哈勃望遠(yuǎn)鏡的五大科學(xué)發(fā)現(xiàn)

Ray Villard　Shea

從暗能量到外星行星再到黑洞，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡正在幫助天文學(xué)家解開(kāi)宇宙中最大的奧秘。

從20年前哈勃空間望遠(yuǎn)鏡被放入“發(fā)現(xiàn)”號(hào)航天飛機(jī)的貨倉(cāng)準(zhǔn)備發(fā)射的那一刻起，就注定了宇宙將向世人呈獻(xiàn)出迥然不同的一面。

地面上最強(qiáng)大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡只能看到整個(gè)宇宙的一半。用它們估計(jì)出的宇宙年齡存在著巨大的差異。在它們眼中，超大質(zhì)量黑洞只是隱藏在罕見(jiàn)劇烈現(xiàn)象背后的黑手。它們也無(wú)法告訴我們，在其他恒星的周圍是否存在有行星。

在1990年4月25日被部署入近地軌道之后，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡作為太空中的第一個(gè)大型光學(xué)天文臺(tái)立馬就做出了一系列的發(fā)現(xiàn)和突破。它也迅速地成為了空間天文學(xué)黃金時(shí)代的開(kāi)路先鋒。

今天，“哈勃”直徑2.4米的反射鏡和高山之巔的直徑8米乃至10米的巨型望遠(yuǎn)鏡比起來(lái)似乎微不足道。但是，位于地球大氣層之上給了“哈勃”巨大的優(yōu)勢(shì)。它的視力始終要比地面上的望遠(yuǎn)鏡銳利10倍。誠(chéng)然，能夠改正大氣擾動(dòng)的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)縮小了這個(gè)差距，但“哈勃”的清晰圖像是遍布整個(gè)視場(chǎng)的。此外，由于沒(méi)有了天空背景，“哈勃”還具有了以高對(duì)比度觀測(cè)遙遠(yuǎn)天體的非凡能力。

同時(shí)，“哈勃”的光學(xué)穩(wěn)定性又保證了它可以以完全相同的分辨能力和數(shù)據(jù)質(zhì)量在不同時(shí)間重復(fù)地觀測(cè)某個(gè)天體?！肮边€能夠看到許多不同波長(zhǎng)的光輻射，從紫外線一直到近紅外，這賦予了它真正的“全色”視力。

有了這些強(qiáng)大功能的武裝，“哈勃”的驚人發(fā)現(xiàn)貫穿于整個(gè)天文學(xué)，改寫(xiě)了教科書(shū)，催生出了超過(guò)7000篇的科學(xué)論文，喚起了公眾對(duì)宇宙的好奇心。

下面就讓我們?nèi)タ匆幌鹿臻g望遠(yuǎn)鏡的五大最杰出的科學(xué)成就：

一、從較小結(jié)構(gòu)演化而來(lái)的星系

1990年，天文學(xué)家只能探測(cè)到紅移最高為0.7的正常星系，這個(gè)數(shù)值在宇宙中所對(duì)應(yīng)的距離相當(dāng)于70億光年，而宇宙是它的兩倍大。多年來(lái)天文學(xué)家一直猜想，如果宇宙是從大爆炸的火球冷卻而來(lái)的，那么星系必定是演化而來(lái)的。地面觀測(cè)無(wú)法確定哪幾個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的理論能最好地描述星系在早期宇宙中的形成和演化。

1985年，一個(gè)由頂級(jí)天文學(xué)家所組成的委員會(huì)得出結(jié)論，如果“哈勃”花200個(gè)軌道周期的時(shí)間來(lái)對(duì)宇宙進(jìn)行“深度曝光”，那將會(huì)是徒勞的。他們假定，從當(dāng)時(shí)已知的宇宙外推，遠(yuǎn)距離宇宙的空間幾何會(huì)打散正常星系所發(fā)出的光，使它們過(guò)于彌散而無(wú)法被“哈勃”觀測(cè)到。

