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望遠(yuǎn)鏡是人類最偉大的發(fā)明之一，自伽利略時(shí)代以來，人們制造了數(shù)不清的望遠(yuǎn)鏡，但迄今為止還沒有一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡能像哈勃望遠(yuǎn)鏡一樣改變我們的思維，因?yàn)樗故镜牟恢皇沁b遠(yuǎn)宇宙美麗的照片，而是重新定義我們對于整個(gè)宇宙的認(rèn)知。

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

BBC的紀(jì)錄片《哈勃三十年：揭示宇宙奇觀》中講到：“所有與哈勃望遠(yuǎn)鏡合作過的人，都會(huì)產(chǎn)生一種非常感性且浪漫的情感聯(lián)系。它往往會(huì)讓人們對宇宙的認(rèn)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(xué)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(gè)被稱為“人類歷史上最成功的科學(xué)實(shí)驗(yàn)”曾經(jīng)差點(diǎn)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“常客”，常常被脫口秀演員進(jìn)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(gè)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(gè)普通的保險(xiǎn)從業(yè)員的家庭。

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

在牛津大學(xué)畢業(yè)后，哈勃回到了芝加哥大學(xué)，正式鉆研天文學(xué)。三年后，28歲的哈勃拿到了天文學(xué)博士學(xué)位，同一年，威爾遜天文臺(tái)的創(chuàng)始人喬治·海爾也邀請他前去工作。他欣然接受，因?yàn)橥栠d天文臺(tái)有著當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的反射望遠(yuǎn)鏡。

而這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡也正式開啟了哈勃成為”星系天文學(xué)之父“的道路。在哈勃的研究生涯中對天文學(xué)的貢獻(xiàn)不計(jì)其數(shù)，其中最重要的貢獻(xiàn)有兩個(gè)：其一是發(fā)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是一些銀河系內(nèi)的星云的物體實(shí)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(xué)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(rèn)識宇宙的演化做出了重要的貢獻(xiàn)。

美國曾為這位偉大的天文學(xué)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(jì)的空間望遠(yuǎn)鏡命名為“哈勃”，以紀(jì)念這位偉大的天文學(xué)家。雖然名叫“哈勃”，可是除了紀(jì)念意義之外，兩者之間并沒有什么實(shí)質(zhì)性的聯(lián)系。

我們都知道今年是哈勃望遠(yuǎn)鏡升空的30周年，這臺(tái)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(xué)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(yuǎn)鏡放入太空以消除地球大氣層遮蔽效應(yīng)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(gè)時(shí)候人類并沒有開啟人造衛(wèi)星時(shí)代，甚至連NASA都還沒有建立。

1962 年，美國國家科學(xué)院在一份報(bào)告中推薦將空間望遠(yuǎn)鏡作為未來太空計(jì)劃的一部分，隨后，1965 年，美國建立了一個(gè)旨在建造空間望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)委員會(huì)，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(yuǎn)鏡的計(jì)劃。

命運(yùn)多舛的哈勃望遠(yuǎn)鏡

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

幸好當(dāng)時(shí)美國的天文學(xué)家經(jīng)過多方游走宣傳，最終發(fā)起了全國性的請?jiān)敢郧蟊Ｗ∵@臺(tái)當(dāng)時(shí)還沒有被命名為哈勃的大型空間望遠(yuǎn)鏡。美國國家科學(xué)院出版的報(bào)告中也強(qiáng)調(diào)了空間望遠(yuǎn)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(dān)15%的研制經(jīng)費(fèi)，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(huì)終于在1977年通過了2億美元的預(yù)算。盡管這筆預(yù)算比原定的預(yù)算少了將近一半，好在人類歷史上首個(gè)大型空間望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目也算正式啟動(dòng)了。

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

由于預(yù)算被嚴(yán)重縮水，整個(gè)研發(fā)小組不得不一邊向國會(huì)伸手要錢一邊研發(fā)，這導(dǎo)致整個(gè)望遠(yuǎn)鏡的主鏡制造工作直到1981年底才全部完成，而光學(xué)組件直到1984年才完成。在1986年哈勃望遠(yuǎn)鏡全部完工時(shí)，整體的預(yù)算是當(dāng)時(shí)國會(huì)批準(zhǔn)的五倍之多，整整十億美元。

預(yù)算的大幅增長和研發(fā)周期的延長，讓本就不受國會(huì)待見的哈勃項(xiàng)目在美國國內(nèi)備受質(zhì)疑，甚至連當(dāng)初為其請?jiān)傅拿绹癖姸紝@個(gè)項(xiàng)目失去了信心。在一片質(zhì)疑聲中，哈勃的各個(gè)部分于1985年組裝完成，NASA將發(fā)射時(shí)間定在了1986年10月?？墒牵驮诰嚯x原定發(fā)射時(shí)間的九個(gè)月的時(shí)候，上天給全世界的人們開了一個(gè)極其沉痛的玩笑。

挑戰(zhàn)者號航天飛機(jī)解體瞬間，圖片來自網(wǎng)絡(luò)

1986年1月28日，美國挑戰(zhàn)者號航天飛機(jī)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(zāi)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(jì)劃不得不強(qiáng)制取消。遙遙無期的哈勃項(xiàng)目又一次陷入了泥潭。

