望遠鏡九霄攬銀河，「哈勃」深空探宇宙

科技 04-24

望遠鏡對天文學的貢獻毋庸置疑，沒有望遠鏡，人類的目光是太短淺了。人類觀天的能力隨著望遠鏡技術的改變而進步。伽利略用望遠鏡研究太陽系的行星和他們的衛星；赫歇爾家族用望遠鏡探測銀河系並記錄下幾萬顆星星，建立了天文學發展的基礎；哈勃用望遠鏡觀測到 4 萬多個「河外星系」，大大擴展了人類對宇宙的新視野！

天文望遠鏡一直沿用至今，不過，現代的天文望遠鏡已經今非昔比。除瞭望遠鏡本身的光學技術不斷改進，精度不斷提高之外，更重要的是，科學家們充分地利用現代航天技術，將望遠鏡建造在太空中，稱之為「太空望遠鏡」或「空間望遠鏡」。

為什麼要將望遠鏡的位置上升到太空的高度呢？是為了擺脫大氣層對觀測的干擾。地球被厚厚的大氣包圍著，這對人類的健康是至關重要的，使人類免受有害輻射的危害，但與此同時，地球大氣層也阻礙我們觀測天象。大氣層對來自天外的輻射是選擇性地吸收，只有可見光和某些頻段容易通過。此外，即使在可見光範圍內，大氣層的散射也會導致我們沒辦法看到太遠的星系，因為它們比大氣層自身的光都要暗。這也是為什麼一般都將天文台建立在高山上的原因。

現代天文觀測將望遠鏡的工作頻率範圍從可見光擴展到了伽瑪射線、X 射線、紫外線、紅外線、無線電波等等。

比如，美國航天局大型軌道天文台計劃包括的 4 顆大型空間望遠鏡：哈勃望遠鏡、康普頓γ射線天文台、錢德拉 X 光天文台、斯皮策空間望遠鏡，分別工作在可見光和紫外線、伽瑪射線及硬 X射線、軟 X 射線、紅外線、這些不同的波段，取得了一定的成果。

錢德拉 X 射線天文台發現了中等質量黑洞存在的證據，觀測到了銀河系中心超大質量黑洞人馬座A 的 X 射線輻射。哈勃望遠鏡提供的高清晰度光譜也證實了銀河系中心超大質量黑洞的存在，並且遍及宇宙各星系。有關黑洞，我們在後面還將介紹。

哈勃望遠鏡

哈勃望遠鏡以美國著名天文學家愛德溫·哈勃（Edwin Hubble，1889 年－1953 年）命名。哈勃被後人譽為「星系天文學」之父。他確定了數萬個河外星系，為天文學開闢了一個新的發展方向：測量宇宙學。

哈勃望遠鏡和哈勃一樣，為天文學立下大功。哈勃總長度 16 米左右，近似於兩輛大型的雙層巴士。

但是，它的望遠鏡頭聽起來好像並不那麼風光：它是一個小個頭的望遠鏡，主鏡直徑 2.4 米。大家都知道天文望遠鏡的口徑大小是一個重要參數，如今許多放在高山之巔的望遠鏡直徑都是 8 米乃至 10 米，哈勃望遠鏡與這些大塊頭比起來太不起眼了。不過它的優勢是位於太空，它就是一顆人造地球衛星，以每秒 7,500 米的速度，繞高度為 559 千米的低地球橢圓軌道運行，97 分鐘就能繞地球一圈。位於太空的優勢是無大氣散射造成的背景光，還能觀測會被臭氧層吸收的紫外線。

因此，於 1990 年發射之後，哈勃望遠鏡已經成為天文史上最重要的儀器。

哈勃的主要任務之一是更加準確地測量各星系的距離及速度，從而能夠更為準確地確定哈勃參數的數值範圍。

哈勃參數的概念是愛德溫·哈勃引進的，用以表示來自遙遠星系的光譜紅移與它們離觀測者距離的比值。光譜為什麼會紅移呢？多普勒效應對其給出最簡單直觀的解釋。根據我們日常生活中的經驗，當火車駛近我們時，汽笛聲變成尖叫聲（頻率增大），而當火車遠離我們而去時，聲音則變得更為低沉（頻率減小）。對光波而言，紅光是可見光中頻率最低的，「紅移」為正值意味著頻率變低，即星系遠離我們而去。紅移的測量是天文學家們常用的手段，既能用以測量星系的距離，也能用來測量星系的速度。但距離還有各種其它的測量方法，諸如利用觀測造父變星、超新星爆發等。因此，紅移值便表明了星系離開我們的速度。當年，愛德溫·哈勃對大量星系測量的結果，總結出一條哈勃定律：v = H0D。

