哈勃曾因低級錯誤變近視！宇航員驚險維修，背后故事令人唏噓？

大家趕快去找原因，為啥對焦總是不準呢？后來發現，這是一個低級錯誤。有關這個錯誤，我們得把哈勃望遠鏡的結構講清楚。

哈勃望遠鏡是一種反射望遠鏡。反射望遠鏡大概有幾種經典結構。一種是牛頓式，在主反射鏡的前面放一個45度的平面鏡，靠這個平面鏡，主反射鏡的焦點橫著送到鏡筒側面，你在側面裝鏡頭也好，接照相機也罷，隨你便。

但是問題在于，哈勃望遠鏡的焦距有50多米，牛頓式的反射望遠鏡的鏡筒子比焦距短不了多少，你讓哈勃長個50多米的尺寸，那就沒法用火箭發射了。另外，正因為牛頓式光路是從側面出來，在側面裝各種成像的儀器，不太方便，會造成受力不對稱。

所以，現在的望遠鏡不管的天上的還是地下的，采用的都是卡塞格林結構。卡塞格林就是一個大反射鏡，在鏡子中心開個洞。前邊放一片副鏡，進來的光匯聚到中心副鏡上，最后再從主鏡片中間的那個孔出來。這種卡塞格林結構完全對稱，光在筒子里折疊了好幾次，筒子可以成倍地縮短。特別適合現代大望遠鏡使用。

磨制巨大的望遠鏡片，都是怎么磨制的呢？現在民用的小望遠鏡鏡片是可以手工磨制的，上下兩片玻璃，中間加入金剛砂，上下對磨。大家想啊，什么樣的表面，兩片玻璃推過來推過去，總是嚴絲合縫呢？要么是平面，要要么是球面。平面是個極為特殊的情況，不太可能發生。一般來講，你磨來磨去，最后就是個球面，上面是個凹面，下面是個凸面。球面是個最容易磨制的鏡片。

說白了，磨制的精確度完全取決于檢測的精確度。簡單的球面鏡可以用刀口儀來校驗，復雜的就必須用干涉儀之類的儀器了。稍微偏差了波長的幾十分之一，都是可以校驗出來的。

但是，RC結構用的鏡片可不是球面，而是雙曲面。你沒辦法直接采用球面鏡的檢測法。反射光線必須經過一個叫做“零校準具”的儀器來補償雙曲面造成的偏差。經過這種校正以后，就可以照樣采用和球面的檢驗方式來檢測鏡面的精確度。

那么問題來了，如果那個零校準具本身不準，會出現什么問題呢？這就是哈勃磨制鏡片犯的一個低級錯誤。這個零校準具是有一系列鏡片組成的，其中一個鏡片偏了1.3mm，檢測的操作人員隨手塞了個墊片進去，把這個縫隙填上了。誰都不知道，這臺校準裝置本身是有問題的。

鏡片磨制的時候，一邊磨制，一邊檢測，大家就按照這個錯誤的刻度尺，磨出了一個錯誤的鏡片，邊緣部分多磨了2.2微米。其實磨制鏡片還有另外一個折射式校準儀，這個校準儀已經明顯反映出鏡片有問題。但是折射式校準裝置比較簡單，比不上那個昂貴的零校準裝置。大家理所當然的以為，那個折射式校準儀是錯的，是這種簡單的儀器誤差太大導致的，沒人懷疑那個昂貴的家伙有問題。

按照常規邏輯，整個望遠鏡組裝完成后，應該進行全系統的光學測試。但是吧，當時哈勃望遠鏡的這個項目超支嚴重，工期一拖再拖。NASA實在是不想再拖了。2.4米的口徑，要放大一個龐大的真空室里面去進行全面光學檢驗，這錢你掏啊？NASA反正是不想花。

當時負責磨鏡片的珀金埃爾默公司也是托大。他們為軍方建造了不少類似口徑的軍用衛星，大江大浪都過來了，小河溝里還能翻船？只要每個部件都是合格的，組裝起來也沒問題，不用測了。

不幸之中的萬幸，這個誤差也是完全對稱的，是整個大鏡片外側均勻的多磨了2.2微米。加一個改正鏡片組，還是能解決問題的，就好比給近視眼配一副眼鏡。

蘇聯在磨制經緯臺大望遠鏡的時候，鏡片磨制也出現了誤差，蘇聯人簡單粗暴，磨出問題的部分拿黑布給糊上，只要不參與反射就行了。美國人其實也可以這么干，但是這么干的后果就是導致等效口徑打折，降低了分辨率，也降低了對暗弱天體的觀測能力。

