[科普中國]-迄今最詳細(xì)宇宙照片“哈勃遺產(chǎn)場”公布，可追溯133億年前星系

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡是天文史上最重要的儀器之一。自1990年發(fā)射升空之后，幫助天文學(xué)家們解決了許多天文學(xué)上的基本問題，其超深空視場是天文學(xué)家目前能獲得的最深入、也是最敏銳的太空光學(xué)影像。近日，科學(xué)家們根據(jù)其歷史數(shù)據(jù)，公布了迄今最詳細(xì)的宇宙照片——“哈勃遺產(chǎn)場”。這一照片由7500張圖像拼接形成，記錄了哈勃太空望遠(yuǎn)鏡16年的觀測資料。在這張照片中，可追溯到133億年前至今的26.5萬個星系。哈勃是怎么做到這一切的呢？100億美元經(jīng)費(fèi)投資我們知道，科學(xué)研究有時候是一個相當(dāng)燒錢的事業(yè)。當(dāng)然燒得錢越多，所取得的成果也可能越震撼。哈勃之所以能拍攝出最詳細(xì)的宇宙照片，這與它得到的經(jīng)費(fèi)有很大關(guān)系。1978年，美國國會撥款3600萬美元籌建哈勃天文望遠(yuǎn)鏡——以天文學(xué)家哈勃的名字命名，他在幾十年前發(fā)現(xiàn)了宇宙在膨脹，這是宇宙學(xué)上最重要的發(fā)現(xiàn)之一。制造哈勃望遠(yuǎn)鏡花了很多年，因?yàn)榧夹g(shù)難度很大，所以項(xiàng)目一直延期，到1986年，已經(jīng)花費(fèi)11.75億美元，等到1990年發(fā)射，預(yù)算已達(dá)47億美元。在此之后，從1993年到2005年，“奮進(jìn)”號、“發(fā)現(xiàn)”號、“哥倫比亞”號、“亞特蘭蒂斯”號航天飛機(jī)先后發(fā)射，宇航員對哈勃進(jìn)行了5次大規(guī)模維修，不僅修正了鏡片缺陷，還做了大量核心器件的維護(hù)更新。到目前為止，加上分擔(dān)航天飛機(jī)的發(fā)射費(fèi)用，花在哈勃天文望遠(yuǎn)鏡的總費(fèi)用已經(jīng)超過100億美元。這是一個天文數(shù)字。當(dāng)然，經(jīng)過多次維修，哈勃連續(xù)工作了29年，發(fā)回了很多精美的宇宙照片，而且?guī)椭茖W(xué)家研究了宇宙膨脹的細(xì)節(jié)，所以也算是“物有所值”。但是，目前美國所有的航天飛機(jī)都已經(jīng)退役，已經(jīng)不可能再對哈勃天文望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行維修。因此，飽經(jīng)滄桑的哈勃望遠(yuǎn)鏡只能退休了。這次拍攝的宇宙圖片，被叫做“哈勃遺產(chǎn)場”。所謂“遺產(chǎn)”，就是說這可能是哈勃退役之前留下的最后的作品了。值得欣慰的是，再過一段時間，美國更先進(jìn)的詹姆斯·韋伯天文望遠(yuǎn)鏡就要發(fā)射升空，去接哈勃的班。詹姆斯·韋伯是美國航空航天局的前任局長，曾經(jīng)主導(dǎo)過阿波羅登月等航天計(jì)劃，所以新的天文望遠(yuǎn)鏡以他的名字命名。2.4米口徑的巨大鏡頭哈勃運(yùn)行于大氣層之上的地球軌道，視野不受大氣層干擾，使得其角分辨率（物體能被清楚分辨的最小分離角度）的極限僅受限于衍射（直接和波長、鏡頭口徑相關(guān)）。哈勃天文望遠(yuǎn)鏡主要覆蓋的波長范圍在可見光附近，包括一定的近紅外與紫外光。它的基本觀測原理與我們?nèi)粘Ｓ玫恼障鄼C(jī)或者手機(jī)攝像頭是完全類似的。對照相機(jī)來說，分辨率與鏡頭口徑有關(guān)系，鏡頭口徑越大，角分辨率越高（最小分辨角越?。?。同時，分辨率也與拍攝的光的波長成正比，波長越長，最小分辨角就越大（分辨率越低）。因?yàn)楣獾牟ㄩL是我們無法改變的，所以設(shè)計(jì)天文望遠(yuǎn)鏡的時候，一旦定好了主要的拍攝波長（波長主要由接收光的CCD的性能來決定），就是設(shè)計(jì)鏡頭的大小。哈勃天文望遠(yuǎn)鏡的口徑為2.4米，對于480納米附近的可見光，可以達(dá)到的角分辨率是很高的，這使得哈勃望遠(yuǎn)鏡可以拍攝清楚遙遠(yuǎn)的天體。在波長和鏡頭口徑都設(shè)定好之后，就是制造鏡頭了。對于可見光波段的望遠(yuǎn)鏡來說，最重要的是要有一個玻璃做的鏡頭。哈勃的玻璃鏡頭最初是在1979年，由美國的分析儀器公司珀金埃爾默(PE)制造的，最大通光口徑 2.4 米，表面需要拋光，加工誤差要控制在30納米內(nèi)。這在幾十年前是一項(xiàng)非常杰出的工作，即便放到現(xiàn)在，這個機(jī)械加工精度也具有極高的水準(zhǔn)。因?yàn)槌叽缇薮?