吳青

1990年發(fā)射的哈勃空間望遠鏡，在過去30年里讓我們對太陽系、太陽系外的世界和宇宙都有了新認識。

太陽系

哈勃改變了我們認識行星的方式，與其他空間探測器一起讓我們聚焦太陽系。

地球是太陽系中的一員，太陽系應該是我們對地球所在宇宙角落中最熟悉的區(qū)域。然而，當哈勃空間望遠鏡（以下簡稱哈勃）在1990年升空時，科學家對太陽系的認識依然非常有限。用地面望遠鏡仰望蒼穹，不斷變幻的地球大氣層會模糊我們對太陽系行星的視線。而在洶涌的氣流之上，哈勃卻能清晰觀測這些世界，這樣的觀測迄今已持續(xù)30年。

如此長的任務時間是哈勃的最大財富之一。哈勃揭示了地球的姊妹行星在環(huán)繞太陽過程中不斷變化的天氣和氣候模式。通過執(zhí)行“外行星大氣層遺產”（簡稱OPAL）計劃，哈勃科學團隊從哈勃的漫長任務期中受益匪淺。每隔幾個月，OPAL就指令哈勃對準木星、土星、天王星和海王星，以觀測它們的變化。科學家由此得知：木星上的大紅斑（一場巨型風暴）實際上隨著時間推移而在縮小、變色;不僅木星上有新風暴出現和舊風暴消失，而且其他外行星上也有這種情況發(fā)生。通過長長的任務期和圖像的清晰度，哈勃讓科學家得以研究太陽系行星的變化本質。

任務支持

這些年來，哈勃并不是觀測太陽系行星的唯一空間探測器。自哈勃發(fā)射以來，已有數十艘空間探測器被送去探索太陽系，而哈勃經常被征召來提供急需的背景情況。當卡西尼號探測器在2004年到達土星時，它每次只能觀測土星的一小部分。哈勃卻能觀測土星全球。雖然哈勃的觀測精度要低得多，但它能追蹤行星風暴和極光活動，從而有助于科學家理解卡西尼號發(fā)回的數據。與這些探測器單獨運作相比，哈勃提供的幫助大大增加了這些探測任務的科學回報。

火星是哈勃的另一大目標。哈勃與火星表面上及環(huán)繞火星的一系列探測器協同運作。哈勃幫助追蹤每個火星年的火星全球巨型沙塵暴。實地探測器記錄火星局部溫度和氣壓等的變化，哈勃則讓科學家能評估火星沙塵暴的全面進展情況。哈勃并非是在其他探測任務期間才提供支持。對于過去30年來的每一次行星探測任務來說，哈勃一直被用來為尚未抵達目的地行星的探測器探路。例如，新地平線號探測器在2015年飛過了冥王星系統(tǒng)，而在此之前哈勃被用來幫助策劃這次任務。哈勃的觀測結果幫助科學家確定了新地平線號的飛行線路，讓這艘探測器得以安全抵達冥王星。

天空之眼

在新地平線號接近冥王星之前，運作團隊擔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天體。于是，他們利用哈勃來尋找潛在危險。正是在這場戰(zhàn)役中，哈勃發(fā)現了冥王星的兩顆衛(wèi)星，從而讓新地平線號得以避開了它們。

哈勃還提供了其他許多行星探測器缺乏的一種視野——哈勃能進行紅外和紫外觀測。對于前往木星的朱諾號探測器來說，哈勃對木星這顆氣態(tài)巨行星磁場的觀測很重要。哈勃能記錄木星磁場產生的高能紫外極光，朱諾號搭載的儀器則不能。通過哈勃和朱諾號的聯袂探測，科學家才對木星有了比之前完整得多的了解，尤其是對更復雜的木星磁場細節(jié)有了充分認識。

科學家還利用哈勃來研究一些行星的衛(wèi)星，并獲得了一些出乎預料的結果。例如，當哈勃觀測木星的一些衛(wèi)星（木衛(wèi)）時，科學家發(fā)現了加尼美得（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，哈勃幫助確認了這些木衛(wèi)表面也有水。當時，哈勃發(fā)現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)現是太陽系在不經意間吐露的。

