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深空之眼哈勃望远镜
当伽利略·伽利莱在 1610 年第一次将望远镜转向天空时，他很难辨认出今天在廉价望远镜中可见的土星环。光学的进步最终改善了科学家对行星、恒星和遥远星系的看法。而在1990年发射的哈勃望远镜则解决了普通望远镜的局限，让人类对宇宙的认识更近了一步。
哈勃望远镜一直在源源不断地将美丽的宇宙图像传回地球，它取得了许多突破性发现，不断带给我们惊喜，让我们有幸能触碰亿万光年外的神秘。一起来了解哈勃望远镜的故事。
哈勃空间望远镜介绍
哈勃空间望远镜是世界上唯一的宇宙光学望远镜，1990年，美国利用“发现”号航天飞机将其送至地球轨道。该望远镜因宇宙膨胀思想的提出者美国天文学家哈勃的姓氏而得名。它主要搭载了广角行星照相机2(WFPC-2)、太空望远镜成像摄谱仪、近红外线照相机、暗天体照相机等测量仪器哈勃空间望远镜在证明木星和土星的极光黑洞的存在等方面做出了巨大的贡献。
哈勃的研制历程
哈勃空间望远镜的设计构思源于1946年天文学家莱曼·斯皮策所提出的论文。在第二次世界大战时，科学家利用发展火箭技术的同时，曾经小规模的尝试过太空望远镜项目，但没有成功。后来直到1968年，NASA终于确定了在太空中建造直径3米反射望远镜的计划在做完前期准备工作后，1980年初，望远镜项目被命名为哈勃。
经过了将近10年的设计制造后，在1990年4月24日，哈勃空间望远镜在美国肯尼迪航天中心由“发现者”号航天飞机成功发射。哈勃太空望远镜开始了它的使命，它的主要任务是: 探测宇宙深空，解开宇宙起源之谜，了解太阳系、银河系和其他星系的演变过程。
哈勃的命名
哈勃望远镜是以美国天文学家爱德温·哈勃的名字命名的。爱德温·哈勃首次通过观测发现了大多数星系都存在的红移现象，继而建立了之后著名的哈勃定律，其通常被认为是证明宇宙膨胀的最强有力的证据。
同时，他也是星系天文学的创始人和观测宇宙学的开拓者，后来被人们尊称为星系天文学之父。为了纪念他做出的重要贡献，美国国家航空航天局将这架空间望远镜命名为哈勃空间望远镜。
哈勃拍摄的照片
《创世之柱》是哈勃拍摄的最著名照片之一，它由32张照片拼接而成，展示了名为鹰星云(M16)的疏散星云，由气体和尘埃构成的柱状结构。其中最高的“柱”足足有4光年长。
哈勃拍摄的照片
螺旋星云是一个位于宝瓶座的行星状星云，是最接近地球的行星状星云之一。曾经被称为上帝之眼，在2003年的**魔戒三部曲风靡全球之后，又被称为索伦之眼。
哈勃拍摄的照片
草帽星系在2800万光年外的室女座，中间明亮的区域有一颗10亿倍太阳质量的超级黑洞，整个星系也因为结构扁平像一个巨大的草帽而得名。
哈勃太空望远镜能看到什么？
1986年，美国宇航局（NASA）的挑战者号航天飞机在升空时发生了爆炸，导致机上7名宇航员全部罹难，这次事故也让本该于同年升空的哈勃太空望远镜（HST）推迟发射了4年。到了1990年4月24日，哈勃太空望远镜搭乘发现号航天飞机发射升空，由此开启了前所未有的宇宙探索时代。
哈勃运行在一个近乎圆形的轨道上，它距离地表大约540公里，每95.4分钟绕行地球一周。在太空中，没有大气干扰，哈勃可以接收到宇宙中十分微弱的光，观测到极为遥远的宇宙。
拯救哈勃太空望远镜不过，哈勃的观测之路并非一帆风顺。由于一块镜片偏离原位置1.3毫米，导致哈勃成了?近视眼?，它所捕捉到的图像显得模糊，还不如地基天文望远镜的观测效果。
在1993年，NASA派遣了一组宇航员前往太空，去维修哈勃太空望远镜。宇航员给哈勃安装了一副?眼镜?，让哈勃能够?看清?宇宙中的天体。
