哈勃啟示錄

吳青

1990年發(fā)射的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡，在過(guò)去30年里讓我們對(duì)太陽(yáng)系、太陽(yáng)系外的世界和宇宙都有了新認(rèn)識(shí)。

太陽(yáng)系

哈勃改變了我們認(rèn)識(shí)行星的方式，與其他空間探測(cè)器一起讓我們聚焦太陽(yáng)系。

地球是太陽(yáng)系中的一員，太陽(yáng)系應(yīng)該是我們對(duì)地球所在宇宙角落中最熟悉的區(qū)域。然而，當(dāng)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（以下簡(jiǎn)稱哈勃）在1990年升空時(shí)，科學(xué)家對(duì)太陽(yáng)系的認(rèn)識(shí)依然非常有限。用地面望遠(yuǎn)鏡仰望蒼穹，不斷變幻的地球大氣層會(huì)模糊我們對(duì)太陽(yáng)系行星的視線。而在洶涌的氣流之上，哈勃卻能清晰觀測(cè)這些世界，這樣的觀測(cè)迄今已持續(xù)30年。

如此長(zhǎng)的任務(wù)時(shí)間是哈勃的最大財(cái)富之一。哈勃揭示了地球的姊妹行星在環(huán)繞太陽(yáng)過(guò)程中不斷變化的天氣和氣候模式。通過(guò)執(zhí)行“外行星大氣層遺產(chǎn)”（簡(jiǎn)稱OPAL）計(jì)劃，哈勃科學(xué)團(tuán)隊(duì)從哈勃的漫長(zhǎng)任務(wù)期中受益匪淺。每隔幾個(gè)月，OPAL就指令哈勃對(duì)準(zhǔn)木星、土星、天王星和海王星，以觀測(cè)它們的變化。科學(xué)家由此得知：木星上的大紅斑（一場(chǎng)巨型風(fēng)暴）實(shí)際上隨著時(shí)間推移而在縮小、變色;不僅木星上有新風(fēng)暴出現(xiàn)和舊風(fēng)暴消失，而且其他外行星上也有這種情況發(fā)生。通過(guò)長(zhǎng)長(zhǎng)的任務(wù)期和圖像的清晰度，哈勃讓科學(xué)家得以研究太陽(yáng)系行星的變化本質(zhì)。

任務(wù)支持

這些年來(lái)，哈勃并不是觀測(cè)太陽(yáng)系行星的唯一空間探測(cè)器。自哈勃發(fā)射以來(lái)，已有數(shù)十艘空間探測(cè)器被送去探索太陽(yáng)系，而哈勃經(jīng)常被征召來(lái)提供急需的背景情況。當(dāng)卡西尼號(hào)探測(cè)器在2004年到達(dá)土星時(shí)，它每次只能觀測(cè)土星的一小部分。哈勃卻能觀測(cè)土星全球。雖然哈勃的觀測(cè)精度要低得多，但它能追蹤行星風(fēng)暴和極光活動(dòng)，從而有助于科學(xué)家理解卡西尼號(hào)發(fā)回的數(shù)據(jù)。與這些探測(cè)器單獨(dú)運(yùn)作相比，哈勃提供的幫助大大增加了這些探測(cè)任務(wù)的科學(xué)回報(bào)。

火星是哈勃的另一大目標(biāo)。哈勃與火星表面上及環(huán)繞火星的一系列探測(cè)器協(xié)同運(yùn)作。哈勃幫助追蹤每個(gè)火星年的火星全球巨型沙塵暴。實(shí)地探測(cè)器記錄火星局部溫度和氣壓等的變化，哈勃?jiǎng)t讓科學(xué)家能評(píng)估火星沙塵暴的全面進(jìn)展情況。哈勃并非是在其他探測(cè)任務(wù)期間才提供支持。對(duì)于過(guò)去30年來(lái)的每一次行星探測(cè)任務(wù)來(lái)說(shuō)，哈勃一直被用來(lái)為尚未抵達(dá)目的地行星的探測(cè)器探路。例如，新地平線號(hào)探測(cè)器在2015年飛過(guò)了冥王星系統(tǒng)，而在此之前哈勃被用來(lái)幫助策劃這次任務(wù)。哈勃的觀測(cè)結(jié)果幫助科學(xué)家確定了新地平線號(hào)的飛行線路，讓這艘探測(cè)器得以安全抵達(dá)冥王星。

