資料來源 : http://chinese.engadget.com/2009/05/15/on-the-hubble-telescope-1/
http://chinese.engadget.com/2009/05/18/on-the-hubble-telescope-2/
世界上的著名天文台很多，大望遠鏡也不少，但卻沒有一個望遠鏡能像哈伯一樣家喻戶曉。前兩天亞特蘭提斯號太空梭升空，準備進行哈伯太空望遠鏡第五次，也是最後一次的維修/升級任務，所以小薑打出兩篇癮科學來紀念這個重要的里程。上篇是哈伯簡短的歷史，下篇則是哈伯的觀測與成就。
這次的維修任務預計將哈伯的服務年限延長到了 2013 年，但在那之後，我們還是要面臨著哈伯望遠鏡該何去何從的問題。哈伯能不能有好個結局？沒人知道，但在這之前，我們先來看看哈伯的故事吧！
p.s. 下集由此去
哈伯的誕生
在太空中放一架望遠鏡有許多的好處，包括增長的觀測時間、不會被大氣干擾，以及觀測紅外線、紫外線等容易被大氣吸收的波段，因此放在太空的望遠鏡從很早以前就是科學家期待中的觀測設備。早在 1960 年代，美國就已經發射了 OAO-2（Orbiting Astronomical Obervatory）任務進行紫外線頻率的觀察，證明了太空望遠鏡的可行性，因此 1968 年 NASA 就提出了一台大型（直徑 3m）的反射式望遠鏡的概念，配合正在發展中的太空梭，預計 1979 年就可以將望遠鏡發射升空。
然而，像所有這種以「發現未知」（即「沒有目標」）為名的大型計畫一般，這台暫時名命為 Large Space Telescope（LST）的太空望遠鏡很難過地發現自已最大的障礙不是技術，而是一種名為「錢」的東西。預算多次地刪減，以及在參眾兩院間的折衝，使得 LST 的發射時間不僅一路延後到了 1983 年，而且規模還大大地縮小了 -- 從原本的 3m 主鏡縮小成了 2.4m。
終於，哈伯可以開始建造了。然而，終究哈伯是個太過於有野心的計畫，有些地方 NASA 高估了當時的技術能力，也低估了建造這樣一樣精密機械所需要的成本。這點特別反應在哈伯的主反射鏡上 -- 哈伯的主反射鏡採用的是有兩片雙曲面鏡的卡塞格林反射鏡，這樣的設計擁有較廣的視野，以及較好的成像品質，但是卻非常難磨得準確，造價也高。這讓 NASA 和主鏡的承包商 Perkin-Elmer 之間發生許多的不愉快，哈伯的造價節節上升的同時，發射時間卻不斷地延後。
等到一切準備就緒時，已經是 1986 年了。就在大家估計該年 10 月應該可以順利發射時，卻碰到了挑戰者號爆炸的意外，這停擺了所有的太空梭發射作業，哈伯望遠鏡也只好收到一間無塵室裡，還要不時地啟動運轉一下避免零件老化，並經常性地噴氮氣清理。據估計，哈伯維持這樣狀態的期間，每個月要花費 600 萬美元，使得 1990 年四月 24 日由發現號太空梭攜帶升空時，總造價由最早四億美元的估計，暴膨到二十五億美元。
近視的哈伯
哈伯終於發生之後，興奮地等待第一批照片進來的科學家很快地就發現了一個很嚴重的問題：哈伯有近視眼！當然因為望遠鏡的光學結構和人眼不同，所以其實講近視眼是不對的，但效果差不多。總之，延誤哈伯發射的罪魁禍首 -- 主反射鏡 -- 被發現雙曲面的弧度不對，使得邊緣反射的光和中央反射的光有一點點的偏差，無法將點光源集中在一個點上，反而是反散成了一個模糊的光球。這下子可糗大了，本來就已經嚴重超支的的哈伯太空望遠鏡，現在變成了比地面望遠鏡還不如的雞肋存在。
一整個糊
問題的原因，發生在 Perkin-Elmer 使用來測量鏡面磨光是否正確的那個校正儀器略有偏差，因此主鏡面從頭到尾都是在有偏差的情況下磨成的。Perkin-Elmer 還有另外兩個備用的校正儀器，兩個備用儀器也都發現了這個錯誤，但 Perkin-Elmer 選擇相信是備用儀器出了錯，而不是主校正儀出了錯。
就是因為主反射鏡是非常精準地被磨成了錯誤的規格，因此提供了科學家一個補救的機會 -- 哈伯從設計伊始，就設計成了可以定期維修／養護來增加使用壽命，而科學家正好可以利用下次的維修，替哈伯裝上抵消這個錯誤的額外鏡片。從某些角度上來說，這就像為哈伯裝上眼鏡一樣啊！
哈伯的四次維修
第一次維修由奮進號在 1993 年 12 月進行，除了換掉幾個小零件，和升級一下電腦外，最重要的就是為哈伯裝上名為 COSTAR 的「眼鏡」系統，而安裝前後的差異是非常明顯的。哈伯自此總算可以依照原設計的規格，進行太空觀察。第二次的維修任務發生在 1997 年二月，在這次的任務中，替換掉了兩個儀器，並將原本的磁帶記錄器（！）換成了固態的記憶裝置。
