耗時30年，130億年前宇宙圖像如何被哈勃拍攝出來的？

1990年4月24日，發現號太空梭將哈勃望遠鏡送入軌道。對於太空探索來說，這是一個激動人心的時刻，因為哈勃承諾將拍攝出令人難以置信的圖像，向我們展示宇宙形成的早期景象。

當哈勃望遠鏡一上線，科學家們就注意到它的鏡片有一個嚴重的問題。儘管這是有史以來切割最精確的鏡片，但僅僅2000納米的微小缺陷意味著哈勃將無法產生清晰的圖像。

三年後，科學家們設法修復了這面鏡子，哈勃開始掃描宇宙，尋找它最初的奧秘。

那時，哈勃望遠鏡已經運行了近30年，捕捉到了遙遠恆星和星系中最令人驚嘆的圖像。但就像所有的事物一樣，哈勃也有它的局限性，在不久的將來，世界上最著名的望遠鏡將走向終結。

它還剩多少時間呢？為什麼它達到了它所能觀察到的極限？

在它的一生中，哈勃望遠鏡拍攝了數百萬張令人驚嘆的照片。它能夠觀測到普通望遠鏡無法觀測到的電磁波譜的其他部分，由於它位於地球大氣層外，所以可以一覽無垠地觀測整個宇宙，這使得它能夠捕捉到比地面望遠鏡更暗、距離更遠的物體。

儘管如此，哈勃望遠鏡最好的圖像總是飄忽不定，而且物理學的局限性可能會阻止它看到任何已經變暗或變深的東西。

為了觀察宇宙中最遠、最暗的物體，你需要一架解析度極高、能夠捕捉儘可能多光線的望遠鏡。望遠鏡的解析度受限於它能穿過鏡子的波長數。

望遠鏡的角解析度衡量它識別兩個獨立物體的能力，這兩個獨立物體在被望遠鏡觀察時具有較短的角距離，這是1.22乘以光的波長除以鏡子的直徑。當觀測到可見光約500nm時，哈勃望遠鏡的角解析度約為0.05弧秒。這比人眼的解析度高出1000倍。

對於更短的波長，比如紫外線，解析度會更高，哈勃望遠鏡的角解析度可以低至0.01弧秒。哈勃望遠鏡所能觀測到的波長類型也很有限。

恆星發出的光範圍很廣，雖然哈勃望遠鏡可以觀測到很廣的範圍。但它無法觀測到比近紅外線更大的波長。這就限制了它對遙遠物體進行時間回溯的能力。

當宇宙膨脹時，空間的結構也隨之膨脹。當光在宇宙中傳播時，它的波長會隨著空間的膨脹而拉長。這意味著當光線到達哈勃望遠鏡時，它的波長要比離開物體時更長。

這就是所謂的紅移現象。

隨著物體距離的增加，它的光在空間中傳播的時間越長，紅移現象就越大。如果光線紅移太多，它可能會被拉伸到超出哈勃觀測範圍的波長。

哈勃望遠鏡的主要目標之一是發現已知宇宙中最遠的星系。它在2016年實現了這一點，當時發現了星系GN-Z11。這個星系位於320億光年之外，我們從它身上看到了這個星系在134億年前的樣子，差不多是宇宙大爆炸後4億年。

這個星系處在哈勃望遠鏡所能看到的距離的極限，是在一些不可思議的情況下被發現的。這個星系正好位於宇宙的一個區域，在它和哈勃望遠鏡之間幾乎沒有中性氣體。

這使哈勃望遠鏡能夠清晰的觀察這個星系。來自星系的光線經過附近的另一個星系，導致它被引力透鏡化。當一個物體發出的光被另一個物體的引力所彎曲時，就會發生這種現象。

否則會錯過觀測者的光被彎成一個方向，把它引向觀測者。這使得來自星系GN-Z11的光被放大到剛好足夠讓哈勃望遠鏡觀察到它。

到目前為止，哈勃望遠鏡拍攝這些令人驚嘆的照片已經29年了。由於它的設計，哈勃能夠在軌道上得到服務。多年來，太空梭機組人員先後5次訪問哈勃，進行修理和更換有故障的部件。

然而，自從2011年太空梭項目結束後，就再也沒有能力維護哈勃望遠鏡。這已經開始對望遠鏡產生一定的影響了。

哈勃望遠鏡上有6個陀螺儀，它用這些陀螺儀來操縱和精確地將望遠鏡對準目標。在過去的5年裡，有3個陀螺儀失靈了。即使哈勃在接下來的十年裡繼續工作，它的軌道也在不斷地衰退，到2030年，哈勃將會撞向大氣層，並在到達地面之前燃燒殆盡。

當這一切發生時，下一代太空望遠鏡將在軌道上運行，為我們提供更多令人驚嘆的宇宙圖像。

但是，人們將永遠不會忘記哈勃拍攝的開創性圖像。儘管哈勃在退役前已經存在了幾十年，但與它成功捕捉到的物體的年齡相比，它的存在不過是曇花一現。

儘管如此，這架望遠鏡背後令人難以置信的工程和科學，幫助我們在了解宇宙方面向前邁出了一大步。