致敬27年老兵 哈勃空間望遠鏡

圖0：哈勃空間望遠鏡。由亞特蘭蒂斯號太空梭執行任務離開時拍攝。

1990年4月24日，一個從此開啟了天文新時代的望遠鏡——哈勃空間望遠鏡乘坐探索號太空梭升空；到今天剛好27個年頭。今年為了給哈勃望遠鏡慶祝在太空的第27個生日，NASA按照慣例推出一張照片作為紀念。

今年的慶生照是一張有兩個漩渦星系——NGC4302和NGC4298——在同一張圖上的照片，兩個星系在外形上都與銀河系類似，一個以側面對著我們，另一個則以70度角面對我們。這讓我們似乎能夠在一張圖中同時看到銀河系的正視圖和側視圖。

圖1:哈勃望遠鏡拍攝的NGC4302（左）和NGC4298（右）在光學和近紅外波段的圖像。

但我們或許更想問：哈勃上天都27年了，都幹了啥呢？

圖2: 哈勃望遠鏡最具代表性的圖像之一是鷹星雲（M16）的這一部分。

一、宇宙在加速遠離我們

我們的宇宙在膨脹。大約在一個世紀以前，埃德溫·哈勃測量了到我們宇宙的膨脹速率(H=v/d，其中v是星系退行的速率，d是星繫到我們的距離)。這個值我們稱為哈勃常數，由它我們可以算出宇宙的年齡、尺寸，甚至宇宙的命運。但是在哈勃望遠鏡發射升空之前，哈勃常數的測量結果十分不精確，我們由此算出的宇宙年齡只能限定在100億到200億的範圍內。

圖3：天文學家用造父變星亮度周期的改變來測量其所在星系的距離。圖中箭頭所指的是哈勃望遠鏡觀測到的仙女座星系中一個造父變星。

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圖4：某些超新星的特徵最大亮度可以用來測量它們與地球的距離。提高對天體距離的測量精度能夠讓天文學家更好的計算出宇宙的膨脹率。圖中分別是哈勃望遠鏡在1995年和2002年在同一天區拍攝的圖像，箭頭所指的地方則是在此期間出現的一顆超新星。

而現在天文學家用哈勃望遠鏡的數據算出的哈勃係數，可以把宇宙年齡限定在138億年左右，可以說精確度提升了不少。

然而除此之外，令天文學家感到吃驚的是，從哈勃望遠鏡的觀測結果中發現，宇宙不僅僅是在膨脹，而且是在加速膨脹——這個發現獲得了2011年的諾貝爾物理學獎。

圖5：宇宙的加速膨脹。時間軸自下而上。

科學家們認為宇宙的這種加速膨脹可能是由瀰漫在整個宇宙中的所謂「暗能量」引起的。據現有的估計，暗能量大約佔整個宇宙能量的68%（另外28%是暗物質，只有4%為我們能夠看到的恆星、行星或氣體這些物質），對宇宙起著負壓的作用，推著宇宙加速地膨脹。但很遺憾，依靠現在的技術還很難直接測量到暗物質的存在。

圖6：宇宙中暗能量、暗物質和明物質（我們現在所能看到的一切）的比例。

二、記錄星系的成長曆程

就像我們用相簿記錄孩子的成長曆程一樣，天文學家用哈勃給不同宇宙學時間上的星系進行「拍照」，記錄下了宇宙中星系的成長曆程。

我們怎麼知道宇宙過去的樣子呢？這主要得益於一條簡單的數學關係：哈勃向深空中看得越深，在時間上就越久遠。距離越遠（也就是時間上越早）的星系越小，且越不規則；反之，則巨型、規則的漩渦星系和橢圓星系就越多。這表明，星系之間隨著時間地推移在不斷地融合，漸漸地變成了我們現在所看到的巨大星系。

