ハッブル宇宙望遠鏡

1923年、ロバート・H・ゴダードやコンスタンチン・ツィオルコフスキーとともに現代ロケット工学の父とみなされているヘルマン・オーベルトは、『惑星空間へのロケット』（ Die Rakete zu den Planetenräumen ）を出版し、ロケットによって望遠鏡を地球軌道に打ち上げる方法について述べた。 ^{[ 13 ]}

ハッブル宇宙望遠鏡の歴史は、1946年に天文学者ライマン・スピッツァーが発表した論文「地球外天文台の天文学的利点」に遡ります。^{[ 14 ]}この論文の中で、彼は宇宙望遠鏡が地上望遠鏡に比べて持つ2つの主な利点について論じています。第一に、角度分解能（物体を明確に区別できる最小の分離）は、大気の乱流によって星が瞬く現象（天文学者にはシーイングとして知られています）ではなく、回折によってのみ制限されます。当時、地上望遠鏡の分解能は0.5～1.0秒角に制限されていましたが、直径2.5m （8フィート2インチ）の鏡を持つ光学望遠鏡の理論上の回折限界分解能は約0.05秒角でした。第二に、宇宙望遠鏡は地球の大気によって強く吸収される赤外線と紫外線を観測できます。^{[ 14 ]}   

スピッツァーはキャリアの多くを宇宙望遠鏡の開発推進に捧げた。^{[ 15 ]} 1962年、米国科学アカデミーの報告書は宇宙計画の一環として宇宙望遠鏡の開発を推奨し、1965年にはスピッツァーは大型宇宙望遠鏡の科学的目標を定義する任務を与えられた委員会の委員長に任命された。^{[ 16 ]}

また、 「ハッブルの母」ナンシー・グレース・ローマンの功績も非常に大きかった。 ^{[ 17 ]}ハッブルがNASAの正式なプロジェクトになるずっと前から、彼女は望遠鏡の科学的価値を宣伝する講演を公に行っていた。承認された後、彼女はプログラム科学者となり、天文学者のニーズを実現可能にするための運営委員会を設立し^{[ 18 ]} 、 1970年代を通じて望遠鏡への継続的な資金提供を提唱するために議会に証言を書いた。 ^{[ 19 ]}プロジェクト科学者としての彼女の仕事は、NASAの大規模科学プロジェクトの運営基準を確立するのに役立った。^{[ 20 ]}

宇宙天文学は第二次世界大戦後、ロケット技術の発展を利用してごく小規模に始まった。太陽の最初の紫外線スペクトルは1946年に取得され^{[ 21 ]}、NASAは1962年に紫外線、X線、ガンマ線スペクトルを取得するために軌道太陽観測衛星（OSO）を打ち上げた^{[ 22 ]} 。軌道太陽望遠鏡は1962年に英国によってアリエル計画の一環として打ち上げられ、1966年にはNASAが最初の軌道天文台（OAO）ミッションを打ち上げた。OAO-1のバッテリーは3日後に故障し、ミッションは終了した。その後、軌道天文台2 （OAO-2）が打ち上げられ、1968年の打ち上げから1972年まで、当初計画されていた1年をはるかに超えて、星や銀河の紫外線観測を行った^{[ 23 ]}。

OSOとOAOのミッションは、宇宙からの観測が天文学において重要な役割を果たすことができることを実証した。1968年、NASAは、直径3メートル（9.8フィート）の鏡を備えた宇宙反射望遠鏡（仮称：大型軌道望遠鏡または大型宇宙望遠鏡（LST））の具体的な計画を策定し、1979年の打ち上げを予定した。これらの計画では、このような高額なプログラムの運用寿命を長くするために、望遠鏡への有人メンテナンスミッションの必要性が強調され、再利用可能なスペースシャトルの計画が同時に開発されていたことは、これを可能にする技術が間もなく利用可能になることを示していた。^{[ 24 ]}  

OAO プログラムの継続的な成功により、LST を主要な目標とすべきだというコンセンサスが天文学界でますます強固になった。1970 年、NASA は 2 つの委員会を設立した。 1 つは宇宙望遠鏡プロジェクトのエンジニアリング面を計画するため、もう 1 つはミッションの科学的目標を決定するためである。これらが確立されると、NASA にとって次のハードルは、地上望遠鏡よりもはるかに費用がかかる機器の資金を確保することであった。米国議会は望遠鏡の提案された予算の多くの側面に疑問を呈し、当時望遠鏡の潜在的な機器とハードウェアの非常に詳細な調査で構成されていた計画段階の予算を削減させた。1974 年、公共支出の削減により、議会は望遠鏡プロジェクトへのすべての資金を削除した。^{[ 25 ]}

1977年、当時のNASA長官ジェームズ・C・フレッチャーは、  NASAの予算でハッブル宇宙望遠鏡に象徴的な500万ドルを計上することを提案した。当時のNASA宇宙科学担当副長官ノエル・ヒナーズは、代わりにハッブル宇宙望遠鏡への資金提供をすべて打ち切り、科学界が資金全額獲得のために戦うよう奮起するだろうと賭けた。ヒナーズは次のように回想している。^{[ 26 ]}

その年は、本格的なスタートを切ることができないのは明らかでした。ハッブル計画の再始動には、議会で反対意見が出ていました。私の記憶では、その大きな要因は予算状況でした。ジム・フレッチャーは、暫定予算として500万ドルを計上することを提案しました。私はその案に賛成できませんでした。それは、今風に言えば、天文学界への「ごまかし」でした。「とりあえず何かは入ってるから、すべて大丈夫」というわけです。

私なりに、あのコミュニティを活性化させるには、いっそ何も出さない方がいいだろうと考えたんです。そうすれば、「これは大変なことになったぞ」と皆が気づいて、立ち上がってくれるだろうと。それで、何も出さないことを主張しました。詳しい議論があったかどうかは覚えていませんが、ジムも賛成してくれたので、結局何も出さないことにしました。私の考えでは、天文学コミュニティがロビー活動を再開するきっかけになったという、まさに狙い通りの効果があったと思います。今思えば、あれは素晴らしい政治的策略だったと思うのですが、本当に熟慮した上でやったのかどうかは自信がありません。まさにその場の思いつきだったんです。

[...] 500万という数字は、彼らにすべてが順調だと思わせるだろうが、そうではない。だから、彼らにメッセージを送るべきだ。私の考えでは、彼らを刺激して行動を起こさせよう。それをゼロにすれば、間違いなくそのメッセージになるだろう。私は、それほど単純なことだったと思う。最初に誰かに相談することもなく、「さあ、やってみよう」と言っただけだ。ほら、うまくいった。もう一度同じことをするかどうかはわからない。

政治的な策略は功を奏した。ハッブル宇宙望遠鏡がNASAの予算からゼロにされたことを受け、天文学者たちの間で全国的なロビー活動が組織された。多くの天文学者が下院議員や上院議員と直接面会し、大規模な手紙キャンペーンが組織された。全米科学アカデミーは宇宙望遠鏡の必要性を強調する報告書を発表し、最終的に上院は議会が当初承認した予算の半分に同意した。^{[ 27 ]}

資金の問題によりプロジェクトの規模が縮小され、提案されていた鏡の直径はコスト削減^{[ 28 ]}と望遠鏡ハードウェアのよりコンパクトで効率的な構成を可能にするために3mから2.4mに縮小されました。メイン衛星で使用されるシステムをテストするための提案されていた1.5m （4フィート11インチ）の先行宇宙望遠鏡は中止され、予算上の懸念から欧州宇宙機関（ESA）との協力も促されました。ESAは、欧州の天文学者が望遠鏡の観測時間の少なくとも15%を保証することを条件に、資金を提供し、望遠鏡用の第一世代機器の1つと、望遠鏡に電力を供給する太陽電池、および米国で望遠鏡に取り組むスタッフを提供することに同意しました。^{[ 29 ]}議会は最終的に1978年度の予算として3600万ドルを承認し、1983年の打ち上げを目指してLSTの設計が本格的に開始された。^{[ 27 ]} 1983年、この望遠鏡はエドウィン・ハッブルにちなんで命名された。^{[ 30 ]}ハッブルは、ジョルジュ・ルメートルが行った20世紀最大の科学的発見の一つである宇宙が膨張していることを確認した人物である。^{[ 31 ]}    

宇宙望遠鏡プロジェクトが承認されると、プログラムの作業は多くの機関に分担された。マーシャル宇宙飛行センター（MSFC）は望遠鏡の設計、開発、建設を担当し、ゴダード宇宙飛行センターはミッションの科学機器と地上管制センターの全体的な管理を担当した。^{[ 32 ]} MSFCは光学機器メーカーのパーキンエルマーに宇宙望遠鏡の光学望遠鏡アセンブリ（OTA）と精密誘導センサーの設計と製造を委託した。ロッキードは望遠鏡を収容する宇宙船の製造と統合を委託された。^{[ 33 ]}

