哈勃深場:哈勃用了30年來告訴人類,宇宙的盡頭究竟在哪?

宇宙到底有多大？這是一個從古至今困擾人類的話題。人類對於宇宙的認知，從一開始僅限於天地的「天圓地方論」，到後來終於接受了地球是球體的事實。可儘管如此，人類相當長時間認為地球這顆的行星是整個宇宙的中心。直到後來的哥白尼理論，威廉·赫歇爾時代才讓天文學家的視野進一步擴展，漸漸開始認識到地球僅僅是蒼茫宇宙中微不可見的一小隅。

真正讓天文學家們了解到宇宙尺度級別的轉折，大概是因為天文望遠鏡製造技術的極大發展，近些年尤以哈勃望遠鏡為天文望遠鏡中的明星產品。從此天文學家利用威力日益強大的望遠鏡，不斷將宇宙的起源回溯至更久遠的年代。而今年，也正巧是哈勃望遠鏡升空30周年整了。

哈勃深場

2014年哈勃極深場

這些照片僅僅是哈勃所帶給我們驚喜的冰山一角，在天文研究的眾多領域裡，哈勃把人類的知識極限推向了新的高峰，這是哈勃升空之前，人類遠遠不能到達的領域。比如說哈勃深場，哈勃超深場，哈勃極深場。這些名詞，不管你是不是一個天文愛好者，很大概率都會在天文科普乃至影視作品中有所耳聞。那麼，讓人疑惑的地方是，到底什麼是深場，超深場、極深場又有多「深」呢？其實，三者說的都是宇宙的尺度有多大，存在一個遞進的關係。而我們今天來了解的，是大爆炸理論與哈勃之間的聯繫。

宇宙膨脹理論：宇宙正在不斷膨脹

最初的嘗試所有存在的物質，包括我們的身體、空氣，乃至巨大的行星、恆星、廣闊的星系一起構成了宇宙。即使是我們賴以生存的太陽系，也一直在變化著，並且這種變化非常顯著。可是，整個宇宙太大了，它的變化反而顯得極為細微，可又的確正在發生著。

1625年，愛爾蘭人詹姆斯·厄歇爾成為阿爾馬的大主教，他猜測地球始於公元前4004年10月的一個早晨。當然啦，這位大主教先生不是天文學家，他根據《聖經》的資料，計算出的結果自然是錯得離譜，差了足足100萬倍。但是這並非毫無意義，這是人類開始嘗試追溯宇宙源頭的一次嘗試。

儘管這是一次失敗的嘗試，天文學家們很快就迎來了極大的進展。他們發現地球巖層的放射性物質與太陽系其他系統並無兩樣，由此推算，才有了今天的地球已經存在了46億年的說法。

地球巖層的放射性物質與其它系統差不多

大爆炸理論的提出

天文學家們很快發現宇宙的年齡比起地球尤有甚之，差不多達到了130億~140億年。並且，天文學家們還發現所有的星系似乎都在遠離我們，仿佛整個宇宙都是在膨脹的，於是也因此有了大爆炸理論。通過對目前這種膨脹速度的測算，天文學家已經大概能確認大爆炸發生於宇宙形成之初，也就是大約138億年之前。

至於小說和影視作品中喜歡提到的「時空」說法，無非是時間與空間。空間相對好理解，而時間本身卻是從大爆炸開始才開始計量的。至於大爆炸之前發生了什麼，誰又知道呢？只能是不同學者的各抒己見罷了。

目前的理論：大爆炸後的宇宙不斷膨脹

大爆炸之後大爆炸後，按照時間，可粗略地分為四個階段：

1.普朗克時間的極短時期：普朗克時間的極短時期，僅有10^-43秒，在那個時間段裡，儘管已經發生了大爆炸，可是仍然不會有時間與空間，因為時空本身以及一切物理定律都還在形成中，不過在短暫地度過了這一瞬間之後，宇宙的時空形成，也開始遵循我們所知曉的物理定律。並且在兩個階段之間的某個瞬間，宇宙的溫度可高達10^27開，第一批粒子，包括電子形成。

爆炸初期模擬圖

2.百萬分之一秒：在這個時期，中子和質子開始形成，此時的溫度已經降到了只有10億開，質子和中子開始結合，形成氘核（重核）和氦。也正是因為這個短暫的時期，宇宙中的氫氦比例也因此固定。

