仰望宇宙的眼睛——哈勃太空望远镜
1974天体物理学家和工程师为大型太空望远镜召开了第一次工作组会议。会议制定了空间望远镜的概念和航天器的预算和技术要求。
1977 10 1——美国国会1977早些时候批准的大型太空望远镜项目资金正式生效，项目正式实施。
1983年，美国国家航空航天局宣布了大型太空望远镜的正式名称:哈勃太空望远镜，以纪念已故天文学家埃德温·哈勃的开创性研究。埃德温·哈勃计算出仙女座星系距离我们大约90万光年，是银河系中已知最远恒星距离的8倍多。让他断定仙女座不是星云，而是星系，最重要的是，银河系只是我们宇宙中的星系之一。改变了我们对空间的看法。以及他作为天文学家的许多其他成就，美国国家航空航天局在1983年正式以他的名字命名了这台太空望远镜。
1986 65438+10月，挑战者号航天飞机的机组人员在发射后爆炸。它阻止了哈勃的发射长达四年多。由此产生了1989出版的《指南星表》及配套软件，通过锁定恒星的位置，彻底改变了天文学家从任何地面或空间天文台收集数据的方式，最终实现了哈勃观测的自动化。
经过40多年的构思，哈勃太空望远镜于1990年4月24日从佛罗里达州卡纳维拉尔角的肯尼迪航天中心发射进入地球轨道。一天后，宇航员们将这台43英尺12吨的望远镜从“发现”号航天飞机的货舱中送入距离地球表面340英里的轨道。哈勃每天运行15次——大约每95分钟一次。望远镜以每秒5英里(8公里)的速度移动，大约是每小时17000英里(每小时27300公里)。
同年5月20日，哈勃发布了这张“第一束光”图像，以显示望远镜的分辨率与地面观测站相比有所提高。右边是哈勃太空望远镜的广域/行星相机拍摄的第一张照片的一部分。
在分析了哈勃太空望远镜的第一张图像后，科学家们意识到主镜有一个称为球面像差的缺陷。据调查，在制造过程中，镜子的外边缘被磨平，深度为4微米(大致相当于人类头发厚度的1/50)。这种缺陷分散了宇宙物体反射的光线，导致图像模糊。虽然哈勃望远镜没有回到预期的图像质量，但它仍然提供了地面望远镜无法获得的结果。
在1970年代初，大型太空望远镜原计划每五年返回地球，进行翻新和重新发射，每2.5年在轨道上服务一次。硬件寿命和可靠性要求基于2.5年的服务任务间隔。直到20世纪70年代末，与航天飞机返回地球相关的污染和结构载荷消除了计划中的地面返回概念。美国国家航空航天局已经确定，在轨维护可能足以将哈勃太空望远镜的设计寿命维持15年。因此采用了三年的在轨维护周期。
因此，哈勃从1990年开始运行以来，就被设计成一个长期的、以空间为基础的天文台。为了实现这一目标，并保护航天器免受仪器和设备故障的影响，美国国家航空航天局计划定期执行维护任务。从而保持其平稳运行并延长其使用寿命。
服务任务(SM1)
从1993年2月2日起，奋进号航天飞机上的七名宇航员对哈勃进行了第一次服务任务。在第一项服务任务中，最重要的是纠正哈勃望远镜主镜视力模糊的缺陷。并安装了两个新装置——广域和行星照相机2，并校正了光学太空望远镜的轴向更换。被设计成补偿主镜的有缺陷的形状。对望远镜进行了其他修理或更换了新仪器。
这次成功的任务不仅提高了哈勃望远镜的视力——它在短时间内导致了一系列非凡的发现——还验证了在轨服务的有效性。
服务任务(SM2)
从2月1997，11到2月21，发现号航天飞机的七名宇航员对哈勃太空望远镜进行了第二次服务任务。在第二次服务任务中，发现号航天飞机上的宇航员更换了两台重要的哈勃仪器。戈达德高分辨率光谱仪(GHRS)被近红外相机和多目标光谱仪(NICMOS)取代，使哈勃能够在红外波段观测宇宙，而弱物体光谱仪(FOS)被空间望远镜成像光谱仪(STIS)取代，用于拍摄天体的详细照片和搜索黑洞。将哈勃的波长范围扩展到近红外成像和光谱，拓宽了哈勃的视野，使我们能够探测到宇宙中最遥远的区域。
