□ 李珊珊

看向宇宙深處

□ 李珊珊

HUDF 2014

6月3日，NASA發(fā)布了2014年度的哈勃極深場圖片（Hubble Ultra Deep Field 2014，HUDF 2014）。這張圖片是由哈勃先進(jìn)巡天照相機(jī)(Advanced Camera for Surveys，ACS)，和第三代廣域照相機(jī)(Wide Field Camera 3，WFC3)拍攝的多張極深場圖復(fù)合而成的。

此前，哈勃極深場圖片只包括了可見光和近紅外波段的信息，而這張深場圖增加了極紫外波段的數(shù)據(jù)。至此，天文學(xué)家綜合了哈勃望遠(yuǎn)鏡能提供的，從極紫外到近紅外，全部波段的光信息，并將深場圖捕捉到的宇宙時(shí)間，推進(jìn)到了大爆炸之后的幾億年里。

HUDF2014所展示的天區(qū)仍為赤經(jīng)3h32m38.5s，赤緯-27°47' 00"。其中包含從2002年7月到2012年9月這十年間的多次巡天數(shù)據(jù)結(jié)果。累計(jì)曝光時(shí)間達(dá)到了600個(gè)小時(shí)。

第三代廣域相機(jī)發(fā)射前的準(zhǔn)備

增加極紫外光譜的意義

之前的哈勃極深場圖不包含紫外波段的光譜數(shù)據(jù)，這一部分信息的缺失，使得天文學(xué)家對(duì)深空星系和星系演化的研究較為困難。研究距離地球較近的星系，可以使用NASA的星系演化探測器（NASA's Galaxy Evolution Explorer observatory，GALEX）從2003年到2013年十年間采集的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)完整詳實(shí)，可以支持完整的較近恒星演化理論。

但是針對(duì)深空星系中，早期恒星起源的研究，只能依靠之前極深場圖片中，近紅外波段和可見光波段的信息。這些信息對(duì)應(yīng)的，是星系的最初始階段。因?yàn)楣庾V偏移到可見光乃至近紅外波段，需要極其長的時(shí)間。所以，根據(jù)這些數(shù)據(jù)得到的研究并不全面，只能研究早期星系中的恒星形成。

然而那些誕生時(shí)間不夠早的恒星，他們的光譜可能落在了紫外，乃至極紫外波段。這一時(shí)間段，也是宇宙中大部分恒星誕生的時(shí)間，科學(xué)家一直因?yàn)闆]有足夠的數(shù)據(jù)而無法進(jìn)行詳實(shí)研究。

極紫外波段的光線來自于最炙熱、巨大和年輕的恒星。對(duì)這一波段的觀測研究，可以直接聚焦在有恒星正在形成的星系，或者是星系中的恒星形成區(qū)域。而極紫外光波段信息的補(bǔ)充，也讓科學(xué)家有機(jī)會(huì)通過研究恒星形成，來研究星系的尺寸增長。

此外，因?yàn)榈厍虼髿鈱訒?huì)過濾掉大部分的極紫外波段光線，所以哈勃空間望遠(yuǎn)鏡從宇宙中拍攝到的這一部分信息對(duì)于科學(xué)家來講非常重要。

哈勃極深場2014

歷史鏈接：HUDF 2012

HUDF2012中找到可靠的遙遠(yuǎn)星系樣本

2012年12月，來自加州理工的Richard Ellis領(lǐng)導(dǎo)的天文學(xué)家，發(fā)布了他們使用哈勃望遠(yuǎn)鏡的第三代廣域照相機(jī)進(jìn)行的2012年的極深場巡天(UDF12)工作成果。這一次拍照從2012年的八月持續(xù)至九月份，共計(jì)六個(gè)星期。UDF12小組公布的這一數(shù)據(jù)展示的是此前UDF拍攝結(jié)果更早期宇宙，星系形成之初的景象，大約能追溯到130億年前。

這一次UDF12巡天工作所使用的仍然是近紅外數(shù)據(jù)，只是拍照深度較之之前幾次的UDF拍攝更深更遠(yuǎn)。19個(gè)基于哈勃望遠(yuǎn)鏡的研究項(xiàng)目參與了這次的巡天工作。Ellis提到他們這一次工作的兩點(diǎn)：第一，讓哈勃望遠(yuǎn)鏡的曝光時(shí)間更長，增加了可觀測到的宇宙深度。這對(duì)他們研究早期宇宙的歷史是必要的。第二，使用哈勃望遠(yuǎn)鏡上可供使用的更多濾光片，更有效更精確地確定星系距離。

