赫歇尔空间天文台（英语：Herschel Space Observatory），欧洲空间局发射的远红外空间天文卫星，本名远红外与亚毫米波望远镜（Far Infrared and Sub-millimeter Telescope，简称FIRST），后以红外光谱的发现者、德裔英国天文学家威廉·赫歇尔（William Herschel）命名。
20世纪70年代末开始，人们对在远红外和亚毫米波段进行太空观测的兴趣增加。为实现这一目标，欧洲空间局（ESA）于1993年选择了远红外与亚毫米波望远镜（Far Infrared and Sub-millimeter Telescope，简称FIRST）作为“地平线（Horizon）2000”计划的四个基石任务[a]之一。2000年，该望远镜更名为赫歇尔空间天文台（Herschel Space Observatory），并于2009年5月14日和普朗克卫星一起在法属圭亚那库鲁[b]航天中心由“阿丽亚娜5-ECA（Ariane 5 ECA）”火箭发射升空。该空间天文台在L2拉格朗日点附近，围绕太阳旋转，以背对太阳和地球的姿势进行持续观测。在进行了4年的科学观测后，2013年4月29日，赫歇尔空间天文台低温器中的液氦耗尽。2013年6月17日12：25[c]，控制中心向天文台发出了关闭通讯的最终指令。6月18日，赫歇尔空间天文台关闭，结束了太空观测任务。
赫歇尔空间天文台是欧洲空间局建造的最为复杂的航天器，经历了十多年的研制，其研制和运行费用高达10亿欧元。该航天器也是第一个在太空中对整个远红外线和次毫米波进行观测的天文台。赫歇尔空间天文台发射后，给天文学家提供了更多更新的太空观测资料。如2011年8月，赫歇尔空间天文台探测到了星际空间中存在氧气分子。在运转期间，赫歇尔空间天文台构筑了截至2022年最为全面的远红外天文观测数据集。
1982年，远红外和亚毫米望远镜 （FIRST）被提议给欧洲航天局。欧洲航天局1984年制定的长期政策计划“2000 年地平线”要求将高通量外差光谱任务作为其基石任务之一。1986年，FIRST被采纳为该基石任务。 经过1992-1993年的行业研究，该任务于1993年被选中实施，任务观测点设计为拉格朗日点L2。2000年，FIRST更名为赫歇尔空间天文台。2000年招标后，该项目建设于2001年开始。赫歇尔空间天文台于2009年发射。
20世纪70年代末期，人们对在远红外和亚毫米波段进行太空观测的兴趣逐渐增加。当时，地面望远镜的近红外观测揭示了在光学范围内无法看见的隐藏源，而射电天文学家则开始勘探新的天体化学领域。在这个相对未知的电磁波谱区域中，还有更多待发现的内容，只有通过太空观测才能实现。
1982年11月，远红外与亚毫米波望远镜（Far Infrared and Sub-millimeter Telescope，简称FIRST）项目向欧洲空间局（ESA）提出申请，随后进行了两年的可行性研究。1984年，欧洲空间局（ESA）提出了“地平线（Horizon）2000”计划，旨在推动未来航天器的发展。1993年11月，远红外与亚毫米波望远镜项目在欧洲空间局科学计划委员会（SPC）会议上被选中作为“地平线2000”长期科学计划中的四个“基石”任务之一。2000年12月，在美国托莱多（Toledo）举行的研讨会上，远红外与亚毫米波望远镜更名为赫歇尔空间天文台（Herschel Space Observatory），以纪念德裔英国天文学家威廉·赫歇尔（William Herschel）发现红外线200周年。
