哈勃空間望遠鏡（英語：Hubble Space Telescope，縮寫：HST）是以美國天文學家愛德溫·哈勃為名，於1990年4月24日成功發射，位與地球的大氣層之上的光學望遠鏡。
2019年5月，哈勃太空望遠鏡科學家公布了最新的宇宙照片——“哈勃遺產場”(HLF)，這是迄今最完整最全面的宇宙圖譜，由哈勃在16年間拍攝的7500張星空照片拼接而成，包含約265000個星系，其中有些已至少133億歲“高齡”，對其進行研究有助於科學家深入了解更早的宇宙歷史。
基本介紹
研製歷程,理論基礎,前期準備,設計製造,發射歷程,在軌運行,攜帶儀器,維修維護,參數特點,科研成果,問題和維修,簡介,存在問題,價值意義,設備評價,
研製歷程
理論基礎
哈勃空間望遠鏡的歷史可以追溯至1946年天文學家萊曼·斯皮策（Lyman Spitzer, Jr.）所提出的論文：《在地球之外的天文觀測優勢》。在文中，他指出在太空中的天文台有兩項優於地面天文台的性能。首先，角解析度（物體能被清楚分辨的最小分離角度）的極限將只受限於衍射，而不是由造成星光閃爍、動盪不安的大氣所造成的視象度。在當時，以地面為基地的望遠鏡解析力只有0.5-1.0弧秒，相較下，只要口徑2.5米的望遠鏡就能達到理論上衍射的極限值0.1弧秒。其次，在太空中的望遠鏡可以觀測被大氣層吸收殆盡的紅外線和紫外線。
斯皮策以空間望遠鏡為事業，致力於空間望遠鏡的推展。在1962年，美國國家科學院在一份報告中推薦空間望遠鏡做為發展太空計畫的一部分，在1965年，斯皮策被任命為一個科學委員會的主任委員，該委員會的目的就是建造一架空間望遠鏡。
在第二次世界大戰時，科學家利用發展火箭技術的同時，曾經小規模的嘗試過以太空為基地的天文學。在1946年，首度觀察到了太陽的紫外線光譜。英國在1962年發射了太陽望遠鏡放置在軌道上，做為亞利安太空計畫的一部分。1966年NASA進行了第一個軌道天文台（OAO）任務，但第一個OAO的電池在三天后就失效，中止了這項任務了。第二個OAO在1968至1972年對恆星和星系進行了紫外線的觀測，比原先的計畫多工作了一年的時間。
軌道天文台任務展示了以太空為基地的天文台在天文學上扮演的重要角色，因此在1968年NASA確定了在太空中建造直徑3米反射望遠鏡的計畫，當時暫時的名稱是大型軌道望遠鏡或大型空間望遠鏡（LST），預計在1979年發射。這個計畫強調須要有人進入太空進行維護，才能確保這個所費不貲的計畫能夠延續夠長的工作時間；並且同步發展可以重複使用的太空梭技術，才能使前項計畫成為可行的計畫。
前期準備
軌道天文台計畫的成功，鼓舞了越來越強的公眾輿論支持大型空間望遠鏡應該是天文學領域內重要的目標。在1970年NASA設立了兩個委員會，一個規劃空間望遠鏡的工程，另一個研究空間望遠鏡任務的科學目標。在這之後，NASA下一個需要排除的障礙就是資金的問題，因為這比任何一個地面上的天文台所耗費的資金都要龐大許多倍。美國的國會對空間望遠鏡的預算需求提出了許多的質疑，為了與裁軍所需要的預算對抗，當時就詳細的列出瞭望遠鏡的硬體需求以及後續發展所需要的儀器。在1974年，在裁減政府開支的鼓動下，傑拉爾德·福特剔除了所有進行空間望遠鏡的預算。
為回應此，天文學家協調了全國性的遊說努力。許多天文學家親自前往拜會眾議員和參議員，並且進行了大規模的信件和文字宣傳。國家科學院出版的報告也強調空間望遠鏡的重要性，最後參議院決議恢復原先被國會刪除的一半預算。
