哈勃空間望遠鏡的遺產：30年的偉大發現和珍貴圖像（簡體書）

自發射之日起的30年裡，哈勃空間望遠鏡捕捉到了無數張令人嘆為觀止的圖像，包括大量的行星、遙遠的衛星、活躍的小行星、解體的彗星、爆炸的恒星、高聳的星云和碰撞的星系的照片。本書通過大量翔實的天文學知識和大幅清晰圖像展示了以下內容：

● 壯觀瑰麗的高分辨率圖像，幾乎為天文學的每個學科都提供了信息

● 令人震驚的發現和哈勃的新研究成果

● 令哈勃望遠鏡（及其維護和升級）成為可能的工程技術

● 哈勃望遠鏡接下來怎麼辦，即將取代它的空間望遠鏡

哈勃望遠鏡使用者、著名太空攝影專家吉姆·貝爾教授擇取了哈勃望遠鏡30年來的珍貴圖像，詳細闡述了圖像背後的重大天文發現，以及這些天文現象的成因、發展和結果，不僅為我們科普了大量天文學知識，也為我們了解宇宙和人類未來提供了參考。

作者的文字專業而不失生動，一些難以理解的天文現象往往用現實的事物來類比，讓人輕鬆理解並為之震撼，沉浸在天文的廣闊浩瀚中。

原版書出版後，迅速成為美國亞馬遜五星圖書，同類書名列前茅，讀者好評如潮，並獲得了行星學會CEO比爾·奈和《天空與望遠鏡》（Sky & Telescope）雜志的專業書評推薦。

吉姆·貝爾是美國亞利桑那州立大學地球和太空探索學院的教授，也是美國宇航局噴氣推進實驗室的客座科學家。他曾大力參與美國宇航局的機器人太空探索任務，包括近地小行星交會（NEAR）、火星探路者、火星探測器（“勇氣”號、“機遇”號、“好奇”號和“火星2020”號）、火星奧德賽軌道器、火星勘測軌道器、月球勘測軌道器和普賽克小行星軌道器。貝爾還是行星學會的主席，並獲得了美國天文學會2011年頒發的卡爾·薩根獎章。

朱進，北京天文館館長，南京大學天文系博士。曾在中國科學院北京天文臺（後改為中國科學院國家天文臺）工作，研究員。

王雨鈴，北京天文館專家。

2020年4月24日是哈勃空間望遠鏡升空30年的生日。在成功發射之後的30年時間裡，哈勃望遠鏡拍攝了從我們所在的太陽系、銀河系，一直到遙遠宇宙中的各類天體的大量令人驚嘆的圖像。

由於美國宇航局已經不再對哈勃望遠鏡進行維護，這個卓越的時間機器在不久的將來將有可能中止運行。

為了銘記哈勃望遠鏡發射30周年以及它帶給我們的所有新知，哈勃望遠鏡的用戶以及太空攝影領域著名專家吉姆·貝爾教授在這部權威作品中通過涵蓋天文學各個領域的壯觀的高分辨率圖像，介紹了哈勃望遠鏡令人震驚的新發現和新研究成果，討論了使得哈勃望遠鏡（包括它的維護和升級）如此成功的工程管理因素，並展望了哈勃空間望遠鏡的未來，以及最終將會取代它的更強大的空間望遠鏡。

序 言

天體物理學家、宇航員、“哈勃空間望遠鏡維修宇航員”約翰·M.格倫斯菲爾德博士

幾千年來，人們仰望夜空，試圖從星星的排列以及月球、行星和偶爾出現的彗星在星空中的往復漫遊裡尋求意義。置身於現代社會並沒有改變我們對神秘宇宙的迷戀，反而使我們對宇宙本質的好奇有增無減。我們知道，宇宙誕生於138億年前的大爆炸，並且不斷膨脹，形成了今天通過望遠鏡所觀測到的星系結構，這使我們的視野遠遠超出了人類祖先所能到達的範圍。黑洞散布於宇宙，行星繞著我們在夜空中看到的幾乎所有的恒星轉圈兒，我們把這些知識歸功於將畢生精力用於研究通過地面和空間望遠鏡獲得的大量數據的那些天文學家，以及建設天文觀測臺站的

那些心靈手巧的工程師和技術人員。哈勃空間望遠鏡就是這樣一個空間天文臺，在天文探索歷史上占據特殊地位。鑒於使用它所得到的發現的深度和廣度，哈勃望遠鏡也許堪稱有史以來建造的最重要的科學設備。在慶祝哈勃望遠鏡1990年發射30周年之際，我們也一並慶賀人類在追求知識進程中非凡的探索之旅。

