哈勃空间望远镜

规划设计和准备工作

哈勃空间望远镜的历史可以追溯至1946年天文学家莱曼·斯皮策（Lyman Spitzer, Jr.）所提出的论文：《在地球之外的天文观测优势》。在文中，他指出在太空中的天文台有两项优于地面天文台的性能。首先，角分辨率（物体能被清楚分辨的最小分离角度）的极限将只受限于衍射，而不是由造成星光闪烁、动荡不安的大气所造成的视象度。在当时，以地面为基地的望远镜解析力只有0.5-1.0弧秒，相较下，只要口径2.5米的望远镜就能达到理论上衍射的极限值0.1弧秒。其次，在太空中的望远镜可以观测被大气层吸收殆尽的红外线和紫外线。
斯皮策以空间望远镜为事业，致力于空间望远镜的推展。在1962年，美国国家科学院在一份报告中推荐空间望远镜做为发展太空计划的一部分，在1965年，斯皮策被任命为一个科学委员会的主任委员，该委员会的目的就是建造一架空间望远镜。
在第二次世界大战时，科学家利用发展火箭技术的同时，曾经小规模的尝试过以太空为基地的天文学。在1946年，首度观察到了太阳的紫外线光谱。英国在1962年发射了太阳望远镜放置在轨道上，做为亚利安太空计划的一部分。1966年NASA进行了第一个轨道天文台（OAO）任务，但第一个OAO的电池在三天后就失效，中止了这项任务了。第二个OAO在1968至1972年对恒星和星系进行了紫外线的观测，比原先的计划多工作了一年的时间。
轨道天文台任务展示了以太空为基地的天文台在天文学上扮演的重要角色，因此在1968年NASA确定了在太空中建造直径3米反射望远镜的计划，当时暂时的名称是大型轨道望远镜或大型空间望远镜（LST），预计在1979年发射。这个计划强调须要有人进入太空进行维护，才能确保这个所费不赀的计划能够延续够长的工作时间；并且同步发展可以重复使用的航天飞机技术，才能使前项计划成为可行的计划。

资金需求

轨道天文台计划的成功，鼓舞了越来越强的公众舆论支持大型空间望远镜应该是天文学领域内重要的目标。在1970年NASA设立了两个委员会，一个规划空间望远镜的工程，另一个研究空间望远镜任务的科学目标。在这之后，NASA下一个需要排除的障碍就是资金的问题，因为这比任何一个地面上的天文台所耗费的资金都要庞大许多倍。美国的国会对空间望远镜的预算需求提出了许多的质疑，为了与裁军所需要的预算对抗，当时就详细的列出了望远镜的硬件需求以及后续发展所需要的仪器。在1974年，在裁减政府开支的鼓动下，杰拉尔德·福特剔除了所有进行空间望远镜的预算。
为回应此，天文学家协调了全国性的游说努力。许多天文学家亲自前往拜会众议员和参议员，并且进行了大规模的信件和文字宣传。国家科学院出版的报告也强调空间望远镜的重要性，最后参议院决议恢复原先被国会删除的一半预算。
资金的缩减导致目标项目的减少，镜片的口径也由3米缩为2.4米，以降低成本和更有效与紧密的配置望远镜的硬件。原先计划做为先期测试，放置在卫星上的1.5米空间望远镜也被取消了，对预算表示关切的欧洲空间局也成为共同合作的伙伴。欧洲空间局同意提供经费和一些望远镜上需要的仪器，像是做为动力来源的太阳能电池，回馈的是欧洲的天文学家可以使用不少于15%的望远镜观测时间。在1978年，美国国会拨付了36,000,000元美金，让大型空间望远镜开始设计，并计划在1983年发射升空。在1980年初，望远镜被命为哈勃，以纪念在20世纪初期发现宇宙膨胀的天文学家艾德温·哈勃。

设计与制造

空间望远镜的计划一经批准，计划就被分割成许多子计划分送各机关执行。
马歇尔太空飞行中心（MSFC）负责设计、发展和建造望远镜，金石太空飞行中心（GSFC）负责科学仪器的整体控制和地面的任务控制中心。马歇尔太空飞行中心委托珀金埃尔默（Perkin-Elmer）设计和制造空间望远镜的光学组件，还有精密定位感测器（FGS），洛克希德被委托建造安装望远镜的太空船。