資金的縮減導致目標項目的減少，鏡片的口徑也由3米縮為2.4米，以降低成本和更有效與緊密的配置望遠鏡的硬體。原先計畫做為先期測試，放置在衛星上的1.5米空間望遠鏡也被取消了，對預算表示關切的歐洲空間局也成為共同合作的夥伴。歐洲空間局同意提供經費和一些望遠鏡上需要的儀器，像是做為動力來源的太陽能電池，回饋的是歐洲的天文學家可以使用不少於15%的望遠鏡觀測時間。在1978年，美國國會撥付了36,000,000元美金，讓大型空間望遠鏡開始設計，並計畫在1983年發射升空。
在1980年初，望遠鏡被命為哈勃，以紀念在20世紀初期發現宇宙膨脹的天文學家艾德溫·哈勃。
設計製造
1979年5月，在康乃狄克州丹柏立的珀金埃爾默公司拋光中的哈勃主鏡。出現在圖中的是服務於該公司的工程師馬丁椰林博士。
空間望遠鏡的計畫一經批准，計畫就被分割成許多子計畫分送各機關執行。馬歇爾太空飛行中心（MSFC）負責設計、發展和建造望遠鏡，金石太空飛行中心（GSFC）負責科學儀器的整體控制和地面的任務控制中心。馬歇爾太空飛行中心委託珀金埃爾默（Perkin-Elmer）設計和製造空間望遠鏡的光學組件，還有精密定位感測器（FGS），洛克希德被委託建造安裝望遠鏡的太空船。
- 光學望遠鏡的組合安裝（OTA）
望遠鏡的鏡子和光學系統是最關鍵的部分，因此在設計上有很嚴格的規範。一般的望遠鏡，鏡子在拋光之後的準確性大約是可見光波長的十分之一，但是因為空間望遠鏡觀測的範圍是從紫外線到近紅外線，所以需要比以前的望遠鏡更高十倍的解析力，它的鏡子在拋光後的準確性達到可見光波長的廿分之一，也就是大約30納米。
珀金埃爾默刻意使用極端複雜的電腦控制拋光機研磨鏡子，但卻在最尖端的技術上出了問題；柯達被委託使用傳統的拋光技術製做一個備用的鏡子（柯達的這面鏡子現在永久保存在史密松寧學會）。1979年，珀金埃爾默開始磨製鏡片，使用的是超低膨脹玻璃，為了將鏡子的重量降至最低，採用蜂窩格子，只有表面和底面各一吋是厚實的玻璃。
鏡子的拋光從1979年開始持續到1981年5月，拋光的進度已經落後並且超過了預算，這時NASA的報告才開始對珀金埃爾默的管理結構質疑。為了節約經費，NASA停止支援鏡片的製作，並且將發射日期延後至1984年10月。鏡片在1981年底全部完成，並且鍍上了75 nm厚的鋁增強反射，和25 nm厚的鎂氟保護層。
因為在光學望遠鏡組合上的預算持續膨脹，進度也落後的情況下，對珀金埃爾默能否勝任後續工作的質疑繼續存在。為了回應被描述成"未定案和善變的日報表"，NASA將發射的日期再延至1985年的4月。但是，珀金埃爾默的進度持續的每季增加一個月的速率惡化中，時間上的延遲也達到每個工作天都在持續落後中。NASA被迫延後發射日期，先延至1986年3月，然後又延至1986年9月。這時整個計畫的總花費已經高達美金11億7500萬。
- 太空平台系統
安置望遠鏡和儀器的太空船是主要工程上的另一個挑戰。它必須能勝任與抵擋在陽光與地球的陰影之間頻繁進出所造成的溫度變化，還要極端地穩定並能長時間的將望遠鏡精確地對準目標。以多層絕緣材料製成的遮蔽物能使望遠鏡內部的溫度保持穩定，並且以輕質的鋁殼包圍住望遠鏡和儀器的支架。在外殼之內，石墨環氧的框架將校準好的工作儀器牢固的固定住。
有一段時間用於安置儀器和望遠鏡的太空船在建造上比光學望遠鏡的組合來得順利，但洛克希德仍然經歷了預算不足和進度的落後，在1985年的夏天之前，太空船的進度落後了個月，而預算超出了30%。馬歇爾太空飛行中心的報告認為洛克希德在太空船的建造上沒有採取主動，而且過度依賴NASA的指導。
- 地面支持
