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哈勃30周年辉煌：曾经的“近视”英雄，终究还是步入迟暮之年
1990年4月24日的地球，无数天文学家在焦急地等待着。12：33：51，哈勃望远镜发射升空。这一次发射，载入了人类文明的史册。而哈勃望远镜，也正式成为了人类科技文明史上至高无上的瑰宝。
从伽利略时代的普通望远镜，成长到现在观测宇宙级别的“哈勃”望远镜，这绝不仅仅只是人类看到了更大的宇宙，更美的星空，更是 人类对探索世界真相的炽热之心 。
即使是不懂天文的人也难免在各大报刊中听说过哈勃之名，哈勃给大多数人最直观的印象，莫过于它所拍摄的绝美的图像：
这仅仅是哈勃所带给我们惊喜的冰山一角，在天文研究的众多领域中，哈勃把人类的知识极限推向了新的高峰，这是哈勃升空之前，人类远远不能到达的领域。
仅凭肉眼，人类也可探索宇宙。祖先教会我们观看星座，流星、彗星、日月食，可以说，天神唤文精神早已融入到我们生活的方方面面。只不过，天文学家为了更好的探索宇宙，望远镜也就应运而生。
最早的望远镜是1609年的意大利天才伽利略发明的，这是一种 “折返式”的望远镜 ，并竖拿不能说它不好，甚至直到现在，仍有许多天文爱好者用这种望远镜：一面在前端的物镜（凸透镜）负责集光和成象，而观测者通过目镜（凹透镜）来观察这个像。
相比之下，哈勃望远镜的原理显得复杂许多，但是作为一个太空望远镜，复杂也很正常。这方面涉及专业领域，一般人也确实很难搞清楚。
也正因如此高端的配置，在光学显微镜中，哈勃空间望远镜的地位自然是至高无上的。它处在 地面之上甚至上千千米的高度 ，与一般望远镜相比，又是一个质的不同。但是也正是基于这一优势，哈勃望远镜可以比它的同伴看得更远更清晰。
哈勃望远镜也因为天文学家埃德温·哈勃得名，他在20世纪初期使用威尔逊山天文台著名的2.5胡克望远镜对星系进行了开创性的详细研究。哈勃望远镜与胡克望远镜相似，但是哈勃望远镜配备了更为顶级的光收集器，使得对光收集效率大大升高。除此之外，哈勃还配备了超级灵敏的CCD以及最先进的电子设备。
也正是基于这些因素，哈勃望远镜才有了探索宇宙的底气。
哈勃置于太空中也是有原因的，正如前文所提到，这也是哈勃成为光学望远镜龙头角色的原因之一。
地球的大气层吸收并且释放光线，这就使得可见光光谱蓝端以外的紫外线，在臭氧的存在下只有很少量的能够到达地面。光谱红端以外也差不多情况。历经千辛万苦，跋山涉水来到地球的宇宙近红外线，不可避免地遇上了大气层。
大气层可是一个“只吃不吐”的角色，不仅仅是对于宇宙的非可见光“来多少收多少”， 富含水蒸气和氧分子的大气层正是近红外线的天生克星 。此外，大气中的 氧自由基会顺便制造出强烈的红外线辐射 ，整片天空都将被照亮，使得原本好不容易来到地球的近红外线雪上加霜，极难被地面望远镜所接收。
那么剩下的就只有可见光谱了，可是仅凭着可见光谱又怎能观宇宙之全貌呢？于是，哈勃望远镜发射在太空的做法就显得极为正确。事实也确实如此， 位于太空之中的哈勃，不受干扰地收集到了由紫外线到红外线的谱段，为我们展开了宇宙的宏图 。
左图是一游纤凯台配置与哈勃类似的地基望远镜所拍摄的棒旋星系NGC 1300影像。右图是由太空中的哈勃拍下同样位置的照片，显然位于太空让哈勃在图像清晰度方面占尽了优势。
哈勃的研究之路，并非是一帆风顺，除了几度资金缺乏造成的困扰，最让科学家们沮丧以及让纳税人不满的事情就在于世界顶尖的哈勃居然患有“ 近视眼 ”！
其实问题看起来很小，仅仅是镜片上的一个缺陷。这个缺陷小到了什么程度呢？据说，误差仅为 人类头发直径的五十分之一 。但是就是这个五十分之一的头发丝级别的缺陷使得哈勃无法拍摄到清晰的照片，与预期的目标更是相差甚远。
