哈勃空間望遠鏡五大科學發現

06-09

哈勃空間望遠鏡五大科學發現

2013-11-14

本文作者：Shea

Ray Villard　文　Shea　編譯

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

從20年前哈勃空間望遠鏡被放入「發現」號太空梭的貨倉準備發射的那一刻起，就註定了宇宙將向世人呈獻出迥然不同的一面。

地面上最強大的光學望遠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，超大質量黑洞只是隱藏在罕見劇烈現象背後的黑手。它們也無法告訴我們，在其他恆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後，哈勃空間望遠鏡做為太空中的第一個大型光學天文台立馬就做出了一系列的發現和突破。它也迅速地成為了空間天文學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米的巨型望遠鏡比起來似乎微不足道。但是，位於地球大氣層之上給了「哈勃」巨大的優勢。它的視力始終要比地面上的望遠鏡銳利10倍。誠然，能夠改正大氣擾動的自適應光學系統已經縮小了這個差距，但「哈勃」的清晰圖像是遍布整個視場的。此外，由於沒有了天空背景，「哈勃」還具有了以高對比度觀測遙遠天體的非凡能力。

同時，「哈勃」的光學穩定性又保證了它可以以完全相同的分辨能力和數據質量在不同時間重複地觀測某個天體。「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。

有了這些強大功能的武裝，「哈勃」的驚人發現貫穿於整個天文學，改寫了教科書，催生出了超過7,000篇的科學論文，喚起了公眾對宇宙的好奇心。

下面就讓我們去看一下哈勃空間望遠鏡的五大最傑出的科學成就：

1.從較小結構演化而來的星系

1990年，天文學家只能探測到紅移最高為0.7的正常星系，這個數值在宇宙中所對應的距離相當於70億光年，而宇宙是它的兩倍大。多年來天文學家一直猜想，如果宇宙是從大爆炸的火球冷卻而來的，那麼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，一個由頂級天文學家所組成的委員會得出結論，如果「哈勃」花200個軌道周期的時間來對宇宙進行「深度曝光」，那將會是徒勞的。他們假定，從當時已知的宇宙外推，遠距離宇宙的空間幾何會打散正常星系所發出的光，使它們過於彌散而無法被「哈勃」觀測到。

幸運的是，大自然非常地配合。即便在1993年光學系統修復之前，「哈勃」的早期觀測就發現了打破當時紀錄的紅移為1.5的星系，它所對應的距離超過了90億光年。這些星系看上去似乎較現在的更緊湊，因此所發出的光都集中到一個較小的領域中——得以讓「哈勃」能夠探測到它們。天文學家注意到了許多形狀怪異的「病態」星系。而正常星系中由恆星形成產生的亮點則清晰可見。

這些發現鼓舞了當時空間望遠鏡研究所（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行了一次長達數百萬秒的最深曝光。它的極限星等達到了前所未有的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）又把它向前推進了一步，拍攝了哈勃超深空區（HUDF）照片。這確認了天文學家並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達到了29等的極限星等，但仍然只發現了發育中的不完整星系。

[圖片說明]：2004年公布的哈勃超深空區（HUDF）以從未有過的深度凝視了宇宙；2009年則公布了新的更深的觀測結果。在哈勃超深空區里展現了星系碰撞的細節，證明宇宙是一個動態的、不斷變化的地方。版權：NASA, ESA, G. Illingworth (UCO/Lick Observatory and the University of California, Santa Cruz), R. Bouwens (UCO/Lick Observatory and Leiden University)和the HUDF09 Team。

2009年5月安裝到「哈勃」上的大視場照相機3最新在近紅外波段上再一次推進了這一深度觀測。由此也發現了紅移高達9的天體，它們所對應的時間相當於宇宙誕生之後僅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構的出現和隨後星系演化的動態階段。在「哈勃」之前，近距離上的星系碰撞只是有趣的個別現象。但是，這些深空圖像卻顯示，在早期宇宙中星系的碰撞併合是家常便飯的事情。這為宇宙隨著時間在不斷發生變化提供了令人信服且直觀的證據。

2.超大質量黑洞遍及星系

當「哈勃」發射時，天文學家們只在雙星系統中證實了黑洞的存在。在這一系統中一顆恆星爆炸，其核心會坍縮成具有幾個太陽質量的黑洞。但是，天文學家懷疑，質量遠大得多的黑洞必定是更強大的「引力引擎」，驅動著由近及遠的一系列超高能現象，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「不發光」的物質是不是超出了恆星所能達到的極限，就需要精密的分光觀測。當空間望遠鏡成像光譜儀（STIS）在1997年投入運轉時，天文學家迅速將其對準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。

「哈勃」測得M87核心的質量高達30億個太陽質量。這一結果完全得益於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量要遠高於僅有恆星聚集所能達到的程度，證實了黑洞的存在。

[圖片說明]：多虧了「哈勃」，現在已經知道超大質量黑洞普遍存在於絕大多數星系的中心。橢圓星系M87中的超大質量黑洞射出了一道巨大的噴流。版權：NASA和The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)。

1997年對27個近距星系的研究發現，在它們的中心都存在超大質量的黑洞。這使得天文學家得出結論，超大質量黑洞極為普遍，每個大型星系中都有一個。

更深刻的是，「哈勃」發現中央黑洞的質量和星系中心由恆星所構成的核球的質量直接相關：核球的質量越大，黑洞的質量就越大。這說明有某種未知的反饋機制將星系的演化和黑洞的生長聯繫了起來。目前，有6種理論試圖來解釋這一現象。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麼樣的。

