哈勃望遠鏡的十大貢獻

哈勃望遠鏡的十大貢獻哈勃望遠鏡的十大貢獻按照從小到大的順序——從行星這樣的小天體，到巨大的星系，乃至整個宇宙，對哈勃望遠鏡的十大貢獻逐一進行介紹。這架望遠鏡還在繼續出產令人驚訝的科學成果。哈勃發現了冥王星的另外兩顆新衛星；在宇宙的極早期找到了一個質量大得出乎意料的星系(而且自相矛盾的是，質量大得與它幼小的年齡極不相稱)；還確認了在一顆褐矮星身邊，有一個達到行星質量的同伴，雖然它本身比行星重不了多少。我們應該為生活在這樣一個時代感到幸運，哈勃讓我們有機會目睹宇宙中的許多奇景。　　1、彗木大衝撞　 從宇宙的角度出發，舒梅克—列維9號彗星(Comet Shoemaker-Levy 9)與木星相撞，是一件再平常不過的事：岩石行星和衛星表面的千瘡百孔已經證明，太陽系原本就是一個危險的射擊場。不過，從人類的視角來看，這場衝撞卻是終其一生也難得一見的大事：人們相信，平均每1,000年，才會有一顆彗星一頭扎進行星之中。　　在舒梅克-列維9號彗星「英勇獻身」的一年以前，哈勃的照片就揭露出，它已經分裂成大約20塊碎片，變成了一串「珍珠項鏈」。1994年7月16日，第一塊碎片闖入木星大氣層，接下來的一周內，其餘碎片也接踵而至。照片顯示，如原子彈蘑菇雲一般的火球柱從木星的地平線上升騰而起，在撞擊發生後的10分鐘以內，逐漸下降、擴散開來。撞擊造成的疤痕在木星表面滯留了好幾個月。　　這些照片如此珍稀，已經是價值不菲，這些連拍畫面，還對木星這顆氣態巨行星的化學構成提出了一個有趣的問題。在某個位置，波紋以450米/秒的速度向外擴散。主流解釋認為，這些波紋是重力波(gravity wave)的一種，木星大氣層中的浮力起到了回復力的作用，就像你試圖將一塊木頭強壓到水下，它就會上下來回振動一樣。[譯註：這裡指的並不是廣義相對論預言的引力波(gravitational wave)，而是流體力學中的重力波。當一小團流體物質偏離平衡位置時，某種回復力，例如重力或浮力，就會迫使它恢復平衡，結果這團物質就會在平衡位置附近來回振動，形成所謂的重力波。水面上蕩漾的波紋就是重力波最常見的例子。]果真如此，這些波紋的性質就能間接表明，在這塊傳播著波紋的水雲(water cloud)之中，氧和氫的比例是太陽的10倍。根據過去一些理論提出的假設，木星是由太陽系的原始塵埃氣體盤，在引力的作用下分裂成團，逐漸聚集而成的。如果假設正確，木星的化學構成就該與氣體盤相同，也就應該跟太陽的化學成分相似。觀測與理論提出的化學成分比例，明顯有很大的差距，這個分歧至今無人能解。　　2、太陽系外的行星　　2001年，美國天文學會請行星科學家投票表決，選出過去十年內他們心目中最重大的發現。結果，在我們太陽系以外成功檢測到其他行星的存在，成為他們的一致選擇。現在，研究人員已經找到大約180個類似的天體，其中大部分都是利用地基望遠鏡，通過觀測恆星的輕微擺動發現的。當一顆行星圍繞主星旋轉時，它所施加的引力就會拉扯主星，引起這樣的擺動。不過這些觀測所提供的信息非常有限：只提供了這顆行星運行軌道的大小和橢率，以及這顆行星的質量下限。　　哈勃進行了後續觀測，它著重觀察一些軌道平面與我們的視線方向剛好一致的行星。這些行星周期性地從主星前面經過，遮擋一部分星光，導致恆星亮度下降——這類事件被稱為掩食(transit)。哈勃觀測了人們發現的第一顆掩食行星——恆星HD209458的同伴，為這顆行星的性質提供了非常翔實的信息，詳細程度超過了我們在太陽系外發現的其他任何行星。它比木星輕了30%，直徑卻大了30%，這大概是因為主星發出的強勁輻射已經使它變得體態臃腫。如果這顆行星擁有寬寬的光環和大塊頭衛星，哈勃數據的精度就足以暴露它們的蹤跡；很可惜，它們並不存在。最令人印象深刻的是，哈勃已經測得了這顆行星的化學成分。對一顆圍繞著其他恆星運行的行星來說，這還是破天荒頭一遭。它的大氣層中包含了鈉、碳和氧，它的氫元素揮發到太空之中，形成了一條彗星狀的尾跡。這些觀測打響了在銀河系其他地方搜尋生命化學信號的第一槍。　　3、恆星的死亡之舞　　理論預言，質量介於太陽的8倍到25倍之間的恆星，會在一場超新星爆炸中結束自己的生命。