當然，蘇聯的大經緯臺望遠鏡是在地上，鏡片口徑6米，派個人爬到鏡片上去貼黑布，又快又便宜。哈勃望遠鏡在太空，宇航員上去，無論是加個改正鏡，還是貼黑布，價錢都不便宜，既然如此，還是改正鏡效果更好。

新的改正透鏡名字叫“COSTAR”。1993年，奮進號航天飛機做了專門的改裝，在航天飛機的貨艙里安裝了一個轉盤，用來連接哈勃望遠鏡，哈勃會豎著連接在這個旋轉臺上。要更換哪個部件，就把對應的開口轉過來。哈勃望遠鏡就像個巨大的垂直煙囪一樣，垂直架設在航天飛機的貨艙里。然后宇航員穿著艙外宇航服，在機械臂的幫助下，把哈勃背后的艙門拉開，加裝改正鏡COSTAR，同時安裝了新一代的寬場行星照相機。

這個寬場行星照相機自帶改正鏡，并不需要COSTAR幫忙。無論是安裝COSTAR還是寬場行星相機，都是失之毫厘謬以千里。宇航員穿著笨重的宇航服干這么精細的活兒，的確是個嚴峻挑戰。不過最后的確是安裝好了。效果也的確令人滿意。這一下，哈勃不再近視了。

不得不說，好在當時美國人還擁有航天飛機，起碼還能把哈勃望遠鏡拉回來，連接到貨艙的轉盤上，要是今天的話。維修這么大的玩意兒，你還真沒轍。你拿龍飛船跟哈勃對接？哈勃有對接口嗎？

所以，咱們的太空望遠鏡是和天宮空間站共軌的。需要的話，可以和空間站對接，便于維修。這就是吸收了美國人的經驗以后，做出的技術選擇。

哈勃望遠鏡經歷了很多此迭代更新，照相機和傳感器更換了好幾次。到最后，每一臺照相機都自帶改正鏡，專門獨立安裝的那個COSTAR已經不在必要，所以2009年，亞特蘭蒂斯號航天飛機成員組，把這個改正鏡拆了下來，在原來的位置上安裝了一臺紫外線探測儀器——宇宙起源光譜儀。

COSTAR在帶回地球以后，被送進了博物館展覽，這東西占用了一整個儀器艙段，截面大約是0.9米見方，高度是2.2米，體積還蠻大的。里邊的鏡片很小，但是對焦用的機械裝置和電控裝置，還是很復雜的。

現在，在哈勃望遠鏡焦平面上的傳感器還有7~8個，分屬幾臺照相機。比如說，要拍攝可見光波段的圖像，就得把目標落在“第三代寬場相機”的那塊傳感器上，這個傳感器的分辨率是4096x4096。

草帽星系

哈勃名字的由來，就是為了致敬發現宇宙膨脹的埃德溫·哈勃。在哈勃望遠鏡上天之前，科學家對宇宙年齡的推測范圍極其模糊（100億到200億年之間）。哈勃望遠鏡通過對造父變星的觀測，將“哈勃常數”的誤差從50%降低到了10%以內。所以啊，我們現在知道宇宙的精確年齡約為138億年。

我們前面也說過，哈勃拍攝過哈勃超深場和哈勃極深場。它向人類證明了，即便在看似空無一物的黑暗深空，也布滿了數以萬計的星系。這讓我們理解了星系是如何從原始的小碎片碰撞、合并成今天像銀河系這樣巨大的結構的。

另外，哈勃記錄了1994年蘇梅克-列維9號彗星撞擊木星的壯觀景象，也發現了冥王星的四顆新衛星。冥王星這么小，衛星可不少。不過這些衛星都很小，除了冥衛一卡戎比較大，其他的也就幾十公里的尺度，哈勃也是費了半天勁才看見。

康普頓看的是伽馬射線。伽馬射線是啥？你可以把它想象成宇宙里能量最高的光。如果發現了伽馬射線，一般來講，那就是出了驚天動地的大事兒了。比如說，黑洞吞食恒星的時候，會噴出巨大的伽馬射線束。中子星互相撞了，會產生伽馬射線暴。要么就是超新星爆發，也就是大質量恒星死亡的時候，人家死給你看，人家炸得多燦爛，也會發射出大量伽馬射線。

只有極高的能量，才能迸發出伽馬射線呢。康普頓就像一個宇宙里的“警笛探測器”，專門捕捉這些極端事件。它在服役的9年里，發現了2000多個伽馬射線源。不過康普頓的壽命不算長。2000年，它一個陀螺儀出了問題，NASA擔心它失控墜落到人口稠密區，就主動讓它脫離軌道，在大氣層里燒毀了。

