宇宙中有多少星系?IC1101真是最大的嗎?哈勃深空照揭示了什麼?

2021-01-10 星辰大海路上的種花家

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

宇宙中有多少個星系？這問題肯定是在近地軌道上辛勤工作了數十年的哈勃望遠鏡最想知道的，因為它延壽了數次，快要支撐不下去了，而它的繼任者詹姆斯-韋伯望遠鏡卻還一再推遲，遙遙無期！哈勃的使命-了解宇宙的角角落落都在發生什麼，它在數十年間觀測超過265000個星系，到底佔宇宙的幾何？

梅西耶的大發現

儘管第一個河外星系確認是在哈勃時代，但對於河外星系的大發現我們卻要追溯到100多年前法國天文學家梅西耶時代，因為他的辛勤工作使得我們現在有一份叫做梅西耶星團星雲列表，也時常用梅西耶馬拉松來驗證觀測極限，當然這也是紀念梅西耶最好的一種方式。

梅西耶馬拉松觀測活動

1757年梅西耶記錄了他的第一個河外星系M32，M31仙女星系已經於1612年被德國天文學家西門·馬裡烏斯所記錄（波斯天文學家蘇菲在905年左右就已經描寫過這個星系）。

1758年梅西耶記錄了星團星雲中列表中的第一個天體，M1也就是我們熟悉的蟹狀星雲，這是1054年金牛座超新星爆發的殘骸。

蟹狀星雲

梅西耶從1764年開始製作一張彗星和夜空中看起來朦朦朧朧的天體列表。經過十幾年的觀測後梅西耶分別在1771年、1781年和1784年發表了《梅西耶星團星雲列表》的第一卷（M1-M45），第二卷（M46-M68）和第三卷（M69-M103）。

梅西耶天體列表（部分）

其中藍色表示的都是河外星系，當然梅西耶使用的是50-70毫米的小望遠鏡，根本就看不清這些天體，不過也局限於當時測距技術，也無法測量它們的距離，梅西耶一直以為它們就在銀河系內！

哈勃確認河外星系

1917年威爾遜山天文臺的的2.54米胡克望遠鏡建成，在口徑就是王道的觀測界大發現從此開始，1924年哈勃將它指向了仙女星系（M31），這臺超級望遠鏡將一團光斑的仙女星系分解成了一顆顆恆星，活該哈勃運氣比較好，他居然在裡面找到一顆造父變星（一類高光度周期性脈動變星，也就是其亮度隨時間呈周期性變化）！

因此只要測量了其變光周期後，就可以根據光度變化測量出星系的距離，哈勃以此為依據測量了仙女星系的距離，大約110萬光年，儘管這個數值與現代測定的距離254萬光年相去甚遠，但哈勃至少肯定了一點，仙女星系不在銀河系內，而且它的規模可能超過銀河系！

哈勃望遠鏡觀測m31中的造父變星

隨著對星系的認識繼而發現越來越多的河外星系，另外哈勃對遙遠星系和距離成正比的速度原理，因此檢測紅移也成也星系距離評估的重要參考，而對恆星演化的認識，Ia超新星的標準燭光方法也使得距離測定更加準確。因此大家發現梅西耶天體中很大一部分都是河外星系。

最大的星系是哪個？

到現在為止發現的最大星系是IC1101，但它並不是最近才發現的，而是赫歇爾在1790年就已經被發現，在1895年被約翰·路易·埃米爾·德雷耳收錄在星雲和星團索引目錄（IC）中的第1101個天體，因為當時看起來這就是一片星雲！後來才被確認這是一個獨立星系！

這個星系的分類是超大橢圓星系-透鏡狀星系，距離約10.45億光年，是阿貝爾2029星團中最亮的星系，它幾乎就是正面朝向地球，IC1101有非常大的彌散光半徑，高達200萬光年，大部分透鏡狀星系的直徑在5-12萬光年之間，IC1101的研究者認為，它可能是宇宙中最大的星系！

