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　　撰文 | 蘇道

　　2009年拍攝的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡。| 來(lái)源：NASA

　　1990年4月24日，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（Hubble Space Telescope）由“發(fā)現(xiàn)號(hào)”航天飛機(jī)搭載升空。30年來(lái)，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡深刻改變了我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)，成為有史以來(lái)最成功的太空任務(wù)。它的觀測(cè)產(chǎn)出了成千上萬(wàn)篇論文，對(duì)星系演化、恒星物理、系外行星、太陽(yáng)系內(nèi)天體等研究領(lǐng)域都貢獻(xiàn)巨大。如果去探究哈勃太空望遠(yuǎn)鏡取得如此豐碩成果背后的原因，我們也許可以用“天時(shí)地利人和”來(lái)粗略地概括。

　　天 時(shí)

　　哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在發(fā)射之時(shí)就備受期待，但是投入運(yùn)行不久，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡的主鏡存在嚴(yán)重的問(wèn)題。圖像的清晰度很差，哈勃面臨“出師未捷身先死”的窘境。這一消息公布后，美國(guó)的媒體、公眾、國(guó)會(huì)的質(zhì)疑紛至沓來(lái)。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）經(jīng)過(guò)一系列評(píng)估，最終決定再發(fā)射一次航天飛機(jī)，航天員通過(guò)太空行走對(duì)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行在軌維修，以解決主鏡的問(wèn)題以及此后發(fā)現(xiàn)的一系列其他設(shè)備問(wèn)題。

　　1993年12月，7名航天員搭乘“奮進(jìn)號(hào)”航天飛機(jī)進(jìn)入太空，其中4人用5次太空行走成功完成了維修任務(wù)。雖然美國(guó)的航天飛機(jī)項(xiàng)目命運(yùn)多舛，“挑戰(zhàn)者號(hào)”和“哥倫比亞號(hào)”在1986年和2003年先后失事，但是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡服役與航天飛機(jī)項(xiàng)目同時(shí)期進(jìn)行，這對(duì)它順利完成一系列任務(wù)有很大的幫助。1993年的那次維修拯救了哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，而此后于1997年2月、1999年12月、2002年2月和2009年5月進(jìn)行的4次維修任務(wù)也保證望遠(yuǎn)鏡處于良好的狀態(tài)。在這幾次任務(wù)中，航天員不僅可以維修設(shè)備，還可以對(duì)一些老舊的設(shè)備進(jìn)行更換，安裝最新開(kāi)發(fā)的尖端設(shè)備。2011年之后，美國(guó)終止了航天飛機(jī)任務(wù)，因此也就無(wú)法再進(jìn)行維護(hù)，但是最后一次成功的維護(hù)還是使望遠(yuǎn)鏡又得以繼續(xù)高效工作超過(guò)10年。

　　從“亞特蘭蒂斯號(hào)”航天飛機(jī)的舷窗中看到的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，此時(shí)航天飛機(jī)正在執(zhí)行最后一次維護(hù)任務(wù)，照片攝于2009年。| 來(lái)源：NASA

　　我們可以設(shè)想一下，如果沒(méi)有航天飛機(jī)，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的維護(hù)會(huì)困難重重，主鏡的災(zāi)難性問(wèn)題不僅可能讓15億美元的投資大打折扣（即使存在缺陷，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在1993年之前還是獲得了重要的觀測(cè)成果），而且由此引發(fā)的質(zhì)疑還會(huì)阻礙此后一系列項(xiàng)目的實(shí)施。

　　除了航天飛機(jī)的輔助作用外，其他一系列先進(jìn)技術(shù)在哈勃太空望遠(yuǎn)鏡上的應(yīng)用也賦予它前所未有的觀測(cè)能力。因此，30年來(lái)大放光芒的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡既是時(shí)代的產(chǎn)物，也最終開(kāi)啟了一個(gè)新的時(shí)代。

　　地 利

　　在哈勃太空望遠(yuǎn)鏡這個(gè)項(xiàng)目之前，NASA實(shí)施過(guò)“軌道天文臺(tái)”（Orbiting Astronomical Observatory，OAO）計(jì)劃，已經(jīng)有了運(yùn)行太空探測(cè)器的經(jīng)驗(yàn)。但是，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的項(xiàng)目規(guī)模和復(fù)雜程度遠(yuǎn)非OAO可比。同時(shí)，美國(guó)天文學(xué)界認(rèn)為，作為一家任務(wù)導(dǎo)向的機(jī)構(gòu)，NASA可能會(huì)在未來(lái)將注意力從哈勃太空望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)向新的計(jì)劃和任務(wù)上。他們希望能夠有一家獨(dú)立于NASA的機(jī)構(gòu)來(lái)負(fù)責(zé)執(zhí)行哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)任務(wù)，同時(shí)便于游說(shuō)美國(guó)國(guó)會(huì)以獲得后續(xù)的研究經(jīng)費(fèi)支持。