问题出在2.4米的主镜，其光学系统被错误装配，形成了“ 球面像差 ”的缺憾。但所幸的是球面像差并非无法弥补，哈勃的测试系统幸好在实验室有完整地保留，工程师还可以利用它来追溯当时犯的错误并加以校正，最终得到了精确的数据，为哈勃装上了一个“ 近视眼镜 ”。
哈勃提供的一项最直接的技能就是在太阳系 开启了人类看向宇宙的窗口 ，除了水星，因为离太阳太近而不能观测，太阳系的其他地方都处在哈勃的监视之中。比如说，哈勃对于1992年夏天的那颗休梅克·利维9号彗星就没有错过。这颗彗星冲进了木星大气，被木星巨大的吸引力撕碎，两年后循轨道回归并狠狠插进木行心脏地带。
现代人类将很多带有精密探测仪器的设备发射到太空当中，期望能获得更多关于宇宙的奥秘。只有一小部分探测器会选择绕着行星轨道公转，才能做到长期观测。大多数探测器都无法停留在轨道，只能飞掠过一个个美丽的星球，空留下一张张模糊的快照，证明着人类文明曾经触及到这里。
哈勃之所以强悍，就在于它并不需要进入一个个行星轨道，就可以做到长期监测。哈勃能定期监测太阳系中几乎所有的行星，并且为人类提供长期动态的观测数据，这一点是其他探测器很难达到的。
既然是人类探索外界的窗子，哈勃的探测范围自然远不止太阳系，其他星系也同样处于哈勃的视野中。尽管哈勃最初的功能可不是为了探测太阳系以外的地方，但是哈勃开发出的这个“副业”也的确是受到天文学家广泛欢迎的，倒算是个意外之喜。哈勃的这个功能已经在许多方面取得了开创性的进展，比如说对于气体尘埃圆盘“原形星盘”，哈勃俨然已经成为了不可或缺的研究工具。
原行星盘是在新形成的年轻恒星(如金牛座T)外围绕的浓密气体，因为气体会从盘的内侧落入恒星的表面，所以可
关于外星生命是否存在的问题，困扰了人类很多年，关于外星文明的传说也众说纷纭。曾经的盖茨堡惊现飞碟坠毁事件、英国威尔士粉红飞行器事件、1985年外星人绑架人类并进行人脑检测事件等等扑朔迷离，谁也说不清楚。倒是影视作品中常常根据这些说法为外星人原型，进行科幻创作。
1999年，地基望远镜通过一颗母恒星上微小的引力拉扯而发现了距离地球150光年的气体巨星HD 209458b。2001年，哈勃望远镜对这颗巨星进一步测量，发现了其中含有钠和碳等成分。于是，这颗行星成为了 人类发现的首颗具有大气层成分的太阳系外行星 。
大气层的发现给了科学家们很大的鼓舞，毕竟生命离不开呼吸，呼吸会影响大气层成分。当我们发现了一颗星球上有大气层的时候，就很大可能有着生命的痕迹。
许多科幻电影中都有着这样的画面，宇宙空间受到某种力量发生了扭曲。这犹如夏天我们走在路上，烈日炎炎，我们会看到远处视野中的事物会发生一定程度上的扭曲。还有著名的“海市蜃楼”现象，常常发生在沙漠中，让一个个沙漠旅人空欢喜一场。
其实宇宙中也有海市蜃楼，只不过不同于我们在地球上所看到的那些因为热空气所形成的，而是由 遥远的大量物质集结的星系团 所形成。
正如古人认为“天圆地方”之说是正确的，原因很简单，身在庐山不知处罢了。宇宙中的弯曲空间尽管我们肉眼无法直接观测到，但是其中的曲率却是我们可以真实观测到的。
爱因斯坦曾经意识到了这种现象，只不过当时无法证明。而哈勃望远镜，基于 天体的“透镜体”特性 ，观测到了在遥远宇宙深处暗淡天体的影像。原本那些正常的星系，在镜下被发现会出现 “多重影像” ，或者是 “香蕉样影像” 。
这里的星空巨兽指的是 黑洞和虫洞 。且不论虫洞是否存在的问题，仅仅是黑洞就令无数天文爱好者欲罢不能。当万有引力超越其他力量，就是黑洞形成之时。就目前我们所知道的黑洞，可以分为两类：
大质量恒星死亡的残骸附近会形成一般的黑洞；
星系中央形成的加强版黑洞，超级黑洞的特大质量黑洞。
借助着哈勃望远镜的高分辨率，我们现在可以直观地观测到巨大黑洞附近的物质受到引力影响，并且发现所有的星系中央都有黑洞。也就是说， 被人们一直冠以恶魔之名的黑洞，从另一个方面来说，竟是一切星系形成的起源。黑洞代表着死寂与毁灭的同时，也诞生了一个个星系，生命也因此有机会形成。
