宇宙中至少有2000亿个星系,你知道这个数字是怎么来的?

“只有坠入深渊,我们才能找到生命的宝藏。”——约瑟夫·坎贝尔

哈勃著名的"超深场""极深场"是什么?

自哈勃太空望远镜升空以来,我们用哈勃(以下简称哈勃)做过最勇敢的事情之一:就是用这个人类迄今为止最强大、最昂贵的望远镜长时间观察了一块极小区域的天空。你可能觉得,这有什么了不起、甚至是勇敢可言。

因为我们观察的这一片天空中完全没有任何已知的物体,没有明亮的星星,没有星云,也没有已知的星系,而且我们观察的时间不只是几分钟,一个小时,或者一天。在很长一段时间里,我们用哈勃凝视着虚无的空间,记录下了一张张纯粹的黑暗影像。在我们所能看到的极限之外,我们发现了什么?令我们惊讶的是,貌似黑暗、虚无的背景下,在总共11天的观察中,下图就是我们发现的影像。

上图就是哈勃的超深视野,宇宙有史以来最深处的景象。看似一片空白的天空,哈勃探索着遥远的宇宙,看到人类肉眼甚至是借助望远镜都无法看到的星系。哈勃超深场的结果告诉我们,在天空的极小区域里存在着大量的星系。

哈勃超深场中所显示的范围为3平方角分,只有全天空12,700,000分之一的面积,通过在整个天空中推断这些结果,我们至少可以算出整个宇宙中有多少个星系。根据我们的观测,宇宙中可能至少有1000亿个星系。

但这并不是哈勃故事的结局,也不是宇宙的全部,我们应该相信宇宙会给我们带来更多的惊喜。那些太暗而无法用“仅仅”11天的哈勃数据观测到的星系,以及哈勃最远的红外滤光器也无法捕捉到的红移太远的星系。因此宇宙中包含着比哈勃超深场中更多的星系,只要我们有足够的曝光时间。

在过去的十年里,哈勃在一个更小的空间区域里,总共寻找了23天,是超深场时间的两倍多。下图就是著名的哈勃极深场!

这幅图对你来说可能很熟悉,但略带些陌生。为什么说你熟悉哈勃极深场呢?因为极深场(或XDF)实际上是超深场的一部分,如果我们将两个图像缩放并以4.7度相对旋转,就可以将两幅图像重叠在一起!

在同一个区域里XDF中所包含的星系要比HUDF中所包含的星系多得多。将两幅图像的局部放大,从上到下相互比较一下,你就可以清楚地看到在XDF中还有多少个星系。下图:

当然,超深场(上图1)所显示的星系已经让我们足够震撼,但是在XDF中的星系比超深场多了75%以上!如果我们把极深场的结果应用到整个天空中,我们会发现整个宇宙中大约有2000亿个星系,大约是我们从HUDF得到的两倍。那么这个星系数量是怎样估计出来的?首先,XDF的面积只是满月的很小一部分。

假如XDF只是一个典型的空间区域,并且我们也知道宇宙在各个方向上是均匀分布的。因此我们可以计算需要多少XDF才能填满整个夜空,大约是3200万个。然后乘以我们在XDF中找到的星系数量,这就是我们如何得到宇宙中大约有2000亿个星系的方法。哈勃到这里就算尽力了,但我们人类探索宇宙深处的脚步并不会停止。

超深场和极深场刷新了我们的宇宙观,让我们更加期待即将升空的詹姆斯·韦伯太空望远镜

上图可以看到,只要我们看得足够远,我们就能看到更多的星系,遥远星系的光需要几十亿年时间才能到达我们的视野。XDF虽然已经发现了更远、更多的星系,这些星系的光到达我们这里已经传播了50亿到90亿年,HUDF根本无法捕捉到这些星系相对较暗的光线。但是在早期宇宙,发光已经超过90亿年的星系呢?。

即使是XDF也没有捕捉到这些星系;为此我们需要一架真正的红外太空望远镜,这就是詹姆斯·韦伯接下来需要完成的事情。如果韦伯望远镜能按时升空,扩展哈勃的视野,我们会发现宇宙中甚至有接近一万亿个星系,这一点都不奇怪。下面,我们再来对比一下旋转和裁剪成XDF尺寸的HUDF图像:

新的XDF图像!

我们将超深场和极深场分割成四个小块进行一下详细的对比,每个图片的左边是(旧的)HUDF图像,右边是(新的)XDF图像。

比例可能略有偏差,但仍然可以看到两者在星系细节上的区别。

哈勃收集光线的工作原理是,当我们观察两倍的时间,通常可以多看到41%的深度。

通过两者之间的对比,我们最深刻的体会就是,我们真的急需一台更加强大的红外望远镜,能够远红外线下看到更深的宇宙,这样我们就能看到XDF上也看不见的星系。

这就是目前宇宙最深处的景象。这就是哈勃超深场和极深场,以及它们之间的区别。它们让我们知道了宇宙的广阔和宇宙中星系的大致数量。我们也能想到的是,韦伯望远镜的升空,会再一次刷新我们的宇宙观。