Ray Villard　Shea

從暗能量到外星行星再到黑洞，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡正在幫助天文學(xué)家解開宇宙中最大的奧秘。

從20年前哈勃空間望遠(yuǎn)鏡被放入“發(fā)現(xiàn)”號航天飛機(jī)的貨倉準(zhǔn)備發(fā)射的那一刻起，就注定了宇宙將向世人呈獻(xiàn)出迥然不同的一面。

地面上最強(qiáng)大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡只能看到整個宇宙的一半。用它們估計出的宇宙年齡存在著巨大的差異。在它們眼中，超大質(zhì)量黑洞只是隱藏在罕見劇烈現(xiàn)象背后的黑手。它們也無法告訴我們，在其他恒星的周圍是否存在有行星。

在1990年4月25日被部署入近地軌道之后，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡作為太空中的第一個大型光學(xué)天文臺立馬就做出了一系列的發(fā)現(xiàn)和突破。它也迅速地成為了空間天文學(xué)黃金時代的開路先鋒。

今天，“哈勃”直徑2.4米的反射鏡和高山之巔的直徑8米乃至10米的巨型望遠(yuǎn)鏡比起來似乎微不足道。但是，位于地球大氣層之上給了“哈勃”巨大的優(yōu)勢。它的視力始終要比地面上的望遠(yuǎn)鏡銳利10倍。誠然，能夠改正大氣擾動的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)縮小了這個差距，但“哈勃”的清晰圖像是遍布整個視場的。此外，由于沒有了天空背景，“哈勃”還具有了以高對比度觀測遙遠(yuǎn)天體的非凡能力。

同時，“哈勃”的光學(xué)穩(wěn)定性又保證了它可以以完全相同的分辨能力和數(shù)據(jù)質(zhì)量在不同時間重復(fù)地觀測某個天體。“哈勃”還能夠看到許多不同波長的光輻射，從紫外線一直到近紅外，這賦予了它真正的“全色”視力。

有了這些強(qiáng)大功能的武裝，“哈勃”的驚人發(fā)現(xiàn)貫穿于整個天文學(xué)，改寫了教科書，催生出了超過7000篇的科學(xué)論文，喚起了公眾對宇宙的好奇心。

下面就讓我們?nèi)タ匆幌鹿臻g望遠(yuǎn)鏡的五大最杰出的科學(xué)成就：

一、從較小結(jié)構(gòu)演化而來的星系

1990年，天文學(xué)家只能探測到紅移最高為0.7的正常星系，這個數(shù)值在宇宙中所對應(yīng)的距離相當(dāng)于70億光年，而宇宙是它的兩倍大。多年來天文學(xué)家一直猜想，如果宇宙是從大爆炸的火球冷卻而來的，那么星系必定是演化而來的。地面觀測無法確定哪幾個相互競爭的理論能最好地描述星系在早期宇宙中的形成和演化。

1985年，一個由頂級天文學(xué)家所組成的委員會得出結(jié)論，如果“哈勃”花200個軌道周期的時間來對宇宙進(jìn)行“深度曝光”，那將會是徒勞的。他們假定，從當(dāng)時已知的宇宙外推，遠(yuǎn)距離宇宙的空間幾何會打散正常星系所發(fā)出的光，使它們過于彌散而無法被“哈勃”觀測到。

幸運的是，大自然非常地配合。即便在1993年光學(xué)系統(tǒng)修復(fù)之前，“哈勃”的早期觀測就發(fā)現(xiàn)了打破當(dāng)時紀(jì)錄的紅移為1.5的星系，它所對應(yīng)的距離超過了90億光年。這些星系看上去似乎較現(xiàn)在的更緊湊，因此所發(fā)出的光都集中到一個較小的領(lǐng)域中——得以讓“哈勃”能夠探測到它們。天文學(xué)家注意到了許多形狀怪異的“病態(tài)”星系。而正常星系中由恒星形成產(chǎn)生的亮點則清晰可見。

這些發(fā)現(xiàn)鼓舞了當(dāng)時空間望遠(yuǎn)鏡研究所（STScI）的所長羅伯特·威廉姆斯（Robert Williams）把他的大塊主管觀測時間用來進(jìn)行了一次長達(dá)數(shù)百萬秒的最深曝光。它的極限星等達(dá)到了前所未有的28等——比肉眼所能看到的最暗弱天體還要暗上10億倍。

