哈勃空间望远镜的遗产：30年的伟大发现和珍贵图像

目录

序言  x

引言  1

工程技术与历史  10

科学发现  36

太阳系  39

恒星  73

星云  103

星系  135

遥远的宇宙  167

超越哈勃空间望远镜  188

注解和延伸阅读  196

索引  200

致谢  204

吉姆·贝尔是美国亚利桑那州立大学地球和太空探索学院的教授，也是美国宇航局喷气推进实验室的客座科学家。他曾大力参与美国宇航局的机器人太空探索任务，包括近地小行星交会（NEAR）、火星探路者、火星探测器（“勇气”号、“机遇”号、“好奇”号和“火星2020”号）、火星奥德赛轨道器、火星勘测轨道器、月球勘测轨道器和普赛克小行星轨道器。贝尔还是行星学会的主席，并获得了美国天文学会2011年颁发的卡尔·萨根奖章。

朱进，北京天文馆馆长，南京大学天文系博士。曾在中国科学院北京天文台（后改为中国科学院国家天文台）工作，研究员。

王雨铃，北京天文馆专家。

2020年4月24日是哈勃空间望远镜升空30年的生日。在成功发射之后的30年时间里，哈勃望远镜拍摄了从我们所在的太阳系、银河系，一直到遥远宇宙中的各类天体的大量令人惊叹的图像。由于美国宇航局已经不再对哈勃望远镜进行维护，这个卓越的时间机器在不久的将来将有可能中止运行。为了铭记哈勃望远镜发射30周年以及它带给我们的所有新知，哈勃望远镜的用户以及太空摄影领域著名专家吉姆·贝尔教授在这部权威作品中通过涵盖天文学各个领域的壮观的高分辨率图像，介绍了哈勃望远镜令人震惊的新发现和最新研究成果，讨论了使得哈勃望远镜（包括它的维护和升级）如此成功的工程管理因素，并展望了哈勃空间望远镜的未来，以及最终将会取代它的更强大的空间望远镜。

自发射之日起的30年里，哈勃空间望远镜捕捉到了无数张令人叹为观止的图像，包括大量的行星、遥远的卫星、活跃的小行星、解体的彗星、爆炸的恒星、高耸的星云和碰撞的星系的照片。本书通过大量翔实的天文学知识和大幅清晰图像展示了以下内容：

