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哈勃空間望遠鏡（英語：Hubble Space Telescope，縮寫：HST），又名哈勃太空望遠鏡。哈勃望遠鏡以天文學家愛德文·哈勃（Edwin Powell Hubble）的名字命名，是大型軌道天文臺計劃的第一顆衛星，也是美國航空航天局（NASA）的三大天文臺之一，它們分別工作在不同的波段，每臺望遠鏡都為各自的領域做出了重要的貢獻。

哈勃空間望遠鏡的歷史可以追溯至1923年提出的空間望遠鏡概念。1946年，美國天文學家萊曼·史匹哲（Lyman Spitzer）強調了在太空中安置望遠鏡的優勢。20世紀70年代，美國國家航空航天局（NASA）開始規劃“大型太空望遠鏡”，但由于成本問題，項目曾一度停滯。1978年，得益于歐洲航天局和合作伙伴的支持，項目獲得美國國會撥款并重啟。1982年，望遠鏡以愛德溫·哈勃命名，原定1983年發射，但因技術和資金問題推遲至1986年。后因航天飛機事故，發射再次延期。1990年4月24日，哈勃望遠鏡終由“發現者”號航天飛機成功發射入軌。初期，其主鏡研磨錯誤導致觀測能力受損，直到1993年通過維修任務才得以糾正。

哈勃空間望遠鏡于1990年4月24日由發現號航天飛機發射升空，工作在可見光和近紫外波段，1997年維修之后具備了近紅外觀測能力。哈勃望遠鏡的軌道位于地球大氣層的畸變之外，不受氣輝干擾，這使其能夠捕獲極高分辨率的圖像，背景光線明顯低于地面望遠鏡，并能夠拍攝到比地面大型光學望遠鏡所能觀測到的更暗弱的天體。它記錄了一些最詳細的可見光圖像，從而能夠深入觀察太空。哈勃望遠鏡的許多觀測結果帶來了天體物理學的突破，例如確定宇宙的膨脹速度。截至2023年，哈勃空間望遠鏡已經歷了5次太空維修，預計它將持續服役到2030年至2040年。哈勃空間望遠鏡是美國航空航天局大型軌道天文臺計劃的一部分，其由NASA和歐洲航天局合作共同管理。哈勃望遠鏡的繼任者是詹姆斯·韋伯空間望遠鏡太空望遠鏡。

簡史

研制背景

在20世紀40年代以前，人類在地基的光學天文望遠鏡的建設和研發方面已經取得很大的成就，但是在建設和使用這些地基天文望遠鏡時，碰到的地球大氣影響的問題也越來越尖銳。從上世紀40年代開始，人們就設想把望遠鏡送到太空上去進行觀測。最早提出將望遠鏡送上太空的是一位美國天文學家萊曼·史匹哲（Lyman Spitzer），他在1946年發表了一篇題為《在地球之外的天文觀測優勢》的論文。在這篇文章中，斯皮策科學地論證了將望遠鏡送上太空觀測的好處，比如在太空中的望遠鏡具有大氣層內望遠鏡不能企及的優勢——可以不受大氣擾動的干擾和觀測到被大氣層擋在地球之外的紅外光與紫外光等。

萊曼·斯皮策的觀點雖然迅速被天文學界所接受，但當時要付諸實踐還有很多困難。不過從1957年蘇聯人造衛星發射成功開始，斯皮策的設想有了實現的技術可能。因此1962年，美國國家科學院正式在一份報告中提出，將太空望遠鏡做為發展太空計劃的一部分。而到了1965年，斯皮策被任命為了一個科學委員會的主任委員，該委員會的目的就是建造一架空間望遠鏡。

此外，“哈勃之母”南希·羅曼的工作至關重要。在哈勃望遠鏡成為一項正式的美國航空航天局項目之前，她在公開演講中宣揚了該望遠鏡的科學價值。在該項目獲得批準后，羅曼成為該項目科學家，成立了負責使天文學家的需求切實可行的指導委員會，并在整個20世紀70年代向國會提交證詞，以倡導繼續為該望遠鏡提供資金。她作為項目科學家的工作幫助制定了NASA開展大型科學項目的標準。

在第二次世界大戰時，科學家利用發展火箭技術的同時，曾經小規模的嘗試過以太空為基地的天文學。在1946年，首度觀察到了太陽紫外線光譜。英國在1962年發射了太陽望遠鏡放置在軌道上，做為阿麗亞娜太空計劃的一部分。1966年美國航空航天局進行了第一個軌道天文臺（OAO）任務，但第一個OAO的電池在三天后就失效，中止了這項任務了。第二個OAO在1968至1972年對恒星和星系進行了紫外線的觀測，比原先的計劃多工作了一年的時間。

研制歷程

尋求資金

1968年美國航空航天局確定了在太空中建造反射望遠鏡（直徑3米）的計劃，并暫時將其命名為大型軌道望遠鏡或大型空間望遠鏡（LST），預計于1979年發射。同時在1970年，美國航天局還設立了兩個委員會，一個規劃太空望遠鏡的工程，一個研究太空望遠鏡的科學目標。但隨后項目便因資金問題而陷入停滯，美國國會對空間望遠鏡的預算需求提出了許多的質疑。到1974年時，在裁減政府開支的大背景下，時任美國總統的杰拉爾德·福特剔除所有進行空間望遠鏡的預算，這使得哈勃空間望遠鏡計劃面臨夭折的命運。但是天文學家們沒有放棄，在經過多方游說，再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項目一半的預算，并在1977年授權批準哈勃望遠鏡開始細節設計和制造，同時在1978年撥付了3600萬美元作為項目的第一期資金。

