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Andy Yang 于 11 months 之前发表
世界上的著名天文台很多，大望远镜也不少，但却没有一个望远镜能像哈伯一样家喻户晓。前两天
亚特兰提斯号航天飞机升空，准备进行哈伯太空望远镜第五次，也是最后一次的维修/升级任务，所以小姜打出两篇瘾科学来纪念这个重要的里程。上篇是哈勃简短的历史，下篇则是哈勃的观测与成就。
这次的维修任务预计将哈勃的服务年限延长到了 2013 年，但在那之后，我们还是要面临着哈勃望远镜该何去何从的问题。哈勃能不能有好个结局？没人知道，但在这之前，我们先来看看哈勃的故事吧！
哈勃的诞生在太空中放一架望远镜有许多的好处，包括增长的观测时间、不会被大气干扰，以及观测红外线、紫外线等容易被大气吸收的波段，因此放在太空的望远镜从很早以前就是科学家期待中的观测设备。早在 1960 年代，美国就已经发射了 OAO-2（Orbiting Astronomical Obervatory）任务进行紫外线频率的观察，证明了太空望远镜的可行性，因此 1968 年 NASA 就提出了一台大型（直径 3m）的反射式望远镜的概念，配合正在发展中的航天飞机，预计 1979 年就可以将望远镜发射升空。
然而，像所有这种以「发现未知」（即「没有目标」）为名的大型计划一般，这台暂时名命为 Large Space Telescope（LST）的太空望远镜很难过地发现自已最大的障碍不是技术，而是一种名为「钱」的东西。预算多次地删减，以及在参众两院间的折冲，使得 LST 的发射时间不仅一路延后到了 1983 年，而且规模还大大地缩小了 -- 从原本的 3m 主镜缩小成了 2.4m。
终于，哈勃可以开始建造了。然而，终究哈勃是个太过于有野心的计划，有些地方 NASA 高估了当时的技术能力，也低估了建造这样一样精密机械所需要的成本。这点特别反应在哈勃的主反射镜上 -- 哈勃的主反射镜采用的是有两片双曲面镜的卡塞格林反射镜，这样的设计拥有较广的视野，以及较好的成像质量，但是却非常难磨得准确，造价也高。这让 NASA 和主镜的承包商 Perkin-Elmer 之间发生许多的不愉快，哈勃的造价节节上升的同时，发射时间却不断地延后。
哈勃的备用镜片（已经磨好形状了，但要再包上一层铝才能成为真正的「镜片」）
等到一切准备就绪时，已经是 1986 年了。就在大家估计该年 10 月应该可以顺利发射时，却碰到了挑战者号爆炸的意外，这停摆了所有的航天飞机发射作业，哈勃望远镜也只好收到一间无尘室里，还要不时地启动运转一下避免零件老化，并经常性地喷氮气清理。据估计，哈勃维持这样状态的期间，每个月要花费 600 万美元，使得 1990 年四月 24 日由发现号航天飞机携带升空时，总造价由最早四亿美元的估计，暴膨到二十五亿美元。
