这是2009年最后一次太空检修之后，宇航员在同“哈勃”太空望远镜道别时所见到的望远镜的模样。（图片来源：NASA; 背景图片是NGC 265：NASA / ESA）
没有几个天文仪器能像哈勃太空望远镜那样，连续25年不眠不休地工作，并且不断带来新发现。然而，这还只是“哈勃”取得的非凡成就的一部分。它的观测改变了我们对天文学和天体物理学领域里几乎每一项研究内容的看法。不仅如此，宇航员搭乘航天飞机飞入太空对它进行检修，以及它在吸引公众关注科学方面发挥的作用也使它成为科学史上无可替代的科学仪器。
“哈勃”取得的成果数不胜数，想要从中择出最重要的成果并不容易。因此，下文列出的几项“哈勃”最重要的成就仅代表我个人观点。
我还需在此强调一下，在天文学研究中，我们很难把某个发现归功于一次特定的观测或者特定的仪器。更加常见的情况是，对一个现象的深入理解有赖于不同的望远镜在不同波长进行的一系列观测。所以，我并不是说以下七大发现完全是“哈勃”的贡献，而是想说，我之所以选择这些发现是因为“哈勃”在其中扮演了重要的角色。
形如涡状星系（M51）这样的美 丽星系，在“哈勃”取得的许多科学大发现中占了重要的一席之地。这些“岛宇宙”被暗物质束缚着，其中心还潜伏着超大质量黑洞。它们帮助我们精确测定哈勃常 数，并在暗能量的驱使下，越来越快地相对背驰而去。（图片来源：NASA / ESA / S. BECKWITH (STScI) / THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STScI/AURA)）
在评选“哈勃”取得的最重要的突破性进展时，我主要依据两个原则：要么这个发现对我们理解整个宇宙意义重大；要么这个发现在地外生命的搜寻中迈出了重要的一步。可以说，第二点是当今科学家最感兴趣的内容之一。
暗能量
宇宙中物质的引力拉扯应该会使宇宙的膨胀速度慢下来。但在1998年，两组天文学家却发现事实正好相反：宇宙正在加速膨胀。这个结论得自于Ia型超新星的观测结果。当白矮星的质量增长到临界质量（1.4倍太阳质量），便会爆发形成Ia型超新星。只有“哈勃”能够看到最遥远的Ia型超新星，由此证实了宇宙正在加速膨胀。
星系NGC 4526中的超新星1994D（图中左下）帮助天文学家确定了宇宙正在加速膨胀的事实。科学家认为，可能是反引力作用力——暗能量促使宇宙加速膨胀。（图 片来源：NASA / ESA / THE HUBBLE KEY PROJECT TEAM / THE HIGH-Z SUPERNOVA SEARCH TEAM）
当前的所有研究都认为是一种名为暗能量的神秘能量促使宇宙加速膨胀。虽然科学家至今还不知道它到底是什么，但他们还是推断出它的一些性质。有研究指出，暗能量与虚空（科学家称之为物理真空）有关。
真空有能量，这没什么好奇怪的。量子力学（描述微观世界的物理学理论）指出，物理真空并不是真的空无一物。相反，真空里充满了粒子-反粒子对。这些粒子在极短的时间内出现，又迅即消失。尚未解决的问题是，各种理论计算出的真空能量密度都偏离目标值好几个数量级。
由于加速膨胀，宇宙的最终命运将会是什么样的呢？如果暗能量真的是虚空的能量——能量密度恒定，那么宇宙将会膨胀得越来越快。从今天算起1万亿年后，银河系与仙女座星系将合并成一个更大的星系——两者将在40亿年后发生碰撞（顺便提一句，这也是“哈勃”的观测成果），身处其中的天文学家将再也看不到其它星系。宇宙将无可挽回地在冷寂中走向死亡。
哈勃常数和宇宙年龄
从上世纪20年代开始，由于天文学家维斯托·斯里弗（Vesto Slipher），乔治·勒梅特（Georges Lema?tre）和埃德温·哈勃（Edwin Hubble）的开创性工作，科学家已经知道宇宙正在膨胀。他们引入哈勃常数来描述宇宙当前的膨胀速度，这个数值与宇宙年龄呈反比关系。在“哈勃”上天前，发表的哈勃常数值彼此相差2倍之多。一群天文学家称哈勃常数值为50公里每秒每兆秒差距，另一群则说这个值接近100公里每秒每兆秒差距。并且，争论双方都坚称自己数据的测量误差不超过10%——这似乎不大可能。