光学望远镜的组合安装（OTA）

望远镜的镜子和光学系统是最关键的部分，因此在设计上有很严格的规范。一般的望远镜，镜子在抛光之后的准确性大约是可见光波长的十分之一，但是因为空间望远镜观测的范围是从紫外线到近红外线，所以需要比以前的望远镜更高十倍的解析力，它的镜子在抛光后的准确性达到可见光波长的廿分之一，也就是大约30 纳米。
珀金埃尔默刻意使用极端复杂的电脑控制抛光机研磨镜子，但却在最尖端的技术上出了问题；柯达被委托使用传统的抛光技术制做一个备用的镜子（柯达的这面镜子现在永久保存在史密松宁学会）。1979年，珀金埃尔默开始磨制镜片，使用的是超低膨胀玻璃，为了将镜子的重量降至最低，采用蜂窝格子，只有表面和底面各一吋是厚实的玻璃。
镜子的抛光从1979年开始持续到1981年5月，抛光的进度已经落后并且超过了预算，这时NASA的报告才开始对珀金埃尔默的管理结构质疑。为了节约经费，NASA停止支援镜片的制作，并且将发射日期延后至1984年10月。镜片在1981年底全部完成，并且镀上了75 nm厚的铝增强反射，和25 nm厚的镁氟保护层。
因为在光学望远镜组合上的预算持续膨胀，进度也落后的情况下，对珀金埃尔默能否胜任后续工作的质疑继续存在。为了回应被描述成"未定案和善变的日报表"，NASA将发射的日期再延至1985年的4月。但是，珀金埃尔默的进度持续的每季增加一个月的速率恶化中，时间上的延迟也达到每个工作天都在持续落后中。NASA被迫延后发射日期，先延至1986年3月，然后又延至1986年9月。这时整个计划的总花费已经高达美金11亿7500万。

太空平台系统

安置望远镜和仪器的太空船是主要工程上的另一个挑战。它必须能胜任与抵挡在阳光与地球的阴影之间频繁进出所造成的温度变化，还要极端地稳定并能长时间的将望远镜精确地对准目标。以多层绝缘材料制成的遮蔽物能使望远镜内部的温度保持稳定，并且以轻质的铝壳包围住望远镜和仪器的支架。在外壳之内，石墨环氧的框架将校准好的工作仪器牢固的固定住。
有一段时间用于安置仪器和望远镜的太空船在建造上比光学望远镜的组合来得顺利，但洛克希德仍然经历了预算不足和进度的落后，在1985年的夏天之前，太空船的进度落后了个月，而预算超出了30%。马歇尔太空飞行中心的报告认为洛克希德在太空船的建造上没有采取主动，而且过度依赖NASA的指导。

地面支持

在1983年，空间望远镜科学协会（STScI）在经历NASA与科学界之间的权力争夺后成立。空间望远镜科学协会隶属于美国大学天文研究联盟（AURA），这是由32个美国大学和7个国际会员组成的单位，总部坐落在马里兰州巴尔地摩的约翰·霍普金斯大学校园内。
空间望远镜科学协会负责空间望远镜的操作和将数据交付给天文学家。美国国家航空航天局（NASA）想将之做为内部的组织，但是科学家依据科学界的做法将之规划创立成研究单位，由NASA位在马里兰州绿堤，空间望远镜科学协会南方48千米的哥达德太空飞行中心和承包厂商提供工程上的支援。哈勃望远镜每天24小时不间断的运作，由四个工作团队轮流负责操作。
空间望远镜欧洲协调机构于1984年设立在德国邻近慕尼黑的Garching bei München，为欧洲的天文学家提供相似的支援。