圖7：哈勃望遠鏡超深空場。這是哈勃望遠鏡拍攝的最遠的深空之一。拍攝這樣照片累計曝光時間約一百萬秒（11天）。

圖8：哈勃超深空場中一些星系，它們距離遙遠，星體模糊，形狀不規則，且互相影響。

星系的演化從未停歇，天文學家通過哈勃望遠鏡對我們近鄰的仙女座星系M31的進行觀測，發現儘管這個星系離銀河系有250萬光年遠，但是在引力作用下它在不斷地向銀河系靠攏，預計M31將在40億年後與我們的銀河系相撞。到那時候，它們兩個將會融合成一個巨大的橢圓星系。

圖9：M31。

圖10：本星系群。M31與銀河系是本星系群中兩個較大的星系，它們不斷的吸收周圍的矮星系壯大自己，同時兩者也在不斷地靠近，預計將於40億年後碰撞。

圖11：橢圓星系。橢圓星系一般質量更大，它是很多星系融合的結果。

三、看到太陽系外的世界

在1990年哈勃望遠鏡發射之前，天文學家從來都沒有發現一顆太陽系外的行星；而現在科學家已經確認了超過3000顆系外行星。其中大多數都是由NASA的開普勒衛星以及一些地基望遠鏡發現的。但哈勃望遠鏡在行星搜尋中也有其獨特的貢獻。

首先，天文學家用哈勃望遠鏡的觀測數據能測出系外行星的大氣成分。觀測發現，儘管大多數系外行星對生命來說都過於炎熱而無法生存，但是在一些行星上存在構成生命的基本成分。

此外，哈勃望遠鏡也是第一個在光學上觀測到系外行星的。這顆行星在25光年外，繞著北落師門（一顆恆星）旋轉，離北落師門的距離大概是土星到太陽距離的十倍。

圖12：天文學家用哈勃拍攝的第一張系外行星的光學照片，該行星被命名為北落師門b。

四、「照亮」暗物質

現在的物理學家們普遍認為，暗物質是一種不可見的物質形式（簡單的理解就是不發光），它構成了宇宙物質的大部分質量，也是由暗物質形成了宇宙現在的這種結構。暗物質的引力會驅使著普通物質（氣體或塵埃）聚集並形成恆星和星系。儘管天文學家不能看到暗物質，但他們能夠通過大質量星系群（含有暗物質）的引力效應(能夠使它背後更遙遠星系的光線發生彎曲，這種現象稱為引力透鏡)來探測其中的暗物質。

圖13：這個圖顯示了引力透鏡下一個遙遠星系的光路。

圖14：在SDSSj1004+4112星系群的圖像上，引力透鏡使一個背景星系產生了三個扭曲的像，另外一個背景類星體產生了五個像。

通過哈勃望遠鏡銳利的視場，天文學家通過引力透鏡現象及逆向工程，繪製出了空間中暗物質的分布情況。結果發現，宇宙中暗物質大約是普通物質的五倍，且以網狀結構分布；而大質量的可見結構（像星系群、星系團等）往往都分布在這些網狀結構交叉的地方。

圖15：這兩張圖顯示的是大質量星系群CI0024+17。可見光圖像中，在黃色星系中有藍色的弧，這些弧就是引力透鏡下背景星系失真後的圖像。藍色疊加的圖像顯示了實現這種引力失真，所需要的暗物質密度分布。

五、巨型黑洞無處不在

哈勃望遠鏡發現，幾乎每一個星系的中心都存在一個巨大的黑洞，這些黑洞有百萬個到十億個恆星質量那麼大。此外還發現這些黑洞的尺寸和其宿主星系的質量相關。哈勃星系普查表明，黑洞的質量取決於其宿主星系星系核中恆星的質量：星系越大，黑洞也越大。這種關係說明黑洞是伴隨著星系一塊兒成長的，黑洞會吞併星系的一部分質量。

圖16：根據哈勃的光譜圖合成的圖像。研究人員發現許多星系中心都存在一個巨型黑洞。NGC3379和NGC3377分別包含著一個5000萬個太陽質量和1億個太陽質量的黑洞；NGC4486B在其核心包含兩個黑洞。