由于預算縮減為原來的一半，只有約2億美元，所以美國航空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，儀器設備也相應縮水。同時原先計劃做為先期測試，放置在衛星上的1.5米太空望遠鏡也被取消了。另外，美國航天局還邀請歐洲航天局（ESA）加入項目，由歐洲航天局承擔15%的研制經費，作為交換，望遠鏡在投入使用后將相應給予歐洲科學家不少于15%的使用時間。為紀念在20世紀初期發現宇宙膨脹的天文學家、芝加哥大學天文學博士愛德溫·哈勃，空間望遠鏡在1982年被正式命名為——哈勃空間望遠鏡。

制造歷程

哈勃空間望遠鏡由美國馬歇爾太空飛行中心（MSFC）、金石太空飛行中心（GSFC）、洛克希德·馬丁公司和珀金埃爾默儀器有限公司（Perkin-Elmer）公司組成的承包小組負責研制。其中馬歇爾中心負責設計、發展和建造望遠鏡；金石中心負責科學儀器的整體控制和地面任務中心；洛克希德負責搭載望遠鏡的太空平臺的研制；珀金埃爾默儀器有限公司則是負責設計和制造空間望遠鏡的光學組件，還有精密定位感測器（FGS）等。

整個太空望遠鏡制造最關鍵也是最困難的是光學系統的制造，一般的望遠鏡，鏡子在拋光之后的準確性大約是可見光波長的十分之一，但是因為空間望遠鏡觀測的范圍是從紫外線到近紅外線，所以需要比以前的望遠鏡更高十倍的解析力，它的鏡子在拋光后的準確性需要達到可見光波長的二十分之一，也就是大約30納米。珀金埃爾默儀器有限公司公司從1979年承接了制作工作，他們使用了當時極端復雜的電腦控制拋光機研磨鏡子，使用的是超低膨脹玻璃，為了將鏡子的重量降至最低，采用了蜂窩格子，只有表面和底面各一寸是厚實的玻璃。最終鏡片的制造花費了3年時間，在1981年底全部完成，并且鍍上了75納米厚的鋁增強反射膜，和25納米厚的鎂保護層。

除了光學系統外，由洛克希德·馬丁公司負責研制的搭載望遠鏡的太空平臺也是系統的關鍵。該平臺必須能承受住陽光與地球的陰影之間存在的溫度變化，同時還要使望遠鏡能長期穩定地對準目標。為此，洛克希德公司研制了以多層絕緣材料制成的遮蔽罩衣，它能使望遠鏡內部的溫度保持穩定，并且以輕質的鋁殼包圍住望遠鏡和儀器的支架。在外殼之內，還有石墨環氧的框架將校準好的工作儀器牢固地固定住。和光學系統一樣，太空平臺的研制也出現了進度滯后，到1985年時，平臺研制進度已經落后原計劃好幾個月，而預算超出了30%。馬歇爾太空飛行中心的報告認為洛克希德·馬丁公司在太空平臺的建造上沒有采取主動態度，而且過度依賴美國航空航天局的指導。

由于珀金·埃爾默公司鏡片的拋光進度滯后，再加上花費超支，因此NASA不得不將發射日期由原計劃的1983年延后至1984年10月。之后由于光學系統的組裝工作和太空平臺的研制工作的滯后，發射時間不得不多次變更，最終太空望遠鏡的各子系統在1984到1985年間陸續完成研制，開始進入組裝工作，發射時間則是從1984年延后到1985年，再到1986年9月。

此外，哈勃空間望遠鏡上最初的兩臺主要計算機是由Rockwell Autonetics制造的1.25MHz DF-224系統，其中包含三個冗余CPU和兩個冗余NSSC-1（美國航空航天局標準航天器計算機，模型1）系統，由Westinghouse和GSFC使用二極管——晶體管邏輯（DTL）。后在1993年維修任務1期間添加了DF-224協處理器，該協處理器由兩個冗余串組成，其中一個是基于英特爾的80386處理器，另一個是80387數學協處理器。此后，1999年維修任務3A期間，DF-224及其386協處理器被基于25MHz Intel的80486處理器系統取代。新計算機的速度比以前的計算機快20倍，內存增加6倍。

哈勃空間望遠鏡的科學運行以及向天文學家提供數據產品是由太空望遠鏡科學研究所（STScI）負責，哈勃空間望遠鏡的工程支持由美國航空航天局和馬里蘭州格林貝爾特戈達德太空飛行中心的承包商人員提供，該中心位于STScI以南48公里（30英里）處。哈勃的飛行操作由組成哈勃飛行操作團隊的四組飛行控制員每天24小時監控。

發射歷程

1986年，就在各方期待哈勃望遠鏡能夠按計劃投入使用時，美國航天事業卻發生了災難性事故。1986年1月28日，挑戰者號航天飛機在升空僅73秒后解體爆炸，7名宇航員全部遇難。這場災難讓美國航天事業受到較大打擊，所有的航天飛機都被迫終止飛行。因為“挑戰者”號也是計劃執行哈勃任務的航天飛機，哈勃望遠鏡的升空時間也只好再次被推遲。最終在經過4年的漫長等待，1990年4月24日，發現號航天飛機終于帶著哈勃望遠鏡及5名航天員到達了離地球600千米的預定軌道。第二天，“愛德文·哈勃”由航天飛機的機械臂送入太空。

