HST是怎样观测宇宙的？
如果你透过望远镜观察宇宙，你能很清晰地看到一颗遥远的恒星或一块星云。借助望远镜，你可以看到几十亿光年以外的地方，可以看到几十亿年前所发生的事情。天文学家们正是借助HST（哈勃太空望远镜）做到这一点的！
HST在空中工作的情景
如果要借助地面望远镜来观看遥远的恒星，最大的问题是恒星发出的光线必须穿过大气层。地球的大气层除了云层和天气状况外，还充满了各种物质：灰尘、正在上升的暖气流、正在下降的冷气流以及水蒸气，这些物质都会阻挡视线。在这些因素的作用下，恒星的图像可能会模糊不清，降低了地面望远镜的准确度。天文望远镜则可以很好地解决这些问题。
在HST内部
和其他望远镜一样，HST的一端也有一个带有开口的镜筒。镜筒的镜子可以把光线汇集到它的“眼睛”所在的焦距处。HST的“眼睛”是由几个不同的仪器组成的。事实上，正是有了这些仪器，HST才成为如此神奇的天文学工具。同时，HST也是一艘宇宙飞船。因此，它拥有动力系统，可以在轨道上运行。在我们研究这艘宇宙飞船的系统之前，让我们先来看看HST的功能。
◎ 光学镜
光线通过镜筒的开口处进入HST，从第一个镜面跳到第二个镜面。第二个镜面通过第一个镜面的中心孔把光线反射出去，落到第一个镜面后面的焦点上。体积更小的半反射半透明的光学镜把光线从焦点处散射到各种科学仪器上。
HST的镜片（和大多数大型望远镜一样）由特殊的低膨胀玻璃制成，这种玻璃在温度变化下膨胀和收缩的程度不大。这种玻璃表面涂有纯铝（厚度为8.3纳米）和氟化镁（厚度为25纳米），可以反射可见光、红外线和紫外线。主镜重828千克，副镜重12.3千克。
知识档案
在HST上安装了两块太阳能电池帆板，从设计上看非常便于更换。这两块帆板很像两块巨大的便携式投影屏，它们被安装在固定的外框中。如有需要，这些帆板可以轻松被卷起运走，与便携式投影系统的屏幕非常相似。
◎ 科学仪器
通过观察一个天体不同的波长或光谱，我们可以了解该天体的许多特征和属性。通过HST上安装的各种仪器，我们可以看到所有长度的波长。每种仪器都是通过CCD（电荷耦合器件）而并非摄影胶片来捕捉光线的。CCD检测到的光线会变成数字信号，储存到机载电脑中，再传回地球。数字数据经过转化，就成为我们在新闻和杂志上看到的神奇照片了。下面让我们来了解一下这些仪器。
HST
◇ WFPC2（宽视场行星照相机2）：HST的主要感光装置，即主照相机。WFPC2通过4个CCD来捕捉光线：3个排成L形状的、低分辨率的宽视场CCD芯片，1个装在L形结构内部的、高分辨率的行星照相机CCD芯片。这4个CCD芯片同时面向目标物体，目标物体的图像就会出现在适合的CCD芯片上（芯片可能是高分辨率的，也可能是低分辨率的）。这部照相机可以分辨可见光和紫外线。WFPC2可以通过不同的滤光器来拍摄照片，从而使色彩非常自然。
◇ NICMOS（近红外线照相机和多目标分光仪）：星际气体和灰尘会阻挡可见光。不过，我们还是有可能从隐藏在灰尘和气体中的物体上看到红外线或热量。为了对这种红外线进行观测，HST的NICMOS配备了3种感光照相机。
由于NICMOS的传感器对热量十分敏感，因此必须被保存在-196℃的热水瓶状的大瓶子中。
最初，NICMOS是由重量为140千克的固态氮块进行冷却的；而现在，它由一台作用类似冰箱的仪器进行有效冷却。
◇ STIS（太空望远镜成像光谱仪）：这是观察天体光线的工具，但是你能说出天体的组成吗？来自恒星或其他天体的颜色或光谱，就是这个天体的化学指纹。特殊的颜色告诉我们一个天体呈现的元素，而强烈的各种颜色则告诉我们天体有多少种元素。所以识别天体颜色——光的特殊波长，STIS分离进入的光线的颜色，就像棱镜制造彩虹一样。
在加起来的化学成分中，光谱可以告诉我们一个天体的温度和运动。
这幅图像是根据HST的3个不同指向合成的。
◇ FOC（暗天体照相机）：HST是如何对一个物体进行放大的呢？为了放大物体，HST配备了FOC，这是一种高分辨率的照相机。FOC通过3个步骤来放大图像或增加图像的对比度，还对可见光和紫外线都很敏感。
举个例子，当把FOC对准参宿四（位于猎户座肩部的一颗深红色的恒星）时，它可以拍摄到该颗恒星的表面。这是人类第一次拍摄到除太阳外的其他星体的表面。从这一图像上，科学家推断在参宿四表面上有一个温度极高的点，该点的温度比这颗星表面的其他区域高1800℃。
知识档案
HST有一个用来在太空中安装光学镜、各种设备和宇宙飞船系统的桁架。在HST上用来安装光学镜的桁架由石墨环氧树脂制成，与网球拍和高尔夫球棍的材料相同。桁架长5.3米，宽2.9米，重114千克。用来安装光学镜和科学仪器的镜筒由铝制成，周围还装有多层绝缘体。有了绝缘层的保护，望远镜在阳光区和阴影区之间运动时就不会产生极端的温度变化。
