出品：太空伊卡洛斯
今年是哈勃望远镜升空30周年，应该说是个值得纪念的时刻，虽然哈勃望远镜不是第一台空间望远镜，但它有三个最：成果最突出、服役时间最长、最为被公众所熟知。在大众科普、科研两个方向上都有相当高的造诣，因此值得纪念！30周年的到来也意味着哈勃望远镜的日子所剩无几，上一次在轨维护还是在2009年，目前有11年没有维护，那么哈勃望远镜还能撑多久？哈勃望远镜一旦无法观测，是否有继任者？美国宇航局拿什么拯救可见光天文学？
哈勃望远镜综述
我们先对哈勃望远镜做一个概括性的认识：哈勃望远镜在1990年4月24日由航天飞机送入轨道，近地点高度540公里，哈勃望远镜直径为2.4米，属于卡塞格林望双反光学望远镜，经过两次反射后成像。在过去30年，哈勃望远镜进行了5次轨道维护和升级，现有仪器为WFC3F广域行星相机（SM4期间安装）、COS宇宙起源光谱仪（SM4）、ACS高级巡天相机（SM2）、太空望远镜成像光谱仪（SM2）、近红外摄像机和多天体光谱仪（SM2）、精细制导传感器（SM2/3/4任务期间均有更换和升级）。目前这些仪器已经至少运行了11年，随时都有可能出现问题。
从概率上看，未来5年出现故障的可能性较低，但在未来5至10年出现故障的概率比较高。其中有两个仪器非常重要，一个是精细制导传感器，用来定位哈勃的观测指向，一旦出现故障，哈勃就报废无疑。如果制导系统没有问题，那么哈勃望远镜理论上仍然可以观测。比如，COS宇宙起源光谱仪坏了，那哈勃还是可以通过WFC3F广域行星相机进行观测，如果WFC3F广域行星相机坏了，其他仪器也可以正常工作，只不过图像呈现方面有缺损。
哈勃望远镜的工作波段决定了其与众不同的特点，其工作波长为紫外、可见光、近红外，对应的100纳米至1700纳米。与其他望远镜所不同的地方在于其可见光的观测能力极强，这部分波段恰恰是其他空间望远镜所不具备的。对于陆基望远镜而言，哈勃望远镜又能对长波紫外光谱进行观测和分析，这又是陆基望远镜却欠缺的，这两个优势奠定了哈勃望远镜的观测技术。在过去30年，哈勃望远镜的观测成果不计其数，总的来说在5个方向上取得了较大成果：第一，对哈勃常数的测定，事关宇宙加速膨胀，哈勃望远镜给出的数值为在326万光年距离上，其他星系远离我们的速度为每秒74公里；第二，哈勃望远镜发现暗能量在宇宙加速膨胀中起到斥力作用；第三，哈勃望远镜发现星系的形成高峰期大约在70亿年前，并非宇宙大爆炸之后的10亿年左右；第四，哈勃望远镜发现类星体背后的供能天体为超大质量黑洞；第五，哈勃望远镜成功对系外行星大气成分进行测定。
我们从这些成果可以看出，哈勃望远镜的成就是多方面的，哈勃常数、暗能量属于宇宙学范畴、类星体属于高能天体范畴、星系演化和系外行星则是对宇宙宏观天体进行观测，基本上覆盖了绝大部分的天体。当然，哈勃望远镜也有不擅长的地方，那就是X射线和伽玛射线等高能天体事件。此类天体事件的观测需要由更加专业的空间望远镜进行，比如钱德勒X射线空间望远镜等。
哈勃望远镜的继任者
明白了哈勃望远镜的基本原理和工作方式，我们就知晓了所谓的哈勃继任者，必须是一具能够进行可见光观测的太空望远镜。因此韦伯望远镜并非真正的继任者，韦伯望远镜工作波长在最短波长对应光谱仅为橙色光，主要工作光谱处于中远红外，因此韦伯望远镜是看到肉眼看不到的红外线。
那么哈勃望远镜的继任者在哪儿呢？其实在2012年就已经造好，这就是美国国家侦察办公室送给NASA的2具KH-11光学侦察卫星。2016年，NASA使用了其中一具望远镜，被命名为WFIRST广域红外观测望远镜，预计发射的时间为2025年，主镜面2.4米，工作波长为近红外和可见光，该计划因为韦伯望远镜延期而推迟。另外一具望远镜，目前就放在NASA的设施内，等待资金的到来。
KH-11光学侦察卫星在40年前就已经升空，目前该系列侦察卫星已经发展到第五代，美国侦察办送给NASA的应该是KH-11的第四代，但里面的设备已经拆掉，需要NASA自己安装观测设备，毕竟侦察卫星的设备与观测宇宙的仪器是不一样的。相同的地方在于主镜面，第四代KH-11光学侦察卫星使用了2.4米直径主镜面，而且是轻型镜面，比哈勃望远镜上的2.4米镜面更轻，更加先进，制造时间是在2000年左右。根据美国侦察办公开的数据，第四代KH-11光学侦察卫星可以在400公里高度轨道上达到0.9米的分辨率，同时使用的是短焦距设计。川陀太空认为，这种设计让KH-11的长度更短一些，但是比哈勃WFC3的成像分辨率更高，如果对两者进行量化，那么第四代KH-11的分辨率应该是哈勃的100倍。这意味着如果我们用第四代KH-11的超轻主镜面进行观测，理论上比哈勃看得更远，可以对宇宙中更加昏暗的天体进行研究。
第四代KH-11光学侦察卫星除了短焦距外，其副镜是可以移动的，这样可以根据目标天体的估算距离调整到一个更好的成像焦点上，这个设计在哈勃望远镜是没有的。焦距短了，且可调，因此KH-11光学侦察卫星的光路就变短了，同样采用的卡塞格林望双反光学望远镜，长度会短一半，这样设计的好处是可以进行在轨维护。宇航员在站在望远镜外，对光路内部设备进行维护，哈勃望远镜由于光路筒太长，导致宇航员无法进入维护。如果NASA资金能够到位，那么第二具第四代KH-11光学侦察卫星可以接替哈勃，继续在紫外、可见光、中近红外波段上对宇宙进行观测，分辨率还更好。在这之前，NASA需要先搞定已经耗资90亿美元的韦伯望远镜，还有2025年发射的WFIRST广域红外观测望远镜。
综上，哈勃望远镜的继任者其实在2012年就已经出现，这也是NASA在哈勃退役之后，拯救可见光天文学的一个重要措施。虽然哈勃望远镜给了我们近30年的天文盛宴，但它也有老的那一天，根据NASA的基本规划，WFIRST广域红外观测望远镜主打红外，还能覆盖可见光，韦伯望远镜主打的是中远红外，另外一具第四代KH-11光学侦察卫星则是给哈勃望远镜退役之后的空缺预留的。目前看，哈勃望远镜的寿命还有比较长的时间，估计至少5年以上，对NASA而言还可以缓一缓。
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