哈勃空间望远镜简介

哈勃空间望远镜是第一个被放置在地球大气层上方轨道上的望远镜，观测波长从紫外到近红外。哈勃于1990年4月24日在发现号航天飞机上发射，目前位于地球表面约340英里处，以每秒5英里（8公里）的速度移动，大约每95分钟完成一次轨道绕转。哈勃总体长度约为43.5英尺（13.3米），发射时重量约为24,000磅（10,800公斤），最宽处直径为4.3米[1]。

哈勃望远镜系统是卡塞格林系统，如图1所示。光线射入主望远镜镜子后被反射到一个较小的、悬挂在主镜焦点前的副镜上。副镜将光反射，通过主镜中心的小孔进入探测器（相机和光谱仪）之前进行最后的聚焦。光束在主镜和副镜间的来回折叠，在相对较小的空间内提供了较长的焦距。

图1Hubble卡塞格林系统 (Credits: NASA详见[1])

哈勃的镜子是双曲面的，这比标准的抛物面Cassegrain镜子有更深的曲线，可以在更大的视野上提供更清晰的图像。主镜直径为7.8英尺（2.4米），副镜只有12英寸（30.5厘米），能收集大量光子，哈勃主镜核心是蜂窝核心，这是为了减轻重量。两面镜子都涂有薄的铝和氟化镁层。铝层厚度仅为3/1,000,000英寸，保证了镜子的反射率。氟化镁涂层在铝层上方，作用是防止其氧化，同时提高紫外线的反射率。镜子和涂层都经过抛光使其非常光滑。哈勃望远镜可以探测到比肉眼所能看到的暗淡100亿倍的天体，它不受地球大气层的影响，比地面上视宁度最好台址的望远镜都能更清晰地看到宇宙。哈勃可以分辨出角直径仅为0.05角秒的天体，这个分辨率比更大的地面望远镜要好10倍左右。高分辨率使哈勃能够定位恒星周围的尘埃盘或极度遥远星系的发光核。此外，由于它在大气层上方，可以看到的波长范围比地面望远镜更大，不受大气窗口的限制，所以利用哈勃望远镜能更全面地看到和测量产生辐射的能量过程。

哈勃刚升空后，NASA发现其主镜存在球差。这是因为哈勃主镜没有磨到正确的曲率。虽然镜子的曲率偏离不到百万分之一米，但平行光束在光轴前后分散形成焦点，导致了弥散光斑，使得哈勃的图像略显模糊。为了修正球差，NASA与BallAerospace合作开发了太空望远镜光轴补偿矫正光学（Corrective Optical Space Telescope Axial Replacement, COSTAR）。COSTAR于1993年由宇航员安装，机器人手臂上有小镜子，可以校正进入哈勃光学仪器的光束。图2左边的图像显示了在理想条件下在地面上拍摄的恒星场。中间的图像是通过哈勃最初的相机拍摄，在中心恒星周围的光晕中可以看到球差影响。右侧图像十分清晰，是用大视场和WFPC2经球差矫正后拍摄得到的。

图2地面理想条件、Hubble有球差影响、Hubble矫正球差后拍摄的恒星场(Credits: NASA，详见[2])

哈勃望远镜由三个主要模块组成：光学望远镜组件（Optical Telescope Assembly, OTA）、支持系统（Support Systems Module, SSM）和科学仪器（Scientific Instruments, SI）。OTA和SI包含所有的光学元件，SSM提供必要的航天器功能，如电力管理、通信、数据管理、精确指向控制和组件之间的结构支持。

图3Hubble Optical Telescope Assembly (Credits: NASA详见[1])