第三次的維修任務在 1999 年 12 月，在任務中換掉了全部六個維持哈伯指向穩定的陀螺儀，還換上了顆 25MHz 的 486 CPU。第四次的維修則是發生在 2002 年三月，除了又換了一個觀測儀器外（科技進步真快啊 @@），也為哈伯裝上了新的，更有效率的太陽能板。
第四次維修後的哈伯。可以看到太陽能板變成短短的硬板子。
第五次維修任務與未來
目前正在進行中的是哈伯的第五次維修任務，預備要再換兩個觀測設備，以及更換哈伯的科學儀器控制與資料處理單元，如此一來哈伯應該能繼續運轉到 2013 年。問題是，再接下來怎麼辦？隨著地面望遠鏡科技的進步（例如能自動補償大氣干擾的鏡片系統），大型的太空望遠鏡似乎用處愈來愈少，再加上太空梭退役之後，也無法再像現在這樣三不五時地上去升級一下，最終保留哈伯的理由，就只剩下其歷史意義了吧？
如果放著哈伯不管，幾年後它就會因為長時間和大氣的摩擦，最終墜毀在地球上。這是 NASA 最不願看到的結果 -- 因為它有可能掉在任何地方，對生命財產造成威脅，因此 NASA 傾向於在哈伯除役後，控制其下降的軌道，使其落在某個大洋中。但基於哈伯在太空探測史上的重要地位，也有不少人正積極地試圖將哈伯救下來，讓哈伯在博物館中陳列。只是先前說過了，太空梭正面臨除役，就算想要把哈伯從太空中救下來，也不知道要怎麼做才好。目前唯一可行的折衷辦法，是先將哈伯推到更高的軌道，暫時避免墜毀的危險，再靜待下一代的太空往返載具發展。
只是將哈伯推到更高的軌道需要專門設計火箭，先不說經費誰出，光是時間或許就已經不足以推動這樣的一方案。雖然很不願意見到，但哈伯的宿命，或許是就墜落在某個大洋中了吧...
下集從 1993 年哈伯終於修復完成開始說起，來談哈伯太空望遠鏡的太空觀測與重要貢獻。上集由此去
哈伯處在相當低的軌道，離地僅 559 公里。之所以在這麼低的軌道，是為了要方便太空梭在未來進行維修工作（事實證明這是個正確的決定），而且目前為止已經進行過四次的維修任務，而第五次則是正在進行中。但是哈伯的低軌道，也意味著哈伯的觀測作業會受到各式各樣的限制 -- 在一邊是地球，不僅被地球遮到的物體無法觀測，地球反射的太陽光也會對哈伯造成類似「光害」的效果，因此地球周圍一定範圍內的太空觀測效果也會打折扣。另一邊是太陽，和地球一樣，太陽周圍也有一大塊的範圍是無法觀測的。除了太陽和地球之外，月球偶爾也會出現來露個臉，但隨著月相的變化，月球對哈伯觀測的影響也是不定的。因此，哈伯只有在遠離黃道面，朝向上方（大約是地球的北方）和下方（南方）兩個方向才能持續地觀測。其他方向就算沒有太陽和月球搗亂，每一圈軌道（96~97 分鐘）都會有一半的時間是被地球遮著的。
除了這些天文上的因素的限制外，哈伯本身的低軌道意味著哈伯會持續和大氣磨擦。磨擦的力道很小，但卻會讓哈伯的軌道飄浮不定，六個禮拜（一個半月）的預估位置可以誤差到 4000 公里以上。因此哈伯的觀測都是幾天前才預定的，太早設計好觀測計畫，反而可能時間到了會剛好被什麼擋到。
哈伯還有一個很奇妙的額外限制，就是通過南大西洋上空時也無法觀測。這是因為范艾倫幅射帶剛好在這裡碰觸到地球的上層大氣，如果開啟觀測儀器的話，很容易不小心把儀器給燒了。
廣域和行星相機 （Wide Field and Planetary Camera, WFPC）
做為哈伯的主要攝影設備，小薑覺得 WFPC 值得特別介紹一下。第一代的 WFPC 隨著哈伯一起升空，內建有兩台相機，分別由二個 800x800 像素的 CCD 所組成。兩台相機的差別在於每一個畫素代表的天空範圍有所不同：廣域相機每一個畫素代表的範圍大，因此一張照片可以看到很大的一塊範圍，而行星相機則每一個畫素代的範圍小，可以在廣域相機發現了什麼之後，將該星域放大來看。WFPC 隨著1993 年的第一次修理任務被 WFPC2 所替換。
WFPC2（廣域和行星相機 2）身負重任 -- 它不僅是 WFPC1 的功能升級，更重要的，它還內建了補償主鏡面錯誤的光學鏡片，可以說哈伯的未來都壓在這台相機上。當然，從哈伯未來數年的多產與成功，和 WFPC2 的成功是分不開的。WFPC2 也和 WFPC 一樣，由四個 800x800 畫素的 CCD 所構成，但這次其中的三個是廣域相機（排成 L 字形），第四個右上角的是行星相機。這樣的排列，讓哈伯可以同時拍下三張廣域的照片，再加上一張「細部放大圖」。將細部放大圖縮小之後再和另外三張合併，就成了我們一般看到的「階梯狀」哈伯相片。WFPC2 在這次的維修任務中將被 WFPC3 所取代。