星際訪客

哈勃最著名的探測結果之一出現在它任務生涯的早期。1994年，舒梅克一列維9彗星撞擊木星。當之前對此完全沒有預計的科學家終于意識到即將發(fā)生這場撞擊后，他們立即呼吁哈勃團隊確保哈勃觀測它。哈勃發(fā)回的撞擊系列照片讓科學家豁然頓晤：太陽系竟然如此動蕩——有可能被呼嘯而過的其他天體撞擊的行星是多么脆弱！

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

哈勃自1990年升空至今，已經刷新了科學家對太陽系的認識。哈勃作為一種重要工具一直在幫助我們破譯太陽系奧秘，但太陽系至今仍然潛藏諸多未解之謎。只要哈勃還有一口氣，它就會幫助科學家盡力揭開太陽系的神秘面紗。

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驚人，而且它們向科學家訴說恒星的生命故事。

這個故事在哈勃于30年前升空后很快就開始了。當時，哈勃首次把目光對準遍布銀河系的塵埃云當中的一部分?？茖W家相信這些地方是恒星產房，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”內新恒星開始形成。

在哈勃拍攝的許多星云照片上都可見這樣的柱狀結構。來自大量新生恒星的勁風在剩下的氣團中雕刻出這些柱狀結構。通過研究這些云團的形態(tài)，科學家能拆解出恒星生命重要的早期階段?？茖W家是通過觀測過去20年中這些云團的變化等手段來實現拆解的。2015年，一張相同場景的新照片顯示，其中一個云團中的一條射流長高了幾乎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，當哈勃近觀獵戶座星云中一些新生恒星時，它發(fā)現它們當中不少有旋轉的塵埃盤，這是恒星進入生命新篇童并形成行星的跡象。隨著一顆恒星生長，它經常會形成環(huán)繞它的原行星盤。盤中物質隨著時間聚集成團，最終形成行星系統(tǒng)。

觀測奇異世界

正在迅速發(fā)展的天文學研究領域之一是系外行星，即太陽系之外的行星。研究原行星盤是了解系外行星的重要步驟之一?？茖W家在當初設計哈勃時根本沒想到用它研究系外行星，甚至當時科學家都不知道系外行星的存在。

從第一批系外行星于20世紀90年代被發(fā)現至今，科學家已經發(fā)現了超過4000顆系外行星，而且這個數字每天都被刷新。追蹤這些行星需要長時間觀察天空中大片區(qū)域，這不是哈勃的長項，因為哈勃的視角窄，單次觀測時間短（哈勃的任務繁多）。但哈勃能對通過其他觀測發(fā)現的系外行星進行深度觀測。

哈勃具有領先性的貢獻是分析系外行星的大氣成分。通過觀測在母恒星正前方經過的系外行星，哈勃就能做到這一點。在此期間，來自母恒星的光線會穿透行星大氣層，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。通過分解光線，科學家能探察到行星大氣層內部的多種重要元素和分子。哈勃擅長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，科學家渴望確定有多少系外行星像地球一樣潮濕，以此評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大，它甚至能描述行星表面的基本天氣模式。當觀測被潮汐力鎖定的系外行星WASP-43b（它的一個半面總是朝向母恒星）時，哈勃能辨識被恒星永久照亮的這個行星半面上的暗色區(qū)域。由此，科學家能預測行星上的風怎樣在光明半面和黑暗半面之間移動。

但正如哈勃能揭示恒星和行星起源，它也能翻開它們生命的最后篇章。當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。哈勃不僅能探測到這種爆發(fā)，而且能觀測爆發(fā)后的余波。

探索超新星

在整個生命期中，恒星把產生于宇宙大爆炸中的氫轉變成氦和其他較重的元素。恒星在變成超新星時會向外甩出這些元素。隨著極高熱氣云墜入周圍介質中，會產生向前推進的沖擊波。超新星變成的極高熱小恒星——白矮星自內向外照亮氣云。因為從地球上看去這些氣泡模模糊糊呈球狀，所以科學家起初把它們誤認為是行星而稱之為“行星狀星云”，但實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，哈勃目睹這場爆發(fā)所產生的氣體環(huán)向外蔓延、膨脹進入星際介質（充盈恒星之間空間的氣體）。

隨著時間推移，由這些沖擊波產生的渦流導致星際介質聚集。聚集成的新云團中富含死亡恒星甩進宇宙的所有元素。接著，新云團形成恒星產房，讓有關恒星生命的宇宙故事重回開頭。

