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弗里德里希·威廉·赫歇爾
| 威廉·赫歇爾 | |
|---|---|
| 原文名 | Friedrich Wilhelm Herschel |
| 出生 | 1738年11月15日 |
| 逝世 | 1822年8月25日（83歲） |
| 國籍 | 英國 |
| 職業 | 天文學家 |
| 知名於 |
天文學家 古典作曲家 音樂家 恆星天文學的創始 人發現天王星及其兩顆衛星 |
| 知名作品 |
《光學》 《對牛頓爵士的原理的天文學解釋》 |
弗里德里希·威廉·赫歇爾（Friedrich Wilhelm Herschel，1738年11月15日－1822年8月25日），英國天文學家，古典作曲家，音樂家。恆星天文學的創始人，被譽為恆星天文學之父。英國皇家天文學會第一任會長。法蘭西科學院院士。用自己設計的大型反射望遠鏡發現天王星及其兩顆衛星、土星的兩顆衛星、太陽的空間運動、太陽光中的紅外輻射；編製成第一個雙星和聚星表，出版星團和星雲表；還研究了銀河繫結構。
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天王星與紅外輻射發現者 威廉·赫歇爾 - c小調第八交響曲：I 快板
人物生平
1738年生於德國，1758年遷居英國。赫歇爾利用全部業餘時間製作望遠鏡，經過千錘百鍊，他終於成為製造望遠鏡的一代宗師，他一生磨製的反射鏡面達四百多塊，還造成一架口徑1.22米，鏡筒長達12米的大型金屬反射望遠鏡。
出身音樂世家
弗里德里希·威廉姆·赫歇爾（Friedrich Wilhelm Herschel）是德國人，後來在天文學史上以其英國化的名字威廉·赫歇爾（Willim Herschel）和「著名英國天文學家」的頭銜聞名於世。他的祖先在德國大都從事園藝、釀酒等手工業，他的父親於1731年舉家遷往一個名叫漢諾威的小鎮，他父親在這裡加入了禁衛軍樂團服役，當一名樂師，他還會吹奏雙簧管。1738年11月15日威廉·赫歇爾在漢諾威出生了，當時漢諾威是英王喬治二世的屬地（然而它並不真是大英帝國的組成部分）。
赫歇爾從小就喜歡音樂，並很早就顯露出這方面的天賦，他4歲時就跟從父親學習拉小提琴，後來學習吹奏雙簧管，並很快成為一名出色的雙簧管演奏者。由於家境遇到困難，他16歲時離開了學校，與父親一樣加入了禁衛軍樂團，在那裡擔任小提琴和雙簧管演奏員。1756年，英國和法國之間爆發了歷史上的「七年戰爭」，德國也捲入其中；第二年，法國占領了漢諾威。赫歇爾不堪忍受戰爭之苦，於是他作為一個逃亡者渡海偷偷跑到英國的倫敦。他的音樂天才使他在英國獲得了成功，隨着在英國知名度的擴大，他的地位也不斷提升，先後擔任過音樂教師、演奏師，並成為有一定知名度的作曲家。
| 威廉·赫歇爾:一個德國音樂家,怎麼會跑到英國當了天文學家? | |
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赫歇爾在演出和作曲之外，有了一些閒暇的時間，赫歇爾努力學習英文、意大利文拉丁文，同時廣泛閱讀牛頓、萊布尼茨等科學家的自然哲學、數學、物理學著作。1772年，赫歇爾作為訪問者回到了漢諾威，當時他父親已經去世，他說服了母親把妹妹卡羅琳·赫歇爾帶到英國幫他操持生活。青年赫歇爾愛好廣泛。由於他對音樂理論的探討涉獵了數學，進而又接觸了光學。據說他父親不僅精通樂理，而且是一名天文愛好者，赫歇爾曾在父親的指導下，對天文知識有着濃厚的興趣。在父親的引導下，赫歇爾對夜空中的許多星座都非常熟悉。赫歇爾具有強烈的求知慾，這促使他從樂器演奏轉入對音樂理論的研究。為了研究樂理，他開始鑽研劍橋的羅伯特·史密斯的《注音》。結果他意外地從該書提供的線索中，買到了史密斯撰寫的兩卷本的經典著作《光學》，這是一部能夠在理論和實踐上製作望遠鏡和顯微鏡的引導性光學著作，其中一章名為「望遠鏡對恆星的發現」，這些內容引起了赫歇爾從事觀測和研究天體的強烈願望和雄心。