挑战者号爆炸事故

早在1986年，就已经计划在当年10月份发射哈勃空间望远镜。但是挑战者号的事故使美国的太空计划停滞不前，航天飞机的暂停升空，迫使哈勃空间望远镜的发射延迟了数年。望远镜和所有的附件都必须分门别类的储藏在无尘室内，直到能够排出发射的日期，这也使得已经超支的总成本更为高涨。
最后，随着航天飞机在1988年再度开始升空，望远镜也预定在1990年发射。在发射前的最后准备，用氮气喷射镜面以除去可能累积的灰尘，并且对所有的系统进行广泛的测试。终于，在1990年4月24日由发现号航天飞机，于STS-31航次将望远镜成功的送入计划中的轨道。
从它原始的总预算，大约4亿美金，到现在的花费超过25亿美金，哈勃的成本依然在不断的累积与增高。美国政府估计的开销将高达45至60亿美金，欧洲所挹注的资金也高达6亿欧元（1999年的估计）。

问题和维修

从它于1946年的原始构想开始，直到发射为止，建造空间望远镜的计划不断的被延迟和受到预算问题的困扰。在它发射之后，立即发现主镜有球面像差，严重的降低了望远镜的观测能力。幸好在1993年的维修任务之后，望远镜恢复了计划中的品质，并且成为天文学研究和推展公共关系最重要的工具。
哈勃的未来依靠后续的维修任务是否成功，维持稳定的几个陀螺仪已经损坏，至2007年，连备用的也已经耗尽，而且另一架用于指向的望远镜功能也在衰减中。陀螺仪必须要以人工进行维修，在2007年1月30日，主要的先进巡天照相机（ACS）也停止工作，在执行人工维修之前，只有超紫外线的频道能够使用。另一方面，如果没有再提升来增加轨道高度，阻力会迫使望远镜在2010年重返大气层。自从2003年哥伦比亚号航天飞机不幸事件之后，由于国际太空站和哈勃不在相同的高度上，使得太空人在紧急状况下缺乏安全的避难场所，因而NASA认为以载人太空任务去维修哈勃望远镜是不合情理的危险任务。NASA在重新检讨之后，执行长麦克格里芬在2006年10月31日决定以亚特兰提斯号进行最后一次的哈勃维修任务，任务的时间安排在2008年9月11日，基于安全上的考量，届时将会让发现号在LC-39B发射台上待命，以便在紧急情况时能提供救援。计划中的维修将能让哈勃空间望远镜持续工作至2013年。如果成功了，后继的詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）应该已经发射升空，可以衔接得上任务了。韦伯空间望远镜在许多研究计划上的功能都远超过哈勃，但将只观测红外线，因此在光谱的可见光和紫外线领域内无法取代哈勃的功能。

镜片的瑕疵

在望远镜发射数星期之后，传回来的图片显示在光学系统上有严重的问题。虽然，第一张图像看起来比地基望远镜的明锐，但望远镜显然没有达到最佳的聚焦状态，获得的最佳图像品质也远低于当初的期望。点源的影像被扩散成超过一弧秒半径的圆，而不是在设计准则中的标准：集中在直径0.1 弧秒之内，有同心圆的点弥漫函数图像。
对图样缺陷的分析显示，问题的根源在主镜的形状被磨错了。镜面边缘太平了一些，与需要的位置差了约2.2微米，但这个差别造成的是灾难性的、严重的球面像差。来自镜面边缘的反射光，不能聚集在与中央的反射光相同的焦点上。
镜子的瑕疵造成的作用是在科学观察的核心观测上，核心像差的PSF要足够的明锐到足以进行高解析的分辨，但对明亮的天体和光谱分析是不受影响的。虽然，在外围损失大片的光因为不能汇聚在焦点上而造成晕像，严重的减损了望远镜观察暗天体或高反差影像的能力。这意味着几乎所有对宇宙学的研究计划都不能执行，因为它们都是非常暗弱的观测对象。美国国家航空航天局和哈勃空间望远镜成为许多笑话的箭靶，并且被认为是大白象（花费大而无用的东西）。