● 壮观瑰丽的高分辨率图像，几乎为天文学的每个学科都***炸，并且不断膨胀，形成了今天通过望远镜所观测到的星系结构，这使我们的

视野远远超出了人类祖先所能到达的范围。黑洞散布于宇宙，行星绕着我们在夜空

中看到的几乎所有的恒星转圈儿，我们把这些知识归功于将毕生精力用于研究通过

地面和空间望远镜获得的大量数据的那些天文学家，以及建设天文观测台站的

那些心灵手巧的工程师和技术人员。哈勃空间望远镜就是这样一个空间天文台，在

天文探索历史上占据特殊地位。鉴于使用它所得到的发现的深度和广度，哈勃望远

镜也许堪称有史以来建造的最重要的科学设备。在庆祝哈勃望远镜1990年发射30周

年之际，我们也一并庆贺人类在追求知识进程中非凡的探索之旅。

哈勃空间望远镜的观测有助于回答一些古老的问题，比如：我们从哪里来？物

质、恒星、行星、星系以及构成我们的化学元素都来自哪里？我们要到哪里去？太

阳系的未来轨迹会是什么？太阳的未来和宇宙中星系的命运又会是什么？黑洞存在

吗？（存在！）在邻近恒星的周围有行星吗？（有！）

在哈勃望远镜最显著的成就面前，整个学科在某种程度上都显得有些逊色：它

的相机所拍摄的照片告诉我们，宇宙远比我们想象的更加精彩和丰富。本书通篇呈

现给大家的这些熟悉的照片鼓舞了全世界人民，激励着我们的斗志，激发起我们的

好奇。

哈勃空间望远镜这辉煌和令人赞叹的30年充满着不确定性。实际上，在它1990

年搭载“发现”号航天飞机发射之后，望远镜就显现败局，几乎没有成功的希望。

直径2.4米的主镜制造过程中的一个小的缺陷预示了这台标志性望远镜

的黯淡前景，图像模糊不清，天文学家担心这次任务几乎会完败。美国政府对这台

望远镜的投资高达数十亿美元，因此国会对哈勃望远镜光学系统方面的差错感到非

常为难和恼怒。更糟糕的是，哈勃望远镜成了深夜电视节目里的笑柄和社论漫画家

的素材。幸运的是，对我们所有人来说，这并不是故事的结束，而是一场精彩纷呈

的旅行的开始，这趟旅程不仅拯救了哈勃望远镜，而且超越了它被建造时所能想象

到的所有东西的视野。

在当时美国宇航局领导的支持下，那些卓越的哈勃空间望远镜设计师意识到，

航天飞机将望远镜送入轨道的独特技能也可以用于后续任务中宇航员对望远镜的维

修，由此航天飞机启动了一项受到最为广泛的赞誉和认可的用途——修复和维护哈

勃空间望远镜。1993年的第一次维修任务是通过“奋进”号航天飞机搭载新的仪

器和矫正光学元件来“撤销”哈勃望远镜主镜的错误设计（见第4页和第5页）。如

果当时说美国宇航局和载人航天计划的未来生死未卜也并非耸人听闻。令人欣慰的

是，虽然存在许多技术和人力方面的挑战，但这次任务取得了举世瞩目的成功。在

1993年至2009年间，针对哈勃望远镜执行了5次任务，每一次都充满了对参与其中

的工程师、科学家、技术人员、管理人员和宇航员的聪明才智和顽强毅力的挑战。

我荣幸之至地参与执行了5次任务中的3次，通过太空行走完成了望远镜的升级和维

修任务。

1997年，我被指派执行我的第三次太空飞行任务，也是哈勃望远镜的第三次维

修任务。对一个天体物理学家来说，这是航天飞机使命的“终极梦想”。我们制定

了一个破纪录的6次太空行走计划，以便对几个哈勃望远镜天文观测系统实施总检

修，并安装一个新的高分辨率相机。仅仅两年之后，哈勃望远镜就呈现给我们一个

新的挑战。到1999年，望远镜的陀螺仪有一半出现了故障，观测宇宙的哈勃望远镜

之眼随时有关闭的危险。因此在同年12月，我们乘坐“发现”号航天飞机与哈勃望

远镜会合，通过3次太空行走实施了1次缩减版的救援任务。在那次任务中，我们安

装了一些新的陀螺仪、一台新的计算机和其他设备以维持哈勃望远镜的运行。这次

任务包括了我的第一次太空行走，给我提供了一次独自与哈勃望远镜近距离接触的

机会。在1999年的12月24日，我有幸与我的搭档史蒂文·史密斯进行了我的最后一次

太空行走，12月25日，我们推放出哈勃望远镜，使它得以继续完成发现、探索

和观测天空的使命。我无法想象，对人类来讲，还有比正常运转的哈勃望远镜更好

的礼物吗？

继那次成功执行任务之后，我被任命为有效载荷指挥官，领导指挥2002年在“哥伦

比亚”号航天飞机上的一项太空行走任务。这项任务旨在完成原本的

第三次维修工作，这次任务由于陀螺仪出现故障而被迫中断。在这次任务中，我们

