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望遠鏡是人類最偉大的發(fā)明之一，自伽利略時代以來，人們制造了數(shù)不清的望遠鏡，但迄今為止還沒有一臺望遠鏡能像哈勃望遠鏡一樣改變我們的思維，因為它展示的不只是遙遠宇宙美麗的照片，而是重新定義我們對于整個宇宙的認知。

2020年是哈勃望遠鏡升空投入使用的三十周年。作為第一個進入地球軌道的精密光學天文觀測設(shè)備，自1990年4月24日升空以來，哈勃對天文學的每一個領(lǐng)域都做出了重大貢獻。

BBC的紀錄片《哈勃三十年：揭示宇宙奇觀》中講到：“所有與哈勃望遠鏡合作過的人，都會產(chǎn)生一種非常感性且浪漫的情感聯(lián)系。它往往會讓人們對宇宙的認知徹底為之改變。”可以說，哈勃重新定義了宇宙，并且以一種超出科學理解的發(fā)自肺腑和情感的層次與我們普通大眾對話。

可是你知道嗎？這個被稱為“人類歷史上最成功的科學實驗”曾經(jīng)差點被NASA和美國政府，甚至在它升空之后還成為美國深夜脫口秀喜劇節(jié)目的“?？?rdquo;，常常被脫口秀演員進行調(diào)侃。那么，如此不受待見的“哈勃”是如何成為人類探索太空過程中不可或缺的角色呢？

哈勃的起源

1889年，一個名叫埃德溫·鮑威爾·哈勃（Edwin Powell Hubble）的小男孩出生于美國密蘇里州一個普通的保險從業(yè)員的家庭。

哈勃從小成績優(yōu)異，先是從芝加哥大學取得數(shù)學、天文學的學士學位，隨后拿到被稱為“本科生諾貝”的羅德獎學金，成功進入英國牛津大學，并成為牛津歷史上首批羅德學者，遵從父親意愿主修法律，但依然鐘情于天文學，選讀了許多天文相關(guān)的課程。

在牛津大學畢業(yè)后，哈勃回到了芝加哥大學，正式鉆研天文學。三年后，28歲的哈勃拿到了天文學博士學位，同一年，威爾遜天文臺的創(chuàng)始人喬治·海爾也邀請他前去工作。他欣然接受，因為威爾遜天文臺有著當時最先進的反射望遠鏡。

而這臺望遠鏡也正式開啟了哈勃成為”星系天文學之父“的道路。在哈勃的研究生涯中對天文學的貢獻不計其數(shù)，其中最重要的貢獻有兩個：其一是發(fā)現(xiàn)了當時被認為是一些銀河系內(nèi)的星云的物體實際上是銀河系外的星系，打破了宇宙完全由銀河系組成的“島宇宙”的觀念，對天文學的發(fā)展具有十分重大的意義；其二是提出了著名的"哈勃定律"，即星系的退行速度與距我們的距離成正比，對我們認識宇宙的演化做出了重要的貢獻。

美國曾為這位偉大的天文學家發(fā)表幾年郵票，圖片來自網(wǎng)絡(luò)

就在埃德溫·鮑威爾·哈勃去世36年之際，NASA將其設(shè)計的空間望遠鏡命名為“哈勃”，以紀念這位偉大的天文學家。雖然名叫“哈勃”，可是除了紀念意義之外，兩者之間并沒有什么實質(zhì)性的聯(lián)系。

我們都知道今年是哈勃望遠鏡升空的30周年，這臺人類歷史上“最偉大的太空儀器”的最初構(gòu)想要追溯到1946年。一位名叫萊曼·斯皮策（Lyman Spitzer）的天體物理學家撰寫了一篇名為《在地球之外的天文觀測優(yōu)勢》論文，論文中明確指出了提出把望遠鏡放入太空以消除地球大氣層遮蔽效應的建議，以及這么做對于人類探索地球以外的空間的諸多好處。這樣的想法無疑是非常超前的，要知道，那個時候人類并沒有開啟人造衛(wèi)星時代，甚至連NASA都還沒有建立。