问题的根源

从点源的图像往回追溯，天文学家确定镜面的圆锥常数是−1.01324，而不是原先期望的−1.00230。通过分析珀金埃尔默的零校正器（精确测量抛光曲面的仪器）和分析在地面测试镜子的干涉图影像，也获得了相同的数值。
由喷射推进实验室主任，亚伦领导的委员会，确定了错误是如何发生的。亚伦委员会发现珀金埃尔默使用的零校正器在装配上发生了错误，它的向场透镜位置偏差了1.3 毫米。
在抛光镜子的期间，珀金埃尔默使用另外二架零校正器，两者都（正确的）显示镜子有球面像差。这些测试都是为确实消除球面像差而设计的，不顾品管文件的指导，公司认为这二架零校正器的精确度不如主要的设备，而忽略了测试的结果。
委员会指出失败的主因是珀金埃尔默。由于进度表频繁更动造成的损耗和望远镜制造费用的超支，造成了在美国航空暨太空总署和光学公司之间的关系极度的紧张。美国航空暨太空总署发现珀金埃尔默并不认为镜子的制做在他们的业务中是关键性的困难工作，而美国航空暨太空总署也未能在抛光之前善尽本身的职责。在委员会沉痛的批评珀金埃尔默在管理上的不当与缺失的同时，美国航空暨太空总署也被非议未善尽品管的责任，与不该只依赖唯一一架仪器的测试结果。

解决方案

在望远镜的设计中原本就规划了维修的任务，所以天文学家立刻就开始寻找可以在1993年，预定进行第一次维修任务时解决问题的方案。让柯达再为哈勃制作备用镜在轨道上进行更换太昂贵且耗费时间，临时将望远镜带回地面上修理也不可能。相反，镜片错误的形状已经被精确的测量出来，因此可以设计一个有相同的球面像差，但功效相反的光学系统来抵消错误。也就是在第一次的维修任务中为哈勃配上一副能改正球面像差的眼镜。
由于原本仪器的设计方式，必须要两套不同的校正仪器。广域和行星照相机的设计包括转动的镜片和直接进入两架照相机的8片独立CCD芯片的光线，可以用一个反球面像差的镜片完全的消除掉它们表面上的主要变形。修正镜被固定在替换的第二代广域和行星照相机内（由于进度和预算的压力，只修正4片CCD而不是8片）。但是，其他的仪器就缺乏任何可以安置的中间表面，因此必须要一个外加的修正装置。

COSTAR

设计用来改正球面像差的仪器称为“空间望远镜光轴补偿校正光学”（COSTAR），基本上包含两个在光路上的镜子，其中一个将球面像差校正过来，光线被聚焦给暗天体照相机、暗天体光谱仪和高达德高解析摄谱仪。为了提供COSTAR在望远镜内所需要的位置，必须移除其中一件仪器，天文学家的选择是牺牲高速光度计。
在哈勃任务的前三年期间，在光学系统被修正到合适之前，望远镜依然执行了大量的观测。光谱的观测未受到球面像差的影响，但是许多暗弱天体的观测因为望远镜的表现不佳而被取消或延后。尽管受到了挫折，乐观的天文学家在这三年内熟练的运用影像处理技术，例如反折绩（影像重叠）得到许多科学上的进展。

维护任务1

在设计上，哈勃空间望远镜必须定期的进行维护，但是在镜子的问题明朗化之后，第一次的维护就变得非常重要，因为太空人必须全面性的进行望远镜光学系统安装和校正的工作。被选择执行任务的七位太空人，接受近百种被专门设计的工具使用的密集训练。由奋进号在1993年12月的STS-61航次中，于10天之中重新安装了几件仪器和其他的设备。
最重要的是以COSTAR修正光学组件取代了高速光度计，和广域和行星照相机由第二代广域和行星照相机与内部的光学更新系统取代。另外，太阳能板和驱动的电子设备、四个用于望远镜定位的陀螺仪、二个控制盘、二个磁力计和其他的电子组件也被更换。望远镜上携带的计算机也被更新升级，由于高层稀薄的大气仍有阻力，在三年内逐渐衰减的轨道也被提高了。
1994年1月13日，美国国家航空航天局宣布任务获得完全的成功，并显示出许多新的图片。这次承担的任务非常复杂，共进行了五次航天飞机船舱外的活动，它的回响除了对美国国家航空航天局给予极高的评价外，也带给天文学家一架可以充分胜任太空任务的望远镜。
后续的维修任务没有如此的戏剧化，但每一次都给哈勃空间望远镜带来了新的能力。