天空之眼

在新地平線號(hào)接近冥王星之前，運(yùn)作團(tuán)隊(duì)擔(dān)憂它撞向一顆未知的衛(wèi)星或環(huán)繞冥王星這顆矮行星的另一個(gè)天體。于是，他們利用哈勃來(lái)尋找潛在危險(xiǎn)。正是在這場(chǎng)戰(zhàn)役中，哈勃發(fā)現(xiàn)了冥王星的兩顆衛(wèi)星，從而讓新地平線號(hào)得以避開(kāi)了它們。

哈勃還提供了其他許多行星探測(cè)器缺乏的一種視野——哈勃能進(jìn)行紅外和紫外觀測(cè)。對(duì)于前往木星的朱諾號(hào)探測(cè)器來(lái)說(shuō)，哈勃對(duì)木星這顆氣態(tài)巨行星磁場(chǎng)的觀測(cè)很重要。哈勃能記錄木星磁場(chǎng)產(chǎn)生的高能紫外極光，朱諾號(hào)搭載的儀器則不能。通過(guò)哈勃和朱諾號(hào)的聯(lián)袂探測(cè)，科學(xué)家才對(duì)木星有了比之前完整得多的了解，尤其是對(duì)更復(fù)雜的木星磁場(chǎng)細(xì)節(jié)有了充分認(rèn)識(shí)。

科學(xué)家還利用哈勃來(lái)研究一些行星的衛(wèi)星，并獲得了一些出乎預(yù)料的結(jié)果。例如，當(dāng)哈勃觀測(cè)木星的一些衛(wèi)星（木衛(wèi)）時(shí)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了加尼美得（木衛(wèi)三）和歐羅巴（木衛(wèi)二）的冰殼下存在地下海洋的跡象。2016年，哈勃幫助確認(rèn)了這些木衛(wèi)表面也有水。當(dāng)時(shí)，哈勃發(fā)現(xiàn)歐羅巴表面有很高的噴泉水柱，這些水是從歐羅巴冰殼縫隙噴出的地下水。

但哈勃的一些最偉大發(fā)現(xiàn)是太陽(yáng)系在不經(jīng)意間吐露的。

星際訪客

哈勃最著名的探測(cè)結(jié)果之一出現(xiàn)在它任務(wù)生涯的早期。1994年，舒梅克一列維9彗星撞擊木星。當(dāng)之前對(duì)此完全沒(méi)有預(yù)計(jì)的科學(xué)家終于意識(shí)到即將發(fā)生這場(chǎng)撞擊后，他們立即呼吁哈勃團(tuán)隊(duì)確保哈勃觀測(cè)它。哈勃發(fā)回的撞擊系列照片讓科學(xué)家豁然頓晤：太陽(yáng)系竟然如此動(dòng)蕩——有可能被呼嘯而過(guò)的其他天體撞擊的行星是多么脆弱！

從那以后，哈勃已觀測(cè)到許多小行星和彗星。但在過(guò)去幾年中，一個(gè)新類別的太空巖石——星際訪客進(jìn)入哈勃的視野。2017年，被從另一個(gè)恒星系統(tǒng)甩出的小行星奧陌陌被看見(jiàn)飛速經(jīng)過(guò)太陽(yáng)系。2019年底，2I/鮑里索夫彗星如法炮制。這兩個(gè)不速之客都被哈勃的鏡頭定格。

哈勃自1990年升空至今，已經(jīng)刷新了科學(xué)家對(duì)太陽(yáng)系的認(rèn)識(shí)。哈勃作為一種重要工具一直在幫助我們破譯太陽(yáng)系奧秘，但太陽(yáng)系至今仍然潛藏諸多未解之謎。只要哈勃還有一口氣，它就會(huì)幫助科學(xué)家盡力揭開(kāi)太陽(yáng)系的神秘面紗。

銀河系中有很多令人難以置信的景象。從恒星產(chǎn)房塵霧彌漫的朦朧美到恒星爆發(fā)后留下的五彩繽紛的殘骸，哈勃幫助揭示了銀河系之美不勝收。但哈勃拍攝的這些圖像不僅看起來(lái)驚人，而且它們向科學(xué)家訴說(shuō)恒星的生命故事。

這個(gè)故事在哈勃于30年前升空后很快就開(kāi)始了。當(dāng)時(shí)，哈勃首次把目光對(duì)準(zhǔn)遍布銀河系的塵埃云當(dāng)中的一部分。科學(xué)家相信這些地方是恒星產(chǎn)房，是地球夜空中閃爍群星的誕生地。最著名的恒星誕生地照片，或許也是哈勃最著名的照片，顯示的是天鷹星云（簡(jiǎn)稱M16）。這幅拍攝于1995年的照片更為人知的名稱是“創(chuàng)世之柱”，在這些“柱子”內(nèi)新恒星開(kāi)始形成。

