27歲的哈勃望遠鏡可能永遠也看不到宇宙中最遙遠的星系

大魚號 奧斯蘭辯論網 04-25 10:22

自1990年發射升空以來，哈勃望遠鏡傳回照片的清晰度前所未有，讓天文學家們得以窺探深空。它之所以在全球大肆「圈粉」，一方面是由於其科研貢獻卓著，另一方面則在於它「出品」了許多令人嘆為觀止的圖像。從金光閃閃的星系、光線柔和的星雲到那些破碎的恆星碎片...升空27年，哈勃望遠鏡給我們帶來了太多的驚喜，太多的驚嘆

哈勃發現的最遙遠星系正在接近它的能力極限，這台史上最強大的望遠鏡可能永遠也看不到宇宙中最遙遠的星系。

圖片來源：NASA /哈勃小組

「那些基於相同價值觀的友誼，是距離和時間無法損害的。」——羅伯特·索西

圖片來源：NASA、ESA、G. Illingworth、D. Magee以及P. Oesch（聖克魯茲加州大學）、R. Bouwens（萊頓大學）以及HUDF09小組

整個天空可能布滿了數千億個星系。但實際上，這些星系中的一部分由於太黯淡太遙遠，哈勃只能勉強看到它們。

限制望遠鏡能力的原因有兩個，一個比較明顯，一個比較微妙。

明顯的原因是：雖然哈勃的主反射鏡直徑達到了2.4米，但它收集光子的能力仍然會受限制。因此即使長時間曝光23天，也只能看到最遙遠距離上那些非常明亮的星系。

微妙的原因是：我們看得越遠，天體光的紅移就會越明顯。而這一點非常有意思。

圖片來源：NASA、ESA、R. Bouwens以及G. Illingworth（加州大學）

大部分最年輕、最熾熱、最明亮恆星發出的光線，人眼是看不到的，因為它們實際上是紫外線。

但宇宙在膨脹，星系在遠離。這意味著來自遙遠恆星和星系的光子，在到達地球的過程中會發生紅移，它們的波長會被拉伸。

當我們看到一個明亮、遙遠的紅色星系時，可以通過比較它在藍、綠、紅和（近）紅外光上的相對亮度，來估算它的紅移程度，但這也只能估算。如果想知道它真正的紅移值，並通過哈勃定律來獲知它的距離，就需要測量一些更為確定的東西。

幸好宇宙各處原子的物理特性、原子躍遷的特點是一樣的。假如我們能夠測量來自天體的發射線光譜（取決於星系的類型，也可以是吸收線光譜），確定元素的成份，就能夠以一種非常直接的方式進行計算：

·它的紅移，

·它的距離，

·它發光時宇宙的年齡。

在原子躍遷過程中，最強、最易見的恆星或星系發射線來自氫，它在紫外（萊曼系）、可見光（巴爾莫系）或紅外（帕邢系）波段上都能夠進行躍遷。

但是這些譜線——以及它們的波長——是在這些星系的靜止坐標中進行計算的。隨著宇宙的膨脹，這些波長會產生極大的紅移。最強烈也最容易辨識的躍遷，也就是通常發生在121.567納米波段上的萊曼-阿爾法躍遷，也會產生不可思議的偏移。在一個例子中，紅移後的萊曼-阿爾法譜線波長接近了540納米。

哈勃上最新、最強大的相機——3號廣域相機使用的濾鏡可以觀測到1700納米的波長。因此理論上我們可以看到紅移值達12或13，即相當於宇宙年齡只有當前3%時的天體。但不幸的是，我們在進行深空觀測時並沒有使用這些紅外濾鏡。為了捕捉到更多的光，我們使用了廣域波段濾鏡。在這個波段上，我們可以達到的最長波長約為850（上限為900）納米。

因此事實上如果我們想看得更遠，即便達不到與哈勃相同的解析度，或者像哈勃那樣能夠看到更暗的星系，也會經常使用專業的紅外太空望遠鏡，比如斯皮策望遠鏡來進行觀測。

圖片來源：NASA、JPL-Caltech、STScI-ESA、Y. Ono（東京大學）以及B. Weiner（亞里桑那大學）

不過現在，我們已經有了一個經確認的新記錄保持者！

圖片來源：NASA、ESA、P. Oesch（耶魯大學）、CANDELS小組這個編號為EGS-zs8–1的星系紅移值是7.7，是此類星系中經確認紅移值最高的一個。

這個數字代表的意思，是光線從這個星系出發時，宇宙的年齡只有6.6億歲。這個星系距離我們大約290億光年，是目前發現的最遙遠星系。

要觀測這樣的星系已接近哈勃能力的極限。哈勃最多只能探測到紅移值不超過8或9的天體，而宇宙中可能存在著紅移值達15甚至20的星系！

雖然哈勃要觀測大於1微米的波長已經相當吃力，但是詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的觀測能力達到了30微米左右，它擁有前所未有的靈敏性和更高的解析度，收集光的能力也是哈勃的六倍左右！

現在只需一點點運氣，我們就能發現宇宙中最遙遠的星系。雖然哈勃很偉大，但是它也有局限。在超長波段射電天文學出現之前，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將是我們發現最遙遠星系的希望。

圖片來源：NASA、JWST小組

我已經迫不急待。人類終將揭開遮蓋在可見宇宙未知領域上的最後面紗，而這只是時間問題。

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