维护任务2

第二次维护任务由发现号在1997年2月的STS-82航次中执行，以空间望远镜影像摄谱仪（STIS）和近红外线照相机和多目标分光仪（NICMOS）替换掉戈达德高解析摄谱仪（GHRS）和暗天体摄谱仪（FOS）；以一台新的固态记录器替换工程与科学纪录器，修护了绝热毯和再提升哈勃的轨道。近红外线照相机和多目标分光仪包含由固态氮做成的吸热器以减少来自仪器的热噪声。但在安装之后，部分来自吸热器的热扩散却意料之外的进入光学挡板，这额外增加的热量导致仪器的寿命由原先期望的4.5年缩短为2年。

维护任务3A

在六台陀螺仪中的三台故障之后（第4台在任务之前几个星期故障，使望远镜不能胜任执行科学观察），第三次维护任务仍然由发现号在1999年12月的STS-103航次中执行。在这次维护中更换了全部的六台陀螺仪，也更换了一个精细导星感测器和计算机，安装一套组装好的电压/温度改善工具（VIK）以防止电池的过热，并且更换绝热的毯子。新的计算器是能在低温辐射下运作的英特尔486，可以执行一些过去必须在地面处理的与太空船有关的计算工作。

维护任务3B

第四次维护任务由哥伦比亚号在2002年3月的STS-109航次中执行，以先进巡天照相机（ACS）替换了暗天体照相机（FOC），并且查看了冷却剂已经在1999年耗尽的近红外线照相机和多目标分光仪（NICMOS）。更换了新的冷却系统之后，虽然还不能达到原先设计时预期的低温，但已经冷到足以继续工作了。
在这次任务中再度更换了太阳能板。新的太阳能板是为铱卫星发展出来的，大小只有原来的三分之二，除了可以有效的减少稀薄大气层带来的阻力，还能多供应30%的动力。这多出来的动力使得哈勃空间望远镜上所有的仪器可以同时运作，并且因为较为柔软，还消除了老旧的太阳能板因为进出阳光照射区域会产生震动的问题。为了改正继电器迟滞的问题，哈勃的配电系统也被更新了。这是哈勃空间望远镜升空之后，首度能完全的应用所获得的电力。其中影响最大的两架仪器，先进巡天照相机和近红外线照相机和多目标分光仪，在2003至2004年间共同完成了哈勃超深空视场。

最近的维护任务（SM4）

哈勃SM4任务是NASA规划的最后一次哈勃维修任务，原本安排在2008年8月。计划中太空人将更换新的电池和陀螺仪，更换精细导星感测器（FGS）并修理空间望远镜影像摄谱仪（STIS）。他们也会安装二架新的仪器：宇宙起源频谱仪和第三代广域照相机，但是可能不会重置或替换先进巡天照相机。然而美国国家航空航天局于2008年9月宣布哈勃空间望远镜上的数据处理系统出现严重故障，无法正常存储观测数据并传回地球，而且哈勃太空任务高度与国际太空站距离十分远，太空人在紧急情况下未能找到有效安全避难处，这使得维护哈勃望远镜变为一项极度危险的任务。经过美国国家航空航天局考虑后，因此原定的维修任务将推迟于2009年5月12日之后，由亚特兰提斯号航天飞机进行代号为STS-125航次任务。更会以另一艘航天飞机于发射台待命以为安全之计。而这将会是哈勃空间望远镜最后一次的维护任务，会将哈勃空间望远镜的寿命延长至2013年后。届时发射的詹姆斯·韦伯空间望远镜能接续哈勃空间望远镜的天文任务。但若任务失败的话，哈勃空间望远镜将于2010年坠入大气层报销。
美国东部时间2009年5月11日14点01分，美国亚特兰提斯号航天飞机从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空。在此次太空之旅中，机上的7名宇航员通过5次太空行走对哈勃太空望远镜进行了最后一次维护，为其更换了大量设备和辅助仪器，进行了脱胎换骨的维护更新。这些更新主要包括：以新的第三代广域照相机（WFC3）取代WFPC2；安装新的宇宙起源频谱仪（COS）、取回该处的COSTAR光学矫正系统；修复损坏的先进巡天照相机（ACS）；修复损坏的空间望远镜影像摄谱仪（STIS）；替换损坏的2#精细导星感测器（FGS）；更换科学仪器指令和数据处理系统（SIC&DH）；更换全部的电池模组；更换所有的6个陀螺仪和3组定位传感器（RSU）；更换对接环、安装全新的绝热毯（NBOL）、补充制冷剂等等。
美国东部时间2009年5月19日08:57，女宇航员梅甘·麦克亚特兰提斯阿瑟用“亚特兰提斯”号航天飞机上机械臂将哈勃放出货舱。这次维护不但全方位提高了哈勃望远镜的观测性能，而且可望使其服役期最少延长至2014年。美国太空总署将对望远镜展开测试，计划9月公布哈勃维修后拍摄的首批照片。由于这次行动风险极高，太空总署还布置“奋进”号航天飞机待命，随时准备上天“营救”。因天气原因，降落被延迟了3天并最终没有直接降落在肯尼迪中心航天飞机专用机场，但最终于2009年5月24日星期天早晨，亚特兰提斯号航天飞机安全降落在爱德华空军基地。
WFC3的第一张照片已经于2009年7月24日公布，拍摄的是木星最新的撞击痕迹，最后的精细校准继续进行，到2009年10月20日，除了NICMOS外，哈勃的主力科学仪器都已经投入紧张的科研工作。

