哈勃遺產(chǎn)場，包含哈勃16年的觀測數(shù)據(jù)（NASA）
哈勃太空望遠鏡是天文史上最重要的儀器之一。自1990年發(fā)射升空之后，幫助天文學家們解決了許多天文學上的基本問題，其超深空視場是天文學家目前能獲得的最深入、也是最敏銳的太空光學影像。
近日，科學家們根據(jù)其歷史數(shù)據(jù)，公布了迄今最詳細的宇宙照片——“哈勃遺產(chǎn)場”。這一照片由7500張圖像拼接形成，記錄了哈勃太空望遠鏡16年的觀測資料。在這張照片中，可追溯到133億年前至今的26.5萬個星系。
哈勃是怎么做到這一切的呢？
100億美元經(jīng)費投資
我們知道，科學研究有時候是一個相當燒錢的事業(yè)。當然燒得錢越多，所取得的成果也可能越震撼。哈勃之所以能拍攝出最詳細的宇宙照片，這與它得到的經(jīng)費有很大關系。
1978年，美國國會撥款3600萬美元籌建哈勃天文望遠鏡——以天文學家哈勃的名字命名，他在幾十年前發(fā)現(xiàn)了宇宙在膨脹，這是宇宙學上最重要的發(fā)現(xiàn)之一。制造哈勃望遠鏡花了很多年，因為技術難度很大，所以項目一直延期，到1986年，已經(jīng)花費11.75億美元，等到1990年發(fā)射，預算已達47億美元。
在此之后，從1993年到2005年，“奮進”號、“發(fā)現(xiàn)”號、“哥倫比亞”號、“亞特蘭蒂斯”號航天飛機先后發(fā)射，宇航員對哈勃進行了5次大規(guī)模維修，不僅修正了鏡片缺陷，還做了大量核心器件的維護更新。到目前為止，加上分擔航天飛機的發(fā)射費用，花在哈勃天文望遠鏡的總費用已經(jīng)超過100億美元。這是一個天文數(shù)字。
哈勃太空望遠鏡（來自網(wǎng)絡）
當然，經(jīng)過多次維修，哈勃連續(xù)工作了29年，發(fā)回了很多精美的宇宙照片，而且?guī)椭茖W家研究了宇宙膨脹的細節(jié)，所以也算是“物有所值”。
但是，目前美國所有的航天飛機都已經(jīng)退役，已經(jīng)不可能再對哈勃天文望遠鏡進行維修。因此，飽經(jīng)滄桑的哈勃望遠鏡只能退休了。這次拍攝的宇宙圖片，被叫做“哈勃遺產(chǎn)場”。所謂“遺產(chǎn)”，就是說這可能是哈勃退役之前留下的最后的作品了。
值得欣慰的是，再過一段時間，美國更先進的詹姆斯·韋伯天文望遠鏡就要發(fā)射升空，去接哈勃的班。詹姆斯·韋伯是美國航空航天局的前任局長，曾經(jīng)主導過阿波羅登月等航天計劃，所以新的天文望遠鏡以他的名字命名。
2.4米口徑的巨大鏡頭
哈勃運行于大氣層之上的地球軌道，視野不受大氣層干擾，使得其角分辨率（物體能被清楚分辨的最小分離角度）的極限僅受限于衍射（直接和波長、鏡頭口徑相關）。
哈勃天文望遠鏡主要覆蓋的波長范圍在可見光附近，包括一定的近紅外與紫外光。它的基本觀測原理與我們日常用的照相機或者手機攝像頭是完全類似的。
對照相機來說，分辨率與鏡頭口徑有關系，鏡頭口徑越大，角分辨率越高（最小分辨角越?。?。同時，分辨率也與拍攝的光的波長成正比，波長越長，最小分辨角就越大（分辨率越低）。因為光的波長是我們無法改變的，所以設計天文望遠鏡的時候，一旦定好了主要的拍攝波長（波長主要由接收光的CCD的性能來決定），就是設計鏡頭的大小。
哈勃天文望遠鏡的口徑為2.4米，對于480納米附近的可見光，可以達到的角分辨率是很高的，這使得哈勃望遠鏡可以拍攝清楚遙遠的天體。
在波長和鏡頭口徑都設定好之后，就是制造鏡頭了。對于可見光波段的望遠鏡來說，最重要的是要有一個玻璃做的鏡頭。哈勃的玻璃鏡頭最初是在1979年，由美國的分析儀器公司珀金埃爾默(PE)制造的，最大通光口徑 2.4 米，表面需要拋光，加工誤差要控制在30納米內。這在幾十年前是一項非常杰出的工作，即便放到現(xiàn)在，這個機械加工精度也具有極高的水準。