光学的には、ハッブル宇宙望遠鏡（HST）は、ほとんどの大型業務用望遠鏡と同様に、リッチー・クレチアン式のカセグレン反射望遠鏡です。双曲面鏡を2枚使用するこの設計は、広い視野にわたって優れた結像性能を発揮することで知られていますが、鏡の形状が製造や試験が難しいという欠点があります。望遠鏡の鏡と光学系が最終的な性能を決定づけるため、厳密な仕様に基づいて設計されました。光学望遠鏡の鏡は通常、可視光の波長の約10分の1の精度で研磨されますが、宇宙望遠鏡は可視光から紫外線（より短い波長）までの観測に使用される予定であり、宇宙環境を最大限に活用するために回折限界性能が求められました。そのため、鏡は10ナノメートル、つまり赤色光の波長の約1/65の精度で研磨する必要がありました。^{[ 34 ]}長波長側では、OTAは最適な赤外線性能を念頭に置いて設計されておらず、例えばミラーはヒーターによって安定した（そして暖かい、約15℃）温度に保たれている。これがハッブルの赤外線望遠鏡としての性能を制限している。^{[ 35 ]}

パーキンエルマー（PE）は、特注の非常に高度なコンピューター制御研磨機を使用して、ミラーを必要な形状に研磨する予定でした。^{[ 33 ]}しかし、最先端技術に問題が生じた場合に備えて、NASAはPEに対し、コダックに下請けに出して、従来のミラー研磨技術を使用してバックアップミラーを製造するよう要求しました。^{[ 36 ]} （コダックとItekのチームも、当初のミラー研磨作業に入札しました。彼らの入札では、2社が互いの作業を二重チェックすることが求められており、そうしていれば、後に問題を引き起こした研磨エラーをほぼ確実に発見できたでしょう。）^{[ 37 ]}コダックのミラーは現在、国立航空宇宙博物館に常設展示されています。^{[ 38 ] [ 39 ]}この取り組みの一環として製造されたItekのミラーは、現在、マグダレナリッジ天文台の2.4m望遠鏡で使用されています。^{[ 40 ]}

パーキンエルマーミラーの製作は1979年に始まり、コーニング社が超低膨張ガラスで製造したブランクから始まった。ミラーの重量を最小限に抑えるため、厚さ25 mm (0.98 in)の上下のプレートでハニカム格子を挟んだ構造になっていた。パーキンエルマー社は、ミラーを背面から130本のロッドで支え、様々な力を加えることで微小重力をシミュレートした。 ^{[ 41 ]}これにより、展開時にミラーの最終的な形状が正確で仕様どおりになることが保証された。ミラーの研磨は1981年5月まで続いた。当時のNASAの報告書ではパーキンエルマー社の経営構造に疑問が呈され、研磨作業は予定より遅れ、予算超過となった。費用を節約するため、NASAはバックアップミラーの作業を中止し、望遠鏡の打ち上げ日を1984年10月に延期した。^{[ 42 ]}ミラーは1981年末までに完成した。9,100 L (2,000 imp gal; 2,400 US gal)の高温脱イオン水で洗浄され、その後、厚さ65 nmのアルミニウムの反射コーティングと厚さ25 nmのフッ化マグネシウムの保護コーティングが施された。^{[ 35 ] [ 43 ]}       

予算とOTAの残りの部分の製造期間が膨らみ続けるにつれ、パーキンエルマーのこの重要なプロジェクトにおける能力について疑問が呈され続けた。NASAは「不安定で日々変化する」と表現されたスケジュールに対応して、望遠鏡の打ち上げ日を1985年4月まで延期した。パーキンエルマーのスケジュールは四半期ごとに約1か月ずつ遅れ続け、時には作業1日につき1日の遅延に達した。NASAは打ち上げ日を1986年3月、そして9月まで延期せざるを得なかった。この時点で、プロジェクトの総予算は11億7500 万ドルにまで膨れ上がっていた。^{[ 44 ]}

望遠鏡と観測機器を収容する宇宙船は、もう一つの大きな技術的課題でした。それは、直射日光から地球の影の暗闇へと頻繁に移動することに耐えなければならず、それによって温度が大きく変化する一方で、望遠鏡を極めて正確に指向できるほど安定していなければなりませんでした。多層断熱材の覆いが望遠鏡内部の温度を安定させ、望遠鏡と観測機器が収まる軽量アルミニウム製の外殻を囲んでいます。外殻内部では、グラファイトエポキシ製のフレームが望遠鏡の可動部品をしっかりと位置合わせしています。^{[ 45 ]}グラファイト複合材は吸湿性があるため、ロッキード社のクリーンルームでトラスが吸収した水蒸気が後に宇宙の真空中で放出され、望遠鏡の観測機器が氷で覆われるリスクがありました。そのリスクを軽減するために、望遠鏡を宇宙に打ち上げる前に窒素ガスによるパージが行われました。^{[ 46 ]}

電力システムに加えて、ポインティング制御システムは、 5種類のセンサー（磁気センサー、光学センサー、6つのジャイロスコープ）と2種類のアクチュエータ（リアクションホイールと磁気トルカー）を使用してHSTの姿勢を制御します。^{[ 47 ]}

望遠鏡と機器を収容する宇宙船の建造はOTAの建造よりもやや順調に進んだものの、ロッキード社は予算とスケジュールの遅延に見舞われ、1985年の夏までに宇宙船の建造は予算を30%超過し、スケジュールも3ヶ月遅れていた。MSFCの報告書によると、ロッキード社は建造において独自のイニシアチブを取るよりもNASAの指示に頼る傾向があったという。^{[ 48 ]}

HSTに搭載された最初の2つの主要コンピュータは、Rockwell Autonetics社製の1.25 MHz DF-224システム（冗長CPUが3つ搭載）と、 Westinghouse社とGSFCがダイオード・トランジスタ・ロジック（DTL）を使用して開発した冗長NSSC-1（NASA標準宇宙船コンピュータ、モデル1）システム2つでした。1993年のサービスミッション1では、DF-224用のコプロセッサが追加されました。これは、Intelベースの80386プロセッサと80387数学コプロセッサの冗長ストリング2つで構成されていました。^{[ 49 ]} 1999年のサービスミッション3Aでは、DF-224とその386コプロセッサは、25 MHz Intelベースの80486プロセッサシステムに置き換えられました。 ^{[ 50 ]}新しいコンピュータは、置き換えられたDF-224よりも20倍高速で、メモリは6倍多くなっています。地上から宇宙船へ一部の計算タスクを移すことでスループットが向上し、最新のプログラミング言語の使用が可能になることでコストが削減される。^{[ 51 ]} 

さらに、一部の科学機器やコンポーネントには、独自の組み込みマイクロプロセッサベースの制御システムが搭載されていました。MAT（Multiple Access Transponder）コンポーネントであるMAT-1とMAT-2は、Hughes Aircraft CDP1802CDマイクロプロセッサを使用しています。^{[ 52 ]}広視野惑星カメラ（WFPC）もRCA 1802マイクロプロセッサ（またはおそらく旧バージョンの1801）を使用していました。^{[ 53 ]} WFPC-1は1993年のサービスミッション1でWFPC-2に置き換えられ、その後2009年のサービスミッション4で広視野カメラ3（WFC3）に置き換えられました。このアップグレードにより、ハッブル宇宙望遠鏡は宇宙のより深い領域を観測し、スペクトルの3つの広い領域で画像を提供する能力が向上しました。^{[ 54 ] [ 55 ]}

打ち上げ時、ハッブル宇宙望遠鏡には広視野惑星カメラ（WF/PC）、ゴダード高解像度分光器（GHRS）、高速光度計（HSP）、微光天体カメラ（FOC）、微光天体分光器（FOS）の5つの科学機器が搭載されていた。WF/PCは放射状機器ベイを使用し、他の4つの機器はそれぞれ軸方向機器ベイに設置された。^{[ 56 ]}

WF/PC は、主に光学観測を目的とした高解像度イメージング装置でした。NASA のジェット推進研究所によって製造され、天体物理学的に特に重要なスペクトル線を分離する48 個のフィルターが組み込まれていました。この装置には、2 つのカメラに分かれた 8 個の電荷結合素子(CCD) チップが含まれており、各カメラは 4 つの CCD を使用しています。各 CCD の解像度は 0.64 メガピクセルです。^{[ 57 ]}広視野カメラ (WFC) は解像度を犠牲にして広い角度視野をカバーし、惑星カメラ (PC) は WF チップよりも長い有効焦点距離で画像を撮影し、より高い倍率を実現しました。^{[ 56 ]}

ゴダード高分解能分光器（GHRS）は、紫外線領域で動作するように設計された分光器でした。ゴダード宇宙飛行センターによって製造され、 90,000のスペクトル分解能を達成できました。 ^{[ 58 ]}また、紫外線観測用に最適化されたFOCとFOSは、ハッブル宇宙望遠鏡のどの機器よりも高い空間分解能を実現できました。これらの3つの機器は、CCDではなく、光子計数デジコンを検出器として使用しました。FOCはESAによって製造され、FOSはカリフォルニア大学サンディエゴ校とマーティン・マリエッタ社によって製造されました。 ^{[ 56 ]}

最後の装置は、ウィスコンシン大学マディソン校で設計・製造されたHSPでした。これは、変光星や明るさが変化するその他の天体の可視光および紫外線観測に最適化されていました。毎秒最大10万回の測定が可能で、測光精度は約2%以上でした。^{[ 59 ]}

HSTの誘導システムは科学機器としても使用できます。3つの高精度誘導センサー（FGS）は主に観測中に望遠鏡を正確に方向付けるために使用されますが、非常に高精度な天体測定を行うためにも使用できます。0.0003秒角以内の精度で測定が達成されています。^{[ 60 ]}