1962 年，美國國家科學院在一份報告中推薦將空間望遠鏡作為未來太空計劃的一部分，隨后，1965 年，美國建立了一個旨在建造空間望遠鏡的科學委員會，萊曼·斯皮策被任命為主任委員。1968年NASA才正式確定了建造3米反射望遠鏡的計劃。

命運多舛的哈勃望遠鏡

盡管計劃已經(jīng)確立，要在當時制造出一臺空間望遠鏡談何容易。1969年，隨著阿波羅11登月計劃的成功，NASA的太空經(jīng)費開始縮減，哈勃望遠鏡的項目也面臨“胎死腹中”的危險，據(jù)知情者描述，時任美國總統(tǒng)的福特和美國眾議院就差點下令砍掉大型空間望遠鏡項目。

幸好當時美國的天文學家經(jīng)過多方游走宣傳，最終發(fā)起了全國性的請愿以求保住這臺當時還沒有被命名為哈勃的大型空間望遠鏡。美國國家科學院出版的報告中也強調(diào)了空間望遠鏡的重要性，NASA甚至邀請了歐洲航天局（ESA）加入研發(fā)并承擔15%的研制經(jīng)費，并將原定的3米口徑縮減到了2.4米。經(jīng)過一系列的操作，國會終于在1977年通過了2億美元的預算。盡管這筆預算比原定的預算少了將近一半，好在人類歷史上首個大型空間望遠鏡項目也算正式啟動了。

盡管獲得了“難于登天”的國會的批準，可接近一半預算的縮水讓哈勃的設(shè)計和制造依然面臨著不小的挑戰(zhàn)。

由于預算被嚴重縮水，整個研發(fā)小組不得不一邊向國會伸手要錢一邊研發(fā)，這導致整個望遠鏡的主鏡制造工作直到1981年底才全部完成，而光學組件直到1984年才完成。在1986年哈勃望遠鏡全部完工時，整體的預算是當時國會批準的五倍之多，整整十億美元。

預算的大幅增長和研發(fā)周期的延長，讓本就不受國會待見的哈勃項目在美國國內(nèi)備受質(zhì)疑，甚至連當初為其請愿的美國民眾都對這個項目失去了信心。在一片質(zhì)疑聲中，哈勃的各個部分于1985年組裝完成，NASA將發(fā)射時間定在了1986年10月?？墒?，就在距離原定發(fā)射時間的九個月的時候，上天給全世界的人們開了一個極其沉痛的玩笑。

1986年1月28日，美國挑戰(zhàn)者號航天飛機在升空73秒后發(fā)生解體爆炸，7名宇航員全部遇難。這場航天災難讓美國的航天事業(yè)受到了沉重的打擊，所有航天飛行計劃不得不強制取消。遙遙無期的哈勃項目又一次陷入了泥潭。

事后，美國航天事故委員會對挑戰(zhàn)者號事故進行了5個月細致的調(diào)查，而NASA也對航天飛機進行了400處以上的修改，終于經(jīng)過4年漫長的等待，1990年4月24日，搭載著哈勃望遠鏡的“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機成功升空，將哈勃望遠鏡送入了距地表600公里的軌道。

從立項到發(fā)射，歷史20多年，耗資25億美元，哈勃望遠鏡終于要開始行使它的使命，而全世界都在等待著它傳回的第一張照片。

價值20億的近視眼和史無前例的“眼科大夫”

1990年5月20日，哈勃望遠鏡向地面?zhèn)骰氐牡谝粡堈掌上褓|(zhì)量遠遠沒有達到設(shè)計要求。通過對哈勃望遠鏡進行不斷調(diào)焦，依然得不到清晰的圖像，說明光學系統(tǒng)存在嚴重的問題。奮斗了這么多年，人們驚訝地發(fā)現(xiàn)哈勃望遠鏡竟然是個近視眼。這意味著25億美元的投入，換來的只是一堆“破銅爛鐵”。