六、研究外地行星和它們的衛星

哈勃望遠鏡見證了太陽系內的小天體對木星的影響。它於1994年觀測到休梅克-萊維9號彗星的21個碎片依次撞入木星——這是天文學家第一次看到這樣的事件——每一次撞擊都在木星的表面留下一個烏黑的「傷疤」。最近的一次是在2009年，一顆小行星撞入木星，留下一個太平洋大小的黑色痕迹。

圖17：休梅克-萊維9號彗星造成的影響（從右下到左上）。

木星表面著名的「大紅斑」（一個尺寸有地球那麼大的大風暴）從19世紀早期人類觀測到它以來已經連續存在了數百年。這個巨大的風暴在最近80年卻在不斷地收縮。天文學家們現在用哈勃望遠鏡定期地測量它的尺寸，以調查它為什麼會漸漸地消失。

圖18：木星的「大紅斑」。它以300英里／小時的速度在木星表面運動。

極光是具有磁場的行星大氣上層發光的一種現象。帶電的粒子在行星磁場作用下會偏向磁場的南北極，這些高速粒子轟擊到大氣上層的原子和分子，就會產生漂亮的極光現象。這種現象不僅在地球上有，土星和木星上也有。下面是哈勃望遠鏡第一次拍攝到木星和土星南、北極的極光。

圖19：土星的極光。

在尋找地外生命研究中，木星的衛星佔據著很重要的位置。哈勃在木衛三（太陽系內最大的衛星）地下發現了一個巨大的鹽水海，據估計其含水量比地球表面全部的水還要多。此外哈勃還觀測到木衛二表面大氣的變動，天文學家認為這可能是由地下海水噴發而造成的。尋找液態水，在尋找地外生命的研究中至關重要。

圖20：哈勃在木衛二上模糊的地方發現氧和氫，這是構成水分子的兩種元素。科學家認為這極有可能是水。

七、柯伊伯帶的大發現

在對太陽系邊緣的矮行星——冥王星的探測中，哈勃在這個冰冷的世界中發現了四顆衛星，分別是水神星（Nix），九頭蛇星（Hydra），冥衛四（Kerberos），冥衛五（Styx）。最近天文學家發現，水神星和九頭蛇星的軌跡很混亂（不可預測）——原因是它繞著一顆相對質量並不是很大的矮行星旋轉。

圖21：這幅合成圖由哈勃望遠鏡拍攝於2012年。其中對小衛星進行了長時曝光（藍色區域），而對冥王星（Pluto）和卡戎（Charon）短時曝光（黑色區域）。

我們知道2015年7月NASA的「新視野號」探測器拍攝了一張冥王星的精彩照片。其實在科學家為「新視野號」安排行程的過程中，哈勃望遠鏡起了重要的作用——是它從上世紀90年代到2010年這些年對太陽系邊緣的探測，為「新視野號」繪製了旅行的地圖。2014年哈勃望遠鏡在柯伊伯帶發現了兩個天體，命名為2014 PN70和2014 MU69，隨後的旅途中將調整「新視野號」去拜訪後者。

此外哈勃望遠鏡還在鳥神星附近發現了一個直徑為161千米左右的衛星。鳥神星是柯伊伯帶中第二亮的冰狀矮行星，其直徑只有大約1400公里，距離太陽有77億公里遠，在2005年才被帕洛馬爾天文台發現。奇怪的是，這顆衛星（MK2）像木炭一樣黑，而鳥神星卻像雪一樣明亮。

圖22：在矮行星鳥神星上方的小點為鳥神星的衛星MK2，直徑約為161千米。

八、跟進小行星帶的演化

在火星和木星之間存在著一條布滿碎石和小行星的「帶」，在這地方小行星們經常會發生碰撞。在一個有著灰塵拖尾的點狀物體附近，哈勃望遠鏡觀測到了一個奇怪的X形圖案的結構。這種結構被認為可能是兩個小天體發生對撞產生的，其相對速度約為子彈的五倍。天文學家一直都認為小行星帶會在小行星之間的碰撞後而慢慢變得更加零碎，但這次則是首次通過觀測證實該猜想。