宇宙望遠鏡科学研究所（STScI）は、望遠鏡の科学的運用と天文学者へのデータ製品の提供を担当しています。STScIは、天文学研究大学連合（AURA）によって運営されており、メリーランド州ボルチモアのジョンズ・ホプキンス大学のホームウッドキャンパスに物理的に拠点を置いています。ジョンズ・ホプキンス大学は、AURAコンソーシアムを構成する39の米国大学と7つの国際提携大学の1つです。STScIは、NASAと科学界全体との間の権力闘争を経て、1981年に設立されました^{[ 61 ] [ 62 ]}。NASAはこの機能を内部に維持することを望んでいましたが、科学者たちは学術機関に拠点を置くことを望んでいました。^{[ 63 ] [ 64 ]} 1984年にミュンヘン近郊のガルヒング・バイ・ミュンヘンに設立された宇宙望遠鏡欧州調整施設（ST-ECF）は、2011年にこれらの活動が欧州宇宙天文学センターに移管されるまで、ヨーロッパの天文学者に同様の支援を提供していた。^{[ 65 ]}

STScI に課せられた複雑なタスクの 1 つは、望遠鏡の観測スケジュールを立てることです。^{[ 66 ]}ハッブルはサービス ミッションを可能にするために低地球軌道にあり、その結果、ほとんどの天体ターゲットは各軌道の半分弱の間、地球によって遮られます。望遠鏡が南大西洋異常帯を通過するときは、放射線レベルが高いため観測を行うことができません。また、太陽 (​​水星の観測を妨げる)、月、地球の周りにもかなり大きな除外ゾーンがあります。太陽光が OTA のどの部分にも当たらないように、太陽回避角は約 50° です。地球と月の回避により、明るい光が FGS に入らないようにし、散乱光が機器に入るのを防ぎます。FGS をオフにすると、月と地球を観測できます。地球の観測は、プログラムのごく初期に WFPC1 機器のフラット フィールドを生成するために使用されました。ハッブルの軌道極から約24°以内の範囲には、いわゆる連続観測ゾーン（CVZ）があり、この範囲内ではターゲットが長期間遮られることはありません。^{[ 67 ] [ 68 ] [ 69 ]}

ハッブル宇宙望遠鏡の低軌道は、多くの観測対象が軌道の経過時間の半分強の間しか観測できないことを意味する。なぜなら、地球によって観測対象が軌道のほぼ半分の間遮られてしまうからである。

2018年10月31日から2018年12月25日までのハッブル宇宙望遠鏡の軌道アニメーション。地球は表示されていません。

軌道の歳差運動により、CVZ の位置は 8 週間かけてゆっくりと移動します。地球の縁は常に CVZ 内の領域から約 30° 以内にあるため、CVZ 観測中は散乱地球照の明るさが長期間高くなることがあります。ハッブル宇宙望遠鏡は高度約540 キロメートル (340マイル)、傾斜角 28.5° の低地球軌道を周回しています。^{[ 5 ]}軌道上の位置は、正確に予測できない方法で時間とともに変化します。上層大気の密度は多くの要因によって変化するため、ハッブルの 6 週間後の予測位置は最大4,000 km (2,500マイル)の誤差が生じる可能性があります。観測スケジュールは通常、数日前に確定されます。リードタイムが長くなると、観測予定時刻までにターゲットが観測できなくなる可能性があるためです。^{[ 70 ]} HST の技術サポートは、 STScI から南に48 km (30マイル)離れたメリーランド州グリーンベルトにあるゴダード宇宙飛行センターの NASA および契約業者の職員によって提供されています。ハッブルの運用は、ハッブル飛行運用チームを構成する 4 つの飛行管制チームによって 24 時間体制で監視されています。^{[ 66 ]}     

1986年1月までに、 STS-61-Jの一部として10月18日に予定されていたハッブルの打ち上げは実現可能に見えたが、チャレンジャー号の事故により米国の宇宙計画は停止し、シャトル艦隊は地上待機となり、打ち上げは数年間延期せざるを得なくなった。この遅延の間、望遠鏡はクリーンルームに保管され、電源が投入され、窒素でパージされ、打ち上げが再スケジュールされるまでその状態が続いた。この費用のかかる状況（ 月額約600万ドル）により、プロジェクト全体のコストは上昇した。しかし、この遅延により、技術者たちは広範なテストを実施し、故障しやすい可能性のあるバッテリーを交換し、その他の改良を行う時間を得ることができた。^{[ 71 ]}さらに、ハッブルを制御するために必要な地上ソフトウェアは1986年には準備ができておらず、1990年の打ち上げまでにようやく準備が整った。^{[ 72 ]}シャトル飛行の再開後、スペースシャトル・ディスカバリーはSTS-31ミッションの一部として、1990年4月24日にハッブルの打ち上げに成功した。^{[ 73 ]}

打ち上げ時、NASAはこのプロジェクトにインフレ調整後の2010年ドルで約47億ドルを費やした。^{[ 74 ]}ハッブルの累積費用は2015年ドルで約113億ドルと推定されており 、これにはその後のすべての保守費用が含まれるが、継続的な運用費用は含まれていないため、NASA史上最も高額な科学ミッションとなっている。^{[ 75 ]}

ジェット推進研究所所長のルー・アレンが率いる委員会が、このエラーがどのように発生したかを調査するために設立された。アレン委員会は、適切な形状の非球面ミラーを実現するために使用されるテスト装置である反射ヌルコレクターの組み立てが間違っていたことを発見した。（1つのレンズの位置が1.3 mm (0.051 in)ずれていた。）^{[ 92 ]}ミラーの最初の研削と研磨の際、パーキンエルマーは2つの従来の屈折ヌルコレクターを使用して表面を分析した。しかし、最終製造工程（形状調整）では、非常に厳しい公差を満たすように特別に設計されたカスタムメイドの反射ヌルコレクターに切り替えた。この装置の組み立てが間違っていたため、ミラーは非常に精密に研削されたものの、形状が間違っていた。製造中、従来のヌルコレクターを使用したいくつかのテストでは、球面収差が正しく報告された。しかし、反射ヌルコレクターの方が精度が高いと考えられたため、これらの結果は無視され、エラーを発見する機会を逃した。^{[ 93 ]}  

委員会は、主な責任はパーキンエルマーにあるとした。NASAと光学機器メーカーの関係は、度重なるスケジュール遅延とコスト超過のため、望遠鏡の建設中に深刻な緊張状態にあった。NASAは、パーキンエルマーがミラーの製造を適切にレビューまたは監督せず、（プロトタイプの場合のように）最高の光学科学者をプロジェクトに割り当てず、特に光学設計者をミラーの製造と検証に関与させなかったことを発見した。委員会はこれらの経営上の欠陥についてパーキンエルマーを厳しく批判したが、NASAも単一の機器のテスト結果に完全に依存していたなど、品質管理の欠陥に気づかなかったことで批判された。^{[ 94 ]}

ハッブルが放棄されるのではないかと多くの人が恐れた。^{[ 95 ]} 天体物理学部門の責任者であるチャールズ・ペレリン博士は、問題の解決策を見つけるために専門家チームを集めた。ペレリンは予算アナリストと協力して、修理ミッションに6000万ドルを割り当てるために部門の活動の優先順位を変更したり、キャンセルしたりした。 ^{[ 96 ]}彼は1994年までにハッブルを修理することを公に約束した。 ^{[ 97 ]}望遠鏡の設計には常にサービスミッションが組み込まれており、天文学者たちは1993年に予定されている最初のサービスミッションで適用できる問題の潜在的な解決策をすぐに探し始めた。コダックはハッブルのバックアップミラーを地上に落としていたが、軌道上でミラーを交換することは不可能であり、改修のために望遠鏡を地球に持ち帰るには費用と時間がかかりすぎた。その代わりに、鏡が間違った形状に精密に研磨されていたという事実から、全く同じ誤差を持つが反対方向の新しい光学部品が設計され、修理ミッションで望遠鏡に追加され、球面収差を補正する「眼鏡」として効果的に機能した。 ^{[ 98 ] [ 99 ]}

最初のステップは、主鏡の誤差を正確に特定することでした。点光源の画像から逆算して、天文学者たちは、製作時の鏡の円錐定数が−1.01390 ± 0.0002という結果になったが、これは意図した値とは異なっていた。−1.00230。^{[ 100 ] [ 101 ]}同じ数値は、パーキンエルマーがミラーの形状調整に使用したヌルコレクターの解析、およびミラーの地上テスト中に取得した干渉縞の解析によっても導出された。 ^{[ 102 ]}

HSTの機器の設計方法により、2種類の補正器が必要となった。既存のWF/PCを置き換えるために既に計画されていた広視野惑星カメラ2の設計には、2つのカメラを構成する4つの独立した電荷結合素子（CCD）チップに光を導くためのリレーミラーが含まれていた。これらの表面に組み込まれた逆誤差により、主鏡の収差を完全に打ち消すことができた。しかし、他の機器にはこのように構成できる中間面がなかったため、外部補正装置が必要だった。^{[ 103 ]}

COSTAR（ Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement ）システムは、FOC、FOS、およびGHRSに集光された光の球面収差を補正するために設計されました。光路に2つのミラーがあり、1つの接地板で収差を補正します。^{[ 104 ]} COSTARシステムを望遠鏡に取り付けるには、他の機器のいずれかを取り外す必要があり、天文学者は高速光度計を犠牲にすることを選びました。^{[ 103 ]} 2002年までに、COSTARを必要とする元の機器はすべて、独自の補正光学系を備えた機器に置き換えられました。^{[ 105 ]}その後、COSTARは取り外され、2009年に地球に帰還し、ワシントンDCの国立航空宇宙博物館に展示されています。^{[ 77 ]}以前COSTARが使用していた領域は現在、宇宙起源分光器が占めています。^{[ 106 ]}

