造價 4.7 億美金！服役 31 年的哈伯太空望遠鏡究竟有多猛？《七七科學探索》EP 022｜志祺七七

志祺七七 X 圖文不符 | 時政類 | Oct 24, 2021

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宇宙中美麗的星系，是許多科幻電影或遊戲作品中一定會出現的畫面。但你知道嗎？剛剛畫面上的這幾張照片，其實不是電影或遊戲特效，而是哈伯太空望遠鏡拍出來的照片喔！今天，就讓我們一起來聊聊帶領人類認識宇宙的「哈伯太空望遠鏡」吧！

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hiho～大家好，我是志祺！哈伯太空望遠鏡從發射升空至今已經服役超過30年了。在這段時間裡面，它拍下了許多令人屏息的畫面，拓展我們人類對宇宙的認知。不過，今年（2021）6月的時候，哈伯望遠鏡驚傳故障，甚至一度外傳哈伯望遠鏡有可能要沒救了，讓很多天文迷都相當扼腕。還好後來 7 月的時候，美國太空總署NASA找到問題所在，成功讓哈伯重新恢復運作。但儘管如此故障的事件，還是引起很多天文迷和科學家的擔憂，哈伯望遠鏡不知道還能再戰多少年⋯⋯今天，我們要跟大家聊聊哈伯望遠鏡的前世今生超級峰迴路轉的發展歷程。

【不夠清晰的地面天文望遠鏡】

從 17 世紀，望遠鏡被發明出來之後，就有非常多的科學家透過望遠鏡，來觀察夜晚的星空。到了 20 世紀初期，隨著技術的改良，我們已經可以建造出大型的天文望遠鏡來觀測遙遠星球和星系的樣貌。不過，蓋在地上的太空望遠鏡，都會被大氣層影響。有些波段的紅外光和紫外光透不進來，有些波段的光線則是會被大氣層的氣流擾動，使得天文望遠鏡拍下來的照片看起來還是不夠清楚、解析度不夠好。因此，直接把望遠鏡送上太空來觀測，來避免大氣層的干擾，一直都是天文學家們的夢想。

1950、60 年代，美國太空技術逐漸進步，這個把望遠鏡送上太空的野望，可行性也越來越高。1968年，NASA 第一次成功地把望遠鏡送上太空觀測宇宙星體的紫外光頻譜。因此，NASA 在同一年決定，要發射一個直徑 3 公尺的天文望遠鏡上太空，是個包含紫外光、可見光和紅外光都可以觀測的「多功能」太空望遠鏡。而且，為了要持續維護這個造價昂貴的望遠鏡，NASA 也決定要發展「可重複使用」的「太空梭」技術。有了太空梭之後，NASA 就可以不斷派人上太空維護這部望遠鏡

【資金不足、計畫延宕】

這個計畫原本預計要用十年的時間來規劃、設計和製造，預定是要在1979 年發射升空。不過，因為1970年代初期發生「石油危機」的關係，美國政府大幅刪減公共支出，所以昂貴的太空望遠鏡計畫也只能不斷延期。後來，在 NASA 多位天文學家的遊說之下，1978年美國國會終於撥款 3600 萬美金給 NASA，NASA 也找了歐洲太空總署（ESA）一起合作，分攤部分的資金，哈伯太空望遠鏡才終於開始設計和製造。

不過，由於經費有限的關係，因此 NASA 決定要把太空望遠鏡的直徑從 3 公尺，縮小成 2.4 公尺。最後，這個太空望遠鏡用 20 世紀初期的知名天文學家「愛德溫．哈伯(Edwin Hubble)」來命名，正式定名為「哈伯太空望遠鏡」，預計要在 1983 年發射。

【命運多舛的哈伯望遠鏡】

為了要能夠在各種波段下，都可以拍出清楚地照片，哈伯的鏡片拋光要非常的精確才行。不過，哈伯望遠鏡的製造難度實在太高了，鏡片的製造商測試了各式各樣的方法，做出來的鏡片品質都還是不夠好，發射日期只好一延再延。從原本的 1983 延後到 1984，再延到1985，直到 1986 年，整個哈伯望遠鏡終於組裝完成的時候，卻發生了嚴重的「挑戰者號太空梭爆炸事故」，7 名太空人全部罹難。因此，所有的太空梭發射計畫也都暫停，重新接受安全性的評估。NASA 負責的團隊只好先把哈伯望遠鏡移到一間無塵室裡面，不斷地用氮氣清理儀器，也不時啟動一下儀器，避免零件老化。但這樣的保養措施，每個月要額外花費「600萬美元」，對於已經延期超多次的哈伯望遠鏡來說，這個錢坑變得越來越大。

1990 年 4 月 24 日，在太空梭重新恢復使用幾年後，哈伯望遠鏡終於發射升空，正式開始服役，預定在15年之後退役，墜落大氣層燒毀。而到了這個時候，哈伯望遠鏡的整個計畫，已經用掉了「47 億美元」。但沒想到，更慘的事情還在後面，投入了這麼多錢，把望遠鏡送上太空，拍出來的照片居然沒辦法使用⋯⋯

【有近視眼的望遠鏡】

哈伯望遠鏡升空之後，在距離地表大約 500 多公里的高空中繞著地球飛行，大約每 95 分鐘可以繞完一圈，而哈伯望遠鏡的控制則由專責的「太空望遠鏡科學研究所（STScI）」來管理。這個地面控制中心會負責發送訊號給哈伯望遠鏡來調整望遠鏡的角度和儀器的參數，然後拍完的照片資料，便會透過人造衛星傳回地面。哈伯望遠鏡升空之後，控制中心就發現有一些功能怪怪的。首先是負責發電的太陽能板，有一邊張不開，使得供電系統的效能沒辦法達到預期。此外，更嚴重的是，哈伯拍下的照片很模糊。當年很多人戲謔地說，花了那麼多錢做出來的哈伯，居然是個「近視眼」！這讓美國民眾對 NASA 非常的失望。NASA 為了要挽回社會大眾對他們的信心，於是卯起全力想辦法修復哈伯。

