改变天文学的一张照片_风闻

原创：牧夫天文

翻译 高三强

校对 牧夫校对组

美编 陈卓  

哈勃深空

哈勃望远镜的主要科学任务之一是测量宇宙的大小和年龄，并验证有关宇宙起源的理论。那些暗淡星系的图像向我们提供了如同“宇宙化石”般的线索，使我们得以了解宇宙在遥远过去的样貌，从而推测它是如何随着时间演化的。哈勃深空让天文学家第一次清晰地看到了星系形成早期的状态，第一次窥见了古代宇宙，并在现代天文学中引发了一场真正的革命。

哈勃在后期拍摄的深空图像（比如哈勃超深空），揭示了迄今为止观测到的最遥远的星系。由于这些星系的光到达我们所需的时间极其漫长，我们看到的其中一些星系来自宇宙大爆炸后仅5亿年的时空。

深空观测是指对天空某一特定区域进行的长时间观测，其目的是通过在较长时间里收集该区域的光线来揭示暗淡的天体。观察越“深入”(即曝光时间越长)，在图像上原本模糊的物体就越清晰。天体可能因为它们的自然亮度很低，或者因为它们的距离很远而显得暗淡。在哈勃深空和超深空的观测中，极远的距离使观测目标的光变得非常微弱，使观测极具挑战性。

根据不同的哈勃深空图像，天文学家能够研究早期宇宙中的年轻星系和最遥远的原始星系。不同的深空也是一个很好的数据库，其中包括迄今为止观测到的最远的物体。

历时10天的拍摄过程

哈勃深空望远镜的想法源于1993年哈勃被修复后发回的第一批深空图像。这些图像显示了许多与我们在附近宇宙中看到的非常不同的星系，它们通常无法通过传统的地面望远镜进行研究。第一张深空——哈勃北部深空(HDF-N)，由1995年圣诞节期间10多天的连续观测得到。最终的图像由342张独立的曝光影像组成，总曝光时间超过100小时，而哈勃通常的曝光时间只有几个小时。大熊座上空的目标天区是经过精心挑选的结果，要尽可能地空无一物，这样哈勃望远镜就能越过银河系恒星和附近的星系，看到极其遥远的地方。

观测结果十分震撼。在这幅图中可以看到近3000个星系。科学家们对图像进行了统计分析，发现哈勃看到的是一片非常年轻的宇宙，那里的大部分星系还没来得及形成恒星。或者，正如大众媒体报道的那样，“哈勃看到了大爆炸”。这些非常遥远的星系似乎也比那些离我们较近的星系更小、更不规则。这被认为是一个明确的迹象，表明星系是由较小部分星际物质之间的引力结合而成的。

1996年哈勃决定观测第二个深空——哈勃南部深空(HDF-S)，以评估HDF-N是否是一个特殊的区域，因而不能代表整个宇宙。这一次的观测区域也包含了一个类星体，它被看作宇宙灯塔，并提供了有关类星体和地球之间物质的有价值的信息。

“在我看来，哈勃深空是迄今为止对观测宇宙学产生最大影响的一些图像。这些令人印象深刻的对空间和时间的深度探索使天文学家们得以一瞥100多亿年前星系形成的开端。毫无疑问这是哈勃太空望远镜留下的伟大遗产之一。”

——斯特凡诺·克里斯蒂亚尼(ST-ECF)

在哈勃对HDF-N和-S的观测之后，其他的地面和太空仪器对同一块天空进行了长时间的定位观测。不同大小、不同环境和对不同波长敏感的观测设备之间富有成效的协同作用产生了一些相当有趣的成果。

哈勃超深空

2004年拍摄的**哈勃超深空（The Hubble Ultra Deep Field）**是人类对可见宇宙最深刻的描绘。利用2002年维修任务期间安装的先进勘测照相机的先进能力，哈勃在天炉座观测到一个新的深空。它揭示了一些最早出现在“黑暗时代”的星系，也就是宇宙大爆炸后不久，第一批恒星加热了寒冷幽暗的宇宙。