“哈勃”的“核心课题”之一便是解决这一争端。凭借超高的光学分辨率，核心课题组成员检查了许多距离指示天体，包括造父变星、塔利-费希尔关系（描述了旋涡星系的旋转速度与自身光度的相关性）及Ia型超新星。2001年，工作组得到的哈勃常数精确值为72公里每秒每兆秒差距，测量精度为10%。
这个新哈勃常数值，连同宇宙加速膨胀和新测定的球状星团年龄，一起解开了另一个谜团——宇宙确实比已知最年老的恒星还要老。对于那些相信哈勃常数值为100公里每秒每兆秒差距的天文学家来说，简单的计算表明宇宙年龄仅为100亿年，而球状星团里的年老恒星似乎至少有120亿年老了。根据欧洲空间局“普朗克”卫星最新测定的宇宙学参数值，宇宙年龄为138亿年，测量误差仅为4千万年。
科学家们并不满足于已经取得的成就。在过去10年里，天文学家在精确测定哈勃常数方面取得了令人瞩目的进展，这多亏了“哈勃”的后续观测。通过对几种距离指示天体——例如造父变星、Ia型超新星和星系M106的巨脉泽信号（围绕星系中心黑洞运动的水分子在微波波段发出的受激辐射）——进行交叉定标，哈勃常数值的测量误差在2009年已经降低到5%，并在2011年进一步降低到3%。
漩涡星系M106中心的超大质量黑洞周围的水巨脉泽信号——水分子在微波波段的受激辐射——有助于科学家测量天体的距离。“哈勃”校准距离指示物——星系中的造父变星，对哈勃常数的测量至关重要。（图片来源：NASA / ESA / THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STScI/AURA) / R. GENDLER (FOR THE HUBBLE HERITAGE TEAM)）
现在，科学家把新的扫描技术应用到“哈勃”的第三代广域相机（简称WFC3）身上，以便更加精确地测定银河系里距离我们3千至1万光年范围内的造父变星的距离。这些距离测量能把哈勃常数的测量误差降低到只有2%。欧洲空间局正在进行的Gaia项目将测量远至3万3千光年的造父变星，应该能够给出精度更高的哈勃常数值。
把近邻宇宙的哈勃常数值精度减小到1%，对缓解最近出现的、因不同的观测结果而造成的紧张、对立情形可能会有所助益。目前，近邻宇宙的哈勃常数值为73公里每秒每兆秒差距。观测遥远宇宙的“普朗克”卫星给出的哈勃常数值则为68公里每秒每兆秒差距。这个差异或许只表明了系统误差远超过预计。但如果差异真的存在，则暗示了我们需要新的物理学理论来解释它。
宇宙的恒星形成率
对乍看上去似乎平淡乏味的天区进行延时曝光，可以算得上是“哈勃”最出彩的观测活动了。1995年12月，“哈勃”对大熊座内一块极小的天区进行了为期10天的观测。这就是最初的深场观测。自那以后，“哈勃”又对其它几块小天区进行了深度观测。这些观测向我们揭示出，同广袤无垠的宇宙相比，我们生活的世界是多么的微不足道。
上图是“哈勃”南天深场观测的天区。天文学家用“哈勃”进行了一系列深场观测，测量了宇宙的恒星形成率。（图片来源：R. WILLIAMS (STScI) / THE HDF-S TEAM / NASA / ESA）
深场观测就好比你通过一根吸管去看一块有几千个星系的天区。考虑到宇宙看上去总是均匀的和各向同性的——即无论在任何位置、向任何方向上看，你看到的都是相似的景象，这些发现暗示我们，在可观测的宇宙里存在着几千亿个星系。
深场观测为天文学家提供了有关星系演化的珍贵数据。其中一个重要的成果就是掌握了宇宙的恒星形成率——宇宙，作为一个整体，在各个时期产生新恒星的速度。了解星系如何快速地累积恒星质量，可以为星系形成与演化理论提供基本的限制条件。
宇宙的恒星形成率在红移2左右达到峰值（对应的回溯时间为100亿年）。今天的宇宙在每立方兆秒差距（约等于3千5百万立方光年）内，每年新生成的恒星总质 量仅为太阳的0.01倍。（图片来源：ASTRONOMY: ROEN KELLY, AFTER P. S. BEHROOZI, R. H. WECHSLER, AND C. CONROY (APJ, 770, 57)）
星系中心的黑洞
早在“哈勃”睁开眼睛看宇宙之前，其它观测就已指出星系中心藏匿着超大质量黑洞，至少一部分星系是如此。活跃星系和类星体（释放出巨大能量的遥远点源）的理论模型指出，这些黑洞通过吸积周围的物质获得能量、发出辐射。“哈勃”的观测证实了这些暗示和猜想。