其中 v 是星系速度，D 是星系距離， H0 則是哈勃參數。哈勃定律的意思就是說，星系飛離的速度與其距離成正比，離得越遠的星系飛離得越快。這個結論給出宇宙正在膨脹的圖像，之後成為支持宇宙起源大爆炸理論的一個重要證據。由此而見，哈勃參數的測量對研究宇宙的起源、演化、年齡等問題十分重要。哈勃望遠鏡升空後，將哈勃參數的測量誤差從 50%提高到 10%以內，並與其他技術測量出來的結果基本一致。之後，1998 年，三位物理學家索爾·珀爾馬特、布萊恩·施密特和亞當·里斯，透過觀測（不僅僅限於哈勃）遙遠的超新星而發現了宇宙不僅在膨脹，而且正在加速膨脹。三位學者因此而榮獲 2011 年諾貝爾物理獎。

哈勃深空和哈勃超深空的拍攝位置

除了更精確地測定哈勃參數之外，哈勃太空望遠鏡升空二十多年來，傳回了大量珍貴的天文影像，例如「哈勃深空」和「哈勃超深空」等。

當我們將望遠鏡的鏡頭指向空中的某一個方向時，例如上圖所示的哈勃深空和哈勃超深空拍攝方法，我們會看到很多顆星星。

這些星星距離我們有遠有近，因為光的傳播需要時間，所以我們看到的星星並不是它們當前的模樣！就像我們白天抬頭看到的太陽，是 8 分鐘之前的太陽，晚上看見的月亮是 1.28 秒之前的月亮。延遲的時間是 8 分鐘或 1.28 秒，都是小事一樁，我們習慣於將它們就當成是「現在的」太陽月亮，實際上這段時間也很短，太陽月亮基本上也沒發生什麼大的變化。但是，如果我們將這個概念用於遙遠的星球，就會得到一些有趣的結論。也就是說，我們看見的是這個星星的「過去」，或者是這個位置上「過去」的星星！八分鐘前的「過去」不必大驚小怪，但 10 年，千年，億年前的「過去」，那就非同小可了！

人類從地面上用肉眼觀察天象，看到的也是星星的過去。不過，一來我們的眼睛測量不了星星的距離，不知道是多久前的「過去」，二來，人眼觀測能力有限，太暗淡的星星就看不見了。而哈勃望遠鏡得以在無光害，無大氣干擾的外太空中觀測宇宙天體，能更精確地捕捉人類肉眼無法辨識的微弱星光，使得人類探索宇宙的眼睛有了更廣闊的視野。換言之，如哈勃這樣的太空望遠鏡，能夠穿越時間的隧道，去探索宇宙遙遠的過去。

哈勃深空（HDF）便是一張由哈勃於 1995 年所拍攝的夜空影像。拍攝位置在大熊座中一個很小的區域（僅 144 角秒）。圖 15-1a 顯示了拍攝鏡頭所指的位置，我們沒有展示 NASA 發布的照片，因為肉眼是很難從這樣的影像中看出名堂的，不過看到一些密密麻麻各種亮度的星星而已。整張影像是由哈勃望遠鏡進行 342 次曝光疊加而成，拍攝時間連續了 10 天。HDF 所包含的區域幾乎沒有銀河系內的恆星，可見的 3,000 多個物體全部都是極遙遠的星系。

哈勃深空深入「過去」

繼拍攝了哈勃深空之後，1998 年，又以類似方式拍攝了哈勃南天深空。2003 年拍攝的哈勃超深空（HUDF），拍攝位置見圖 15-1b，進行了 113 天的曝光，影像中估計有 10,000 個星系，顯示的是超過 130 億年前的「過去」。2012 年，NASA 又公布了一張哈勃極深空（XDF）。這些是天文學家目前用可見光能獲得的最深入的太空影像。

這些深入「過去」的照片，到底深入到了什麼年代呢？

根據大爆炸理論，宇宙現在的年齡是 137億歲，對應於圖 15.2 中最右邊哈勃望遠鏡目前所在的位置。上圖最左邊表示宇宙的起點，大爆炸及早期宇宙演化，之後，產生了第一代恆星，第一代星系，現代星系形成，再後來，星系群、星系團、超星系團等大尺度結構形成……。圖中可見，哈勃超深空深入到了大爆炸後 6 億年左右。

作者：張天蓉

圖源：網路

版權歸原作者所有

編輯：張潤昕