在哈勃拍攝的許多星云照片上都可見(jiàn)這樣的柱狀結(jié)構(gòu)。來(lái)自大量新生恒星的勁風(fēng)在剩下的氣團(tuán)中雕刻出這些柱狀結(jié)構(gòu)。通過(guò)研究這些云團(tuán)的形態(tài)，科學(xué)家能拆解出恒星生命重要的早期階段。科學(xué)家是通過(guò)觀測(cè)過(guò)去20年中這些云團(tuán)的變化等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)拆解的。2015年，一張相同場(chǎng)景的新照片顯示，其中一個(gè)云團(tuán)中的一條射流長(zhǎng)高了幾乎1000億千米，這就證明了這些區(qū)域是多么不平靜。

更讓人興奮的是，當(dāng)哈勃近觀獵戶座星云中一些新生恒星時(shí)，它發(fā)現(xiàn)它們當(dāng)中不少有旋轉(zhuǎn)的塵埃盤，這是恒星進(jìn)入生命新篇童并形成行星的跡象。隨著一顆恒星生長(zhǎng)，它經(jīng)常會(huì)形成環(huán)繞它的原行星盤。盤中物質(zhì)隨著時(shí)間聚集成團(tuán)，最終形成行星系統(tǒng)。

觀測(cè)奇異世界

正在迅速發(fā)展的天文學(xué)研究領(lǐng)域之一是系外行星，即太陽(yáng)系之外的行星。研究原行星盤是了解系外行星的重要步驟之一。科學(xué)家在當(dāng)初設(shè)計(jì)哈勃時(shí)根本沒(méi)想到用它研究系外行星，甚至當(dāng)時(shí)科學(xué)家都不知道系外行星的存在。

從第一批系外行星于20世紀(jì)90年代被發(fā)現(xiàn)至今，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過(guò)4000顆系外行星，而且這個(gè)數(shù)字每天都被刷新。追蹤這些行星需要長(zhǎng)時(shí)間觀察天空中大片區(qū)域，這不是哈勃的長(zhǎng)項(xiàng)，因?yàn)楣囊暯钦瑔未斡^測(cè)時(shí)間短（哈勃的任務(wù)繁多）。但哈勃能對(duì)通過(guò)其他觀測(cè)發(fā)現(xiàn)的系外行星進(jìn)行深度觀測(cè)。

哈勃具有領(lǐng)先性的貢獻(xiàn)是分析系外行星的大氣成分。通過(guò)觀測(cè)在母恒星正前方經(jīng)過(guò)的系外行星，哈勃就能做到這一點(diǎn)。在此期間，來(lái)自母恒星的光線會(huì)穿透行星大氣層，其中一部分光線被行星大氣層吸收，哈勃能接收到這樣的光線。通過(guò)分解光線，科學(xué)家能探察到行星大氣層內(nèi)部的多種重要元素和分子。哈勃擅長(zhǎng)尋找的一種重要分子是水分子。在地球上，有水的地方就有生命。因此，科學(xué)家渴望確定有多少系外行星像地球一樣潮濕，以此評(píng)估銀河系中其他地方能否存在生命，甚至是智能生命。

哈勃的解析能力很強(qiáng)大，它甚至能描述行星表面的基本天氣模式。當(dāng)觀測(cè)被潮汐力鎖定的系外行星WASP-43b（它的一個(gè)半面總是朝向母恒星）時(shí)，哈勃能辨識(shí)被恒星永久照亮的這個(gè)行星半面上的暗色區(qū)域。由此，科學(xué)家能預(yù)測(cè)行星上的風(fēng)怎樣在光明半面和黑暗半面之間移動(dòng)。

但正如哈勃能揭示恒星和行星起源，它也能翻開(kāi)它們生命的最后篇章。當(dāng)恒星核的燃料耗盡后，恒星就死亡。如果恒星夠大，這種死亡就是一次被稱為超新星的爆發(fā)事件。哈勃不僅能探測(cè)到這種爆發(fā)，而且能觀測(cè)爆發(fā)后的余波。