为哈勃望远镜安装了一台新的高分辨率数码相机——高端巡天相机。这台了不起的

相机后来拍摄的数据被用以证实“宇宙”正在加速，帮助亚当·里斯、布莱恩·施

密特和索尔·帕尔穆特获得了2011年诺贝尔物理学奖。然而，在哈勃望远镜能够做

出这一贡献之前，我们得修复它的主电源控制单元。如果我们不去修复，哈勃望远

镜最终会永久地停止运行。但是，这次维修工作远远超越了我们曾经在太空中尝试

过的任何事情，如果我们做不好，哈勃望远镜可能会马上失灵。幸亏有位于马里兰

州的美国宇航局戈达德航天飞行中心（GSFC）的足智多谋的工程师们，以及位于

休斯敦的美国宇航局约翰逊航天中心令人惊叹的太空行走教官和操作团队，我们才

得以完成几乎不可能实现的目标，并在第三次太空行走中更换了出现故障的单元。

我和我的太空行走搭档理查德·林纳汉共同完成了维修任务，他是名兽医。哈勃望远

镜又躲过了一颗***，再次恢复正常运转。

不幸的是，2003年在一次成功的科学任务之后，“哥伦比亚”号航天飞机于返

回地球时失事，这对美国宇航局、航天界和公众都是一个打击。这不禁令人怀疑针

对哈勃望远镜的最后的第五次维修任务是否能够按计划实施。与去往国际空间站的

飞行任务不同，针对哈勃望远镜的飞行任务没有任何机会逗留在“避风港”里。经

过多次辩论后，最后一架航天飞机做好了飞行的准备。我又一次被指派去领导指挥

太空行走团队完成一个包含5次太空行走的系列任务。航天飞机指挥官斯科特·奥

尔特曼和机械工程师迈克尔·马西米诺都被派来执行任务，他们两人都曾和我一起

执行过先前的哈勃望远镜任务。和我们一起的还有首飞宇航员梅根·麦克阿瑟、德

鲁·弗伊斯特尔（我的太空行走搭档）、格雷戈里·约翰逊和迈克尔·古德。为了

减少我们机组人员被困太空的风险，第二架航天飞机“奋进”号在第二个发射台上

随时待命，以防我们需要救援。

我们在“亚特兰蒂斯”号航天飞机上执行的任务相当费力。我们需要安装第三

代宽视场相机、新电池、一整套新的陀螺仪和一个新的精密导星传感器，同时还要

维修出现故障的空间望远镜成像光谱仪（STIS）和那架了不起的高端巡天相机。由工程师、

飞行控制员、发射小组、其他技术人员和支持人员组成的天才团队，又一次完美无

瑕地完成了任务，我们实现了所有的目标，而且更多。2009年5月19日，当我们把

哈勃望远镜放回它的轨道时，哈勃望远镜正处于它在太空期间的最佳状态。有了修

好的仪器和新的宽视场相机，这架装备精良的望远镜即将解开更多的宇宙奥秘。

当哈勃望远镜最初被推放到太空时，很少有人能想到它会在轨道上待30年。最

初对它使用年限的估算是15年。如果不是维修任务的成功，哈勃望远镜永远也无法

实现它的科学探索和发现，哪怕只是很微小的一部分。从有缺陷的镜面修正到出现

故障的陀螺仪，到损坏的相机，到故障电力系统，再到更多，来自地球的和太空中

的一次又一次的维修尝试至关重要。作为太空时代最“胆大包天”、技术最复杂的

一种尝试，哈勃望远镜的5次维修任务将会永载史册。

如果没有哈勃空间望远镜，世界上将近一半的人口从来不会获知有另外一个世界。

当我们凝视着哈勃望远镜拍摄的精彩绝伦的图像时，我们已经记不起先前的失望、

烦恼或挑战了。我们欣赏的是由哈勃望远镜所揭示的宇宙之美。尽管望远镜的未来

越来越不确定，但它的贡献是无可置疑的。后续的文字既是对这些贡献的赞颂，同

时也是对这个打动了我们所有人的望远镜所做出的发现的一个记录。

·原版书与哈勃望远镜发射30周年纪念日一起发布（2020年4月24日）。

·本书作者、哈勃望远镜的活跃使用者吉姆·贝尔博士是太空摄影领域最重要的专家之一，曾参与美国宇航局项目，包括火星探测器（“勇气”号、“机遇”号、“好奇”号和“火星2020”号）和近地小行星交会（NEAR）。

·本书是给休闲和痴迷的天文爱好者的完美礼物。

·当哈勃望远镜最终退役并“返回”地球时，可能会有第二次生命，预计它会在重新进入地球时分解。

媒体评论

“除了对哈勃空间望远镜的挫折和成功的清晰描述外，吉姆·贝尔还收集了一系列令人惊叹的宇宙照片。本书里你可了解天文学家的精彩工作和奉献。” ——比尔·奈，行星学会CEO

“翻阅本书中精彩呈现的令人惊叹的哈勃望远镜图像时，你会禁不住不时地停下来敬畏地摇头赞叹。吉姆·贝尔所写的描述文字同样生动丰富。总而言之，这本咖啡桌边书是对哈勃空间望远镜诞生30周年的精彩庆祝。” ——《天空与望远镜》（Sky & Telescope）