哈勃通过以下三种类型的仪器来分析接收到的来自宇宙的光子：相机、光谱仪和干涉仪。

The Wide Field Channel (WFC)、the High Resolution Channel (HRC)有用于探测器的Charge Coupled Devices (CCDs)，WFC像素大小为4000*4000，由两个临近的2000*4000像素的设备并合而成。CCDs对光谱红端区域的灵敏度进行了优化，光谱范围从3500Angstrom到11000Angstrom，视场为202*202arcsec。在远紫外区域，the Solar-Blind Channel (SBC)使用Multi-Anode Microchannel Array (MAMA)，SBC为1000*1000像素，视场是31*35角秒，探测波长范围为1150-1700Angstrom。所有探测器的通道都使用安装在旋转滤波器轮上的可选滤波器，将所需的波长传输到对应的探测器上。

The Cosmic Origins Spectrograph (COS)宇宙起源光谱仪，用于研究宇宙大尺度结构，以及星系、恒星和行星是如何形成演化的，还可以帮助确定生命所必需的元素，例如铁和碳是如何形成的。作为光谱仪，COS不进行成像而是分光。COS有两个通道，远紫外通道覆盖的波长是90-215nm，近紫外通道是170-320nm。两个通道的光感应探测器都是围绕微通道板设计的，薄板由数千个微小的弯曲玻璃管组成，且朝同一方向对齐。进入探测器的光子会诱导这些管道壁上产生大量电子，这些电子在微通道板后面的电子电路中被加速、捕获和计数。COS最独特的特点之一是它能使效率最大化，光束在光学仪器内的每一次反射都会损失一部分光子，这在紫外波段尤为严重，而COS远紫外通道的设计使光的反射次数最小化，进入远紫外通道的光束在可选择的光散射光栅上反射一次后直接进入探测器。对于通量约为1*10^-14ergcm^-2s^-1Angstrom^-1的微弱天体，COS可以在1%-2%的观测时间内达到一定的信噪比，使得整体的数据质量得到显著的提升。COS的光谱分辨率（R = λ/Δλ）为20000，足以避免星系间吸收的影响，也可以合理的估计星系际介质的各项物理参数。

哈勃的科学成果[2]主要有：

1.发现宇宙是在加速膨胀的，且通过测量距离定出宇宙的年龄。在哈勃发射之前，哈勃常数的数值并不精确，对宇宙年龄的计算从100亿年到200亿年不等。科学家们通过比较我们星系中一个已知天体（如一颗恒星或一颗爆炸的恒星）与遥远的星系中类似天体的亮度来测量距离，通过从哈勃获得的更精确的星系距离测量值，并与从其他望远镜获得的最佳星系速度测量值结合起来，得到目前的宇宙的年龄为138亿年[3]。令天文学家们惊讶的是，哈勃的观测和地面观测站的观测表明宇宙不仅在膨胀，而且在加速，这一发现获得了2011年诺贝尔物理学奖。

2.哈勃可以看到早期宇宙，找到许多星系随时间演化及星系间并合事件的证据。哈勃在太空中看得越深，就在时间上看得越远。它发现的最早的星系比今天的大螺旋星系和椭圆星系更小、形状更不规则。这是星系随着时间的推移通过与其他星系的合并而长大为我们今天看到的巨大星系的证据[4]。

由于宇宙在过去比较小，星系更有可能在引力上相互影响。一些哈勃的宇宙 "快照 "显示了奇妙的恒星流被碰撞的星系引力拉出并抛向整个空间的图像。显然，随着时间的推移，它们会演变为离地球更近的、也就是离现在更近的人们所熟悉的星系。通过研究不同时间的星系，天文学家可以看到星系是如何随着时间的推移而变化和演变的。他们研究的内容包括星系中恒星和气体的相对数量、可识别的化学元素的类型和数量，以及恒星的形成与演变过程。

而且宇宙的演化还在继续。哈勃对我们邻近的仙女座星系（M31）的观测使天文学家们能够肯定地预测，我们的银河系和仙女座之间将不可避免地发生一次巨大的碰撞，这次合并很可能会导致在数十亿年后产生一个巨大的椭圆星系。