哈勃傳回的第一張照片（右）和智利拉斯坎帕納斯天文臺望遠鏡拍攝的同一片空域，圖片來自NASA官網(wǎng)

一夜之間，哈勃成為了全美的笑話。甚至在美國當?shù)氐纳钜瓜矂」?jié)目CARSON中有脫口秀演員說道：“我現(xiàn)在甚至希望蘇聯(lián)把它擊落，因為這樣它至少能探測蘇聯(lián)的太空武裝力量。”這句笑話在現(xiàn)在看起來荒謬至極，但當時確實收獲了節(jié)目觀眾的滿堂喝彩和笑聲。

當全世界都在盡情嘲笑它時，NASA卻一直沒有放棄它，NASA聯(lián)合多個航天中心和美國國會中支持哈勃的議員，一起通過了修復哈勃的航天計劃。

由于在研制過程中對于哈勃望遠鏡的質(zhì)量管理出現(xiàn)了失誤，從而錯失了地面解決問題的機會，這幾乎讓NASA完全失去了美國民眾的信任，此次維修任務的意義不僅關(guān)乎NASA自身，同時也關(guān)乎后續(xù)人類探索太空的財政撥款。若任務失敗，人類探索太空的進程說不定要再晚個二十年。

1993年12月，“奮進號”航天飛機升空，對哈勃望遠鏡進行了儀器和設(shè)備的更換。其中最重要的操作有兩個：1.更換新的廣域和行星相機，在相機內(nèi)部對球面像差進行校正；2.光軸補償校正光學組件取代了高速光度計，在外部對其他現(xiàn)有儀器的球面像差進行校正。這兩個操作為哈勃望遠鏡戴上了“眼鏡”，解決了“近視”問題。

在失重環(huán)境中對精密的設(shè)備進行維修是一件史無前例的挑戰(zhàn)，宇航員穿著笨重的艙外航天服本就是行動不便，加上哈勃望遠鏡上的儀器高度精密且脆弱，如果操作不慎就很有可能損壞儀器而導致幾億美元的投入又有可能打了水漂。

并且，哈勃望遠鏡圍繞地球公轉(zhuǎn)只需要90分鐘，也就是說每90分鐘就會經(jīng)歷一次白天和黑夜的交替，光照條件和溫度都會產(chǎn)生劇烈的變化，而沒有大氣層保護的宇航員只能靠著艙外服來扛過這樣艱難的環(huán)境變化。這樣的維修任務無論是對于宇航員還是哈勃，都是極其巨大的考驗，為了應對挑戰(zhàn)，擔任此次維修任務的宇航員還特地在約翰遜太空中心2萬立方米的水池中進行了1：1地仿真模擬訓練。

1994年1月13日，NASA召開記者會宣布此次維修任務已經(jīng)成功修正了哈勃望遠鏡上此前存在的成像問題，而后續(xù)傳回的圖像可以達到預期的清晰度。這次記者招待會看作是NASA自我救贖的發(fā)布會也不為過，這次任務的成功和哈勃的正常運行不僅讓NASA重獲新生，同時也樹立了一個歷史性的里程碑——哈勃望遠鏡即將把人類對宇宙的認知帶入嶄新的時代。

之后哈勃還經(jīng)歷了多次保養(yǎng)和維修，而每一次維修都讓哈勃擁有了新的能力，使其一直作為“地球之窗”，幫助人類探索宇宙的奧秘。

重新認識哈勃

經(jīng)歷了坎坷的前半生，哈勃終于可以帶領(lǐng)人們探索太空。

開頭我們說到，哈勃被成為“人類歷史上最成功的科學實驗”，或許有人對此抱有疑惑。但當你看到哈勃對于人類探索太空貢獻的數(shù)據(jù)和成果后，你就不會那么認為了。