2001年，赫歇尔空间天文台开始装配。2005年9月，中国国家天文台与赫歇尔空间天文台光谱和光度计成像接收机（SPIRE）设备研制方签署备忘录，正式成为其国际合作伙伴。中国在光谱和光度计成像接收机（SPIRE）仪器控制中心和赫歇尔科学公共系统研制等方面投入了软件工程力量，黄茂海、李金增两位研究员先后加入了赫歇尔科学专家组进行研究。2009年，中国国家天文台成为SPIRE正式Co-I成员单位。
赫歇尔任务费用11亿欧元，此数字包括航天器和有效载荷、发射和任务费用以及科学运营。2009年2月，赫歇尔空间天文台作为第一个在更长的亚毫米波段上观测天空的太空观测器，通过安托诺夫大型货机（Antonov cargo plane）飞往库鲁[b]（Kourou）准备发射。2009年5月14日13时12分[c]（北京时间5月14日21时12分），欧洲“阿丽亚娜5-ECA（Ariane 5 ECA）”火箭搭载赫歇尔空间天文台和普朗克巡天者两颗探测卫星，从法属圭亚那库鲁航天中心发射升空。两个航天器在发射后30分钟内分离开来，并分别在太阳-地球系统“L2拉格朗日点”的不同轨道上前进。
赫歇尔空间天文台成功发射两天后，开启了它的遥感勘测下行线“高速模式”，并开始传输数据，这是第一次在太空中使用“高斯滤波最小频移键控系统（GMSK）”，该系统功率和带宽较大，通常用于全球移动通信系统手机网络的数据传输。约60天后，两颗卫星被送入深空轨道，距离地球约150万千米，即比月球远3倍的“L2拉格朗日点”附近，成为围绕太阳旋转的航天器。赫歇尔空间天文台在L2点周围的轨道平均振幅约为70万公里，周期约为178天。两颗探测卫星以背对太阳和地球的姿势，对宇宙进行持续观测。
2013年4月29日，航天器上的传感器证实了赫歇尔空间天文台的整体温度正在上升，这表明天文台低温器中的液氦已耗尽。于是欧洲空间控制中心（ESOC）清空了赫歇尔空间天文台的肼[jǐng]推进剂贮箱，以减少未来爆炸的风险。清空过程中，控制中心指挥卫星启动推进器，最终将天文台的燃料耗尽。2013年6月17日12：25（格林尼治标准时间），控制中心向赫歇尔空间天文台发出了关闭通讯的最终指令。6月18日，赫歇尔空间天文台关闭，结束了太空观测任务。
“L2拉格朗日点”是太空中的一个虚点，距离地球约为1.5×106km。当卫星位于L2的环境中时，可以与地球进行稳定的无线电通信，并保证观测的连续性。因此，“L2拉格朗日点”是国际天文观测计划选定的最理想位置。根据ISO任务中获得的经验，通过对任务各方面的重新评估，赫歇尔空间天文台的任务概念是航天器采用超流氦低温恒温器，重复使用ISO技术，最终自主出现在远离地球、围绕日地/月球系统第二拉格朗日点（L2）的大幅度准光晕轨道上。
赫歇尔空间天文台是发射时口径最大、能力最强的红外空间望远镜，其主镜口径达到了3.5米。其组成结构有服务舱、有效载荷舱、望远镜以及三台科学仪器。此外，赫歇尔空间天文台还配备了地面操作中心、五个科学地面段、动力子系统以及姿态和轨道控制。
赫歇尔空间天文台由服务舱和有效载荷舱组成。服务舱内安装有电源系统、姿态控制系统、数据处理和通信系统，以及科学仪器中无需冷却的部分。有效载荷舱则包括望远镜、光学平台和需要冷却的仪器（即敏感探测器和冷却系统）。有效载荷舱的外部配备有一个轻质碳纤维制成的遮挡板，用于保护望远镜和冷却仪器免受太阳光的影响。此外，遮挡板上还装有太阳能电池，可以产生1500W的能量供卫星使用。
