哈勃太空望遠鏡：
今天是你升空30週年的日子，地球人祝你生日快樂！
撰文 | 蘇道
2009年拍攝的哈勃太空望遠鏡。| 來源：NASA
1990年4月24日，哈勃太空望遠鏡（Hubble Space Telescope）由“發現號”航天飛機搭載升空。30年來，哈勃太空望遠鏡深刻改變了我們對宇宙的認識，成為有史以來最成功的太空任務。它的觀測產出了成千上萬篇論文，對星系演化、恆星物理、系外行星、太陽系內天體等研究領域都貢獻巨大。如果去探究哈勃太空望遠鏡取得如此豐碩成果背後的原因，我們也許可以用“天時地利人和”來粗略地概括。
天 時
哈勃太空望遠鏡在發射之時就備受期待，但是投入運行不久，科學家就發現望遠鏡的主鏡存在嚴重的問題。圖像的清晰度很差，哈勃面臨“出師未捷身先死”的窘境。這一消息公佈後，美國的媒體、公眾、國會的質疑紛至沓來。美國國家航空航天局（NASA）經過一系列評估，最終決定再發射一次航天飛機，航天員通過太空行走對哈勃太空望遠鏡進行在軌維修，以解決主鏡的問題以及此後發現的一系列其他設備問題。
1993年12月，7名航天員搭乘“奮進號”航天飛機進入太空，其中4人用5次太空行走成功完成了維修任務。雖然美國的航天飛機項目命運多舛，“挑戰者號”和“哥倫比亞號”在1986年和2003年先後失事，但是
哈勃太空望遠鏡服役與航天飛機項目同時期進行，這對它順利完成一系列任務有很大的幫助。1993年的那次維修拯救了哈勃太空望遠鏡，而此後於1997年2月、1999年12月、2002年2月和2009年5月進行的4次維修任務也保證望遠鏡處於良好的狀態。在這幾次任務中，航天員不僅可以維修設備，還可以對一些老舊的設備進行更換，安裝最新開發的尖端設備。2011年之後，美國終止了航天飛機任務，因此也就無法再進行維護，但是最後一次成功的維護還是使望遠鏡又得以繼續高效工作超過10年。 從“亞特蘭蒂斯號”航天飛機的舷窗中看到的哈勃太空望遠鏡，此時航天飛機正在執行最後一次維護任務，照片攝於2009年。| 來源：NASA
我們可以設想一下，如果沒有航天飛機，哈勃太空望遠鏡的維護會困難重重，主鏡的災難性問題不僅可能讓15億美元的投資大打折扣（即使存在缺陷，哈勃太空望遠鏡在1993年之前還是獲得了重要的觀測成果），而且由此引發的質疑還會阻礙此後一系列項目的實施。
除了航天飛機的輔助作用外，其他一系列先進技術在哈勃太空望遠鏡上的應用也賦予它前所未有的觀測能力。因此，30年來大放光芒的哈勃太空望遠鏡既是時代的產物，也最終開啟了一個新的時代。
地 利
在哈勃太空望遠鏡這個項目之前，NASA實施過“軌道天文臺”（Orbiting Astronomical Observatory，OAO）計劃，已經有了運行太空探測器的經驗。但是，哈勃太空望遠鏡的項目規模和複雜程度遠非OAO可比。同時，美國天文學界認為，作為一家任務導向的機構，NASA可能會在未來將注意力從哈勃太空望遠鏡轉向新的計劃和任務上。他們希望能夠有一家獨立於NASA的機構來負責執行哈勃太空望遠鏡的科學任務，同時便於遊說美國國會以獲得後續的研究經費支持。
這家專門的機構就是太空望遠鏡科學中心（Space Telescope Science Institute，STScI），成立於1982年，位於美國馬里蘭州巴爾的摩，由美國天文學研究大學聯盟（Association of Universities for Research in Astronomy）負責運營。從1990年開始，這家機構就負責為哈勃太空望遠鏡篩選科學任務以及處理回傳的數據（望遠鏡的飛行控制仍由NASA的戈達德太空飛行中心來完成）。
太空望遠鏡科學中心的標誌。| 來源：STScI
除哈勃太空望遠鏡外，STScI還負責未來將要發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）和廣角紅外巡天望遠鏡（Wide Field Infrared Survey Telescope）等探測設備的日常管理工作。同時，STScI還建立了一個太空望遠鏡的數據庫（Barbara A. Mikulski Archive for Space Telescopes），目前其中包含超過20項天文學項目的數據，天文學家可以藉助數據庫中的海量數據進行研究。
在STScI前主任羅伯特·威廉姆斯（Robert Williams）看來，哈勃太空望遠鏡取得成功還有一個關鍵因素是STScI有較大的自主權。與NASA相比，STScI的主任被授權可以自主安排最多10%的觀測時間。這樣一來，哈勃太空望遠鏡可以安排一些長期的、有風險的觀測項目，而不是像其他望遠鏡一樣安排儘可能多並且有立竿見影效果的觀測項目。著名的哈勃深場（Hubble Deep Field）和證實宇宙加速膨脹的對Ia型超新星的觀測最初都是利用這類觀測機會完成的。