在1983年，空間望遠鏡科學協會（STScI）在經歷NASA與科學界之間的權力爭奪後成立。空間望遠鏡科學協會隸屬於美國大學天文研究聯盟（AURA），這是由32個美國大學和7個國際會員組成的單位，總部坐落在馬里蘭州巴爾地摩的約翰·霍普金斯大學校園內。
空間望遠鏡科學協會負責空間望遠鏡的操作和將數據交付給天文學家。美國國家航空航天局（NASA）想將之做為內部的組織，但是科學家依據科學界的做法將之規劃創立成研究單位，由NASA位在馬里蘭州綠堤，空間望遠鏡科學協會南方48千米的哥達德太空飛行中心和承包廠商提供工程上的支援。哈勃望遠鏡每天24小時不間斷的運作，由四個工作團隊輪流負責操作。
空間望遠鏡歐洲協調機構於1984年設立在德國鄰近慕尼黑的Garching bei München，為歐洲的天文學家提供相似的支援。
發射歷程
1990年4月24日，在美國甘迺迪航天中心由“發現者”號太空梭成功發射，哈勃太空望遠鏡的主要任務是：探測宇宙深空，解開宇宙起源之謎，了解太陽系、銀河系和其他星系的演變過程。
早在1986年，就已經計畫在當年10月份發射哈勃空間望遠鏡。但是挑戰者號的事故使美國的太空計畫停滯不前，太空梭的暫停升空，迫使哈勃空間望遠鏡的發射延遲了數年。望遠鏡和所有的附屬檔案都必須分門別類的儲藏在無塵室內，直到能夠排出發射的日期，這也使得已經超支的總成本更為高漲。
最後，隨著太空梭在1988年再度開始升空，望遠鏡也預定在1990年發射。在發射前的最後準備，用氮氣噴射鏡面以除去可能累積的灰塵，並且對所有的系統進行廣泛的測試。終於，在1990年4月24日由發現號太空梭，於STS-31航次將望遠鏡成功的送入計畫中的軌道。
從它原始的總預算，大約4億美金，到現在的花費超過25億美金，哈勃的成本依然在不斷的累積與增高。美國政府估計的開銷將高達45至60億美金，歐洲所挹注的資金也高達6億歐元（1999年的估計）。
在軌運行
攜帶儀器
在發射時，哈勃空間望遠鏡攜帶的儀器如下：
- 廣域和行星照相機（WF/PC）
- 戈達德高解析攝譜儀（GHRS）
- 高速光度計（HSP）
- 暗天體照相機（FOC）
- 暗天體攝譜儀（FOS）
WF/PC原先計畫是光學觀測使用的高解析度照相機。由NASA的噴射推進實驗室製造，附有一套由48片光學濾鏡組成，可以篩選特殊的波段進行天體物理學的觀察。整套儀器使用8片CCD，做出了兩架照相機，每一架使用4片CCD。"廣域照相機"（WFC）因為視野較廣，在解像力上有所損失，而"行星照相機"（PC）以比WFC長的焦距成像，所以有較高的放大率。
GHRS是被設計在紫外線波段使用的攝譜儀，由哥達德太空中心製造，可以達到90,000的光譜解析度，同時也為FOC和FOS選擇適宜觀測的目標。FOC和FOS都是哈勃空間望遠鏡上解析度最高的儀器。這三個儀器都捨棄了CCD，使用數位光子計數器做為檢測裝置。FOC是由歐洲空間局製造，FOS則由馬丁·瑪麗埃塔公司製造。
最後一件儀器是由威斯康辛麥迪遜大學設計製造的HSP，它用於在可見光和紫外光的波段上觀測變星，和其他被篩選出的天體在亮度上的變化。它的光度計每秒鐘可以偵測100,000次，精確度至少可以達到2%。
哈勃空間望遠鏡的導引系統也可以做為科學儀器，它的三個精細導星感測器（FGS）在觀測期間主要用於保持望遠鏡指向的準確性， 但也能用於進行非常準確的天體測量，測量的精確度達到0.0003弧秒。
維修維護
- 第一次維修/維護
1993年，太空人在哈勃第一次維修任務中移除了廣角和行星照相儀，並安裝了功能更強大的“後繼者”——2號廣角和行星照相儀。