哈勃的高分辨率同样揭示了黑洞对于周遭环境的扭曲现象，黑洞之间的宿命必然是渐渐相近，最终融合。当黑洞融合的威力，人类可能借哈勃探测到时空结构的改变，也许虫洞并非凭空想象，或许当我们真正弄清楚这种改变，将会发现一条 穿越时空的捷径 。
宇宙到底有多大？有人说，宇宙的星星多如沙砾。事实比想象中更让人沮丧，即使把地球上所有的沙子算上，也不过仅仅和银河系恒星数量差不多。相比于星系数以十万光年计的大小，恒星实在是连沙子都算不上。在宇宙的漫长历史当中，众多行星、恒星、乃至星系都发生了碰撞，最终融合。
正是因为哈勃，让我们人类有了一点点可能去感受这场由引力所编排的美轮美奂的宇宙舞蹈。让我们能够在宇宙的一处小碰撞中，努力去触及宇宙大碰撞的宏伟。借助着哈勃的观测，人们通过电脑模拟，终于窥得了在宇宙崇高演化体制中一些现象。
人类探索太空以来最著名的“千里眼”哈勃空间望远镜，已经越来越接近退休的年限了。这个发射于1990年，本该2010年就“退休”的空间望远镜，已经走过了30年风雨历程，早已老迈得不堪重负。那么，哈勃之后，谁能接替它呢？
早在1996年，也就是哈勃才发射6年的时候，美国就已经开始筹划哈伯的继任者—— 詹姆斯·韦伯 。詹姆斯·韦伯是美国宇航局第二任局长的名字，在他担任局长期间，美国的航天事业走入了崭新的纪元，一系列成功的太空探索，最终以“阿波罗登月计划”达到了人类太空事业的高潮。
按照原定的工作计划，詹姆斯·韦伯理应在2014年接替哈勃望远镜，只不过处于预算不足以及技术更新，导致了詹姆斯·韦伯望远镜一拖再拖，只能拭目以待了。
韦伯相比于哈勃，可以从以下几点粗略地反映出韦伯的优势：
1.更大，更精密：韦伯口径高达6.5米，是哈勃的3倍；
2.发射质量轻：约6.2吨，相当于哈勃的一半；
3.工作波段范围更广：韦伯可以在红外波段工作；
4.耐低温：能在接近绝对零度，即零下273.15摄氏度工作；
5.反射式镜头的设计，史上最科幻的飞行莲花外形。
我们看到，哈勃从诞生以来多灾多难，毛病不断，正应了中国那句老话“新三年，旧三年，缝缝补补再三年。”相比于最新一代的韦伯望远镜，哈勃在各个方面也显得捉襟见肘。但是我们要记住的是：哈勃，永远是人类历史上的一大传奇！
哈勃望远镜是一个巨大的成功，是永远值得人类纪念与自豪的丰碑。哈勃望远镜用这30年的时间，带着全人类体验了一段跨越时空的旅程，通过这架非凡的望远镜，去欣赏精彩、神秘、美得令人窒息的宇宙。
哈勃望远镜的传奇一生（二）——治疗“近视”
欢迎来到“ 火星茶馆 ”，这是一次有关宇宙与航天内容的尝试，想提供有情怀、有深度的科普。
上期链接： 哈勃望远镜的传奇一生（一）
上期回顾：为了更美的星空，为了宇宙的奥秘，人类研究空间望远镜的可能性，并最终研制了第一个大型空间望远镜——哈勃望远镜。在哈勃望远镜的立项、研制和发射过程中，几次面临困境，都顽强地渡过。他艺术品般的外观下凝结着当时人类的尖端科技和智慧。当哈勃望远镜在万众期待中，终于翱翔太空，一次致命打击也即将来临。
1990年4月25日，当“发现号”航天飞机成功将哈勃望远镜放入太空，全世界都期待着他硕大的“眼睛”所看到的宇宙图像。5月20日，哈勃望远镜向地面传回了第一张照片，给所有人浇了一桶冷水，照片成像质量远远没有达到设计要求。通过对哈勃望远镜进行不断调焦，依然得不到清晰的图像，说明光学系统存在严重的问题。点光源的影像被扩散成超过直径1弧秒（1度的1/3600）的圆，而设计要求是集中在直径0.1 弧秒（1度的1/36000）之内。 奋斗了多年，人们惊讶地发现哈勃望远镜竟然是个近视眼。这意味着25亿美元的投入，制造出来的也许只是废物，这次的打击是致命的。