【NASA 如何修好哈伯？】

想要修正哈伯，第一步得先搞清楚哈伯究竟哪裡出問題，而最直接的方式，就是直接把望遠鏡載回地面重新檢查和修正。但是這個方法不只費時，又很花錢。所以 NASA 的科學家想到，可以直接分析哈伯拍回來的照片，來了解究竟是哪邊出問題。分析的結果發現，原來是哈伯望遠鏡的「鏡片邊緣」，打磨得不夠精準，比原本需要的鏡片平了一點點，差了大約 2.2 微米，就產生了嚴重的球面像差。這個球面象差的概念，比較像是哈伯望遠鏡有「散光」，而不是近視，但總之結果看起來就是畫面變得很模糊。找到了問題癥結點之後，NASA 決定要替哈伯望遠鏡加上「眼鏡」，來校正光線。經過將近三年的測量和開發，1993 年年底，NASA發射了奮進號太空梭，送了 7 位太空人上去，用太空漫步的方式，在哈伯望遠鏡上面架設新「矯正鏡片」，也更換太陽能板，還有更新幾個儀器的設備，升級了它的功能。1994 年 1 月，哈伯終於一掃過去的陰霾，成功拍出清晰的照片。

【哈伯望遠鏡的代表作】

在後續的十幾年裡面，哈伯太空望遠鏡還經歷了另外 4 次的維修和更新，讓望遠鏡變得越來越厲害，可以拍下越來越清晰的照片。目前，透過哈伯太空望遠鏡所記錄下的照片和觀測資料，已經發表了超過 1 萬 7 千多篇的科學文獻。有很多哈伯望遠鏡的拍下來的照片，都讓大眾非常印象深刻！例如：這個長得有點像手掌的星體。這張幾乎是所有照片當中最有名的一個，它是老鷹星雲的「創生之柱」是一個「恆星誕生」的地點　另外，很迷幻的照片還有「馬頭星雲」、「神秘之山（Mystic Mountain）」、「貓眼星系」，還有最一開始看到的這個「闊邊帽星系」，以及長得很像魔戒中「魔眼」的星系。哈伯望遠鏡不只觀測遙遠星體，也拍下太陽系內行星的清晰照片。

【哈伯最重要的貢獻】

不過，真的要說「刷新我們對宇宙理解」的照片，最重要的應該就是這張了。這張照片乍看之下不怎麼特別，但實際上暗藏玄機。1995年，這張照片是由哈伯望遠鏡對準天空中黑暗的一角，連續拍了十幾天之後，所得到的照片。這個小小的一角，大概是你站在跑道的起點觀察100公尺之外的一顆網球的程度。

這張被稱作「哈伯深空（Deep Field）」，經過分析之後發現，在這麼小的角度裡面，竟然有「超過3000個」星系，證實了宇宙中的星系數量非常驚人！此外，還可以發現因為每個星系距離地球有進有遠，所以還可以觀察到從宇宙大爆炸以來不同時間點的星系形成過程。隨著後續的維修更新，哈伯望遠鏡的能力越來越強大。目前我們拍到最遠的星系，距離地球高達「132億光年」。透過這些照片，天文學家進一步估算分析，推算出宇宙從大爆炸至今大概經歷了 137-138 億年的時間。

【哈伯望遠鏡還能用多久？】

原本哈伯太空望遠鏡預定服役15年之後就要退役，但隨著維修和更新，它的年限被延長了非常的多。不過，上一次維修已經是 2009 年的事。自從 2011 年美國最後一架太空梭退役之後，到目前為止都還沒辦法進行維修和更新。也就是說，哈伯太空望遠鏡幾乎是註定會隨著時間慢慢地壞掉，如果遇到故障的問題，NASA 只能想辦法重開機，或是改用望遠鏡上面的備援電腦、供電系統或儀器。

像是今年 6 月的故障事件，後來發現是電源供應出問題，切換成備用的電源供應系統之後，順利地恢復功能。但是，要是同樣的地方再壞一次，那麼哈伯望遠鏡是不是還能恢復運作就真的很難說。還好哈伯望遠鏡後繼有人！今年 12 月，NASA 即將要發射新的「詹姆士．韋伯望遠鏡（James Webb Telescope）」，接手哈伯探索宇宙歷史的任務，透過偵測紅外線訊號，來調查，是否有「大爆炸」，或是其他「宇宙起源」的證據。

【我們的觀點】

我們覺得這種非常高深的尖端科學研究，常常都是我們一般社會大眾很難有感的主題，像是奈米科學或是生物科技的領域，很多時候我們外行人不只很難理解，也不一定看得到什麼有形的產出。不過，哈伯太空望遠鏡的照片卻帶給我們很不一樣的感受。30 多年來，哈伯的觀測紀錄和照片，大大增進了我們對整個宇宙的理解，像是「哈伯深空」的照片，就很直接地讓我們知道，其實外太空並不是真的「空空如也」。

在我們看起來黑黑的區域，其實還有數千個「星系」存在，而那些既美麗又魔幻的畫面，不只帶來科學上的進展，也啟發很多人對於這個神秘的宇宙，還有太空科學的興趣。哈伯太空望遠鏡，幾乎可以說是我們認識外太空的窗口，甚至可以說，它就像是我們的眼睛一樣，透過它，我們才能感受到宇宙的震撼與不可思議。雖然，不確定哈伯還能繼續服役多少年，但是他的貢獻，永遠都會在人類歷史當中，記上一筆。