幸運(yùn)的是，大自然非常地配合。即便在1993年光學(xué)系統(tǒng)修復(fù)之前，“哈勃”的早期觀測(cè)就發(fā)現(xiàn)了打破當(dāng)時(shí)紀(jì)錄的紅移為1.5的星系，它所對(duì)應(yīng)的距離超過(guò)了90億光年。這些星系看上去似乎較現(xiàn)在的更緊湊，因此所發(fā)出的光都集中到一個(gè)較小的領(lǐng)域中——得以讓“哈勃”能夠探測(cè)到它們。天文學(xué)家注意到了許多形狀怪異的“病態(tài)”星系。而正常星系中由恒星形成產(chǎn)生的亮點(diǎn)則清晰可見(jiàn)。

這些發(fā)現(xiàn)鼓舞了當(dāng)時(shí)空間望遠(yuǎn)鏡研究所（STScI）的所長(zhǎng)羅伯特·威廉姆斯（Robert Williams）把他的大塊主管觀測(cè)時(shí)間用來(lái)進(jìn)行了一次長(zhǎng)達(dá)數(shù)百萬(wàn)秒的最深曝光。它的極限星等達(dá)到了前所未有的28等——比肉眼所能看到的最暗弱天體還要暗上10億倍。

2002年隨著“哈勃”的高新巡天相機(jī)安裝到位，STScI的下一任所長(zhǎng)史蒂夫·貝克威思（Steve Beckwith）又把它向前推進(jìn)了一步，拍攝了哈勃超深空區(qū)（HUDF）照片。這確認(rèn)了天文學(xué)家并非是因?yàn)榕既徊胖豢吹搅司o密天體而錯(cuò)失了更大的星系。HUDF達(dá)到了29等的極限星等，但仍然只發(fā)現(xiàn)了發(fā)育中的不完整星系。

2009年5月安裝到“哈勃”上的大視場(chǎng)照相機(jī)3最新在近紅外波段上再一次推進(jìn)了這一深度觀測(cè)。由此也發(fā)現(xiàn)了紅移高達(dá)9的天體，它們所對(duì)應(yīng)的時(shí)間相當(dāng)于宇宙誕生之后僅6億年。

就像一幀一幀地來(lái)觀看一部電影，哈勃深空巡天揭示出了嬰兒期宇宙中結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)和隨后星系演化的動(dòng)態(tài)階段。在“哈勃”之前，近距離上的星系碰撞只是有趣的個(gè)別現(xiàn)象。但是，這些深空?qǐng)D像卻顯示，在早期宇宙中星系的碰撞并合是家常便飯的事情。這為宇宙隨著時(shí)間在不斷發(fā)生變化提供了令人信服且直觀的證據(jù)。

二、超大質(zhì)量的黑洞遍及星系

當(dāng)“哈勃”發(fā)射時(shí)，天文學(xué)家們只在雙星系統(tǒng)中證實(shí)了黑洞的存在。在這一系統(tǒng)中一顆恒星爆炸，其核心會(huì)坍縮成具有幾個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。但是，天文學(xué)家懷疑，質(zhì)量遠(yuǎn)大得多的黑洞必定是更強(qiáng)大的“引力引擎”，驅(qū)動(dòng)著由近及遠(yuǎn)的一系列超高能現(xiàn)象，例如賽弗特星系、耀變體和類星體。

但是，為了“稱量”黑洞，探測(cè)隱藏著的或“不發(fā)光”的物質(zhì)是不是超出了恒星所能達(dá)到的極限，就需要精密的分光觀測(cè)。當(dāng)空間望遠(yuǎn)鏡成像光譜儀（STIS）在1997年投入運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，天文學(xué)家迅速將其對(duì)準(zhǔn)了最近的迷你類星體——室女座巨型橢圓星系M87明亮的核心。和更遙遠(yuǎn)的類星體一樣，M87也有一條從它的核心高速射出的噴流，而噴流通常都與黑洞有關(guān)。

