然，第一张图像看起来比地基望远镜的明锐，但望远镜显然没有达到最佳的聚焦状态，获得的最佳图像品质也远低于当初的期望。点源的影像被扩散成超过一弧秒半径的圆，而不是在设计准则中的标准：集中在直径0.1弧秒之内，有同心圆的点弥漫函数图像。对图样缺陷的分析显示，问题的根源在主镜的形状被磨错了。镜面边缘太平了一些，与需要的位置差了约2.2微米，但这个差别造成的是灾难性的、严重的球面像差。来自镜面边缘的反射光，不能聚集在与中央的反射光相同的焦点上。镜子的瑕疵造成的作用是在科学观察的核心观测上，核心像差的PSF要