哈勃望远镜的功与名，需要在不同细分领域进行对比，而取得的这些成就需要建立在哈勃先进的成像机制上，今天我们就要说说哈勃的成像与光路设计机制，看看哈勃是如何捕捉到如此美丽的宇宙影像。
宇宙印象 深度科普栏目第1211期 今年是哈勃望远镜升空30周年，在天文界代表了一个里程碑式的时代，30年内我们通过哈勃望远镜重新认识了宇宙，依靠其近红外、可见光和紫外观测能力发现了宇宙多个奥秘，从行星级天体，到能装下上亿个太阳的黑洞，应有尽有。哈勃望远镜向我们展示最多的仍然是可见光图像，在加上红外、紫外的叠加，一幅幅精美的天体图像在处理之后更容易让我们所理解：原来宇宙是这般模样！哈勃望远镜并不是人类第一台太空望远镜，但其影响力绝对是最大。哈勃望远镜的基本参数为13.3米长，质量为12.2吨，轨道高度为611公里，主镜面直径为2.4米，在1990年发射升空之后，已经服役整整30年。
图片解读：在轨道上运行的哈勃望远镜
图片解读：航天飞机正在释放哈勃望远镜，太阳能电池板还没有打开
在过去30年，哈勃望远镜的成就几乎是“不胜枚举”，因为你无法给出有说服力的理由证明哪个才是哈勃最牛的发现，这是因为哈勃的观测领域太大，涉及到多个学科，比如宇宙学、行星学、高能天体研究等。从宇宙学角度看，哈勃望远镜在1997年观测了3颗1a型超新星，通过亮度计算确定了宇宙正在加速膨胀，并且膨胀速率与时间有关，奠定了宇宙学的基础：宇宙正在加速膨胀。
图片解读：超深场图像，能够拍摄出如此美丽的景象，还得归功于哈勃望远镜的内功。
2004年哈勃通过100万秒曝光成像出1万个星系构成的超深场图像，此时宇宙只有8亿年的历史，这个成果对星系演化的研究有极为重要的帮助，展示了哈勃望远镜深厚的内功，此时的哈勃应该说处于最佳状态。2005年，哈勃对柯伊伯带天体XENA进行了成像构成，距离地球超过100亿英里，在行星学上有重要贡献。因此，哈勃望远镜的功与名，需要在不同细分领域进行对比，而取得的这些成就需要建立在哈勃先进的成像机制上，今天我们就要说说哈勃的内功：成像与光路设计机制，看看哈勃是如何捕捉到如此美丽的宇宙影像。
图片解读：这是牛反望远镜光路设计，目镜位于光路系统的侧面
图片解读：这是卡塞格林式设计，光路系统与目镜平行
300年前技术成就哈勃望远镜哈勃望远镜是一个卡塞格林反射望远镜，其技术原理在1672年就已经提出，已经有300多年的历史。劳伦-卡塞格伦是个法国人，1629年出生在法国沙特尔地区，学历不明，但是对光学有着非常深的造诣，也是一个高手在民间的角色。法国科学杂志在1672年4月刊登了劳伦-卡塞格伦的文章，描述了一种新式反射式望远镜。一石激起千层浪，年仅30岁的牛顿就遭遇了强大的对手，1668年牛顿才刚刚完成第一台反射式望远镜的制造，仅仅4年后就有人要撼动自己的地位。
从双方的设计上看，牛反式和卡塞格林式都有两个镜面，初级镜面都是凹透镜，但次级镜面有所不同，牛反是将光线反射到目镜，目镜的入射光路与凹透镜平行，卡塞格林式的次级镜面是个凸透镜，目镜的入射光线与凹透镜垂直，将入射光线重新反射到初级镜面方向，光路从初级镜面中心穿过。两种设计都很经典，哈勃采用卡塞格林式的原因是这种成像模式焦距长，底片比例尺大，有利于对遥远天体进行成像。同时光路都在一条直线上，在初级镜面之后可以放置大型仪器，因此我们看到的哈勃望远镜就是一个长筒形状，如果哈勃采用牛反设计，那么其大型仪器需要放置在光路系统的侧面，这样会导致哈勃望远镜的横向体积增大，又短又胖，无法放置在航天飞机载荷舱内。由于双反光路的优势，哈勃采用了卡塞格林式构型，牛顿在反射构型也得甘拜下风。
