哈勃太空望远镜今天30岁了，它为何如此成功？
哈勃太空望远镜：
今天是你升空30周年的日子，地球人祝你生日快乐！
撰文 | 苏道
2009年拍摄的哈勃太空望远镜。| 来源：NASA
1990年4月24日，哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope）由“发现号”航天飞机搭载升空。30年来，哈勃太空望远镜深刻改变了我们对宇宙的认识，成为有史以来最成功的太空任务。它的观测产出了成千上万篇论文，对星系演化、恒星物理、系外行星、太阳系内天体等研究领域都贡献巨大。如果去探究哈勃太空望远镜取得如此丰硕成果背后的原因，我们也许可以用“天时地利人和”来粗略地概括。
天 时
哈勃太空望远镜在发射之时就备受期待，但是投入运行不久，科学家就发现望远镜的主镜存在严重的问题。图像的清晰度很差，哈勃面临“出师未捷身先死”的窘境。这一消息公布后，美国的媒体、公众、国会的质疑纷至沓来。美国国家航空航天局（NASA）经过一系列评估，最终决定再发射一次航天飞机，航天员通过太空行走对哈勃太空望远镜进行在轨维修，以解决主镜的问题以及此后发现的一系列其他设备问题。
1993年12月，7名航天员搭乘“奋进号”航天飞机进入太空，其中4人用5次太空行走成功完成了维修任务。虽然美国的航天飞机项目命运多舛，“挑战者号”和“哥伦比亚号”在1986年和2003年先后失事，但是哈勃太空望远镜服役与航天飞机项目同时期进行，这对它顺利完成一系列任务有很大的帮助。1993年的那次维修拯救了哈勃太空望远镜，而此后于1997年2月、1999年12月、2002年2月和2009年5月进行的4次维修任务也保证望远镜处于良好的状态。在这几次任务中，航天员不仅可以维修设备，还可以对一些老旧的设备进行更换，安装最新开发的尖端设备。2011年之后，美国终止了航天飞机任务，因此也就无法再进行维护，但是最后一次成功的维护还是使望远镜又得以继续高效工作超过10年。
从“亚特兰蒂斯号”航天飞机的舷窗中看到的哈勃太空望远镜，此时航天飞机正在执行最后一次维护任务，照片摄于2009年。| 来源：NASA
我们可以设想一下，如果没有航天飞机，哈勃太空望远镜的维护会困难重重，主镜的灾难性问题不仅可能让15亿美元的投资大打折扣（即使存在缺陷，哈勃太空望远镜在1993年之前还是获得了重要的观测成果），而且由此引发的质疑还会阻碍此后一系列项目的实施。
除了航天飞机的辅助作用外，其他一系列先进技术在哈勃太空望远镜上的应用也赋予它前所未有的观测能力。因此，30年来大放光芒的哈勃太空望远镜既是时代的产物，也最终开启了一个新的时代。
地 利
在哈勃太空望远镜这个项目之前，NASA实施过“轨道天文台”（Orbiting Astronomical Observatory，OAO）计划，已经有了运行太空探测器的经验。但是，哈勃太空望远镜的项目规模和复杂程度远非OAO可比。同时，美国天文学界认为，作为一家任务导向的机构，NASA可能会在未来将注意力从哈勃太空望远镜转向新的计划和任务上。他们希望能够有一家独立于NASA的机构来负责执行哈勃太空望远镜的科学任务，同时便于游说美国国会以获得后续的研究经费支持。
这家专门的机构就是太空望远镜科学中心（Space Telescope Science Institute，STScI），成立于1982年，位于美国马里兰州巴尔的摩，由美国天文学研究大学联盟（Association of Universities for Research in Astronomy）负责运营。从1990年开始，这家机构就负责为哈勃太空望远镜筛选科学任务以及处理回传的数据（望远镜的飞行控制仍由NASA的戈达德太空飞行中心来完成）。
太空望远镜科学中心的标志。| 来源：STScI
除哈勃太空望远镜外，STScI还负责未来将要发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）和广角红外巡天望远镜（Wide Field Infrared Survey Telescope）等探测设备的日常管理工作。同时，STScI还建立了一个太空望远镜的数据库（Barbara A. Mikulski Archive for Space Telescopes），目前其中包含超过20项天文学项目的数据，天文学家可以借助数据库中的海量数据进行研究。
在STScI前主任罗伯特·威廉姆斯（Robert Williams）看来，哈勃太空望远镜取得成功还有一个关键因素是STScI有较大的自主权。与NASA相比，STScI的主任被授权可以自主安排最多10%的观测时间。这样一来，哈勃太空望远镜可以安排一些长期的、有风险的观测项目，而不是像其他望远镜一样安排尽可能多并且有立竿见影效果的观测项目。著名的哈勃深场（Hubble Deep Field）和证实宇宙加速膨胀的对Ia型超新星的观测最初都是利用这类观测机会完成的。