哈勃空間望遠鏡的觀測有助於回答一些古老的問題，比如：我們從哪裡來？物質、恒星、行星、星系以及構成我們的化學元素都來自哪裡？我們要到哪裡去？太陽系的未來軌跡會是什麼？太陽的未來和宇宙中星系的命運又會是什麼？黑洞存在嗎？（存在！）在鄰近恒星的周圍有行星嗎？（有！）

在哈勃望遠鏡最顯著的成就面前，整個學科在某種程度上都顯得有些遜色：它的相機所拍攝的照片告訴我們，宇宙遠比我們想象的更加精彩和豐富。本書通篇呈現給大家的這些熟悉的照片鼓舞了全世界人民，激勵著我們的斗志，激發起我們的好奇。

哈勃空間望遠鏡這輝煌和令人贊嘆的30年充滿著不確定性。實際上，在它1990年搭載“發現”號航天飛機發射之後，望遠鏡就顯現敗局，幾乎沒有成功的希望。直徑2.4米的主鏡製造過程中的一個小的缺陷預示了這臺標志性望遠鏡的黯淡前景，圖像模糊不清，天文學家擔心這次任務幾乎會完敗。美國政府對這臺望遠鏡的投資高達數十億美元，因此國會對哈勃望遠鏡光學系統方面的差錯感到非常為難和惱怒。更糟糕的是，哈勃望遠鏡成了深夜電視節目裡的笑柄和社論漫畫家的素材。幸運的是，對我們所有人來說，這並不是故事的結束，而是一場精彩紛呈的旅行的開始，這趟旅程不僅拯救了哈勃望遠鏡，而且超越了它被建造時所能想象到的所有東西的視野。

