1．神奇的望远镜
从望远镜的发明到太空望远镜升空，人们在过去几个世纪里做出了巨大的努力。
荷兰光学家和眼镜制造者利伯希在1608年的一天偶然发现，将两块镜片重叠并使其相隔一定远近观看时，可看见远处教堂屋顶原来几乎看不见的小鸟。他把两块镜片装在一个铜管的两头，发明了最初的望远镜。
伽利略·伽利雷
1609年意大利佛罗伦萨人伽利略·伽利雷发明了40倍双镜望远镜，这也是第一部投入科学应用的实用望远镜。1611年，德国科学家开普勒也设计了一部望远镜，并改良了目镜，扩大了望远镜的视野，成为今日望远镜的主流。 1668年，牛顿利用光线反射的方式，发明了反射式望远镜。这是天文望远镜的一大突破，因为反射式望远镜在制造上远比折射式望远镜容易的多，并且没有折射式望远镜的色差现象，能让观测质量大幅提升。
牛顿反射式望远镜
1814年，哈密顿提出在透镜组中加入反射面，以增加光焦度，可得到色差改正比消色差镜更好的望远镜，这就是最早的折反射式望远镜。
1931年，德国B?V?施密特发明的望远镜由一形状接近平板的草帽形非球面透镜和一个凹球面镜组成。他后来的改进不是在于变动凹球面，而是在光阑处放一块与平行平板差别不大的非球面改正透镜，称施密特改正透镜。
战后，反射式望远镜在天文观测中发展很快，1950年在帕洛玛山上安装了一台直径5.08米的海尔（Hale）反射式望远镜。1969年在前苏联高加索北部的帕斯土霍夫山上安装了直径6米的反射镜。
多面反射鏡組成單一影像
1977年，凭借计算机的辅助，许多来自反射镜的影像可结合成单一影像。1977年设于美国亚历桑那州霍普金斯山的第一座多面反射镜望远镜（MMT）首次运行。该望远镜一排6片，直径1.8米的反射镜，可聚集到相当于直径4.5米单片反射镜所聚集之光线。
1986年，电子仪器与计算机的问世对天文学产生了深远的影响，强化的影像促使天文学许多不同新见解的产生。具有电子藕合装置的电子感应器可感测到最微弱的光学讯号，或侦测许多不同种类的辐射。经过计算机处理后，讯号被整理与加强，这些经由电子仪器观测到的讯号传递了清晰的信息。数字处理将极细微的差异放大，显现出原来被地球大气掩藏，以致肉眼看不到的东西。
1990年，拼嵌式望远镜具有成本低廉、修补时易移动的优点。美国夏威夷的凯克望远镜是由36片反射镜拼嵌成一座直径10米的望远镜。凯克望远镜所观测的物体亮度比海尔望远镜所能见到的强4倍。
凯克望远镜
1990年，排除了地球的混浊大气层的视野干扰，哈勃太空望远镜正在距离地表600 公里处环绕地球运行和观测。哈勃太空望远镜是有史以来最具威力的望远镜，它让我们观看宇宙的视野起了革命性的改变。现代，计算机网际网络计算机网际网络通畅无阻，使终端个人使用者不受时间和空间的限制，就可结合全球（甚至外层空间中）的观测望远镜进行远方遥控观测。并可立刻结合先进计算机软件进行分析与数字处理。
知识卡片：
伽利略·伽利雷
伽利略·伽利雷（Galileo Galilei，1564年2月25日-1642）意大利物理学家、天文学家和哲学家，近代实验科学的先驱者。是近代实验物理学的开拓者，被誉为 “近代科学之父”。 他是为维护真理而进行不屈不挠的战士。恩格斯称他是“不管有何障碍，都能不顾一切而打破旧说，创立新说的巨人之一”。1564年2月15日生于比萨，历史上他首先提出并证明了同物质同形状的两个重量不同的物体下降速度一样快，他反对教会的陈规旧俗，由此，他晚年受到教会迫害，并被终身监禁。他以系统的实验和观察推翻了亚里士多德诸多观点。因此，他被称为“近代科学之父”“现代观测天文学之父” 、“现代物理学之父”、“科学之父” 及“现代科学之父”。他的工作，为牛顿的理论体系的建立奠定了基础。
其成就包括改进望远镜和其所带来的天文观测，以及支持哥白尼的日心说。当时，人们争相传颂：“哥伦布发现了新大陆，伽利略发现了新宇宙”。今天，史蒂芬·霍金说，“自然科学的诞生要归功于伽利略，他这方面的功劳大概无人能及。”
开普勒
开普勒（1571-1630）是德国著名的天体物理学家、数学家、哲学家。他首先把力学的概念引进天文学，他还是现代光学的奠基人，制作了著名的开普勒望远镜。他发现了行星运动三大定律，为哥白尼创立的“太阳中心说”提供了最为有力的证据。他被后世誉为“天空的立法者”。
2．望远镜上太空
纵然探索浩瀚的宇宙是科学家们多年来的夙愿，但望远镜上太空还是航天航空技术发展到一定阶段才实现的。