ハッブル宇宙望遠鏡は、軌道上での定期的な整備や機器のアップグレードに対応できるように設計されました。機器や寿命の限られた部品は、軌道上で交換可能なユニットとして設計されました。^{[ 107 ]} 5回の整備ミッション（SM 1、2、3A、3B、4）はNASAのスペースシャトルによって実施され、最初のミッションは1993年12月、最後のミッションは2009年5月に行われました。 ^{[ 108 ]}整備ミッションは繊細な作業であり、軌道上で望遠鏡を捕捉するための操縦から始まり、シャトルの機械アームで慎重に回収されました。必要な作業は、4～5日間にわたる複数回のテザー船外活動で行われました。望遠鏡の目視検査の後、宇宙飛行士は修理を行い、故障または劣化した部品を交換し、機器をアップグレードし、新しい機器を設置しました。作業が完了すると、望遠鏡は再配置され、通常は大気抵抗による軌道減衰に対処するために、より高い軌道にブーストされた後に再配置されました。^{[ 109 ]}

ハッブル宇宙望遠鏡の最初の修理ミッションは、鏡の問題が発見される前の1993年に予定されていました。宇宙飛行士が補正光学系を設置するために大規模な作業を行う必要があったため、このミッションの重要性は増しました。失敗すれば、ハッブルを放棄するか、永久的な機能停止を受け入れるかのどちらかになる可能性がありました。ミッション前に他のコンポーネントが故障したため、修理費用は5億ドル（シャトル飛行の費用は含まない）にまで上昇しました。修理が成功すれば、スペースステーションアルファ の建設の実現可能性を示すのに役立つでしょう。^{[ 110 ]}

1992年のSTS-49は、宇宙作業の難しさを露呈した。インテルサット603の救出は称賛されたものの、宇宙飛行士たちはその際に無謀とも言えるリスクを冒した。救出も、それとは無関係なプロトタイプ宇宙ステーション部品の組み立ても、宇宙飛行士たちが訓練した通りには進まず、NASAはハッブル宇宙望遠鏡の修理を含め、計画と訓練の見直しを余儀なくされた。NASAは、このミッションにストーリー・マスグレイブ（1976年から衛星修理手順に携わっていた）と、STS-49の2人を含む他の6人の経験豊富な宇宙飛行士を任命した。アポロ計画以来初のミッションディレクターが、16回のシャトル飛行経験を持つクルーを統括することになった。宇宙飛行士たちは約100種類の特殊工具の使用訓練を受けた。^{[ 111 ]}

以前の船外活動では、太陽光の下で行われたため、熱が問題となっていた。ハッブル宇宙望遠鏡は太陽光の当たらない場所で修理する必要があった。マズグレイブは、ミッションの7か月前に行われた真空訓練中に、宇宙服の手袋が宇宙の寒さから十分に身を守ってくれないことを発見した。STS -57が軌道上でこの問題を確認した後、NASAは機器、手順、飛行計画を迅速に変更した。打ち上げ前に合計7回のミッションシミュレーションが行われ、これはスペースシャトル史上最も徹底した準備であった。ハッブル宇宙望遠鏡の完全なモックアップは存在しなかったため、宇宙飛行士たちは多くの別々のモデル（スミソニアン博物館のモデルを含む）を研究し、それらのさまざまな矛盾する詳細を頭の中で組み合わせた。^{[ 112 ]}

サービスミッション1は1993年12月にエンデバー号に搭載されて飛行し、10日間かけていくつかの機器やその他の装置の設置が行われた。最も重要なのは、高速光度計がCOSTAR補正光学系パッケージに交換され、WF/PCが内部光学補正システムを備えた広視野惑星カメラ2 （WFPC2）に交換されたことである。太陽電池アレイとその駆動電子機器、望遠鏡の指向システムにある4つのジャイロスコープ、2つの電気制御ユニットとその他の電気部品、2つの磁力計も交換された。搭載コンピュータはコプロセッサを追加してアップグレードされ、ハッブルの軌道は加速された。^{[ 86 ]}

1994年1月13日、NASAはミッションの完全な成功を宣言し、より鮮明な最初の画像を公開した。^{[ 113 ]}このミッションは、当時実施された中で最も複雑なものの1つであり、5回の長時間の船外活動期間を伴った。その成功はNASAにとってだけでなく、より高性能な宇宙望遠鏡を手に入れた天文学者にとっても大きな恩恵となった。^{[ 78 ] [ 114 ]}

1997年2月にディスカバリー号によって実施されたサービスミッション2では、GHRSとFOSを宇宙望遠鏡撮像分光器（STIS）と近赤外線カメラ・多天体分光器（NICMOS）に交換し、エンジニアリング・科学テープレコーダーを新しいソリッドステートレコーダーに交換し、断熱材を修理した。^{[ 115 ]} NICMOSには、機器からの熱雑音を低減するために固体窒素のヒートシンクが内蔵されていたが、設置後まもなく、予期せぬ熱膨張によりヒートシンクの一部が光学バッフルに接触した。これにより機器の温度上昇速度が上昇し、当初の予想寿命4.5年が約2年に短縮された。^{[ 116 ]}

ディスカバリー号が実施した整備ミッション3Aは1999年12月に行われ、搭載されている6つのジャイロスコープのうち3つが故障したため、整備ミッション3から分岐して実施された 。4つ目のジャイロスコープはミッションの数週間前に故障し、望遠鏡は科学観測を行うことができなくなった。このミッションでは、6つのジャイロスコープすべてを交換し、ファインガイダンスセンサーとコンピューターを交換し、バッテリーの過充電を防ぐために電圧/温度改善キット（VIK）を取り付け、断熱ブランケットを交換した。^{[ 117 ]}

2002年3月にコロンビア号が実施した整備ミッション3Bでは、新しい機器が設置され、FOC（天体測定に使用されるファインガイダンスセンサーを除いて、オリジナルの機器の中で最後のものだった）がAdvanced Camera for Surveys（ACS）に置き換えられた。これにより、すべての新しい機器に主鏡収差補正機能が組み込まれたため、COSTARは不要になった。^{[ 105 ]}また、このミッションでは、閉サイクル冷却器を設置することでNICMOSが復活し^{[ 116 ]}、太陽電池アレイが2度目に交換され、出力が30%向上した。^{[ 118 ]}

ハッブル宇宙望遠鏡のサービスミッション4

ハッブル宇宙望遠鏡の公開後

ハッブル宇宙望遠鏡の修理は2005年2月に予定されていたが、 2003年のコロンビア号事故（オービターが大気圏再突入時に分解した）により、ハッブル計画や他のNASAのミッションに広範囲にわたる影響が出た。NASA長官のショーン・オキーフは、今後のシャトルミッションはすべて、飛行中に問題が発生した場合に国際宇宙ステーションの安全な避難場所に到達できなければならないと決定した。同じミッションでハッブル宇宙望遠鏡と宇宙ステーションの両方に到達できるシャトルはなかったため、今後の有人修理ミッションは中止された。^{[ 119 ]}この決定は、ハッブルは人間のリスクを冒す価値があるほど価値があると考える多くの天文学者から批判された。^{[ 120 ]}ハッブル宇宙望遠鏡の後継機として計画されていたジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）は、2004年時点では少なくとも2011年まで打ち上げられる予定ではなかった。JWSTは最終的に2021年12月に打ち上げられた。^{[ 121 ]}ハッブル宇宙望遠鏡の運用終了から後継機の運用開始までの間に宇宙観測能力に空白が生じることは、ハッブル宇宙望遠鏡の科学的影響の大きさを考えると、多くの天文学者にとって大きな懸念事項であった。^{[ 122 ]} JWSTは地球低軌道に設置されないため、早期に故障した場合に容易にアップグレードや修理ができないという点が、懸念をさらに深刻化させた。一方、NASAの職員は、ハッブル宇宙望遠鏡の保守を続けると他のプログラムから資金が消費され、JWSTの打ち上げが遅れることを懸念していた。^{[ 123 ]}

2004 年 1 月、オキーフ氏は、世論の反発と、NASA が HST を救う方法を探すよう求める議会からの要請を受けて、HST の最後のサービス ミッションを中止するという決定を見直すと述べた。米国科学アカデミーは公式委員会を招集し、2004 年 7 月に、明らかなリスクにもかかわらず HST を保存すべきであると勧告した。同委員会の報告書は、「NASA​​ はハッブル宇宙望遠鏡へのスペース シャトルによるサービス ミッションを妨げるような行動をとるべきではない」と強く主張した。^{[ 124 ]} 2004 年 8 月、オキーフ氏はゴダード宇宙飛行センターにロボットによるサービス ミッションの詳細な提案を作成するよう依頼した。これらの計画は後に中止され、ロボット ミッションは「実現不可能」とされた。^{[ 125 ]} 2004年後半、バーバラ・ミクルスキ上院議員を筆頭とする数名の連邦議会議員が公聴会を開き、ブッシュ政権とNASAにハッブル宇宙望遠鏡救出計画の中止決定を再考させるために、多くの国民の支持（全米の学童からの数千通の手紙を含む）を得て闘いを続けた。^{[ 126 ]}