3.接下來的30萬年：宇宙漸漸安靜下來，膨脹冷卻，可本質上宇宙還是那個年輕而狂躁的宇宙，各種原子核散落於電子海洋，宇宙迷霧重重，輻射尚來不及傳播多遠就被粒子散射改變方向。簡單來說，這個時期宇宙中的情景，大概就是霧中所透出光線的朦朧感，倒也頗有幾分詩意的感覺。

4.30萬年以後：溫度下降了，僅有3000攝氏度，原子核和電子開始結合，第一代氫氦原子形成。與此同時，各種粒子大量減少，「迷霧」消散，輻射幾乎不再受影響了，宇宙這才變得「透明」。

宇宙大爆炸膨脹模式圖

宇宙的的尺度有多大？

宇宙膨脹了這麼久，我們只知道宇宙一定已經很大了，可實際上具體是多大呢？宇宙的大小又可以用什麼樣的單位去衡量呢？其實，根據原子，我們可以推算出宇宙的尺度。

在初中物理，我們就知道原子很小，是組成物質的單位。在宇宙中，最小的物體是原子中的粒子，它是一切正常物質的基本構成。原子直徑大約10^-10米。也就是說，在一米的範圍中，原子們可以手拉手，並排站100億個。而電子圍繞原子核不停地高速運動，大小僅有10^-15米。

原子繞核高速運動

我們將這些微觀世界例子放大10億倍來看，才能與我們的日常生活相匹配，通常用英寸、英尺、碼、釐米、米作為單位來描述長度。地球本身也是會發熱的，其發熱直徑比本身還要再大幾百萬倍，大約10^7米。比地球尺寸再大10億倍，才能讓我們超越行星的範疇，位於離太陽最近恆星四分之一的路途上。

拉尼亞凱亞超星系團是宇宙網絡中的一個

四分之一是怎麼回事呢？我們經常聽到描述宇宙用光年的計量單位，1光年等於10^13千米，正好是剛剛所說的四分之一。把這個距離乘10萬，就得到了更大一級天體的尺寸，對於我們來說，那就是銀河系；再乘50，就得到了銀河系所在超星系團的尺寸；再擴大200倍，差不多到達了100億光年，接近宇宙的大小了。

從微觀粒子到宇宙邊緣，換句話說，宇宙是最小粒子的10^42倍。

哈勃深場、超深場、極深場：天文界的考古學

一次力排眾議的勇敢嘗試1995年聖誕節，哈勃揭開了被稱為「天文考古學」研究的新紀元。1995年底，一群天文學家做出一個大膽創新的嘗試，他們把世界上最精密的哈勃太空望遠鏡，首次連續十天指向一個區域。

我們聽起來可能不算什麼，可是要知道，哈勃的使用壽命並非無限制的。哈勃最初的使用年限被定為了15年，作為如此昂貴的一臺天文望遠鏡，每天的成本都相當於一筆巨大的開銷。因此，連續十天觀測一個看似啥也沒有的「空區域」，自然遭到了許多天文學家的質疑。當這個實驗首次提出的時候，沒有人真正知道這是否會帶來任何有意思的科學結果。

哈勃對區域連續拍攝十天

當天文學家細看首張照片時，都被它驚呆了！僅照片中的一個細小區域裡，就有超過3000多個星系，這也就是我們之前所提到的哈勃深場，遠達120億光年。在首張深空區中所見的上千個星系，位於演化的不同階段，它們就像是串聯起一條綿延數十億光年的長廊。通過瞥視處於不同時期的星系，我們就能夠研究它們在時間洪流中的演化。

進一步觀測當首張深場照片完成後，另一張長時間曝光的深空區就選址在南天就行拍攝，結合哈勃北深場及哈勃南深場，它們共同構成了天文學家們窺視宇宙初期演化的窗口。

南天深場

北天深場

這兩張哈勃深場在現代天文學界掀起了一次翻天覆地的革命。當首次深空區觀測進行之後，幾乎所有的地面以及太空望遠鏡都開始觀測哈勃所觀測的同一片區域進行不同角度全方位觀察。由多種不同大小、位於不同環境、對不同波段有不同靈敏度的儀器共同協作，往往能得到一些有意義的天文成果:

不同時期恆星的誕生率恆星誕生的特徵類行星盛行的時期人類最值得稱讚的品質之一就是永不停止的探索精神。既然天文學家開啟了一道前所未見的宇宙深空大門，他們就不會停下腳步，並且試圖將觀測的極限推到更早的時代。2003-2004年，哈伯得出了哈勃場；2014年，哈勃又更新了哈勃極深場，觀測距離高達132億光年。