- 第二次維修/維護
1997年2月11日凌晨，美國7名太空人搭乘“發現”號太空梭升空， 對在太空飛行了7年的“哈勃”太空望遠鏡進行改造。從2月13日深夜到18日凌晨，太空人為“哈勃”更換了包括近紅外照相機、多目標分光儀和太空望遠鏡圖像攝譜儀在內的11種新設備，並修補瞭望遠鏡上部分剝落的絕緣層。
- 第三次維修/維護
第三次維護任務仍然由發現號在1999年12月的STS-103航次中執行。在這次維護中更換了全部的六台陀螺儀，也更換了一個精細導星感測器和計算器，安裝一套組裝好的電壓/溫度改善工具(VIK)以防止電池的過熱，並且更換絕熱的毯子。
- 第四次維修/維護
2001年，科學家利用美國“哥倫比亞”號太空梭對哈勃望遠鏡進行的第四次維修，安裝測繪照相機，更換太陽能電池板以及已工作11年的電力控制裝置，並激活了休眠狀態的近紅外照相機和多目標分光計。
- 第五次維修/維護
2009年，美國利用太空梭對哈勃望遠鏡進行了維護。太空人為哈勃安裝了兩套全新的儀器：宇宙起源光譜儀（COS）和寬視場相機3，對望遠鏡的另外兩台儀器——高級巡天相機（ACS）和太空望遠鏡成像光譜儀（STIS）進行了現場維修，此外，還用新電池替換了哈勃用了18年的舊電池，安裝了6個負責望遠鏡指向的新陀螺儀，並添加了一套全新的精細制導系統來幫助望遠鏡指向正確的方向。
參數特點
哈勃望遠鏡口徑為2.4米，長度約16米，帶有多種觀測暗弱天體的儀器，在地面之上約640公里的軌道上環繞地球，巡視宇宙。由於它位於大氣層之上，不像地面望遠鏡飽受大氣湍流擾動的影響，極大地拓展了人們對宇宙的了解。
科研成果
- 哈勃太空望遠鏡在前7年服役期間取得的主要成就
1.增進了人類對宇宙大小和年齡的了解。2.證明某些宇宙星系中央存在超高質量的黑洞以及多數星系的中心都可能存在黑洞。3.在可見光譜範圍內，對宇宙進行了最深入的研究，觀察了數千個星系，探測到了宇宙誕生早期的“原始星系”，使天文學家有可能跟蹤研究宇宙發展的歷史。4.清楚展現了銀河系中類星體這種最明亮的天體存在的環境。5.更清晰地闡述了恆星形成的不同過程。6.對宇宙誕生早期恆星形成過程中重元素的組成進行了研究，這些元素是行星和生命存在的必要條件。7.展示了死亡恆星周圍氣體殼的複雜組成。8.對獵戶星雲中年輕恆星周圍的許多塵埃碟進行了探測，說明地球所在的銀河系還有可能形成其他行星系統。9.對千載難逢的慧木相撞進行了詳細觀測。10.對火星等太陽系行星上 的氣候民政部進行了研究。11.發現木星衛星木衛二和木衛三的大氣層中存在氧氣。
哈勃太空望遠鏡發現了一顆滾燙的“橄欖球”狀系外行星。這顆行星因為距離恆星太近而被撕扯、加熱，大氣也正在加速逃逸，整顆行星處於被吞噬的邊緣。這顆行星與恆星的距離過於近，處在被潮汐力撕裂的邊緣。這種“死亡擁抱”已經讓它扭曲變形為橄欖球狀，高空大氣溫度超過2500攝氏度。
2020年1月，一個國際天文學家團隊利用美國哈勃太空望遠鏡發現了迄今已知的最遙遠、最古老的星系群。這個三重星系群被稱為EGS77。更重要的是，觀測表明這個三重星系群參與了宇宙初期被稱為“再電離”的改造過程。EGS77大約誕生於宇宙大爆炸後6.8億年時，當時宇宙年齡還不足現今138億歲的5%。
問題和維修
從它於1946年的原始構想開始，直到發射為止，建造空間望遠鏡的計畫不斷的被延遲和受到預算問題的困擾。在它發射之後，立即發現主鏡有球面像差，嚴重的降低瞭望遠鏡的觀測能力。幸好在1993年的維修任務之後，望遠鏡恢復了計畫中的品質，並且成為天文學研究和推展公共關係最重要的工具。