　　這家專門(mén)的機(jī)構(gòu)就是太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)中心（Space Telescope Science Institute，STScI），成立于1982年，位于美國(guó)馬里蘭州巴爾的摩，由美國(guó)天文學(xué)研究大學(xué)聯(lián)盟（Association of Universities for Research in Astronomy）負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)。從1990年開(kāi)始，這家機(jī)構(gòu)就負(fù)責(zé)為哈勃太空望遠(yuǎn)鏡篩選科學(xué)任務(wù)以及處理回傳的數(shù)據(jù)（望遠(yuǎn)鏡的飛行控制仍由NASA的戈達(dá)德太空飛行中心來(lái)完成）。

　　太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)中心的標(biāo)志。| 來(lái)源：STScI

　　除哈勃太空望遠(yuǎn)鏡外，STScI還負(fù)責(zé)未來(lái)將要發(fā)射的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope）和廣角紅外巡天望遠(yuǎn)鏡（Wide Field Infrared Survey Telescope）等探測(cè)設(shè)備的日常管理工作。同時(shí)，STScI還建立了一個(gè)太空望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)庫(kù)（Barbara A. Mikulski Archive for Space Telescopes），目前其中包含超過(guò)20項(xiàng)天文學(xué)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)，天文學(xué)家可以借助數(shù)據(jù)庫(kù)中的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

　　在STScI前主任羅伯特·威廉姆斯（Robert Williams）看來(lái)，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡取得成功還有一個(gè)關(guān)鍵因素是STScI有較大的自主權(quán)。與NASA相比，STScI的主任被授權(quán)可以自主安排最多10%的觀測(cè)時(shí)間。這樣一來(lái)，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡可以安排一些長(zhǎng)期的、有風(fēng)險(xiǎn)的觀測(cè)項(xiàng)目，而不是像其他望遠(yuǎn)鏡一樣安排盡可能多并且有立竿見(jiàn)影效果的觀測(cè)項(xiàng)目。著名的哈勃深場(chǎng)（Hubble Deep Field）和證實(shí)宇宙加速膨脹的對(duì)Ia型超新星的觀測(cè)最初都是利用這類觀測(cè)機(jī)會(huì)完成的。

　　人 和

　　在任何科學(xué)研究中，人都是決定性因素，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡自然也不例外。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的成功首先要?dú)w功于幾代天文學(xué)家前赴后繼的努力，這里僅舉幾個(gè)有代表性的例子。

　　1946年，美國(guó)天文學(xué)家萊曼·斯皮策（Lyman Spitzer，1914-1997）論證了在太空中放置光學(xué)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行天文觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)，為此后太空望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。1990年哈勃太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空的時(shí)候，斯皮策本人在現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)證了這一時(shí)刻。NASA于2003年發(fā)射的斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡（Spitzer Space Telescope）正是以他的名字命名的。這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡在2020年1月30日退役，同樣取得了非常豐碩的研究成果。

　　Lyman Spitzer | 來(lái)源：Caltech

　　20世紀(jì)70年代，NASA把研制“大型太空望遠(yuǎn)鏡”列入議事日程。此時(shí)，被譽(yù)為“哈勃望遠(yuǎn)鏡之母”的南?！じ窭俳z·羅曼（Nancy Grace Roman，1925-2018）領(lǐng)導(dǎo)了望遠(yuǎn)鏡的論證和立項(xiàng)工作。為了爭(zhēng)取研究資金，南希不遺余力地進(jìn)行游說(shuō)。她曾經(jīng)表示，每個(gè)美國(guó)人只要拿出一張電影票的錢(qián)，就能夠在很多年里持續(xù)從哈勃太空望遠(yuǎn)鏡獲得重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。NASA前局長(zhǎng)愛(ài)德華·維勒（Edward J. Weiler）認(rèn)為，“很多使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡來(lái)從事研究的年輕一代天文學(xué)家經(jīng)常會(huì)忘記南希；但是，在沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)、谷歌和電子郵件的時(shí)代里，是南希推動(dòng)了哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的項(xiàng)目，她組織起天文學(xué)家，并最終說(shuō)服國(guó)會(huì)資助這個(gè)項(xiàng)目?！?/p>

