哈勃與望遠(yuǎn)鏡的故事

郭紅鋒

1917年，美國(guó)加利福尼亞的威爾遜山天文臺(tái)建成了一架主鏡口徑為100英寸（約2.5米）的反射鏡—胡克望遠(yuǎn)鏡。在此后的30年內(nèi)，它一直是世界上最大的望遠(yuǎn)鏡，有許多重要的天文成果出自這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，其中包括著名美國(guó)天文學(xué)家愛(ài)德溫·哈勃（以下簡(jiǎn)稱為“哈勃”）使用這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的結(jié)果和在宇宙學(xué)方面的重大貢獻(xiàn)。

一、發(fā)現(xiàn)河外星系

1922～1924年期間，哈勃使用胡克望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到仙女座大星云里的變星，并計(jì)算出它們的距離遠(yuǎn)在幾百萬(wàn)光年之外，遠(yuǎn)超出當(dāng)時(shí)已知的銀河系（約10萬(wàn)光年）的尺度，從而得出了仙女座大星云不是銀河系內(nèi)的天體，而是銀河系外的龐大天體系統(tǒng)。進(jìn)一步觀測(cè)證實(shí)了某些“星云”其實(shí)是銀河系外的、與銀河系類似的、遙遠(yuǎn)的星系，即“河外星系”。隨后，哈勃又對(duì)星系進(jìn)行了分類研究，被譽(yù)為“星系天文學(xué)之父”。

二、發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹

哈勃在研究河外星系的過(guò)程中，又發(fā)現(xiàn)大多數(shù)星系都在遠(yuǎn)離我們而去（退行），且距離越遠(yuǎn)，退行的速度越快，從而發(fā)現(xiàn)了宇宙正在膨脹的驚人事實(shí)。這一結(jié)論是顛覆性的，因?yàn)樵缙谔煳膶W(xué)家一直到愛(ài)因斯坦，都認(rèn)為宇宙是靜止的，而現(xiàn)在哈勃卻告訴人們宇宙是在膨脹著的。

宇宙膨脹現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，讓科學(xué)家們意識(shí)到了宇宙在遙遠(yuǎn)的過(guò)去存在一個(gè)開(kāi)端，也就是說(shuō)宇宙的年齡其實(shí)是有限的。

三、現(xiàn)代宇宙學(xué)模型

宇宙膨脹的意思是：不管你在哪里，往哪個(gè)方向看，遠(yuǎn)處的星系都在遠(yuǎn)離你而去，近處的星系都朝著你而來(lái)。反過(guò)來(lái)說(shuō)，似乎在之前的某一個(gè)時(shí)刻，這些星系都應(yīng)該聚集在一個(gè)點(diǎn)上，從那一點(diǎn)開(kāi)始膨脹到現(xiàn)在的樣子。哈勃的發(fā)現(xiàn)暗示著宇宙存在一個(gè)時(shí)間和空間的起點(diǎn)，在起點(diǎn)時(shí)刻，宇宙處于一個(gè)空間為零、密度無(wú)限的奇點(diǎn)。

20世紀(jì)30年代，比利時(shí)天文學(xué)家勒梅特首次提出了宇宙大爆炸假說(shuō)。1946年，美國(guó)物理學(xué)家伽莫夫正式提出大爆炸理論，認(rèn)為宇宙由大約140億年前發(fā)生的大爆炸劇烈擴(kuò)張而成。這一學(xué)說(shuō)被當(dāng)時(shí)的同行笑稱為“Big Bang”，即大爆炸。但今天大量的觀測(cè)事實(shí)和理論分析都支持宇宙大爆炸理論模型，它已被國(guó)際學(xué)術(shù)界主流科學(xué)家所接受。

四、哈勃太空望遠(yuǎn)鏡

為了紀(jì)念科學(xué)家哈勃對(duì)人類認(rèn)識(shí)宇宙的貢獻(xiàn)，1990年4月24日，人類成功發(fā)射到地球大氣層之上的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡被命名為哈勃太空望遠(yuǎn)鏡。哈勃望遠(yuǎn)鏡口徑為2.4米，長(zhǎng)度約16米，帶有多種觀測(cè)暗弱天體的儀器，在地面之上約640千米的軌道上環(huán)繞地球，巡視宇宙。

哈勃望遠(yuǎn)鏡接收地面控制中心（位于美國(guó)馬里蘭州的霍普金斯大學(xué)內(nèi)）的指令，并將各種觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線電傳輸回地球。由于它位于地球大氣層之上，因此獲得了地基望遠(yuǎn)鏡所沒(méi)有的好處：影像不受大氣湍流的擾動(dòng)，且無(wú)大氣散射造成的背景光，還能觀測(cè)會(huì)被臭氧層吸收的紫外線。哈勃望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射運(yùn)行，成功彌補(bǔ)了地面觀測(cè)的不足，幫助天文學(xué)家解決了許多天文學(xué)上的基本問(wèn)題，由它拍攝的超深空視場(chǎng)照片則是天文學(xué)家目前能獲得的最深入、最敏銳的太空光學(xué)影像。

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)射后已經(jīng)進(jìn)行了超過(guò)100萬(wàn)次的觀測(cè)，積累了大量精確的觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)天文學(xué)各領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。哈勃望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)已經(jīng)解決了一些基本的宇宙學(xué)上的問(wèn)題，它發(fā)現(xiàn)了星系是由更小的結(jié)構(gòu)演化而來(lái)，發(fā)現(xiàn)了超大質(zhì)量的黑洞在星系中心存在的普遍性，證實(shí)了宇宙的加速膨脹，拍攝到了星云內(nèi)恒星的誕生，分析了太陽(yáng)系外行星的大氣層，支持了行星際的探測(cè)任務(wù)?？梢哉f(shuō)，哈勃望遠(yuǎn)鏡的成就是目前任何望遠(yuǎn)鏡都無(wú)法相比的。

哈勃望遠(yuǎn)鏡在軌運(yùn)行30多年來(lái)，一直在源源不斷地將美麗的宇宙圖像傳回地球，取得了許多突破性發(fā)現(xiàn)，不斷帶給我們驚喜，讓我們有幸能觸碰億萬(wàn)光年外的神秘。它捕捉到的照片正從根本上改變著我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)。