“哈勃”測(cè)得M87核心的質(zhì)量高達(dá)30億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。這一結(jié)果完全得益于STIS對(duì)M87核心周圍做軌道運(yùn)動(dòng)的高溫氣體的測(cè)量。這些氣體的速度表明核心處的質(zhì)量要遠(yuǎn)高于僅有恒星聚集所能達(dá)到的程度，證實(shí)了黑洞的存在。

1997年對(duì)27個(gè)近距星系的研究發(fā)現(xiàn)，在它們的中心都存在超大質(zhì)量的黑洞。這使得天文學(xué)家得出結(jié)論，超大質(zhì)量黑洞極為普遍，每個(gè)大型星系中都有一個(gè)。

更深刻的是，“哈勃”發(fā)現(xiàn)中央黑洞的質(zhì)量和星系中心由恒星所構(gòu)成的核球的質(zhì)量直接相關(guān)：核球的質(zhì)量越大，黑洞的質(zhì)量就越大。這說(shuō)明有某種未知的反饋機(jī)制將星系的演化和黑洞的生長(zhǎng)聯(lián)系了起來(lái)。目前，有6種理論試圖來(lái)解釋這一現(xiàn)象。但這同時(shí)也意味著，沒(méi)有人確切知道星系和黑洞的紐帶究竟是什么樣的。

三、暗能量的存在

“哈勃”曾經(jīng)的一個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目是確定宇宙正在以多快的速度減速。因?yàn)樵诖蟊ㄖ笠Ρ厝粫?huì)對(duì)空間膨脹施加阻力，這就像在斜面上自下而上運(yùn)動(dòng)的一個(gè)小球，它的速度最終會(huì)減小。

持續(xù)了幾十年的一個(gè)問(wèn)題是，宇宙是否擁有足夠的引力來(lái)完全阻止其自身的膨脹?！肮笨梢钥吹竭b遠(yuǎn)的Ia型超新星并準(zhǔn)確測(cè)量它們的亮度，這使得天文學(xué)家可以回溯宇宙更久遠(yuǎn)的過(guò)去進(jìn)而測(cè)量它的膨脹速率。

1998年，美國(guó)約翰·霍普金斯大學(xué)、美國(guó)空間望遠(yuǎn)鏡研究所的天文學(xué)家亞當(dāng)·里斯（Adam Riess）利用他的團(tuán)隊(duì)所收集的超新星巡天數(shù)據(jù)，寫(xiě)了一個(gè)計(jì)算機(jī)程序來(lái)計(jì)算宇宙的減速率。奇怪的是，這個(gè)程序不斷給出一個(gè)具有負(fù)質(zhì)量的宇宙。起先里斯認(rèn)為這只是一個(gè)程序中的錯(cuò)誤。但后來(lái)他意識(shí)到，計(jì)算機(jī)程序其實(shí)是想給出一個(gè)“荒謬”的結(jié)論：真空會(huì)產(chǎn)生排斥能！

在美國(guó)加州，另一個(gè)由美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的索爾·珀?duì)栺R特（Saul Perlmutter）領(lǐng)導(dǎo)的小組也獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了類似的宇宙加速膨脹。他的研究小組發(fā)現(xiàn)，遙遠(yuǎn)的超新星比預(yù)期的要更為暗弱。這意味著，和宇宙正在減速或者甚至“滑行”相比，在我們和超新星之間有著更多的空間（距離更大）。因此，宇宙現(xiàn)在必定正在以比早先更快的速度膨脹。

這兩個(gè)組偶然間發(fā)現(xiàn)了愛(ài)因斯坦所預(yù)言的一個(gè)幽靈般的能令宇宙保持靜止的制衡力，被稱為宇宙學(xué)常數(shù)。由于天體物理學(xué)家還不清楚它的行為是否嚴(yán)格地如宇宙學(xué)常數(shù)所述，因此這一現(xiàn)象現(xiàn)在只是被稱為“暗能量”。