◇ FGS（精密制导传感器）：这些传感器的作用是控制望远镜指向，对恒星的位置、双子星的间距、恒星的直径进行细致准确的测量。在HST中装有3个这样的FGS，其中有2个被用来控制望远镜的指向，使其始终对准目标，以便在靠近目标的区域内寻找导航星。当传感器发现导航星后，它就会锁定目标，同时将信息传回HST导航系统，以确保导航星始终处于HST的观测范围内。由于行星在公转时会使其母星发生颤动，因此在探测行星时进行天体测量是十分重要的。
下面，让我们再来看看HST的宇宙飞船系统。
宇宙飞船系统
我们之前提到，HST也是一艘宇宙飞船。因此，它必须具备能量，能够与地面进行通讯以及改变它的姿态（方位）。
HST上的所有仪器和电脑都需要电能。这些电能来自于两块巨大的太阳能电池帆板，每块帆板长和宽分别为7.6米和2.45米。这两块太阳能电池帆板能够提供3000瓦的电量，相当于75个40瓦的灯泡加起来的耗电量。当HST位于地球的阴影区时，所需电能是由6个镍氢电池来提供的，它们储存的电量相当于20个车载电池的电量总和。当HST再次转向阳光的一面，太阳能电池帆板就会重新充电。
◎ 通讯
HST必须能够与地面的控制人员进行对话，以便将得到的数据传回地面，同时接受下一个任务的指示。HST利用一组被称为“TDRSS”（跟踪与数据中继卫星系统）的中继卫星与地面进行通讯，这套系统同时也被国际空间站所使用。
HST进行仪器升级。
HST接收了来自物体的光，并将其转化为数字数据。随后，这些数据先被传送到在轨道上运行的TDRSS，再传送至位于新墨西哥州白沙市的地面接收站。白沙接收站的工作人员再将这些数据传送到美国国家航空和航天局的戈达德航天控制中心，HST控制台就位于该中心。随后，来自附近马里兰州巴尔的摩空间望远镜科学研究所的科学家们将对这些数据进行分析。在大多数情况下，工作人员会在预计观测时段之前向HST发出指令，必要时也有可能发出实时指令。
◎ 操控
HST在拍摄照片时必须完全对准目标，通常它都要用几个小时（甚至几天）的时间来聚集足够的光线。要知道，HST每97分钟绕地球运行一圈，因此，让HST始终对准目标就像我们站在一艘沿海岸快速行驶、在波浪中翻滚的船的甲板上，始终盯着岸上的一个小物体看一样。为了始终对准目标，HST上装备了3个系统。
◇ 陀螺仪：感应大小运动。
◇ 反作用轮：用来转动望远镜。
◇ FGS：感应微动。
天文学家在HST上安装新的动力控制单元。
陀螺仪记录着HST的整个运动过程。它就像一个指南针，能够感应HST的运动，告知飞行电脑HST偏离了目标。随后，飞行电脑会计算出HST需要运行多少距离以及朝哪个方向运行，才能重新对准目标。然后，飞行电脑就会通过反作用轮来转动望远镜。
HST无法像大多数卫星那样使用火箭发动机或气体推进器，因为废气会在望远镜附近悬浮，遮挡住周围的视线。与这些卫星不同，HST上安装的是分别指向3个运动方向（x轴/y轴/z轴或纵轴/横轴/立轴）的反作用轮。这些反作用轮是飞轮。当HST需要运动时，飞行电脑就会对一个或多个飞轮发出指令，告知其旋转方向、速度以及作用力的提供者。根据牛顿第三运动定律——有作用力就必然有反作用力，且两者大小相等，HST朝着与飞轮相反方向旋转，直至到达目标。
前面提过，FGS通过寻找导航星，来使望远镜始终对准目标。3个传感器中的2个在其各自的视野中发现目标附近的导航星。发现之后，它们锁定导航星，并将信息传给飞行电脑，从而使导航星始终处于其视野范围内。FGS比陀螺仪的灵敏度更高。尽管HST要在轨道上进行运动，有了FGS和陀螺仪，它就可以在数小时内始终对准目标。
知识档案
HST的两台主电脑安装在科学仪器间上方的镜筒附近。一台电脑负责与地面对话，以便传送数据和接收指令。另一台电脑则负责操控HST，同时也兼有多项清洁和整理功能。同时，HST上还装有紧急情况下使用的备用电脑。
HST上配备的每个仪器还装有内嵌式的微处理器，作用是转动滤光轮、控制遮光器、收集数据以及与主电脑进行对话。
尽管早期的HST并不尽如人意，但现在的它却表现出色，获得了多项科学数据并拍摄了许多美丽的照片。但是，HST并不能永久存在下去。人类已经在开发新的天文望远镜，该望远镜被称为“NGST”（新一代的太空望远镜）。这种望远镜将比HST灵敏度更高，能从更远的物体上拍摄更美丽的照片。由HST开创的光学天文望远镜时代致力于对天文学进行变革，正如或更有甚于伽利略在很早以前使用第一架望远镜所做的努力。