近视的哈勃哈勃终于发生之后，兴奋地等待第一批照片进来的科学家很快地就发现了一个很严重的问题：哈勃有近视眼！当然因为望远镜的光学结构和人眼不同，所以其实讲近视眼是不对的，但效果差不多。总之，延误哈勃发射的罪魁祸首 -- 主反射镜 -- 被发现双曲面的弧度不对，使得边缘反射的光和中央反射的光有一点点的偏差，无法将点光源集中在一个点上，反而是反散成了一个模糊的光球。这下子可糗大了，本来就已经严重超支的的哈勃太空望远镜，现在变成了比地面望远镜还不如的鸡肋存在。
一整个糊
问题的原因，发生在 Perkin-Elmer 使用来测量镜面磨光是否正确的那个校正仪器略有偏差，因此主镜面从头到尾都是在有偏差的情况下磨成的。Perkin-Elmer 还有另外两个备用的校正仪器，两个备用仪器也都发现了这个错误，但 Perkin-Elmer 选择相信是备用仪器出了错，而不是主校正仪出了错。
就是因为主反射镜是非常精准地被磨成了错误的规格，因此提供了科学家一个补救的机会 -- 哈勃从设计伊始，就设计成了可以定期维修／养护来增加使用寿命，而科学家正好可以利用下次的维修，替哈勃装上抵消这个错误的额外镜片。从某些角度上来说，这就像为哈勃装上眼镜一样啊！
哈勃的四次维修第一次维修由奋进号在 1993 年 12 月进行，除了换掉几个小零件，和升级一下计算机外，最重要的就是为哈勃装上名为 COSTAR 的「眼镜」系统，而安装前后的差异是非常明显的。哈勃自此总算可以依照原设计的规格，进行太空观察。第二次的维修任务发生在 1997 年二月，在这次的任务中，替换掉了两个仪器，并将原本的磁带记录器（！）换成了固态的记忆装置。
修理前与修理后
第三次的维修任务在 1999 年 12 月，在任务中换掉了全部六个维持哈勃指向稳定的陀螺仪，还换上了颗 25MHz 的 486 CPU。第四次的维修则是发生在 2002 年三月，除了又换了一个观测仪器外（科技进步真快啊 @@），也为哈勃装上了新的，更有效率的太阳能板。
第四次维修后的哈勃。可以看到太阳能板变成短短的硬板子。
目前正在进行中的是哈勃的第五次维修任务，预备要再换两个观测设备，以及更换哈勃的科学仪器控制与数据处理单元，如此一来哈勃应该能继续运转到 2013 年。问题是，再接下来怎么办？随着地面望远镜科技的进步（d例如能自动补偿大气干扰的镜片系统），大型的太空望远镜似乎用处愈来愈少，再加上航天飞机退役之后，也无法再像现在这样三不五时地上去升级一下，最终保留哈勃的理由，就只剩下其历史意义了吧？
如果放着哈勃不管，几年后它就会因为长时间和大气的摩擦，最终坠毁在地球上。这是 NASA 最不愿看到的结果 -- 因为它有可能掉在任何地方，对生命财产造成威胁，因此 NASA 倾向于在哈勃除役后，控制其下降的轨道，使其落在某个大洋中。但基于哈勃在太空探测史上的重要地位，也有不少人正积极地试图将哈勃救下来，让哈勃在博物馆中陈列。只是先前说过了，航天飞机正面临除役，就算想要把哈勃从太空中救下来，也不知道要怎么做才好。目前唯一可行的折衷办法，是先将哈勃推到更高的轨道，暂时避免坠毁的危险，再静待下一代的太空往返载具发展。
只是将哈勃推到更高的轨道需要专门设计火箭，先不说经费谁出，光是时间或许就已经不足以推动这样的一方案。虽然很不愿意见到，但哈勃的宿命，或许是就坠落在某个大洋中了吧...