自製精良的望遠鏡
自古以來，人類對宇宙具有自然天生的敬畏和好奇心，這在赫歇爾身上有充分的展現。1773年，赫歇爾讀了一本科學普及作家詹姆斯·弗谷森（James Ferguson，1710－1776）寫的一本暢銷書——《對牛頓爵士的原理的天文學解釋》，有趣的是，該書作者與他同時代的許多人一樣，（書中）認為所有行星以及恆星都是「為其合理的居民提供食宿」的，甚至彗星也可能住滿了能夠欣賞上帝手藝的生物，還有人認為彗星上「為折磨那些可惡的罪犯而充斥着永恆的冷熱交替」。受此影響，赫歇爾甚至要把關於宇宙的這一通俗見解推廣到太陽上去，一開始他相信太陽像行星一樣是涼的，它是被雲層包圍着，雲層保護着太陽上的居民不受其外層火球的傷害，太陽黑子是人們透過火球的間隙所瞥見的雲層。俗話說「百聞不如一見」，為了親眼看清史密斯和弗谷森書中所描述的那些天體，赫歇爾最初用折射式望遠鏡觀察天體，但他感覺不理想，為了為他探索宇宙奧秘尋找更合適的利器，後來他轉向了反射式望遠鏡。
1774年赫歇爾成功地安裝了一架口徑15厘米，焦距2.1米，放大40倍左右的牛頓式反射望遠鏡。通過這架望遠鏡，他第一次成功地看到獵戶座大星雲，並清楚地辨認了土星的光環。更重要的是，通過不斷地實踐和總結，他終於掌握了一套磨製拋物面反射鏡的技術。從那以後，他除了晚上不知疲倦地做巡天觀測之外，還時常利用白天的時間磨製望遠鏡鏡面。
1776年，他陸續磨製成功口徑分別為15厘米、51厘米、122厘米的巨大反射式望遠鏡鏡面。當時反射式望遠鏡的焦點多採用牛頓式，即在主焦點之前的光軸上，斜置一平面副鏡，將焦點折射在鏡筒上端的一側。赫歇爾為了減少折射光的損失，將主鏡略微偏置，使星光經主鏡反射後，焦點不會匯聚在光軸上，而是斜到鏡筒上端的一側。這樣，可以省去牛頓式的平面副鏡，從而提高聚光的效率。因為這一光學系統是赫歇爾發明的，所以後世稱之為赫歇爾焦點，而按照這種光學系統製成的望遠鏡稱為「赫歇爾望遠鏡」。
1787年，赫歇爾為了判斷他的望遠鏡的視距是否真的已經貫穿了銀河，即觀測更遙遠的昏暗天體，他決心再製造一架威力更大的望遠鏡。
發現天王星
18世紀70年代末，赫歇爾在卡洛琳的支持和協助下，開始用他自製的望遠鏡進行星空「巡視」觀測。其主要內容是從他的住處逐個觀察分布於北天球上亮於4星等的亮星。整個過程歷時19年，被後人稱作第一期星空巡視。1780年，赫歇爾又開始了第二期星空巡視。經過兩次初步的觀測，在1781年赫歇爾又開始進行他的第三次全面觀測夜空的歷程。
| 威廉·赫歇爾被稱為恆星天文學之父 | |