人 和
在任何科學研究中，人都是決定性因素，哈勃太空望遠鏡自然也不例外。哈勃太空望遠鏡的成功首先要歸功於幾代天文學家前赴後繼的努力，這裡僅舉幾個有代表性的例子。
1946年，美國天文學家萊曼·斯皮策（Lyman Spitzer，1914-1997）論證了在太空中放置光學望遠鏡進行天文觀測的優勢，為此後太空望遠鏡的發展奠定了理論基礎。1990年哈勃太空望遠鏡發射升空的時候，斯皮策本人在現場見證了這一時刻。NASA於2003年發射的斯皮策太空望遠鏡（Spitzer Space Telescope）正是以他的名字命名的。這臺望遠鏡在2020年1月30日退役，同樣取得了非常豐碩的研究成果。
Lyman Spitzer | 來源：Caltech
20世紀70年代，NASA把研製“大型太空望遠鏡”列入議事日程。此時，被譽為“哈勃望遠鏡之母”的南希·格蕾絲·羅曼（Nancy Grace Roman，1925-2018）領導瞭望遠鏡的論證和立項工作。為了爭取研究資金，南希不遺餘力地進行遊說。她曾經表示，每個美國人只要拿出一張電影票的錢，就能夠在很多年裡持續從哈勃太空望遠鏡獲得重要的科學發現。NASA前局長愛德華·維勒（Edward J. Weiler）認為，“很多使用哈勃太空望遠鏡來從事研究的年輕一代天文學家經常會忘記南希；但是，在沒有網絡、谷歌和電子郵件的時代裡，是南希推動了哈勃太空望遠鏡的項目，她組織起天文學家，並最終說服國會資助這個項目。”
Nancy Grace Roman｜來源：NASA
樂高產品中的Nancy和哈勃太空望遠鏡 | 圖片來源：樂高公司
今年4月5日去世、享年100歲的天文學家瑪格麗特·伯比奇（Margaret Burbidge）在天文學研究中的最後一項重要工作就是幫助開發了哈勃太空望遠鏡上的暗天體光譜儀（FOS）。依靠這臺設備，她領導的數據分析團隊在橢圓星系M87的中心附近發現了一個超大質量黑洞。（參看《活著的傳奇：黑洞照片的幕後英雄與拒絕領獎的抗爭者》）
斯皮策、南希和瑪格麗特只是哈勃太空望遠鏡成功背後付出辛勞的科學家的代表而已，30年來，多少科學家把整個青春都獻給了這個項目。
在科學界之外，公眾對哈勃太空望遠鏡的熱情和支持也是它成功的關鍵因素。望遠鏡的持續運行與更新需要來自美國國會的撥款，而公眾的態度對撥款會起到至關重要的作用。1993年，哈勃太空望遠鏡的“起死回生”在令公眾震驚之餘，也使他們對望遠鏡寄予了更大的期待。同時，與望遠鏡有關的出色的科學傳播和教育工作吸引了公眾特別是青少年的注意力。
30年來，哈勃太空望遠鏡拍攝的大量太空圖片給公眾帶來了巨大的震撼，讓天文學的外行也有機會領略宇宙的壯麗。不誇張地說，我們看到過的太空圖片中有很大一部分都是來自哈勃太空望遠鏡，這些圖片也成為哈勃太空望遠鏡最好的廣告。在慶祝哈勃太空望遠鏡升空30週年的日子，我們不妨再回顧一下其中的幾張經典照片。
“創生之柱”（Pillars of Creation）可能是哈勃太空望遠鏡拍攝過的所有照片中最著名的一張。這張攝於1995年的照片展示的是老鷹星雲（Eagle Nebula）內圓柱形的星際氣體和塵埃，其中包含著新生的恆星。|來源：NASA
“上帝之眼”（Eye of God）展示的是位於寶瓶座的一個行星狀星雲 | 來源：NASA
哈勃太空望遠鏡拍攝的蟹狀星雲（Crab Nebula）圖片展示了前所未有的細節 | 來源：NASA
哈勃太空望遠鏡拍攝的大紅斑（Great Red Spot）是木星的巨大風暴氣旋。憑藉強大的觀測能力，哈勃太空望遠鏡可以向科學家提供更多有關太陽系內行星的大氣和表面的細節。| 來源：NASA
哈勃太空望遠鏡的巨大成功為未來的太空望遠鏡項目積累了寶貴的經驗。目前，哈勃太空望遠鏡在軌工作正常，正在等待詹姆斯·韋伯太空望遠鏡升空後一道完成多波段的觀測任務。我們在為它慶祝30歲生日的時候，可以大膽期待，在未來10年甚至更長的時間裡，哈勃太空望遠鏡還將給我們帶來更多的驚喜，讓我們瞭解更多的宇宙奧秘。
如果你還想了解更多，可以看看紀錄片《哈勃三十年：揭示宇宙奇觀》，更深刻地感受宇宙的美。
參考資料
[1] http://www.raa-journal.org/docs/papers_accepted/4534.pdf
[2] http://www.stsci.edu/institute/
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Hubble_Space_Telescope
[4] https://www.space.com/15892-hubble-space-telescope.html
[5] https://www.nasa.gov/content/about-the-hubble-story
