哈勃觀星35載 宇宙時光機洞察光年之外 | 聯合早報

當我們仰望星空，看着那似乎亙古不變的繁星點點，是否想過，我們所見的僅是被地球大氣層的“毛玻璃”模糊處理後的一角？幸運的是，人類的智慧與勇氣，將一雙無比清晰的“眼睛”送上了太空。2025年4月24日，是哈勃太空望遠鏡（Hubble Space Telescope，簡稱哈勃）升空並部署的第35個年頭。它不僅徹底改變了我們對宇宙的認知，更用一幅幅令人歎為觀止的圖像，點燃無數人對浩瀚星辰的好奇與嚮往。

因微差變“太空近視眼”

自17世紀時，伽利略首次運用自制的望遠鏡觀察天體，天文學家的主要觀測工具都設在地球表面。雖然地面望遠鏡越造越大，技術也越來越先進，地球的大氣層卻會吸收和散射來自遙遠天體的光線，加上大氣的湍流會讓星光閃爍不定。在追求精確的天文學家眼中，這問題簡直是畫質殺手，就像隔着一層晃動的水波去看水底的鵝卵石一般。

就此，早在1946年，美國天文學家萊曼·斯皮策（Lyman Spitzer）提出把望遠鏡送入太空，以徹底擺脱大氣的干擾。經過數十年的醖釀、論證、爭取經費和艱苦卓絕的工程技術攻關，這個夢想終於凝聚成了哈勃太空望遠鏡。它的名字，是為了紀念發現宇宙膨脹理論的天文學家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）。

1990年4月24日，發現號航天飛機搭載着哈勃順利升空，次日成功部署。全球天文學界翹首以盼，期待着它傳回前所未有的清晰宇宙圖像。然而，最初傳回的照片卻讓人大跌眼鏡。圖像模糊不清，遠未達到設計預期！經過診斷，問題出在直徑2.4米的主鏡上。由於在主鏡邊緣一個微乎其微的瑕疵（誤差僅有人類髮絲直徑的1/50），被打磨成錯誤的曲面，導致嚴重的“球面像差”（Spherical Aberration）。哈勃成了一個耗資數十億美元的“太空近視眼”。這在當時引起了軒然大波，甚至成為公眾嘲諷的對象。

太空“眼科手術”

美國國家航空航天局（NASA）迅速組織了救援行動。既然望遠鏡本身無法取回修理，那就給它配一副“眼鏡”！工程師們設計了一套名為“COSTAR”（Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement）的複雜光學矯正系統，它包含一系列小鏡片，可以精確地補償主鏡的誤差。

當修復後的哈勃傳回第一批清晰圖像時，整個科學界歡騰了起來。模糊的星系變得輪廓分明，黯淡的星雲展現出前所未見的細節。哈勃終於“恢復視力”，而且觀測能力甚至超越最初的設計指標。這次偉大的太空救援不僅拯救了哈勃項目，也成為人類航天史上的一個傳奇。

哈勃科學原理淺析

哈勃望遠鏡於不同時間點所拍攝的M100旋渦星系。左圖：1993年，尚未裝上矯正系統；中圖：1994年裝上矯正系統，圖片變得十分清晰；右圖：2018年再次更新。（取自NASA網站）

哈勃的運作原理究竟是什麼呢？首先，它是一台反射式望遠鏡。它的核心是一個巨大的曲面鏡，直徑達2.4米。你可以把它想象成一個巨大的“光線收集桶”。來自遙遠星系的光線，哪怕穿越了數十億光年，到達地球附近時已經非常微弱。哈勃的大鏡子就像一個漏斗，儘可能多地收集這些珍貴的光子，然後將它們反射聚焦到副鏡上，再傳遞給後端的科學儀器。鏡面越大，收集的光線越多，就能看到越暗、越遠的天體，如同瞳孔放大能在黑暗中看得更清楚。

著名的“哈勃深場”（Hubble Deep Field）圖像，是哈勃長時間對準天空中看似空無一物的“小”區域進行曝光的結果。在那些看似針尖大小的天區裏，它捕捉到數千個從未被觀測到的遙遠星系，它們形態各異，色彩斑斕，有些星系的光芒甚至來自130多億年前，那是宇宙誕生後不久的“嬰兒時期”。這些圖像讓我們間接地穿梭時光，直觀地看到星系從早期不規則的形態，逐漸演化成今天的螺旋、橢圓等形狀的過程。

其次，身處太空，哈勃能夠接收全波段的光線。地球大氣層會吸收大部分紫外線和紅外線。紫外線通常來自非常熾熱、年輕的恆星或劇烈的天文現象；紅外線則能穿透宇宙塵埃，揭示隱藏在星雲深處的恆星。哈勃配備了能夠觀測從紫外線、可見光到近紅外波段的多種儀器，如同擁有超越人類視覺極限的“超能力”，能看到宇宙更加豐富多彩的一面。

35年來，哈勃以無與倫比的觀測能力，極大地拓展人類對宇宙的認知邊界，取得一系列里程碑式的發現。其中，哈勃通過觀測遙遠星系中的一種星體，精確測量了宇宙的年齡和膨脹速率，約為138億年。此外，哈勃拍攝了大量絢麗多彩的照片，如鷹狀星雲的“創生之柱”（Pillars of Creation）、船底座星雲等，這些都是恆星正在形成的“育嬰房”。同時，它捕捉了恆星死亡時形成的遺蹟（如蟹狀星雲）。

與韋伯望遠鏡相輔相成

經過了五次維修任務，哈勃的狀態依然良好，遠超其原先的15年壽命。隨着更強大的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）在2021年底成功發射並投入使用，或許有人會問：哈勃是不是該“退休”了？答案是否定的。哈勃和韋伯更像是合作伙伴，而非競爭對手。韋伯主要觀測紅外波段，擅長穿透塵埃，觀測宇宙最早期的星系和恆星形成區，以及分析系外行星大氣；哈勃則繼續在紫外線和可見光波段發揮其獨特優勢。

35年來，哈勃太空望遠鏡不僅僅是一台科學儀器，它已經成為一個文化符號。它傳回的圖像，無數次登上報刊雜誌封面，出現在紀錄片和教科書中，激發全球數代人對科學和宇宙的興趣。它讓我們直觀地感受到宇宙的浩瀚、美麗與神秘，提醒人類在宇宙中的渺小，也彰顯人類探索未知的好奇心與智慧。

大如巴士重如兩頭象

哈勃望遠鏡發射時重約11.1噸，相當於兩頭成年大象那麼重！它的長度約13.2米，直徑最大處為4.2米，就如一輛大型公共巴士。此外，哈勃的指向精度極高，如果把一個激光筆對準320公里外的一枚一角硬幣，哈勃就能精確地指向那個硬幣！這種穩定性是它能長時間曝光拍攝超深場圖像的關鍵。

NASA的哈勃網（imagine.gsfc.nasa.gov/hst_bday）有一個有趣功能，你可以輸入你的生日，看看哈勃在當天拍攝了哪張精彩的宇宙照片。