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1781年3月13日晚，赫歇爾像往常一樣，用自製的那架口徑15厘米的反射望遠鏡觀測星空。他每次觀測都是聚精會神，不放過任何或許會帶來新發現的可疑現象。當把望遠鏡轉向雙子座的時候，他注意到雙子座有一顆很陌生的星，比較亮，可是在星圖上卻查不到它。他改用400多倍和900多倍的目鏡仔細觀測之後，肯定了這不是一顆恆星。因為，望遠鏡的倍率再大，恆星看起來始終是個星點兒，而這個天體，呈現為一個藍綠色的小球面形。隨着目鏡更換，看上去直徑變得愈來愈大，形象卻變得模糊了。為慎重起見，赫歇爾沒有聲張，而是連續10個夜晚密切地關注着這顆小星。他逐漸發現該星每天在緩慢地移動，雖然不易覺察出來。他最初向皇家天文學會報告說，新發現了一顆彗星。彗星一般都是拉得比較長的橢圓軌道，在離太陽愈來愈近的時候還會「長」出尾巴來。可是，這顆新天體卻不是這樣，它的邊緣一直比較清晰，絲毫沒有彗尾特徵，而且它的軌道似乎接近圓形。
不久，赫歇爾根據所得到的觀測數據，計算出它的軌道近似圓形，其距離太陽比土星遠出約一倍。這時他意識到自己發現了一顆新行星。後來，法國天文學家拉普拉斯算出了它的軌道，距離太陽19.18天文單位（1天文單位為日地平均距離，約等於1.49億千米）。經過一段時間的觀測之後，天文界終於確定這是我們太陽系裡的一顆新行星，它與太陽之間的距離，比當時所知最遠的行星土星的距離遠了一倍。
赫歇爾發現新行星的消息引起了極大的轟動。它後來被命名為天王星（取自希臘神話中土星父神的名字），就這樣赫歇爾一舉成名。
1781年當年，赫歇爾的好朋友華特生博士推薦他進入皇家學會。皇家學會頒給他柯普萊獎章以表彰他發現天王星，並且接納他為皇家學會會員。赫歇爾兄妹的天文成就引起了英王喬治三世的注意，喬治三世也曾是漢諾威人，非常愛好天文。他於1782年親自接見了赫歇爾，寬恕了赫歇爾年輕時擅離漢諾威軍隊的過錯，任命赫歇爾為他的私人天文學家，並為赫歇爾提供年薪三百畿尼（Guine，舊英國金幣，1畿尼=1.05英鎊=21先令，最初是用幾內亞的黃金鑄造的，因此得名），以使他專心致志從事天文學研究。自此，赫歇爾放棄音樂，一心致力於他所鍾愛的天文學。赫歇爾兄妹先是遷往溫莎附近的達切特，1786年又遷往斯勞。他製造了一系列的大望遠鏡（一些還賣給其他國家），進行了很多開創性的研究和觀測，1816年他被冊封為爵士。赫歇爾成為專業天文學家時已經43歲，從未受過正規的高等教育，他的淵博學識、數理基礎、冶煉技藝等全憑勤奮自學得到。在他的職業生涯中，他共製作過400多架望遠鏡，其中最大最著名的是一台40英尺（12米）長、口徑49.5英寸（1.26米）的反射望遠鏡。
恆星天文學
赫歇爾最早研究了成雙的恆星——雙星，他很關注彼此靠得極近的兩顆恆星，其實大約一個半世紀以前有人已發現這種成對的恆星。當時人們認為這些星之所以靠得那麼近，是因為它們幾乎恰好位於同一條視線方向上，而實際上，「雙星」中兩顆恆星相距很遠。倘若情況真如此，那麼，與較遠的那顆星相比，較近的這一顆就應該顯示出視差位移。無疑，有時情況正是如此。赫歇爾對此做了大量觀測，發現兩顆星都未顯示出視差位移的現象。根據它們的運動方式，赫歇爾作出這樣的結論「它們不是看上去粘在一起，而且實際上也的確靠得很近。
」直至1793年，在大量觀測的基礎上，他確信成對的兩顆恆星是在相互繞轉。赫歇爾一生共發現了800多對這樣的「雙星」——他這樣稱呼它們，這個名稱沿用至今。赫歇爾非常仔細地觀測了那些光度有變化的恆星，他是第一個系統地報道變星的人。
從1781年到1782年的冬天，赫歇爾對星雲基本構成的研究興趣愈發濃厚。經反覆仔細觀測，他發現，他的高倍率望遠鏡能夠辨別出幾個星雲團中的恆星個體。這一發現使觀測者認為，星雲之所以看過去是一片白茫茫的東西，是由於觀測的裝備不夠先進，只要有更精良的觀測設，他們一定能分辨出其他星雲里的恆星。這項發現促使赫歇爾在1784年和1785年提出所有的星雲都是由恆星組成的理論。其主要內容是：不必再用發光的奇妙流體來解釋星雲了，存在不能解析的星雲是因為它們離我們太遙遠的緣故；赫歇爾提出存在着由眾多恆星聚集為巨大天體的假設。