銀河系是一個活躍之地，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提供燃料。要觀察這一無比驚人過程中的每一個步驟，哈勃都是最重要的工具。

時間視角

哈勃幫助我們窺探亙古，并且證明了宇宙生長速度越來越快。

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

通過比較遙遠星系和在時空上距離我們近的星系，科學家看出兩者有很大差異。有科學家認為，哈勃最大的貢獻就是一直在提醒我們：宇宙隨著時間改變。哈勃這一能力的最好體現是在它的深場照片。哈勃的第一批深場照片拍攝于1995年，當時哈勃對空中一個明顯的黑斑進行了一次100小時長曝光。那時候，一些科學家認為拍攝這張照片完全是對哈勃寶貴時間的浪費。但他們錯了。這張照片中包含幾乎3000個星系，其中一些的時間要回溯到第一批恒星形成時期。這些星系比今天的星系小，而且更不規(guī)則。這就證明星系會隨時間改變。

超新星線索

哈勃的敏銳視覺能辨識這些遙遠星系，而且哈勃很有助于科學家精確算出這些遙遠星系究竟有多遠。具體而言，哈勃對Ia類型超新星的觀測結果被科學家用來計算遙遠星系與我們的距離。Ia超新星總是以相同亮度爆發(fā)，因此，通過測量從地球上看去這些超新星的視亮度，科學家就能知道它們和它們所在星系與我們的距離。

對這些距離的計算是哈勃主要科學目標之一的重要組成部分，這個目標就是測量宇宙膨脹速度。自從大天文學家哈勃在百年前的觀測首次證明星系在后退以來，科學家已經知道宇宙在膨脹，空間看來一直在延伸。但測量宇宙的實際膨脹速度很難，因為這需要精確的距離測量。哈勃幫助科學家進行越來越準確的距離測量，讓科學家意識到宇宙的膨脹實際上在加速。這也是哈勃最大的貢獻之一。

當兩個獨立團隊在1998年發(fā)現這一膨脹時，科學家們很驚訝。他們一直以為大爆炸之后宇宙的膨脹會減速，或者會停留在一個穩(wěn)定的膨脹速度。如果宇宙膨脹真的在加速，那么問題就來了：是什么在加速宇宙膨脹？

科學家對這個問題的答案依然不明朗，但在天體物理學中有一個熱門話題——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，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?？茖W家還相信，暗物質滲透整個宇宙，在星系之間和恒星之間延伸。

黑暗之謎

暗物質與光線之間的作用機制與正常物質的不同，因而一般的望遠鏡看不見暗物質。但暗物質通過引力與可見宇宙相互作用，這意味著哈勃能曝光“本不可見”的暗物質。

事實上，任何類型的質量都會扭曲時空。如果集合質量很大，那么這種扭曲所產生的現象就會明顯得足以被觀測到。這種效應被稱為引力透鏡，即來自一個遙遠星系的光線會被一個巨大天體的引力扭曲。然而，這個過程并不完美：到這種光線到達地球時，光線已被嚴重扭曲。哈勃被用于觀測星系團，以探測由扭曲光線所形成的弧。通過檢驗星系團的引力透鏡作用，科學家能知道這些星系團中的物質分布情況。這些物質中的大部分是暗物質。通過觀測這些星系被扭曲的程度，科學家就能繪制暗物質在整個宇宙中的分布圖。

發(fā)現黑洞

哈勃幫助科學家“看見”的另一種看似不可見的天體是超大質量黑洞。這些致密天體的質量都比太陽的大好幾十億倍?？茖W家相信大多數星系中心都有黑洞。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是對一類遙遠星系——類星體的射電觀測。類星體包含大小相當于整個太陽系的多個天體，而且類星體的亮度超過宇宙中任何其他天體。哈勃確定這些射電輻射來自星系中心，很可能來自在環(huán)繞一個巨型黑洞過程中被強烈加熱的極高溫氣體。

1997年，哈勃上安裝了“空間望遠鏡成像光譜儀”。這臺儀器擅長觀測靠近星系中心的區(qū)域，能辨識在靠近黑洞的軌道中被俘獲而以極高速運動的恒星。哈勃很快就發(fā)現了這樣的恒星，從而確鑿地證明了超大質量黑洞的存在。

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