2005 年 4 月にマイケル・D・グリフィンがNASA の新長官に指名されたことで状況は一変し、グリフィンは有人サービス ミッションを検討すると表明した。^{[ 127 ]}グリフィンは就任後まもなく、次の 2 回のシャトル ミッション後に最終決定を下すと述べ、ゴダード宇宙飛行センターに有人ハッブル宇宙望遠鏡メンテナンス飛行の準備を進めるよう指示した。2006 年 10 月、グリフィンは最終承認を与え、アトランティスによる 11 日間のミッションは 2008 年 10 月に予定された。ハッブル宇宙望遠鏡のメイン データ処理ユニットは 2008 年 9 月に故障し、^{[ 128 ]}バックアップが 2008 年 10 月 25 日にオンラインになるまで、すべての科学データの報告が停止した。^{[ 129 ]}バックアップ ユニットが故障すると HST は機能しなくなるため、サービス ミッションはメイン ユニットの交換を組み込むために延期された。^{[ 128 ]}

2009 年 5 月にアトランティス号によって運航された整備ミッション 4 (SM4) は、ハッブル宇宙望遠鏡 (HST) の最後の予定されたシャトル ミッションでした。 ^{[ 106 ] [ 130 ]} SM4 では、交換用データ処理ユニットの設置、ACS および STIS システムの修理、改良型ニッケル水素電池の設置、および 6 個のジャイロスコープを含むその他のコンポーネントの交換が行われました。SM4 では、2 つの新しい観測機器、広視野カメラ 3 (WFC3) および宇宙起源分光器(COS) ^{[ 131 ]}と、有人またはロボット ミッションによる将来のハッブルのランデブー、捕獲、および安全な廃棄を可能にするソフト キャプチャーおよびランデブー システムも設置されました。 ^{[ 132 ]}修理できずに無効になったACS の高解像度チャンネルを除いて、 ^{[ 133 ] [ 134 ] [ 135 ]} SM4 で行われた作業により望遠鏡は完全に機能するようになりました。^{[ 106 ]}

2013年8月のプレスリリースでは、CANDELSは「ハッブル史上最大のプロジェクト」と呼ばれていました。この調査は「初期宇宙における銀河の進化と、ビッグバンから10億年未満の宇宙構造の最初の種を探査すること」を目的としています。^{[ 137 ]} CANDELSプロジェクトのサイトでは、この調査の目標を次のように説明しています。^{[ 138 ]}

Cosmic Assembly Near-IR Deep Extragalactic Legacy Survey は、WFC3/IR と ACS による 25 万個以上の銀河の深層撮像により、z = 8 から 1.5 までの銀河進化の最初の 3 分の 1 を記録するように設計されています。また、z > 1.5 を超える最初の Ia 型超新星を発見し、宇宙論の標準光源としての精度を確立します。5 つの主要な多波長空領域が選択され、それぞれが Spitzer や他の施設からの多波長データを持ち、明るい銀河の広範な分光観測データを持っています。5 つの広く離れた領域を使用することで、宇宙の変動が軽減され、z ~ 8 までの 10 ⁹太陽質量までの銀河の統計的に堅牢で完全なサンプルが得られます。

正式名称「ハッブル・ディープ・フィールズ・イニシアチブ2012」であるこのプログラムは、重力レンズ効果を利用して「遠方の宇宙で最も暗い銀河」を観測し、空白領域にある高赤方偏移銀河を研究することで、初期銀河形成の知識を深めることを目的としている。 ^{[ 139 ]}フロンティア・フィールズのウェブページでは、このプログラムの目標として以下を挙げている。

• これまでアクセスできなかったz = 5〜10の銀河群を明らかにする。これらの銀河は、現在知られているどの銀河よりも本質的に10〜50倍暗い。
• 初期におけるサブL*銀河の恒星質量と星形成史に関する理解を深めるため
• z > 5 の星形成銀河の、統計的に意味のある形態学的特徴を初めて明らかにする。
• クラスターレンズ効果によって内部構造を識別できるほど十分に引き伸ばされた、または分光追跡調査のためにクラスターレンズ効果によって十分に拡大されたz > 8の銀河を見つける。^{[ 140 ]}

宇宙進化サーベイ(COSMOS) ^{[ 141 ]}は、宇宙の時間 (赤方偏移) と局所的な銀河環境の両方の関数として銀河の形成と進化を調査するために設計された天文サーベイです。このサーベイは、ほとんどの主要な宇宙望遠鏡と多数の大型地上望遠鏡による分光観測と X 線から電波までの画像で 2 平方度の赤道領域をカバーしており^{[ 142 ]}、銀河外天体物理学の重要な焦点領域となっています。COSMOS は、当時ハッブル宇宙望遠鏡が追求していた最大のプロジェクトとして 2006 年に開始され、空白領域の深宇宙をマッピングする目的でカバーされた最大の連続した空の領域であり、空の月の面積の 2.5 倍、CANDELS 領域の最大よりも 17 倍大きいです。初期の COSMOS サーベイから生まれた COSMOS 科学協力は、最大かつ最長の銀河系外協力であり、その協調性と開放性で知られています。銀河とその環境の研究は、半平方度以上の広い空の領域でのみ可能です。^{[ 143 ]} 200 万を超える銀河が検出され、宇宙の年齢の 90% を網羅しています。COSMOS 協力は、 Caitlin Casey、Jeyhan Kartaltepe 、Vernesa Smolcicが主導し、12 か国の 200 人以上の科学者が参加しています。^{[ 141 ]}

ハッブル宇宙望遠鏡による銀河団レンズ効果と超新星の観測（CLASH）は、2010年から2013年にかけてハッブル宇宙望遠鏡によって実施された財務省プログラムで、重力レンズ効果を利用して25個の巨大銀河団を観測しました。CLASHは、2009年に設置された新しい機器を使用して、巨大銀河団における暗黒物質と暗黒エネルギーの分布を調べることを目的としていました。重力レンズ効果を示す画像は、暗黒物質と暗黒エネルギーを検出する手段の1つであり、CLASHはこれら2つの謎めいたトピックについてより深く理解することに焦点を当てました。^{[ 144 ]}

パンクロマティック・ハッブル・アンドロメダ・トレジャリーとパンクロマティック・ハッブル・アンドロメダ・サザン・トレジャリー（PHATとPHAST）は、ハッブル宇宙望遠鏡が2010年7月から2013年10月にかけてアンドロメダ銀河の北半分を、2021年12月から2024年1月にかけて南半分をマッピングするために行った観測です。アンドロメダ銀河は天の川銀河に最も近い大きな銀河であり、ハッブル宇宙望遠鏡はアンドロメダ銀河のこれまでで最も高解像度で詳細なフォトモザイクを作成しました。この2つのトレジャリー・プログラムを合成した画像には、アンドロメダ銀河にある合計1兆個の星のうち、2億個の星が写っています。それぞれの星は砂粒のように見えます。北半分のPHATは、828回の軌道で近紫外線、可視光、近赤外線の波長でマッピングされ、2015年1月に公開されました。南半分のPHASTは、195回の軌道で近紫外線と可視光の波長でマッピングされ、2025年1月に公開されました。地球は天の川銀河の中にあり、銀河自体が空の20%と銀河の大部分の観測を遮るため、天の川銀河の大部分を観測できないため、この詳細さでアンドロメダ銀河を観測することは、天の川銀河を観測する最良の代替手段です。このモザイクを実現するには、1,023回のハッブル軌道が必要でした。モザイク画像は、少なくとも25 億ピクセルで構成されています。^{[ 146 ] [ 147 ] [ 148 ] [ 149 ]}

誰でも望遠鏡の使用時間を申請できます。国籍や所属機関による制限はありませんが、分析のための資金は米国の機関のみに提供されます。^{[ 150 ]}望遠鏡の使用時間をめぐる競争は激しく、各サイクルで提出された提案の約5分の1がスケジュールに組み込まれます。^{[ 151 ] [ 152 ]}

提案募集はほぼ毎年行われ、約1年間のサイクルに時間が割り当てられます。提案はいくつかのカテゴリーに分けられます。「一般観測者」の提案が最も一般的で、ルーチン観測を対象としています。「スナップショット観測」は、対象物の捕捉などのオーバーヘッドを含めて、望遠鏡の使用時間が45分以下で済む観測です。スナップショット観測は、通常の一般観測プログラムでは埋められない望遠鏡スケジュールのギャップを埋めるために使用されます。^{[ 153 ]}

天文学者は「機会目標」提案を行うことができ、提案で対象とした突発的な現象が観測計画期間中に発生した場合、観測が計画されます。さらに、望遠鏡時間の最大 10% は「所長裁量」（DD）時間として指定されます。天文学者は年間を通じていつでも DD 時間の使用を申請でき、通常は超新星などの予期せぬ突発的な現象の研究に割り当てられます。^{[ 154 ]}

DD 時間のその他の用途としては、ハッブル ディープ フィールドとハッブル ウルトラ ディープ フィールドの観測につながった観測や、望遠鏡時間の最初の 4 サイクルでアマチュア天文家によって行われた観測などがある。^{[ 155 ] [ 156 ]}

2012年、ESAはハッブル宇宙望遠鏡の生データから「隠された宝物」を発見することを奨励するため、ハッブル宇宙望遠鏡の画像処理に関する一般向けコンテストを開催した。^{[ 157 ] [ 158 ]}