推遲發射期間的改進

在推遲發射的1983到1990年期間，哈勃望遠鏡又作了下列改進：

①采用不易老化的新太陽電池翼，比原來的太陽電池翼多供電40%。

②用長壽命的鎳氫蓄電池代替鎳鎘蓄電池。

③改進安全系統，保障望遠鏡的自身生存能力。

①由于推遲發射，許多電子部件已裝在衛星上有7~10年時間，為了保證可靠性和長壽命，更換了一些電子部件。

⑤增加了軌道替換單元，將來可由航天飛機宇航員在軌道上更換這些部件。

維修記錄

在哈勃空間望遠鏡發射成功后，進行過5次維護：

第一次維護是在1993年哈勃空間望遠鏡進入太空軌道的幾周后，由于科學研究人員發現哈勃空間望遠鏡傳回的圖片存在問題，因為進行第一次維護，糾正望遠鏡主鏡上的球面像差，同時對其系統進行更新；第二次維護是1997年2月，在這次維護中，由于出現了一些意外，使得哈勃空間望遠鏡一些部件的壽命由原來期望的4.5年縮短至2年；第三次維護是在1999年12月，在這次維護中，維修人員對哈勃空間望遠鏡的零部件進行更新，使其能夠處理以往只能夠在地面完成的計算工作；第四次維護是在2002年3月進行的，在這次維護中，首次對哈勃的配電系統進行更新，使其能將所獲得的電力進行充分的運用；哈勃空間望遠鏡的最近一次維護是在2008年8月，這次維護主要是對望遠鏡的電池進行更換，并為其更換上了高精傳感器。

2021年6月13日，哈勃望遠鏡的有效載荷計算機發現與儀器的通信出現錯誤而進入安全模式，地面控制中心試圖切換到備用系統但仍然未能排除故障，之后經過地面模型的排查后，發現實際是計算機的電源控制單元出現故障，經過切換備用電源控制單元后，7月16日望遠鏡恢復正常運作。2021年10月23日，哈勃望遠鏡科學儀表再次發出錯誤代碼，團隊重設儀表后，隔天早上便恢復科學操作。同年10月25日2時38分，科學儀表再次發出錯誤代碼，自主進入安全模式狀態，為2021年的第三次出現錯誤。直到2021年12月8日，美國航空航天局已恢復哈勃望遠鏡全面的科學運作，并正在開發更新，降低儀器因缺失同步消息帶來的影響。

工作原理

哈勃望遠鏡是全球第一個在繞地軌道運轉的光學天文望遠鏡，它是反射式的，光學原理基本上和地面的光學望遠鏡一樣，主要觀測波段是紅外線、可見光及紫外線。2.4米口徑的主鏡，其分辨率可達0.01角秒，亦即可區分相距在36萬分之一度視角以上的兩物體。

哈勃空間望遠鏡的控制和操縱自動化程度很高，它主要是以裝定加注的程序指令為控制依據，因此任何一項觀測必須事先作好計劃。每次觀測前都必須事先排好一組擬被執行的指令，比如擬定望遠鏡須置于什么視向、選用焦平面上的哪種儀器、它的具體操作方式、需要哪些必要的定標和星上數據儲存等，都得預先編輯成程序指令。

哈勃空間望遠鏡的直接控制機構是空間望遠鏡科學研究所（STSCI）和戈達德飛行中心（GSFC），他們共同負責操縱望遠鏡。GSFC可直接控制望遠鏡，并作為其發回數據的收集點。GSFC接收數據后傳給STSCI，STSCI負責望遠鏡觀測數據的初步處理和分析，然后提供給觀測者。

整體構成

哈勃空間望遠鏡主要由光學系統、科研儀器和保障系統組成。其中光學系統配備有主鏡、副鏡、成像系統、計算機處理系統、中心消光圈、主副鏡消光圈、控制操作系統等。科研儀器則是有廣角行星照相機、高解析攝譜儀、高速光度計、暗天體照相機和暗天體攝譜儀等。保障系統則是有圖像發送系統、太陽能電池板以及與地面保持通信聯系的拋物面天線等。哈勃空間望遠鏡攜帶有多種當時最先進的天文觀測儀器，比如廣角/行星照相機（WF/PC）、戈達德高分辨攝譜儀（GHRS）、高速光度計（HSP）、暗弱天體照相機（FOC）和暗弱天體攝譜儀（FOS）等。

總體設計

哈勃空間望遠鏡為長13米，直徑4.3米的圓筒。主鏡口徑為2.4米，總重量是12.5噸。它主要由光學系統、科研儀器和保障系統組成。望遠鏡的主體為圓筒狀設計，里面是由兩個雙曲面反射鏡組成的核心光學系統，兩個雙曲面分別是2.4米的凹面主鏡和裝在主鏡前約4.5米處的小凸面副鏡，副鏡前部有可打開的鏡頭蓋。除了光學系統外的主要科學儀器和成像設備則是主要在后部直徑更粗的圓筒艙內。望遠鏡的主體兩側各有一塊13.7米長的太陽能電池板，用于給系統供電，通信用的拋物面天線則是布置在鏡體筒身背部和腹部，天線桿采用折疊設計。

光學系統

哈勃空間望遠鏡的光學系統主要是一臺大尺寸的卡塞格倫式光學望遠鏡，其結構如下圖所示，入射光由艙門進入，射到主鏡（直徑2.4米），再反射到它前面的副鏡（直徑0.3米），副鏡將光線聚焦后，重新返回到主鏡，從主鏡中央小孔穿過到達焦平面上形成高質量的圖像。為減輕鏡子重量，美國柯寧玻璃廠采用超低膨脹系數的玻璃制造鏡坯。鏡坯是由兩個1英寸厚玻璃片，中間夾有12英寸寬的玻璃蜂窩制成，這樣主鏡重量只有816公斤。鏡子表面不平度為10-6英寸，聚焦誤差不超過氦激光波長的1/20。

