周五 · 深空探測  |  周六 · 茶余星話  |   周日 · 視頻天象

翻譯 高三強(qiáng)

校對(duì) 牧夫校對(duì)組

美編 陳卓             

哈勃望遠(yuǎn)鏡的主要科學(xué)任務(wù)之一是測量宇宙的大小和年齡，并驗(yàn)證有關(guān)宇宙起源的理論。那些暗淡星系的圖像向我們提供了如同“宇宙化石”般的線索，使我們得以了解宇宙在遙遠(yuǎn)過去的樣貌，從而推測它是如何隨著時(shí)間演化的。哈勃深空讓天文學(xué)家第一次清晰地看到了星系形成早期的狀態(tài)，第一次窺見了古代宇宙，并在現(xiàn)代天文學(xué)中引發(fā)了一場真正的革命。

哈勃在后期拍攝的深空?qǐng)D像（比如哈勃超深空），揭示了迄今為止觀測到的最遙遠(yuǎn)的星系。由于這些星系的光到達(dá)我們所需的時(shí)間極其漫長，我們看到的其中一些星系來自宇宙大爆炸后僅5億年的時(shí)空。

深空觀測是指對(duì)天空某一特定區(qū)域進(jìn)行的長時(shí)間觀測，其目的是通過在較長時(shí)間里收集該區(qū)域的光線來揭示暗淡的天體。觀察越“深入”(即曝光時(shí)間越長)，在圖像上原本模糊的物體就越清晰。天體可能因?yàn)樗鼈兊淖匀涣炼群艿?，或者因?yàn)樗鼈兊木嚯x很遠(yuǎn)而顯得暗淡。在哈勃深空和超深空的觀測中，極遠(yuǎn)的距離使觀測目標(biāo)的光變得非常微弱，使觀測極具挑戰(zhàn)性。

根據(jù)不同的哈勃深空?qǐng)D像，天文學(xué)家能夠研究早期宇宙中的年輕星系和最遙遠(yuǎn)的原始星系。不同的深空也是一個(gè)很好的數(shù)據(jù)庫，其中包括迄今為止觀測到的最遠(yuǎn)的物體。

哈勃深空望遠(yuǎn)鏡的想法源于1993年哈勃被修復(fù)后發(fā)回的第一批深空?qǐng)D像。這些圖像顯示了許多與我們?cè)诟浇钪嬷锌吹降姆浅２煌男窍?，它們通常無法通過傳統(tǒng)的地面望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行研究。第一張深空——哈勃北部深空(HDF-N)，由1995年圣誕節(jié)期間10多天的連續(xù)觀測得到。最終的圖像由342張獨(dú)立的曝光影像組成，總曝光時(shí)間超過100小時(shí)，而哈勃通常的曝光時(shí)間只有幾個(gè)小時(shí)。大熊座上空的目標(biāo)天區(qū)是經(jīng)過精心挑選的結(jié)果，要盡可能地空無一物，這樣哈勃望遠(yuǎn)鏡就能越過銀河系恒星和附近的星系，看到極其遙遠(yuǎn)的地方。

觀測結(jié)果十分震撼。在這幅圖中可以看到近3000個(gè)星系?？茖W(xué)家們對(duì)圖像進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)哈勃看到的是一片非常年輕的宇宙，那里的大部分星系還沒來得及形成恒星?；蛘撸绱蟊娒襟w報(bào)道的那樣，“哈勃看到了大爆炸”。這些非常遙遠(yuǎn)的星系似乎也比那些離我們較近的星系更小、更不規(guī)則。這被認(rèn)為是一個(gè)明確的跡象，表明星系是由較小部分星際物質(zhì)之間的引力結(jié)合而成的。

1996年哈勃決定觀測第二個(gè)深空——哈勃南部深空(HDF-S)，以評(píng)估HDF-N是否是一個(gè)特殊的區(qū)域，因而不能代表整個(gè)宇宙。這一次的觀測區(qū)域也包含了一個(gè)類星體，它被看作宇宙燈塔，并提供了有關(guān)類星體和地球之間物質(zhì)的有價(jià)值的信息。

在哈勃對(duì)HDF-N和-S的觀測之后，其他的地面和太空儀器對(duì)同一塊天空進(jìn)行了長時(shí)間的定位觀測。不同大小、不同環(huán)境和對(duì)不同波長敏感的觀測設(shè)備之間富有成效的協(xié)同作用產(chǎn)生了一些相當(dāng)有趣的成果。

2004年拍攝的哈勃超深空（The Hubble Ultra Deep Field）是人類對(duì)可見宇宙最深刻的描繪。利用2002年維修任務(wù)期間安裝的先進(jìn)勘測照相機(jī)的先進(jìn)能力，哈勃在天爐座觀測到一個(gè)新的深空。它揭示了一些最早出現(xiàn)在“黑暗時(shí)代”的星系，也就是宇宙大爆炸后不久，第一批恒星加熱了寒冷幽暗的宇宙。