上图是室女星系团内巨椭圆星系 M84中心区域的光谱。它展示了气体云速度的快速变化，从高速靠近（蓝色）到快速退行（红色），说明在星系的中心潜伏着一个超大质量黑洞。（图片来 源：GARY BOWER AND RICHARD GREEN (NOAO)/ THE STIS INSTRUMENT DEFINITION TEAM / NASA）
“哈勃”告诉我们，实际上，星系中心只要有恒星构成的核球存在，就一定有一个超大质量黑洞蛰伏在其中。这些黑洞质量不一。矮星系中心的黑洞可能只有几万倍太阳质量。而大质量星系中心的黑洞可能拥有几十亿倍太阳质量。“哈勃”还为几个类星体的宿主星系拍照，明白无疑地显示出这些能量引擎确实盘踞在星系的中心。
在星系M87中心，从围绕黑洞的吸积盘中心喷涌出一束高速粒子流。这个黑洞的质量大约是太阳质量的35亿倍。（图片来源：NASA / ESA / THE HUBBLE HNERITAGE TEAM (STScI/AURA)）
不过，最重要的是，“哈勃”揭示出星系中心核球内恒星的相对运动速度（天文学家称之为速度弥散）与黑洞质量十分紧密地关联着。另一方面，恒星的速度弥散也与核球质量有关。
这个关联暗示了有关星系演化的重要信息。它表明了星系与其中心黑洞并非互不干扰，各自独立地演化着。与此相反，核球的质量与黑洞的增长密切相关。这幅图景提示我们，只要有气体流入星系中心，黑洞吸积了其中一部分气体时，核球就会继续形成新恒星。一旦黑洞发出的辐射和超新星爆发把气体吹走，黑洞和核球的增长便都停止了。
暗物质
如其名所示，暗物质既不发出、也不吸收电磁辐射。天文学家只能通过它的引力效果推测它的存在。星系中的恒星与气体云运动速度非常快，仅靠可见物质的引力尚不足以把它们约束在星系之中。在星系团中运动的星系也是如此。如果没有暗物质的束缚，它们很快就会四散而去。暗物质占了宇宙物质总量的85%，为我们看到的宇宙大尺度结构提供了基础框架。
宇宙学家一直怀疑暗物质为普通物质提供了基本框架，塑造出宇宙网状结构。 2007年，科学家结合了“哈勃”和其它大型地面望远镜的观测结果，绘制出首张大尺度暗物质三维分布图（图片来源：NASA / ESA / R. MASSEY (CALTECH)）
“哈勃”的科学家们利用引力透镜现象（星系团周围的暗物质的引力场扭曲了遥远的背景天体发出的光）绘制出有史以来最大的暗物质三维分布图。不仅如此，“哈勃”还针对个别星系团——例如阿贝尔1689展开研究，帮助科学家详尽地绘制它们周围的暗物质分布情况。这些分布图能够限定星系团形成理论模型。
或许，最重要的发现莫过于由“哈勃”与钱德拉X射线天文台、地面望远镜共同展示出的，在发生合并的星系团里，暗物质与炽热气体彼此分离的景象。天文学家对此并不感到奇怪。毕竟，两个星团的气体会撞击在一起并形成激波，它们的暗物质却径直穿过对方，不发生任何电磁相互作用。
上图是“哈勃”眼中的子弹星系团。蓝色标示了由引力透镜推算得到暗物质分布；根据钱德拉X射线观测数据绘制的星系团内炽热气体的分布则用红色标示。（图片来源：X射线：NASA / CXC / M. MARKEVITCH, ET AL; 光学图像：NASA / STScI; MAGELLAN / U. ARIZONA / D. CLOWE, ET AL; 引力透镜图: NASA / STScI; ESO WFI; MAGELLAN / U. ARIZONA / D. CLOWE, ET AL.）
“哈勃”在不只一个星系团——例如子弹星系团（1E 0657-56）、潘多拉星系团（阿贝尔2744）和MACSJ0025.4-1222中看到同样的景象。科学家认为，这是截至目前表明暗物质几乎不与任何物质发生相互作用的最佳例证。
早期宇宙的再电离
宇宙大爆炸之后的最初几分钟里，宇宙到处充斥着主要由质子和自由电子组成的炽热等离子体。随着膨胀，宇宙慢慢冷却。大约过了38万年，宇宙开始变透明——质子和电子复合生成中性氢原子。由于电子被束缚在原子里，光子得以在宇宙中自由穿行。在那之后又过了138亿年，光子随着宇宙膨胀移动到波长更长的微波波段。
这个转变过程不仅标志着宇宙微波背景辐射的产生，还是所谓“黑暗时代”的开始。在“黑暗时代”，像恒星和星系这样的光源还不存在。直到宇宙1-2亿年老时，恒星才开始形成。天文学家认为，第一批恒星发出的紫外辐射，可能还有X射线双星发出的X射线，电离了宇宙。在宇宙10亿年老时，再电离过程才结束。