光學系統的主、副兩面鏡子都涂有很薄的鋁和氟化鎂層。鋁層厚度僅為75納米，保證了鏡子的反射率。氟化鎂涂層厚25納米，在鋁層上方，作用是防止其氧化，同時提高紫外線的反射率。鏡子和涂層都經過拋光使其非常光滑。兩面鏡子用140根桿組成的桁架支撐，支撐桿由波音公司制造，采用環氧石墨材料。為了托住這兩面鏡子，并使它們在一條直線上，既要修正地面安裝時重力的影響，又要經受住發射時的力學環境和軌道300°F的溫度變化，為此，設計方特意在主鏡背后加裝了24個作動器，在副鏡背后加裝了6個作動器。一旦鏡子變形，平臺的控制系統就會操縱作動器調節鏡面，使聚焦光線能到達焦平面。

太空望遠鏡主鏡口徑2.4m，主鏡是由熔融石英構成的蜂窩狀的空格形的鏡面結構，是由康寧公司生產的超低膨脹石英玻璃材料制成。這個主鏡由上、下、內表面，外環表面和內部芯格構成，呈三明治夾芯結構。主鏡的總重量僅為829kg，它的加工是在氣墊支承下進行的。

副鏡裝在主鏡前約4.5米處，口徑0.3米，投射到主鏡上的光線先反射到副鏡上，再由副鏡射向主鏡的中心孔。在穿過中心孔達到主鏡的焦面上形成高質量的圖像。

成像系統

光學系統是哈勃望遠鏡的核心結構，它采用的是組合望遠鏡設計。光學系統C1包括主鏡、副鏡和矯正光學設備。光線從筒口進入望遠鏡，然后從主鏡反射到副鏡，副鏡再把光線從主鏡中心的一個小洞反射到主鏡后面的焦點，形成清晰的圖像。焦點處有一些更小的半反光半透明的鏡子，將光線分散到各個科學儀器，供各種科學儀器進行精密處理，得出的數據通過中繼衛星系統發回地面。望遠鏡的鏡片由玻璃制成，表面鍍上純鋁和鎂氟化物，可以反射可見光、紅外線和紫外線。哈勃望遠鏡通過觀測天體光線的不同波長或光譜，可以檢測到該天體的特征。

科研儀器

廣角/行星照相機（WFPC）

廣域行星照相機（英文：Wide Field/Planetary Camera，簡稱WFPC）。它是一個獨立的系統，由兩架照相機——廣域照相機和行星照相機組成，每架都包括四片德州儀器的800×800像素CCD，形成了相互聯接的光學視野。其中廣域照相機視野廣，但解像力有所損失，可以對光度微弱的天體進行全景觀測；而行星照相機的解像力高，用于高分辨率的觀測。廣域照相機與行星照相機正好互補。它由噴氣推進實驗室制造，全重272公斤左右。它的成像系統的核心是由四個電荷耦合器件（CCD）光敏硅片組成的矩陣。每片硅片為邊長約0.5英寸的正方形，每邊有800個像素，所以每片有64萬個像素。由四個CCD鑲成的照片具有超過250萬個像素，每個像素產生正比于一次曝光時達到像素的光子數的電訊號。

廣角/行星照相機有兩種工作模式，分別是廣角寬視場模式和窄角行星照相模式，前者可拍攝幾十個到上百個星系的照片，清晰度是地基望遠鏡的10倍；后者則是可提供火星、木星、土星、天王星和海王星的氣象資料。在廣角寬視場模式中，照相機具有2’.67的正方形視場，是當時所有儀器中最大的視場，每個像素對著一個0″.1的角。在窄角行星照相模式中，方形視場邊長68”.7，每個像素對應0″.043的角。CCD探測系統的低背景噪聲和高靈敏度，很適用于對弱光源的觀測，使得進行某些行星觀測只需很短的曝光時間。觀測者也可利用這種設備對延伸的銀河系和河外天體進行高分辨率的觀測。

暗弱天體照相機（FOC）

暗弱天體照相機（FOC）用于某一波段的暗天體的觀察，后被更先進的中國空間站工程巡天望遠鏡照相機代替。由歐洲道尼爾、馬特拉和英國航宇三家公司制造，重317.5公斤左右。它有三級電子星象增強器，能將目標天體亮度放大10萬倍，可觀測到比地基望遠鏡觀測遠5~7倍距離的天體。它有極高靈敏度，甚至能探測到單個光子。這種特殊的照相機包含兩個相似但是又彼此獨立的光學系統，兩個光學系統擁有各自的光路和相同的探測器。這兩個相同的探測器都由像增強器、電視陰極射線管以及它們之間的耦合透鏡系統組成。電視管可檢測出像增強器的輸出閃爍——相應于到達光陰極的光子。兩個照相系統分別在光陰極管上產生11″×11″或22″×22″圖像。一般圖像數據格式為512×512像素（每像素16bit），每個像素對應0″.022或0″.04。暗弱天體照相機的功能與廣角/行星照相機相似，但它對較窄波段更敏感、視場也較小，具有較高的空間分辨率。

暗弱天體攝譜儀（FOS）

暗弱天體攝譜儀（FOS）由馬麗埃塔公司制造，重308.4公斤。它能拍攝到暗弱天體，特別是星系噴發；測量深空天體的化學組分，研究類星體的特征。它的掩星裝置能幫助暗弱天體照相機研究明亮天體附近的暗弱天體，如紅巨星——比太陽大許多倍的非常古老的恒星。