當這顆恆星耗盡所有可用的燃料，它就會突然失去一直支撐著自身重量的壓力。它的核心坍縮成一顆中子星—— 一個毫無生氣的超緻密殘骸，外側的氣體包層則會以5%的光速拋射出去。　　可是，要檢驗這個理論，卻一直困難重重，因為從1680年以來，我們的銀河系中再也沒有超新星爆發。1987年2月23日，天文學家退而求其次，找到了一個好機會：一顆超新星出現在銀河系的一個伴星系——大麥哲倫星雲(Large Magellanic Cloud)中。當時哈勃還沒有發射升空，不過三年之後，它就對事件的進程展開了追蹤。很快，哈勃就在這顆已經爆炸的恆星周圍發現了一個三環系統。中間的亮環似乎代表了一團沙漏狀氣體的狹窄腰部，較大的兩個亮環則是兩片淚滴狀瓣片的邊緣，這些結構顯然是那顆恆星在爆炸之前的幾萬年內創造出來的。1994年，哈勃看見中央亮環上的一些光點開始依次增亮——暗示超新星拋射物正在撞入亮環。對這條亮環的觀測，仍在為我們研究這顆恆星的最後時光提供有用的線索。　　跟那些質量較大的恆星不同，人們認為類日恆星會以一種體面的方式了卻殘生：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，整個過程將持續一萬年左右。這顆恆星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。這個過程所產生的最終結果，被稱為行星狀星雲(planetary nebula)，不過它跟行星其實並沒有什麼關係。今天已知的行星狀星雲約有2,000個。哈勃以空前的精度，揭露出它們格外複雜的形狀。　　一些星雲展示出一組形如牛眼的同心圓環。這可能意味著拋射過程並不連續，而是周期性的。奇怪的是，由此推算出來的兩段拋射期之間的時間間隔約為500年，用動力學脈動(dynamic pulsation)來解釋太長，用熱力學脈動(thermal pulsation)來描述又太短。(在動力學脈動中，恆星處於引力和氣體壓力的太極推手之中，本身會收縮和膨脹，這種脈動的周期通常為幾百天；而在熱力學脈動中，恆星核心附近的氫氣層經歷了突發的熱核反應，從而改變恆星結構，打破了平衡狀態，這個過程通常將持續幾千年。)因此，我們還不清楚同心圓環的確切本質。　　4、宇宙分娩　　很久以前，天文學家就已經知道，噴涌而出的狹窄氣流標明了恆星誕生的地點。初生的恆星能夠發射出一對準直的噴流，長度可達好幾光年。［譯註：所謂準直，是指噴流的方向性極佳，如同激光一樣，射出很遠仍然只是一個很小的光斑，而不像手電筒射出的光線，三五米開外就已經發散得很大。］我們還沒能完全理解它的形成過程。最有希望的假說與大規模的磁場有關，它纏繞在這個年輕天體周圍的塵埃氣體盤中。經過電離的物質就像穿在繩子上的珠串一樣，被迫沿著磁力線流動，隨著繩子的旋轉而被拋擲出去。哈勃已經發現，這些噴流確實起源於物質盤的中心，為這種理論圖景提供了第一份直接證據。　　原先有另一種想法認為，這些環恆星盤(circumstellar disk)應該會深深埋藏在形成它們的氣體雲中，因而不可能看得到。這種觀點已經被哈勃推翻。實際上，哈勃揭露了幾十個原行星盤(protoplanetary disk，也被稱為proplyd)的行蹤，它們大都映襯在明亮的星雲背景上，形如一個個剪影。在哈勃觀測過的年輕恆星之中，至少有一半看似擁有類似的物質盤。事實證明，形成行星所需的原料，在銀河系中是普遍存在的。　　5、星系考古　　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。這種複雜的成長曆程所留下的蛛絲馬跡，應該被記錄在恆星的排布、年齡、成分和速度之中。在破譯星系成長歷史這方面，哈勃功不可沒。它對仙女座星系的恆星「暈」所做的觀測就是一例。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。天文學家發現，在仙女座大星系的暈中，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(假如另一個星系撞過來，或者從星系盤中穿過，星系盤會被攪得天翻地覆，盤中較年輕的恆星就可能被拋入暈中)。