20岁生日

哈勃空间望远镜在2010年4月24日度过20周年的生日。为完美的庆祝，NASA、ESA、和空间望远镜机构（STScI）释出了船底座星云的影像。

重要的发现

哈勃帮助解决了一些长期困扰天文学家的问题，而且导出了新的整体理论来解释这些结果。哈勃的众多主要任务之一是要比以前更准确的的测量出造父变星的距离，这可以让我们更加准确的定出哈勃常数的数值范围，这样才能对宇宙的扩张速率和年龄有更正确的认知。在哈勃升空之前，哈勃常数在统计上的误差估计是50%，但在哈勃重新测量出室女座星系团和其他遥远星系团内的造父变星距离后，提供的测量值准确率可以在10%之内。这与哈勃发射之后以其他更可靠的技术测量出来的结果是一致的。
哈勃也被用来改善宇宙年龄的估计，宇宙的未来也是被质疑的问题之一。来自高红移超新星搜寻小组和超新星宇宙论计划的天文学家使用望远镜观察遥远距离外的超新星，发现宇宙的膨胀也许实际上是在加速中。这个加速已经被哈勃和其他地基望远镜的观测证实，但加速的原因目前还很难以理解。经由哈勃空间望远镜的观测资料，宇宙的年龄是137亿年。
由哈勃提供的高解析光谱和影像很明确的证实了盛行的黑洞存在于星系核中的学说。在60年代初期，黑洞将在某些星系的核心被发现还只是一种假说，在80年代才鉴定出一些星系核心可能是黑洞候选者的工作，哈勃的工作却使得星系的核心是黑洞成为一种普遍和共同的认知。哈勃的计划在未来将着重于星系核心黑洞质量和星系本质的紧密关联上，哈勃对星系中黑洞的研究将在星系的发展和中心黑洞的关连上产生深刻与长远的影响。
休梅克-李维9号彗星在1994年撞击木星对天文学家是一件很意外的事，幸运的是这次撞击发生在哈勃完成第一次维护修好光学系统之后的几个月。因此，哈勃所获得的影像是自从1979年航海家二号飞掠木星之后最为清晰的影像，并且很幸运的对估计数个世纪才会发生一次的彗星碰撞木星的动力学事件，提供了关键性的学习机会。它也被用来研究太阳系外围的天体，包括矮行星冥王星和阋神星。

军事用途

实际上，对于哈勃用于地面侦查的各种传言都是很可笑的，因为美国军方真正使用的空间地面侦查技术领先哈勃的技术两代以上。如KH-11“锁眼”侦查卫星，与哈勃同为洛克希德马丁制造的，制造时间也一样，其地面分辨率为15cm，远高于哈勃的26cm。其外形与哈勃相似，不了解这个领域的人有可能会把它误认为是哈勃。哈勃之所以曾经对地面运作，是因为需要校准设备。
不过，有消息称根据曝光的俄国A60机载激光武器试验机照片（Beriev A-60，苏联时期的遗存），机身徽标图案明确显示出以激光攻击哈勃空间望远镜的情景。这可能反映了俄罗斯认为哈勃望远镜对他们产生了军事威胁，或是明显的警告意味。