哈勃25年：改變宇宙認知的9張圖片

今年是哈勃望遠鏡升空25年周年，為了展現哈勃在25年來在宇宙探索領域所做出的貢獻，《科學美國人》西班牙版從哈勃拍攝的宇宙圖景中，精選了9張絕美的圖片。有些圖片極其罕見，比如投影在木星表面上的多個衛星的影子；有些顛覆了我們對宇宙的認知，比如紅超巨星的塵埃雲展現的神奇「光回波」現象；還有的呈現出了史詩般遼闊宏偉的場景，比如「創生之柱」和「船底座星雲」。撰文 阿克塞爾·M·奎茨（物理學家、德國Sterne und Weltraum雜誌編輯）

尤韋·賴克特（應用物理學博士、Sterne und Weltraum雜誌主編） 翻譯 蔣慧楨

25年來，哈勃取得了輝煌的「戰績」，拍攝了無數極具價值、獨一無二的宇宙圖景，哈勃望遠鏡的重大發現幾乎涵蓋了天文學研究的每一個領域。它拍攝的圖片既有太陽系內的天體，又有從未進入過人類視野的遙遠星系。可以毫不誇張地說，哈勃拍攝的宇宙圖片，從根本上改變了我們對宇宙的認識，將是人類的寶貴文化遺產。哈勃拍攝的海量宇宙圖片有一個共同的特點：即超高清晰度。這一方面是因為哈勃望遠鏡的口徑為2.4米，解析度較高；另一方面是因為哈勃空間望遠鏡的軌道位置距離地面560千米，在地球的大氣層之上，因此影像不會受到大氣湍流擾動。不過，人們似乎已經忘了，這台當時造價為25億美元的空間望遠鏡，並非從一開始便能完美地完成任務。儘管哈勃望遠鏡的主鏡是以極高的精度打磨的，但傳回的圖片顯示光學系統存在嚴重問題，望遠鏡無法達到最佳聚焦狀態，對圖樣缺陷的分析顯示，問題的根源是主鏡的形狀存在細微的偏差，這也成了科學史上最重大的「烏龍事件」之一。在隨後的3年半時間裡，天文學家不得不花費大力氣，通過影像處理技術將那些模糊圖片修復好。幸運的是，1993年12月的第一次維護任務中，這個問題得到了徹底解決——「奮進」號（Endeavour）太空梭將COSTAR光學校正系統送上天，航天員出艙行走將COSTAR正確地安裝到了哈勃上。自此，哈勃才開始真正勝任太空任務。哈勃空間望遠鏡的升空，極大地促進了科技的進步。1997年、1999年、2002年和2009年，美國航空航天局又對哈勃進行了4次維護，為哈勃望遠鏡安裝了越來越先進的光學設備。這些新的儀器不僅彌補了早期由於主鏡打磨失誤造成的問題，而且也讓第一次維護時安裝的COSTAR系統變得多餘起來。在最近一次維護任務中安裝的第三代廣域照相機（Wide Field Camera 3，WFC3），視場是164×164角秒，每個像素為0.04角秒。不過，哈勃望遠鏡的科學價值，遠不僅在於它拍攝的那些絢麗的宇宙照片。哈勃的攝譜儀同樣也有出色的表現。正因於此，儘管哈勃已經25歲「高齡」，地球上新建的地面望遠鏡也越來越多，但哈勃的「一哥」地位仍然牢不可撼。在安排第22個周期（2014年10月到2015年9月）的觀測時間時，哈勃收到了上千份使用申請，這些申請要求的時間總和已經超出了實際可使用時間的6倍。雖然不能完全滿足申請者的使用需求，但這些研究人員的科研收穫仍舊頗豐。迄今為止，他們已經以從哈勃得到的數據為基礎，發表了12000多篇論文。

木星和它的衛星

我們常常可以看到木星（Jupiter）的4個大型衛星經過木星前方，但很少能在木星表面上看見它們的影子。同一時間在木星表面上看到多個衛星的影子，則更是極其罕見。幸運的是，在2015年1月24日，就出現了一次這樣的情形。木衛四（Calisto）和木衛一（Io）剛好經過木星前方，它們和木衛二（Europe）的影子（見下圖，木衛二自己沒有出現在圖片中）就像在木星的雲層上留下的模糊污點。視力好的人還可以在木星表面看見較小的木衛五（Amaltea）和木衛十四（Tebe），以及它們的影子。「害羞」的鄰居

