Amy Tyndall 文 Shea 編譯
哈勃空間望遠鏡已瞭望宇宙四分之一個世紀。下面將羅列出它所做出的一些最令人難以置信的發(fā)現(xiàn)。
25年前，迄今最著名且最令人驚嘆的技術(shù)成就之一——哈勃空間望遠鏡——發(fā)射升空。
1990年，“發(fā)現(xiàn)”號航天飛機將“哈勃”送入低地球軌道，自那時起至今它一直在不斷地瞭望宇宙。它的觀測涵蓋從紫外線、可見光到紅外線，為天文學家打開了一扇通向宇宙的前所未有的窗口。
那么，從它所拍攝的震撼照片中，科學家們究竟做出了哪些發(fā)現(xiàn)呢？下面列出了其中的10個。
看上去模糊不清的星系是宇宙中最劇烈爆發(fā)事件的所在地的，這些高能現(xiàn)象被稱為γ射線暴。由于數(shù)量稀少——在一個典型的星系中每過數(shù)百萬年才會出現(xiàn)1次，這些爆發(fā)現(xiàn)象的成因就成為了一個謎題。然而，它們在幾秒沖內(nèi)所釋放出的能量卻與太陽在100億年的時間里所發(fā)出的相當。
2013年6月3日，美國宇航局的雨燕衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)了一個持續(xù)時間僅十分之一秒的γ射線暴。10天后，當“哈勃”對其進行觀測時，在發(fā)生爆發(fā)的地方發(fā)現(xiàn)了一個紅外光源。但到7月3日，它就變暗消失。這一消失的光芒是另一種宇宙爆炸的余輝，它被認為是兩顆極端致密的中子星發(fā)生碰撞所產(chǎn)生的。
由于這一余輝和γ射線暴出現(xiàn)在相同的位置上，它有力地證明了短時間γ射線暴很可能是由于中子星之間的碰撞所引發(fā)的。在對這一現(xiàn)象的研究中，“哈勃”起到了至關(guān)重要的作用。雖然是“雨燕”發(fā)現(xiàn)了這個特別的短時間γ射線暴并由地面上的望遠鏡測定了它的精確位置和距離，但只有“哈勃”才能觀測到其暗弱的余輝。
1994年7月16日，隨著舒梅克-列維9號彗星的21塊殘骸相繼撞上木星，地面和太空中的望遠鏡都指向了它。這些撞擊在木星的大氣層中所留下的疤痕持續(xù)存在了差不多1個月。
“哈勃”的觀測為木星的大氣層提供了大量有用的信息。最大的撞擊在木星的大氣中激起了明顯的波浪，就像池塘里的漣漪。由此，可以推斷出其大氣深處和云層下方水的狀況。
雖然地面天文臺也有參與，但“哈勃”是唯一一個可以全天候在整個波段進行觀測的望遠鏡。對于觀測撞擊產(chǎn)生的塵埃以及氣溶膠而言，紫外成像尤為重要。在此后數(shù)月甚至數(shù)年的時間里，“哈勃”對木星大氣高層的撞擊遺跡和分子進行了監(jiān)測。
看上去就像一個個小島，在獵戶星云中有許多盤狀的低溫塵埃和氣體云，它們是新生恒星形成時所遺留下的。雖然這其中的一部分物質(zhì)會隨著時間的推移而流失，但另一些則會聚集成鵝卵石大小的顆粒，并最終形成行星。由此，它們被稱為原行星盤。
通過研究原行星盤，天文學家希望能夠更多地了解地球和其他行星的形成過程，因為它們看上去就像是仍處于最初階段的太陽系。地面望遠鏡此前已觀測到了這些天體，但一開始認為它們是恒星。早在18世紀就有觀點認為它們是圍繞恒星的物質(zhì)盤，但直到20世紀80年代末當天文學家探測出其分子組成之后才得到確認。
“哈勃”則給出了突破性的進展，首次直接拍攝到了獵戶星云中大量原行星盤的圖像。
在“哈勃”發(fā)射之前，就宇宙年齡是100億年還是200億年有著激烈的爭論。為了平息爭論，天文學家需要測量造父變星——一種會脈動的恒星，其亮度會在數(shù)天到數(shù)月的時間里增亮和變暗。通過確定造父變星的亮度和它脈動周期之間的關(guān)系，就能夠估計它的距離。造父變星是測量星系距離的最精確方法，因此也為測定宇宙的膨脹速度提供了最準確的方法。
