哈勃观星35载 宇宙时光机洞察光年之外 | 联合早报

当我们仰望星空，看着那似乎亘古不变的繁星点点，是否想过，我们所见的仅是被地球大气层的“毛玻璃”模糊处理后的一角？幸运的是，人类的智慧与勇气，将一双无比清晰的“眼睛”送上了太空。2025年4月24日，是哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope，简称哈勃）升空并部署的第35个年头。它不仅彻底改变了我们对宇宙的认知，更用一幅幅令人叹为观止的图像，点燃无数人对浩瀚星辰的好奇与向往。

因微差变“太空近视眼”

自17世纪时，伽利略首次运用自制的望远镜观察天体，天文学家的主要观测工具都设在地球表面。虽然地面望远镜越造越大，技术也越来越先进，地球的大气层却会吸收和散射来自遥远天体的光线，加上大气的湍流会让星光闪烁不定。在追求精确的天文学家眼中，这问题简直是画质杀手，就像隔着一层晃动的水波去看水底的鹅卵石一般。

就此，早在1946年，美国天文学家莱曼·斯皮策（Lyman Spitzer）提出把望远镜送入太空，以彻底摆脱大气的干扰。经过数十年的酝酿、论证、争取经费和艰苦卓绝的工程技术攻关，这个梦想终于凝聚成了哈勃太空望远镜。它的名字，是为了纪念发现宇宙膨胀理论的天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）。

1990年4月24日，发现号航天飞机搭载着哈勃顺利升空，次日成功部署。全球天文学界翘首以盼，期待着它传回前所未有的清晰宇宙图像。然而，最初传回的照片却让人大跌眼镜。图像模糊不清，远未达到设计预期！经过诊断，问题出在直径2.4米的主镜上。由于在主镜边缘一个微乎其微的瑕疵（误差仅有人类发丝直径的1/50），被打磨成错误的曲面，导致严重的“球面像差”（Spherical Aberration）。哈勃成了一个耗资数十亿美元的“太空近视眼”。这在当时引起了轩然大波，甚至成为公众嘲讽的对象。

太空“眼科手术”

美国国家航空航天局（NASA）迅速组织了救援行动。既然望远镜本身无法取回修理，那就给它配一副“眼镜”！工程师们设计了一套名为“COSTAR”（Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement）的复杂光学矫正系统，它包含一系列小镜片，可以精确地补偿主镜的误差。

当修复后的哈勃传回第一批清晰图像时，整个科学界欢腾了起来。模糊的星系变得轮廓分明，黯淡的星云展现出前所未见的细节。哈勃终于“恢复视力”，而且观测能力甚至超越最初的设计指标。这次伟大的太空救援不仅拯救了哈勃项目，也成为人类航天史上的一个传奇。

哈勃科学原理浅析

哈勃望远镜于不同时间点所拍摄的M100旋涡星系。左图：1993年，尚未装上矫正系统；中图：1994年装上矫正系统，图片变得十分清晰；右图：2018年再次更新。（取自NASA网站）

哈勃的运作原理究竟是什么呢？首先，它是一台反射式望远镜。它的核心是一个巨大的曲面镜，直径达2.4米。你可以把它想象成一个巨大的“光线收集桶”。来自遥远星系的光线，哪怕穿越了数十亿光年，到达地球附近时已经非常微弱。哈勃的大镜子就像一个漏斗，尽可能多地收集这些珍贵的光子，然后将它们反射聚焦到副镜上，再传递给后端的科学仪器。镜面越大，收集的光线越多，就能看到越暗、越远的天体，如同瞳孔放大能在黑暗中看得更清楚。

著名的“哈勃深场”（Hubble Deep Field）图像，是哈勃长时间对准天空中看似空无一物的“小”区域进行曝光的结果。在那些看似针尖大小的天区里，它捕捉到数千个从未被观测到的遥远星系，它们形态各异，色彩斑斓，有些星系的光芒甚至来自130多亿年前，那是宇宙诞生后不久的“婴儿时期”。这些图像让我们间接地穿梭时光，直观地看到星系从早期不规则的形态，逐渐演化成今天的螺旋、椭圆等形状的过程。

其次，身处太空，哈勃能够接收全波段的光线。地球大气层会吸收大部分紫外线和红外线。紫外线通常来自非常炽热、年轻的恒星或剧烈的天文现象；红外线则能穿透宇宙尘埃，揭示隐藏在星云深处的恒星。哈勃配备了能够观测从紫外线、可见光到近红外波段的多种仪器，如同拥有超越人类视觉极限的“超能力”，能看到宇宙更加丰富多彩的一面。

35年来，哈勃以无与伦比的观测能力，极大地拓展人类对宇宙的认知边界，取得一系列里程碑式的发现。其中，哈勃通过观测遥远星系中的一种星体，精确测量了宇宙的年龄和膨胀速率，约为138亿年。此外，哈勃拍摄了大量绚丽多彩的照片，如鹰状星云的“创生之柱”（Pillars of Creation）、船底座星云等，这些都是恒星正在形成的“育婴房”。同时，它捕捉了恒星死亡时形成的遗迹（如蟹状星云）。

与韦伯望远镜相辅相成

经过了五次维修任务，哈勃的状态依然良好，远超其原先的15年寿命。随着更强大的詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）在2021年底成功发射并投入使用，或许有人会问：哈勃是不是该“退休”了？答案是否定的。哈勃和韦伯更像是合作伙伴，而非竞争对手。韦伯主要观测红外波段，擅长穿透尘埃，观测宇宙最早期的星系和恒星形成区，以及分析系外行星大气；哈勃则继续在紫外线和可见光波段发挥其独特优势。

35年来，哈勃太空望远镜不仅仅是一台科学仪器，它已经成为一个文化符号。它传回的图像，无数次登上报刊杂志封面，出现在纪录片和教科书中，激发全球数代人对科学和宇宙的兴趣。它让我们直观地感受到宇宙的浩瀚、美丽与神秘，提醒人类在宇宙中的渺小，也彰显人类探索未知的好奇心与智慧。

大如巴士重如两头象

哈勃望远镜发射时重约11.1吨，相当于两头成年大象那么重！它的长度约13.2米，直径最大处为4.2米，就如一辆大型公共巴士。此外，哈勃的指向精度极高，如果把一个激光笔对准320公里外的一枚一角硬币，哈勃就能精确地指向那个硬币！这种稳定性是它能长时间曝光拍摄超深场图像的关键。

NASA的哈勃网（imagine.gsfc.nasa.gov/hst_bday）有一个有趣功能，你可以输入你的生日，看看哈勃在当天拍摄了哪张精彩的宇宙照片。