16幅经典照片记录哈勃太空望远镜走过的30年 ──爱因斯坦环是我的最爱_风闻

原作：Ethan Siegel

翻译：刘峰

校译：童牧天

编排：关关

后台：库特莉亚芙卡 李子琦

原文链接：

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2020/04/13/the-most-important-image-ever-taken-by-nasas-hubble-space-telescope

远眺深空一小片，时光倒流亿万年。图中这一小片天区只涵盖了不到宇宙体积的1亿分之一，但揭示了近1千个此前从未见过的星系。这张哈勃深场原始图像的小小局部，标志着我们对宇宙形态的主要认知。

图源：罗伯特·威廉姆斯（空间望远镜研究所），哈勃深场团队，美国宇航局/欧空局

下周六，哈勃太空望远镜将迎来30岁生日。俗话说三十而立，哈勃现在已经是一个成熟的望远镜了（可以自己发论文了……好吧，并不会）。

1990年4月25日，哈勃太空望远镜由发现号航天飞机部署入轨，这一天就成为了它的生日。这张照片就是那天由安装在发现号航天飞机上的IMAX货舱摄影机拍摄的。此后，它已经在轨运行了30年，并且自2009年以来一直没有维修过。它的主反射镜直径达2.4米，其1分钟的聚光能力相当于一台6寸小望远镜拍摄近4小时。

图源：美国宇航局/史密松学会/洛克希德公司

与历史上任何一个天文台相比，哈勃太空望远镜都能更好地揭示宇宙的模样。

让我们从今天开始回望宇宙的深处，我们可以看到遥远的宇宙“光锥”。但是由于我们的观测能力有限，大量的星系还未被发现。哈勃望远镜已经使我们走了很远，但还有很长的路要走。

图源：美国宇航局/空间望远镜研究所/阿·菲尔德

刚发射入轨时，人们发现哈勃的主镜存在光学问题，拍摄的图像质量远低于预期。

哈勃望远镜最初存在镜片瑕疵产生的图像（图左）和采用光学矫正后的图像（图右）。

图源：美国宇航局/空间望远镜研究所

1993年底，哈勃望远镜安装了新的光学矫正设备，以及改进的相机：第二代广域及行星相机（WFPC2）。

第二代广域及行星相机（WFPC2）是哈勃望远镜多年来的主力相机。它通过选择48种滤镜来记录图像，这些滤镜覆盖从远紫外线到可见光和近红外波长的光谱范围。WFPC2的“心脏”由一个L形的三重宽视场感光器件和一个较小的高分辨率行星相机组成。

图源：美国宇航局

次年，科学家们开展了一项极具冒险的观测行动：哈勃深场（HDF）。

为什么说具有冒险性呢？因为当你一次只收集一个光子时，得到的许多信号只是热噪点、宇宙射线和设备噪音等等。但是如果你获得足够高的信噪比的时候，你就可以识别出观测的天体到底是什么，是遥远的星系还是随机噪声。

图源：罗伯特·威廉姆斯（空间望远镜研究所），哈勃深场团队，美国宇航局/欧空局

他们检查了一块看似一无所有的天区：那里没有明亮的邻近恒星或星系。

图中这块L形区域就是哈勃深场选择的原始目标区域。它既不处于黄道面，也不在银河系银道面上，那个天区只有少数黯淡的银河系恒星，并且没有已知的河外星系。

图源：美国宇航局/数字巡天项目，空间望远镜研究所

哈勃太空望远镜连续十天，在多个波长范围内持续观察这块虚空之地，一分钟收集一个光子。

结果令人震惊！哈勃望远镜对这个空旷的区域拍摄了数十张照片，然后把它们堆叠在一起，得到了你看到的这张原始哈勃深场图像。看看出现了什么？答案是成千上万个星系。这是第一次揭示我们遥远宇宙的样子。对于我们中的许多人来说，这次如同就在昨日，然而这张图片现在已有25年历史了。

图源：罗伯特·威廉姆斯（空间望远镜研究所），哈勃深场团队，美国宇航局

当所有数据收集完毕后，他们看到了下面这张图。

这是原始哈勃深场的一小部分，具有数百个特征明显、易于区分的星系。最初的哈勃深场尽管只覆盖了天空的一小部分，但却告诉我们，在可观测的宇宙中至少包含了数千亿个星系。如今，利用先进的数据分析技术，这一数字已经接近2万亿。