赫歇尔空间天文台采用了一台卡塞格伦望远镜（Cassegrain），其主镜质量为240kg，平均厚度为20cm，直径为3.5m，集光面积比哈勃望远镜（2.4米口径）还要大一倍。它不是由玻璃制成，而是由烧结碳化硅制成。镜坯由法国塔布的Boostec制造；由芬兰图奥拉天文台的Opteon Ltd研磨和抛光；并在西班牙卡拉尔托天文台通过真空沉积进行镀膜。其探测器保持在低于2K（-271°C）的温度下。 这些仪器用2300多升（510英制加仑；610美制加仑）液氦冷却，在接近真空的状态下以大约1.4 K（-272 °C）的温度沸腾。航天器上的氦气供应是空间天文台运行寿命的基本限制； 最初预计它至少可以运行三年。由于镜片尺寸较大，无法制作成单一的镜片，因此必须由12个小镜片组合而成，因此它是第一个被分割的空间望远镜镜片。红外辐射首先聚焦在主镜上，然后通过副镜，最终汇集到卫星上的3台科学仪器中。
主镜的设计既要足够轻巧，又要保证其表面非常光滑，镜片上的凸起只有1mm的几千分之一。此外，它还必须具备足够的硬度，能够经受住恶劣环境的考验。在卫星发射过程中，主镜将受到几倍于地球引力的力，同时还要承受剧烈的温度变化，从发射时的20摄氏度到进入太空后的-200摄氏度。鉴于这些要求，望远镜的镜面采用碳化硅材料制成。这种材料集金属和玻璃的优点于一身，具有轻量、易于磨光、耐挤压和耐腐蚀的特性。即使在温度剧烈变化的情况下，它的机制和热特性也不会发生显著变化。
赫歇尔空间天文台搭载了三台科学仪器，分别是：远红外外差测量仪（HIFI），这是一台高分辨率的外差分光计；光电探测器阵列相机和分光计（PACS），是一台成像光度计\中分辨率光栅分光计；光谱和光度计成像接收机（SPIRE），是一台成像光度计\成像傅立叶变换分光计。
为保证赫歇尔空间天文台对远红外和亚毫米辐射的探测灵敏度，部分仪器需要冷却至接近绝对零度。共享光学操作台被置于制冷器中以保持低温，该制冷器继承了欧洲航天局ISO卫星上的制冷器。其内部装有2300升的液态氦，在任务期间每天会消耗180μg的氦气，这样的供氦量足够支持任务持续3.5年。另外，为确保低温，每台仪器还单独配备了专门的制冷系统。
光电探测器阵列相机和分光计是一台由德国马克斯·普朗克天体物理学研究所设计和制造的成像相机和低分辨率分光计，覆盖波长从55到210微米。该分光计的光谱分辨率在R=1000到R=5000之间，并能探测到强度为−63 dB的信号。它作为作为集成场摄谱仪运行，结合了空间和光谱分辨率。成像相机能够同时在两个波段（60–85/85–130微米和130–210微米）成像，检测限为几毫焦耳。
远红外外差测量仪是一种异频检波器，能够电子分离不同波长的辐射，提供高达R=107的光谱分辨率。该测量仪在两个波长段内运行：从157到212微米和从240到625微米。可用于获取有关红外源的化学成分、运动学和物理环境的信息。荷兰SRON空间研究所主导了HIFI的设计、建造和测试过程。HIFI仪器控制中心，也由SRON领导，负责获取和分析数据。 美国宇航局为这一仪器开发并制造了混频器、本地振荡器链和功率放大器。美国宇航局赫歇尔科学中心（同样位于帕萨迪纳的加州理工学院红外处理和分析中心的一部分）提供了科学规划和数据分析软件。
光谱和光度计成像接收机是一台成像相机和低分辨率光谱仪，覆盖波长范围为194到672微米。该光谱仪在250微米波长处的分辨率介于R=40和R=1000之间，并能够成像亮度约为100毫焦耳（mJy）的点源和约为500 mJy的扩展源。成像相机有三个波段，分别为250、350和500微米，分别具有139、88和43个像素。它能够探测到亮度超过2mJy的点源，以及亮度在4到9 mJy之间的扩展源。SPIRE成像相机的原型在BLAST高空气球上飞行。美国加利福尼亚州帕萨迪纳的美国宇航局喷气推进实验室为该仪器开发并建造了“蜘蛛网”玻尔滤光片，比之前的版本灵敏度高出40倍。赫歇尔-SPIRE仪器由一个国际联合体建造，包括来自八个国家的18多个研究机构，其中卡迪夫大学是主要研究机构。
