為什麼說哈勃太空望遠鏡已經達到觀測極限？

迄今為止，哈勃太空望遠鏡讓人類對宇宙有了最為深刻的了解，它揭示了比任何其他天文望遠鏡所能觀測到的更暗淡、更年輕、進化程度更低、距離更遠的恆星、星系和星系團。在1990年，哈勃發射升空，進入半徑為540公里的軌道環繞地球飛行。29年後的今天，哈勃仍然是我們探索宇宙最遙遠地方的最偉大工具。

不過，任何天文望遠鏡，即便是強大的哈勃太空望遠鏡，所能看到的都是有限的。哈勃受到反射鏡的尺寸大小、儀器質量、溫度和波長範圍的限制，以及任何天文觀測固有的限制因素：時間。在過去的幾年裡，哈勃已經發布了一些人類所見過的最為震撼的宇宙照片。但哈勃不太可能做得更好，它已經達到了自身的絕對極限。

哈勃的優勢

哈勃太空望遠鏡距離地面540公里，它相對於地面望遠鏡有一個巨大的優勢——不會受到地球大氣的干擾。地球大氣層中的運動粒子有時會成為湍流介質，這會扭曲宇宙星光的路徑。同時，有些分子還會阻止某些波長的光完全穿過大氣層。

當時地面望遠鏡的極限解析度為0.5角秒，而哈勃的主鏡缺陷修復之後，極限解析度提高至0.05角秒。自此之後，通過哈勃，人類看到了前所未有的宇宙。

極限解析度是觀測遙遠宇宙中存在著什麼天體的最重要因素之一，它由主鏡的口徑以及入射光波長所決定。為了提高解析度，需要增加望遠鏡的口徑，並且使用較短波長的光。

哈勃望遠鏡的主鏡口徑為2.4米，它可以觀測紫外光、可見光和近紅外光，其靈敏度從100納米到1.8微米不等。現有儀器也沒有比這更好的了，儘管哈勃的最後一次（第五次）維修任務是在2009年進行的。

除了解析度之外，天文望遠鏡的收集光線能力也非常重要。因為宇宙中遙遠的天體非常暗淡，需要望遠鏡持續進行聚光，這樣才能觀測到那些最為暗淡的遙遠天體。

在聚光能力方面，哈勃具有無可比擬的優勢。由於哈勃身處太空之中，沒有大氣層的干擾，也不用擔心地球的自轉，它可以一直指向天空中的某一個區域，進行長時間觀測。

通過這種方法，我們可以看到前所未有的遙遠宇宙。哈勃極深場（XDF）就是一個例子，它對著天爐座方向的一塊區域觀測了長達23天的時間，揭示了大約5500個132億年前的星系，覆蓋了整個天空的3200萬分之一。

迄今為止，哈勃太空望遠鏡所拍攝到的宇宙中最深、最寬的圖像耗時250多天，由大約7500張獨立曝光照片拼接而成，這就是哈勃遺產場（HLF）。在美國宇航局（NASA）於本月初公布的哈勃遺產場中，包含了26.5萬個星系，它們都是133億年前的早期星系，那時宇宙才誕生5億年。

這些遙遠的星系非常暗淡，它們的亮度只有人眼所能看到亮度的100億分之一。雖然該觀測區域包含了大量的星系，但它其實要小於滿月所覆蓋的區域。

哈勃的極限

哈勃的設計初衷是要看得更加深遠，而不是看得更加寬廣。哈勃的視野極其狹窄，這使它對遙遠宇宙進行更大、更全面的調查幾乎是不可能的。哈勃望遠鏡在解析度、探測深度和視場方面所取得的成就確實令人矚目，但它在這些方面已經達到了極限。

另外，哈勃的觀測還有波長的限制。恆星發出各種各樣的光，從紫外線到可見光再到紅外線，這也是哈勃的觀測波長範圍。這並不是巧合，哈勃望遠鏡的設計初衷就是為了觀測這些光。

然而，宇宙空間本身的結構在不斷膨脹，即便光在最初發出時具有很短的波長，它的波長也會被膨脹的空間所拉長，這就是哈勃紅移。哈勃望遠鏡的觀測波長範圍設定了一個極限，它最多只能看到誕生大約4億年的宇宙，也就是134億年前的宇宙，比這更早的宇宙就看不到了。

哈勃所觀測到的最遠星系是GN-z11，這剛好達到了哈勃的觀測極限。哈勃在其中一張深場圖像中發現了這個星系，它能被觀測到也是出於巧合，因為附近星系的引力透鏡效應起到了放大和增亮的作用。除此之外，哈勃再也沒有觀測到比這更遠的星系。

哈勃的繼任者

可以說，哈勃太空望遠鏡已經達到了觀測極限，但未來的太空望遠鏡將把我們帶到遠遠超過哈勃極限的地方。哈勃的繼任者——詹姆斯·韋伯太空望遠鏡不僅更大，它的主鏡直徑達到6.5米，這是哈勃的2.7倍，而且它還在更低的溫度下工作，這使它能夠看到更長的波長。按照目前的計劃，這架新一代的太空望遠鏡將於2021年發射升空。

理論上，韋伯的最長觀測波長可達30微米（哈勃的為1.8微米），它將能夠看穿阻礙哈勃觀測宇宙的遮光塵埃。此外，它還能看到紅移更大、回溯時間更早的天體，可以追逐到宇宙誕生只有2億年的時候。哈勃能發現一些非常早期的星系，而韋伯可能會在星系最初形成的過程中發現它們。

如果我們想要觀測到更遠的天體，了解到更早的宇宙，那麼，下一代太空望遠鏡是無可替代的。哈勃最終也會結束它那史詩般的一生，儘管它已經嚴重超期服役了。

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