，這個鏡頭的制造是十分困難的。而且，太空中晝夜溫差很大，玻璃容易熱脹冷縮裂開，所以使用的是超低膨脹玻璃材料。另外，這個鏡頭是要發(fā)射到太空中去的，發(fā)射就要考慮載荷的重量。為了將重量降至最低，哈勃的鏡頭采用了蜂窩格子，只有表面和底面各一寸是厚實(shí)的玻璃。從太空中看起來，哈勃望遠(yuǎn)鏡是一個圓柱體，直徑是4.2米，長度是13.2米，這個尺寸接近半節(jié)高鐵車廂。龐大的尺寸，讓它得以拍攝到許多高精度的太空影像。特別的“防抖”設(shè)計(jì)哈勃的軌道距離地面高度是547千米，比國際空間站（400千米）還要高一些。在地球軌道上運(yùn)行，其相對于地面的運(yùn)動速度是很快的，而且在運(yùn)動過程中會有抖動，這就好像汽車在高速公路上行駛，汽車也是會有晃動的。哈勃的飛行速度27300千米/小時，大約95分鐘就可以繞地球一圈。當(dāng)然對于遠(yuǎn)方星體來說，因?yàn)榕c哈勃的距離為光年級別，所以哈勃的速度是可以忽略的，遠(yuǎn)方星體基本可以被認(rèn)為是靜止的（方位不變）。但是，哈勃自身的抖動與姿態(tài)控制則必須要處理好，否則拍出來的照片必然是虛的。哈勃望遠(yuǎn)鏡遺產(chǎn)場拍攝的照片都是在太空中長期穩(wěn)定地觀測同一個目標(biāo)，用長焦鏡頭拍攝一段時間產(chǎn)生的。雖然鏡頭相對于哈勃望遠(yuǎn)鏡是固定的，但哈勃實(shí)際上是一個在軌道上漂浮的人造衛(wèi)星，會不斷翻滾。哈勃要想長期對準(zhǔn)同一個目標(biāo)拍攝，必須依靠高精度的星敏感器——其實(shí)就是一個拍星星用來定位的相機(jī)。星敏感器拍攝的照片可以與天文星空圖比對，這樣就可以算出哈勃在某個慣性參考系中的精確位置及姿態(tài)，然后再利用三臺高精度的姿態(tài)控制飛輪，就可以控制哈勃自身的姿態(tài)及光軸指向，這就相當(dāng)于在拍照的時候安裝了三腳架，可以使哈勃一直指向同一天區(qū)進(jìn)行拍攝。對于目前哈勃遺產(chǎn)場的拍照視野，上海交通大學(xué)物理與天文系博士后研究員張佳駿告訴記者：“哈勃遺產(chǎn)場覆蓋的天區(qū)面積和滿月相當(dāng)，占全天面積大約百萬分之六，估計(jì)觀測到的星系也就占了可觀測宇宙的百萬分之一左右。”哈勃遺產(chǎn)場公布的照片，其實(shí)是7500張照片的拼接，而不是一次性拍出來的。張佳駿說：“7500張照片取自不同時間不同項(xiàng)目，是用不同的濾光片拍到的不同角度的原始相片。拼接照片，簡而言之，就是要確定不同相片相互疊加的區(qū)域，將它們對準(zhǔn)以后疊加起來。說起來容易做起來難，因?yàn)檫b遠(yuǎn)的星系非常暗淡，在一張?jiān)嫉南嗥峡赡芨緹o法看到的星系在多次疊加之后，可能也只是幾個像素大小的暗淡小點(diǎn)。”哈勃拍攝的照片有什么用？哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的照片，可以用來計(jì)算出描述宇宙膨脹速度的哈勃參數(shù)。張佳駿說：“相關(guān)的工作在之前已經(jīng)有很多，比如諾貝爾獎得主Adam Riess就領(lǐng)導(dǎo)過一個項(xiàng)目，利用哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測可以用作“標(biāo)準(zhǔn)燭光”的Ia型超新星。這些超新星對于我們了解宇宙是怎樣從減速膨脹變?yōu)榧铀倥蛎浻兄匾淖饔?。”因?yàn)橛钪娴呐蛎浺彩艿桨滴镔|(zhì)的影響，暗物質(zhì)的密度直接影響著宇宙膨脹的速率和宇宙早期星系的形成。所以我們可以利用哈勃天文望遠(yuǎn)鏡拍攝的照片，更好地研究宇宙膨脹的歷史，進(jìn)而推斷暗物質(zhì)密度。也可以利用哈勃觀測到的星系數(shù)量，推測暗物質(zhì)暈的質(zhì)量函數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出暗物質(zhì)的密度范圍。所以，哈勃望遠(yuǎn)鏡對暗物質(zhì)的研究也有重要的作用。正因?yàn)楣梢钥吹接钪娴脑缙?，所以美國航空航天局也稱哈勃為 “天文學(xué)的終極時間機(jī)器”。前面已經(jīng)說過，哈勃拍到的圖像中的一些星系可以追溯到大爆炸后的5億年（距今133億年）。所以，看哈勃拍攝的照片就好像在看一本宇宙歷史書一樣。作者 | 張華 北京師范大學(xué)物理系碩士 科普作家審稿 | 趙崢 北京師范大學(xué)物理系教授編輯 | 高佩雯文章由騰訊科普“科普中國頭條創(chuàng)作與推送項(xiàng)目”團(tuán)隊(duì)推出轉(zhuǎn)載請注明來自科普中國