赫歇尔空间天文台的任务操作中心（MOC）位于德国达姆施塔特（Darmstadt）的欧洲空间局航天运营中心（ESOC），负责日常操作、航天器的健康和安全。为与航天器进行通信，使用了欧洲空间局在澳大利亚珀斯（Perth）附近的纽诺西亚（New Norcia）和西班牙阿维拉（Avila）附近的塞布雷罗斯深空天线（Cebreros deep space antennas），其中纽诺西亚是主要地面站。在赫歇尔空间天文台发射后，还使用了法属圭亚那库鲁和西班牙比利亚弗兰卡（Villafranca）地面站。
赫歇尔科学地面段由五个部分组成：赫歇尔科学中心（HSC）、每个赫歇尔仪器的仪器控制中心（HIFI、PACS、SPIRE）和美国航天局赫歇尔科学中心（NHSC）。
泰雷兹阿莱尼亚空间公司在都灵工厂为赫歇尔和普朗克任务设计并建造了一个通用服务模块（SVM），因为它们被合并为一个单一计划。 从结构上看，赫歇尔和普朗克SVM非常相似。两个SVM都是八角形的，并且每个面板都专门用于容纳一组指定的暖单元，同时考虑了仪器、航天器以及不同暖单元的散热要求。此外，在两艘航天器上，航空电子系统、姿态控制和测量系统 （ACMS）、指令和数据管理系统（CDMS）、电源子系统以及跟踪、遥测和指令子系统 （TT&C） 都采用了通用设计。
在每个航天器上，电源子系统由太阳能电池阵列、采用三结太阳能电池、电池和电源控制单元 （PCU）组成。它旨在与每个太阳能电池阵列的30个部分连接，提供一个受管制的28V总线，通过受保护的输出分配此电源，并处理电池的充电和放电。对于赫歇尔望远镜，太阳能电池阵列固定在挡板的底部，该挡板旨在保护低温恒温器免受太阳照射。三轴姿态控制系统使该挡板始终朝向太阳。该挡板的顶部覆盖有光学太阳反射镜 （OSR），可反射98%的太阳能，避免低温恒温器升温。
姿态和轨道控制功能由姿态控制计算机（ACC）执行，它是ACMS的平台。它旨在满足赫歇尔和普朗克有效载荷的指向和旋转要求。赫歇尔航天器是三轴稳定的。绝对指向误差需要小于3.7角秒。 两艘航天器的视线主要传感器是恒星跟踪器。
赫歇尔空间天文台是欧洲空间局建造的最为复杂的航天器，经历了十多年的研制，克服了各种困难。据欧洲空间局的资料显示，其研制和运行费用高达10亿欧元。该航天器是第一个在太空中对整个远红外线和次毫米波进行观测的天文台，旨在搜集来自遥远不知名天体的微弱光线。由于红外光线多数被地球大气层中的水雾所阻挡，地面上的望远镜无法有效地通过红外光线观测宇宙天体。其他太空上的望远镜，都仅能观测特定红外波段的范围。而赫歇尔空间天文台发射之后，观测宇宙将不再是通过一个模糊的窗口。通过赫歇尔空间天文台，天文学家能够以远红外波段更好地观测宇宙。赫歇尔空间天文台还能够探测到星际灰尘云中是否存在液态水，并与太阳系内的水化学成分进行对比，从而揭示太阳系与之外宇宙环境的关联性。除此之外，赫歇尔空间天文台还将观测银河系之外的恒星变化，以此揭示恒星的形成之谜。
赫歇尔空间天文台在任务期间，其进行了超过35000次科学观测，并从大约600个不同的观测项目中积累了超过25000小时的科学数据。在运转期间，赫歇尔空间天文台构筑了截至2022年最为全面的远红外天文观测数据集。