“哈勃”的高分辨率使得天文學家在24個近距星系中發(fā)現(xiàn)了超過800顆的造父變星?！肮钡倪@些測量幫助確定宇宙年齡為138億年。
要找到黑洞是很難的一件事情。它們的引力是如此之強，即使是光也無法從那里逃逸，使得它們變得“不可見”。但是，通過測量黑洞周圍物質(zhì)的運動，由此可以利用引力定律來計算出它的質(zhì)量。如果算出的質(zhì)量超過了那里可見恒星的質(zhì)量，那其他的部分則可能源于黑洞。
20世紀90年代初，天文學家懷疑在一些星系的中心存在超大質(zhì)量黑洞。發(fā)射后不久，以其5倍于地面觀測的分辨率，“哈勃”證實了此前的猜測。憑借其測量黑洞周圍氣體和恒星速度的能力，“哈勃”也由此成為了“黑洞獵人”。
它觀測到的結(jié)果令所有人都感到驚訝。超大質(zhì)量黑洞的半徑與我們的太陽系相當，但它所只能直接影響極其靠近星系中心區(qū)域內(nèi)的恒星和氣體。這表明星系及其中心的黑洞是一同生長的?！肮币灿纱税殉筚|(zhì)量黑洞從一種另類的天體變成了星系形成過程中不可或缺的一部分。
在我們的宇宙中還存在一些看不見的物質(zhì)，即暗物質(zhì)。我們所能看見的星系、恒星和行星僅占宇宙物質(zhì)的15%。剩余的85%則是暗物質(zhì)，它們既不發(fā)出也不吸收任何波長的輻射。
為了了解暗物質(zhì)在宇宙中的分布，“哈勃”和地面上的望遠鏡一起觀測了50萬個星系。當光線在宇宙中傳播的時候，它會穿過所有在其進行路線上的暗物質(zhì)，由此這些暗物質(zhì)也會在它的軌跡上留下特有的印跡。從地球上，你無法看到極其遙遠且暗弱的星系，因為地球大氣會抹掉它們的細節(jié)。這正是“哈勃”發(fā)揮用武之地的地方。
暗物質(zhì)會彎曲光線，使得星系的形狀發(fā)生扭曲，這被稱為引力透鏡效應。通過觀測這一效應，就能推斷出暗物質(zhì)所在的位置。由于暗物質(zhì)充當了宇宙的骨架——可見的星系都是沿著這一骨架而形成和生長的，因此知道暗物質(zhì)的分布是認識宇宙結(jié)構(gòu)的根本。
球狀星團是數(shù)以十萬計的恒星在引力的束縛下所構(gòu)成的一個緊密集合。多年來，天文學家曾經(jīng)一直認為其內(nèi)部的恒星必定非常相似，因為它們都形成于同一片塵埃云。但在2005年，“哈勃”測量了球狀星團NGC 2808內(nèi)恒星的亮度和顏色，卻發(fā)現(xiàn)了3個不同世代的恒星。
球狀星團的年齡可以高達135億年，只比宇宙的年齡小3億年，它們是宇宙學的試金石，也是認識宇宙中恒星形成和化學演化的理想實驗室。在天文學中，恒星的不同世代也被稱為星族，標志著其化學組成、年齡以及在球狀星團中的位置。
“哈勃”的高分辨率圖像使得天文學家可以深入NGC 2808致密的核心區(qū)，對大量的恒星進行測量，這是地面上的望遠鏡所做不到的。“哈勃”在可見光和紫外波段上的觀測能力也使得它可以更容易地發(fā)現(xiàn)不同星族的恒星、追蹤它們的演化路徑。
現(xiàn)在“哈勃”已觀測了超過60個的球狀星團，幾乎已達銀河系中已知球狀星團的半數(shù)。初步結(jié)果顯示，它們都擁有多個星族。
截至2015年2月，在其他恒星的周圍已發(fā)現(xiàn)了1 890顆行星。我們至今還未能拍攝到這些太陽系外行星的動人影像，但“哈勃”卻第一次對它們的大氣進行了探測。
HD 209458-b是一顆距離地球150光年的行星。它到宿主恒星的距離只有640萬千米，因此溫度高達到1 100℃。當它運動到恒星前方的時候，恒星的一部分星光會穿過它的大氣。借由一臺攝譜儀，天文學家可以把這些光打散成不同波長的成分，即光譜。
這里的關(guān)鍵是測量有行星和沒有行星從恒星前方經(jīng)過時的光譜，通過對它們進行比較，就可以發(fā)現(xiàn)當有行星遮擋恒星圓面時所出現(xiàn)的新特征。這要求對這一大氣吸收效應進行測量的平臺極其的穩(wěn)定，有“哈勃”才能做到。