基于這樣的目標(biāo)，小組成員研究了遠(yuǎn)距離星系的光譜特點(diǎn)，然后精心挑選了一套在近紅外波段的濾光片（F105W , F125W, F140W , 和F160W）。根據(jù)小組成員，來自蘇格蘭愛丁堡大學(xué)天文研究所的James Dunlop介紹，UDF12添加了一個(gè)新的濾光片，并在使用其他濾光片時(shí)延長了曝光時(shí)間。這樣可以更有效地排除某些照片上的星系是前景物體的可能性。事實(shí)上，UDF還疊加了來自先進(jìn)巡天相機(jī)的拍攝結(jié)果。這個(gè)結(jié)果是經(jīng)過哈勃望遠(yuǎn)鏡沿軌道繞轉(zhuǎn)128周持續(xù)曝光得來的。

在最終的圖片復(fù)合過程中，F(xiàn)105W對(duì)應(yīng)藍(lán)色，F(xiàn)125W對(duì)應(yīng)綠色，F(xiàn)140W和F160W對(duì)應(yīng)紅色。

歷史鏈接:HUDF

2003年9月24日，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡將其上的先進(jìn)巡天照相機(jī)對(duì)準(zhǔn)了赤經(jīng)3h32m40.0s，赤緯-27°48' 00"，位于南半球天爐座的一小片區(qū)域。拍攝范圍的邊長大約2.4角分，對(duì)角線約為3.4角分?？茖W(xué)家讓先進(jìn)巡天照相機(jī)和近紅外相機(jī)進(jìn)行了筆束巡天，深入宇宙的最深處，拍攝大爆炸之后，宇宙形成之初的畫面。

第一張哈勃極深場圖片，由空間望遠(yuǎn)鏡研究所（Space Telescope Science Institute, STScI）的天文學(xué)家于2004年3月9日發(fā)布。它是人類有史以來拍攝的最深的可見宇宙照片。為了制作這張完整的深場圖片，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡繞地球公轉(zhuǎn)400圈，其上的巡天相機(jī)共曝光800次，平均每次21分鐘，累積曝光100多萬秒；近紅外線照相機(jī)和多目標(biāo)分光儀（Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer）累積曝光時(shí)間4.5天。圖片中包含了約一萬個(gè)星系。

哈勃極深場圖的科學(xué)成果

宇宙極深場項(xiàng)目的觀測拍攝工作，不但給全世界的天文愛好者帶來了美麗壯觀的星空?qǐng)D片，也為天文學(xué)家提供前所未有的觀測數(shù)據(jù)，并取得了大量的科研成果。

比如對(duì)圖片中數(shù)量豐富的星系的研究表明，大爆炸宇宙誕生后十億年內(nèi)，在星系形成的最初階段，恒星的誕生速率很高。此外，這些數(shù)據(jù)也為更好的研究星系數(shù)量、大小和光度在不同時(shí)期的分布提供了依據(jù)，有助于星系演化的研究。

而被認(rèn)為是哈勃最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一的，就是根據(jù)極深場拍攝確認(rèn)了距離越遠(yuǎn)的星系越小，對(duì)稱程度越低?？茖W(xué)家研究早期星系，認(rèn)為星系在大爆炸之后的幾十億年中，經(jīng)歷了較為劇烈快速的演化過程。深空?qǐng)D顯示的宇宙區(qū)域和星系密度相對(duì)我們附近的星系要高得多，而大量星系仍不完整，其中還有星系的相互碰撞現(xiàn)象。

HUDF所觀測到星系的形成時(shí)間

HUDF指向天區(qū)說明

哈勃每一次發(fā)布極深場圖，都將深度再往前推進(jìn)，所觀看到的宇宙年齡也更年輕。每一次的觀測，就好像在追溯宇宙誕生的歷史。一張張圖片，一點(diǎn)點(diǎn)接近更早更原始的狀態(tài)，將大爆炸之后星系誕生初期的奇景，帶到人們眼前。

（責(zé)任編輯 蘇晨）