人 和
在任何科学研究中，人都是决定性因素，哈勃太空望远镜自然也不例外。哈勃太空望远镜的成功首先要归功于几代天文学家前赴后继的努力，这里仅举几个有代表性的例子。
1946年，美国天文学家莱曼·斯皮策（Lyman Spitzer，1914-1997）论证了在太空中放置光学望远镜进行天文观测的优势，为此后太空望远镜的发展奠定了理论基础。1990年哈勃太空望远镜发射升空的时候，斯皮策本人在现场见证了这一时刻。NASA于2003年发射的斯皮策太空望远镜（Spitzer Space Telescope）正是以他的名字命名的。这台望远镜在2020年1月30日退役，同样取得了非常丰硕的研究成果。
Lyman Spitzer | 来源：Caltech
20世纪70年代，NASA把研制“大型太空望远镜”列入议事日程。此时，被誉为“哈勃望远镜之母”的南希·格蕾丝·罗曼（Nancy Grace Roman，1925-2018）领导了望远镜的论证和立项工作。为了争取研究资金，南希不遗余力地进行游说。她曾经表示，每个美国人只要拿出一张电影票的钱，就能够在很多年里持续从哈勃太空望远镜获得重要的科学发现。NASA前局长爱德华·维勒（Edward J. Weiler）认为，“很多使用哈勃太空望远镜来从事研究的年轻一代天文学家经常会忘记南希；但是，在没有网络、谷歌和电子邮件的时代里，是南希推动了哈勃太空望远镜的项目，她组织起天文学家，并最终说服国会资助这个项目。”
Nancy Grace Roman｜来源：NASA
乐高产品中的Nancy和哈勃太空望远镜 | 图片来源：乐高公司
今年4月5日去世、享年100岁的天文学家玛格丽特·伯比奇（Margaret Burbidge）在天文学研究中的最后一项重要工作就是帮助开发了哈勃太空望远镜上的暗天体光谱仪（FOS）。依靠这台设备，她领导的数据分析团队在椭圆星系M87的中心附近发现了一个超大质量黑洞。（参看《活着的传奇：黑洞照片的幕后英雄与拒绝领奖的抗争者》）
斯皮策、南希和玛格丽特只是哈勃太空望远镜成功背后付出辛劳的科学家的代表而已，30年来，多少科学家把整个青春都献给了这个项目。
在科学界之外，公众对哈勃太空望远镜的热情和支持也是它成功的关键因素。望远镜的持续运行与更新需要来自美国国会的拨款，而公众的态度对拨款会起到至关重要的作用。1993年，哈勃太空望远镜的“起死回生”在令公众震惊之余，也使他们对望远镜寄予了更大的期待。同时，与望远镜有关的出色的科学传播和教育工作吸引了公众特别是青少年的注意力。30年来，哈勃太空望远镜拍摄的大量太空图片给公众带来了巨大的震撼，让天文学的外行也有机会领略宇宙的壮丽。不夸张地说，我们看到过的太空图片中有很大一部分都是来自哈勃太空望远镜，这些图片也成为哈勃太空望远镜最好的广告。在庆祝哈勃太空望远镜升空30周年的日子，我们不妨再回顾一下其中的几张经典照片。
“创生之柱”（Pillars of Creation）可能是哈勃太空望远镜拍摄过的所有照片中最著名的一张。这张摄于1995年的照片展示的是老鹰星云（Eagle Nebula）内圆柱形的星际气体和尘埃，其中包含着新生的恒星。|来源：NASA
“上帝之眼”（Eye of God）展示的是位于宝瓶座的一个行星状星云 | 来源：NASA
哈勃太空望远镜拍摄的蟹状星云（Crab Nebula）图片展示了前所未有的细节 | 来源：NASA
哈勃太空望远镜拍摄的大红斑（Great Red Spot）是木星的巨大风暴气旋。凭借强大的观测能力，哈勃太空望远镜可以向科学家提供更多有关太阳系内行星的大气和表面的细节。| 来源：NASA
哈勃太空望远镜的巨大成功为未来的太空望远镜项目积累了宝贵的经验。目前，哈勃太空望远镜在轨工作正常，正在等待詹姆斯·韦伯太空望远镜升空后一道完成多波段的观测任务。我们在为它庆祝30岁生日的时候，可以大胆期待，在未来10年甚至更长的时间里，哈勃太空望远镜还将给我们带来更多的惊喜，让我们了解更多的宇宙奥秘。
参考资料
[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
[5] https://www.nasa.gov/content/about-the-hubble-story
本文为严肃科普媒体《返朴》（微信号：fanpu2019）首发，《返朴》由国际一流科学家和科普专家担任总编及编委。任何媒体转载时须保留《返朴》名称及微信号和作者信息。未经许可，严禁对包括标题在内的任何改动。转载、授权、合作请联系[email protected]。