“哈勃”后來(lái)又觀測(cè)到了一顆100億年前的超新星，進(jìn)一步支持了宇宙中有暗能量存在的事實(shí)。這顆超新星異常的明亮，說(shuō)明在很久以前宇宙確實(shí)是在減速，但此后宇宙的膨脹便開(kāi)始了加速并一直持續(xù)到現(xiàn)在。這一轉(zhuǎn)變大約發(fā)生在70億年前。

從那以后，天文學(xué)家們進(jìn)行了更多的觀測(cè)期望能更好地確定暗能量的特性，并確認(rèn)它的行為是否真的像愛(ài)因斯坦的宇宙學(xué)常數(shù)那樣。天文學(xué)家們就此為下一代望遠(yuǎn)鏡提出了一些新的研究方法，其中包括了觀測(cè)更多的超新星以及測(cè)量天空中由宇宙大爆炸原初等離子體中的作用力所引發(fā)的重子聲學(xué)振蕩。

四、精確測(cè)定宇宙的膨脹速度

由于地質(zhì)學(xué)證據(jù)以及達(dá)爾文的進(jìn)化論，19世紀(jì)后期的科學(xué)家都認(rèn)為地球極為古老。即使是偉大的愛(ài)因斯坦也認(rèn)為，宇宙必須是靜態(tài)的，也許因此也是永恒的。然而，按照他的廣義相對(duì)論，宇宙卻要么會(huì)膨脹，要么會(huì)坍縮。

1929年，埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）為宇宙有著一個(gè)有限的年齡提供了第一個(gè)觀測(cè)上的證據(jù)。他發(fā)現(xiàn)，距離越遠(yuǎn)的星系，它離開(kāi)我們的速度越快，其比值由哈勃常數(shù)給出。這意味著空間在往各個(gè)方向上膨脹。事實(shí)上，這里經(jīng)常所提到的觀測(cè)到的光線紅移并不是星系退行的速度所造成的，即并非是多普勒效應(yīng)，而是空間本身的膨脹拉伸光的波長(zhǎng)的結(jié)果。

通過(guò)精確地測(cè)定宇宙膨脹的速度，科學(xué)家就可以倒轉(zhuǎn)宇宙時(shí)鐘，計(jì)算出宇宙的年齡。但是，由此估計(jì)出的宇宙年齡的精度會(huì)受制于精度較低的距離測(cè)量結(jié)果。而哈勃常數(shù)的精確值則是校準(zhǔn)其他宇宙參數(shù)的關(guān)鍵。

由于空間望遠(yuǎn)鏡可以比地面上的望遠(yuǎn)鏡分辨出更多、更遠(yuǎn)的造父變星——一類可用做近距宇宙中距離標(biāo)尺的恒星，因此精確測(cè)定哈勃常數(shù)成為了“哈勃”早期的重點(diǎn)項(xiàng)目。

在“哈勃”發(fā)射時(shí)，宇宙膨脹的速度存在著巨大的不確定性。哈勃常數(shù)的預(yù)估范圍在50千米/秒/百萬(wàn)秒差距到100千米/秒/百萬(wàn)秒差距之間。這意味著，宇宙的年齡可以年輕到只有80億年或者老到160億年。

1994年，“哈勃”河外距離尺度重點(diǎn)項(xiàng)目的溫迪·弗里德曼（Wendy Freedman）宣布他們測(cè)得的哈勃常數(shù)值為80千米/秒/百萬(wàn)秒差距，這意味著一個(gè)相對(duì)較年輕的宇宙。但令人費(fèi)解的是，由此得出的宇宙年齡在80億年至120億年間，比最古老的恒星年齡還要小。這看起來(lái)似乎是恒星演化模型還存在問(wèn)題。