经过维修，哈勃开始展现出它那无与伦比的观测能力。很快，哈勃传回了一系列令人震撼的宇宙照片，它让我们看到了极为深邃的宇宙，回溯到极为久远之前的时间。因为光速是有限的，哈勃看得越远，也就能看到越早之前的时间。
那么，哈勃的观测极限在哪里？哈勃能观测到多远的宇宙？能看到多久之前的时间？
哈勃的角分辨率关于哈勃的观测能力，先来了解一下视直径的概念。如果要描述太阳看起来有多大，可以借助视直径这个参数。以太阳为例，太阳盘面直径与边缘相交的两个端点和观测者所形成的夹角大小即为视直径。
根据衍射极限公式，一个光学系统的极限分辨角（?）与入射光的波长（?）、通光直径（D）有关：
以人眼为例，人眼的极限分辨角约为60角秒，如果一个物体的视直径小于这个值，人眼将无法分辨出这个物体的细节，该物体看起来是没有细节的点。
对于哈勃，其主镜口径为2.4米，它的观测波段为近红外、可见光以及紫外，它的极限分辨角约为0.05角秒。哈勃能辨认出1亿光年外星系中的单颗恒星，也能看到100多亿光年外的星系。
哈勃的观测极限不过，为了观测到早期宇宙中的星系，单靠强大的分辨能力还是不够的。这是因为遥远星系十分暗淡，它们发出的光抵达地球时，已经衰减到极其微弱的程度。为了观测到这些星系，只能延长曝光时间，尽量收集到足够多的光。
自2003年起，哈勃对准天炉座的一小片黑暗区域进行观测。这片区域的大小（视面积）仅为满月的1%，不到全天的3000万分之一。那里看起来一片黑暗，似乎空无一物。
然而，经过十来年的观测，累计接收了23天的光，哈勃拍摄到了下面这张著名的哈勃极深场（XDF）：
在这块看似黑暗的区域中，聚集着多达5500个星系，其中每个星系又包含数以亿计的恒星。这些星系极其暗淡，其亮度仅为人眼所见极限的100亿分之一。
哈勃极深场中的星系离地球十分遥远，它们位于132亿光年之外，这意味着它们发出的光用了132亿年才到达地球，我们看到的是132亿年前的星系。由于宇宙诞生至今的年龄估计为138亿年，所以这些星系存在于十分早期的宇宙中，那时距离宇宙大爆炸才过去6亿年。
而耗时250天的哈勃遗产场（HLF）更是把我们带向了更为深邃的宇宙：
这其中聚集着超过26万个星系，最远的星系距离地球达到了133亿光年，这意味着我们看到了133亿年前的星系。从星系的尺寸和距离来看，这已经是哈勃的观测极限。
在宇宙中传播的光子除了会因为距离遥远而出现能量衰减之外，还会因为空间的不断膨胀而出现宇宙学红移。早期宇宙中星系发出的光到达地球时，将会有很大的红移值，它们的波长被拉得很长。一旦光的波长足够长，哈勃就无法分辨出来。
突破哈勃的观测极限不过，宇宙中存在一种天然的放大镜效应?引力透镜效应，这可以让哈勃看得更远，超越观测极限。根据爱因斯坦的广义相对论，星系、星系团这种聚集着大量质量的区域会强烈扭曲周围空间，经过附近的背景星光会被迫沿着弯曲空间行进，这就如同穿过透镜一样。
借由引力透镜效应，可以放大和增亮背景光源，使得哈勃能够观测到远在134亿光年外的星系?GN-z11，这是人类迄今为止发现的最古老星系。
由于宇宙空间在过去134亿年来持续膨胀，如果GN-z11星系还存在的话，它现在已经退行到距离地球320亿光年的地方。根据哈勃常数，可以算出GN-z11目前正以2.29倍光速的速度远离我们而去，这意味着它现在发出的光永远也到不了地球。
超越哈勃的新一代太空望远镜哈勃的设计寿命只有15年，但30年过去了，哈勃还在太空中运行。经过第一次重大维修之后，后来还有四批宇航员前往太空对哈勃进行升级，这使得哈勃有能力继续探索未知的宇宙。但不管怎样，这架在轨运行30年的太空望远镜已经严重超期服役，它也快到与我们告别的时候了。