2002年隨著“哈勃”的高新巡天相機(jī)安裝到位，STScI的下一任所長史蒂夫·貝克威思（Steve Beckwith）又把它向前推進(jìn)了一步，拍攝了哈勃超深空區(qū)（HUDF）照片。這確認(rèn)了天文學(xué)家并非是因為偶然才只看到了緊密天體而錯失了更大的星系。HUDF達(dá)到了29等的極限星等，但仍然只發(fā)現(xiàn)了發(fā)育中的不完整星系。

2009年5月安裝到“哈勃”上的大視場照相機(jī)3最新在近紅外波段上再一次推進(jìn)了這一深度觀測。由此也發(fā)現(xiàn)了紅移高達(dá)9的天體，它們所對應(yīng)的時間相當(dāng)于宇宙誕生之后僅6億年。

就像一幀一幀地來觀看一部電影，哈勃深空巡天揭示出了嬰兒期宇宙中結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)和隨后星系演化的動態(tài)階段。在“哈勃”之前，近距離上的星系碰撞只是有趣的個別現(xiàn)象。但是，這些深空圖像卻顯示，在早期宇宙中星系的碰撞并合是家常便飯的事情。這為宇宙隨著時間在不斷發(fā)生變化提供了令人信服且直觀的證據(jù)。

二、超大質(zhì)量的黑洞遍及星系

當(dāng)“哈勃”發(fā)射時，天文學(xué)家們只在雙星系統(tǒng)中證實了黑洞的存在。在這一系統(tǒng)中一顆恒星爆炸，其核心會坍縮成具有幾個太陽質(zhì)量的黑洞。但是，天文學(xué)家懷疑，質(zhì)量遠(yuǎn)大得多的黑洞必定是更強(qiáng)大的“引力引擎”，驅(qū)動著由近及遠(yuǎn)的一系列超高能現(xiàn)象，例如賽弗特星系、耀變體和類星體。

但是，為了“稱量”黑洞，探測隱藏著的或“不發(fā)光”的物質(zhì)是不是超出了恒星所能達(dá)到的極限，就需要精密的分光觀測。當(dāng)空間望遠(yuǎn)鏡成像光譜儀（STIS）在1997年投入運轉(zhuǎn)時，天文學(xué)家迅速將其對準(zhǔn)了最近的迷你類星體——室女座巨型橢圓星系M87明亮的核心。和更遙遠(yuǎn)的類星體一樣，M87也有一條從它的核心高速射出的噴流，而噴流通常都與黑洞有關(guān)。

“哈勃”測得M87核心的質(zhì)量高達(dá)30億個太陽質(zhì)量。這一結(jié)果完全得益于STIS對M87核心周圍做軌道運動的高溫氣體的測量。這些氣體的速度表明核心處的質(zhì)量要遠(yuǎn)高于僅有恒星聚集所能達(dá)到的程度，證實了黑洞的存在。

1997年對27個近距星系的研究發(fā)現(xiàn)，在它們的中心都存在超大質(zhì)量的黑洞。這使得天文學(xué)家得出結(jié)論，超大質(zhì)量黑洞極為普遍，每個大型星系中都有一個。

更深刻的是，“哈勃”發(fā)現(xiàn)中央黑洞的質(zhì)量和星系中心由恒星所構(gòu)成的核球的質(zhì)量直接相關(guān)：核球的質(zhì)量越大，黑洞的質(zhì)量就越大。這說明有某種未知的反饋機(jī)制將星系的演化和黑洞的生長聯(lián)系了起來。目前，有6種理論試圖來解釋這一現(xiàn)象。但這同時也意味著，沒有人確切知道星系和黑洞的紐帶究竟是什么樣的。

三、暗能量的存在

“哈勃”曾經(jīng)的一個重點項目是確定宇宙正在以多快的速度減速。因為在大爆炸之后引力必然會對空間膨脹施加阻力，這就像在斜面上自下而上運動的一個小球，它的速度最終會減小。