到20世紀(jì)90年代后期，哈勃常數(shù)的值已經(jīng)精確到了只有大約10%的誤差。2009年，亞當(dāng)·里斯及其合作者使用了遙遠(yuǎn)星系中的造父變星來(lái)細(xì)化和完善了宇宙的“距離階梯”。這使得天文學(xué)家能夠精確把宇宙膨脹的速度定在74.3千米/秒/百萬(wàn)秒差距，其不確定性不超過(guò)5%。

回想起來(lái)，這幾乎是預(yù)料之中的，天文學(xué)家最終確定的值恰好在先前50千米/秒/百萬(wàn)秒差距和100千米/秒/百萬(wàn)秒差距的正中間?？紤]到暗能量的作用，由此得出的宇宙年齡為137億年——足以能容納宇宙中測(cè)量到的最古老的恒星。

五、采樣太陽(yáng)系外行星的大氣

直到“哈勃”發(fā)射升空5年之后，天文學(xué)家才在另一顆普通恒星的周圍發(fā)現(xiàn)了第一顆太陽(yáng)系外行星。對(duì)于當(dāng)時(shí)的地面望遠(yuǎn)鏡而言，外星行星過(guò)于暗弱無(wú)法被直接觀測(cè)到，但它們會(huì)造成其宿主恒星規(guī)律地?cái)[動(dòng)，由此泄露了天機(jī)。這一現(xiàn)象唯一能提供的信息就是外星行星的軌道周期以及它的粗略質(zhì)量。

然而，到了90年代后期，天文學(xué)家已經(jīng)可以觀測(cè)到太陽(yáng)系外行星的凌星（從其宿主恒星前方通過(guò)）。由于可以在其宿主恒星的映襯下來(lái)觀測(cè)外星行星，這為探測(cè)它們的特性提供了可能。天文學(xué)家很快就把“哈勃”的獨(dú)特能力用到了它們身上。

“哈勃”對(duì)太陽(yáng)系外行星的大氣進(jìn)行了首次測(cè)量。在這一具有里程碑意義的觀測(cè)中，美國(guó)哈佛大學(xué)的戴維·夏博諾（David Charbonneau）對(duì)穿過(guò)外星行星大氣的宿主恒星星光進(jìn)行了分光觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)外星行星HD 209458b的大氣中存在鈉。

在后續(xù)的觀測(cè)中，“哈勃”還發(fā)現(xiàn)了凌星行星大氣中的二氧化碳、氧和水蒸氣。熱類木星無(wú)疑是沒(méi)有生命的，但“哈勃”能對(duì)其大氣進(jìn)行分析證明了將這一方法用于外星類地行星大氣來(lái)尋找生命示蹤物質(zhì)的可行性。

盡管取得了這些進(jìn)展，但對(duì)外星行星直接成像仍十分困難，甚至對(duì)于“哈勃”也是如此。直到2008年，“哈勃”才第一次在可見(jiàn)光波段下拍攝到了圍繞北落師門的一顆年輕氣態(tài)巨行星。

六、接下來(lái)是什么

多虧了航天飛機(jī)計(jì)劃和宇航員團(tuán)隊(duì)，“哈勃”的照相機(jī)已經(jīng)升級(jí)到最先進(jìn)的程度。如今的“哈勃”和1990年發(fā)射時(shí)相比強(qiáng)大了100倍。

一些重點(diǎn)項(xiàng)目仍然期望能從“哈勃”身上獲得最大的科學(xué)回報(bào)。其中一個(gè)就是通過(guò)測(cè)量25個(gè)巨型星系團(tuán)的引力透鏡來(lái)研究宇宙中暗物質(zhì)的分布?！肮边€將拍攝250000個(gè)遙遠(yuǎn)星系的深度照片。另一個(gè)雄心勃勃的計(jì)劃則是對(duì)位于鄰近仙女座星系（M31）某一個(gè)象限中的恒星和星云拍攝一張巨大的彩色拼接照片。

因此，“哈勃”的好戲還在后頭。（來(lái)源：科學(xué)松鼠會(huì)）