瘾科学：哈勃太空望远镜（下）由
Andy Yang 于 11 months 之前发表
下集从 1993 年哈勃终于修复完成开始说起，来谈哈勃太空望远镜的太空观测与重要贡献。
上集由此去哈勃处在相当低的轨道，离地仅 559 公里。之所以在这么低的轨道，是为了要方便航天飞机在未来进行维修工作（事实证明这是个正确的决定），而且目前为止已经进行过四次的维修任务，而第五次则是正在进行中。但是哈勃的低轨道，也意味着哈勃的观测作业会受到各式各样的限制 -- 在一边是地球，不仅被地球遮到的物体无法观测，地球反射的太阳光也会对哈勃造成类似「光害」的效果，因此地球周围一定范围内的太空观测效果也会打折扣。另一边是太阳，和地球一样，太阳周围也有一大块的范围是无法观测的。除了太阳和地球之外，月球偶尔也会出现来露个脸，但随着月相的变化，月球对哈勃观测的影响也是不定的。因此，哈勃只有在远离黄道面，朝向上方（大约是地球的北方）和下方（南方）两个方向才能持续地观测。其它方向就算没有太阳和月球捣乱，每一圈轨道（96~97 分钟）都会有一半的时间是被地球遮着的。
除了这些天文上的因素的限制外，哈勃本身的低轨道意味着哈勃会持续和大气磨擦。磨擦的力道很小，但却会让哈勃的轨道飘浮不定，六个礼拜（一个半月）的预估位置可以误差到 4000 公里以上。因此哈勃的观测都是几天前才预定的，太早设计好观测计划，反而可能时间到了会刚好被什么挡到。
哈勃还有一个很奇妙的额外限制，就是通过南大西洋上空时也无法观测。这是因为
范艾伦幅射带刚好在这里碰触到地球的上层大气，如果开启观测仪器的话，很容易不小心把仪器给烧了。
广域和行星相机 （Wide Field and Planetary Camera, WFPC）做为哈勃的主要摄影设备，小姜觉得 WFPC 值得特别介绍一下。第一代的 WFPC 随着哈勃一起升空，内建有两台相机，分别由二个 800x800 像素的 CCD 所组成。两台相机的差别在于每一个画素代表的天空范围有所不同：广域相机每一个画素代表的范围大，因此一张照片可以看到很大的一块范围，而行星相机则每一个画素代的范围小，可以在广域相机发现了什么之后，将该星域放大来看。WFPC 随着1993 年的第一次修理任务被 WFPC2 所替换。
WFPC2（广域和行星相机 2）身负重任 -- 它不仅是 WFPC1 的功能升级，更重要的，它还内建了补偿主镜面错误的光学镜片，可以说哈勃的未来都压在这台相机上。当然，从哈勃未来数年的多产与成功，和 WFPC2 的成功是分不开的。WFPC2 也和 WFPC 一样，由四个 800x800 画素的 CCD 所构成，但这次其中的三个是广域相机（排成 L 字形），第四个右上角的是行星相机。这样的排列，让哈勃可以同时拍下三张广域的照片，再加上一张「细部放大图」。将细部放大图缩小之后再和另外三张合并，就成了我们一般看到的「阶梯状」哈勃相片。WFPC2 在这次的维修任务中将被 WFPC3 所取代。
ACS 安装中
ACS（Advanced Camera for Surveys）严格来说不是 WFPC2 的替代品，因为从 2002 年安装至今，它都是和 WFPC2 并存的，但自从 ACS 安装后（一直到它 2007 年初挂掉前）它一直是哈勃上的主力观测设备。ACS 有三个独立的观测单元，广域信道有两个相接的 2048x4096px 的 CCD，可以产生 16.7mp 的影像；高分辨率信道是 1024x1024 的 CCD，但解析力远比广域通道高；日盲通道专司光子的计数，在 115-170nm 的紫外线范围运作。ACS 将在此次任务中修复。
WFPC3 使用的是当年从哈勃上带下来的 WFPC 的壳（真会废物利用啊 XD），使用两个 2048x4096px 的 CCD 在可见光／紫外线波段进行观测，再加上另外的一个红外线感光器，专司红外线波段。红外线感光器是 James Webb 太空望远镜（哈勃的「后继者」）将使用的设备的开路先锋。
哈勃的任务目标：测量哈勃常数
M100 星系中的造父变星，由 WFPC2 所摄