现代宇宙学需要解答的一个重要问题就是：究竟是什么天体电离了宇宙。通过回望宇宙5亿年老时的模样，各种“哈勃”深场观测对生活在宇宙再电离时期的星系进行了探索。
“哈勃”极深场（简称XDF）看到了最遥远的星系。那时，第一批恒星正在开始电离宇宙。（图片 来源：NASA / ESA / G. ILLINGWORTH, D. MAGEE, AND P. OESCH (UNIVERSITY OF CALIFORNIA, SANTA CRUZ) / R. BOUWENS (LEIDEN UNIVERSITY) / THE HUDF09 TEAM）
借助一些合理假设（比如在年轻星系发出的光子中能够电离氢原子的光子所占的比例、当时星系际介质的结团情况等等），这些研究指出，正在形成恒星的星系若想完全电离宇宙，必然存在着许多暗弱的星系。这些星系的光如此微弱，连“哈勃”都无法探测到。这是一个值得研究的限定条件，因为即将登场的詹姆斯·韦伯空间望远镜（简称JWST）可以看到这些暗弱的天体——如果它们真的存在的话。
系外行星的大气
从1991年开始的一系列地面观测和“开普勒”的观测共发现了近2千颗围绕其它恒星公转的系外行星。虽然一些天文学家仍在继续寻找新的系外行星，另一些人已经把注意力转移到已发现的系外行星身上，开始研究它们的大气了。科学家希望这些研究最终能够找到重要的生物特征——植物、进行光合作用的细菌或其它生物过程产生的生命迹象。这些特征包括氧分子、臭氧分子、叶绿素，还有处于非平衡态的类地行星的大气条件。
“哈勃”和对红外辐射敏感的斯必泽太空望远镜在观测掩食行星（其轨道面的侧面正对着我们的视线方向）时，已经在几个“炽热木星”和“炽热海王星”的大气中发现了几种原子和分子。这些巨行星的公转轨道与母星挨得非常近，因此拥有温暖、延展的大气。
根据“哈勃”的观测，天文学家推测出系外行星HD 209458b的大气结构：中低层大气被一个漫延到太空的延展氢气层包裹着。（图片来源：ASTRONOMY: ROEN KELLY, AFTER NASA / ESA A. FEILD (STScI)）
在一次所谓的“主食”中，行星从母星前方飞过，一小部分星光必须穿过行星大气。对星光进行光谱分析能够揭示行星大气中是否存在某种元素。“哈勃”正是用这种方法在编号为HD 209458b的系外行星的大气中发现了钠。在另一组观测中，“哈勃”又在它的大气中发现了氢、碳、氧和水蒸气。此外，“哈勃”也在编号HD 189733b的系外行星的大气中看到了水蒸气。
在次食期间（行星运动到母星身后），斯必泽探测到几个系外行星的大气中有水蒸气。借助这种技术，科学家把母星的光谱（当行星位于母星后方时）从母星和行星的混合光谱（当行星位于母星前方时）中扣除，由此获得穿过行星大气的那部分星光的光谱。
“哈勃”和斯必泽已经在几个系外行星——包括Kelpler-7b, GJ 436b和GJ1214b的大气中发现了云团。天文学家期望使用JWST（预计2018年发射）研究个头更小的系外行星的大气。
上面这张艺术想象图展示了在母星发出的强烈辐射中，系外行星HD 209458b的大气挥发的场景。这颗“炽热木星”每3.5天绕母星（质量比太阳高15%）公转一周。（图片来源：ESA / ALFRED VIDAL-MADJAR (INSTITUT D’ASTROPHYSIQUE DE PARIS, CNRS, FRANCE) / NASA）
长达25年的黄金时代
通过上述这些、还有更多的发现，“哈勃”告诉或说完全改变了我们对宇宙及可能存在的地外生命的观念。“哈勃”一方面向我们展示出，同广袤无垠的宇宙相比，我们是多么渺小，我们的生命又是多么短暂。在另一方面，它又证明了我们实际上可以理解我们看到的、哪怕是出现在宇宙最遥远角落里的现象。阿尔伯特·爱因斯坦曾经说过：“世上最不可思议的事，就是世界是可以理解的。。。。这本身就是个奇迹。”毫无疑问，“哈勃”太空望远镜在我们理解宇宙的过程中助了我们一臂之力。
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