戈達德高分辨攝譜儀（GHRS）

戈達德高分辨攝譜儀（GHRS）是用于紫外線波段的攝譜儀，后被太空望遠鏡影像攝譜儀替代，由Ball航宇系統部制造，重317.5公斤左右。它是衛星的主要紫外儀器，提供恒星天體的組分、溫度和密度數據，也能研究銀河系冕和其他星系冕。戈達德高分辨攝譜儀的光譜分辨率比暗弱天體攝譜儀更高，同時對紫外波段非常敏感。它主要是利用準直器、照相鏡、色散器件等設備，在探測器光陰極上形成光譜像。色散器件有5個定向光柵、一個中階梯光柵。戈達德高分辨攝譜儀有高、中、低三種光譜分辨率，其中高、中分辨率方式的波段范圍為1100-3200?；低分辨率方式為1100-1700?。

高速光度計（HSP）

高速光度計（HSP）能夠快速地測量天體的光度變化和偏極性。因為主鏡的光學問題，自升空以來一直未能成功使用，后來用于矯正其他儀器的光學問題，由美國威斯康星州大學設計，重272公斤左右。它測量天體目標從紫外到可見光的亮度及隨時間的變化；觀測爆發變星、快速脈沖星和雙星。它有5個電子敏感光源探測器；每個探測器有入射孔/濾波器。這5個電子敏感光源探測器具體是四個析像管和一個光電倍增管。其中有三個析象管用于光度計，另一個管用于偏振儀，主要是測量近紫外的線性偏振。

保障系統

哈勃空間望遠鏡的保障系統主要包括通信系統和供電系統等，其中通信系統包括天線系統，指令和圖像收發系統等，供電系統則主要依靠太陽能電池板和蓄電池。哈勃的天線系統主要是在望遠鏡背部和腹部對稱布置的兩付高增益拋物面天線，它們裝在16英尺長可伸展的折疊桿上。利用這兩部天線，天文望遠鏡上的數據可以以1×106bit/s的速率通過中繼衛星傳到地面。在伯爾第莫的空間望遠鏡研究所里有380人的團隊負責接收和處理這些數據。除了通信系統和供電系統外，哈勃號望遠鏡上其他系統還包括自動循環檢測裝置、用于與軌道器連接的供電臍帶，在窄筒段還有2個機械臂抓捕裝置等。

地面部分

哈勃空間望遠鏡的綜合科學利用由座落在美國馬里蘭州約翰·霍普金斯大學校園內的空間望遠鏡科學研究所管理。該研究所將負責安排望遠鏡的觀測日程，并將作為使用望遠鏡的天文學家與望遠鏡項目機構之間的聯絡處。歐洲的天文學家還可使用設在慕尼黑附近的歐洲南部天文臺內的空間望遠鏡歐洲協調設施（ST-ECF）。

哈勃空間望遠鏡將通過美國航空航天局的跟蹤和中繼衛星系統（TDRSS）把數據傳送到該局的戈達德操作中心，并最終送到空間望遠鏡科學研究所進行科學分析和歸檔。由于并不總是與地面保持聯系，望遠鏡要以全自動的方式完成天文觀測程序，包括自動轉換并鎖定到新的目標上以及在與TDRSS接通時將積累下來的數據傳送出去。在獲得了足夠的使用經驗之后，望遠鏡可望達25%-35%的穩定觀測效率。

性能指標

哈勃空間望遠鏡由美國航空航天局和歐洲航天局聯合研制，歷時13年，耗資21億美元。它的空間軌道高度600千米，與赤道的傾角為28.5度，繞地球一周約需95分鐘，初步計劃在軌道上工作15年，每5年左右返回地面檢修一次。

哈勃空間望遠鏡可以探測到比肉眼所能看到的暗淡100億倍的天體，它不受地球大氣層的影響，比地面上視寧度最好臺址的望遠鏡都能更清晰地看到宇宙。哈勃可以分辨出角直徑僅為0.05角秒的天體，這個分辨率比更大的地面望遠鏡要好10倍左右。高分辨率使哈勃能夠定位恒星周圍的塵埃盤或極度遙遠星系的發光核。此外，由于它在大氣層上方，可以看到的波長范圍比地面望遠鏡更大，不受大氣窗口的限制，所以利用哈勃望遠鏡能更全面地看到和測量產生輻射的能量過程。

問題和維修

1990年6月21日愛德文·哈勃管理局宣稱哈勃拍攝照片失敗，從廣域行星照相機發回來的照片顯示，照片失真，存在球狀像差。造成這一問題的原因在于哈勃空間望遠鏡的光學系統有嚴重問題，即主鏡、副鏡或者二者都存在問題。為此，美國航空航天局成立了HST調查委員會。調查對象包括制造商和測試人員，重新查看了相關的文獻記載分析和檢測了HST制造中用到的鏡子。

問題根源：噴氣推進實驗室主任盧·艾倫建立的艾倫委員會發現反射零位校正器組裝不正確，其中一個透鏡錯位1.3毫米。在鏡子的初始研磨和拋光過程中，Perkin-Elmer使用兩個傳統的折射零點校正器分析了其表面，在最后的制造步驟時，他們轉而使用定制的反射零點校正器，該校正器的設計明確是為了滿足非常嚴格的公差。該裝置的錯誤組裝導致鏡子被非常精確地研磨，但形狀錯誤。在制造過程中，使用傳統零位校正器進行的一些測試正確地報告了球面像差。但這些結果被駁回，從而錯過了捕捉錯誤的機會，因為反射零點校正器被認為更準確。