望远镜没有“翅膀”，它不能自己“飞”到太空里去。那么它是怎么进入太空的呢？
地球上的物体受地球的引力作用而被束缚在地球表面不能离去，当物体以很大的速度绕地球圆周运动时，需要很大的向心力，这个向心力也由万有引力提供，因而物体受到的得力会相应减小，当物体的速度达到一定的速度，物体就绕着地球运动而不会落到地面。
物体脱离地球引力进入围绕太阳的轨道需要的速度叫做第二宇宙速度，物体如果进一步挣脱太阳引力的束缚，则需要更多的能量。挣脱太阳系而向太阳系以外的宇宙空间去，必须具有的最小速度叫做第三宇宙速度。
太空中的宇航员
如今的所有太空望远镜都是通过搭乘火箭或装载在航天飞机的货舱中进入轨道的。有几个国家和商业组织已经具备了火箭发射能力，它们经常将重达数吨的卫星安全地送入轨道。我们前面已经介绍过哈勃太空望远镜升空的情况，发现号航天飞机升入太空。其它的太空望远镜一样，也是需要航天飞机或者火箭运载升空，然后进入一定轨道，才能在太空中遨游。
在宇宙中遨游的卫星
那么，太空望远镜是怎么升空后是靠什么动力运行的？它怎么与地球联系呢？
其实，与其它空间站、卫星一样，太空望远镜的动力主要是依靠太阳能。太空望远镜一般配有太阳能电池板，用来收集太阳能，以支撑其运转。
国际空间站
太空望远镜并不是完全“自由”地在太空行走，而是要与地面联系，受科学家们的控制。下面以哈勃为例，我们来了解一下太空望远镜与地面的配合工作。
哈勃太空望远镜使用的通讯系统
在1983年，空间望远镜科学协会（STSCI）在经历NASA与科学界之间的权力争夺后成立。空间望远镜科学协会隶属于美国大学天文研究联盟 （AURA），这是由32个美国大学和7个国际会员组成的单位，总部坐落在马里兰州巴尔地摩的约翰?霍普金斯大学校园内。
空间望远镜科学协会负责空间望远镜的操作和将数据交付给天文学家。美国国家航空航天局(NASA)想将之做为内部的组织，但是科学家依据科学界的做法将之规划创立成研究单位，由NASA位在马里兰州绿堤，空间望远镜科学协会南方48公里，的哥达德太空飞行中心和承包厂商提供工程上的支援。哈勃望远镜每天24小时不间断的运作，由四个工作团队轮流负责操作。
空间望远镜欧洲协调机构于1984年设立在德国邻近慕尼黑的Garching bei München，为欧洲的天文学家提供相似的支援。
知识卡片：
美国国家航空航天局
美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration）简称NASA。它是美国联邦政府的一个政府机构，负责美国的太空计划。1958年7月29日，艾森豪威尔总统签署了《美国公共法案85-568》（United States Public Law 85-568，即《美国国家航空暨太空法案》），创立了NASA。1958年10月1日NASA正式成立。总部位于华盛顿哥伦比亚特区。
NASA被广泛认为是世界范围内太空机构的领头羊。当时所有国防部之下非军事火箭及太空计划在总统行政命令下一起归入NASA，包括正在进行的先锋计划和探险者计划，以及美国全部科学卫星计划。原国家航空咨询委员会(NACA)的3个实验室：兰利研究实验室、刘易斯研究实验室、艾姆斯研究实验室编入NASA，更名为兰利研究中心、刘易斯研究中心、艾姆斯研究中心。爱德华空军基地的飞行试验室改名为飞行研究中心，海军研究实验室有关先锋计划的部分划归NASA，在马里兰州组建了戈达德航天飞行研究中心。
1960年6月接管冯·布劳恩领导的陆军弹道导弹局，在亨茨维尔组建马歇尔航天飞行中心，负责大型运载火箭的研究计划。尔后NASA还相继调整、组建了肯尼迪航天中心、约翰逊航天中心、太空飞行器中心。现在，NASA已成为世界上所有航天和人类太空探险的先锋。在太空计划之外，NASA还进行长期的民用以及军用航空太空研究。
万有引力定律
万有引力定律(Law of universal gravitation)是艾萨克·牛顿在1687年于《自然哲学的数学原理》上发表的。
牛顿的普适万有引力定律表示如下：任意两个质点通过连心线方向上的力相互吸引。该引力的大小与它们的质量乘积成正比，与它们距离的平方成反比，与两物体的化学本质或物理状态以及中介物质无关。