錢德拉望遠鏡最擅長的就是X射線波段了，X射線我們都知道，醫院里拍片子用的就是它。宇宙里的X射線同樣能“穿透”很多東西，而且它通常來自極高溫、極劇烈的天體現象——溫度動輒幾百萬、幾千萬度。

錢德拉的成名絕技是找黑洞。黑洞本身不發光，但物質被吸入黑洞之前，會形成一個高速旋轉的吸積盤，溫度極高，發出強烈的X射線。錢德拉就是靠這個“蛛絲馬跡”來追蹤黑洞的。錢德拉望遠鏡證實了幾乎所有大星系中心都有超大質量黑洞。還捕捉到了超新星遺跡里正在膨脹的沖擊波。另外，它還發現了宇宙網中暗物質分布的線索。

有意思的是，錢德拉是以印度裔天體物理學家蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡命名的。他因為研究恒星演化拿過諾貝爾獎。也是錢德拉塞卡極限的提出者。到現在，錢德拉望遠鏡還在天上勤勤懇懇地工作著，已經超過25年了。

斯皮策的幾大發現特別值得一提。它發現了一顆紅矮星周圍有7顆地球大小的行星，其中3顆在宜居帶上。這是人類迄今找到的最有希望存在外星生命的地方之一

另外，它第一次直接分析了系外行星的大氣層的成分，發現上面有水蒸氣、鈉等成分。它還發現了土星的一個未知的光環，這個環非常大但是非常暗弱，可見光完全看不見，只有斯皮策的紅外眼睛能捕捉到。

斯皮策的設計壽命本來只有5年，但它超期服役到了2020年，整整干了16年多，直到冷卻劑用完才退休。退休那一天，NASA團隊還專門給它搞了個“告別儀式”，挺感人的。

如果我們用這4臺望遠鏡去觀察著名的蟹狀星云，又會看到什么呢？

哈勃看到的是蟹狀星云最經典的外觀，一團色彩斑斕的絲狀結構，像螃蟹的腿一樣向外延伸。這些絲狀物其實是當年超新星爆發拋出的氣體，現在正以1500公里/秒的速度往外飛呢。

蟹狀星云紅色部分來自氫和硫的輻射，藍色部分來自氧的輻射——這些氧被高能X射線加熱后才發出藍光。在星云正中心，哈勃能看到一個微弱的小亮點，那不是普通恒星，而是一顆活蹦亂跳的脈沖星，也就是一顆誕生僅僅1千年，每秒自轉30圈的中子星。

在康普頓探測器的眼中，它就像一盞宇宙里的探照燈，蟹狀星云是全天最亮的伽馬射線源之一。2019年，科學家發現蟹狀星云發出的伽馬射線能量高達100TeV以上，1TeV=1萬億電子伏，是可見光能量的萬億倍級別。2021年，中國的高海拔宇宙線觀測站更進一步，在蟹狀星云里探測到了1.1PeV的光子。這是人類迄今為止從銀河系內探測到的最高能量的光子。

所以啊，康普頓看到的是蟹狀星云最狂暴的一面，它不僅僅是美麗的行星狀星云，更是一座銀河系頂級的高能粒子加速器。

錢德拉望遠鏡看到的完全是另一番景象。它的X射線圖像比哈勃的可見光圖像小得多，集中在星云的中心區域。為什么呢？因為X射線是由極端高能的電子發出的，這些電子輻射能量非常快，跑不了多遠就耗盡了，所以X射線的“光斑”只出現在離脈沖星很近的地方。

錢德拉能清楚地看到中心那顆脈沖星正在瘋狂地噴射高能粒子，它釋放能量的速率相當于太陽的10萬倍，NASA形容它像是一臺“宇宙發電機”。脈沖星周圍還有一個由高能粒子組成的亮環和噴流結構，那是它正在“工作”的證據。

斯皮策拍攝的紅外圖像通常呈現紫色或紅色，展示了塵埃云的分布情況。這些塵埃顆粒吸收來自脈沖星的紫外線和X射線，然后以紅外線的形式把能量重新“吐”出來。大致上，斯皮策看到的是蟹狀星云的“熱力分布圖”，哪里塵埃多，哪里就更亮。

所以，這4臺望遠鏡的作用各不相同，只有多段觀測，才能觀察到天體的方方面面。斯皮策紅外望遠鏡不是退休了嘛，它的鏡頭口徑不大，只有85公分。而且是工作在紅外波段，波長大，分辨率上吃虧。所以斯皮策的接班人，要想分辨率高，要想看得遠，就必須用超大面積的鏡片，NASA的萬年鴿子王韋布望遠鏡，就要登場了……