哈勃望遠鏡的功與名，需要在不同細分領域進行對比，而取得的這些成就需要建立在哈勃先進的成像機制上，今天我們就要說說哈勃的成像與光路設計機制，看看哈勃是如何捕捉到如此美麗的宇宙影像。
宇宙印象 深度科普欄目第1211期 今年是哈勃望遠鏡升空30週年，在天文界代表了一個里程碑式的時代，30年內我們通過哈勃望遠鏡重新認識了宇宙，依靠其近紅外、可見光和紫外觀測能力發現了宇宙多個奧秘，從行星級天體，到能裝下上億個太陽的黑洞，應有盡有。哈勃望遠鏡向我們展示最多的仍然是可見光圖像，在加上紅外、紫外的疊加，一幅幅精美的天體圖像在處理之後更容易讓我們所理解：原來宇宙是這般模樣！哈勃望遠鏡並不是人類第一臺太空望遠鏡，但其影響力絕對是最大。哈勃望遠鏡的基本參數為13.3米長，質量為12.2噸，軌道高度為611公里，主鏡面直徑為2.4米，在1990年發射升空之後，已經服役整整30年。
圖片解讀：在軌道上運行的哈勃望遠鏡
圖片解讀：航天飛機正在釋放哈勃望遠鏡，太陽能電池板還沒有打開
在過去30年，哈勃望遠鏡的成就幾乎是“不勝枚舉”，因為你無法給出有說服力的理由證明哪個才是哈勃最牛的發現，這是因為哈勃的觀測領域太大，涉及到多個學科，比如宇宙學、行星學、高能天體研究等。從宇宙學角度看，哈勃望遠鏡在1997年觀測了3顆1a型超新星，通過亮度計算確定了宇宙正在加速膨脹，並且膨脹速率與時間有關，奠定了宇宙學的基礎：宇宙正在加速膨脹。
圖片解讀：超深場圖像，能夠拍攝出如此美麗的景象，還得歸功於哈勃望遠鏡的內功。
2004年哈勃通過100萬秒曝光成像出1萬個星系構成的超深場圖像，此時宇宙只有8億年的歷史，這個成果對星系演化的研究有極為重要的幫助，展示了哈勃望遠鏡深厚的內功，此時的哈勃應該說處於最佳狀態。2005年，哈勃對柯伊伯帶天體XENA進行了成像構成，距離地球超過100億英里，在行星學上有重要貢獻。因此，哈勃望遠鏡的功與名，需要在不同細分領域進行對比，而取得的這些成就需要建立在哈勃先進的成像機制上，今天我們就要說說哈勃的內功：成像與光路設計機制，看看哈勃是如何捕捉到如此美麗的宇宙影像。
圖片解讀：這是牛反望遠鏡光路設計，目鏡位於光路系統的側面
圖片解讀：這是卡塞格林式設計，光路系統與目鏡平行
300年前技術成就哈勃望遠鏡
哈勃望遠鏡是一個卡塞格林反射望遠鏡，其技術原理在1672年就已經提出，已經有300多年的歷史。勞倫-卡塞格倫是個法國人，1629年出生在法國沙特爾地區，學歷不明，但是對光學有著非常深的造詣，也是一個高手在民間的角色。法國科學雜誌在1672年4月刊登了勞倫-卡塞格倫的文章，描述了一種新式反射式望遠鏡。一石激起千層浪，年僅30歲的牛頓就遭遇了強大的對手，1668年牛頓才剛剛完成第一臺反射式望遠鏡的製造，僅僅4年後就有人要撼動自己的地位。
從雙方的設計上看，牛反式和卡塞格林式都有兩個鏡面，初級鏡面都是凹透鏡，但次級鏡面有所不同，牛反是將光線反射到目鏡，目鏡的入射光路與凹透鏡平行，卡塞格林式的次級鏡面是個凸透鏡，目鏡的入射光線與凹透鏡垂直，將入射光線重新反射到初級鏡面方向，光路從初級鏡面中心穿過。兩種設計都很經典，哈勃採用卡塞格林式的原因是這種成像模式焦距長，底片比例尺大，有利於對遙遠天體進行成像。同時光路都在一條直線上，在初級鏡面之後可以放置大型儀器，因此我們看到的哈勃望遠鏡就是一個長筒形狀，如果哈勃採用牛反設計，那麼其大型儀器需要放置在光路系統的側面，這樣會導致哈勃望遠鏡的橫向體積增大，又短又胖，無法放置在航天飛機載荷艙內。由於雙反光路的優勢，哈勃採用了卡塞格林式構型，牛頓在反射構型也得甘拜下風。