艾倫委員會將這些失敗主要歸咎于珀金埃爾默公司。在望遠鏡建造過程中，由于頻繁的進度延誤和成本超支，美國航空航天局和光學公司之間的關系嚴重緊張。NASA發現Perkin-Elmer沒有充分審查或監督鏡子的構造，沒有指派最好的光學科學家到該項目，特別是沒有讓光學設計師參與鏡子的構造和驗證。雖然該委員會嚴厲批評珀金埃爾默儀器有限公司公司的這些管理失誤，但美國宇航局也因沒有注意到質量控制缺陷而受到批評，例如完全依賴單一儀器的測試結果。

就哈勃空間望遠鏡的成像不清來說，皮特引用了美國航空航天局總督察員向國會提交的報告，提出哈勃空間望遠鏡主鏡出現了問題。具體表現在以下方面：①沒有經過校對的反射零位校正器墊圈；②沒有預料到反轉零位校正器的結果；③折射零位測試與反射零位測試不一致；④總體錯誤測試沒有進行。

解決方案：需要精確表征主鏡中的誤差。天文學家根據點源圖像進行逆推，確定所建造的鏡子的圓錐常數為?1.01390±0.0002，而不是預期的?1.00230。通過分析Perkin-Elmer用于繪制鏡子的零位校正器以及分析鏡子地面測試期間獲得的干涉圖，也得出了相同的數字。由于哈勃空間望遠鏡儀器的設計方式，需要兩套不同的校正器。廣域行星相機2的設計已計劃取代現有的WF/PC，其中包括中繼鏡，可將光線引導到構成兩個相機的四個獨立的電荷耦合器件（CCD）芯片上。它們表面內置的逆誤差可以完全消除主鏡的像差。但其他儀器缺乏以這種方式配置的任何中間表面，因此需要外部校正裝置。

校正光學太空望遠鏡軸向替換（COSTAR）系統旨在校正聚焦在FOC、FOS和GHRS處的光的球面像差。它由光路中的兩個鏡子組成，其中一個地面用于校正像差。為了將COSTAR系統安裝到望遠鏡上，必須拆除其他儀器之一，天文學家選擇犧牲高速光度計。到2002年，所有需要costar的原始儀器都已被帶有自己的校正光學器件的儀器所取代。COSTAR隨后被移除并于2009年返回地球，并在華盛頓哥倫比亞特區的國家航空和航天博物館展出。COSTAR以前使用的區域現在被宇宙起源光譜儀占據。

研究目標

多學科觀測臺

哈勃空間望遠鏡是一個真正的多學科觀測臺，它的科學應用范圍極廣。由于空間分辨率的提高，這個望遠鏡將用微光物體照相機的日冕儀器直接對太陽系外行星及原始行星進行探測。微光物體攝譜儀和戈達德高分辨率攝譜儀能夠在紫外光譜區攝取到光強很低的天體的高質量光譜，從而使天文學家們能夠大大擴大國際紫外線探測器（IUE）衛星已得到的一系列新發現。這兩臺攝譜儀所攝取的關于我們銀河系內星體的紫外觀測資料無疑將顯著地加深人們對天體大氣、宇宙風、質量衰減以及色球層的理解。戈達德高分辨率攝譜儀還將廣泛地用于對星際和星系間廣闊真空中的稀薄氣體的研究。高速測光儀將用來尋找高密度天體（如雙聯星系，該星系中有中子星和可能的黑洞）輻射光線中可能存在的極快速閃變現象。哈勃空間望遠鏡的另一項重要任務是研究星系核和更邊遠的類星體中劇烈的活動現象，這些觀測活動將動用望遠鏡上幾乎所有的儀器。

尋找哈勃常數

哈勃空間望遠鏡還將執行一項重要的、也是長期性的任務，即改進人們對宇宙的總體尺寸和年齡的認識。“愛德文·哈勃”這個名字就是由此而來的。美國天文學家哈勃在1929年發現，宇宙正在均勻地向外膨脹。他指出，星系離開地球的速度與它們已離開地球的距離成正比。宇宙膨脹造成的星系后退速度與距離的恒定比值現在被稱為哈勃常數，它是宇宙大小和自“大爆炸”形成宇宙以來的時間的一個尺度，是現代宇宙學的基本參數之一。

哈勃常數測量起來較為困難。其中的遙遠星系后退速度項可以通過測量星系光譜的多普勒頻移而比較容易地確定下來。該常數的另一項，即距離，則只能依靠間接的方法導出。一旦哈勃常數得以準確地測定，天文學家們將利用哈勃空間望遠鏡來進行一項更加艱巨的工作，即確定宇宙在空間內到底是有限的還是無限的。

CANDELS

CANDELS（宇宙大會近紅外深河外遺產中國空間站工程巡天望遠鏡）被稱為“哈勃歷史上最大的項目”，該調查旨在探索早期宇宙的星系演化，以及大爆炸后不到十億年宇宙結構的最初種子。

哈勃深空計劃2012

哈勃深空計劃2012旨在通過借助引力透鏡研究空白場中的高紅移星系來觀察“遙遠宇宙中最暗的星系”，從而增進對早期星系形成的了解。該計劃的目標如下：

宇宙演化調查（COSMOS）

宇宙演化調查（秋英屬）是一項旨在研究星系演化的天文項目，其覆蓋2平方度的赤道區域，利用多種望遠鏡進行光譜和成像。該項目于2006年啟動，至今仍是繪制深空地圖的最大連續區域，已檢測到超過200萬個星系。COSMOS合作是規模最大、持續時間最長的河外合作，涉及全球200多名科學家。

