哈勃望遠鏡七大科學發現

一、星系的形成與演化

「哈勃」超深場照片，顯示的是天爐座的一小部分天區，拍攝於2003年9月24日至2004年1月16日，累計曝光時間11.3天，是迄今人類獲得的最深遠的宇宙影像。照片中顯示的是130多億年前的宇宙，其中有近10000個星系，年齡在4~8億年間。

星系是構成茫茫宇宙的基石，它們的形成與演化，是探索宇宙之謎的過程中不可迴避的重大問題，也是「哈勃」的首要任務之一。在其他天文台的共同協作之下，「哈勃」已經對天空中的幾塊小片區域哈勃深場（Hubble Deep Fields）、哈勃超深場（Hubble Ultra Deep Field）和大天文台宇宙起源深空巡天（Great Observatories Origins Deep Survey）進行了長時間的曝光，第一次將最遙遠因而也最古老的星系帶到了我們眼前。這些超精細的圖片揭示出了早期宇宙的細節。當時宇宙的年齡僅有幾億年，大約是現在宇宙年齡的5%。與現在的星系相比，那時的星系尺寸較小，形狀更不規則。由此可見，今天的星系是由較小的星系聚集而成，而不是恰好相反，由較大的星系分裂而來，「哈勃」所拍攝的照片成為建立現代星系形成模型的關鍵。

除了研究遙遠的年輕星系以外，「哈勃」還研究了星系形成過程中遺留下來的蛛絲馬跡。在「哈勃」的高分辨銳眼下，遙遠星系中的單個恆星被分解出來，它們的顏色和亮度包含了其年齡和化學組成的信息，使得天文學家可以推測出星系中的恆星形成歷史。天文學家認為，較大的星系，例如銀河系和仙女座大星系（Andromeda），是通過吞併較小的星系成長起來的。2003年5月7日，「哈勃」對仙女座大星系外圍的星系暈（星系暈是包裹在主星系盤周圍的稀薄的球狀結構，由恆星和星團構成）中的恆星的觀測表明，其中恆星的年齡千差萬別：最古老的有110億年到135億年，最年輕的只有60億年到80億年。相比之下，年輕的恆星就像是老人院里的小孩，它們一定是從其他地方遊盪過來的：可能來源於一些更為年輕的星系（例如後來被吞併的衛星星系），也可能來自仙女座大星系本身一些比較年輕的區域。而與此相反，我們銀河系的恆星暈並沒有包含大量相對年輕的恆星。因此，儘管仙女座大星系和銀河系外形相似，但哈勃的數據暗示，這兩個星系的成長史迥然不同。這一發現大大加深了我們對星系形成的理解。

二、發現宇宙加速膨脹

哈勃」拍攝的三顆遙遠超新星爆發前後的圖像，從左至右分別為SN 1997ck、SN 1997ce、SN 1997cj，其距離都在幾十億光年之外。這類超新星透露出了宇宙膨脹的信息。

1998年1月8日，美國哈佛－施密松天體物理中心Peter Garnavich博士領銜的研究小組利用「哈勃」觀測到的遙遠超新星數據，公布了一項驚人發現：我們的宇宙正在加速膨脹！不久後另一個研究組也獨立地作出了這一發現，在當時的天文界引起了轟動。人們過去總是假設，宇宙的膨脹必定是減速的，因為星系會通過引力彼此吸引，這應該會阻礙它們的分離，而且從理論上看，自從宇宙大爆炸之後經歷過短暫的「暴脹」（宇宙空間在極短時間內急劇增大）期後，宇宙膨脹就必定會減速，但為什麼現在它又開始加速膨脹了呢？「哈勃」的這一發現，使宇宙中最神秘的成分暗能量浮出了水面，原來正是它在驅使宇宙膨脹加速。2004年，「哈勃」又發現了16顆遙遠的超新星，它們爆發的時間橫跨過宇宙膨脹從減速到加速的轉折點，我們因而得知轉折點大約在50億年前。天文學家將哈勃、地基望遠鏡和微波背景輻射的觀測數據結合在一起，發現暗能量佔據了宇宙總能量密度的大約3/4。

三、宇宙的年齡之謎

聽起來有些令人不可思議，天文學家們怎麼會知道宇宙年齡的大小？正是「哈勃」幫他們給出了答案。我們都知道宇宙正在膨脹，那麼膨脹的速度是多少呢？天文學家把它稱為「哈勃常數」，記為H0，並且發現它的單位是「千米/秒/兆秒差距」（km/s/Mpc）。由於「秒差距」和「千米」都是距離單位，因此哈勃常數的倒數的單位是「秒」，它所代表的意義其實是時間，也就是宇宙的年齡（更準確地說是宇宙年齡的上限）。因此只要測出了哈勃常數的大小，就能推斷出宇宙的年齡。

