“哈勃遗产场”为什么是一部遥远宇宙的“历史书”?


如果你第一眼看到这张照片,肯定会以为是哪个三流摄影师拍下的星空,还不如自己用手机拍下的银河。

但是如果你将这张图片放大, 你会发现一个全新的世界,那一个个小点居然是璀璨的星系,

这张照片就是著名的“哈勃遗产场”,也被称为遥远宇宙的历史书,这张图像高达20791X19201像素,高达672MB。

哈勃望远镜从2002年开始,在16年的时间里在太空中长期稳定地长焦镜头观测同一个目标,经过7491次曝光,总曝光时间长达640万秒,相当于整整74天的时间,然后由31个天文学家团队,耗费了250天的时间,将获得的图像拼合起来,形成了这张耗费无数金钱精力,来之不易的极早期宇宙图片——哈勃遗产场,在这张照片中,我们可追溯到133亿年前至今的26.5万个星系,正因为哈勃拍到的图像中的一些星系可以追溯到大爆炸后的5亿年(距今133亿年)。所以,看哈勃拍摄的照片就好像在看一本宇宙历史书一样。

这张照片的难度极高,为了获取更丰富的星空信息,哈勃望远镜会使用不同滤镜多次拍摄同一场景的黑白照片,那么我们为什么看到的图片是彩色的呢?这和后期处理有关,同时也涉及到恒星光谱。

在恒星的光谱中,根据其波长由长至短的排列,恒星的电磁辐射可分为射电、红外、可见光、紫外、X射线以及γ射线等波段,而这些波段中,可见光却又可以再分为七色光。

不同的原子所拥有的能级,电离能以及结构不同,因而每种不同的原子均有不同特征的光谱线。

哈勃望远镜拍摄的原始数据都是黑白的,即只能感应光的强度。在天文摄影中,每颗星星的谱线数目、分布、强度等情况均不一样。因此,深空摄影都会根据所需拍摄天体辐射光谱的特性,选择若干滤色镜分别拍摄不同波段的照片,再把它们叠加成一张。为了区分各个波段,也为了便于观赏,一般会把各个波段都对应一种颜色,一起合起来,从而成为了彩色照片(宇宙比哈勃拍出来的更绚丽多彩,但是人眼只能接收“可见光”,而且,在夜晚,对色彩敏感的视锥细胞发挥不了作用,只能由对光线敏感的视杆细胞来观察)。

这幅“哈勃遗产场”无论是拍摄难度还是后期难度都非常高,“哈勃遗产场”这幅图像的波长范围从紫外光延伸到近红外光,图片中最黯淡的星系亮度只有人眼所能见亮度的百亿分之一,7500张照片取自不同时间不同项目,是用不同的滤光片拍到的不同角度的原始相片。拼接照片,简而言之,就是要确定不同相片相互叠加的区域,将它们对准以后叠加起来。说起来容易做起来难,因为遥远的星系非常暗淡,在一张原始的相片上可能根本无法看到的星系在多次叠加之后,可能也只是几个像素大小的暗淡小点。。

虽然其覆盖的天区面积(对地心所张的立体角)和满月相当,占全天面积大约百万分之六,估计观测到的星系也就占了可观测宇宙的百万分之一左右。但是我们却可以在这张照片中窥探宇宙的过去、现在以及未来。

之所以被命名为“遗产”,是因为这可能是哈勃望远镜退役之前的最后一幅作品,从1990年在在美国肯尼迪航天中心由“发现者”号航天飞机成功发射,哈勃望远镜至今已经服役了30年。

由于它位于地球大气层之上,因此获得了地基望远镜所没有的好处:影像不受大气湍流的扰动、视相度绝佳,且无大气散射造成的背景光,还能观测会被臭氧层吸收的紫外线。于1990年发射之后,已经成为天文史上最重要的仪器。它成功弥补了地面观测的不足,帮助天文学家解决了许多天文学上的基本问题,使得人类对天文物理有更多的认识。此外,哈勃的超深空视场则是天文学家目前能获得的最深入、也是最敏锐的太空光学影像。

哈勃望远镜曾历经5次的大规模修缮,但是随着航天飞机的退役,已经不可能再对哈勃天文望远镜进行维修,这也是哈勃望远镜即将退役的原因之一。

哈勃遗产场的意义非常大,可以用来计算出描述宇宙膨胀速度的哈勃参数,1929年,哈勃利用特征谱线的特性,发现宇宙中的星系的电磁辐射波长增加了,就是光谱的谱线向红端移动了,它意味着星系正在朝我们远去,这就是星系红移现象。

哈勃还发现星系的红移量与该星系的距离成正比的关系,也就是说,越远的星系正在以越快的速度飞驰而去,这被称为哈勃定律,哈勃得出了结论:宇宙在均匀地膨胀。

天文学家哈勃发现了宇宙在膨胀之后,科学家一直认为宇宙是处于减速膨胀的状态,但是美国加州大学伯克利分校天体物理学家萨尔·波尔马特、澳大利亚物理学家布莱恩·施密特以及美国科学家亚当·里斯组总共观测了约50颗遥远的“Ia型超新星”,表明当前的宇宙存在加速膨胀。

科学家通过给Ia型超新星定位,并测量它们如何运动;他们发现Ia型超新星的亮度比预期的要暗,也就是说它们正在快速远离地球,这速度比我们预期的要快。

利用“哈勃遗产场”中可以用作“标准烛光”的Ia型超新星。这些超新星对于我们了解宇宙是怎样从减速膨胀变为加速膨胀有重要的作用。

科学家普遍认可宇宙受神秘“暗能量”驱动,处于加速膨胀状态,萨尔·波尔马特等三人认为是“暗能量”的原因导致了宇宙正在膨胀加速,而2011年诺贝尔奖授予它们三人,也意味着学术界对“暗能量”的认可。

学者们认为暗能量的密度可能是一种宇宙常量,而真空则提供了宇宙膨胀的动力,我们可以利用“哈勃遗产场”,更好地研究宇宙膨胀的历史,以及研究暗物质和暗能量之间的联系。

除此之外,还可以通过“哈勃遗产产”研究宇宙膨胀的历史,进而推断暗物质密度。也可以利用哈勃观测到的星系数量,推测暗物质晕的质量函数,进而计算出暗物质的密度范围。

可以说,哈勃望远镜升空的30年,它捕捉到的宇宙图像不断改变人类对于宇宙的认知,截至2009年,自美国“哈勃”太空望远镜1990年发射升空以来,共有20多个国家的2000多名科学家利用这只“太空眼”进行了11万多次天文观测,并在分析观测数据的基础上撰写1346篇论文。

4月24日即将到来,也让我们祝哈勃望远镜30周岁快乐。