探索超新星

在整個(gè)生命期中，恒星把產(chǎn)生于宇宙大爆炸中的氫轉(zhuǎn)變成氦和其他較重的元素。恒星在變成超新星時(shí)會(huì)向外甩出這些元素。隨著極高熱氣云墜入周圍介質(zhì)中，會(huì)產(chǎn)生向前推進(jìn)的沖擊波。超新星變成的極高熱小恒星——白矮星自內(nèi)向外照亮氣云。因?yàn)閺牡厍蛏峡慈ミ@些氣泡模模糊糊呈球狀，所以科學(xué)家起初把它們誤認(rèn)為是行星而稱之為“行星狀星云”，但實(shí)際上它們與行星毫不相干。

1987年，在哈勃升空前不久，銀河系的相伴星系——大麥哲倫云中的一顆超新星引爆。之后多年來(lái)，哈勃目睹這場(chǎng)爆發(fā)所產(chǎn)生的氣體環(huán)向外蔓延、膨脹進(jìn)入星際介質(zhì)（充盈恒星之間空間的氣體）。

隨著時(shí)間推移，由這些沖擊波產(chǎn)生的渦流導(dǎo)致星際介質(zhì)聚集。聚集成的新云團(tuán)中富含死亡恒星甩進(jìn)宇宙的所有元素。接著，新云團(tuán)形成恒星產(chǎn)房，讓有關(guān)恒星生命的宇宙故事重回開(kāi)頭。

銀河系是一個(gè)活躍之地，充滿正在誕生的恒星，恒星在孕育出行星后死亡，恒星的殘骸為新周期的重復(fù)提供燃料。要觀察這一無(wú)比驚人過(guò)程中的每一個(gè)步驟，哈勃都是最重要的工具。

時(shí)間視角

哈勃幫助我們窺探亙古，并且證明了宇宙生長(zhǎng)速度越來(lái)越快。

哈勃的高解析度、大口徑和極高準(zhǔn)確度意味著它能捕捉來(lái)自宇宙最深處的光子，比之前任何望遠(yuǎn)鏡都看得更遠(yuǎn)，也就是能看到更古老的情況。當(dāng)來(lái)自遙遠(yuǎn)星系和恒星的光線歷經(jīng)幾十億年來(lái)到地球時(shí)，我們看到的其實(shí)是很久很久以前它們的樣子，也就是宇宙初期的情況。從這個(gè)意義上講，我們就回到了從前。

通過(guò)比較遙遠(yuǎn)星系和在時(shí)空上距離我們近的星系，科學(xué)家看出兩者有很大差異。有科學(xué)家認(rèn)為，哈勃最大的貢獻(xiàn)就是一直在提醒我們：宇宙隨著時(shí)間改變。哈勃這一能力的最好體現(xiàn)是在它的深場(chǎng)照片。哈勃的第一批深場(chǎng)照片拍攝于1995年，當(dāng)時(shí)哈勃對(duì)空中一個(gè)明顯的黑斑進(jìn)行了一次100小時(shí)長(zhǎng)曝光。那時(shí)候，一些科學(xué)家認(rèn)為拍攝這張照片完全是對(duì)哈勃寶貴時(shí)間的浪費(fèi)。但他們錯(cuò)了。這張照片中包含幾乎3000個(gè)星系，其中一些的時(shí)間要回溯到第一批恒星形成時(shí)期。這些星系比今天的星系小，而且更不規(guī)則。這就證明星系會(huì)隨時(shí)間改變。

超新星線索

哈勃的敏銳視覺(jué)能辨識(shí)這些遙遠(yuǎn)星系，而且哈勃很有助于科學(xué)家精確算出這些遙遠(yuǎn)星系究竟有多遠(yuǎn)。具體而言，哈勃對(duì)Ia類型超新星的觀測(cè)結(jié)果被科學(xué)家用來(lái)計(jì)算遙遠(yuǎn)星系與我們的距離。Ia超新星總是以相同亮度爆發(fā)，因此，通過(guò)測(cè)量從地球上看去這些超新星的視亮度，科學(xué)家就能知道它們和它們所在星系與我們的距離。

對(duì)這些距離的計(jì)算是哈勃主要科學(xué)目標(biāo)之一的重要組成部分，這個(gè)目標(biāo)就是測(cè)量宇宙膨脹速度。自從大天文學(xué)家哈勃在百年前的觀測(cè)首次證明星系在后退以來(lái)，科學(xué)家已經(jīng)知道宇宙在膨脹，空間看來(lái)一直在延伸。但測(cè)量宇宙的實(shí)際膨脹速度很難，因?yàn)檫@需要精確的距離測(cè)量。哈勃幫助科學(xué)家進(jìn)行越來(lái)越準(zhǔn)確的距離測(cè)量，讓科學(xué)家意識(shí)到宇宙的膨脹實(shí)際上在加速。這也是哈勃最大的貢獻(xiàn)之一。