2010年5月，天文学家们在赫歇尔空间天文台探测猎户星云的一片区域时发现了一块真空区域。这一名为NGC1999的区域距离地球约1500光年。同年5月，天文学和天体物理学特刊发表了152篇关于赫歇尔空间天文台初步结果的论文。2011年8月，赫歇尔空间天文台探测到了星际空间中存在氧气分子。同年10月，赫歇尔空间天文台测量了哈特利2号彗星中氘[dāo]含量，表明地球上大部分水可能源于彗星撞击。10月20日，科学家在一颗年轻恒星的吸积盘中发现冷水蒸气，冷水蒸气与之前在恒星附近检测到的暖水蒸气不同，能够形成彗星，然后将水带到内行星，正如地球上水起源的理论那样。
2013年3月，赫歇尔空间天文台观测到原恒星形成初期，为科学家研究恒星形成过程提供了依据。为寻求太空中的水源，赫歇尔空间天文台采用最精密的仪器，研究了哈特雷2号彗星（comet Hartley 2），天文学家们得出了该彗星被水所包围，并和地球海洋拥有相同的分子指纹的结论。除此之外，赫歇尔空间天文台还在金牛座内部发现大量的水蒸气，这是它首次在寒冷的分子云中首次发现水蒸气。4月18日，赫歇尔空间天文台团队在《自然》杂志上宣布，他们找到一个特殊的星暴星系，该星系每年产生超过2,000个太阳质量的恒星。这个名为HFLS3的星系红位移是6.34，距离于大爆炸后仅8.8亿年。在其任务结束前几天，科学家根据赫歇尔空间天文台观测结果认为木星上的水是由1994年苏梅克-列维9号彗星的碰撞而产生的。
随着计算机技术的发展，赫歇尔空间天文台的数据收集和存储能力大大提升。即便在2013年6月退役后，仍留下了大量科学数据等待天文学家处理。同时，其他一些天文望远镜也能够在同样的波段上进行探测，它们获得的数据与赫歇尔空间天文台探测的数据可以互相佐证。2014年1月，欧洲空间局的天文学家使用天文台的数据首次确定矮行星谷神星上存在水蒸气，这使得天文学家重新思考彗星、小行星和矮行星之间的界限。直到2017年，天文学家才将“赫歇尔”留下的探测数据分析完毕。在4年的科学运转期间，赫歇尔空间天文台构筑了截至2022年最为全面的远红外天文观测数据集。
赫歇尔空间天文台的欧洲空间局总承包商是位于法国戛纳（Cannes）的塞尚阿雷尼亚空间公司（Thales Alenia Space），该公司领导了一个由工业合作伙伴组成的联合体，其中德国弗里德里希斯哈芬（Friedrichshafen）的阿斯特利姆（Astrium）公司负责载荷模块，而意大利都灵（Turin）分部的塞尚阿雷尼亚空间公司负责服务模块。法国图卢兹（Toulouse）的阿斯特利姆分部则负责了望远镜部分。此外，还有100多家分布在整个欧洲的分包商。
2009年12月14日，隶属于美国航天局（NASA）的广域红外巡天探测者卫星（Wide-field Infrared Survey Explorer，简称WISE）发射升空。广域红外巡天探测者卫星搭载了一架口径40厘米的望远镜，还配备了四台照相机，分别工作在3.4微米、4.6微米、12微米和22微米波长。每台照相机均拥有约100万个像素，远远超过同为红外巡天卫星的红外天文卫星IRAS的62个像素。2011年2月1日，完成了最初预定的红外波段全天巡天任务后，进入休眠状态。2013年9月13日，作为“新智”（NEOWISE）任务重启，至2022年仍在运行，重点转向近地小天体搜索。该卫星在高度约525千米的太阳同步圆形极轨道上运行，为提高观测效率，其位置保持在地球的昼夜分界线上，朝向夜半球的天空。
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