为了诊断问题的原因，美国国家航空航天局进行了全面深入的调查，确认主镜存在球面像差，也就是说主镜的形状被磨错了，镜面边缘弧度比设计的平了一些，与需要的位置差了约2.2微米，大概是头发丝直径的1/50。 这个误差虽然看起来微小，可对于哈勃望远镜这样高精度的设备来说是灾难性的。来自镜面边缘的反射光，不能聚集在与中央的反射光相同的焦点上，导致了图像的模糊不清。
在进一步的调查中，确定了错误是如何发生的。调查发现珀金埃尔默使用的零校正器在装配上发生了错误，它的向场透镜位置偏差了 1.3 毫米。零校正器是用来校正镜子磨制误差的，它的位置偏差直接就导致镜子磨制的偏差。而零校正器的位置偏差只是由于错误地在装配中增加垫片而导致的。你是否还记得， 上期 中说到“挑战者号”航天飞机失事的原因是一个O形橡胶环失效导致的。 航天是一个风险极大，要求极其细致可靠的领域，一个橡胶环、一枚垫片、一颗螺丝，甚至一根多余的头发都有可能决定最终的成败。
这一切本来还有两次挽救的机会。在抛光镜子的期间，珀金埃尔默公司使用另外二架零校正器，两者正确地都显示镜子有球面像差。而珀金埃尔默公司武断地认为这二架零校正器的精确度不如主要的设备，而忽略了测试的结果。在光学系统制作完成后，本该将光学系统组装起来测试整体成像精度，但由于成本、进度等多方面原因而没有进行测试。导致问升皮题带到了太空，造成了难以挽回的后果。 有句话叫：没有测量就没有管理，没有反馈就没有目标。及时并正确地测量，及时并正确地反馈，真正实现目标管理，无论在哪里都是确定成败的。
如果主角换成是其它的航天器，故事到此也就结束了，结局是这个悲剧给人们留下永远的遗憾。可咱们说的是传奇的哈勃望远镜， 故事远远还没结束，而是刚刚开始 。你是否还记得， 上期 中说到哈勃望远镜采用了航天飞机的方案，这个决策是极其英明的。在一开始的设计上，航天飞机就扮演着哈勃空间望远镜的定期维护者。为了保障15年的设计寿命，航天飞机大约每3年就要去太空对哈勃望远镜进行一次全面的修理。现在是该航天飞机再次登场了。
1993年12月，“奋进号”航天飞机升空，于10天之中对码笑毕哈勃望远镜进行了仪器和设备的更换。其中最重要的操作是用两个：1、更换新的广域和行星相机，在相机内部对球面像差进行校正；2、光轴迟芹补偿校正光学组件取代了高速光度计，在外部对其他现有仪器的球面像差进行校正。 这两个操作为哈勃望远镜戴上了“眼镜”，解决了“近视”问题。 另外，太阳帆板和驱动的电子设备、四个用于望远镜定位的陀螺仪、二个动量轮、二个磁力计和其他的电子组件也被更换。望远镜上携带的计算机也被更新升级。由于高层稀薄的大气仍有阻力，在三年内逐渐衰减的轨道也被提高了。
在维修过程中发生过一个小插曲，在顺利更换陀螺仪之后，最后关舱门时遇到了很大困难。当时情况很紧急，如果不能尽快关上舱门，哈勃望远镜的内部温度将会失控，导致仪器损坏。好在经过1个多小时的紧张努力，终于把门栓锁住，没有造成严重后果。
失重环境下穿着舱外航天服修理如此精密的科学仪器，挑战是史无前例的，对于宇航员的要求极高，不亚于做一台高难度的外科手术。 其一，宇航员穿着笨重的宇航服， 行动很不方便 ；其二，哈勃望远镜上的设备是精密昂贵且脆弱的， 稍有不慎就可能报废 ；其三，所有的操作都是在 失重状态下 ，让操作与用力手法和地面完全不同；其四，宇航员与真空环境之间只隔了宇航服，由于操作不慎导致宇航服破损，或者被微流星等击中，都 有可能丧命 ；其五，哈勃望远镜在600公里轨道高度，他所经历的“一天”时间为90分钟，也就是1.5小时会快速经历一次白天和黑夜， 光照条件及温度都变化剧烈 ，无论对于宇航员还是哈勃望远镜都是极大的考验 。 为了应对挑战，这些宇航员都在林顿·约翰逊太空中心的2万立方米的水池中进行模拟失重的太空作业，面对全尺寸的哈勃望远镜实物模型，使用近百种特别为此次任务所设计的工具，进行高强度密集训练。