取得成果

從1990年到2015年，哈勃空間望遠鏡在地球軌道上運行了累計54億千米，執行了120多萬次觀測任務，觀察了超過38000個天體。哈勃空間望遠鏡通過觀測到的目標中最遠的是距地球130億光年的原始星系，還證明了大多數星系中央都存在超大質量黑洞，并觀測到宇宙膨脹的精確數據，使得空間天文學的發展進入一個新的階段。

探測宇宙年齡

哈勃空間望遠鏡對造父變星的觀測為哈勃常數的精確測量提供了保證。愛德文·哈勃空間望遠鏡的精細導星傳感器對造父變星進行了直接的視差測量，大大削減了用造父變星周光關系推算距離的不確定性。在哈勃空間望遠鏡之前，觀測得到的哈勃常數有1~2倍的差異，但是在有了新的造父變星觀測之后，宇宙距離尺度的不確定性猛然下降到了大約只有10%，從而使人們對宇宙的擴張速率和年齡有了更正確的認知。

觀測恒星形成

哈勃空間望遠鏡還有助于研究諸如獵戶星云之類的恒星形成區。通過哈勃空間望遠鏡對獵戶星云的早期觀測發現，其中聚集了許多被濃密體和塵埃盤包裹的年輕恒星。盡管已經從理論上和天線陣的觀測中推測出來了這些盤的存在，但是直到哈勃所拍攝的高分辨率照片，才第一次直接揭示出了這些盤的結構和物理性質。

證實恒星死亡

哈勃空間望遠鏡的觀測還在超新星爆發和射線爆發之間建立起聯系。通過哈勃對射線爆發余輝的觀測，研究人員把這些爆發鎖定在了河外星系中的大質量恒星形成區。由此哈勃空間望遠鏡也令人信服地證明了這些劇烈的爆發和大質量恒星死亡的直接聯系。

觀察黑洞

哈勃空間望遠鏡最早的核心計劃之一就是要建立起由黑洞驅動的類星體和星系之間的關系。之后，通過它們對周圍恒星的引力作用，針對“哈勃”所獲得的近距星系光譜的動力學模型證實了黑洞的存在。這些研究也導致了對十幾個星系中央黑洞質量的可靠測量，揭示出了黑洞質量和星系核球質量之間極為緊密的聯系。2011年11月8日，借助哈勃空間望遠鏡，天文學家們首次拍攝到圍繞遙遠黑洞存在的盤狀構造。這個盤狀結構由氣體和塵埃構成，并且正處于不斷下降進入黑洞中被消耗的過程中。在這些物質落入黑洞的一瞬間，它們將釋放巨大的能量，形成一種宇宙射電信號源，稱為“類星體”。

太陽系發現

1994年舒梅克-利維9號彗星與木星的碰撞對天文學家來說是偶然的，就在維修任務1恢復愛德文·哈勃光學性能幾個月后。哈勃拍攝的這顆行星的圖像比1979年旅行者2號探測器通過以來拍攝的任何圖像都要清晰，對于研究大型彗星與木星碰撞的動力學至關重要。

2015年3月，研究人員宣布，對木星衛星之一木衛三周圍極光的測量顯示，木衛三周圍有一個地下海洋。研究人員利用哈勃望遠鏡研究極光的運動，確定大型咸水海洋有助于抑制木星磁場與木衛三磁場之間的相互作用。據估計，海洋深100公里（60英里），被困在150公里（90英里）的冰殼之下。2022年4月，美國航空航天局宣布，天文學家能夠利用愛德文·哈勃空間望遠鏡的圖像確定彗星C/2014UN271（貝爾納迪內利-伯恩斯坦）彗核的大小，這是天文學家迄今為止發現的最大的冰彗星核。C/2014UN271的核心估計質量為50萬億噸，是太陽系中其他已知彗星質量的50倍。

超新星再現

2015年12月11日，哈勃捕捉到了一張被稱為“Refsdal”的超新星首次預測再現的圖像，該圖像是使用星系團的不同質量模型計算得出的，星系團的引力使超新星的光線發生扭曲。這顆超新星此前曾于2014年11月作為哈勃前沿場計劃的一部分在星系團MACS J1149.5+2223后面被發現。從星團發出的光大約需要五十億年才能到達地球，而從其背后的超新星發出的光則比這要多五十億年，這是根據它們各自的紅移來測量的。由于星系團的引力效應，超新星的圖像出現了四張，而不是一張。

銀河系的質量和大小

2019年3月，愛德文·哈勃望遠鏡的觀測結果與歐洲航天局蓋亞太空天文臺的數據相結合，確定銀河系的質量約為太陽質量的1.5萬億倍。

對天文學的影響

超過15000篇基于哈勃數據的論文已發表在同行評審期刊上。平均而言，基于哈勃數據的論文獲得的引用次數大約是基于非哈勃數據的論文的兩倍。每年發表的200篇被引用次數最多的論文中，大約10%是基于哈勃數據的。

對航空航天工程的影響

除了科學成果外，愛德文·哈勃還為航空航天工程做出了貢獻，特別是低地球軌道（LEO）系統的性能。這些見解源于哈勃在軌道上的較長壽命、廣泛的儀器以及將組件返回地球以便對其進行詳細研究。特別是，哈勃對石墨復合結構在真空中的行為、殘留氣體和人類服務造成的光學污染、對電子設備和傳感器的輻射損傷以及多層絕緣體的長期行為的研究做出了貢獻。此外，哈勃的維修任務，特別是那些維修非空間維護組件的任務，為在軌維修新工具和技術的開發做出了貢獻。