早在1996年，NASA就开始了下一代太空望远镜的研发，詹姆斯?韦伯太空望远镜（JWST）应运而生。作为哈勃的继任者，这架新的太空望远镜的口径达到6.5米，它可以观测到波长更长的光，从而看到哈勃所无法企及的遥远宇宙。理论上，韦伯可以观测到136亿年前的星系，这意味着我们将有望看到宇宙中形成的第一批星系。
按照计划，已经屡次推迟发射的詹姆斯?韦伯太空望远镜将于2021年3月30日发射升空。不同于哈勃的近地轨道，韦伯将运行在太阳-地球系统的第二拉格朗日点（L2）上，距离地球150万公里，相当于地月距离的4倍。在那里，韦伯可以躲在地球身后，始终背向太阳，从而能够更好地观测宇宙。
由于韦伯远离地球，未来不可能派遣宇航员前往太空进行维修，所以必须要确保发射万无一失。否则，这架耗资高达96.6亿美元（折合人民币683亿元）的太空望远镜将会造成巨大的损失，给人类未来的宇宙探索蒙上一层阴影。
哈勃已经超额完成了使命，这架载入史册的功勋太空望远镜终将会与人类告别。未来，韦伯会把我们带向更远的宇宙，但我们也不会忘记哈勃曾经的荣光。
哈勃望远镜简介
宇宙，一个神秘而又陌生的空间，千百年来，人类对宇宙一直充满着无限的遐想。随着科学的进步，我们开始认识到了宇宙的真正样貌。
自哈勃望远镜发射升空之后，拍摄了无数张美轮美奂的，让我们彻底改变了对宇宙的认知。今天我们就一起来回顾哈勃望远镜曾经拍摄的著名宇宙画面
蝴蝶星云，位于天蝎座，直径长达2光年，距离地球大约为3800光年，当恒星在走向死亡末期后，向外喷射气体云，并形成美丽的蝴蝶形状螺旋星云，也是恒星演化末期的产物，位于水瓶座，距离地球约650光年，直径为5光年，由于酷似人类的眼睛，又被称之为上帝之眼！
草帽星系，位于室女座，距离地球2930万光年，大约是8000亿亿个太阳质量，因为形状酷似墨西哥人戴的草帽，因而得名草帽星系
马头星云，形象似马的头部，位于猎户座，距离地球1500光年，高约1光年！在它底部的明亮处，正在孕育新的恒星！
风车星系，这是一个螺旋星系，位于大熊座方向，距离地球大约2100万光年，哈勃望远镜在经过长达51次的曝光后，合并组成！
猴头星云，编号为NGC2174，2014年哈勃望远镜拍摄的，位于猎户座的一个电离氢区，距离地球6400光年！是产生恒星的摇篮！
老鼠星系，距离地球2.9亿光年之遥，这是两个正在融合发生碰撞的螺旋星系，40亿年后，我们的银河系与仙女座星系也会发生类似的景象！
蟹状星云，超新星爆发的产物，位于金牛座，距离地球6500光年，关于蟹状星云，最早可追溯到我国宋朝，当时司天监杨惟德曾记载?己丑，客星出天关之东南可数寸，嘉祐元年三月乃没！
创生支柱，位于老鹰星云，距离地球6000光年，是哈勃望远镜拍摄最佳的照片之一，之所以叫创生支柱，是因为每个支柱中正在诞生新的恒星。
哈勃极深场，这是哈勃望远镜在超深场的基础上，对天炉座更小的区域进行拍摄的，在经过23天的曝光时间后，得到一组最远的星系，每个星系的平均距离约132亿光年，包含了最少10000个星系！
回望哈勃望远镜拍摄的著名宇宙还有很多，就不一一诉说了，但这不经让我们想到，地球是如此渺小，宇宙有多么浩瀚！
哈勃望远镜长13.3米，直径4.3米，重11.6吨，造价近30亿美元，于1990年4月25日由美国航天飞机送上高590千米的太空轨道（图1）。哈勃望远镜以时速2.8万千米沿寂静的太空轨道运行，默默地窥探着太空的秘密。图1哈勃太空望远镜
哈勃望远镜是有史以来最大、最精确的天文望远镜。它上面的广角行星相机可拍摄到几十到上百个恒星照片，其清晰度是地面天文望远镜的10倍以上，其观测能力等于从华盛顿看到1.6万千米外悉尼的一只萤火虫。