超深空图像显示了可见光中最远的星系。

由于宇宙膨胀，来自遥远物体的光波在到达地球的漫长旅途中被拉长。物体离我们越远，被拉伸的幅度越大。当较长的波长比较短的波长显得更红时，这种现象被称为“红移”，它在某种程度上类似于多普勒效应，就好比救护车的警笛频率随着车的远去而降低。

对于非常遥远的物体，它们的光被移动得如此之远，以至于完全脱离了可见光谱，只能在红外波段中看到。这意味着人类无法通过建造一个更灵敏的光学望远镜来改善观测——哈勃已经达到了可见光的观测极限。

哈勃红外超深空

要想看得比哈勃超深空更远，唯一的方法就是超越光学波长，通过红外线来观察。

这是哈勃2004年拍摄的超深空红外图像

哈勃深空红外成像 Credit ESA

哈勃南部深空的红外图像Credit ESA

哈勃2004年拍摄的超深空红外图像 Credit ESA

哈勃2009年拍摄的超深区域红外图像，利用了哈勃在维修任务后升级的红外能力，是观测宇宙最“深”的一张。它显示出了一些已经完全红移出了可见光谱的星系。

哈勃利用其第一台近红外相机NICMOS对原哈勃深空、哈勃南深空和哈勃超深空进行了红外观测。这些图像显示了更遥远的物体，尽管该仪器所获得的图像质量无法与光学图像相比。

在2009年的维修任务之后，宇航员给哈勃安装了一个新的仪器，能够大大改善红外观测。由此产生的图像覆盖了2004年超深空观测的大部分视场，是迄今为止对宇宙最深的一次观测。在NASA/ESA/CSA的詹姆斯·韦伯空间望远镜于本世纪晚些时候投入使用之前，哈勃不太可能被超越。

2009年哈勃超深空的红外图像对研究早期宇宙的科学家来说是一片极其丰富的狩猎场。在这张图片中，我们发现了几个可能是迄今为止观测到的距离最远的星系。

哈勃红外超深场(2009) Credit ESA

哈勃极深空

2012年发表的**哈勃极深空（Hubble eXtreme Deep Field）**并不是一组新的观测结果，而是将许多现有的图像(超过2000张)组合成一张图像。结合哈勃超深空、哈勃红外超深空，以及其他许多近10年来拍摄的同一天区的图像，哈勃极深空将人类视野的极限推得更远。它总共有22天的曝光时间(和50天的观测时间，因为望远镜只能在每条轨道的一半行程观测深空)。

2014年发布的上一个哈勃超深空是在紫外线下观测到的。这张照片让天文学家得以研究距离我们50到100亿光年的区域的恒星形成。这项研究被称为哈勃超深空(UVUDF)的紫外线覆盖项目。利用哈勃的3号广域相机向哈勃超深空添加紫外线数据，天文学家能够直接观察到未固化的恒星形成区域，并可能有助于全面了解恒星的形成过程。

前沿观测计划

**哈勃前沿场(Hubble Frontier Fields)**是一项为期三年、绕轨道运行840圈的计划，它是迄今为止对宇宙最深的观察，借助哈勃望远镜以及6个不同星系团周围光线的引力放大，探索了宇宙更遥远的区域。这些观察有助于天文学家了解恒星和星系是如何从宇宙的黑暗时代中出现的，当时的宇宙黑暗不透明且充满氢。在分析更多遥远星系的光是如何被星系团弯曲的过程中，天文学家还了解了星系团的分布情况。

当哈勃的一只眼睛在观察它的主要目标——巨大的星系团时，另一只眼睛——另一种仪器——同时在观察星系团旁边的天空。这些地方被称为平行场。虽然没有星团那么壮观，但这些平行场与主图像一样深，甚至可以与著名的哈勃深空在深度上竞争。因此，它们是研究星系从宇宙早期到今天演化的有价值的工具。

『天文时刻』 牧夫出品

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哈勃太空望远镜拍摄的韦斯特伦德2号星团及其周围物质