圖23：一個奇怪的X形碎片區以及後面的塵埃帶，科學家認為這可能是一個體型較小、速度較快的小行星撞入了一個體型較大、速度較慢的小行星。

另外哈勃望遠鏡還觀測到一個擁有六個「彗星尾巴」的小行星。計算機模擬表明，這些尾巴可能是由一系列塵埃噴射事件產生的。

圖24：小行星P/2013 P5的圖像和其他小行星不一樣，它有多條塵埃尾跡，且這些尾跡隨著時間發生變化。

九、見證恆星誕生

哈勃望遠鏡的紅外探測器能夠穿透厚重的塵埃雲，而在這些塵埃雲中，有成千上萬的恆星在燃燒著它們的生命。哈勃望遠鏡對這些星雲的觀測表明，在這些恆星誕生的地方，往往伴隨著劇烈的「陣痛」——新星產生出強烈的紫外輻射以及激震前沿，這些輻射會清除掉周圍的塵埃雲。

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圖25：Herbig-Haro 47，這張圖中向左右兩側運動的發光物是恆星誕生的標誌，一顆新星就在圖像中心位置，不過現在被塵埃遮擋住了。當這些發光物質在空間中遇到其他塵埃雲時，將會產生弓形激波以及漣漪。

圖26：哈勃望遠鏡觀測到Herbig-Haro 34（HH 34）的一系列噴流。HH 34坐落於獵戶座星雲。

此外，哈勃望遠鏡也以前所未有的精度捕捉到來自新星的發光氣體發出的高能噴流。這些噴流是氣體旋轉流進新形成恆星過程中，被磁場引導，以超音速從恆星兩極噴射而出的副產品。哈勃望遠鏡多年來的工作，使天文學家能夠看到這些噴流隨著時間推移而發生的變化。測量並研究這些變化對於了解新星形成過程中複雜的物理過程非常有價值。

圖27：船底座星雲，被稱為「神秘山」。冷的氫氣以及塵埃向上延伸。在頂部，是一個三光年高的柱子，這個柱子逐漸被附近恆星的亮光和恆星風吹散；同時它還受著內部剛形成的原初恆星摧殘，一個噴流向左右兩個方向噴射而出。

十、記錄恆星的死亡之路

哈勃望遠鏡詳細記錄了類似太陽的恆星是如何一步步走向死亡。

圖28：哈勃觀測到大量各種各樣複雜的行星狀星雲。

我們來看兩個例子。哈勃望遠鏡對1987A超新星進行觀測發現，圍繞著死亡的恆星有三個環狀結構。另外，哈勃望遠鏡還觀測到，在中環的內部區域不斷地出現一些由膨脹的波狀物質撞擊而形成的亮區。類似的還有蟹狀星雲M1（在我國宋朝時爆發的一顆超新星，被我國星官觀察到並記錄下來），哈勃望遠鏡對它的觀測揭示了大量之前從來不知道的細節，例如我們發現在其核心處有一個快速旋轉的脈衝星。

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圖29：1994年哈勃望遠鏡觀測到的1987A超新星。

圖30：由1987A超新星中心拋射出的一陣波狀物質撞擊到一個已經存在的物質環上（這個物質環圍繞著死去的恆星）。隨之，環上各處的物質被加熱而發光，但是環中間粉紅色的部分卻很難解釋。