圖片解讀：哈勃望遠鏡上的2.4米主鏡面
哈勃的光路
長筒型的哈勃望遠鏡長度為13.3米，直徑為4.2米，摺疊之後可放入航天飛機載荷艙。在哈勃望遠鏡前端有一個保護蓋，當不可避免要將主鏡面直接對準太陽時，保護管會關閉，避免鏡面被太陽光直射。當哈勃開啟觀測模式時，打開保護罩，遙遠宇宙的光線會進入光路中，光程大約有7米，先抵達主鏡面。主鏡面直徑為2.4米，放置在哈勃望遠鏡的重心附近，主鏡面形成兩道反射光，射向0.5米直徑的副鏡。副鏡是個凸透鏡，再次反射兩道光穿過主鏡面中心的通道，被後面的科學儀器捕捉到。
圖片解讀：哈勃望遠鏡的光路圖，入射光線經過兩次反射後進入WFC3廣域行星相機3，雙反光路的平行設計也是卡塞格林反射望遠鏡的特點，優勢是可以在目鏡方向上安裝大型儀器，否則哈勃望遠鏡是個又短又胖的形狀。
紫外通道
星光第一個進入的是WFC3廣域行星相機3，在第5次維修任務中安裝，這是哈勃的最主要的觀測設備，有兩個獨立光路通道，第一個是紫外通道，另一個是可見光及紅外通道。
圖片解讀：WFC3廣域行星相機3正在安裝，根據宇航員的塊頭，可以對估計一下這個儀器的大小
紫外通道是哈勃望遠鏡領先於陸基望遠鏡的一個設計，由於大氣層、臭氧層的干擾，中短波紫外（波長為100納米至320納米）是無法進入地面，能進入地面的是長波紫外，波長為320納米至400納米，這部分紫外正好會把你曬傷。穿過WFC3廣域行星相機3的光線進入了宇宙起源光譜儀，英文簡稱為COS儀，這是一種紫外光譜分析儀，工作波長為90至320納米。WFC3廣域行星相機3的紫外通道通過一對電荷耦合器件可記錄200納米至1000納米的圖像，對於200納米的光線成像由COS儀補充，這樣就覆蓋了紫外波段的觀測波長。
哈勃望遠鏡能夠對中短波長紫外進行觀測，此類天體為星際塵埃和氣體，在紫外區有較強輻射的F、G、K和M型恆星，可觀測其色球層，還有一些紫外輻射較強的特殊星系。可見光通道就不必多說了，處於肉眼可見的星光範圍。WFC3廣域行星相機3和COS儀共同作用下，哈勃望遠鏡能夠對宇宙星際、銀河系中的介質、氣體進行研究，觀測分子云如何形成恆星和行星系統等。
圖片解讀：宇宙起源光譜儀正在室內進行測試
紅外通道
紅外通道是哈勃望遠鏡上也一個不完美的地方，哈勃只能對波長低於1700納米的紅外光進行觀測，處於近紅外波段，而中紅外和遠紅外波段無法觀測。WFC3廣域行星相機3的觀測波長範圍基本達到了哈勃的所有觀測能力極限，該相機最大工作波長只有1700納米，只能覆蓋近紅外。換而言之，如果WFC3廣域行星相機3壞了，哈勃望遠鏡就廢了。
圖片解讀：宇航員正在安裝高級巡天相機，外面宇航員手上拿的是暗天體相機，把這儀器先拆出來，再安裝高級巡天相機
紅外波段觀測能力需要有冷卻劑才能進行，這也是WFC3廣域行星相機3能夠長壽的原因。該相機通過熱點冷卻器進行冷卻，因此不需要消耗冷卻劑。這一點與專用的紅外太空望遠鏡有很大區別，比如斯皮策太空望遠鏡採用液氦冷卻劑，確保紅外傳感器在零下260多度的環境中工作，這樣才能捕捉到溫度較低的塵埃雲和氣體，以及非常遙遠的天體紅外信號。從工作波長上看，斯皮策紅外太空望遠鏡工作波長可達到160微米（16萬納米），基本達到了紅外光波長的最遠端（1毫米），遠遠超過了哈勃望遠鏡的1700納米。不過，哈勃望遠鏡也有專用的紅外觀測設備，這就是近紅外照相機和多目標光譜儀，英文簡稱為NICMOS，工作波長為0.8至2.4微米。在哈勃的光路上，被WFC3廣域行星相機3收集之後的光譜信號，一部分紅外波長的光線會進入NICMOS儀器。