图源：罗伯特·威廉姆斯（空间望远镜研究所），哈勃深场团队，美国宇航局

在以前一无所知的地方，我们发现了成千上万个新的、遥远的、黯淡的星系。

在第一个的哈勃深场诞生不到一年后，同一个团队选择了在南天球的另一个天区开始构造第二个哈勃深场。结果同样蔚为大观。

图源：罗伯特·威廉姆斯（空间望远镜研究所），哈勃深场(南区)团队，美国宇航局/欧空局

这些哈勃深场影像彻底改变了我们对宇宙的看法。

图中可以看到，与中间距离的星系相比，在附近和远距离看到的星系会更少，但这一方面是由于星系合并和进化的因素造成的，另一方面也是因为我们无法看到超远，超微弱的星系。要知道，有许多因素会阻碍我们理解来自遥远宇宙光线的红移。

图源：美国宇航局/欧空局

后续的观测行动以及更为先进的仪器使宇宙成为人们关注的焦点。

这幅照片就是我最喜爱的“爱因斯坦环”，由大量神秘的暗物质形成的引力透镜效应，扭曲了其后方星系的星光，形成了光弧。这个图像展示了遥远的巨大星系团Abell

S1063。作为哈勃“边疆场”计划的一部分，它是在较长一段时间内在多波段进行高分辨率成像的六个星系团之一。此处显示的蓝白色漫射光是实际是星系团内的星光，这也是该类漫射光的第一次发现。它比此前的任何其他观测都能更精确地找到暗物质的位置和密度。

图源：美国宇航局，欧空局，米莱雅·梦缇丝（新南威尔士大学）

像哈勃的“边疆场”那样的深度广域巡天项目揭开了遥远的巨大星系团的神秘面纱。

哈勃深紫外（HDUV）巡天项目在紫外线波段下观察到的GOODS北场的局部。这次巡天面积是最初在2014年哈勃紫外线超深场天区面积的14倍。

图源：美国宇航局，欧空局，帕斯卡·欧什（日内瓦大学）和米莱雅·梦缇丝（新南威尔士大学）

哈勃超深场（HUDF）和哈勃极深场（XDF）又大大超越了最初的哈勃深场。

哈勃极深场（XDF）观测到的天空区域仅是天球面积3200万分之一，但能够在其中看到多达5500个星系。实际上在这个锥形切片包含的星系总数里，我们能看到的估计只有10％，剩下90％的星系则因为太暗或者红移太大而无法被哈勃发现。随着时间的流逝，该区域内的星系总数将从约5.5万个增加到约13万个，会揭示出更多的宇宙。

图源：哈勃超深场09和哈勃极深场12团队，经原文作者处理

更遥远和模糊的秘密，就藏在那里。

哈勃的观测区域（左上方的小方块）与广域红外巡天探测器(WFIRST)能够捕捉的区域的对比（相同的时间及相同的深度）。WFIRST的广角视野将使我们能够比以往捕获更多的遥远超新星，并使我们能够以前所未有的宇宙尺度对星系进行更深入，更广泛的调查。无论它发现了什么，它将带来一场科学革命，并为暗能量在宇宙尺度时间内的演化提供了最佳的约束。如果暗能量的变化超过预期值的1％，WFIRST就会找到它。

图源：美国宇航局/戈达德航天飞行中心/广域红外巡天探测器

广域红外巡天探测器(WFIRST)和大型紫外/光学/红外巡天望远镜(LUVOIR)等未来的观测任务将会揭开它们神秘的面纱。

哈勃太空望远镜（图左）和初始形态的LUVOIR(图右)在相同时间对相同天区的观测效果对比。两者之间的差异令人叹为观止，这也代表着目前人类文明所能达到的科学成就。

图源：格里高利·施耐德(空间望远镜研究所)，马克·泼兹曼(空间望远镜研究所)

哈勃太空望远镜代表着充满希望和梦想的90年代。已经服役30年的哈勃实际上并不是风华正茂而已到烈士暮年，我们更期待着哈勃的继任者们，比如上文提到的WFIRST，LUVOIR，还有超级跳票王詹姆斯韦伯望远镜（JWST）尽快升空，以及我们中国自己的空间站伴飞2米光学巡天望远镜能给我们带来新的惊喜。

附上一张我现在用的桌面，哈勃25周年官方纪念图，船底座恒星摇篮。

『天文时刻』 牧夫出品

微信公众号：astronomycn

南天的船底座星云中蕴含极为丰富多彩的天体，图中最明亮的白点是超大质量恒星海山二，在其右侧你可以轻易找到极为形象的锁眼星云。

来源：牧夫天文 王延昕