人們早就發現，只要知道了星系的退行速度以及它離我們的距離，就可以求出哈勃常數的大小，而星系的距離，可以通過一類稱為「造父」變星的特殊恆星求出。造父變星是一類光度超過太陽數千倍的變星，它們非常明亮，而且亮度變化有確定的周期性，最重要的是，這個周期與造父變星的平均光度（即其真實的發光本領）成正比，天文學上稱為「周光關係」，通過它可以求出造父變星的距離（這也就是它所在的星系離我們的距離）。在「哈勃」之前，由於銀河系之外的星系距離我們太遠，其中的造父變星的周光關係測量精度不夠，據此求出的星系距離也誤差較大。得益於「哈勃」的高解析度和它上面搭載的精細導星感測器的幫助，天文學家們直接測量出了36個星系中的許多造父變星的距離，並據此校正了「周光關係」，然後利用周光關係測量出更遙遠的星系的距離，進一步確定了哈勃常數的大小為72 ± 8 km/s/Mpc，將它的準確度提高了5倍。

2009年5月7日哈勃網站報道，天文學家們通過對旋渦星系NGC4258中的造父變星和Ia型超新星的研究，再次精確測定了哈勃常數的準確值，為74.2 ± 3.6 km/s/Mpc，與之前的測量結果相近，但精度又提高了兩倍。據此推斷宇宙的年齡約為137億年左右，和WMAP衛星的結果十分吻合。

四、超大質量黑洞和類星體

哈勃空間望遠鏡拍攝的巨橢圓星系M87核心照片，星系核心周圍的塵埃盤旋轉得極其迅速，如此高的動能只能來自於中心黑洞的驅動。

該黑洞質量高達30億倍太陽質量，而所佔據的空間還不如一個太陽系大。照片中的噴流是黑洞吸積物質時激發出的高能電子流

「幾乎每個星系中心都有一個超大質量黑洞」，這個如今已為天文愛好者們耳熟能詳的常識，也得歸功於「哈勃」的發現。1994年5月25日，天文學家們宣布，利用哈勃望遠鏡，在距離我們50萬年遠的巨橢圓星系M87中發現了星系中心超大質量黑洞存在的確切證據，從此揭開了超大質量黑洞的觀測研究序幕。

此外，「哈勃」於1996年拍攝到的一系列類星體、活動星系核（猛烈活動著的明亮的星系核心）的照片，幫助天文學家們完善了類星體的「大統一模型」。類星體（quasar）是一種看起來與恆星類似的天體，但由於它們距離我們極其遙遠，因此它們的發光本領要比一般的星系都強許多倍，現在的高解析度觀測已經發現，它們也是一些活動星系的核心。從20世紀60年代起，天文學家就推測出這些劇烈活動的高能天體是由正在吞噬物質的巨型黑洞所驅動的。正是「哈勃」第一次從觀測上鞏固並完善了這個理論。不僅如此，1997年1月13日，「哈勃」在對27個星系的詳細考查後，宣布在星系中心，超大質量黑洞是普遍存在的，而且還揭示出了黑洞質量與星系核球的質量相關。

這兩項相關的發現具有特別重要的意義。首先，類星體的高解析度照片揭露了它們的藏身之處明亮的橢圓星系或者相互作用的星系。這項發現暗示，必須經由一系列特定的事件，才能將物質灌輸到中央黑洞之中。其次，包裹著星系中心的核球的質量與巨型黑洞的質量緊密關聯，這暗示著星系與中央黑洞的形成與演化息息相關，為人們了解這些超大質量黑洞的由來指明了方向。

五、太陽系外的行星

早在1994年，「哈勃」就在獵戶座大星雲的恆星形成區發現有許多年輕恆星周圍都存在薄薄的塵埃盤，這一發現證實了之前理論學家關於行星形成的推測，並且表明恆星周圍存在行星系統是很常見現象，從而開啟了系外行星的研究之門。

2008年11月13日，「哈勃」更進一步，宣告首次直接拍攝到一顆太陽系外行星繞恆星運動的軌跡，表明系外行星研究取得實質性突破。「哈勃」拍到的這顆行星與太陽系中的木星類似，質量不超過木星質量的3倍。它圍繞其母恆星南魚座中的最亮星北落師門運行，每872年繞行一圈。北落師門距地球僅25光年，年齡在2億年左右。「哈勃」還發現，環繞「北落師門」的塵埃盤跨度大約為350億千米，有十分明顯的內邊緣。