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。　　6、超大質量黑洞　　從20世紀60年代起，天文學家就推測出，類星體(quasar，一種看起來與恆星類似的天體，但是光譜觀測表明，它們距離我們非常遙遠，因此它們本身的亮度一定比整個星系還要明亮。現在的高解析度觀測已經發現，它們正是一些星系的核心)和其他活動星系核(active galactic nuclei，明亮而狂暴的星系核心)是由正在吞噬物質的巨型黑洞所驅動的。哈勃的觀測已經進一步鞏固了這個理論框架。哈勃仔細觀察過的星系，幾乎每一個的中心最終都被發現擁有一個黑洞。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(bulge)的質量，與巨型黑洞的質量緊密關聯。這種關係暗示，星系與中央黑洞的形成與演化息息相關。　　7、最劇烈的爆炸　　伽馬射線暴(Gamma-ray burst，簡稱GRB)是伽馬射線的短暫閃光，持續時間從幾毫秒到幾十分鐘不等。根據持續時間的長短(以兩秒左右為界)，它們被區分成截然不同的兩類：與短伽馬暴相比，長伽馬暴產生的光子能量更低。根據康普頓伽馬射線天文台(Compton Gamma Ray Observatory)、「BeppoSAX」X射線衛星和地面天文台所做的觀測，天文學家已經將長伽馬暴的產生原因，歸結為短命的大質量恆星的核心坍縮——換句話說，長伽馬暴是超新星爆發的一種。問題是，為什麼只有一小部分超新星爆發能夠產生伽馬暴。　　哈勃已經發現，儘管超新星的爆發地點遍佈於星系的恆星形成區域，但長伽馬暴卻集中在最明亮的地方，也就是質量最大的恆星聚居的地方。此外，與超新星的寄主星系相比，長伽馬暴的寄主星系明顯更暗，更不規則，其中包含的重元素也少得多。這一點是非常重要的，因為與那些重元素富集的恆星相比，缺乏重元素的大質量恆星所吹出的星風(stellar wind)會更加微弱。這樣，在恆星的一生中，沒有被星風吹走而被保留下來的質量就會更多；當它們死亡的時候，才會更重。這些恆星的核心坍縮，傾向於直接形成一個黑洞，而不是一顆中子星。實際上，天文學家將長伽馬暴歸因於快速旋轉的黑洞所產生的準直噴流。核心坍縮事件能否產生伽馬暴的決定性因素，似乎是恆星生前的質量和自轉速率。　　事實證明，對短伽馬暴的鑒別更加困難。直到去年，HETE 2(高能暫現源實驗衛星2號)和雨燕號(Swift)衛星才最終鎖定了寥寥幾個短伽馬暴事件。哈勃和同樣在太空中運行的錢德拉X射線天文台(Chandra X-ray Observatory)發現，這些爆發釋放的總能量比長伽馬暴少，而它們所處的星系類型也更加多樣，甚至還包括了早已不再誕生恆星的橢圓星系。顯然，這些短伽馬暴跟短命的大質量恆星沒有直接的聯繫，它們與恆星的殘骸有關。最合理的假說認為，這些短伽馬暴是在兩顆中子星併合的過程中產生的。、 　　8、遙遠的太空邊疆　　天文學的最終目標之一，就是要儘可能地追溯我們星系及其前輩的演化，一直回溯到靠近宇宙大爆炸起點的時刻。為了讓我們能夠對銀河系過去的模樣有個概念，天文學家竭力拍攝了許多星系的照片。這些星系的年齡各不相同，囊括了從幼年到成年的各個階段。到目前為止，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，將最遙遠(因而也最古老)的星系帶到我們眼前。　　這些超靈敏的圖片揭露出一些處於宇宙早期的星系。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，那些星系的尺寸較小，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)。回溯到更為久遠的過去，這是哈勃的繼任者——目前正在建造的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope)的主要目標。　　