自1990年升空以來，哈勃望遠鏡總共完成了超過150萬次科學觀測，幫助天文學家發(fā)表了超過15000篇科學論文，這些論文被其他領(lǐng)域的論文引用超過70萬次，其每年產(chǎn)生10TB數(shù)據(jù)，目前總存儲數(shù)據(jù)超過150TB，是史上最具有生產(chǎn)力的科學儀器。除了這些極具震撼力的數(shù)據(jù)，哈勃還發(fā)現(xiàn)了其他預期之外的內(nèi)容。

NASA的天體物理學家；哈勃望遠鏡首席科學家（1979-1998）埃德·韋勒曾在采訪時說到：“哈勃望遠鏡觀測到了一些我們當初預期之外的內(nèi)容。毫不夸張的說，它改變了我們對宇宙的觀點。”

1990年哈勃望遠鏡發(fā)射之前，天文學家們只在雙星系統(tǒng)中證實了黑洞的存在。當哈勃望遠鏡的成像光譜儀（STIS）在1997年投入運轉(zhuǎn)時，天文學家迅速將其對準了距離地球最近的超迷你星系——M87星云的核心。沒想到發(fā)現(xiàn)了星系中心潛藏著一種令人震驚的黑洞類型——超大質(zhì)量黑洞，它的質(zhì)量從一百萬個太陽質(zhì)量到幾十億個太陽不等。

并且，通過后續(xù)對宇宙其他星系的觀察發(fā)現(xiàn)，幾乎每個單體星云當中都存在這一個超大質(zhì)量黑洞。

在1998年，兩個研究小組通過哈勃望遠鏡發(fā)現(xiàn)：Ia型超新星，這種罕見的恒星爆炸能夠釋放出數(shù)量巨大的，持久的光。通過仔細測量來自這些活動的光的紅移現(xiàn)象（光波向著可見光譜中紅色的一端變化），科學家發(fā)現(xiàn)我們的宇宙正在膨脹，膨脹的速率則被定義為“哈勃常數(shù)”。

而根據(jù)“哈勃常數(shù)”進行倒推，科學家們斷言我們的宇宙已經(jīng)有136億年的歷史。這也是人類第一次測算出宇宙的歷史年紀，而哈勃望遠鏡也在其中扮演了很重要的角色。

1995年12月18日至28日，哈勃連續(xù)十天對大熊座的一小片天區(qū)進行了近100個小時的觀測，拍攝了342張照片，經(jīng)過合成后得到了著名的哈勃深場（HDF）照片。

哈勃深場的照片揭示了前所未有的遙遠星系的大量細節(jié)，創(chuàng)造了歷史。深場中的每一個亮斑都是一個星系，每個星系中又包含了到萬億顆恒星，其中能分辨出的星系就有3000多個，這些遙遠的星系比我們裸眼能看到最暗的天體還要暗淡40億倍。

從哥白尼提出日心說到埃德溫·鮑威爾·哈勃發(fā)現(xiàn)河外星系，經(jīng)歷了近四百年。人類從最開始以為銀河系即宇宙到現(xiàn)在可以觀測到上萬億個河外星系僅僅過去了不到一百年時間，哈勃望遠鏡的出現(xiàn)讓人類對于宇宙的觀察得到了前所未有的發(fā)展，而這些絢麗的成果也不禁讓我們思考自己在宇宙中的存在意義和價值。

哈勃的出現(xiàn)，讓世界各地的人感受到了宇宙的美妙；哈勃的出現(xiàn)，讓我們知道原來人類如此渺小；哈勃的出現(xiàn)，讓人類真正意義上的團結(jié)在了一起。

原設(shè)定為15年服役期的哈勃，已經(jīng)遠遠超過了它原定的服役年頭，自2009年之后，再也沒有人觸碰過它，可是它依然在為我們呈現(xiàn)地球之外的美麗世界。

最后，小探引用一句埃德溫·鮑威爾·哈勃的名言來結(jié)束本期《科技拾遺》并向服役30年的哈勃致敬。

“我們不知道我們?yōu)楹螘谶@世上，但我們可以追尋著世界的真相。”

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