哈勃的未來依靠後續的維修任務是否成功，維持穩定的幾個陀螺儀已經損壞，至2007年，連備用的也已經耗盡，而且另一架用於指向的望遠鏡功能也在衰減中。陀螺儀必須要以人工進行維修，在2007年1月30日，主要的先進巡天照相機（ACS）也停止工作，在執行人工維修之前，只有超紫外線的頻道能夠使用。另一方面，如果沒有再提升來增加軌道高度，阻力會迫使望遠鏡在2010年重返大氣層。自從2003年太空梭哥倫比亞不幸事件之後，由於國際太空站和哈勃不在相同的高度上，使得太空人在緊急狀況下缺乏安全的避難場所，因而NASA認為以載人太空任務去維修哈勃望遠鏡是不合情理的危險任務。NASA在重新檢討之後，執行長麥克格里芬在2006年10月31日決定以亞特蘭大進行最後一次的哈勃維修任務，任務的時間安排在2008年9月11日，基於安全上的考量，屆時將會讓發現號在LC-39B發射台上待命，以便在緊急情況時能提供救援。計畫中的維修將能讓哈勃空間望遠鏡持續工作至2013年。如果成功了，後繼的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（JWST）應該已經發射升空，可以銜接得上任務了。韋伯空間望遠鏡在許多研究計畫上的功能都遠超過哈勃，但將只觀測紅外線，因此在光譜的可見光和紫外線領域內無法取代哈勃的功能。
簡介
哈勃空間望遠鏡（英語：Hubble Space Telescope，HST），是以天文學家愛德溫·哈勃為名，在地球軌道的望遠鏡。哈勃望遠鏡接收地面控制中心（美國馬里蘭州的霍普金斯大學內）的指令並將各種觀測數據通過無線電傳輸回地球。由於它位於地球大氣層之上，因此獲得了地基望遠鏡所沒有的好處：影像不受大氣湍流的擾動、視相度絕佳，且無大氣散射造成的背景光，還能觀測會被臭氧層吸收的紫外線。於1990年發射之後，已經成為天文史上最重要的儀器。它成功彌補了地面觀測的不足，幫助天文學家解決了許多天文學上的基本問題，使得人類對天文物理有更多的認識。此外，哈勃的超深空視場則是天文學家目前能獲得的最深入、也是最敏銳的太空光學影像。
哈勃空間望遠鏡和康普頓γ射線天文台、錢德拉X光天文台、斯皮策空間望遠鏡都是美國國家航空航天局大型軌道天文台計畫的一部分。哈勃空間望遠鏡由NASA和ESA合作共同管理。
存在問題
- 鏡片瑕疵
在望遠鏡發射數星期之後，傳回來的圖片顯示在光學系統上有嚴重的問題。雖然，第一張圖像看起來比地基望遠鏡的明銳，但望遠鏡顯然沒有達到最佳的聚焦狀態，獲得的最佳圖像品質也遠低於當初的期望。點源的影像被擴散成超過一弧秒半徑的圓，而不是在設計準則中的標準：集中在直徑0.1 弧秒之內，有同心圓的點瀰漫函式圖像。
對圖樣缺陷的分析顯示，問題的根源在主鏡的形狀被磨錯了。鏡面邊緣太平了一些，與需要的位置差了約2.2微米，但這個差別造成的是災難性的、嚴重的球面像差。來自鏡面邊緣的反射光，不能聚集在與中央的反射光相同的焦點上。
鏡子的瑕疵造成的作用是在科學觀察的核心觀測上，核心像差的PSF要足夠的明銳到足以進行高解析的分辨，但對明亮的天體和光譜分析是不受影響的。雖然，在外圍損失大片的光因為不能匯聚在焦點上而造成暈像，嚴重的減損瞭望遠鏡觀察暗天體或高反差影像的能力。這意味著幾乎所有對宇宙學的研究計畫都不能執行，因為它們都是非常暗弱的觀測對象。美國國家航空航天局和哈勃空間望遠鏡成為許多笑話的箭靶，並且被認為是大白象（花費大而無用的東西）。
- 問題的根源
