時光之眼：哈勃穿越133億年時光揭露宇宙誕生之初的秘密

2020年4月24日，哈勃望遠鏡服役30周年。西瓜視頻、今日頭條聯合BBC出品的紀錄片《哈勃三十年：揭示宇宙奇觀》在全球網絡進行了首播，再次掀起了大眾對哈勃的熱情，我們今天就來回顧一下哈勃傳奇的一生。

2009年，隨著美國太空梭的退役，哈勃太空望遠鏡進行了最後一次維修升級，從此孤零零地在太空發揮它最後的餘熱，幫我們探尋宇宙的真相和遙遠的從前。直到今天，哈勃已經能夠看到133億年前的景象，為我們揭露了宇宙誕生之初的秘密和宇宙加速膨脹的現實，以及大量以前我們所觀測不到的宇宙真相。

毫無疑問，哈勃太空望遠鏡是人類目前為止最成功的宇宙觀測設備。時至今日，服役達30年的哈勃太空望遠鏡拍攝了超過140萬張精美的宇宙圖片，其美輪美奐的宇宙景象和時光影像都深深地震撼了我們。

哈勃太空望遠鏡升空30周年發回的作為自己慶生禮物的璀璨星圖。（美國國家航空航天局網站）

哈勃的初衷

上世紀40年代，科學家希望在不受地球大氣層扭曲的情況下觀察宇宙，1990年4月25日哈勃空間望遠鏡是首個被送入太空繞地軌道的望遠鏡，它就是這一夢想的實現。它的任務是解開宇宙中一些最大的謎團。從恆星是如何形成的、到宇宙的年級、到黑洞和暗能量。

哈勃太空望遠鏡的構造

哈勃望遠鏡在540公裡高的近地軌道飛行，目標並不是離觀察目標更近，而是遠離大氣層的幹擾，大氣層會讓圖像達不到我們所要的清晰度。

哈勃平均每90分鐘繞地球一圈，在三十年裡，哈勃已繞地球175,200圈，觀察到的最遠星系（MACS0647-JD）大約距離地球133億光年。世界上任何天文家都可以申請使用哈勃望遠鏡。從它被投入使用至今，大約已有兩萬名個體使用者進行過觀測。

哈勃望遠鏡

這裡面最重要的是，哈勃可以看見我們人類看不見的紅外光和紫外線，這為我們探尋宇宙的全貌奠定了基礎。

哈勃雖然已經沒法維修，但是科學家希望將哈勃的運行壽命堅持到2040年，再為人類工作十年，以便完成還有許多尚未探知的秘密。

哈勃探尋的是宇宙的歷史，看到遙遠的過去

哈勃天文望遠鏡看到的不僅是遠方，而且還是宇宙的歷史。通過NASA/JHUAPL/SWRL拍攝的圖像。天文學家有幸觀察到過去發生的事情，被稱之為「回望時間」，我們對宇宙年齡的最佳測量是137億年。光在一年中傳播的距離稱為光年。哈勃觀測到的最遙遠的星系距離它133億光年。

有了哈勃我們知道宇宙的年齡在138億年之間，哈勃觀測到遙遠星系的景象其實都是歷史，是在過去發生的事情，看的越遠，離宇宙誕生之初的景象就越近。或許有一天，我們可以看到奇點爆炸的那一刻。

哈勃觀測到的最遠星系（MACS0647-JD）大約距離地球133億光年。

哈勃的超級視力

哈勃的視力不僅來源於直徑2.4米的超級鏡片，由於擺脫了大氣的湍流和對宇宙射線的吸收，哈勃望遠鏡和任何一臺地基望遠鏡相比，在觀測能力方面都有至少10倍的優勢。哈勃望遠鏡的解析度極高，用個形象的比喻就是可以從北京看到紐約的螢火蟲。

各大光學望遠鏡主直徑比較

不僅如此，哈勃望遠鏡還有著比人眼更寬廣的電磁波接收範圍。除了可見光以外，它還能觀測到紫外線和一小段紅外線，極大地擴展了人類的視野。就算哈勃望遠鏡能夠觀測、拍攝紫外線和近紅外波段，但在我們的肉眼還是什麼也看不到的。這就像自然界本就有紫外光，但只有蜜蜂、蝴蝶等動物看得見，人類卻什麼只能看見一片透明。可是，在哈勃望遠鏡傳回來的照片裡，這些波段的宇宙圖景仍然可以生動地展現在我們眼前。

人眼能夠感受的可見光僅僅佔了電磁波極小的一部分

當然了，這些光線不可能被我們人類直接看到，哈勃發回來的照片其實是黑白的，科學家將哈勃拍到的黑白照片經過去噪（去除宇宙射線和粒子對鏡片的轟擊）——拼圖（將多幅照片拼接成一個圖）——多頻譜照片疊加（把波長不同的各個照片疊加）——上色（根據波長照片賦予不同的顏色通道）等流程，才形成了我們今天看到的彩色宇宙照片。