哈勃望遠鏡可以回溯時間宇宙的尺度，簡單來說，是以宇宙誕生的時間和空間來丈量的，也正因為宇宙的不停膨脹，才有了宇宙這個說法。而哈勃望遠鏡所拍攝的最具有天文學意義的圖像就是哈勃極深場(HUDF)。哈勃極深場，意味著可見光宇宙的最深入探測，包含了很多極其暗弱以至於無法用地基望遠鏡觀測到的星系。凝視這些圖像，我們其實就是在追溯時間。正如玄幻小說中常常有時間追溯的說法，看似腦洞大開，卻也確實有些科學道理，所謂時間追溯，本質上來說就是對光的追溯。

通過哈勃望遠鏡回溯時間

深場觀測區域有多大HUDF瞄準的是天爐座一片極小的天區，只有滿月大小的五十分之一。可能這樣的說法有些難以理解，我們不妨這樣想，對於HUDF來說，差不多就相當於透過一根直徑2.4米的吸管望向宇宙深處。也多虧了哈勃望遠鏡高高處於大氣層之上，倘若是尋常的地標望遠鏡，看相同一片區域，也只能發現空無一物。

哈勃極深場觀測區域與滿月對比模式圖

儘管感覺上看到的區域很小，但正是這「小小」的區域，包含了足足有10000個形態、大小、顏色各異的星系。既有漩渦星系和橢圓星系，也有奇怪形狀的許多不規則星系，甚至其中的一些正在發生相互作用。極深場內的星空，因為更年輕，所以遠比我們所處的秩序井然的星系要混亂得多。

其實早在《列子》中的《天瑞篇》就曾對混沌一詞有過解釋：氣形質具而未相離，故曰渾淪。渾淪者，言萬物相渾淪而未相離也。儘管科學發展至今，人類可以登上宇宙，探索星空，卻也不得不佩服古人對天文的許多超前的智慧看法。

宇宙不同層次星系劃分圖

人類真的能將觀測視野延伸到宇宙邊緣嗎？

儘管哈勃極深場已經將觀測視野延伸到了132億光年，可是距離宇宙的邊界也仍然有著不小的差距。有這樣的說法：宇宙的起源大約138億光年，可事實真就如此嗎，誰也說不準。

不過讓人欣喜的是2016年，天文學家們又發現了新的最遠星系：GN-z11，這個不規則星系與我們的距離高達144億光年。它大約誕生於宇宙誕生後的4.2億年，可以說，它是名副其實的「與天同壽」了！

CN-z11星系

哈勃望遠鏡探測到越來越遠的遙遠天體，這意味著人類越來越接近大爆炸發生的時間。但是僅憑哈勃望遠鏡應該是沒有可能將觀測視野推進到宇宙起源了，畢竟今年已經是哈勃望遠鏡工作的30年整，大大超過了預期的使用期限。

哈勃望遠鏡確實將要迎來退役，不出意外的話，2021年，哈勃的繼任者詹姆斯·韋伯望遠鏡將發射投入使用。人們期待著韋伯望遠鏡可以觀測到更遠的過去，也許可以觀測到第一代恆星。不過，在詹姆斯·韋伯空間望遠鏡發射之前，哈勃極深場將保持著太空觀測的深度記錄。

詹姆斯·韋伯空間望遠鏡

詹姆斯望遠鏡也是一個「命途多舛」的望遠鏡，因為種種原因延遲發射，至今已有十多年，不過詹姆斯·韋伯還是有很多值得期待的地方：

更大，更精密：韋伯口徑高達6.5米，是哈勃的3倍；發射質量輕：約6.2噸，相當於哈勃的一半；工作波段範圍更廣：韋伯可以在紅外波段工作；耐低溫：能在接近絕對零度，即零下273.15攝氏度工作；反射式鏡頭的設計，史上最科幻的飛行蓮花外形。

這個角度來看哈勃和韋伯的主鏡比較，就

到底應該怎麼評價哈勃？

哈勃從誕生以來多災多難，毛病不斷，正應了中國那句老話「新三年，舊三年，縫縫補補再三年。」相比於最新一代的韋伯望遠鏡，哈勃在各個方面也顯得捉襟見肘。它為我們帶來了壯麗的宇宙深場，進一步證實了宇宙大爆炸理論。因此，我們要記住的是：哈勃，永遠是人類歷史上的一大傳奇！

哈勃望遠鏡是一個巨大的成功，是永遠值得人類紀念與自豪的豐碑。哈勃望遠鏡用這30年的時間，帶著全人類體驗了一段跨越時空的旅程，通過這架非凡的望遠鏡，去欣賞精彩、神秘、美得令人窒息的宇宙。