其他發現

2014年4月，哈勃空間望遠鏡發現“ElGordo”星系團容量大大超出科學家估計，為三千萬億顆太陽質量。2016年3月4日，哈勃空間望遠鏡捕捉了距離地球達134億光年的GN-z11 星系發出的微光，是目前為止人類宇宙觀測的最遠距離。

未來計劃

隨著對宇宙誕生及演化、黑洞和暗物質等前沿領域的迫切探索需求，目前國際上的高水平空間相機一般要求毫角秒級別的穩像精度，如哈勃天文望遠鏡要求達到0.007″的穩像精度。高精度穩像控制系統直接決定著太空望遠鏡的成像質量，是一項需要充分重視和深入研究的關鍵技術。但多種復雜的影響因素均會對穩像精度造成影響，如搭載于飛行器之上的空間望遠鏡會受到飛行器軌道運動和姿態變化的影響，望遠鏡內外部的振動條件也會影響指向精度；直接暴露于外空間環境的望遠鏡還會受到宇宙中多種擾動力矩的影響（如近地軌道中的太陽輻射光壓、重力梯度、氣動和地磁等力矩）。

為此，空間大口徑望遠鏡的穩像控制是一個復雜的系統工程，需要充分考慮各種擾動源，采取隔振措施抑制振動，合理設計望遠鏡的結構特性，考慮多級控制系統級聯的設計方案。目前，中國地基大口徑望遠鏡的穩像控制已經比較成熟。為提高控制精度，普遍采用多級復合軸控制系統，一些抗擾能力較強的控制算法如滑模變結構、自抗擾、內模等方法也得到了工程實現，但是中國尚無在軌運行的空間大口徑望遠鏡。

哈勃望遠鏡在極為稀薄的上層大氣中繞地球運行，隨著時間的推移，它的軌道會因阻力而衰減。如果不重新加速，它將在幾十年內重新進入地球大氣層，確切的日期取決于太陽活動的活躍程度及其對上層大氣的影響。如果哈勃以完全不受控制的再入方式下降，主鏡及其支撐結構的部分可能會幸存，存在可能造成損壞甚至人員傷亡的風險。2013年，副項目經理詹姆斯·杰利蒂克（James Jeletic）預計哈勃望遠鏡可能會延續到2020年代。根據太陽活動和大氣阻力，或其缺乏情況下，哈勃望遠鏡的自然大氣再入將在2028年至2040年之間發生。2016年6月，美國航空航天局將哈勃望遠鏡的服務合同延長至2021年6月。2021年11月，美國宇航局將哈勃望遠鏡的服務合同延長至2026年6月。

2020年，約翰·格倫斯菲爾德表示，SpaceX Crew Dragon或Orion可以在十年內執行另一次哈勃空間望遠鏡修復任務。他直言：“我們可以用新的陀螺儀和儀器讓哈勃再運行幾十年。”2022年9月，NASA和SpaceX簽署了《太空法案協議》，研究發射龍飛船任務的可能性，為哈勃望遠鏡提供服務并將其推進到更高的軌道，可能將其壽命再延長20年。

哈勃繼任者的計劃具體化為下一代太空望遠鏡項目，該項目最終形成了詹姆斯·韋伯空間望遠鏡太空望遠鏡（詹姆斯·韋伯空間望遠鏡）的計劃，它是哈勃的正式繼任者，已于2021年12月25日發射。更先進的21世紀太空望遠鏡的進一步概念包括大型紫外光學紅外測量儀（LUVOIR）。一個概念化的8至16.8米（310至660英寸）光學太空望遠鏡，如果實現，該望遠鏡可能會成為哈勃空間望遠鏡更直接的后繼者。

公眾使用

任何人都可以申請使用哈勃空間望遠鏡；對國籍或學術背景沒有限制，但分析資金僅適用于美國機構。望遠鏡上的使用時間競爭激烈，每個周期提交的提案中約有五分之一能夠贏得時間表上的時間。征集提案大Hubble Space Telescope Call for Proposals for Cycle17約每年發布一次，周期分配的時間大約為一年。提案分為幾類；“一般觀察員”建議是最常見的，涵蓋日常觀察。“快照觀測”是指目標僅需45分鐘或更短的望遠鏡時間（包括獲取目標等開銷）的觀測。快照觀測用于填補望遠鏡計劃中常規普通觀測計劃無法填補的空白。

天文學家可以提出“機會目標”提案，其中如果在調度周期內發生該提案涵蓋的瞬態事件，則安排觀測。此外，高達10%的望遠鏡時間被指定為“主管酌情”（DD）時間。天文學家可以在一年中的任何時間申請使用DD時間，它通常被授予對超新星等意外瞬態現象的研究。DD時間的其他用途包括導致哈勃深場和哈勃超深場視圖的觀測，以及在望遠鏡時間的前四個周期中由業余天文學家進行的觀測。2012年，歐洲航天局舉辦了哈勃數據公共圖像處理競賽，以鼓勵在原始哈勃數據中發現“隱藏的寶藏”。

項目評價

美國學者埃里克·雷本提斯在《項目集管理與系統工程整合之道》中評價哈勃太空望遠鏡最終通過一次維修任務得到修復，超過了它最初的性能指標的50%，并成為這一階段最長期、最成功的科學任務之一。

美國學者約瑟夫·C·皮特在《技術思考技術哲學的基礎新》中評價哈勃太空光學望遠鏡是一個體現了工程/制造缺陷的產品。

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