改變天文學的一張照片_風聞

原創：牧夫天文

翻譯 高三強

校對 牧夫校對組

美編 陳卓  

哈勃深空

哈勃望遠鏡的主要科學任務之一是測量宇宙的大小和年齡，並驗證有關宇宙起源的理論。那些暗淡星系的圖像向我們提供瞭如同“宇宙化石”般的線索，使我們得以瞭解宇宙在遙遠過去的樣貌，從而推測它是如何隨着時間演化的。哈勃深空讓天文學家第一次清晰地看到了星系形成早期的狀態，第一次窺見了古代宇宙，並在現代天文學中引發了一場真正的革命。

哈勃在後期拍攝的深空圖像（比如哈勃超深空），揭示了迄今為止觀測到的最遙遠的星系。由於這些星系的光到達我們所需的時間極其漫長，我們看到的其中一些星系來自宇宙大爆炸後僅5億年的時空。

深空觀測是指對天空某一特定區域進行的長時間觀測，其目的是通過在較長時間裏收集該區域的光線來揭示暗淡的天體。觀察越“深入”(即曝光時間越長)，在圖像上原本模糊的物體就越清晰。天體可能因為它們的自然亮度很低，或者因為它們的距離很遠而顯得暗淡。在哈勃深空和超深空的觀測中，極遠的距離使觀測目標的光變得非常微弱，使觀測極具挑戰性。

根據不同的哈勃深空圖像，天文學家能夠研究早期宇宙中的年輕星系和最遙遠的原始星系。不同的深空也是一個很好的數據庫，其中包括迄今為止觀測到的最遠的物體。

歷時10天的拍攝過程

哈勃深空望遠鏡的想法源於1993年哈勃被修復後發回的第一批深空圖像。這些圖像顯示了許多與我們在附近宇宙中看到的非常不同的星系，它們通常無法通過傳統的地面望遠鏡進行研究。第一張深空——哈勃北部深空(HDF-N)，由1995年聖誕節期間10多天的連續觀測得到。最終的圖像由342張獨立的曝光影像組成，總曝光時間超過100小時，而哈勃通常的曝光時間只有幾個小時。大熊座上空的目標天區是經過精心挑選的結果，要儘可能地空無一物，這樣哈勃望遠鏡就能越過銀河系恆星和附近的星系，看到極其遙遠的地方。

觀測結果十分震撼。在這幅圖中可以看到近3000個星系。科學家們對圖像進行了統計分析，發現哈勃看到的是一片非常年輕的宇宙，那裏的大部分星系還沒來得及形成恆星。或者，正如大眾媒體報道的那樣，“哈勃看到了大爆炸”。這些非常遙遠的星系似乎也比那些離我們較近的星系更小、更不規則。這被認為是一個明確的跡象，表明星系是由較小部分星際物質之間的引力結合而成的。

1996年哈勃決定觀測第二個深空——哈勃南部深空(HDF-S)，以評估HDF-N是否是一個特殊的區域，因而不能代表整個宇宙。這一次的觀測區域也包含了一個類星體，它被看作宇宙燈塔，並提供了有關類星體和地球之間物質的有價值的信息。

“在我看來，哈勃深空是迄今為止對觀測宇宙學產生最大影響的一些圖像。這些令人印象深刻的對空間和時間的深度探索使天文學家們得以一瞥100多億年前星系形成的開端。毫無疑問這是哈勃太空望遠鏡留下的偉大遺產之一。”

——斯特凡諾·克里斯蒂亞尼(ST-ECF)

在哈勃對HDF-N和-S的觀測之後，其他的地面和太空儀器對同一塊天空進行了長時間的定位觀測。不同大小、不同環境和對不同波長敏感的觀測設備之間富有成效的協同作用產生了一些相當有趣的成果。

哈勃超深空

2004年拍攝的**哈勃超深空（The Hubble Ultra Deep Field）**是人類對可見宇宙最深刻的描繪。利用2002年維修任務期間安裝的先進勘測照相機的先進能力，哈勃在天爐座觀測到一個新的深空。它揭示了一些最早出現在“黑暗時代”的星系，也就是宇宙大爆炸後不久，第一批恆星加熱了寒冷幽暗的宇宙。

超深空圖像顯示了可見光中最遠的星系。

由於宇宙膨脹，來自遙遠物體的光波在到達地球的漫長旅途中被拉長。物體離我們越遠，被拉伸的幅度越大。當較長的波長比較短的波長顯得更紅時，這種現象被稱為“紅移”，它在某種程度上類似於多普勒效應，就好比救護車的警笛頻率隨着車的遠去而降低。

對於非常遙遠的物體，它們的光被移動得如此之遠，以至於完全脱離了可見光譜，只能在紅外波段中看到。這意味着人類無法通過建造一個更靈敏的光學望遠鏡來改善觀測——哈勃已經達到了可見光的觀測極限。

哈勃紅外超深空

要想看得比哈勃超深空更遠，唯一的方法就是超越光學波長，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年拍攝的超深區域紅外圖像，利用了哈勃在維修任務後升級的紅外能力，是觀測宇宙最“深”的一張。它顯示出了一些已經完全紅移出了可見光譜的星系。

哈勃利用其第一台近紅外相機NICMOS對原哈勃深空、哈勃南深空和哈勃超深空進行了紅外觀測。這些圖像顯示了更遙遠的物體，儘管該儀器所獲得的圖像質量無法與光學圖像相比。

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

2009年哈勃超深空的紅外圖像對研究早期宇宙的科學家來説是一片極其豐富的狩獵場。在這張圖片中，我們發現了幾個可能是迄今為止觀測到的距離最遠的星系。

哈勃紅外超深場(2009) Credit ESA

哈勃極深空

2012年發表的**哈勃極深空（Hubble eXtreme Deep Field）**並不是一組新的觀測結果，而是將許多現有的圖像(超過2000張)組合成一張圖像。結合哈勃超深空、哈勃紅外超深空，以及其他許多近10年來拍攝的同一天區的圖像，哈勃極深空將人類視野的極限推得更遠。它總共有22天的曝光時間(和50天的觀測時間，因為望遠鏡只能在每條軌道的一半行程觀測深空)。

2014年發佈的上一個哈勃超深空是在紫外線下觀測到的。這張照片讓天文學家得以研究距離我們50到100億光年的區域的恆星形成。這項研究被稱為哈勃超深空(UVUDF)的紫外線覆蓋項目。利用哈勃的3號廣域相機向哈勃超深空添加紫外線數據，天文學家能夠直接觀察到未固化的恆星形成區域，並可能有助於全面瞭解恆星的形成過程。

前沿觀測計劃

**哈勃前沿場(Hubble Frontier Fields)**是一項為期三年、繞軌道運行840圈的計劃，它是迄今為止對宇宙最深的觀察，藉助哈勃望遠鏡以及6個不同星系團周圍光線的引力放大，探索了宇宙更遙遠的區域。這些觀察有助於天文學家瞭解恆星和星系是如何從宇宙的黑暗時代中出現的，當時的宇宙黑暗不透明且充滿氫。在分析更多遙遠星系的光是如何被星系團彎曲的過程中，天文學家還了解了星系團的分佈情況。

當哈勃的一隻眼睛在觀察它的主要目標——巨大的星系團時，另一隻眼睛——另一種儀器——同時在觀察星系團旁邊的天空。這些地方被稱為平行場。雖然沒有星團那麼壯觀，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值的工具。

『天文時刻』 牧夫出品

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哈勃太空望遠鏡拍攝的韋斯特倫德2號星團及其周圍物質