IC1101真的是宇宙中最大的星系嗎？

當然我們並不能打包票，因為無聊的哈勃望遠鏡幹過幾件令人類極為震撼的事情，哈勃望遠鏡是1990年4月24日發射的，結果數周后發現哈勃成像模糊，經過檢查後發現哈勃的主鏡磨製出現了失誤，存在嚴重的球差，是製造過程中的品控失敗所致，但追究責任已經無濟於事，關鍵是哈勃望遠鏡整個工程已經耗資30億美元，這個誤差幾乎將哈勃前途徹底葬送！

1979年5月，在康乃狄克州丹柏立的珀金埃爾默公司拋光中的主鏡

因此在哈勃的首次維修任務中，將一枚修正球差的鏡片消除這個誤差，這片修正鏡被安裝在第二代廣域和行星相機的CCD前，因預算限制只修正了4片CCD，而不是全部的8片！經過折騰的重裝上陣的哈勃望遠鏡發揮了它該有的價值！隨後的發現也確實讓大家非常震驚！

維修前後的效果對比

哈勃望遠鏡的項目主任有一個10%自由支配望遠鏡使用的時間，當時的哈勃科學研究主任羅伯特·威廉斯決定把1995年的這個「主任裁量時間」用於研究遙遠星系，將它對準了大熊座附近的小塊區域，在1995年12月18日至28日間總共拍攝了342張照片，在多個波段（濾光鏡）下的照片疊加之後獲得了如下照片！

每個亮斑都是一個星系，這些星系最遠可達100億光年！當然這事遠未結束，嘗到了甜頭的遙遠星系研究計劃在1998年9月至10月間南天區杜鵑座：赤經22h32m56.22s，赤緯-60°33'02.69"這個位置拍攝了數百張照片，疊加處理後得到了如下照片：

視野中都是星系，和大熊座區域得到照片類似，看上去空無一物的空域有著無數的星系。2003年9月24日至2004年1月16日，哈勃對天爐座的一小塊區域累積曝光113天的數據，經過處理後得到如下照片：

上圖是HUDF的加強版

哈勃超深空照片顯示的範圍為3平方角分，只有全天空12700000分之一的面積！照片中的部分天體位於133.5億光年外，估計大約有10000個星系！

以上天區都是隨機選擇的區域，任何一個都給了人類無比震驚地發現，在遠達133.5億光年的遙遠宇宙仍然無比熱鬧，宇宙的各向同性是觀測驗證過的，我們找不到天空的任何一處在星系的分布上有什麼區別，那麼請問在這些星系中或者在尚未發現的星系中，IC1101是最大的嗎？相信沒有一位朋友可以保證，因為哈勃觀測的區域只是全天區12700000分之一而已，而且距離是在133.5億光年，按宇宙膨脹速度推算，大約為與300-330億光年左右，而可觀測宇宙高達465億光年，之外有什麼？我們根本沒有理論支持！

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    宇宙中星係數量比推測中要少很多據外媒 CNET 報導，科學家們最近利用美國宇航局（NASA）新視野號任務的數據，在冥王星之外測量宇宙光學背景的亮度。希望能夠測算出宇宙究竟有多少個星系！而之前科學家們推測，在930億光年的可視宇宙範圍內，存在大約數萬億顆星系！然而根據新視野號收集到的數據，宇宙中的星系總數可能是數千億，而不是數萬億。更準確地說，宇宙中只有大約2000億個星系，只有原先推測的十分之一。這意味著，宇宙遠比我們想像中的黑暗。
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    （大笑）隱藏著怎樣的宇宙奧秘？What kind of secret?都卜勒效應應用範圍甚廣，不僅僅是聲波，對於電磁輻射也同樣適用。最早窺探到宇宙秘密的人其實不是我們熟知的哈勃，而是維斯託·梅爾文·斯裡弗，這位美國天文學家。於1912年首次在星系的譜線中發現了紅移。
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