图片解读：哈勃望远镜上的2.4米主镜面
哈勃的光路长筒型的哈勃望远镜长度为13.3米，直径为4.2米，折叠之后可放入航天飞机载荷舱。在哈勃望远镜前端有一个保护盖，当不可避免要将主镜面直接对准太阳时，保护管会关闭，避免镜面被太阳光直射。当哈勃开启观测模式时，打开保护罩，遥远宇宙的光线会进入光路中，光程大约有7米，先抵达主镜面。主镜面直径为2.4米，放置在哈勃望远镜的重心附近，主镜面形成两道反射光，射向0.5米直径的副镜。副镜是个凸透镜，再次反射两道光穿过主镜面中心的通道，被后面的科学仪器捕捉到。
图片解读：哈勃望远镜的光路图，入射光线经过两次反射后进入WFC3广域行星相机3，双反光路的平行设计也是卡塞格林反射望远镜的特点，优势是可以在目镜方向上安装大型仪器，否则哈勃望远镜是个又短又胖的形状。
紫外通道星光第一个进入的是WFC3广域行星相机3，在第5次维修任务中安装，这是哈勃的最主要的观测设备，有两个独立光路通道，第一个是紫外通道，另一个是可见光及红外通道。
图片解读：WFC3广域行星相机3正在安装，根据宇航员的块头，可以对估计一下这个仪器的大小
紫外通道是哈勃望远镜领先于陆基望远镜的一个设计，由于大气层、臭氧层的干扰，中短波紫外（波长为100纳米至320纳米）是无法进入地面，能进入地面的是长波紫外，波长为320纳米至400纳米，这部分紫外正好会把你晒伤。穿过WFC3广域行星相机3的光线进入了宇宙起源光谱仪，英文简称为COS仪，这是一种紫外光谱分析仪，工作波长为90至320纳米。WFC3广域行星相机3的紫外通道通过一对电荷耦合器件可记录200纳米至1000纳米的图像，对于200纳米的光线成像由COS仪补充，这样就覆盖了紫外波段的观测波长。
哈勃望远镜能够对中短波长紫外进行观测，此类天体为星际尘埃和气体，在紫外区有较强辐射的F、G、K和M型恒星，可观测其色球层，还有一些紫外辐射较强的特殊星系。可见光通道就不必多说了，处于肉眼可见的星光范围。WFC3广域行星相机3和COS仪共同作用下，哈勃望远镜能够对宇宙星际、银河系中的介质、气体进行研究，观测分子云如何形成恒星和行星系统等。
图片解读：宇宙起源光谱仪正在室内进行测试
红外通道红外通道是哈勃望远镜上也一个不完美的地方，哈勃只能对波长低于1700纳米的红外光进行观测，处于近红外波段，而中红外和远红外波段无法观测。WFC3广域行星相机3的观测波长范围基本达到了哈勃的所有观测能力极限，该相机最大工作波长只有1700纳米，只能覆盖近红外。换而言之，如果WFC3广域行星相机3坏了，哈勃望远镜就废了。
图片解读：宇航员正在安装高级巡天相机，外面宇航员手上拿的是暗天体相机，把这仪器先拆出来，再安装高级巡天相机
红外波段观测能力需要有冷却剂才能进行，这也是WFC3广域行星相机3能够长寿的原因。该相机通过热点冷却器进行冷却，因此不需要消耗冷却剂。这一点与专用的红外太空望远镜有很大区别，比如斯皮策太空望远镜采用液氦冷却剂，确保红外传感器在零下260多度的环境中工作，这样才能捕捉到温度较低的尘埃云和气体，以及非常遥远的天体红外信号。从工作波长上看，斯皮策红外太空望远镜工作波长可达到160微米（16万纳米），基本达到了红外光波长的最远端（1毫米），远远超过了哈勃望远镜的1700纳米。不过，哈勃望远镜也有专用的红外观测设备，这就是近红外照相机和多目标光谱仪，英文简称为NICMOS，工作波长为0.8至2.4微米。在哈勃的光路上，被WFC3广域行星相机3收集之后的光谱信号，一部分红外波长的光线会进入NICMOS仪器。