此外，「哈勃」近幾年還創造了多個關於系外行星的第一：第一次獲得恆星HD209458周圍行星的大氣成分、第一次發現系外行星上的二氧化碳、第一次發現系外行星大氣中的有機分子。

儘管現在人們尚未發現第二個「地球」，但由「哈勃」開啟的發現之旅已經給了我們無比的信心，它的後繼者必將實現這個夢想。

儘管「哈勃」的官方網站非常謙虛地只列出了上述5個方面的重大發現，不過我認為至少還有2大發現也是值得與大家分享的。

六、發現暗物質存在的直接證據

在「錢德拉」空間X射線望遠鏡和哈勃空間望遠鏡及地面大型望遠鏡的的通力合作下，一群美國天文學家對子彈星系團（BulletCluster）進行長達幾個月的觀測後，於2006年8月21日宣布第一次「看」到了暗物質。子彈星系團是一種不同尋常的宇宙結構，它實際上是兩個星系迎面相撞並彼此穿越而形成的。兩個星系團以每小時近兩億千米的高速撞到一起，它們內部包含的發光物質由於相互間存在引力之外的相互作用力，在相互擠壓的過程中速度減慢了。

但是兩星系團中的暗物質之間沒有這種作用力，它們並不減速，而是暢行無阻地直接穿過對方。結果暗物質跑到了發光物質的前面，於是每個星系團就分成了兩部分：暗物質在前，發光物質在後。暗物質與普通物質分離後就易於捉摸了，天文學家們最終通過其他的物理效應確認了這兩團暗物質的存在，這是暗物質在20世紀30年代提出以來第一次顯露正身。這一發現證實了暗物質並不是佔據星系團中普通物質主導的氣體成分，而且也說明了暗物質更像是一種只參與引力作用而不參與電磁過程的「無碰撞」粒子。所以，儘管還不知道暗物質是什麼，但「哈勃」和其他望遠鏡的觀測使得我們在大尺度上了解了它的行為和特性。

七、恆星的豪華葬禮

在20世紀建立並完善的恆星形成與演化理論，是天文學上最偉大的成就之一，但對今天的恆星天文學家來說，還有一些細節，諸如大質量恆星的死亡、行星狀星雲的形成等等，由於觀測條件的限制並未徹底弄清。又是「哈勃」再次為人們帶來了希望。

和那些質量較大的恆星不同，像太陽這樣的恆星會以一種相對溫和的方式走向死亡：它們通過一種非爆炸的過程，將自己的外側氣體包層拋射出去，將熾熱的中央核心逐漸暴露出來，它發出的輻射會使周圍被拋射出去的氣體電離，發出鮮亮的綠色（由電離氧發射）和紅色（電離氫）光芒，形成所謂「行星狀星雲」。行星狀星雲的持續時間僅一萬年左右，和恆星的壽命相比（太陽約為100億年）可謂微不足道，因此從觀測的角度來看，它們的數量顯得非常稀少，今天已知的行星狀星雲只有兩千個左右。「哈勃」以空前的精度，揭露出它們格外複雜的形狀。令人驚奇的是，儘管恆星本身是近似球形的，但是這些由恆星拋射物質而成的行星狀星雲卻沒有一例呈球形分布。理論學家認為是一類非常準直的「噴流」塑造了這些結構，它們就是恆星自轉、磁場或伴星引力共同作用等複雜物理過程下產生的星風。直到2003年11月，「哈勃」在正在步入死亡的長蛇座V星中首次觀測到噴流，才終於證實了這一理論。

「哈勃」的研究遍及了當今天文學的各個領域，除了上面提到的7個方面，還有太多不可不提的功績，例如1994年彗木相撞時，「哈勃」拍攝的一系列不可再現的珍貴照片，如今已成為全人類的寶貴文化遺產，今後所有關心宇宙碰撞的學者和公眾都會繼續從中收益；「哈勃」關於宇宙中的氣體的研究，幫助人們了解了重子物質的組成和空間分布以及不同元素是如何通過恆星被拋射進氣體雲的，為了解像太陽系這樣的行星系統中的元素來源提供了重要資料；「哈勃」還發現了兩顆冥王星的新衛星、首次確認鬩神星（Eris）的準確大小（2385千米）略大於冥王星的2275千米，因而直接促進了2006年8月的天文學家投票表決冥王星地位事件。