由於火星體積較小，天文學家要想觀察到它，可得費一些力氣：圖中下方那個小圓點是與另外兩張照片中的土星和木星按同樣比例縮小的火星。儘管如此，哈勃還是可以分辨出火星表面16千米尺度的細節。 在這張2001年6月26日拍攝的照片中，就可以清楚地看到冰晶組成的白色雲層和橙色的沙塵暴。

土星上的影子

資料來源：NASA/ESA/STScI/AURA/THE HUBBLE HERITAGE TEAM每隔14或15年，從地球上正好可以看到土星環的側面。土星（Saturn）的衛星大都和土星環處於同一平面，這種排列方式，使我們可以同時看到土星的衛星和衛星投射到土星表面的影子。2009年2月24日，4顆衛星經過土星前方時，哈勃捕捉到了它們的影像。其中最大的土衛六（Titan）的影子投射到了土星的北極附近；而它附近的土衛一（Mimas），一顆小得多的衛星，則將它的小影子落在了土星赤道附近的雲層上。此外，在圖片上還可以看到土衛四（Dione）和土衛二（Enceladus）。儘管拍攝這張照片時土星距離地球12.5億千米，但是哈勃卻可以分辨出土星表面尺度僅有300千米的影像細節。來自紅超巨星麒麟座V838的「回聲"

2002年5月

2002年9月

2002年10月

2002年12月

2004年10月

有時候，只看影像會導致我們誤判。比如，如果我們將紅超巨星麒麟座V838在2002年5月至2004年10月的照片進行對比，可以看到，在恆星本身——圖中紅色核心——膨脹的同時，它周圍的塵埃雲似乎也在擴散，而實際情況是，這只是「光回波」(light echo)效應造成的一種錯覺。塵埃雲本身沒有膨脹，只是恆星發出的光芒被塵埃雲所反射，形成光回波，在地面觀察者看來似乎是發生了膨脹。也就是說，由於光傳播速度有限，我們只能看到周圍的塵埃雲從裡到外依次被這顆恆星照亮，而不是一下全部照亮，所以看上去就好像是塵埃雲在膨脹（以下各圖均為同尺度）。宇宙之舞

NGC 2207（左邊）和IC 2163（右邊）是位於大犬座（Canis Major）內的一對旋渦星系，它們就像是一對宇宙的舞者——已經在宇宙的大舞台上表演了數十億年。在萬有引力的作用下，規模較小的那個星系發生了嚴重的變形，星系中被撕扯出來的氣體和恆星，向右延伸了大約10萬光年。在遙遠的未來，這兩個星系將會融合成一體。「萬花尺」星雲

IC 418位於天兔座（Lepus），看起來就像一顆閃耀著光芒的寶石。儘管被稱作行星狀星雲（planetary nebula），但是這些星雲跟行星形成沒有任何關係：當類似太陽的恆星走到了生命的盡頭，拋掉外層的氣體，就會形成這樣的星雲。雖然不使用專業望遠鏡也可以觀察到IC418，但是這張哈勃拍攝的偽色照片（照片中的顏色代表不同波長的輻射，但不是真實顏色），揭示出了它的細微形態結構，讓它又獲得了一個綽號，叫做「萬花尺」 星雲（Espirografo nebula）。星系大碰撞

資料來源：NASA/ESA/STScI/AURA/THE HUBBLE HERITAGE TEAM (Spirograph Nebula); NASA/ESA/STScI/AURA/THE HUBBLE HERITAGE TEAM, ESA/HUBBLE COLLABORATION/NASA/ESA/H. E. BOND/STSCI, A. EVANS /University of Virginia in Charlottesville/NRAO/Stony Brook University/K. NOLL/STScI/J. WESTPHAL/Caltech (Arp 148) J. WESTPHAL/Caltech (Arp 148)

Arp 148得名於它在著名天文學家霍爾頓·阿普（Halton Arp）編撰的《特殊星系圖集》（catalog of peculiar galaxies compiled）中的編號——148。它是一對正在發生碰撞的星系，位於大熊座內，距離地球5億光年。碰撞的結果是這個由環狀星系和一段尾巴組合成的新天體——兩個星系撞擊時產生的激波把物質拋射出來，讓它們呈環狀分布。因為恆星的個頭與它們之間巨大的間隔相比實在微不足道，所以在這次宇宙災變中，恆星都是毫髮無傷的，只是運動的軌跡發生了改變。創生之柱：分別攝於1995年和2015年