因為尺寸巨大，這個鏡頭的制造是十分困難的。而且，太空中晝夜溫差很大，玻璃容易熱脹冷縮裂開，所以使用的是超低膨脹玻璃材料。另外，這個鏡頭是要發(fā)射到太空中去的，發(fā)射就要考慮載荷的重量。為了將重量降至最低，哈勃的鏡頭采用了蜂窩格子，只有表面和底面各一寸是厚實的玻璃。
從太空中看起來，哈勃望遠鏡是一個圓柱體，直徑是4.2米，長度是13.2米，這個尺寸接近半節(jié)高鐵車廂。龐大的尺寸，讓它得以拍攝到許多高精度的太空影像。
哈勃最著名的影像之一，在老鷹星云內誕生恒星的創(chuàng)生柱（NASA）
特別的“防抖”設計
哈勃的軌道距離地面高度是547千米，比國際空間站（400千米）還要高一些。在地球軌道上運行，其相對于地面的運動速度是很快的，而且在運動過程中會有抖動，這就好像汽車在高速公路上行駛，汽車也是會有晃動的。哈勃的飛行速度27300千米/小時，大約95分鐘就可以繞地球一圈。
當然對于遠方星體來說，因為與哈勃的距離為光年級別，所以哈勃的速度是可以忽略的，遠方星體基本可以被認為是靜止的（方位不變）。但是，哈勃自身的抖動與姿態(tài)控制則必須要處理好，否則拍出來的照片必然是虛的。
哈勃望遠鏡遺產(chǎn)場拍攝的照片都是在太空中長期穩(wěn)定地觀測同一個目標，用長焦鏡頭拍攝一段時間產(chǎn)生的。
雖然鏡頭相對于哈勃望遠鏡是固定的，但哈勃實際上是一個在軌道上漂浮的人造衛(wèi)星，會不斷翻滾。哈勃要想長期對準同一個目標拍攝，必須依靠高精度的星敏感器——其實就是一個拍星星用來定位的相機。星敏感器拍攝的照片可以與天文星空圖比對，這樣就可以算出哈勃在某個慣性參考系中的精確位置及姿態(tài)，然后再利用三臺高精度的姿態(tài)控制飛輪，就可以控制哈勃自身的姿態(tài)及光軸指向，這就相當于在拍照的時候安裝了三腳架，可以使哈勃一直指向同一天區(qū)進行拍攝。
對于目前哈勃遺產(chǎn)場的拍照視野，上海交通大學物理與天文系博士后研究員張佳駿告訴記者：“哈勃遺產(chǎn)場覆蓋的天區(qū)面積和滿月相當，占全天面積大約百萬分之六，估計觀測到的星系也就占了可觀測宇宙的百萬分之一左右?！惫z產(chǎn)場公布的照片，其實是7500張照片的拼接，而不是一次性拍出來的。
哈勃遺產(chǎn)場，其覆蓋的天區(qū)面積（對地心所張的立體角）和滿月相當，NASA
張佳駿說：“7500張照片取自不同時間不同項目，是用不同的濾光片拍到的不同角度的原始相片。拼接照片，簡而言之，就是要確定不同相片相互疊加的區(qū)域，將它們對準以后疊加起來。說起來容易做起來難，因為遙遠的星系非常暗淡，在一張原始的相片上可能根本無法看到的星系在多次疊加之后，可能也只是幾個像素大小的暗淡小點?！?/p>
哈勃拍攝的照片有什么用？
哈勃望遠鏡拍攝的照片，可以用來計算出描述宇宙膨脹速度的哈勃參數(shù)。張佳駿說：“相關的工作在之前已經(jīng)有很多，比如諾貝爾獎得主Adam Riess就領導過一個項目，利用哈勃望遠鏡觀測可以用作“標準燭光”的Ia型超新星。這些超新星對于我們了解宇宙是怎樣從減速膨脹變?yōu)榧铀倥蛎浻兄匾淖饔??！?/p>
因為宇宙的膨脹也受到暗物質的影響，暗物質的密度直接影響著宇宙膨脹的速率和宇宙早期星系的形成。所以我們可以利用哈勃天文望遠鏡拍攝的照片，更好地研究宇宙膨脹的歷史，進而推斷暗物質密度。也可以利用哈勃觀測到的星系數(shù)量，推測暗物質暈的質量函數(shù)，進而計算出暗物質的密度范圍。所以，哈勃望遠鏡對暗物質的研究也有重要的作用。
正因為哈勃可以看到宇宙的早期，所以美國航空航天局也稱哈勃為 “天文學的終極時間機器”。前面已經(jīng)說過，哈勃拍到的圖像中的一些星系可以追溯到大爆炸后的5億年（距今133億年）。所以，看哈勃拍攝的照片就好像在看一本宇宙歷史書一樣。
作者 | 張華 北京師范大學物理系碩士 科普作家
審稿 | 趙崢 北京師范大學物理系教授
編輯 | 高佩雯