持續(xù)了幾十年的一個問題是，宇宙是否擁有足夠的引力來完全阻止其自身的膨脹?！肮笨梢钥吹竭b遠(yuǎn)的Ia型超新星并準(zhǔn)確測量它們的亮度，這使得天文學(xué)家可以回溯宇宙更久遠(yuǎn)的過去進(jìn)而測量它的膨脹速率。

1998年，美國約翰·霍普金斯大學(xué)、美國空間望遠(yuǎn)鏡研究所的天文學(xué)家亞當(dāng)·里斯（Adam Riess）利用他的團(tuán)隊所收集的超新星巡天數(shù)據(jù)，寫了一個計算機(jī)程序來計算宇宙的減速率。奇怪的是，這個程序不斷給出一個具有負(fù)質(zhì)量的宇宙。起先里斯認(rèn)為這只是一個程序中的錯誤。但后來他意識到，計算機(jī)程序其實是想給出一個“荒謬”的結(jié)論：真空會產(chǎn)生排斥能！

在美國加州，另一個由美國勞倫斯伯克利國家實驗室的索爾·珀爾馬特（Saul Perlmutter）領(lǐng)導(dǎo)的小組也獨立地發(fā)現(xiàn)了類似的宇宙加速膨脹。他的研究小組發(fā)現(xiàn)，遙遠(yuǎn)的超新星比預(yù)期的要更為暗弱。這意味著，和宇宙正在減速或者甚至“滑行”相比，在我們和超新星之間有著更多的空間（距離更大）。因此，宇宙現(xiàn)在必定正在以比早先更快的速度膨脹。

這兩個組偶然間發(fā)現(xiàn)了愛因斯坦所預(yù)言的一個幽靈般的能令宇宙保持靜止的制衡力，被稱為宇宙學(xué)常數(shù)。由于天體物理學(xué)家還不清楚它的行為是否嚴(yán)格地如宇宙學(xué)常數(shù)所述，因此這一現(xiàn)象現(xiàn)在只是被稱為“暗能量”。

“哈勃”后來又觀測到了一顆100億年前的超新星，進(jìn)一步支持了宇宙中有暗能量存在的事實。這顆超新星異常的明亮，說明在很久以前宇宙確實是在減速，但此后宇宙的膨脹便開始了加速并一直持續(xù)到現(xiàn)在。這一轉(zhuǎn)變大約發(fā)生在70億年前。

從那以后，天文學(xué)家們進(jìn)行了更多的觀測期望能更好地確定暗能量的特性，并確認(rèn)它的行為是否真的像愛因斯坦的宇宙學(xué)常數(shù)那樣。天文學(xué)家們就此為下一代望遠(yuǎn)鏡提出了一些新的研究方法，其中包括了觀測更多的超新星以及測量天空中由宇宙大爆炸原初等離子體中的作用力所引發(fā)的重子聲學(xué)振蕩。

四、精確測定宇宙的膨脹速度

由于地質(zhì)學(xué)證據(jù)以及達(dá)爾文的進(jìn)化論，19世紀(jì)后期的科學(xué)家都認(rèn)為地球極為古老。即使是偉大的愛因斯坦也認(rèn)為，宇宙必須是靜態(tài)的，也許因此也是永恒的。然而，按照他的廣義相對論，宇宙卻要么會膨脹，要么會坍縮。

1929年，埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）為宇宙有著一個有限的年齡提供了第一個觀測上的證據(jù)。他發(fā)現(xiàn)，距離越遠(yuǎn)的星系，它離開我們的速度越快，其比值由哈勃常數(shù)給出。這意味著空間在往各個方向上膨脹。事實上，這里經(jīng)常所提到的觀測到的光線紅移并不是星系退行的速度所造成的，即并非是多普勒效應(yīng)，而是空間本身的膨脹拉伸光的波長的結(jié)果。

通過精確地測定宇宙膨脹的速度，科學(xué)家就可以倒轉(zhuǎn)宇宙時鐘，計算出宇宙的年齡。但是，由此估計出的宇宙年齡的精度會受制于精度較低的距離測量結(jié)果。而哈勃常數(shù)的精確值則是校準(zhǔn)其他宇宙參數(shù)的關(guān)鍵。

由于空間望遠(yuǎn)鏡可以比地面上的望遠(yuǎn)鏡分辨出更多、更遠(yuǎn)的造父變星——一類可用做近距宇宙中距離標(biāo)尺的恒星，因此精確測定哈勃常數(shù)成為了“哈勃”早期的重點項目。