1994年1月13日，美国国家航空航天局召开了记者招待会，宣布在首次维修任务中安装在哈勃望远镜上的新光学系统成功修正了主镜的球面像差问题，使哈勃望远镜的图像清晰度达到预期。这可以看做是美国国家航空航天局重获新生的一次宣言。由于在研制过程中，对哈勃望远镜主镜的质量管理未能尽到应尽的职责，错失了在地面发现问题并解决的机会，让美国国家航空航天局饱受非议。如果没能修理好哈勃望远镜，不但会让NASA难以自保，可能还会严重影响后续人类探索太空的预算拨款，后续的大型空间望远镜项目都将面临搁浅。 哈勃望远镜能正常工作的消息令人极其振奋， 这是一个历史性里程碑，如同伽利略开启现代观测天文学一般，哈勃望远镜即将把人类对宇宙的认识带入崭新时代。
从这之后，航天飞机定期发射太空，对哈勃望远镜进行维修。这些维修任务主要可以分成两类： 第一类维修任务是对于科学仪器进行升级替换 ，直接提升科学生产力； 第二类维修任务是对于哈勃望远镜平台维护系统的更换 ，主要是替换掉已经故障的设备，并升级一些新技术的设备，让哈勃望远镜能更好地支持科学研究。每次经过航天飞机维修，哈勃望远镜就如同经历了一次重生，脱胎换骨变得更强大。
1997年2月11日至21日， “发现号”航天飞机进行了第二次维护任务 。其中第一类维修任务是：以空间望远镜影像摄谱仪（STIS）和近红外线照相机及多目标分光仪（NICMOS）替换掉戈达德高解析摄谱仪（GHRS）和暗天体摄谱仪（FOS）。第二类维修任务是以一台新的固态记录器替换工程与科学纪录器，修护了绝热毯和再提升哈勃的轨道。
近红外线照相机及多目标分光仪需要探测红外光，对热控要求很高，包含由固态氮做成的吸热器以减少来自仪器的热噪声。这次出现了一个小意外，部分来自吸热器的热扩散进入光学挡板，这额外增加的热量导致仪器的寿命由原先期望的4.5年缩短为2年。
1999年11月13日，在第四个陀螺仪发生故障后， 哈勃望远镜进入一种被称为“安全模式”的休眠状态 。哈勃在船上有六个陀螺仪，但需要至少三个才能准确地指向和观测。在安全模式下，哈勃望远镜将停止进行新的科学观测，而是进入保障能源和通信安全的状态。
为了能够尽快修复哈勃望远镜，重启科学观测， 美国国家航空航天局紧急启动了第三次维修任务 。12月19日至27日，“发现号”航天飞机再次受命升空，取得圆满成功。在这次维护中更换了全部的六台陀螺仪，也更换了一个精细制导传感器和功能更强大的计算机，安装了一套组装好的电压/温度改善工具（VIK）以防止电池的过热，并且更换了绝热毯。新的计算机是能在低温和辐射条件下运作的英特尔486，可以执行一些过去必须在地面处理的与太空船有关的计算工作。
第四次维护任务由“哥伦比亚号”航天飞机在2002年3月1日至12日完成。任务中以先进巡天照相机（ACS）替换了暗天体照相机（FOC）。这个最新安装的先进巡天照相机具备广阔的视野、卓越的图像质量和精确的灵敏度， 具有10倍于它所取代的相机的科研能力 。为近红外线照相机及多目标分光仪（NICMOS）更换了新的冷却系统，虽然还不能达到原先设计时预期的低温，但已经冷到足以继续工作了。
在这次任务中再度更换了太阳能板。新的太阳能板是为铱卫星发展出来的，大小只有原来的三分之二， 除了可以有效的减少稀薄大气层带来的阻力，还能多供应30%的电力 。这多出来的动力使得哈勃空间望远镜上所有的仪器可以同时运作，其中影响最大的两架仪器，先进巡天照相机和近红外线照相机和多目标分光仪，在2003至2004年间共同完成了哈勃超深空视场，在一小片星域拍摄到了近10000个星系，震惊了全世界。
