哈勃天文學家繪製出一張宇宙肖像

天文學家使用NASA哈勃太空望遠鏡16年的觀測，將最大、最全面的星系「史書」整理成一幅圖像。

深空馬賽克（deep-sky mosaic）拼接圖由近7500個曝光圖像組成，為宇宙描繪了一幅畫像。圖中包含265000個星系，可以追溯到133億年前 （即大爆炸後的5億年），其中最暗、最遠的星系只有人眼可見亮度的十億分之一。宇宙的演化史也記錄其中：它展示了星系如何隨著時間而變化，如何成為附近宇宙中看到的巨大星系。

這張哈勃太空望遠鏡圖像代表了哈勃遺產場（Hubble Legacy Field）的一部分，這是迄今為止宇宙最廣闊的視圖之一。該圖像由數千張快照的組成，集聚了十六年的觀測結果。哈勃遺產場結合了哈勃深場（Hubble deep-field）以及極端深場（eXtreme Deep Field，XDF）的幾次觀測。波長範圍從紫外（ultraviolet）延伸到近紅外（near-infrared），隨著時間推移捕捉星系的關鍵特徵。圖像展示了遙遠宇宙的寬幅畫像，包含大約200000個星系，它們的演化從宇宙大爆炸後的5億年延續至今（宇宙年齡138億年）。

Credits: NASA, ESA, G. Illingworth and D. Magee (University of California, Santa Cruz), K. Whitaker (University of Connecticut), R. Bouwens (Leiden University), P. Oesch (University of Geneva) and the Hubble Legacy Field team

「現在我們已經比以前巡天（survey）的範圍更廣，我們正在哈勃有史以來最大的數據集中收集更多遙遠的星系，」組建圖像團隊的領導者、加州大學聖克魯茲分校的Garth Illingworth說道， 「這一幅圖像包含了宇宙中星系生長的完整歷史，講述它們從"嬰兒"長到"成年人"的過程。」

在未來的太空望遠鏡發射之前，這個圖像是無法超越的。Illingworth補充道：「我們將這種馬賽克拼接圖作為天文學家們使用的工具。我們期望它帶來對未來幾年宇宙的演變更連貫、更深入、更透徹的理解。」

該圖像產出了一個遙遠星系的大目錄。「這個目錄中，很多星系具有精確的高解析度測量，這使我們能夠進行大範圍的河外（extragalactic，銀河系外）研究，」該目錄的首席研究員、康涅狄格大學的Katherine Whitaker說，「通常，這類巡天帶來了意想不到的發現，這些發現極大程度上影響了我們對星系演化的理解。」

視頻以哈勃超深場（Hubble Ultra Deep Field）中成千上萬個星系的開始，慢慢縮小以顯示更大的哈勃遺產場（包含265000個星系）。

Credits: NASA, ESA, G. Illingworth (University of California, Santa Cruz) and G. Bacon (STScI)

正如天文學家Edwin Hubble曾在一個世紀前所描述的那樣，星系是「宇宙的標記」。星系使得天文學家追蹤宇宙的膨脹、提供宇宙基礎物理學的線索、顯示化學元素的起源、並使我們的太陽系和生命的出現成為可能。

這個更廣闊的視圖包含的星係數量是之前深場的30倍。新的肖像是由多個快照構成的馬賽克拼接圖，角大小几乎覆蓋了滿月的寬度，而極端深場的覆蓋範圍不到滿月直徑的十分之一。遺產場還發現了星系間相互作用的痕迹，這是宇宙早期年輕星系與其他星系相撞、合併而產生的。

上圖將天哈勃遺產場與月球的角直徑（angular diameter）進行比較。哈勃遺產場是宇宙視圖中最廣闊的之一，近7500個曝光構成的馬賽克拼接圖幾乎覆蓋了月球在天上的大小。月球在天空上對應一個半度的角（就是當你伸直手臂對向天空時食指寬度的一半）。

Credits: Hubble Legacy Field Image: NASA, ESA, and G. Illingworth and D. Magee (University of California, Santa Cruz); Moon Image: NASA, Goddard Space Flight Center and Arizona State University

集合所有觀察結果是一項艱巨的任務，該圖像是31個天文學家團隊集體創作的結果。哈勃在這個小區域花費的時間比在任何其他天空區域都多，總計超過250天。

「我們的目標是將十六年間所有的曝光組合成一張圖像，」該團隊的數據處理負責人、加州大學聖克魯茲分校的Dan Magee解釋說，「之前，大多數曝光並沒有以一致的方式組合在一起，使其有用於研究人員。天文學家可以選擇並立即使用他們想要的數據，而不是在進行科學分析之前執行大量的數據簡化。「

通過Mikulski太空望遠鏡檔案館（Mikulski Archive for Space Telescopes，MAST），全球天文界可以使用該圖像以及其構成的各個曝光。MAST是哈勃和其他NASA任務的天文數據在線資料庫，位於馬里蘭州巴爾的摩的太空望遠鏡科學研究所。

為了在遙遠的宇宙中採集更深入的「核心樣本」，哈勃太空望遠鏡已經走過了漫長的道路。在哈勃於1990年發射之後，天文學家們一度爭論，是否值得花費大量望遠鏡時間去長時間曝光一片看似「空無一物」的小天空。由此產生的哈勃深場圖像在1995年捕獲了數千個看不見的星系。大膽的努力是一個具有里程碑意義的示範和典型的概念驗證，為未來的深場圖像奠定了基礎。2002年，哈勃望遠鏡的高級巡天相機甚至更深入地發現了一個快照中的10000個星系。天文學家使用了2009年安裝在哈勃望遠鏡上寬視場相機3（WFC3）拍攝的照片，以便組裝2012年極端深場的快照。與之前的相機相比，WFC3涵蓋了更廣的波長範圍（從紫外到近紅外）。

這個新的圖像拼接是哈勃遺產場圖像系列中的第一個。該團隊正在製作第二組圖像，在另一個天空區域，總共超過5200個曝光。在未來，天文學家希望擴大圖像中的多波長範圍，包括波長更長的紅外數據以及斯皮策太空望遠鏡（Spitzer Space Telescope）和錢德拉X射線天文台（Chandra X-ray Observatory）的高能X射線觀測（NASA的其他兩個大天文台）。

遺產場圖像中的大量星系也是未來望遠鏡的主要目標。「這將為NASA計劃的寬場紅外探測望遠鏡（Wide Field Infrared Survey Telescope，WFIRST）奠定基礎，」Illingworth說，「遺產場是WFIRST的探路者，它將捕獲比典型哈勃圖像大100倍的圖像。在WFIRST三周的觀測時間內，天文學家將能夠集合一個更深場的圖像，是哈勃遺產場大小的兩倍多。「

此外，NASA即將升空的詹姆斯韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）將使天文學家能夠更深入地探索遺產場，以揭示星系的成長。韋伯的紅外線覆蓋範圍將超出哈勃和斯皮策，這將幫助天文學家識別宇宙中的第一個星系。

哈勃太空望遠鏡是NASA和ESA（歐洲航天局）的國際合作項目。NASA的戈達德太空飛行中心負責管理望遠鏡。太空望遠鏡科學研究所（STScI）負責哈勃的科學運營。STScI由華盛頓特區的大學天文研究協會（AURA）為NASA運營。

參考

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/hubble-astronomers-assemble-wide-view-of-the-evolving-universe

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