當(dāng)兩個(gè)獨(dú)立團(tuán)隊(duì)在1998年發(fā)現(xiàn)這一膨脹時(shí)，科學(xué)家們很驚訝。他們一直以為大爆炸之后宇宙的膨脹會(huì)減速，或者會(huì)停留在一個(gè)穩(wěn)定的膨脹速度。如果宇宙膨脹真的在加速，那么問(wèn)題就來(lái)了：是什么在加速宇宙膨脹？

科學(xué)家對(duì)這個(gè)問(wèn)題的答案依然不明朗，但在天體物理學(xué)中有一個(gè)熱門話題——暗能量，而哈勃在暗能量的研究中起著重要作用。今天，科學(xué)家相信暗能量占宇宙的大約75%，余下部分中只有一小部分（1%）是發(fā)光物質(zhì)，例如在恒星上燃燒和在氣云中發(fā)光的氣體和塵埃，其余24%是暗物質(zhì)?？茖W(xué)家還相信，暗物質(zhì)滲透整個(gè)宇宙，在星系之間和恒星之間延伸。

黑暗之謎

暗物質(zhì)與光線之間的作用機(jī)制與正常物質(zhì)的不同，因而一般的望遠(yuǎn)鏡看不見(jiàn)暗物質(zhì)。但暗物質(zhì)通過(guò)引力與可見(jiàn)宇宙相互作用，這意味著哈勃能曝光“本不可見(jiàn)”的暗物質(zhì)。

事實(shí)上，任何類型的質(zhì)量都會(huì)扭曲時(shí)空。如果集合質(zhì)量很大，那么這種扭曲所產(chǎn)生的現(xiàn)象就會(huì)明顯得足以被觀測(cè)到。這種效應(yīng)被稱為引力透鏡，即來(lái)自一個(gè)遙遠(yuǎn)星系的光線會(huì)被一個(gè)巨大天體的引力扭曲。然而，這個(gè)過(guò)程并不完美：到這種光線到達(dá)地球時(shí)，光線已被嚴(yán)重扭曲。哈勃被用于觀測(cè)星系團(tuán)，以探測(cè)由扭曲光線所形成的弧。通過(guò)檢驗(yàn)星系團(tuán)的引力透鏡作用，科學(xué)家能知道這些星系團(tuán)中的物質(zhì)分布情況。這些物質(zhì)中的大部分是暗物質(zhì)。通過(guò)觀測(cè)這些星系被扭曲的程度，科學(xué)家就能繪制暗物質(zhì)在整個(gè)宇宙中的分布圖。

發(fā)現(xiàn)黑洞

哈勃幫助科學(xué)家“看見(jiàn)”的另一種看似不可見(jiàn)的天體是超大質(zhì)量黑洞。這些致密天體的質(zhì)量都比太陽(yáng)的大好幾十億倍?？茖W(xué)家相信大多數(shù)星系中心都有黑洞。在哈勃升空之前，黑洞只是理論上的存在。支持黑洞的唯一證據(jù)是對(duì)一類遙遠(yuǎn)星系——類星體的射電觀測(cè)。類星體包含大小相當(dāng)于整個(gè)太陽(yáng)系的多個(gè)天體，而且類星體的亮度超過(guò)宇宙中任何其他天體。哈勃確定這些射電輻射來(lái)自星系中心，很可能來(lái)自在環(huán)繞一個(gè)巨型黑洞過(guò)程中被強(qiáng)烈加熱的極高溫氣體。

1997年，哈勃上安裝了“空間望遠(yuǎn)鏡成像光譜儀”。這臺(tái)儀器擅長(zhǎng)觀測(cè)靠近星系中心的區(qū)域，能辨識(shí)在靠近黑洞的軌道中被俘獲而以極高速運(yùn)動(dòng)的恒星。哈勃很快就發(fā)現(xiàn)了這樣的恒星，從而確鑿地證明了超大質(zhì)量黑洞的存在。

過(guò)去30年來(lái)，哈勃一直在幫助科學(xué)家把最深空的光子拖出來(lái)，甚至“照亮”了宇宙中那些沒(méi)有光線閃耀的地方，由此揭示了宇宙一些最黑暗的秘密。