通过之前四次维修，哈勃望远镜就如同经历了四次脱胎换骨般的重生。每次维修都给哈勃望远镜带来了新的能力，使得哈勃能一直处于天文观测的最前线，满足全世界天文学家的科研需求。维修是哈勃望远镜能“永葆青春”、持续做出新发现的关键。
下期预告：第四次维修任务一年后，“哥伦比亚号”航天飞机失事，美国国家航空航天局宣布取消哈勃的第五次维修任务。哈勃望远镜的命运就这样结束，还是会有新的转机？敬请期待“ 火星茶馆 ”下一期。
刚发射就让科学家傻了眼 竟然是个近视眼
望远镜
望远镜是一种利用透镜观测遥远物体，1608年荷兰的一位配眼镜的商人发现将两块透镜放在一起可以看清远处的物体，利用这个原理他制造了人类 历史 上第一台望远镜。1609年意大利天文学家伽利略发明了40倍双镜望远镜。并且使用他自己发明的望远镜来观测土星，并且发现了土星一个卫星。
经过几百年的发展，望远镜的功能越来越多，观测的距离也越来越远，最远的地方能够观测星云以及遥远的天体。不过必须得在晴朗的夜空，因为地球的大气层中存在的厚厚的云层，即使是在晴朗的夜空，也会因为空气的散射而对观测的结果造成的影响，同时受到地球光线的影响，也会对观测造成偏差。所以天文学家设想将一台巨大的望远镜放入太空中，那不就可以解决了被云丛棚层遮挡以及光线污染的难题了吗？所以哈勃望远镜项目就是在这种背景下诞生了。
第一座太空望远镜
哈勃望远镜是人类第一座太空望远镜，总长超过13米，质量有11吨，在地球大气层外离地面600多公里的轨道，是用美国天文学家爱德温·哈勃的名字命名的。这一设想其实早在1946年就开物厅始了，但由于受限于当时的制造能力，直到20世纪70年代才真正开始设计。1986年1月挑战者号航天飞机发生空难，发射任务不得不推迟，1990年4月24日哈勃望远镜搭载发现者号航天飞机在肯尼迪航天中心升空，不过正当天文学家收到首批照片后让人大失所望，收到的照片非常的模糊，就像一个人近视眼一样。后来调查发现铂金埃尔默制造的镜片厚度有误，产生了严重的球差。
25亿美元的望远镜竟是一个近视眼
以往望远镜的镜片都是人工手工打磨，这样一台巨大的太空望远镜也不例外，为了保险起见，哈佛望远镜项目组使用了两个镜片供应商，而当时名声显赫的铂金埃尔默则使用非常复杂的电脑控制来做这种抛光，由于电脑软件的错误，使得在打磨镜片的时候，厚度产生了误差，而最终交付的时候，美国航空航天局理所罩郑隐当然的选择了当时名气大的铂金埃尔默的镜片作为主镜。直到发现天上的望远镜回传的照片模糊不清的时候，将镜片数据在与地面的备份镜片做对比，才发现电脑自动打磨出现了严重的误差，为了不让这台25亿美元的望远镜成为太空垃圾，不得不在1993年进行了一次大维修才恢复到了设计中的品质，终于可以让我们观察到太阳系、银河系以及其他的星系的高清照片。
退役
2021年6月19日，美国航空航天局发现哈勃望远镜的计算机停止工作，在尝试好多次修复无果的情况下宣布彻底放弃这台在太空中观察了30多年的望远镜，取而代之将是更为先进的詹姆斯韦伯太空望远镜。
哈勃太空望远镜的观测极限在哪里？
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）推迟发射族肆了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。由于州穗并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（Δφ）与入射光的波长（λ）、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132亿年才到达地球册迹，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。
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