赫歇爾當時通過把恆星密集的球狀星團和疏散的星團做比較，發現這種結構形式還可以顯示出引力作用的大小。他提出推論，經過一段時間後，疏散星團必然會集中形成一個密集的星團和幾個更緊密的星團。也就是說，恆星疏散的星團是由於星團處於早期發展階段，而恆星密集的星團則屬於星團的晚期階段。因此，赫歇爾提出天體有「時間的變化」（即演化的），這一說法後來成為一個基本的科學概念。1785年，赫歇爾還發表了自己的天體演化理論。他指出，在廣闊無垠的太空中，恆星最初是分散的，但隨着引力的作用，漸漸聚集起來，形成更加密集的星團。
| 公元1781年 業餘天文觀測者威廉·赫歇爾發現了天王星 | |
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觀測恆星
伽利略剛剛把望遠鏡指向夜空，就發現了很多用肉眼看不見的恆星，銀河那白茫茫的光帶原來充滿了恆星。後來，赫歇爾把望遠鏡每改良一次，就能發現一大批更多、更暗的恆星。他通過對星空所做的系統觀察發現，恆星在有些方向上多，有些方向上少。但他並不滿足於這種定性的判斷。
1784年，赫歇爾決心要數一數天上的星星究竟有多少，並且想了解在不同的地方，星星的數目究竟是怎樣分布的。要數清天上的星星，那可不是一件容易的事。耐心的赫歇爾首先把天空均勻分成幾百個區域，然後數出每一個區域中用望遠鏡能看到的恆星。結果，赫歇爾發現，越靠近夜空中的那條乳白色的光帶一一銀河，每單位面積上的恆星數目就越多，在銀河的方向上達到最大值，而在與銀河平面垂直的方向上，星星數目最少。
對於這種現象應該怎樣解釋呢？赫歇爾經過研究分析認為，恆星均勻地分布在形狀如一個「透鏡」或者一塊「磨盤」那樣的空間裡，而我們的太陽系可能大約位於靠近中心的地方。而地球人朝着「透鏡」直徑方向看去，便可以看到一些較近的，因而較暗的星星，在外面是數目更多的更遠的更暗的星。而大量十分遙遠的星星由於亮度太暗、肉眼不可能一一分辨出來，只能看到白茫茫的光帶，即銀河。赫歇爾就是這樣，用統計恆星數目的方法證實銀河係為扁平狀圓盤的假說。他開創了對銀河繫結構的研究，繪製了第一張銀河截面圖。
「在這個運動的宇宙里，為什麼只有太陽一個是靜止的呢？」赫歇爾在1783年就是抱着這樣一個想法，開始研究太陽的空間運動狀況的。遠在公元8世紀初，中國唐代傑出的天文學家一行把自己測量的恆星位置與漢代測量的位置相比較，發現有變化。但他沒有對此現象做出解釋。1000多年後，英國天文學家哈雷用同樣的方法（即參照古代記載的恆星位置），發現天狼星，大角和畢宿五這3顆亮星有了明顯的移動。為了研究的方便，人們把恆星的空間運動分成兩個分量一個是視向速度，它在視線方向；一個是切向速度（即與視線垂直），表示為「自行」，即恆星每年在背景上位移的角度。
1786年，赫歇爾向皇家學會呈交了記有1000個新發現的星雲星團表。1788年赫歇爾全家人移居到斯勞。赫歇爾在新居前開闢出寬闊的場地，準備安裝正在研製的口徑達122厘米（48英寸）的望遠鏡。1789年，赫歇爾完成了他的第二部記錄有1000個新發現的星雲星團表。同年，他的48英寸望遠鏡製造完成。這台巨大的望遠鏡具有非凡的探空威力，但由於其鏡面由反光金屬製成，焦點長度為12米，所以啟動非常不便。除了需要極大的毅力、耐心和觀測技巧以外，觀星者還需要付出繁重的體力勞動。雖說如此，這台巨型望遠鏡仍不失為18世紀的天文奇蹟之一。
