哈勃望遠鏡究竟能看多遠？

哈勃發現的最遙遠星系正在接近它的能力極限，這台史上最強大的望遠鏡可能永遠也看不到宇宙中最遙遠的星系。

圖片來源：NASA / 哈勃小組

　　「那些基於相同價值觀的友誼，是距離和時間無法損害的。」——羅伯特·索西

　　圖片來源：NASA、ESA、G. Illingworth、D. Magee 以及 P. Oesch（聖克魯茲加州大學）、R.Bouwens （萊頓大學）以及 HUDF09 小組

　　整個天空可能布滿了數千億個星系。但實際上，這些星系中的一部分由於太黯淡太遙遠，哈勃只能勉強看到它們。

　　限制望遠鏡能力的原因有兩個，一個比較明顯，一個比較微妙。

　　明顯的原因是：雖然哈勃的主反射鏡直徑達到了 2.4 米，但它收集光子的能力仍然會受限制。因此即使長時間曝光 23天，也只能看到最遙遠距離上那些非常明亮的星系。

　　微妙的原因是：我們看得越遠，天體光的紅移就會越明顯。而這一點非常有意思。

圖片來源：NASA、ESA、R. Bouwens 以及 G.Illingworth （加州大學）

　　大部分最年輕、最熾熱、最明亮恆星發出的光線，人眼是看不到的，因為它們實際上是紫外線。

　　但宇宙在膨脹，星系在遠離。這意味著來自遙遠恆星和星系的光子，在到達地球的過程中會發生紅移，它們的波長會被拉伸。

　　當我們看到一個明亮、遙遠的紅色星系時，可以通過比較它在藍、綠、紅和（近）紅外光上的相對亮度，來估算它的紅移程度，但這也只能估算。如果想知道它真正的紅移值，並通過哈勃定律來獲知它的距離，就需要測量一些更為確定的東西。

　　幸好宇宙各處原子的物理特性、原子躍遷的特點是一樣的。假如我們能夠測量來自天體的發射線光譜（取決於星系的類型，也可以是吸收線光譜），確定元素的成份，就能夠以一種非常直接的方式進行計算：

　　它的紅移，

　　它的距離，

　　它發光時宇宙的年齡。

　　在原子躍遷過程中，最強、最易見的恆星或星系發射線來自氫，它在紫外（萊曼系）、可見光（巴爾莫系）或紅外（帕邢系）波段上都能夠進行躍遷。

　　但是這些譜線——以及它們的波長——是在這些星系的靜止坐標中進行計算的。隨著宇宙的膨脹，這些波長會產生極大的紅移。最強烈也最容易辨識的躍遷，也就是通常發生在121.567 納米波段上的萊曼-阿爾法躍遷，也會產生不可思議的偏移。在一個例子中，紅移後的萊曼-阿爾法譜線波長接近了 540納米。

　　哈勃上最新、最強大的相機——3 號廣域相機使用的濾鏡可以觀測到 1700 納米的波長。因此理論上我們可以看到紅移值達 12或 13，即相當於宇宙年齡只有當前 3%時的天體。但不幸的是，我們在進行深空觀測時並沒有使用這些紅外濾鏡。為了捕捉到更多的光，我們使用了廣域波段濾鏡。在這個波段上，我們可以達到的最長波長約為850（上限為 900）納米。

　　因此事實上如果我們想看得更遠，即便達不到與哈勃相同的解析度，或者像哈勃那樣能夠看到更暗的星系，也會經常使用專業的紅外太空望遠鏡，比如斯皮策望遠鏡來進行觀測。

　　圖片來源：NASA、JPL-Caltech、STScI-ESA、Y. Ono （東京大學） 以及 B. Weiner（亞里桑那大學）

　　我們隨後也需要用地基 8 至 10 米級望遠鏡來確認這些候選者的光譜。長久以來 UDFj-39546284這個星系是紅移記錄的保持者，它的紅移值達到了驚人的11.9！但是你可能已經猜到，這樣的星系是哈勃根本看不到的。而且隨後的觀測也顯示，之前的結果受了低紅移天體欺騙性發射線的干擾。

　　不過現在，我們已經有了一個經確認的新記錄保持者！

　　圖片來源：NASA、ESA、P. Oesch（耶魯大學）、CANDELS 小組這個編號為 EGS-zs8–1 的星系紅移值是7.7，是此類星系中經確認紅移值最高的一個。

　　這個數字代表的意思，是光線從這個星系出發時，宇宙的年齡只有 6.6 億歲。這個星系距離我們大約 290億光年，是目前發現的最遙遠星系。

　　要觀測這樣的星系已接近哈勃能力的極限。哈勃最多只能探測到紅移值不超過 8 或 9 的天體，而宇宙中可能存在著紅移值達 15甚至 20 的星系！

　　雖然哈勃要觀測大於 1 微米的波長已經相當吃力，但是詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的觀測能力達到了 30微米左右，它擁有前所未有的靈敏性和更高的解析度，收集光的能力也是哈勃的六倍左右！

　　現在只需一點點運氣，我們就能發現宇宙中最遙遠的星系。雖然哈勃很偉大，但是它也有局限。在超長波段射電天文學出現之前，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將是我們發現最遙遠星系的希望。

圖片來源：NASA、JWST 小組

　　我已經迫不急待。人類終將揭開遮蓋在可見宇宙未知領域上的最後面紗，而這只是時間問題。