ACS（Advanced Camera for Surveys）嚴格來說不是 WFPC2 的替代品，因為從 2002 年安裝至今，它都是和 WFPC2 並存的，但自從 ACS 安裝後（一直到它 2007 年初掛掉前）它一直是哈伯上的主力觀測設備。ACS 有三個獨立的觀測單元，廣域通道有兩個相接的 2048x4096px 的 CCD，可以產生 16.7mp 的影像；高解析度通道是 1024x1024 的 CCD，但解析力遠比廣域通道高；日盲通道專司光子的計數，在 115-170nm 的紫外線範圍運作。ACS 將在此次任務中修復。
WFPC3 使用的是當年從哈伯上帶下來的 WFPC 的殼（真會廢物利用啊 XD），使用兩個 2048x4096px 的 CCD 在可見光／紫外線波段進行觀測，再加上另外的一個紅外線感光器，專司紅外線波段。紅外線感光器是 James Webb 太空望遠鏡（哈伯的「後繼者」）將使用的設備的開路先鋒。
哈伯的任務目標：測量哈伯常數
M100 星系中的造父變星，由 WFPC2 所攝
哈伯常數簡單來說，就是離我們愈遠的星體，遠離我們的速度愈快。這種距離和速度的關系是個固定值，稱為哈伯常數。從哈伯常數反推，看宇宙在何時是縮成一個點的，就可以大致上知道宇宙的年齡，因此找出哈伯常數的正確值無論對了解宇宙的過去還是未來，都至關重要。我們可以從星體的紅移（Redshift）來判斷其遠離我們的速率，問題是，要怎麼才能知道被觀測的星體距離我們多遠？這就要靠一種名為造父變星的特殊星體。
造父變星（Cephid variable）的亮度會隨著時間而波動，亮暗間的周期愈短，表示星體的亮度愈高，而且周期相同的造父變星絕對亮度也會差不多。利用這種特性，只要在某個遠方的星系中發現一個造父變星，接下來只要計算它的周期，就可以估算出它的絕對亮度。再比較它的絕對亮度和實際看到的亮度，就可以估算出變星的距離，連帶的星系的距離也可以知道了。
哈伯將造父變星的亮度估算準確度大大地提高，連帶地也將宇宙年齡的誤差值從 50% 降到 10% 上下。
舒梅克-李維 9 號彗星
不過，這麼強悍的太空望遠鏡卻只能拿來量星星的亮度也太浪費了，不是嗎？所幸就在哈伯剛修好沒久的 1994 年，一個千年一見的太空盛事正好發生在眼前 -- 舒梅克-李維 9 號彗星分裂成了 21 塊碎片排成一排，依序撞上了木星。這個事件除了讓我們更了解宇宙撞擊事件外，也讓我們更了解木星的大氣構成（順便提供了一系列以彗星／隕石撞地球為題材的災難片）。當時伽利略探測太空船還有點遠，地面上的望遠鏡受天氣影響又不能長時間觀察，只剩下哈伯可以以相對固定的間隔持續對木星進行拍照。
Hubble Deep Field 和 Hubble Ultra Deep Field
左為 Hubble Deep Field，右為 Hubble Ultra Deep Field
哈伯做為民眾與天文學間的橋樑
除了上面這些比較「科學性」的成就外，小薑認為哈伯最重要的成就，是做為將一般人和天文學間的橋樑。或許一般人沒辦法像拜訪地面上的著名天文台一樣去「參觀」哈伯，但哈伯不斷產生的驚人相片，卻比較那些每天不知道都在做什麼的天文台，更像是在為連結一般人和遠方的宇宙而努力。下面是幾張比較著名的哈伯照片：
M16 星雲中央的氫氣柱，內有這多新的星球在生成
V838 Monocerotis 是一個變星...不過這根本不重要，重要的是它長得像 Firefox 的 Logo 啊 XD
北落師門星（Formalhaut），亦或是...索倫之眼？
結語
哈伯即將開始其多產的一生的最後一章。隨著新換上的 WFPC3 而來的，會是什麼樣的新發現？
過了這一次的維修之後，哈伯將不再進行維修。雖然目前哈伯的未來仍然未決，但看起來哈伯恐怕是晚景淒涼的。小薑的看法是，哈伯在某些方面就代表了天文學，無論地面上的望遠鏡多清晰，未來的太空望遠鏡多先進，都取代不了哈伯開路先鋒的地位。在人類有能力離開太陽系，前往宇宙深處前，哈伯的鏡頭和攝影機是我們所擁有，最接近宇航太空船的東西。雖然小薑人微言輕，但真的很希望能把哈伯從太空中救回來，放到博物館裡給人參觀，而不是化成一團火球，墜毀在太平洋某處。
往好處想，至少已經把 WFPC2 給救下來了 ^^"
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