從點源的圖像往回追溯，天文學家確定鏡面的圓錐常數是−1.01324，而不是原先期望的−1.00230。通過分析珀金埃爾默的零校正器（精確測量拋光曲面的儀器）和分析在地面測試鏡子的干涉圖影像，也獲得了相同的數值。
由噴射推進實驗室主任，亞倫領導的委員會，確定了錯誤是如何發生的。亞倫委員會發現珀金埃爾默使用的零校正器在裝配上發生了錯誤，它的向場透鏡位置偏差了 1.3 毫米。
在拋光鏡子的期間，珀金埃爾默使用另外二架零校正器，兩者都（正確的）顯示鏡子有球面像差。這些測試都是為確實消除球面像差而設計的，不顧品管檔案的指導，公司認為這二架零校正器的精確度不如主要的設備，而忽略了測試的結果。
委員會指出失敗的主因是珀金埃爾默。由於進度表頻繁更動造成的損耗和望遠鏡製造費用的超支，造成了在美國航空暨太空總署和光學公司之間的關係極度的緊張。美國航空暨太空總署發現珀金埃爾默並不認為鏡子的製做在他們的業務中是關鍵性的困難工作，而美國航空暨太空總署也未能在拋光之前善盡本身的職責。在委員會沉痛的批評珀金埃爾默在管理上的不當與缺失的同時，美國航空暨太空總署也被非議未善盡品管的責任，與不該只依賴唯一一架儀器的測試結果。
- 解決方案
在望遠鏡的設計中原本就規劃了維修的任務，所以天文學家立刻就開始尋找可以在1993年，預定進行第一次維修任務時解決問題的方案。讓柯達再為哈勃製作備用鏡在軌道上進行更換太昂貴且耗費時間，臨時將望遠鏡帶回地面上修理也不可能。相反，鏡片錯誤的形狀已經被精確的測量出來，因此可以設計一個有相同的球面像差，但功效相反的光學系統來抵消錯誤。也就是在第一次的維修任務中為哈勃配上一副能改正球面像差的眼鏡。
由於原本儀器的設計方式，必須要兩套不同的校正儀器。廣域和行星照相機的設計包括轉動的鏡片和直接進入兩架照相機的8片獨立CCD晶片的光線，可以用一個反球面像差的鏡片完全的消除掉它們表面上的主要變形。修正鏡被固定在替換的第二代廣域和行星照相機內（由於進度和預算的壓力，只修正4片CCD而不是8片）。但是，其他的儀器就缺乏任何可以安置的中間表面，因此必須要一個外加的修正裝置。
- COSTAR
設計用來改正球面像差的儀器稱為“空間望遠鏡光軸補償校正光學”（COSTAR），基本上包含兩個在光路上的鏡子，其中一個將球面像差校正過來，光線被聚焦給暗天體照相機、暗天體光譜儀和高達德高解析攝譜儀。為了提供COSTAR在望遠鏡內所需要的位置，必須移除其中一件儀器，天文學家的選擇是犧牲高速光度計。
在哈勃任務的前三年期間，在光學系統被修正到合適之前，望遠鏡依然執行了大量的觀測。光譜的觀測未受到球面像差的影響，但是許多暗弱天體的觀測因為望遠鏡的表現不佳而被取消或延後。儘管受到了挫折，樂觀的天文學家在這三年內熟練的運用影像處理技術，例如反折績（影像重疊）得到許多科學上的進展。
價值意義
哈勃望遠鏡於1990年發射，20多年來，一直在源源不斷地將美麗的宇宙圖像傳回地球。（央廣網）
哈勃太空望遠鏡升空27年以來，取得了許多突破性發現，不斷帶給我們驚喜，讓我們有幸能觸碰億萬光年外的神秘。（中國青年網 評）
截至2015年3月，哈勃太空望遠鏡已經環繞地球飛行25年，它捕捉到的照片正從根本上改變著我們對宇宙的認識。（新華網）
截至2009年，自美國“哈勃”太空望遠鏡1990年發射升空以來，共有20多個國家的2000多名科學家利用這隻“太空眼”進行了11萬多次天文觀測，並在分析觀測數據的基礎上撰寫1346篇論文。（中國網）
設備評價
哈勃太空望遠鏡耗資達21億美元，從初步構想的提出、設計到建造完成，時間跨度達40多年。（科普中國）