哈勃常数简单来说，就是离我们愈远的星体，远离我们的速度愈快。这种距离和速度的关系是个固定值，称为哈勃常数。从哈勃常数反推，看宇宙在何时是缩成一个点的，就可以大致上知道宇宙的年龄，因此找出哈勃常数的正确值无论对了解宇宙的过去还是未来，都至关重要。我们可以从星体的
红移（Redshift）来判断其远离我们的速率，问题是，要怎么才能知道被观测的星体距离我们多远？这就要靠一种名为
造父变星的特殊星体。
造父变星（Cephid variable）的亮度会随着时间而波动，亮暗间的周期愈短，表示星体的亮度愈高，而且周期相同的造父变星绝对亮度也会差不多。利用这种特性，只要在某个远方的星系中发现一个造父变星，接下来只要计算它的周期，就可以估算出它的绝对亮度。再比较它的绝对亮度和实际看到的亮度，就可以估算出变星的距离，连带的星系的距离也可以知道了。
哈勃将造父变星的亮度估算准确度大大地提高，连带地也将宇宙年龄的误差值从 50% 降到 10% 上下。
舒梅克-利瓦伊 9 号彗星不过，这么强悍的太空望远镜却只能拿来量星星的亮度也太浪费了，不是吗？所幸就在哈勃刚修好没久的 1994 年，一个千年一见的太空盛事正好发生在眼前 -- 舒梅克-利瓦伊 9 号彗星分裂成了 21 块碎片排成一排，依序撞上了木星。这个事件除了让我们更了解宇宙撞击事件外，也让我们更了解木星的大气构成（顺便提供了一系列以彗星／陨石撞地球为题材的灾难片）。当时伽利略探测宇宙飞船还有点远，地面上的望远镜受天气影响又不能长时间观察，只剩下哈勃可以以相对固定的间隔持续对木星进行拍照。
Hubble Deep Field 和 Hubble Ultra Deep Field
左为 Hubble Deep Field，右为 Hubble Ultra Deep Field
这两张是什么鬼，除了一堆星星之外，没什么特别的嘛！表面上是这样，但这两张照片可能比哈勃所以拍过的那些炫丽的照片更重要。这两张照片都是将小小的一块什么都没有的天空，持续多次曝光之后的成果。 Hubble Deep Field 在 1995 年底花了十天，一共由 342 张照片迭合而成；Hubble Ultra Deep Field 则是从 2003 年九月到 2004 年一月，组合由 ACS 拍下的照片而成。这些照片中很多红色的物体展现了大幅度的红移，表示它们远离我们的速度非常快，应该是很古早以前（宇宙刚形成八亿年内）的东西，而且还找到很多奇奇怪怪的物体，可能是今日的星系、星云的原始状态。在一片黑的天空中也能拍到这样的画面（而且两张看起来差不多）从侧面为
宇宙论原则提供了左证 -- 即宇宙在最大的尺度下是均一的，无论往哪个方向看，天空都应该是长得差不多的。
哈勃做为民众与天文学间的桥梁除了上面这些比较「科学性」的成就外，小姜认为哈勃最重要的成就，是做为将一般人和天文学间的桥梁。或许一般人没办法像拜访地面上的著名天文台一样去「参观」哈勃，但哈勃不断产生的惊人相片，却比较那些每天不知道都在做什么的天文台，更像是在为连结一般人和远方的宇宙而努力。下面是几张比较著名的哈勃照片：
M16 星云中央的氢气柱，内有这多新的星球在生成
V838 Monocerotis 是一个变星...不过这根本不重要，重要的是它
长得像 Firefox 的 Logo 啊 XD
北落师门星（Formalhaut），亦或是...索伦之眼？
有兴趣的人可以上上
Google Sky，里面有个哈勃照片专区。
结语哈勃即将开始其多产的一生的最后一章。随着新换上的 WFPC3 而来的，会是什么样的新发现？
过了这一次的维修之后，哈勃将不再进行维修。虽然目前哈勃的未来仍然未决，但看起来哈勃恐怕是晚景凄凉的。小姜的看法是，哈勃在某些方面就代表了天文学，无论地面上的望远镜多清晰，未来的太空望远镜多先进，都取代不了哈勃开路先锋的地位。在人类有能力离开太阳系，前往宇宙深处前，哈勃的镜头和摄影机是我们所拥有，最接近宇航宇宙飞船的东西。虽然小姜人微言轻，但真的很希望能把哈勃从太空中救回来，放到博物馆里给人参观，而不是化成一团火球，坠毁在太平洋某处。
往好处想，至少已经把 WFPC2 给救下来了 ^^"
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