通過這一方法，2001年在太陽系外行星的大氣第一次探測到了鈉元素的跡象。這一方法現(xiàn)在已成為了研究太陽系外行星大氣的標準方法，而“哈勃”也已對數(shù)十顆太陽系外行星進行了類似的觀測。
擁有超新星的星系促成了近年來最廣為被人議論的天文發(fā)現(xiàn)之一。這不僅是宇宙膨脹在加速，更關(guān)乎驅(qū)動這一加速的“暗能量”。
1998年，天文學家公布了超新星的亮度隨時間變化的新數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示，最遙遠超新星所發(fā)出的光比預期的更加暗弱、紅移也更強，意味著它們比天文學家計算的還要更為遙遠。這一結(jié)果直接有悖于此前的觀點，它認為物質(zhì)的引力會使得宇宙的膨脹速度放緩。但新的觀測結(jié)果卻表明，宇宙的膨脹并沒有放緩，而是在加速。
“哈勃”在其中扮演了關(guān)鍵的角色，它為天文學家提供了他們想觀測的3顆超新星的數(shù)據(jù)，為最終的發(fā)現(xiàn)提供了關(guān)鍵的支撐作用。 畢竟，如此不凡的結(jié)果必定需要不凡的證據(jù)，而這一錘定音的證據(jù)便來自“哈勃”。
通過發(fā)現(xiàn)并精確測量另外16顆遠在100億光年之外的超新星，“哈勃”不僅確認了這一加速膨脹，還發(fā)現(xiàn)宇宙的膨脹如預計地那樣在更早的時候確實存在減速。
在宇宙膨脹且物質(zhì)擴散開的時候，要克服引力，必須要有某些東西來提供斥力。這就是暗能量，它占據(jù)了整個宇宙大約75％。哈勃的觀測顯示，我們今天所看到的加速始于約50億年前。
“哈勃”的深場觀測徹底地改變了我們對遙遠的宇宙認識。作為它所拍攝的最著名照片之一，哈勃深場對準的是大熊座中的一小片天區(qū)。它所涵蓋的面積還不到整個天空1/40 000，但“哈勃”卻在其中揭示出了約3 000個星系，為天文學家打開了一扇通往宇宙過去的重要窗口。
曾有人預言，從如此遙遠的天體所發(fā)出的光會嚴重地彌散開，使得其亮度下降到無法被觀測到的程度?！肮钡慕Y(jié)果無疑有力地證明這個預言是錯誤的。通過342次、總時間超過100小時的曝光，“哈勃”所拍攝的這幅影像彰顯了它的威力，揭示出了前所未見的星系的大量細節(jié)和結(jié)構(gòu)。
許多天文學家一開懷疑，把“哈勃”指向天空中的一個地方并進行長時間曝光，能獲得多少有用的信息。但結(jié)果證明，這是非常有效的探測方法。在“哈勃”的觀測能力得到升級之后，哈勃超深場觀測在其深場觀測的基礎(chǔ)上又向前邁進了一步。
今天，天文學家已經(jīng)觀測到了位于宇宙年齡僅5億年處的星系。由此，通過測量星系大小、形狀和顏色隨時間的變化，就能直接給出它們的演化圖譜。在從X射線到射電望遠鏡也加入到對哈勃深場的觀測以來，這些天區(qū)已經(jīng)成為了研究星系演化的風水寶地。它是任何一架望遠鏡有史以來所能做出的最重要的發(fā)現(xiàn)之一！
2009年，宇航員對“哈勃”進行了最后一次維修任務，預計它可以一直工作到2020年左右。之后，“哈勃”最終將會落入地球大氣層燒毀，以一團榮耀之光的形式來結(jié)束其輝煌的使命。
萬眾矚目的詹姆斯·韋布空間望遠鏡計劃于2018年發(fā)射，但它不會直接替代“哈勃”。盡管有著幾乎3倍于“哈勃”的直徑，但“韋布”的分辨率卻與“哈勃”的相當，因為它工作在另一個不同的波長上——紅外波段。這將使得它能觀測到此前無法看到的低溫和多塵天體的驚人細節(jié)，讓天文學家能進一步深入太空并回溯時間。
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