3.科学家通过哈勃找到许多太阳系外行星并通过光谱测量其大气组成。在1990年哈勃发射的时候，天文学家还没有发现太阳系以外的任何行星，而现在已经证实了4000多颗太阳系外行星的存在，虽然其中大部分是由NASA的开普勒太空望远镜和地面望远镜发现的，但哈勃在寻找行星的过程中也做出了一些独特的贡献。天文学家利用哈勃首次对太阳系外行星的大气成分进行了测量。观测发现，大气层中含有钠、氧、碳、氢、二氧化碳、甲烷和水蒸气[5]。虽然大多数行星对于我们所认知的生命来说都太热了，但是哈勃的观测结果证明组成和维持生命的基本有机成分可以在围绕其他恒星运行的行星上出现，这为人类寻找类似地球的宜居行星做出了巨大贡献。

4.暗物质是一种看不见的物质形式，它构成了宇宙的大部分质量，也创造了宇宙的基本结构。暗物质的引力使得正常物质（气体和尘埃）聚集并形成恒星和星系。虽然天文学家看不到暗物质，但可以通过哈勃观察包含暗物质的大质量星系团的引力是如何扭曲了位于星系团后面更遥远的星系的光来推测暗物质的影响，还可以用这种引力透镜的方法来推测宇宙中暗物质的分布情况[6]。

5.哈勃证明了绝大多数星系中心都存在黑洞。黑洞的质量相当于数百万甚至数十亿颗恒星的质量。黑洞的质量取决于其宿主星系中央核部分的质量，星系越大，黑洞就越大。这种密切的关系可能证明了黑洞是通过吞噬星系的一部分物质与星系一起长大的[7]。哈勃还为天文学家提供了有史以来第一次看到环绕黑洞的大而平的吸积盘。

哈勃和传统的地面望远镜相比有很多优势，作为空间望远镜，它不受地球大气的影响，由于太空温度较低，对红外波段的观测也不会存在地球上的不良影响。哈勃在轨运行三十多年，有着大量的数据和对宇宙的新发现，从探索暗物质到通过哈勃常数确定宇宙的年龄，哈勃解决了一些这个时代最引人注目的天文问题，改变了人类对宇宙的认知水平。但正是因为哈勃在太空中运行，所以对其的维护工作比维护地面望远镜困难得多，哈勃自发射升空后一共进行过四次维护，每次都需要宇航员出舱作业，花费成本巨大。

如果对哈勃空间望远镜进行改进，首先可以利用如今更先进的望远镜主镜制造技术，将哈勃主镜做的更大，使它能收集到来自宇宙更深处的光子。其次，哈勃的光路是卡塞格林系统，可以改为三镜式的光路系统，加入一面消像散凹面非球面镜，从而在更大的视场内实现更好的光学性能。

Reference：

[1]https://www.nasa.gov/mission_pages/hubble/main/index.html

[2]https://www.nasa.gov/feature/hubble-an-overview-of-the-space-telescope

[3] Riess, Adam G., et al. "Observational evidence from supernovae for an accelerating universe and a cosmological constant." The astronomical journal 116.3 (1998): 1009. [4] Bhatawdekar, Rachana, et al. "Evolution of the galaxy stellar mass functions and UV luminosity functions at z= 6− 9 in the Hubble Frontier Fields." Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 486.3 (2019): 3805-3830.

[5] Sing, David K., et al. "HST hot-Jupiter transmission spectral survey: evidence for aerosols and lack of TiO in the atmosphere of WASP-12b." Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 436.4 (2013): 2956-2973.

[6] Flynn, Chris, Andrew Gould, and John N. Bahcall. "Hubble deep field constraint on baryonic dark matter." The Astrophysical Journal 466.2 (1996): L55.

[7] Gerssen, Joris, et al. "Hubble Space Telescope evidence for an intermediate-mass black hole in the globular cluster M15. II. Kinematic analysis and dynamical modeling." The Astronomical Journal 124.6 (2002): 3270.

作者简介：左媛媛 华中科技大学天文系研究生一年级

编校：张华年

文章编号：华中大天文230328A