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  美國東部時間2009年5月11日14時01分,亞特蘭提斯號太空太空梭從佛羅里達州肯尼迪太空中心發射升空。在此次太空之旅中,機上的4名任務專家通過5次太空漫步對哈勃太空望遠鏡進行了最後一次維護,為其更換了大量裝置和輔助儀器,進行了脫胎換骨的維護更新。這些更新主要包括:以新的第三代廣域照相機(WFC3)取代WFPC2;安裝新的宇宙起源頻譜儀(COS)、取回該處的COSTAR光學矯正系統;修復損壞的先進巡天照相機(ACS);修復損壞的太空望遠鏡影像攝譜儀(STIS);替換損壞的2#精細導星感測器(FGS);更換科學儀器指令和資料處理系統(SIC&DH);更換全部的電池模組;更換所有的6個陀螺儀和3組定位感測器(RSU);更換對接環、安裝全新的絕熱毯(NBOL)、補充製冷劑等等。  美國東部時間5月19日8時57分,女任務專家美瑾·麥克亞瑟用亞特蘭提斯號上的機械臂將哈勃放出貨艙。這次維護不但全方位提高了哈勃望遠鏡的觀測效能,而且可望使其服役期最少延長至2014年。美國太空總署將對望遠鏡展開測試,計劃9月公佈哈勃維修後拍攝的首批照片。由於這次行動風險極高,太空總署還佈置奮進號待命,隨時準備升空「營救」。5月24日(星期日)早晨,亞特蘭提斯號安全降落在愛德華空軍基地(因天氣原因,降落被延遲了3天並最終沒有直接降落在肯尼迪太空中心太空梭專用機場)。
STS-125又稱HST-SM4(Hubble Space Telescope Servicing Mission 4),是哈勃太空望遠鏡第4次維修任務。太空梭亞特蘭提斯號於2009年5月11日從美國佛羅里達州肯尼迪太空中心升空,飛行為期13天。這是美國第126次太空梭任務和亞特蘭蒂斯號的第30次飛行。