1802年，赫歇爾發表了第三部新發現的1000個星雲星團表，結束了長達19年的星雲「巡天」觀測計劃。就這樣，經過近20年的艱辛探索，赫歇爾和卡洛琳發現了3000多個星雲和星團。在赫歇爾開創這一觀測計劃以前，天文學家已知的非恆星天體總和也不過150個。雖然赫歇爾建造口徑122厘望遠鏡是為了驗證其所有的星雲均是恆星集團的理論，但是在這台望遠鏡正式使用以前，赫歇爾根據自己觀測到的行星狀星雲，確證了深空中確實存在瀰漫狀天體，它們是雲氣，而非原來認定的恆星。 赫歇爾還在另一個方面擴展了人類的視野，那是在1800年他發現了太陽紅外輻射。他當時用溫度計測量太陽光譜的各個部分，結果發現，在將溫度計放在光譜紅端外測溫時，溫度上升得最高，而那兒卻完全沒有顏色。於是他得出結論：太陽光中包含着處於紅光以外的不可見光線。
赫歇爾之所以能在天文研究中有如此豐碩的成果，是與他幾十年如一日的勤奮工作分不開的。他移居斯勞以後，每天晚上只要不受月光和天氣等觀測條件的妨礙，總要在妹妹卡洛琳的陪同下觀測夜空。如果遇到多雲的天氣，他就請人看守，只要天空的雲氣散了，就隨時通知他來繼續觀測。赫歇爾是如此地熱愛他的天文學事業，用他全部的精力致力於對浩渺無限星空的探索，直到50歲時，即1788年，才娶了H．皮特為妻。1792年，赫歇爾的獨生子約翰·赫歇爾出世，後來也成為著名的天文學家。1821年，赫歇爾與兒子一起創建了英國皇家天文學會，他被選為第一任會長。1822年8月25日威廉·赫歇爾病逝於斯勞，享年84歲，這恰好等於天王星繞太陽運行的公轉周期。卡羅琳終生陪伴哥哥從事天文觀測等工作，後來也成為著名天文學家，她一生曾發現了8顆彗星，享年98歲。
| 西班牙加那利群島拉帕爾馬島威廉·赫歇爾天文台 | |
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人物成就
1781年，赫歇爾發現了太陽系中的第七顆行星——天王星，還發現了土星的兩顆衛星和天王星的兩顆衛星。
1782年，赫歇爾編製成了第一個雙星表，他還發現了多數雙星不是表面上的「光學雙星」，而是真正的「物理雙星」。
1783年，赫歇爾發現了太陽的自行，他得到的太陽運動方向和現代測量數據相差不到10度。
1786、1789、1802年，赫歇爾先後三次出版星團、星雲表，記錄了2500個星雲和星團。
赫歇爾最重大的貢獻，莫過於對銀河繫結構的研究，他是第一個確定了銀河系形狀大小和星數的人。
威廉有一個妹妹，卡羅琳·盧克雷蒂婭·赫歇爾（Caroline Lucretia Herschel，1750年3月6日－1848年1月9日），同樣，她也是個出色的天文學家。威廉·赫歇爾是18世紀著名的天文學家，他不僅發現了天王星，還開創了恆星天文學，他研究並假設（某些）星雲是由恆星組成，提出著名的恆星演化學說；他不僅在天文望遠鏡的發展史上留下永不磨滅的足跡，而且是當時最偉大的觀測天文學家，為恆星天文學的建立奠定了第一塊基石，在天文學史上他被譽為「恆星天文學之父」。
問世
1781年太陽系的第七顆大行星——天王星的問世，徹底改變了人類對太陽系的認識。發現者威廉·赫歇耳從此蜚聲天下，從一個愛好天文學的樂師變成了精通樂理的天文學家。