服务任务(SM3A/SM3B)
最初，哈勃的第三次维护任务最初被设想为维护任务。然而，当第四个陀螺仪出现故障时，美国国家航空航天局将任务分为两部分:服务任务3A(SM3A)于1999 65438+2月飞行，服务任务3B(SM3B)于2002年3月飞行。
1999 165438+10月13，哈勃上的六个陀螺仪有四个失灵。(当时哈勃需要三个陀螺仪来观测天体目标。)望远镜暂时关闭了对宇宙的观测。没有三个工作的陀螺仪，哈勃无法进行科学研究，因此它进入了一种休眠状态，称为安全模式。本质上，哈勃在等待帮助时处于“睡眠”状态。在安全模式下，哈勃无法观察目标，但其安全性受到保护。这种保护模式允许地面控制望远镜。为了保护光学系统，控制器关闭光圈门，将飞船对准太阳，以确保哈勃的太阳能电池板能够从太阳获得足够的能量。
因此，从6月1999 65438+2月19日至27日，七名宇航员乘坐发现号航天飞机对哈勃进行了第三次维修任务。它的主要目标是恢复哈勃的工作秩序并升级其系统。在两部分任务的第一阶段，最紧迫的任务是更换陀螺仪。机组人员成功更换了所有六个陀螺仪，并进行了几项重要的维护升级。他们安装了一台速度比上一代快20倍的计算机和一台可以存储10倍数据的数字数据记录仪。机组人员还增加了一个电子增强套件，一个电池改进套件，和一个新的外部热保护。哈勃几乎像新的一样。SM3A之后，哈勃再次成功开始运行和观测。
2002年3月1日至3月12日，七名宇航员开始了哈勃的第四次服务任务，即3B服务任务。服务组3A之前在1999年执行了哈勃的救援任务，而服务组3B的目的是更新哈勃。
这名宇航员的主要任务是安装一种新的科学仪器，称为高级调查相机(ACS)。这是自1997以来哈勃望远镜上安装的第一个新仪器。凭借其宽广的视野、锐利的画质和更高的灵敏度，ACS将哈勃的视野扩大了一倍，收集数据的速度比望远镜早期的测量仪器(WFPC 2号)快10倍。
在太空行走的宇航员用更小更硬的太阳能电池板取代了大而柔韧、使用了八年的太阳能电池板。它还取代了过时的电源控制单元，该单元将太阳能电池板和电池的电源分配给望远镜的其他部分。在这次任务中，工作了近12年的哈勃太空望远镜，自190发射以来，首次被地面控制完全关闭。
宇航员还为近红外摄像机和多目标光谱仪安装了新的冷却系统。在1999年，自1997年以来冷却它的230磅重的氮冰被耗尽。新的低温冷却器延长了哈勃红外照相机的寿命。
服务任务(SM4)
2003年2月1日，经过15天的太空任务，哥伦比亚号航天飞机在重返地球大气层后解体，机上7名宇航员全部遇难。于是哈勃的第五次也是最后一次维护任务(维修任务4)于2004年6月65438+10月65438+6月正式取消。
直到2006年6月365438+10月31日，美国国家航空航天局宣布计划恢复对哈勃太空望远镜的第五次维护任务，这也是哈勃最具挑战性和最复杂的服务任务。
2009年5月11-24日-亚特兰蒂斯号航天飞机上的宇航员在13天的任务中完成了对哈勃的第五次也是最后一次维护任务。
在第四次服务任务中，宇航员在哈勃上安装了两个新仪器:广域相机3(WFC 3)和宇宙起源光谱仪(COS)。这些仪器使天文台比发射时强大了100倍。WFC 3号可以看到三种不同的光:近紫外光、可见光和近红外光。相机的分辨率和视野都比以前的仪器大很多。Cos使哈勃望远镜的紫外灵敏度提高了至少10倍，在观测极弱天体时提高了70倍。
在SM4期间，宇航员完成了望远镜创始人从未想象过的壮举，并在太空中有史以来第一次修复了科学仪器(高级调查相机(ACS)和太空望远镜成像光谱仪(STl)。两人都已停止工作。ACS在2007年停电后停止工作，STI在2004年停电后停止工作。为了进行维修，宇航员必须进入仪器内部，打开部件并重新通电。这项任务的成功完成，再加上新增的两台新仪器，使得哈勃能够完全补充5台仪器，用于未来的观测。