在“哈勃”發(fā)射時，宇宙膨脹的速度存在著巨大的不確定性。哈勃常數(shù)的預(yù)估范圍在50千米/秒/百萬秒差距到100千米/秒/百萬秒差距之間。這意味著，宇宙的年齡可以年輕到只有80億年或者老到160億年。

1994年，“哈勃”河外距離尺度重點項目的溫迪·弗里德曼（Wendy Freedman）宣布他們測得的哈勃常數(shù)值為80千米/秒/百萬秒差距，這意味著一個相對較年輕的宇宙。但令人費解的是，由此得出的宇宙年齡在80億年至120億年間，比最古老的恒星年齡還要小。這看起來似乎是恒星演化模型還存在問題。

到20世紀(jì)90年代后期，哈勃常數(shù)的值已經(jīng)精確到了只有大約10%的誤差。2009年，亞當(dāng)·里斯及其合作者使用了遙遠(yuǎn)星系中的造父變星來細(xì)化和完善了宇宙的“距離階梯”。這使得天文學(xué)家能夠精確把宇宙膨脹的速度定在74.3千米/秒/百萬秒差距，其不確定性不超過5%。

回想起來，這幾乎是預(yù)料之中的，天文學(xué)家最終確定的值恰好在先前50千米/秒/百萬秒差距和100千米/秒/百萬秒差距的正中間?？紤]到暗能量的作用，由此得出的宇宙年齡為137億年——足以能容納宇宙中測量到的最古老的恒星。

五、采樣太陽系外行星的大氣

直到“哈勃”發(fā)射升空5年之后，天文學(xué)家才在另一顆普通恒星的周圍發(fā)現(xiàn)了第一顆太陽系外行星。對于當(dāng)時的地面望遠(yuǎn)鏡而言，外星行星過于暗弱無法被直接觀測到，但它們會造成其宿主恒星規(guī)律地擺動，由此泄露了天機(jī)。這一現(xiàn)象唯一能提供的信息就是外星行星的軌道周期以及它的粗略質(zhì)量。

然而，到了90年代后期，天文學(xué)家已經(jīng)可以觀測到太陽系外行星的凌星（從其宿主恒星前方通過）。由于可以在其宿主恒星的映襯下來觀測外星行星，這為探測它們的特性提供了可能。天文學(xué)家很快就把“哈勃”的獨特能力用到了它們身上。

“哈勃”對太陽系外行星的大氣進(jìn)行了首次測量。在這一具有里程碑意義的觀測中，美國哈佛大學(xué)的戴維·夏博諾（David Charbonneau）對穿過外星行星大氣的宿主恒星星光進(jìn)行了分光觀測，發(fā)現(xiàn)外星行星HD 209458b的大氣中存在鈉。

在后續(xù)的觀測中，“哈勃”還發(fā)現(xiàn)了凌星行星大氣中的二氧化碳、氧和水蒸氣。熱類木星無疑是沒有生命的，但“哈勃”能對其大氣進(jìn)行分析證明了將這一方法用于外星類地行星大氣來尋找生命示蹤物質(zhì)的可行性。

盡管取得了這些進(jìn)展，但對外星行星直接成像仍十分困難，甚至對于“哈勃”也是如此。直到2008年，“哈勃”才第一次在可見光波段下拍攝到了圍繞北落師門的一顆年輕氣態(tài)巨行星。

六、接下來是什么

多虧了航天飛機(jī)計劃和宇航員團(tuán)隊，“哈勃”的照相機(jī)已經(jīng)升級到最先進(jìn)的程度。如今的“哈勃”和1990年發(fā)射時相比強(qiáng)大了100倍。

一些重點項目仍然期望能從“哈勃”身上獲得最大的科學(xué)回報。其中一個就是通過測量25個巨型星系團(tuán)的引力透鏡來研究宇宙中暗物質(zhì)的分布?！肮边€將拍攝250000個遙遠(yuǎn)星系的深度照片。另一個雄心勃勃的計劃則是對位于鄰近仙女座星系（M31）某一個象限中的恒星和星云拍攝一張巨大的彩色拼接照片。

因此，“哈勃”的好戲還在后頭。（來源：科學(xué)松鼠會）