图片解读：这就是NICMOS仪器，拥有NICMOS仪器的哈勃望远镜，简直是如虎添翼
图片解读：这张照片很能NICMOS的作用，这是已知距离最遥远和最古老的星系之一，被命名为A1689-zD1，红移7.6，距离地球为129.7亿光年。一个小图中是ACS高级巡天相机成像，看不清楚，中图是NICMOS仪成像，可以看出有个天体，下图是斯皮策红外望远镜成像，终于发现了A1689-zD1星系。
该仪器在1997年的第二次维修任务中安装到哈勃上，到了2008年脱机，主要原因是固态氮冰冷却剂用完了，同时低温循环装置也出现问题，2010年后被NASA放弃。由于航天飞机已经退役，NICMOS仪器目前还装在哈勃望远镜上，就是无法工作，变成了一个死重。哈勃的远红外观测能力被大大限制之后，出片的精彩水平也大大下降，比较红外光能够发现那些肉眼看不到且非常昏暗、被尘埃云挡住的天体，相当于给哈勃装上了一个透视镜。不难判定，拥有NICMOS仪器的哈勃望远镜，简直是如虎添翼。
图片解读：图中是1997年拍摄使用NICMOS仪器拍摄的手枪星，如果没有红外观测能力，我们无法透过尘埃看到这颗4等蓝超巨星。
穿过WFC3广域行星相机3的光线还会进入高级巡天相机中，英文简称为ACS，该仪器安装在哈勃望远镜后部的仪器舱内。所谓高级巡天相机，就是WFC3广域行星相机3的高配，前者工作波长也可以覆盖紫外到近红外，因此高级巡天相机的存在是为哈勃望远镜添砖加瓦。成果比较显著的高级巡天相机高分辨率通道目前已经停止运行，原因是电气故障，剩余两个通道在用。哈勃望远镜最后一个大型仪器是太空望远镜成像光谱仪，英文简称为STIS，进入WFC3广域行星相机3的光线最后一部分进入了STIS仪中，该仪器工作波段与WFC3广域行星相机3基本相同，STIS仪有三个阵列探测器，第一个是200纳米至1030纳米的可见光谱与近红外光谱通道，第二个是160纳米至310纳米的近紫外通道，第三个是115纳米至170纳米的远紫外通道，2009年STIS仪进行了一次维修。
图片解读：2009年哈勃望远镜最后一次维护，注意图中左侧宇航员已经脱离机械臂，利用背包氮气喷射进行机动
图片解读：双腿固定的宇航员，正在接近哈勃望远镜的设备舱。
综上，哈勃望远镜在2009年最后一次维护中修复了ACS和STIS仪器，安装了改进的镍氢电池，安装了WFC3和宇宙起源光谱仪，能够满足未来10多年的观测需要。由于航天飞机已经退役，哈勃望远镜如果再出现问题，那就只能关闭故障仪器，直到无法观测为止。从目前看，哈勃上的光路和4大仪器都保持较好的状态，在可见光和紫外，近红外波段上都没有出现较大的故障，头条独家的宇宙印象认为，哈勃还能继续工作10年以上，经过3次升级的广域行星相机应该不会出现较大问题，ACS和STIS仪也都有较高的可靠性，在未来10年还能继续为观测服务。如果美国载人航天恢复，完全可以通过人货分离的模式对哈勃进行维修，随着发射成本的降低，哈勃的寿命有望更长，毕竟主镜面和副镜，以及整个光路都不存在故障自身故障风险，除非镜面被陨石穿透砸破了，否则可能出问题的就是仪器。哈勃的仪器是模块化安装，可以拆卸和更换，因此哈勃的理论寿命是很长的。宇宙印象为今日头条独家，其他均为假冒，转载均为非法。
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