STScIの初代所長であるリッカルド・ジャッコーニは、1986年に、所長裁量時間の一部をアマチュア天文家が望遠鏡を使用できるようにするために充てるつもりだと発表した。割り当てられる時間はサイクルごとにわずか数時間だったが、アマチュア天文家の間で大きな関心を集めた。^{[ 155 ] [ 156 ]}

アマチュア天文家による時間利用の提案は、アマチュア天文家からなる委員会によって厳しく審査され、真に科学的価値があると判断され、専門家による提案と重複せず、宇宙望遠鏡の独自の機能を必要とする提案にのみ時間が与えられました。13人のアマチュア天文家に望遠鏡の使用時間が与えられ、1990年から1997年の間に観測が行われました。^{[ 155 ]}そのような研究の1つが「遷移彗星- OHの紫外線探索 」でした。最初の提案「イオの食後増光とアルベド変化のハッブル宇宙望遠鏡による研究」は、太陽系研究に特化した雑誌であるIcarusに掲載されました。^{[ 159 ]}別のアマチュアグループによる2番目の研究もIcarusに掲載されました。^{[ 160 ]}しかしその後、STScIの予算削減によりアマチュア天文家による研究の支​​援が不可能になり、追加のアマチュアプログラムは実施されていません。^{[ 155 ] [ 156 ]}

ハッブルの通常の提案には、アマチュアや市民科学者による発見や発見された天体も含まれています。これらの観測は、プロの天文学者との共同作業であることが多いです。そのような観測の初期のものの1つは^{、アマチュア天文学者S.ウィルバー[162} ]によって発見され、J.ウェストファル（カリフォルニア工科大学）の提案に基づいてハッブル宇宙望遠鏡^{で観測され}た、土星の1990^{年のグレートホワイトスポット[ 161 ]です。 [ 163 ] [} 164]ハッブルによるその後のプロとアマチュアの観測には、フォールウェルピエ銀河やグリーンピース銀河など、ギャラクシーズープロジェクトによる発見が含まれます。^{[ 165 ] [ 166 ]}「銀河の宝石」プログラムは、オンライン投票の助けを借りて短縮されたギャラクシーズーのボランティアによる天体リストに基づいています。^{[ 167 ]}さらに、アマチュア天文家によって発見された小惑星、例えば2I/Borisovや、ガス惑星である木星や土星、氷惑星である天王星や海王星の大気の変化の観測もある。^{[ 168 ] [ 169 ]}プロとアマチュアのコラボレーションであるbackyard worldsでは、HST がWISE J0830+2837と呼ばれる惑星質量天体の観測に使用された。HST による非検出は、この特異な天体の分類に役立った。^{[ 170 ]}

1980年代初頭、NASAとSTScIは、重要なプロジェクトについて議論するために4つのパネルを招集しました。これらは科学的に重要であり、かつ各プロジェクトに明確に割り当てられた相当な望遠鏡時間を必要とするプロジェクトでした。これにより、望遠鏡が予想よりも早く故障した場合に備えて、これらの特定のプロジェクトが早期に完了することが保証されました。パネルは、そのようなプロジェクトを3つ特定しました。1) クエーサー吸収線を使用して近傍の銀河間物質を研究し、銀河間物質の特性と銀河および銀河群のガス含有量を決定するプロジェクト。^{[ 171 ]} 2) 他の機器のいずれかが使用されているときにいつでもデータを取得する広視野カメラを使用した中深度サーベイ^{[ 172 ]} 3)距離尺度の較正における外部および内部の両方の誤差を減らすことにより、ハッブル定数を10パーセント以内で決定するプロジェクト。^{[ 173 ]}

ハッブル宇宙望遠鏡は天文学における長年の問題を解決するのに役立った一方で、新たな疑問も提起した。いくつかの結果については、それを説明するために新しい理論が必要となった。^{[ 174 ]}

太陽系の発見

1994年にシューメーカー・レヴィ第9彗星が木星に衝突したことは、天文学者にとって幸運なタイミングだった 。ハッブル宇宙望遠鏡の光学性能がサービスミッション1によって回復してからわずか数か月後のことだったからだ。ハッブルが撮影した木星の画像は、1979年のボイジャー2号の通過以来最も鮮明で、数世紀に一度しか起こらないと考えられている、巨大彗星と木星の衝突の力学を研究する上で非常に重要だった。^{[ 189 ]}

2015 年 3 月、研究者らは、木星の衛星の 1 つであるガニメデのオーロラの測定により、ガニメデの地下に海が存在することが明らかになったと発表した。ハッブル宇宙望遠鏡を用いてオーロラの動きを研究した結果、研究者らは、大きな塩水の海が木星の磁場とガニメデの磁場の相互作用を抑制するのに役立っていると判断した。この海は深さ100 km (60 mi)で、150 km (90 mi)の氷の地殻の下に閉じ込められていると推定されている。^{[ 190 ] [ 191 ]}    

ハッブル宇宙望遠鏡は、太陽系の外縁部にある天体の研究にも使用されており、準惑星の冥王星[192]、エリス[193]、セドナ[ ^{194 ]など} が含ま^{れる。2012}年6^月と7月には、ハッブル宇宙望遠鏡を使用した米国の天文学者が、冥王星を周回する小さな5番目の衛星であるスティクスを発見した^{[ 195 ] 。}

2015 年 6 月から 8 月にかけて、ハッブル宇宙望遠鏡は、地上望遠鏡による同様の探索で適切なターゲットが見つからなかったため、ニュー ホライズンズカイパー ベルト拡張ミッション (KEM) のカイパー ベルト天体 (KBO ) のターゲットを探すために使用されました。 ^{[ 196 ]}その結果、少なくとも 5 つの新しい KBO が発見され、その中には、最終的に KEM のターゲットとなった486958 Arrokoth も含まれており、ニュー ホライズンズは2019 年 1 月 1 日にこの天体に接近飛行を行いました。^{[ 197 ] [ 198 ] [ 199 ]}

2022年4月、NASAは、ハッブル宇宙望遠鏡（HST）の画像を用いて、天文学者がこれまで観測した中で最大の氷の彗星核であるC/2014 UN271（ベルナルディネリ・ベルンシュタイン）の核の大きさを決定できたと発表した。C/2014 UN271の核の質量は推定50兆トンで、太陽系内の他の既知の彗星の質量の50倍である。^{[ 200 ]}

多くの客観的な指標は、ハッブルのデータが天文学にプラスの影響を与えていることを示しています。2025年現在、ハッブルのデータに基づいた論文は査読付きジャーナルに22,000件以上掲載されており^{[ 210 ]} 、会議録にはさらに無数の論文が掲載されています。発表から数年後の論文を見ると、天文学論文全体の約3分の1は引用されていませんが、ハッブルのデータに基づいた論文で引用されていないのはわずか2%です。平均すると、ハッブルのデータに基づいた論文は、ハッブル以外のデータに基づいた論文の約2倍の引用を受けています。毎年発表される論文のうち、最も引用されている200件のうち、約10%がハッブルのデータに基づいています^{[ 211 ] 。}

ハッブル宇宙望遠鏡（HST）は明らかに天文学研究に貢献してきたが、その費用は莫大だった。さまざまなサイズの望遠鏡の相対的な天文学的利点に関する研究では、HSTのデータに基づく論文は、ウィリアム・ハーシェル望遠鏡のような4メートル（13フィート）の地上望遠鏡の15倍の引用数を生み出す一方で、HSTの建設と維持には約100倍の費用がかかることがわかった。^{[ 212 ]}  

地上望遠鏡と宇宙望遠鏡のどちらを建造するかを決めるのは複雑です。ハッブルが打ち上げられる前から、開口マスク干渉法などの特殊な地上技術によって、ハッブルが達成するよりも高解像度の光学画像や赤外線画像が得られていましたが、対象はハッブルが観測した最も暗い天体の約 10 ^{8倍明るい天体に限られていました。 [ 213 ] [ 214 ]}それ以来、補償光学の進歩により、地上望遠鏡の高解像度イメージング能力が暗い天体の赤外線イメージングにまで拡張されました。補償光学と HST 観測のどちらが有用かは、研究課題の詳細に大きく依存します。可視光帯では、補償光学は比較的狭い視野しか補正できませんが、HST はより広い視野で高解像度の光学イメージングを行うことができます。^{[ 215 ]}さらに、地上望遠鏡は地球の大気によって生成される散乱光の背景の影響を受けるため、ハッブルはより暗い天体を画像化できます。^{[ 216 ]}

ハッブル宇宙望遠鏡は、科学的成果に加えて、航空宇宙工学、特に低地球軌道（LEO）におけるシステムの性能にも大きく貢献してきました。これらの知見は、ハッブルの軌道上での長い寿命、広範な計測機器、そして組み立てられた機器を地球に帰還させて詳細に研究できることから得られています。特に、ハッブルは、真空中の黒鉛複合構造の挙動、残留ガスや人間の整備による光学的汚染、電子機器やセンサーへの放射線損傷、多層絶縁体の長期的な挙動の研究に貢献してきました。^{[ 217 ]}得られた教訓の1つは、加圧酸素を使用して懸濁液を供給するジャイロスコープは、電線の腐食により故障しやすいということでした。現在、ジャイロスコープは加圧窒素を使用して組み立てられています。^{[ 218 ]}もう1つは、LEOの光学面は驚くほど長い寿命を持つことができるということです。ハッブルは、鏡が使用できなくなるまで15年しか持たないと予想されていましたが、14年後には測定可能な劣化はありませんでした。^{[ 120 ]}最後に、ハッブル宇宙望遠鏡の修理ミッション、特に宇宙空間でのメンテナンスを想定していない部品を修理したミッションは、軌道上での修理のための新しいツールや技術の開発に貢献した。^{[ 219 ]}