這些長時間的曝光觀測，還對宇宙中恆星形成的速率進行了追蹤。隨著宇宙年齡的增長，恆星的形成也經歷了潮起潮落。大約在70億年以前，宇宙中的恆星形成率似乎達到了頂峰，現在的形成率只及當年的1/10。甚至在宇宙還相當年輕——只有10億歲的時候，恆星的形成率就已經不低了——大約是峰值形成率的1/3。　　9、宇宙的年齡　　埃德溫·哈勃(Edwin Hubble)以及其他人在20世紀20年代所做的觀測表明，我們生活在一個正在膨脹的宇宙之中。星系正以一種對稱的方式彼此飛散開來，暗示著空間本身的結構正在伸展。哈勃常數(Ho)是當前宇宙膨脹速率的一個指標，也是確定宇宙年齡的關鍵參數。原因很簡單：Ho是星系之間彼此遠離的速率；因此，如果不考慮任何的加速和減速，Ho的倒數就確定了一個時間，也就是當初所有的物質都必然聚集在一起的時刻。Ho的數值還在星系的成長、輕元素的產生和宇宙演化階段的時間定標方面，起到了一定的作用。因此，準確地測定哈勃常數，從一開始就成了與它同名的太空望遠鏡的主要目標之一，這也不足為奇。　　在實際操作中，確定這個數值就意味著要測定鄰近星系的距離——這項以困難而著稱的任務曾在20世紀引發了一場異常激烈的論戰。哈勃太空望遠鏡對31個星系之中的造父變星(Cepheid variable)進行了權威的研究，這類恆星與眾不同的脈動透露了它們的本徵亮度，暴露出它們的距離。［譯註：造父變星是一類奇特的變星，它們的變光周期與本身的亮度之間，存在著一一對應的關係。因此測得亮度變化周期(非常容易測量)，就能推算它們的亮度。再結合恆星表現出來的亮度，根據近亮遠暗的規律，就能確定這顆恆星的距離。因此，造父變星又被稱為「量天尺」。］通過這種方法得出的Ho數值，精度達到10%左右。再加上對宇宙微波背景輻射(cosmic microwave background)的測量，哈勃常數的數值表明，宇宙的年齡為137億年。　　10、正在加速膨脹的宇宙　　1998年，兩個相互獨立的天文學家小組投下了一枚「重磅炸彈」：宇宙的膨脹正在加速。天文學家過去總是假設，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。驅使宇宙加速膨脹的原因，被許多人視為當代物理學中最大的謎團。一種還有待論證的假設認為，宇宙中包含著一些迄今無法看到的成分——人們稱之為暗能量(dark energy)。我們將哈勃、地基望遠鏡和微波背景輻射的觀測數據結合在一起，結果暗示，這種暗能量佔據了宇宙總能量密度的大約3/4。　　這種加速從大約50億年前開始，在此之前，宇宙的膨脹越來越慢。2004年，哈勃發現了16顆遙遠的超新星，它們爆發的時間橫跨過這個重要的轉折點。暗能量是什麼樣的？這些觀測為有關這個問題的理論，設下了更有意義的限制條件。最簡單(不過，從某些方面來說，也是最神秘)的可能性是：暗能量是空間本身所蘊含的一種能量形式，儘管從其他角度來看，空間中可能空無一物。在搜尋遙遠的超新星，圈定暗能量性質這方面，哈勃太空望遠鏡至關重要，暫時還沒有其他天文望遠鏡能夠與之媲美。哈勃在暗能量探索中所起的作用，大概就是天文學家如此渴望NASA維持哈勃運轉的最大的、也是惟一的原因。 哈勃望遠鏡一、概述以著名天文學家哈勃命名的「哈勃」號太空望遠鏡，是迄今發射上天直徑最大的望遠鏡，它總長１２.８米，鏡筒直徑４.２８米，主鏡直徑２.４米連外殼孔徑為３米，全重１１.５噸，是一座完整的「太空天文台」。哈勃太空望遠鏡可以獨立完成許多天文研究工作。二、功能指標第一，它能夠單個地觀測星群中的任一顆星；第二，它能研究和確定宇宙的大小和起源，以及宇宙的年齡、距離標度；第三，它能分析河外星系，確定行星部、星系間的距離；第四，它能對行星、黑洞、類星體和太陽系進行研究，並畫出宇宙圖和太陽系內各行星的氣象圖。它將使人類觀測宇宙的視野擴大３５０倍，使人類看到宇宙中１４０億光年前發出的光。三、結構特點哈勃望遠鏡包括全部自動化儀器設備，主鏡、副鏡、成像系統、計算機處理系統，中心消光圈、主副鏡消光圈、控制操縱系統和圖像發送系統，以及兩個長11.8米、寬2.3米，能提供2.4千瓦功率的太陽電池板，兩部與地面通信的拋物面天線等。