3.暗能量的存在

「哈勃」曾經的一個重點項目是確定宇宙正在以多快的速度減速。因為在大爆炸之後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。「哈勃」可以看到遙遠的Ia型超新星並準確測量它們的亮度，這使得天文學家可以回溯宇宙更久遠的過去進而測量它的膨脹速率。

1998年，美國約翰·霍普金斯大學、美國空間望遠鏡研究所的天文學家亞當·里斯（Adam Riess）利用他的團隊所收集的超新星巡天數據，寫了一個計算機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質量的宇宙。起先里斯認為這只是一個程序中的錯誤。但後來他意識到，計算機程序其實是想給出一個「荒謬」的結論：真空會產生排斥能！

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）領導的小組也獨立地發現了類似的宇宙加速膨脹。他的研究小組發現，遙遠的超新星比預期的要更為暗弱。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，宇宙現在必定正在以比早先更快的速度膨脹。

這兩個組偶然間發現了愛因斯坦所預言的一個幽靈般的能令宇宙保持靜止的制衡力，被稱為宇宙學常數。由於天體物理學家還不清楚它的行為是否嚴格地如宇宙學常數所述，因此這一現象現在只是被稱為「暗能量」。

「哈勃」後來又觀測到了一顆100億年前的超新星，進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，但此後宇宙的膨脹便開始了加速並一直持續到現在。這一轉變大約發生在70億年前。

[圖片說明]：100億年前的一個超新星幫助天文學家證明了宇宙中暗能量的存在。版權：NASA, Adam Riess (STScI)。

從那以後，天文學家們進行了更多的觀測期望能更好地確定暗能量的特性，並確認它的行為是否真的像愛因斯坦的宇宙學常數那樣。天文學家們就此為下一代望遠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的重子聲學振蕩。

4.精確測定宇宙膨脹速度

由於地質學證據以及達爾文的進化論，19世紀後期的科學家都認為地球極為古老。即使是偉大的愛因斯坦也認為，宇宙必須是靜態的，也許因此也是永恆的。然而，按照他的廣義相對論，宇宙卻要麼會膨脹，要麼會坍縮。

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。他發現，距離越遠的星系，它離開我們的速度越快，其比值由哈勃常數給出。這意味著空間在往各個方向上膨脹。事實上，這裡經常所提到的觀測到的光線紅移並不是星系退行的速度所造成的，即並非是多普勒效應，而是空間本身的膨脹拉伸光的波長的結果。

通過精確地測定宇宙膨脹的速度，科學家就可以倒轉宇宙時鐘，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於精度較低的距離測量結果。而哈勃常數的精確值則是校準其他宇宙參數的關鍵。

由於空間望遠鏡可以比地面上的望遠鏡分辨出更多、更遠的造父變星——一類可用做近距宇宙中距離標尺的恆星，因此精確測定哈勃常數成為了「哈勃」早期的重點項目。

在「哈勃」發射時，宇宙膨脹的速度存在著巨大的不確定性。哈勃常數的預估範圍在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，比最古老的恆星年齡還要小。這看起來似乎是恆星演化模型還存在問題。

到20世紀90年代後期，哈勃常數的值已經精確到了只有大約10%的誤差。2009年，亞當·里斯及其合作者使用了遙遠星系中的造父變星來細化和完善了宇宙的「距離階梯」。這使得天文學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%。

[圖片說明]：旋渦星系NGC 3021中既包含有造父變星（綠色圓圈中）又有Ia型超新星，因此它也成了眾多幫助天文學家精確測定宇宙膨脹速度的星系之一。由於造父變星的距離可以較為容易地確定，於是可以被用來「校準」超新星，使天文學家能夠利用它們來做為丈量整個宇宙的標尺。版權：NASA, ESA和A. Riess (STScI/JHU)。

回想起來，這幾乎是預料之中的，天文學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。考慮到暗能量的作用，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恆星。

5.採樣太陽系外行星的大氣

直到「哈勃」發射升空5年之後，天文學家才在另一顆普通恆星的周圍發現了第一顆太陽系外行星。對於當時的地面望遠鏡而言，外星行星過於暗弱無法被直接觀測到，但它們會造成其宿主恆星規律地擺動，由此泄露了天機。這一現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量。

然而，到了90年代後期，天文學家已經可以觀測到太陽系外行星的凌星（從其宿主恆星前方通過）。由於可以在其宿主恆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，美國哈佛大學的戴維·夏博諾（David Charbonneau）對穿過外星行星大氣的宿主恆星星光進行了分光觀測，發現外星行星HD 209458b的大氣中存在鈉。

[圖片說明]：哈勃空間望遠鏡做出了許多重要的科學發現，這其中包括了首次在可見光波段上直接拍攝到太陽系外行星（圖中方框內的是外星行星北落師門b）。版權：NASA, ESA, P. Kalas, J. Graham, E. Chiang, E. Kite (University of California, Berkeley), M. Clampin (NASA Goddard Space Flight Center), M. Fitzgerald (Lawrence Livermore National Laboratory), K. Stapelfeldt和J. Krist (NASA Jet Propulsion Laboratory)。