□ 編譯 / 謝 懿

“哈勃”25年：10大科學(xué)發(fā)現(xiàn)

□ 編譯 / 謝 懿

2 5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(yuǎn)鏡——發(fā)射升空。1990年，“發(fā)現(xiàn)”號航天飛機(jī)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(xué)家打開了一扇通向宇宙的前所未有的窗口。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡已瞭望宇宙四分之一個世紀(jì)。那么，從它所拍攝的震撼照片中，科學(xué)家們究竟做出了哪些最令人難以置信的發(fā)現(xiàn)呢？下面列出了其中的10個。

γ射線暴成因

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，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，它們在幾秒鐘內(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(dāng)。

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(dāng)“哈勃”對其進(jìn)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(rèn)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(yuǎn)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。

行星遭撞擊

1 994年7月1 6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(yuǎn)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(jìn)行觀測的望遠(yuǎn)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(jìn)行了監(jiān)測。

原行星盤

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(xué)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(yuǎn)鏡此前已觀測到了這些天體，但一開始認(rèn)為它們是恒星。早在1 8世紀(jì)就有觀點認(rèn)為它們是圍繞恒星的物質(zhì)盤，但直到20世紀(jì)80年代末，當(dāng)天文學(xué)家探測出其分子組成之后才得到確認(rèn)。

“哈勃”則給出了突破性的進(jìn)展，首次直接拍攝到了獵戶星云中大量原行星盤的圖像。

宇宙年齡

在“哈勃”發(fā)射之前，就宇宙年齡是1 00億年還是200億年有著激烈的爭論。為了平息爭論，天文學(xué)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(zhǔn)確的方法。

“哈勃”的高分辨率使得天文學(xué)家在24個近距星系中發(fā)現(xiàn)了800多顆造父變星。“哈勃”的這些測量，幫助天文學(xué)家確定宇宙年齡為1 38億年。

通過對旋渦星系N G C 3021中造父變星以及超新星的觀測，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡正在以更高的精度測定哈勃常數(shù)和宇宙的年齡。版權(quán)：N A S A/E S A/A. R i ess (STScI)。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的觀測顯示在大質(zhì)量星系的中心一般都存在一個超大質(zhì)量黑洞，后者往往還會射出噴流。版權(quán)：N ASA/The H ubbl e H eri t age Team (STScI/AU R A)。

超大質(zhì)量黑洞

要找到黑洞是很難的一件事情。它們的引力是如此之強(qiáng)，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(jì)90年代初，天文學(xué)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(dāng)，但它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。

暗物質(zhì)

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1 5%。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(yuǎn)鏡一起觀測了50萬個星系。當(dāng)光線在宇宙中傳播的時候，它會穿過所有在其進(jìn)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(yuǎn)且暗弱的星系，因為地球大氣會抹掉它們的細(xì)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(yīng)。通過觀測這一效應(yīng)，就能推斷出暗物質(zhì)所在的位置。由于暗物質(zhì)充當(dāng)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(rèn)識宇宙結(jié)構(gòu)的根本。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡對子彈星系團(tuán)的觀測為暗物質(zhì)的特性提供了重要的線索。版權(quán)：N A S A/ ESA/C XC/M. Bradac (U C SB)/S. Al l en (St anf ord U ni v.)。

恒星世代

球狀星團(tuán)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(xué)家曾經(jīng)一直認(rèn)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(tuán)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(tuán)的年齡可以高達(dá)135億年，只比宇宙的年齡小3億年，它們是宇宙學(xué)的試金石，也是認(rèn)識宇宙中恒星形成和化學(xué)演化的理想實驗室。在天文學(xué)中，恒星的不同世代也被稱為星族，標(biāo)志著其化學(xué)組成、年齡以及在球狀星團(tuán)中的位置。

“哈勃”的高分辨率圖像使得天文學(xué)家可以深入NGC 2808致密的核心區(qū)，對大量的恒星進(jìn)行測量，這是地面上的望遠(yuǎn)鏡所做不到的?！肮痹诳梢姽夂妥贤獠ǘ紊系挠^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個球狀星團(tuán)，幾乎已達(dá)銀河系中已知球狀星團(tuán)的半數(shù)。初步結(jié)果顯示，它們都擁有多個星族。

太陽系外行星大氣

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(jìn)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(dá)1 1 00℃。當(dāng)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(xué)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(jìn)行比較，就可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)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(yīng)進(jìn)行測量的平臺極其穩(wěn)定，只有“哈勃”才能做到。

通過這一方法，2001年在太陽系外行星的大氣中，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(biāo)準(zhǔn)方法，而“哈勃”也已對數(shù)十顆太陽系外行星進(jìn)行了類似的觀測。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡在太陽系外行星H D 189733b的大氣中探測到水蒸氣和甲烷的藝術(shù)概念圖。版權(quán)：N A S A/E S A/G. Bacon (STScI)。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡對遙遠(yuǎn)宇宙中超新星的觀測確認(rèn)了宇宙的膨脹在加速。版權(quán)：N ASA/ESA/A. R i ess (STScI)。

宇宙加速膨脹

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(xué)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(yuǎn)超新星所發(fā)出的光比預(yù)期的更加暗弱、紅移也更強(qiáng)，意味著它們比天文學(xué)家計算的還要更為遙遠(yuǎn)。這一結(jié)果直接有悖于此前的觀點，它認(rèn)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(xué)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(yuǎn)在100億光年之外的超新星，“哈勃”不僅確認(rèn)了這一加速膨脹，還發(fā)現(xiàn)宇宙的膨脹如預(yù)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(kuò)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。

星系演化

“哈勃”的深場觀測徹底地改變了我們對遙遠(yuǎn)宇宙的認(rèn)識。作為它所拍攝的最著名照片之一，哈勃深場對準(zhǔn)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的1/40000，但“哈勃”卻在其中揭示出了約3000個星系，為天文學(xué)家打開了一扇通往宇宙過去的重要窗口。

曾有人預(yù)言，從如此遙遠(yuǎn)的天體所發(fā)出的光會嚴(yán)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(yù)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(xì)節(jié)和結(jié)構(gòu)。

許多天文學(xué)家一開始懷疑，把“哈勃”指向天空中的一個地方并進(jìn)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(jìn)了一步。

今天，天文學(xué)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(yuǎn)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(fēng)水寶地。它是任何一架望遠(yuǎn)鏡有史以來所能做出的最重要的發(fā)現(xiàn)之一！

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的深場觀測揭示了星系隨宇宙時間的演化。版權(quán)：N ASA/ESA/G. I l l i ngw ort h (U C O/Li ck O bs. & U C SC)/R. Bouw ens (U C O/Li ck O bs. & Lei den U ni v.)/H U D F09 Team。

超越哈勃

2009年，宇航員對“哈勃”進(jìn)行了最后一次維修任務(wù)，預(yù)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(tuán)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(yuǎn)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(dāng)，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(xì)節(jié)，讓天文學(xué)家能進(jìn)一步深入太空并回溯時間。

（責(zé)任編輯 張長喜）