1999年4月，利用哈勃望远镜拍摄的深空图像，美国纽约州立大学斯托尼布鲁克分校的研究人员发现了宇宙边缘附近有一个距离地球130亿光年的古老星系，这是迄今为止人类所发现的最遥远的天体；利用全新的近红外仪器，透过茫茫的星际，人们发现了“皮斯托”星，这是至今发现的最大的一个天体。利用哈勃望远镜的宽视场和行星摄像机，科学家获取了第一张伽玛射线爆发的光学照片；哈勃望远镜上的超级摄谱仪又向人们揭示了超新星的化学成分。
哈勃望远镜所收集的图像和信息，经人造卫星和地面数据传输网络，最后到达美国的太空望远镜科学研究中心。利用这些极其珍贵的太空图像和宇宙资料，科学家们取得了一系列突破性的成就。沉寂多年的天文学领域，正发生着天翻地覆的变化。
哈勃望远镜预计2010年“退休”。21世纪的太空望远镜研制计划正紧锣密鼓地在全世界范围内展开。21世纪初叶，将有数台大型天文观测设备送入外层空间，这将是继哈勃望远镜取得的辉煌成就之后的，人类探测太空的又一次大手笔。
空间红外望远镜
将于2001年发射升空，其主镜口径84厘米，配备有灵敏度极高的红外探测元件。为彻底避开地球红外辐射的干扰，它将遨游于近百亿米之遥的深空轨道。当望远镜在外层空间、处于极低温的条件下进行观测时，红外波段的宇宙“面容”纤毫毕现，较之于地面观测将清晰百万倍。
新“哈勃望远镜”
美国正在积极筹划研制新一代太空望远镜，旨在接替目前还在轨道运行的哈勃望远镜。新一代望远镜主镜为口径达7.5米，其观察范围比“哈勃”大4～6倍，清晰度却不亚于“哈勃”。新一代望远镜计划2003年开始制造，重量预定3000千克，而“哈勃”重达10000千克。制造这么大而又这么轻的镜片，要求在材料上有巨大的突破和进展。
“哈勃”在对宇宙形成初期进行探测时留下了1亿年到10亿年之间空白，新一代望远镜将填补这段空白，研究宇宙的甚早期，观察诸星系形成时期的情况。“哈勃”专门用紫外线和可见光中的短波来观测宇宙，而新一代望远镜则用电磁光谱中波长较长的红外线部分来深入探索宇宙。因为宇宙在扩张的过程中诸星系远离地球向外运动，它们的光变成波长较长的红光，以红外线的形式传到地球上。
新一代望远镜不像“哈勃”那样绕地球轨道，而是将稳定地占据地球与太阳之间、月球以外约150万公里的一条轨道。
空间干涉望远镜
预计于2005年3月被送入预定轨道。它实际上由7架30厘米口径的镜面组成，进入轨道空间后将释放排列成长达9米的望远镜阵。运用光学干涉技术，其最终的空间分辨率可优于哈勃望远镜近千倍。建造空间干涉望远镜，要求极高的技术水平，它的应用将使天文学家分辨遥远恒星的能力迈上一个新的台阶。
地外行星搜寻者
“地外行星搜寻者”是美国宇航局空间计划的“点睛”之笔，计划于2012年发射升空。它汇集了人类太空望远镜技术的精华，将在寻找太空生命方面崭露头角。“地外行星搜寻者”的设计思路与空间干涉望远镜相似，但在规模与性能上有重大突破。空间干涉望远镜的可收卷镜阵延伸9米上下，而“地外行星搜寻者”的镜面阵列延展可达百米。利用它空前的分辨率，人们将足以探明，在太阳系邻近数十光年之内，是否存在与地球条件相似的行星，并进一步为解开地外生命的“悬念”获取宝贵的线索。
总之，21世纪的“天眼”，将具备前所未有的高灵敏度、高分辨率、大视场以及多天体观测能力。就整体而言，它们观测宇宙的效能将全面超越其“老大哥”----哈勃太空望远镜，从而全方位地开阔人类探测宇宙的视界。
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