為了紀念200年前這一划時代的發現，英國格林尼次海軍大學於1981年4月25日舉辦了一場別開生面的「紀念赫歇耳音樂演奏會」。當時禮堂前是車水馬龍，會場上是春意盎然，而那天演的所有節目，不論是交響樂還是奏鳴曲，也無論是協奏曲還是田園詩，全都是當年赫歇耳創作的作品。所有與會的音樂家和天文學家，眾口交贊赫歇耳是世上少有的「音樂界和天文學界的雙星」。的確，赫歇耳正是雙星研究的奠基人，他確證了太空中的確存在着形影不離、互相繞轉着的「星界鴛鴦——雙星」，他自己在一生中則發現了848對雙星，並證實了維繫着雙星的是牛頓的萬有引力理論，其運動則遵循着開普勒定律。
赫歇耳的貢獻幾乎涉及天文學的所有領域。在太陽系中，除了天王星外，他還發現了4顆衛星：天衛三、木衛四、土衛一和土衛二。通過數十年如一日1083次單調枯燥的恆星計數工作，從60萬顆恆星的測量證明了銀河系的存在，並探知了它的形狀、結構與大小，儘管限於當時的條件，他的一些結論並不完全正確，但無疑他是真正的「恆星天文學之父」，是開創銀河系研究的先行者。他所記錄下來的星團與星雲多達2500個，並發現了一種新的天體——行星狀星雲。通過對恆星運動的研究，他指出太陽在銀河系中也在運動着，即太陽率領着它的「子孫」，以每秒幾十千米的巨大速度向着武仙座與天琴座毗鄰的方向疾馳而去。他還是最早發現太陽有紅外線發射的科學家，紅外天文學也是由此發端起來……
赫歇耳對於天文望遠鏡的貢獻更是無與倫比的，也是製造望遠鏡最多的天文學家。從1773年起，他親自動手磨製鏡頭就磨了半個世紀。這是一項極為枯燥又繁重的體力加智慧的工作，要把一塊堅硬的銅盤磨成規定的極其光潔的凹面形，表面誤差比頭髮絲還要細許多倍，中途還不能停頓，其難度可想而知。所以有時他要連續幹上10多個小時，吃飯時只能由他的妹妹來餵他，而且開始時他連連失敗了200多次，以至他的一個弟弟終於失去了耐心，頹傷地離他而去，直到1774年他才嘗到了勝利的歡樂，製成了一架口徑15厘米、長2.1米的反射望遠鏡，天王星正是它的突出成果。在英王喬治三世的大力支持下，通過3年多的不懈努力，終於在1789年他51歲時，製造出了稱雄世界多年的最大望遠鏡，它的鏡筒直徑達1.5米，差不多要3個人才能合圍，鏡筒長12.2米，豎起來有4層樓高，光是鏡頭就重2噸！這架像巨型大炮似的望遠鏡在使用的第一夜，就發現了土星的第一顆衛星——土衛二，2個月後又發現了土衛一。
赫歇爾於1738年生於德國的漢諾威（當時它屬英國管轄）的一個音樂世家，為逃避兵役，18歲時流浪到了英國本土，正是他的音樂才華使他擺脫了飢餓的折磨。為了事業，尤其是製造望遠鏡所需的巨大支出，他到50歲時才娶了一位非常富有又全力支持他工作的寡婦瑪麗為妻，所以他的獨子約翰出世時，他已是54歲的老人了。1821年英國皇家天文學會成立時，他眾望所歸地成為首任會長，後來還被冊封為爵士，1822年他與世長辭。有趣的是，他84歲的壽命恰恰正好就是他所發現的天王星繞太陽公轉一周的時間。
赫歇耳一家可稱為天文世家，他的妹妹卡羅琳·赫歇耳也是一位了不起的女性，她終生未婚，與哥哥朝夕相處50年，赫歇耳的許多發現中也有她的一份功勞，她獨自也有不少成就：發現了14個星雲與8顆彗星，對星表做了修訂，補充了561顆星，直到1848年98歲時去世。
赫歇耳的獨子約翰·赫歇耳也是將門虎子，後來還是英國皇家天文學會的創始人之一，發現的雙星多達3347對，發現了525個星團星雲，記下了南天的68948顆恆星，1849年撰寫的《天文學綱要》是對當時天文學的最好總結，對全世界都有深遠的影響。
後世紀念
歐洲計劃在2009年發射「赫歇爾」（Herschel）空間望遠鏡，其鏡片直徑達3.5米，遠超哈勃空間望遠鏡（鏡片直徑為2.4米），它將成為有史以來最大的空間望遠鏡。