SM4的目标之一是加强和振兴望远镜的基本空间飞行系统。宇航员将18之前的所有哈勃电池更换为新的和改进的电池。宇航员安装了六个新的陀螺仪来指向望远镜，并作为指向系统的一部分安装了一个精细的导航传感器来锁定恒星。他们还安装了一种新设备——软捕获机制——允许机器人航天器在某一天望远镜生命周期结束时附着在哈勃上，并引导它降落在地球上或将其提升到更高的轨道。
2008年8月11日——哈勃完成了它的100000轨道。为了纪念它在18年的探索和发现中完成1000000的轨道，来自马里兰州巴尔的摩的太空望远镜科学研究所的科学家们瞄准哈勃，拍摄了一个天体诞生和更新的耀眼区域。
这张有代表性的照片拍摄于2008年8月10，哈勃广角行星相机2。红色显示硫原子的排放，绿色来自发光的氢，蓝色来自燃烧的氧。
在这幅大约100光年宽的幻想风景中，黑暗的尘埃塔矗立在分子云表面发光的气体墙上。右下角的海马柱长约20光年，约为太阳到最近恒星半人马座阿尔法星距离的4倍。
2011年7月4日——哈勃太空望远镜在其21年的太空探索和发现中跨越了又一个里程碑。哈勃记录了在1000光年外的系外行星大气中寻找水的第一百万次科学观察。
“哈勃在21年里一直是最重要的空间科学天文台，给我们留下了深刻而美丽的图像，使我们能够在广泛的天文学科中进行开创性的科学研究，”美国国家航空航天局主任查尔斯·博尔登说。他驾驶航天飞机将哈勃送入轨道。“事实上，哈勃太空望远镜在研究一颗遥远的行星时达到了这一里程碑，这是对其实力和遗产的一个伟大提醒。”
2011104——哈勃科学团队成员亚当·里斯(adam riess)和其他天文学家因发现宇宙正在加速膨胀而获得了皇家瑞典学院科学奖的物理学奖。它证明了宇宙的膨胀速度正在加快，这被广泛归因于一种充满宇宙的神秘而无法解释的“暗能量”。
2011 65438+6二月——哈勃太空望远镜的探索又走过了一个里程碑:10000篇哈勃科学论文发表了。这使得哈勃成为历史上最多产的天文事业之一。
这些论文基于哈勃望远镜的观测，几乎涵盖了天文学的每一个前沿领域。被引用最多的五篇科学论文是:寻找遥远的超新星来表征暗能量；精确测量宇宙的膨胀速度；星系质量和中心黑洞质量之间的明显关系；哈勃深场中早期星系的形成:低质量恒星和褐矮星的演化模型。
在其轨道运行期间，哈勃望远镜向地球发送了数十万张图像，揭开了天文学的许多神秘面纱。在其众多发现中，哈勃揭示的宇宙年龄约为654.38+038亿年，比旧的654.38+000亿年至200亿年的范围要精确得多。哈勃在暗能量的发现中发挥了关键作用，暗能量是一种导致宇宙膨胀加速的神秘力量。
自32年前发射以来，哈勃太空望远镜已经对超过48000个天文物体进行了654.38+0.4万次观测，并继续“发挥其在天文学前沿的作用”，从我们自己的太阳系到“高红移宇宙”。它为我们研究宇宙起源和探索星系做出了不可磨灭的贡献。
未来，哈勃太空望远镜将与其继任者詹姆斯·韦伯太空望远镜合作。2021 65438+2月25日詹姆斯·韦伯太空望远镜发射。而STSCI(太空望远镜科学研究所)也将规划下一个太空望远镜Nancy Grace罗马太空望远镜。仅次于詹姆斯·韦伯太空望远镜。
在同样的灵敏度和分辨率下，罗马太空望远镜的视场比哈勃太空望远镜的视场宽100倍。它将在近红外光下绘制大面积天空的宽视场地图，并可能回答系外行星和暗能量研究中的重要问题。南希·格雷斯·罗马太空望远镜目前计划于2026年底发射。
展望未来，哈勃太空望远镜将与詹姆斯·韦伯太空望远镜合作，并有望与南希·格雷斯·罗马太空望远镜合作，以揭示宇宙的奥秘。