圖31：蟹狀星雲M1，是公元1054年人類觀測到的一顆恆星爆發後的遺迹。圖中顏色是為了區分不同的化學成分，現在這些物質都已散入空間中，將逐漸形成新一代的恆星。

十一、探測「光學回聲」

哈勃望遠鏡捕捉到一顆恆星爆發後形成的光反射序列圖像。

2002年1月，一顆紅巨星爆發出一個無法解釋的閃光，然後留下一片看起來像「擴張的泡沫」一般的遺迹。實際上，這泡沫似的遺迹只是閃光將本來已經存在的塵埃雲照亮了而已。由於光只能以有限的速度——光速傳播，所以閃光花了幾年才到達更遠的塵埃雲，然後照亮它們。這種現象稱為「光學回聲」，就像聲波在遇到峽谷或牆壁時的反射一樣。

圖32：光學回聲——來自麒麟座V838神秘的閃光，照亮了它周圍區域的塵埃雲。

中心的那顆紅巨星為麒麟座V838，離我們大概有2萬光年。在其迸發期間，它的亮度大約是太陽的60萬倍。它的爆發可能是由於吞併了一個鄰星或行星而觸發的。這顆紅巨星周圍的暗縫則是因為這地方沒有塵埃。

十二、尋找行星形成區

天文學家用哈勃望遠鏡證實了行星形成於環繞恆星的塵埃盤。哈勃望遠鏡在獵戶座星雲中首次發現一個繞著大約200顆恆星運轉的原行星盤。隨後通過對附近恆星的巡天觀測，哈勃完成了對塵埃盤完成了最大、最精細的光學圖像勘測。

圖33：在獵戶座星雲中發現的幾個原行星盤。行星盤被星雲發光氣體的光線照亮，顯露出一個輪廓。

這裡用兩個例子來簡單說明一下類似的發現：長蛇座TW和繪架座 。在遮擋住長蛇座TW星的亮光之後，科學家在其塵埃盤中發現了一個神秘的裂縫。這條裂縫很有可能就是由一個正在成長但還看不見的行星引起的，它通過引力不斷地吸引周圍的物質，像滾雪球一樣清掃出一條軌道來。這條軌道大概有19億英里寬，軌道上的物質還沒有被清除乾淨。同樣的，天文學家在繪架座 星也發現了相同的情況。

圖34：繪架座β星周圍塵埃盤的變化（側視圖）。從1997年和2012年拍攝的兩張圖可以看出，後者的裂縫變大，且更清晰。

圖35：長蛇座TW星周圍的塵埃盤裂縫。

十三、觀測星系細節和星系融合

當埃德溫·哈勃發現銀河系不是宇宙的全部，在其之外還有大量的星系時，他給這些星系做了一個基本的分類：漩渦星系、橢圓星系和不規則星系。現在這個以他名字命名的望遠鏡則揭示了這些星系前所未有的細節。此外，隨著哈勃望遠鏡觀測的距離越遠，它看到的景象也就越奇異怪誕，這是因為越往深處看宇宙越年輕，此時宇宙尺寸還很小，星系也很年輕，它們之間也更容易相互吸引而碰撞。

圖36：Sombrero星系（M104），一個漩渦星系的近似側視圖，看起來像一個寬邊的墨西哥草帽。

圖37：棒旋星系NGC1300，它的旋臂沒有旋轉到中心，而是連接在包含內核的星系棒的兩端。

圖38：NGC4676，昵稱「小鼠」。在引力作用下，它有一個包含大量恆星和氣體的帶狀結構，就像尾巴一樣。

在這些怪異的星系中，有一些蝌蚪狀的星系，它們是一些正在融合的星系，其融合過程將花費數億年時間。星系的融合會產生湍流和潮汐，這將導致其中的分子雲大量地產生新的恆星。哈勃望遠鏡能夠捕捉到這些星系之間不同時期的圖像，其觀測結果同時也預示著我們銀河系和近鄰M3140億年後的景象。

圖39：天線星系（NGC4038和NGC4039）。這是兩個正在融合的漩渦星系，其藍色區域明亮的節是大量年輕的星團，它們是由於星系融合過程中的湍流產生的。

編譯：Camelion

審校：山寺小沙彌

來源：中科院物理所

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