万有引力定律是解释物体之间的相互作用的引力的定律。是物体（质点）间由于它们的引力质量而引起的相互吸引力所遵循的规律。是牛顿在前人（开普勒、胡克、雷恩、哈雷）研究的基础上，凭借他超凡的数学能力证明，在1687年于《自然哲学的数学原理》上发表的。
万有引力定律的发现，是17世纪自然科学最伟大的成果之一。
3．太空望远镜设计原理
太空望远镜究竟是什么？为何它如此独特？它如何生成如此清晰的图像？在哪里可以看到这些图像？
太空望远镜内部构造
科学家提议建造的一架太空望远镜将利用带图案的金属片来聚光，而不需镜子或透镜。而且，此望远镜将具有令人惊讶的犀利视力，能发现其它恒星周围的地球大的行星。
天文望远镜通常是用弯曲的镜子来聚光，但向太空发射时对镜子的大小就有限制，因为发射大型的物体到太空会增加成本，况且发射火箭的威力也是有限的。而这种新型望远镜采用了完全不同的方式来聚光，不需较大的主镜或透镜，而只需采用一面较小的次要镜子或透镜。
光线通过金属片的孔洞聚集成一个图像
此技术诀窍是充分利用了自然光波，能导致光线围绕着物体的边缘发生弯曲。这种现象就叫“衍射”，这就是为何你能听到来自大楼角落的声音的原因。这意味着只需让光线通过不透明金属片上雕刻的某种样式的孔洞，就能让光线聚集成一个图像。其实，这类图案形的金属片早就用来聚集激光束，但一直没有应用到天文学领域。
衍射现象
科学家称此金属片为菲涅尔区金属板，这一命名是源于法国物理学家菲涅尔于19世纪研究了衍射现象。由法国图卢兹市一家天文台的天文学家劳伦·柯其林领导的科研小组表示，强大的“菲涅尔成像仪”只需预先将一片金属板加工成菲涅尔模式，固定在牢固的框架上，再发射到太空就大功告成。配备有摄像机和其它科学仪器的太空船将坐定在其聚集点上，和“菲涅尔成像仪”保持一定距离，并记录其观察结果。
知识卡片：
衍射
衍射（Diffraction）又称为绕射，波遇到障碍物或小孔后通过散射继续传播的现象。衍射现象是波的特有现象，一切波都会发生衍射现象。
波在传播过程中经过障碍物边缘或孔隙时所发生的传播方向弯曲现象。孔隙越小，波长越大，这种现象就越显著。大气中的华和宝光等都是衍射现象。
4．太空望远镜的奇妙发现
除了各种枯燥的科学理论的证明，太空望远镜最有趣的发现就是它们拍摄下来了各种各样的超越人类想象的图片。
在这方面，哈勃太空望远镜贡献最多。
猫眼星云
当我们的视线穿越重重星系，聚焦在距离地球3000光年的太空，一颗璀璨的星系便随之映入眼帘，它就是著名的猫眼星系。它位于天龙座星云，特别之处在于其结构是已知星云中最为复杂的一个。哈勃太空望远镜拍得的图像显示，猫眼星云拥有绳结、喷柱、弧形等各种形状的结构。
海马太空星尘
图中好似海马的物质，是距离我们20光年外太空的一种太空粒子微尘。这幅照片拍摄于我们的邻居大麦哲伦云(Large Magellanic Cloud)，一个恒星聚集群蜘蛛星云附近。
开普勒太空望远镜拍摄的部分银河系照片
这是2009年4月16日由美国航天局公布的“开普勒”太空望远镜拍摄的银河系照片的一小部分。在这张照片中，可以看见距离地球13000光年的80亿“岁”的星群NGC6791。美国东部时间2009年3月6日，美国“开普勒”太空望远镜在美国卡纳维拉尔角空军基地发射升空。
赫歇尔太空望远镜拍摄的红外图像
北京时间2011年4月19日消息，欧洲航天局赫歇尔太空望远镜近日在星际云中发现了一种如网络般的错综复杂的气态丝状结构。奇特的是，每一个丝状结构宽度大概相同。天文学家认为，这一现象表明，这种丝状结构可能是由贯穿于银河系的星际音爆形成的。
知识卡片：
麦哲伦云
麦哲伦云Magellanic clouds，银河系的两个伴星系。在北纬20°以南的地区升出地平面。它们是南天银河附近两个肉眼清晰可见的云雾状天体。大的一个在剑鱼座和山案座,约6°大小，相当于12个月球视直径；小的一个在杜鹃座，张角约2°，相当于4个月球视直径；两个云在天球上相距约20°。大小麦云属于最近的星系之列,这使我们能周密地分析它们的成员天体,因而它们是重要的天文观测对象，也是星系天体物理资料的重要来源。
十世纪阿拉伯人和十五世纪葡萄牙人远航到赤道以南时，都曾注意到南天星空中这两个云雾状天体，称之为“好望角云”。葡萄牙航海家麦哲伦于1521年环球航行时，首次对它们作了精确描述，后来就以他的姓氏命名。大云叫大麦哲伦云,简称大麦云(LMC)；小云叫小麦哲伦云,简称小麦云(SMC);合称麦哲伦云。
5．中国的太空望远镜研究