在當時美國宇航局領導的支持下，那些卓越的哈勃空間望遠鏡設計師意識到，

航天飛機將望遠鏡送入軌道的獨特技能也可以用於後續任務中宇航員對望遠鏡的維

修，由此航天飛機啟動了一項受到最為廣泛的贊譽和認可的用途——修復和維護哈

勃空間望遠鏡。1993年的第一次維修任務是通過“奮進”號航天飛機搭載新的儀

器和矯正光學元件來“撤銷”哈勃望遠鏡主鏡的錯誤設計（見第4頁和第5頁）。如

果當時說美國宇航局和載人航天計劃的未來生死未卜也並非聳人聽聞。令人欣慰的

是，雖然存在許多技術和人力方面的挑戰，但這次任務取得了舉世矚目的成功。在

1993年至2009年間，針對哈勃望遠鏡執行了5次任務，每一次都充滿了對參與其中

的工程師、科學家、技術人員、管理人員和宇航員的聰明才智和頑強毅力的挑戰。

我榮幸之至地參與執行了5次任務中的3次，通過太空行走完成了望遠鏡的升級和維

修任務。

1997年，我被指派執行我的第三次太空飛行任務，也是哈勃望遠鏡的第三次維

修任務。對一個天體物理學家來說，這是航天飛機使命的“終極夢想”。我們制定

了一個破紀錄的6次太空行走計劃，以便對幾個哈勃望遠鏡天文觀測系統實施總檢

修，並安裝一個新的高分辨率相機。僅僅兩年之後，哈勃望遠鏡就呈現給我們一個

新的挑戰。到1999年，望遠鏡的陀螺儀有一半出現了故障，觀測宇宙的哈勃望遠鏡

之眼隨時有關閉的危險。因此在同年12月，我們乘坐“發現”號航天飛機與哈勃望

遠鏡會合，通過3次太空行走實施了1次縮減版的救援任務。在那次任務中，我們安

裝了一些新的陀螺儀、一臺新的計算機和其他設備以維持哈勃望遠鏡的運行。這次

任務包括了我的第一次太空行走，給我提供了一次獨自與哈勃望遠鏡近距離接觸的

機會。在1999年的12月24日，我有幸與我的搭檔史蒂文·史密斯進行了我的最後一次

太空行走，12月25日，我們推放出哈勃望遠鏡，使它得以繼續完成發現、探索

和觀測天空的使命。我無法想象，對人類來講，還有比正常運轉的哈勃望遠鏡更好

的禮物嗎？

繼那次成功執行任務之後，我被任命為有效載荷指揮官，領導指揮2002年在“哥倫

比亞”號航天飛機上的一項太空行走任務。這項任務旨在完成原本的

第三次維修工作，這次任務由於陀螺儀出現故障而被迫中斷。在這次任務中，我們

為哈勃望遠鏡安裝了一臺新的高分辨率數碼相機——高端巡天相機。這臺了不起的

相機後來拍攝的數據被用以證實“宇宙”正在加速，幫助亞當·裡斯、布萊恩·施

密特和索爾·帕爾穆特獲得了2011年諾貝爾物理學獎。然而，在哈勃望遠鏡能夠做

出這一貢獻之前，我們得修復它的主電源控制單元。如果我們不去修復，哈勃望遠

鏡最終會永久地停止運行。但是，這次維修工作遠遠超越了我們曾經在太空中嘗試

過的任何事情，如果我們做不好，哈勃望遠鏡可能會馬上失靈。幸虧有位於馬裡蘭

州的美國宇航局戈達德航天飛行中心（GSFC）的足智多謀的工程師們，以及位於

休斯敦的美國宇航局約翰遜航天中心令人驚嘆的太空行走教官和操作團隊，我們才

得以完成幾乎不可能實現的目標，並在第三次太空行走中更換了出現故障的單元。

我和我的太空行走搭檔理乍得·林納漢共同完成了維修任務，他是名獸醫。哈勃望遠

鏡又躲過了一顆子彈，再次恢復正常運轉。

不幸的是，2003年在一次成功的科學任務之後，“哥倫比亞”號航天飛機於返

回地球時失事，這對美國宇航局、航天界和公眾都是一個打擊。這不禁令人懷疑針

對哈勃望遠鏡的最後的第五次維修任務是否能夠按計劃實施。與去往國際空間站的

飛行任務不同，針對哈勃望遠鏡的飛行任務沒有任何機會逗留在“避風港”裡。經

過多次辯論後，最後一架航天飛機做好了飛行的準備。我又一次被指派去領導指揮

太空行走團隊完成一個包含5次太空行走的系列任務。航天飛機指揮官斯科特·奧

爾特曼和機械工程師邁克爾·馬西米諾都被派來執行任務，他們兩人都曾和我一起

執行過先前的哈勃望遠鏡任務。和我們一起的還有首飛宇航員梅根·麥克阿瑟、德

魯·弗伊斯特爾（我的太空行走搭檔）、格雷戈裡·約翰遜和邁克爾·古德。為了

減少我們機組人員被困太空的風險，第二架航天飛機“奮進”號在第二個發射臺上

隨時待命，以防我們需要救援。

我們在“亞特蘭蒂斯”號航天飛機上執行的任務相當費力。我們需要安裝第三

代寬視場相機、新電池、一整套新的陀螺儀和一個新的精密導星傳感器，同時還要

維修出現故障的空間望遠鏡成像光譜儀（STIS）和那架了不起的高端巡天相機。由工程師、

飛行控制員、發射小組、其他技術人員和支持人員組成的天才團隊，又一次完美無

瑕地完成了任務，我們實現了所有的目標，而且更多。2009年5月19日，當我們把

哈勃望遠鏡放回它的軌道時，哈勃望遠鏡正處於它在太空期間的最佳狀態。有了修

好的儀器和新的寬視場相機，這架裝備精良的望遠鏡即將解開更多的宇宙奧秘。

當哈勃望遠鏡最初被推放到太空時，很少有人能想到它會在軌道上待30年。最

初對它使用年限的估算是15年。如果不是維修任務的成功，哈勃望遠鏡永遠也無法

實現它的科學探索和發現，哪怕只是很微小的一部分。從有缺陷的鏡面修正到出現

故障的陀螺儀，到損壞的相機，到故障電力系統，再到更多，來自地球的和太空中

的一次又一次的維修嘗試至關重要。作為太空時代最“膽大包天”、技術最複雜的

一種嘗試，哈勃望遠鏡的5次維修任務將會永載史冊。

如果沒有哈勃空間望遠鏡，世界上將近一半的人口從來不會獲知有另外一個世界。

當我們凝視著哈勃望遠鏡拍攝的精彩絕倫的圖像時，我們已經記不起先前的失望、

煩惱或挑戰了。我們欣賞的是由哈勃望遠鏡所揭示的宇宙之美。盡管望遠鏡的未來

越來越不確定，但它的貢獻是無可置疑的。後續的文字既是對這些貢獻的贊頌，同

時也是對這個打動了我們所有人的望遠鏡所做出的發現的一個記錄。

目錄

序言 x

引言 1

工程技術與歷史 10

科學發現 36

太陽系 39

恒星 73

星云 103

星系 135

遙遠的宇宙 167

超越哈勃空間望遠鏡 188

注解和延伸閱讀 196

索引 200

致謝 204

圖片提供/版權 205