超深空?qǐng)D像顯示了可見光中最遠(yuǎn)的星系。

由于宇宙膨脹，來自遙遠(yuǎn)物體的光波在到達(dá)地球的漫長旅途中被拉長。物體離我們?cè)竭h(yuǎn)，被拉伸的幅度越大。當(dāng)較長的波長比較短的波長顯得更紅時(shí)，這種現(xiàn)象被稱為“紅移”，它在某種程度上類似于多普勒效應(yīng)，就好比救護(hù)車的警笛頻率隨著車的遠(yuǎn)去而降低。

對(duì)于非常遙遠(yuǎn)的物體，它們的光被移動(dòng)得如此之遠(yuǎn)，以至于完全脫離了可見光譜，只能在紅外波段中看到。這意味著人類無法通過建造一個(gè)更靈敏的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡來改善觀測——哈勃已經(jīng)達(dá)到了可見光的觀測極限。

要想看得比哈勃超深空更遠(yuǎn)，唯一的方法就是超越光學(xué)波長，通過紅外線來觀察。

這是哈勃2004年拍攝的超深空紅外圖像

哈勃深空紅外成像 Credit ESA

哈勃南部深空的紅外圖像Credit ESA

哈勃2004年拍攝的超深空紅外圖像 Credit ESA

哈勃2009年拍攝的超深區(qū)域紅外圖像，利用了哈勃在維修任務(wù)后升級(jí)的紅外能力，是觀測宇宙最“深”的一張。它顯示出了一些已經(jīng)完全紅移出了可見光譜的星系。

哈勃利用其第一臺(tái)近紅外相機(jī)NICMOS對(duì)原哈勃深空、哈勃南深空和哈勃超深空進(jìn)行了紅外觀測。這些圖像顯示了更遙遠(yuǎn)的物體，盡管該儀器所獲得的圖像質(zhì)量無法與光學(xué)圖像相比。

在2009年的維修任務(wù)之后，宇航員給哈勃安裝了一個(gè)新的儀器，能夠大大改善紅外觀測。由此產(chǎn)生的圖像覆蓋了2004年超深空觀測的大部分視場，是迄今為止對(duì)宇宙最深的一次觀測。在NASA/ESA/CSA的詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡于本世紀(jì)晚些時(shí)候投入使用之前，哈勃不太可能被超越。

2009年哈勃超深空的紅外圖像對(duì)研究早期宇宙的科學(xué)家來說是一片極其豐富的狩獵場。在這張圖片中，我們發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)可能是迄今為止觀測到的距離最遠(yuǎn)的星系。

哈勃紅外超深場(2009) Credit ESA

2012年發(fā)表的哈勃極深空（Hubble eXtreme Deep Field）并不是一組新的觀測結(jié)果，而是將許多現(xiàn)有的圖像(超過2000張)組合成一張圖像。結(jié)合哈勃超深空、哈勃紅外超深空，以及其他許多近10年來拍攝的同一天區(qū)的圖像，哈勃極深空將人類視野的極限推得更遠(yuǎn)。它總共有22天的曝光時(shí)間(和50天的觀測時(shí)間，因?yàn)橥h(yuǎn)鏡只能在每條軌道的一半行程觀測深空)。

2014年發(fā)布的上一個(gè)哈勃超深空是在紫外線下觀測到的。這張照片讓天文學(xué)家得以研究距離我們50到100億光年的區(qū)域的恒星形成。這項(xiàng)研究被稱為哈勃超深空(UVUDF)的紫外線覆蓋項(xiàng)目。利用哈勃的3號(hào)廣域相機(jī)向哈勃超深空添加紫外線數(shù)據(jù)，天文學(xué)家能夠直接觀察到未固化的恒星形成區(qū)域，并可能有助于全面了解恒星的形成過程。

哈勃前沿場(Hubble Frontier Fields)是一項(xiàng)為期三年、繞軌道運(yùn)行840圈的計(jì)劃，它是迄今為止對(duì)宇宙最深的觀察，借助哈勃望遠(yuǎn)鏡以及6個(gè)不同星系團(tuán)周圍光線的引力放大，探索了宇宙更遙遠(yuǎn)的區(qū)域。這些觀察有助于天文學(xué)家了解恒星和星系是如何從宇宙的黑暗時(shí)代中出現(xiàn)的，當(dāng)時(shí)的宇宙黑暗不透明且充滿氫。在分析更多遙遠(yuǎn)星系的光是如何被星系團(tuán)彎曲的過程中，天文學(xué)家還了解了星系團(tuán)的分布情況。

當(dāng)哈勃的一只眼睛在觀察它的主要目標(biāo)——巨大的星系團(tuán)時(shí)，另一只眼睛——另一種儀器——同時(shí)在觀察星系團(tuán)旁邊的天空。這些地方被稱為平行場。雖然沒有星團(tuán)那么壯觀，但這些平行場與主圖像一樣深，甚至可以與著名的哈勃深空在深度上競爭。因此，它們是研究星系從宇宙早期到今天演化的有價(jià)值的工具。

責(zé)任編輯：高三強(qiáng)

牧夫新媒體編輯部

本賬號(hào)系網(wǎng)易新聞·網(wǎng)易號(hào)“各有態(tài)度”簽約賬號(hào)

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的韋斯特倫德2號(hào)星團(tuán)及其周圍物質(zhì)