事后，美國航天事故委員會(huì)對挑戰(zhàn)者號事故進(jìn)行了5個(gè)月細(xì)致的調(diào)查，而NASA也對航天飛機(jī)進(jìn)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(yuǎn)鏡的“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機(jī)成功升空，將哈勃望遠(yuǎn)鏡送入了距地表600公里的軌道。

哈勃望遠(yuǎn)鏡離開航天飛機(jī)瞬間，圖片來自NASA官網(wǎng)

從立項(xiàng)到發(fā)射，歷史20多年，耗資25億美元，哈勃望遠(yuǎn)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(jià)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(yuǎn)鏡向地面?zhèn)骰氐牡谝粡堈掌上褓|(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求。通過對哈勃望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行不斷調(diào)焦，依然得不到清晰的圖像，說明光學(xué)系統(tǒng)存在嚴(yán)重的問題。奮斗了這么多年，人們驚訝地發(fā)現(xiàn)哈勃望遠(yuǎn)鏡竟然是個(gè)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(tái)望遠(yuǎn)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(dāng)?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?yàn)檫@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(dāng)時(shí)確實(shí)收獲了節(jié)目觀眾的滿堂喝彩和笑聲。

當(dāng)全世界都在盡情嘲笑它時(shí)，NASA卻一直沒有放棄它，NASA聯(lián)合多個(gè)航天中心和美國國會(huì)中支持哈勃的議員，一起通過了修復(fù)哈勃的航天計(jì)劃。

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

1993年12月，“奮進(jìn)號”航天飛機(jī)升空，對哈勃望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了儀器和設(shè)備的更換。其中最重要的操作有兩個(gè)：1.更換新的廣域和行星相機(jī)，在相機(jī)內(nèi)部對球面像差進(jìn)行校正；2.光軸補(bǔ)償校正光學(xué)組件取代了高速光度計(jì)，在外部對其他現(xiàn)有儀器的球面像差進(jìn)行校正。這兩個(gè)操作為哈勃望遠(yuǎn)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(jìn)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(dòng)不便，加上哈勃望遠(yuǎn)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(dǎo)致幾億美元的投入又有可能打了水漂。

并且，哈勃望遠(yuǎn)鏡圍繞地球公轉(zhuǎn)只需要90分鐘，也就是說每90分鐘就會(huì)經(jīng)歷一次白天和黑夜的交替，光照條件和溫度都會(huì)產(chǎn)生劇烈的變化，而沒有大氣層保護(hù)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(wù)無論是對于宇航員還是哈勃，都是極其巨大的考驗(yàn)，為了應(yīng)對挑戰(zhàn)，擔(dān)任此次維修任務(wù)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(jìn)行了1：1地仿真模擬訓(xùn)練。

宇航員進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn)，圖片來自NASA官網(wǎng)

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

哈勃望遠(yuǎn)鏡修復(fù)前后圖像對比，圖片來自網(wǎng)絡(luò)

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(rèn)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(xué)實(shí)驗(yàn)”，或許有人對此抱有疑惑。但當(dāng)你看到哈勃對于人類探索太空貢獻(xiàn)的數(shù)據(jù)和成果后，你就不會(huì)那么認(rèn)為了。

自1990年升空以來，哈勃望遠(yuǎn)鏡總共完成了超過150萬次科學(xué)觀測，幫助天文學(xué)家發(fā)表了超過15000篇科學(xué)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(chǔ)數(shù)據(jù)超過150TB，是史上最具有生產(chǎn)力的科學(xué)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(yù)期之外的內(nèi)容。

NASA的天體物理學(xué)家；哈勃望遠(yuǎn)鏡首席科學(xué)家（1979-1998）埃德·韋勒曾在采訪時(shí)說到：“哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測到了一些我們當(dāng)初預(yù)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(diǎn)。”

1990年哈勃望遠(yuǎn)鏡發(fā)射之前，天文學(xué)家們只在雙星系統(tǒng)中證實(shí)了黑洞的存在。當(dāng)哈勃望遠(yuǎn)鏡的成像光譜儀（STIS）在1997年投入運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，天文學(xué)家迅速將其對準(zhǔn)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(gè)太陽質(zhì)量到幾十億個(gè)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(gè)單體星云當(dāng)中都存在這一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。

在1998年，兩個(gè)研究小組通過哈勃望遠(yuǎn)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(xì)測量來自這些活動(dòng)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(xué)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(jìn)行倒推，科學(xué)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(jì)，而哈勃望遠(yuǎn)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(jìn)行了近100個(gè)小時(shí)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(yuǎn)星系的大量細(xì)節(jié)，創(chuàng)造了歷史。深場中的每一個(gè)亮斑都是一個(gè)星系，每個(gè)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(gè)，這些遙遠(yuǎn)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(gè)河外星系僅僅過去了不到一百年時(shí)間，哈勃望遠(yuǎn)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(jià)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(tuán)結(jié)在了一起。

原設(shè)定為15年服役期的哈勃，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)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?huì)生在這世上，但我們可以追尋著世界的真相。”

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