ハッブルのデータは当初、宇宙船に保存されていました。打ち上げ時のストレージ設備は旧式のリール・ツー・リール・テープドライブでしたが、これらはサービスミッション2と3Aでソリッドステートデータストレージ設備に置き換えられました 。ハッブル宇宙望遠鏡は、1日に約2回、静止軌道追跡データ中継衛星システム（TDRSS）の衛星にデータを無線送信し、その衛星は科学データをニューメキシコ州ホワイトサンズのホワイトサンズ試験施設にある直径60フィート（18メートル）の高利得マイクロ波アンテナ2基のうちの1基にダウンリンクします。^{[ 152 ]}そこから、ゴダード宇宙飛行センターの宇宙望遠鏡運用管制センターに送られ、最終的に宇宙望遠鏡科学研究所に送られてアーカイブされます。^{[ 152 ]}毎週、HSTは約140ギガビットのデータをダウンリンクします。^{[ 2 ]}

ハッブル宇宙望遠鏡の画像はすべてモノクロのグレースケール画像で、それぞれ特定の波長の光を通すさまざまなフィルターを通して撮影され、各カメラに組み込まれています。カラー画像は、異なるフィルターを通して撮影された個別のモノクロ画像を合成することによって作成されます。このプロセスでは、赤外線や紫外線チャンネルを含む擬似カラー画像も作成でき、赤外線は通常濃い赤、紫外線は濃い青として表現されます。^{[ 221 ] [ 222 ]}

ハッブルのデータはすべて、最終的にはSTScIのミクルスキ宇宙望遠鏡アーカイブ^{[ 223 ]} 、 CADC ^{[ 224 ]}、およびESA/ESAC ^{[ 225 ]}を通じて利用可能になります。データは通常、取得後12か月間は専有情報（主任研究者（PI）およびPIが指定した天文学者のみが利用可能）です。PIは、状況によっては、STScIの所長に専有期間の延長または短縮を申請することができます^{[ 226 ] 。}

所長の裁量時間中に行われた観測は、所有権期間の対象外であり、直ちに一般に公開されます。フラットフィールドやダークフレームなどの較正データもすぐに一般に公開されます。アーカイブ内のすべてのデータは、天文学的分析には適していますが、一般利用には適さないFITS形式です。^{[ 227 ]}ハッブル・ヘリテージ・プロジェクトは、最も印象的な画像のごく一部をJPEGおよびTIFF形式で処理し、一般に公開します。^{[ 228 ]}

CCDで取得した天文データは、天文解析に適するようになるまでにいくつかの較正手順を経る必要があります。STScIは、アーカイブから要求されたデータに対して、利用可能な最良の較正ファイルを使用してデータを自動的に較正する高度なソフトウェアを開発しました。この「オンザフライ」処理により、大量のデータ要求は処理されて返されるまでに1日以上かかる場合があります。データが自動的に較正されるプロセスは「パイプライン削減」として知られており、主要な天文台ではますます一般的になっています。天文学者は、必要に応じて較正ファイルを自分で取得し、パイプライン削減ソフトウェアをローカルで実行することもできます。これは、自動的に選択されたもの以外の較正ファイルを使用する必要がある場合に望ましい場合があります。^{[ 229 ]}

ハッブルのデータは、さまざまなパッケージを使用して解析できます。STScIは、生データファイルに対してパイプライン削減を実行するために必要なすべてのプログラムと、ハッブルデータの要件に合わせて調整された他の多くの天文画像処理ツールを含む、カスタムメイドの宇宙望遠鏡科学データ解析システム（STSDAS）ソフトウェアを維持しています。このソフトウェアは、人気の高い天文データ削減プログラムであるIRAFのモジュールとして動作します。 ^{[ 230 ]}

ハッブル宇宙望遠鏡は2010年4月24日に宇宙での20周年を迎えました。これを記念して、NASA、ESA、宇宙望遠鏡科学研究所（STScI）はカリーナ星雲の画像を公開しました。^{[ 237 ]}

2015年4月24日のハッブル宇宙望遠鏡の25周年を記念して、STScIは、りゅうこつ座の約2万光年（6,100 pc）離れたウェスターランド2星団の画像をハッブル25ウェブサイトで公開した。^{[ 238 ]}欧州宇宙機関は、ウェブサイトに25周年記念専用ページを作成した。^{[ 239 ]} 2016年4月には、ハッブルの26回目の「誕生日」を記念して、バブル星雲の特別な記念画像が公開された。^{[ 240 ]} 

ハッブル宇宙望遠鏡（HST）は、回転を検出して測定することで、軌道上での安定性を確保し、天体目標に正確かつ安定して向けられるように、ジャイロスコープを使用しています。HSTには、このようなレートセンシングジャイロスコープが6個搭載されています。通常、運用には3個のジャイロスコープが必要ですが、2個または1個でも観測は可能です。ただし、観測できる空の領域は多少制限され、非常に正確な指向を必要とする観測はより困難になります。^{[ 241 ]} 2018年の計画では、稼働中のジャイロスコープが3個未満の場合、1個のジャイロスコープモードに切り替えることになっていました。ジャイロスコープは、5種類のセンサー（磁気センサー、光学センサー、ジャイロスコープ）と2種類のアクチュエータ（リアクションホイールと磁気トルカー）を使用するポインティング制御システムの一部です。^{[ 47 ]}

2003年のコロンビア号事故後、別の修理ミッションが可能かどうかは不明であり、ジャイロスコープの寿命が再び懸念事項となったため、エンジニアは潜在的な寿命を最大化するために、2つのジャイロスコープモードと1つのジャイロスコープモード用の新しいソフトウェアを開発した。開発は成功し、2005年には、ミッションの寿命を延ばす手段として、通常の望遠鏡運用に2つのジャイロスコープモードに切り替えることが決定された。このモードへの切り替えは2005年8月に行われ、ハッブル宇宙望遠鏡は2つのジャイロスコープが使用中、2つがバックアップ、2つが動作不能となった。^{[ 242 ]} 2007年にはさらに1つのジャイロスコープが故障した。 ^{[ 243 ]}

2009 年 5 月に行われた最終修理ミッションでは、6 個のジャイロスコープすべてが交換されました (2 組は新品、1 組は再生品)。この時点で、まだ動作していたのは 3 個だけでした。技術者たちは、ジャイロスコープの故障は、粘度の高い懸濁液を供給するために使用された酸素加圧空気によって引き起こさ^{れた、モーターに電力を}供給する電線の腐食^{が原因であると}判断

2009年に交換された6つのジャイロスコープのうち、3つはフレキシブルリードの故障を起こしやすい旧型設計で、残りの3つはより長い寿命が期待される新型設計でした。旧型ジャイロスコープの最初の故障は2014年3月に発生し、2つ目は2018年4月に発生しました。2018年10月5日、旧型ジャイロスコープの最後の1つが故障し、新型ジャイロスコープの1つがスタンバイ状態から起動されました。しかし、その予備ジャイロスコープはすぐに動作限界内で動作しなかったため、科学者が問題の解決を試みる間、観測所は「セーフ」モードに切り替えられました。^{[ 246 ] [ 247 ]} NASAは2018年10月22日に、「バックアップジャイロによって生成された回転速度は低下し、現在は正常範囲内です。ハッブル宇宙望遠鏡がこのジャイロで科学運用に復帰できることを確認するために、追加のテストが実施されます」とツイートしました。^{[ 248 ]}

バックアップ用の新型ジャイロスコープを動作範囲に戻した解決策は、「電源を切ってから再び入れる」ことだと広く報じられた。^{[ 249 ]}ジャイロスコープの「ランニングリスタート」が実行されたが効果はなく、故障の最終的な解決はより複雑だった。故障の原因は、ジャイロスコープ内のフロートを囲む流体の不整合、つまり気泡であることが判明した。2018年10月18日、ハッブル運用チームは、不整合を軽減するために宇宙船を反対方向に動かす一連の操作を行った。この操作と、10月19日のその後の操作の後に、ジャイロスコープは実際に正常範囲内で動作するようになった。^{[ 250 ]}

過去のサービス ミッションでは、古い機器を新しい機器に交換することで、故障を回避し、新しいタイプの科学を可能にしてきました。サービス ミッションがなければ、すべての機器はいずれ故障します。2004 年 8 月、宇宙望遠鏡撮像分光器 (STIS) の電源システムが故障し、機器が動作不能になりました。電子機器は当初完全に冗長化されていましたが、最初の電子機器セットが 2001 年 5 月に故障しました。^{[ 251 ]} この電源は、2009 年 5 月のサービス ミッション 4で修理されました。^{[ 252 ]}

同様に、Advanced Camera for Surveys (ACS) メインカメラのプライマリーエレクトロニクスは 2006 年 6 月に故障し、バックアップエレクトロニクスの電源は 2007 年 1 月 27 日に故障しました。^{[ 253 ]}機器の Solar Blind Channel (SBC) のみが、サイド 1 エレクトロニクスを使用して動作可能でした。広角チャンネル用の新しい電源は SM 4 中に追加されましたが、簡単なテストにより、これが高解像度チャンネルには役立たないことがわかりました。^{[ 254 ]}広視野チャンネル (WFC) は 2009 年 5 月に STS-125 でサービスに復帰しましたが、高解像度チャンネル (HRC) はオフラインのままです。^{[ 255 ]}