這張照片拍攝於1995年，也是哈勃拍攝的照片中被使用得最多的一張，常常出現在海報、T恤和屏保上。「創生之柱」拍攝的是鷹狀星雲[Eagle Nebula，M16，位於巨蛇座（Serpen），距離地球6500光年]中心由星際氣體和塵埃組成的柱狀結構。這3根長度為4光年的柱子是一團巨大的分子雲的殘留物。這團分子雲是一個「恆星製造廠」，年輕恆星誕生後，產生的星風和紫外輻射讓原來的氣體雲瓦解，將氣體「吹」成了這個形狀，就好像是岩層風化後留下的石柱一樣。

20年後，哈勃再次拍攝了同一區域。最新的拍攝技術讓「創生之柱」的圖像解析度更高，對比更鮮明。新照片為我們研究星雲的形成提供了更加豐富的細節。圖片中不同的顏色源於不同波段的多重曝光。資料來源：NASA/ESA/STScl/J. HESTER/P. SCOWEN/UNIVERSIDAD ESTATAL DE ARIZONA(Pilares de la Creación, 1995); NASA/ESA/HUBBLE/EQUIPO DEL LEGADO DELHUBBLE (Pilares de la Creación, 2015)星雲和巨星

這是哈勃拍攝的尺度最大的全景照片之一，展示了位於地球7500光年之外的船底座星雲（Carina Nebula）中央寬達50光年的區域。由星雲內氣體和灰塵組成的混合物看起來異常絢麗，這樣的「景緻」是由一些隱藏在這片星雲內的巨星造就的，它們不斷輻射出紫外線，同時釋放星風。這些恆星質量巨大，有些的質量甚至相當於50~100個太陽。恆星風以及高能量輻射逐漸破壞分子雲的剩餘部分，使原有的星雲解體，並促使新的恆星形成。比如，研究人員預計其中一個巨星海山二（Eta Carinae），將會在不遠的未來發生超新星爆發。也許，46億年前，太陽及其附近行星的形成過程也經歷了劇烈的「新老輪迴」的過程，就跟我們現在在船底座星雲中觀察到的一樣。

這副絢麗的圖片，讓人浮想聯翩，稍加想像，我們彷彿就能看到許多神奇傳說中的景像，比如天蛾、恐龍還有各種各樣的動物。看著船底座上面的星雲，很容易聯想到古老的南船座（Argo Navis，南船座，原是最大的星座。18世紀被拆分為4個星座：船帆座、船底座、船尾座和羅盤座），想到古希臘神話中的英雄伊阿宋，駕駛著阿爾戈號海船（後來和金羊毛一起被宙斯提升到天界，即後來的白羊座和南船座），從希臘出發遠航，直到黑海岸邊去尋找金羊毛。這張圖拍攝於2010年，為我們呈現出了星雲的更多細節。與「創生之柱」一樣，這片由灰塵和氣體組成的區域，也是恆星的誕生地，它的長度大約為3光年。在星柱的頂端還可以清楚地看到物質流正在向相反的方向飛出。這種由新生恆星形成、狀似星雲的天體，被統稱為赫比格-哈羅（Herbig-Haro）天體。資料來源：NASA/ESA/M.LIVIO/EQUIPMENTOFTHETWENTIETHANNIVERSARYOFTHEHUBBLE/STScI

目前哈勃還沒有出現技術性問題，科學家預計，哈勃應該可以正常運轉至2024年。不過，哈勃沒有安裝動力系統，也沒有太空梭能夠將它推送到更高的軌道，所以壽命肯定有限，退休也只是時間早晚的問題了。在560千米的高空上也有極少量的大氣分子，由於它們的摩擦作用，哈勃的高度會不斷降低。最終在2024年，哈勃將落入大氣層，化作一縷青煙。

哈勃的繼任者——詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（James Webb Space Telescope），預計將於2018年升空。與負責捕捉觀測可見光的哈勃不同，韋伯望遠鏡將主要用於紅外線觀測。也就是說新一代的太空望遠鏡將能無視塵埃的干擾，出色地完成自己的科學任務。但是毫無疑問，它拍攝不到哈勃那些令人震撼的照片。

（來源：環球科學》2015年6月號）

在波瀾起伏的市場中淡定交易——