　　Nancy Grace Roman｜來(lái)源：NASA

　　樂(lè)高產(chǎn)品中的Nancy和哈勃太空望遠(yuǎn)鏡 | 圖片來(lái)源：樂(lè)高公司

　　今年4月5日去世、享年100歲的天文學(xué)家瑪格麗特·伯比奇（Margaret Burbidge）在天文學(xué)研究中的最后一項(xiàng)重要工作就是幫助開(kāi)發(fā)了哈勃太空望遠(yuǎn)鏡上的暗天體光譜儀（FOS）。依靠這臺(tái)設(shè)備，她領(lǐng)導(dǎo)的數(shù)據(jù)分析團(tuán)隊(duì)在橢圓星系M87的中心附近發(fā)現(xiàn)了一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。（參看《活著的傳奇：黑洞照片的幕后英雄與拒絕領(lǐng)獎(jiǎng)的抗?fàn)幷摺罚?/p>

　　斯皮策、南希和瑪格麗特只是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡成功背后付出辛勞的科學(xué)家的代表而已，30年來(lái)，多少科學(xué)家把整個(gè)青春都獻(xiàn)給了這個(gè)項(xiàng)目。

　　在科學(xué)界之外，公眾對(duì)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的熱情和支持也是它成功的關(guān)鍵因素。望遠(yuǎn)鏡的持續(xù)運(yùn)行與更新需要來(lái)自美國(guó)國(guó)會(huì)的撥款，而公眾的態(tài)度對(duì)撥款會(huì)起到至關(guān)重要的作用。1993年，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的“起死回生”在令公眾震驚之余，也使他們對(duì)望遠(yuǎn)鏡寄予了更大的期待。同時(shí)，與望遠(yuǎn)鏡有關(guān)的出色的科學(xué)傳播和教育工作吸引了公眾特別是青少年的注意力。30年來(lái)，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的大量太空?qǐng)D片給公眾帶來(lái)了巨大的震撼，讓天文學(xué)的外行也有機(jī)會(huì)領(lǐng)略宇宙的壯麗。不夸張地說(shuō)，我們看到過(guò)的太空?qǐng)D片中有很大一部分都是來(lái)自哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，這些圖片也成為哈勃太空望遠(yuǎn)鏡最好的廣告。在慶祝哈勃太空望遠(yuǎn)鏡升空30周年的日子，我們不妨再回顧一下其中的幾張經(jīng)典照片。

　　“創(chuàng)生之柱”（Pillars of Creation）可能是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝過(guò)的所有照片中最著名的一張。這張攝于1995年的照片展示的是老鷹星云（Eagle Nebula）內(nèi)圓柱形的星際氣體和塵埃，其中包含著新生的恒星。|來(lái)源：NASA

　　“上帝之眼”（Eye of God）展示的是位于寶瓶座的一個(gè)行星狀星云 | 來(lái)源：NASA

　　哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的蟹狀星云（Crab Nebula）圖片展示了前所未有的細(xì)節(jié) | 來(lái)源：NASA

　　哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的大紅斑（Great Red Spot）是木星的巨大風(fēng)暴氣旋。憑借強(qiáng)大的觀測(cè)能力，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡可以向科學(xué)家提供更多有關(guān)太陽(yáng)系內(nèi)行星的大氣和表面的細(xì)節(jié)。| 來(lái)源：NASA

　　哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的巨大成功為未來(lái)的太空望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。目前，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在軌工作正常，正在等待詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡升空后一道完成多波段的觀測(cè)任務(wù)。我們?cè)跒樗鼞c祝30歲生日的時(shí)候，可以大膽期待，在未來(lái)10年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間里，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡還將給我們帶來(lái)更多的驚喜，讓我們了解更多的宇宙奧秘。

　　參考資料

　　[1] http://www.raa-journal.org/docs/papers_accepted/4534.pdf

　　[2] http://www.stsci.edu/institute/

　　[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Hubble_Space_Telescope

　　[4] https://www.space.com/15892-hubble-space-telescope.html

　　[5]?https://www.nasa.gov/content/about-the-hubble-story

　　本文為嚴(yán)肅科普媒體《返樸》（微信號(hào)：fanpu2019）首發(fā)，《返樸》由國(guó)際一流科學(xué)家和科普專家擔(dān)任總編及編委。任何媒體轉(zhuǎn)載時(shí)須保留《返樸》名稱及微信號(hào)和作者信息。未經(jīng)許可，嚴(yán)禁對(duì)包括標(biāo)題在內(nèi)的任何改動(dòng)。轉(zhuǎn)載、授權(quán)、合作請(qǐng)聯(lián)系fanpusci@163.com。

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