2019年1月8日、ハッブル宇宙望遠鏡は、最も先進的な機器である広視野カメラ3（WFC3）のハードウェアの問題が疑われたため、部分的なセーフモードに入りました。NASAは後に、機器内のセーフモードの原因は、定義された範囲外の電圧レベルの検出であったと報告しました。2019年1月15日、NASAは、障害の原因はソフトウェアの問題であったと発表しました。テレメトリ回路内のエンジニアリングデータが正確ではありませんでした。さらに、これらの回路内の他のすべてのテレメトリにも誤った値が含まれており、これは電源の問題ではなくテレメトリの問題であることを示しています。テレメトリ回路と関連するボードをリセットした後、機器は再び機能し始めました。2019年1月17日、機器は通常の動作に戻り、同日に最初の科学観測を完了しました。^{[ 256 ] [ 257 ]}

ハッブル宇宙望遠鏡は、極めて希薄な上層大気を周回しており、時間の経過とともに抗力によって軌道が減衰します。軌道修正が行われなければ、数十年以内に地球の大気圏に再突入しますが、正確な日付は太陽の活動度と上層大気への影響によって異なります。ハッブル宇宙望遠鏡が完全に制御不能な状態で大気圏に再突入した場合、主鏡とその支持構造の一部はおそらく生き残りますが、損傷や人的被害の可能性が残ります。^{[ 269 ]} 2013年、副プロジェクトマネージャーのジェームズ・ジェレティックは、ハッブル宇宙望遠鏡は2020年代まで存続できると予測しました。^{[ 4 ]}太陽活動と大気抵抗、あるいはその欠如に基づくと、ハッブル宇宙望遠鏡の自然な大気圏再突入は2028年から2040年の間に起こるだろう。^{[ 4 ] [ 270 ]} 2016年6月、NASAはハッブル宇宙望遠鏡のサービス契約を2021年6月まで延長した。^{[ 271 ]}これは後に2026年6月まで延長された。^{[ 272 ]}

4回目のサービスミッションの計画中 、NASAは制御された再突入を実現するために推進軌道離脱モジュール（PDM）を検討したが、最終的には別の方法を選択した。^{[ 273 ]} 2009年、スペースシャトルによる最後のサービスミッションである4回目のサービスミッションの一環として、NASAは有人ミッションまたはロボットミッションのいずれかによる軌道離脱を可能にするためにソフトキャプチャ機構（SCM）を設置した。SCMは、ハッブルの安全な軌道離脱のための多数のオプションをNASAが追求できるようにデータを収集するためにシャトルに搭載された相対航法システム（RNS）とともに、ソフトキャプチャランデブーシステム（SCRS）を構成する。^{[ 132 ] [ 274 ]}

2017年現在トランプ政権は、シエラ・ネバダ・コーポレーションが提案した、ドリームチェイサー宇宙船の有人バージョンを2020年代中にハッブル宇宙望遠鏡の修理に使用するという案を検討していた。これは、ハッブルの科学的能力を継続し、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の故障に対する保険となる。 ^{[ 275 ]} 2020年、ジョン・グランスフェルドは、スペースXのクルードラゴンまたはオリオンが10年以内に別の修理ミッションを実行できると述べた。ロボット技術はまだ十分に洗練されていないが、別の有人訪問で新しいジャイロと機器を使用すれば「ハッブルをさらに数十年稼働させ続けることができる」と彼は述べた。^{[ 276 ]}

億万長者の民間宇宙飛行士ジャレッド・アイザックマンは、スペースXの宇宙船を使った修理ミッションの資金提供を提案した。NASAは多額の費用を節約できるかもしれないが、スペースXとNASAはミッションのリスクについて意見が分かれた。^{[ 277 ]} 2022年9月、NASAとスペースXは、クルードラゴンミッションでハッブル宇宙望遠鏡を修理し、より高い軌道に押し上げる可能性を調査する宇宙法協定に署名し、ハッブルの寿命をさらに20年延長できる可能性があるとした。^{[ 278 ]}このミッションはポラリス計画の2番目のミッションになる可能性があったが、2024年6月までにNASAは観測所への潜在的な損傷を理由に民間の修理ミッションを却下した。^{[ 279 ] [ 280 ] [ 281 ]}

ハッブル宇宙望遠鏡に代わる紫外線および可視光宇宙望遠鏡は今のところ存在しない。近未来の宇宙望遠鏡はハッブルの波長範囲（近紫外線から近赤外線波長）を再現しておらず、より遠赤外線帯域に集中しているからである。これらの帯域は、高赤方偏移および低温の天体、一般的に宇宙のより古く遠い天体の研究に適している。これらの波長は地上からの研究も困難または不可能であるため、宇宙望遠鏡の費用を正当化する。大型の地上望遠鏡はハッブルと同じ波長の一部を撮影でき、補償光学（AO）を使用することで解像度の点でハッブルに匹敵することもあり、集光力ははるかに大きく、アップグレードも容易であるが、宇宙の非常に暗い背景で広い視野にわたるハッブルの優れた解像度にはまだ及ばない。^{[ 215 ] [ 216 ]}

ハッブルの後継機の計画は次世代宇宙望遠鏡プロジェクトとして具体化し、ハッブルの正式な後継機であるジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）の計画へと発展した。^{[ 282 ]}ハッブルをスケールアップしたものとは大きく異なり、地球や月からの熱的および光学的干渉が軽減されるラグランジュ点L2で、より低温かつ地球から遠く離れた場所で運用するように設計されている。完全な保守性（交換可能な機器など）は設計されていないが、他の宇宙船が訪れることができるようにドッキングリングが設計に含まれている。^{[ 283 ]} JWSTの主な科学的目標は、既存の機器では到達できない宇宙で最も遠い天体を観測することである。HSTが現在検出している星よりも約2億8000万年古い初期宇宙の星を検出することが期待されている。 ^{[ 284 ]}この望遠鏡は、 1996 年以来、NASA、欧州宇宙機関、カナダ宇宙庁の国際協力によって開発され、 ^{[ 285 ]} 2021 年 12 月 25 日にアリアン 5ロケットで打ち上げられました。^{[ 286 ]} JWST は主に赤外線観測装置ですが、その観測範囲は 600 nm の波長の光、つまり可視スペクトルのオレンジ色付近まで広がっています。人間の目は通常 750 nm の波長の光まで見ることができるため、オレンジ色や赤色の光を含む最も長い可視波長帯と一部重なっています。^{[ 287 ]}   

ハッブルやJWSTよりもさらに長い波長を観測する補完的な望遠鏡として、欧州宇宙機関のハーシェル宇宙望遠鏡が2009年5月14日に打ち上げられた。JWSTと同様に、ハーシェルも打ち上げ後に修理されることを想定して設計されておらず、ハッブルよりもかなり大きな鏡を持っていたが、遠赤外線とサブミリ波のみを観測した。ヘリウム冷却材が必要だったが、2013年4月29日にそれが尽きた。^{[ 288 ]}

21世紀の先進的な宇宙望遠鏡のさらなる構想には、大型紫外線光学赤外線サーベイヤー（LUVOIR）^{[ 290 ]}が含まれます。これは、 8～16.8メートル（310～660インチ）の光学宇宙望遠鏡の概念であり、実現すればハッブル宇宙望遠鏡やスピッツァー宇宙望遠鏡よりもはるかに優れた解像度で可視光、紫外線、赤外線の波長で天体を観測および撮影する能力を持ち、ハッブル宇宙望遠鏡のより直接的な後継機となる可能性があります。2020年の天文学および天体物理学10年調査のために作成された最終計画報告書では、2039年の打ち上げが提案されました。^{[ 291 ]} 10年調査では最終的に、LUVOIRの構想を居住可能系外惑星観測機の提案と組み合わせ、2040年代に打ち上げ可能な新しい6メートル級の旗艦望遠鏡を考案することを推奨しました。^{[ 292 ]}

既存の地上望遠鏡や、様々な提案されている超大型望遠鏡は、より大きな鏡のおかげで、純粋な集光力と回折限界の点でハッブル宇宙望遠鏡を超えることができますが、望遠鏡には他の要因も影響します。場合によっては、補償光学（AO）を使用することで、解像度でハッブル宇宙望遠鏡と同等またはそれ以上になることもあります。しかし、大型地上反射望遠鏡にAOを導入しても、ハッブル宇宙望遠鏡や他の宇宙望遠鏡が時代遅れになることはありません。ほとんどのAOシステムは非常に狭い視野の画像を鮮明にします。例えば、ラッキーカムはわずか10～20秒角の幅で鮮明な画像を生成しますが、ハッブルのカメラは150秒角（2.5分角）の視野で鮮明な画像を生成します。さらに、宇宙望遠鏡は、地球の大気によってほとんど遮断される電磁スペクトル全体にわたって宇宙を研究することができます。最後に、宇宙空間の背景の空は地上よりも暗い。これは、空気が日中に太陽エネルギーを吸収し、夜間にそれを放出するため、かすかだが識別可能な大気光が発生し、コントラストの低い天体が見えにくくなるためである。^{[ 293 ]}

左：ハッブル宇宙望遠鏡が撮影した画像（2017年）対右：ウェッブ宇宙望遠鏡が撮影した画像（2022年）^{[ 294 ]}

ディープフィールド–銀河団SMACS J0723.3-7327。^{[ 295 ] [ 296 ] [ 297 ]}