四、主要裝備它所攜帶的最先進設備有6種：寬視場行星照相機。它靈敏度高，觀測波段極寬，從紫外一直到紅外。不僅可觀測太陽系行星，還可對銀河系和河外星系進行觀測，且照片清晰度非常高。暗弱天體照相機。它是兩個既獨立又相似的完整天體和探測系統，可探測到暗至23——29等的星體。暗弱天體攝譜儀。它可對從紫外到近紅外波段的輻射進行光譜分析，又可測算它們的偏震。高解析度攝譜儀。它能對紫外波段進行分光觀測，能觀察更暗弱、更遙遠的天體。高速光度計。它可在可見光波段和紫外波段範圍內對天體作精確測量，可確定恆星目標的光度標準，又進一步識別過去人們觀測到的天體情況。精密制導遙感器。共有3台，分別用於望遠鏡定向系統和天體位置精密測量定位。五、使用狀況和取得的成果 自發射到目前，已經過去了11年。期間，還於1993、1997、1999、2002年四次對它進行了修理和儀器更換。「哈勃」望遠鏡在投入天文觀測後，得天獨厚，獲得了一些重大發現，令科學家們激動不已。它的最初目的是通過對中子星、脈衝星、類星體和黑洞的觀測，深入研究宇宙的起源、結構、組成和演化等難題。1991年，「哈勃」望遠鏡成功地觀測到距離地球17萬光年的大麥哲倫星雲旗魚座的第三個輪形星雲；成功地拍攝了超新星1987A的清晰照片；它重新量度了大麥哲倫星雲的距離為169000±5%光年，而在此以前，誤差高達±30%以上。1992年初，美國天文學家托德·勞爾在亞特蘭大的一次會議上根據「哈勃」太空望遠鏡發回的資料，公布了一項十分驚人的大發現：首次在銀河系臨近M87的星系中央，確認存在一個巨大的黑洞。這是迄今為止證明黑洞存在的最直接證據。1992年4月，「哈勃」望遠鏡發現了一顆最亮的恆星，其溫度比太陽高33倍。1992年5月，它發現宇宙中最古老的星系有新星形成。「哈勃」望遠鏡取得了豐碩的科學成果。全世界20多個國家有2000多名科學家利用它進行了10餘萬多次科學觀測，並在分析的基礎上撰寫了數千篇論文。它取得的主要成就有：一、增進了人類對宇宙年齡和大小的了解；二、證明某些星系中央存在超高質量的黑洞；三、觀察了數千個星系和星系團，探測到了宇宙誕生早期的「原始星系」，使科學家有可能跟蹤研究宇宙發展的歷史；四、對神秘的類星體和其存在的環境進行了深入觀測；五、更深入揭示了恆星的不同形成過程；六、對宇宙誕生早期恆星形成過程中重元素的組成進行了研究；七、揭示了已死亡的恆星周圍氣體殼的複雜組成；八、對獵戶座星雲中年輕恆星周圍的塵埃環進行了觀測，揭示出銀河系中存在其他行星系統；九、對蘇梅克彗星與木星相撞進行了詳細觀測；十、對火星等行星的氣候情況進行了觀測；十一、發現木星的兩顆衛星大氣層中存在氧。歷史上，很少有望遠鏡能夠像哈博望遠鏡這樣，對天文學研究產生如此深遠的影響。不過，哈勃所起的作用並非大多數人想像的那樣，基本上，它沒有作出過任何一項發現——因為，所有成就都不是由它獨立完成的。地基天文台的觀測常常會發現一些蛛絲馬跡，但受到自身觀測能力的限制，得出的結果往往不能讓人放心。通過觀測，哈勃就會對結果作出比較確定的判斷。通過與其他天文台的合作，哈勃已經為宇宙描繪了一幅多彩的畫卷。它迫使理論學家重新審視那些粗枝大葉的理論，建立新的理論，把那些天文現象解釋得更加精確。簡而言之，哈勃的影響之所以如此深遠，並不是因為它超然於其他設備和技術之上，而是因為哈勃與它們密切結合，成了一個整體。　　2006年4月，這架望遠鏡度過了它在太空中的第16個周年紀念日。哈勃不僅為天文學家提供了前所未有的細節，還讓全世界的人在家中也能一睹宇宙的奇景。不過，最近針對它未來命運的爭論，卻讓這些成就蒙上了一層陰影。在美國國家航空航天局(NASA)奮力恢復太空梭飛行的同時，哈勃的處境也在持續惡化；除非宇航員飛抵那裡，對它進行整修，不然這架望遠鏡可能會在2008年中期便早早結束它的工作生涯。這個緊要關口日益臨近，促使我回頭審視哈勃的，也是天文學過去的十五年。對許多研究人員而言，這十五年也是他們研究領域的黃金時代。
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