圖片解讀：這就是NICMOS儀器，擁有NICMOS儀器的哈勃望遠鏡，簡直是如虎添翼
圖片解讀：這張照片很能NICMOS的作用，這是已知距離最遙遠和最古老的星系之一，被命名為A1689-zD1，紅移7.6，距離地球為129.7億光年。一個小圖中是ACS高級巡天相機成像，看不清楚，中圖是NICMOS儀成像，可以看出有個天體，下圖是斯皮策紅外望遠鏡成像，終於發現了A1689-zD1星系。
該儀器在1997年的第二次維修任務中安裝到哈勃上，到了2008年脫機，主要原因是固態氮冰冷卻劑用完了，同時低溫循環裝置也出現問題，2010年後被NASA放棄。由於航天飛機已經退役，NICMOS儀器目前還裝在哈勃望遠鏡上，就是無法工作，變成了一個死重。哈勃的遠紅外觀測能力被大大限制之後，出片的精彩水平也大大下降，比較紅外光能夠發現那些肉眼看不到且非常昏暗、被塵埃雲擋住的天體，相當於給哈勃裝上了一個透視鏡。不難判定，擁有NICMOS儀器的哈勃望遠鏡，簡直是如虎添翼。
圖片解讀：圖中是1997年拍攝使用NICMOS儀器拍攝的手槍星，如果沒有紅外觀測能力，我們無法透過塵埃看到這顆4等藍超巨星。
穿過WFC3廣域行星相機3的光線還會進入高級巡天相機中，英文簡稱為ACS，該儀器安裝在哈勃望遠鏡後部的儀器艙內。所謂高級巡天相機，就是WFC3廣域行星相機3的高配，前者工作波長也可以覆蓋紫外到近紅外，因此高級巡天相機的存在是為哈勃望遠鏡添磚加瓦。成果比較顯著的高級巡天相機高分辨率通道目前已經停止運行，原因是電氣故障，剩餘兩個通道在用。哈勃望遠鏡最後一個大型儀器是太空望遠鏡成像光譜儀，英文簡稱為STIS，進入WFC3廣域行星相機3的光線最後一部分進入了STIS儀中，該儀器工作波段與WFC3廣域行星相機3基本相同，STIS儀有三個陣列探測器，第一個是200納米至1030納米的可見光譜與近紅外光譜通道，第二個是160納米至310納米的近紫外通道，第三個是115納米至170納米的遠紫外通道，2009年STIS儀進行了一次維修。
圖片解讀：2009年哈勃望遠鏡最後一次維護，注意圖中左側宇航員已經脫離機械臂，利用揹包氮氣噴射進行機動
圖片解讀：雙腿固定的宇航員，正在接近哈勃望遠鏡的設備艙。
綜上，哈勃望遠鏡在2009年最後一次維護中修復了ACS和STIS儀器，安裝了改進的鎳氫電池，安裝了WFC3和宇宙起源光譜儀，能夠滿足未來10多年的觀測需要。由於航天飛機已經退役，哈勃望遠鏡如果再出現問題，那就只能關閉故障儀器，直到無法觀測為止。從目前看，哈勃上的光路和4大儀器都保持較好的狀態，在可見光和紫外，近紅外波段上都沒有出現較大的故障，頭條獨家的宇宙印象認為，哈勃還能繼續工作10年以上，經過3次升級的廣域行星相機應該不會出現較大問題，ACS和STIS儀也都有較高的可靠性，在未來10年還能繼續為觀測服務。如果美國載人航天恢復，完全可以通過人貨分離的模式對哈勃進行維修，隨著發射成本的降低，哈勃的壽命有望更長，畢竟主鏡面和副鏡，以及整個光路都不存在故障自身故障風險，除非鏡面被隕石穿透砸破了，否則可能出問題的就是儀器。哈勃的儀器是模塊化安裝，可以拆卸和更換，因此哈勃的理論壽命是很長的。宇宙印象為今日頭條獨家，其他均為假冒，轉載均為非法。