去噪-拼圖-疊加-上色-合成才最終形成我們看到的照片

在發射時，哈勃空間望遠鏡攜帶的儀器如下：

廣域和行星照相機（WF/PC）

戈達德高解析攝譜儀（GHRS）

高速光度計（HSP）

暗天體照相機（FOC）

暗天體攝譜儀（FOS）

後面經過五次維修，替換了其中一些設備，使得哈勃的視力更加敏銳。

哈勃的五次維修/升級

哈勃在軌運行期間，經過了五次維修和升級，讓哈勃越來越強大。

太空人艙外行走維修哈勃

太空人維修哈勃太空望遠鏡

• 第一次維修/維護

1993年，太空人在哈勃第一次維修任務中移除了廣角和行星照相儀，並安裝了功能更強大的「後繼者」——2號廣角和行星照相儀。

• 第二次維修/維護

1997年2月11日凌晨，美國7名太空人搭乘「發現」號太空梭為「哈勃」更換了包括近紅外照相機、多目標分光儀和太空望遠鏡圖像攝譜儀在內的11種新設備，並修補瞭望遠鏡上部分剝落的絕緣層。

• 第三次維修/維護

第三次維護任務仍然由發現號在1999年更換了全部的六臺陀螺儀，也更換了一個精細導星傳感器和計算器，安裝一套組裝好的電壓/溫度改善工具(VIK)以防止電池的過熱，並且更換絕熱的毯子。

• 第四次維修/維護

2001年，科學家利用美國「哥倫比亞」號太空梭對哈勃望遠鏡進行的第四次維修，安裝測繪照相機，更換太陽能電池板以及已工作11年的電力控制裝置，並激活了休眠狀態的近紅外照相機和多目標分光機。

• 第五次維修/維護

2009年，美國利用太空梭對哈勃望遠鏡安裝了兩套全新的儀器：宇宙起源光譜儀（COS）和寬視場相機，對望遠鏡的另外兩臺儀器——高級巡天相機（ACS）和太空望遠鏡成像光譜儀（STIS）進行了現場維修，此外，還用新電池替換了哈勃用了18年的舊電池，安裝了6個負責望遠鏡指向的新陀螺儀，並添加了一套全新的精細制導系統來幫助望遠鏡指向正確的方向。

由於美國太空梭的退役，哈勃再也無法維修和升級，將在軌完成它最後的使命等待它傳奇一生的落幕。

哈勃的主要成就

• 揭示了宇宙的本質

在哈勃太空望遠鏡這30年的宇宙探索過程中，科學家們不僅通過它的實際觀測信息否定了「地心說」這樣的固有觀念，對誕生於宇宙早期階段的重元素組成進行了分析。哈勃太空望遠鏡的觀測信息更讓我們了解到，恆星是如何生成、銀河系之外還有其它星系、恆星周圍的複雜氣體殼是怎樣的結構等等。

• 發現了宇宙的加速膨脹、宇宙的直徑和宇宙誕生的時間

與此同時，原本充滿爭議的宇宙年齡，也從數十億年到數百億年這個巨大的浮動範圍，精確到了138億年左右。而誕生於宇宙大爆炸之後6.8億年左右的EGS77，則被稱為已知最古老而遙遠的三重星系群，它同樣也是哈勃太空望遠鏡的觀測成果。

目前來說，我們可觀測的宇宙，直徑大約是465億光年。這個尺寸，也被稱作是哈勃體積。2019年7月，新的哈勃常數測量，增加了宇宙膨脹率的奧秘。根據《天體物理學雜誌》的論文指出，他們使用哈勃望遠鏡所做的新觀測表明，附近宇宙的膨脹速率接近每秒70毫秒/兆帕秒（km / sec / Mpc），1秒差距等於3.26光年的距離。

通過紅移現象發現了宇宙膨脹不是在減速，而是在加速，顛覆科學家對於宇宙膨脹的認知。

我們用眼睛可以看到的光是電磁光輻射範圍的一部分。短波長的光是更高的能量，波長越長，能量就越低。哈勃太空望遠鏡能看到原始可見光，還有一些紅外線和紫外線輻射。通過NASA/JHUAP/SWRL的映像可以看到更遙遠和更早期的。HST的同名者Edwin-Hubble在20世紀早期發現宇宙正在膨脹，是來自遙遠星系的光被轉移到更長的地方，更長的紅波，一種叫紅移的現象。

• 揭示了暗能量和超大質量黑洞的存在

而宇宙中另一種被稱為暗能量的神秘物質，其實也是由哈勃太空望遠鏡發現的。它的觀測數據分析出，宇宙的膨脹速率並不像科學家們之前預期的那樣正在減緩，反而還會隨著時間的遞進而加速膨脹。而唯一可以解釋宇宙膨脹速率加快的理由，就是一直在影響宇宙的膨脹速率的暗物質。

黑洞是宇宙中最神秘的物體之一，當M87*黑洞的照片發布時，很多人都激動不已，儘管它只是一張合成的黑洞照片。根據科學家們目前的研究來看，理論上所有大質量星系的核心都至少存在一個超大質量黑洞，而此類宇宙存在體的發現者正是哈勃太空望遠鏡。但在此之前，人們認為黑洞只是極個別現象。

哈勃的高光時刻

勃望遠鏡自1990年發射以來，給人類帶來了很多及其珍貴的照片。下面就一起欣賞一下那些哈勃所帶來的高光時刻。

1994年彗星撞擊木星（圖源：哈勃三十年：揭示宇宙奇觀）

哈勃著名的「創造之柱」，內部擁有許多能夠滿足恆星形成的物質。拍攝於1995年

1992年木星大紅斑

2100光年以外的蝴蝶星雲；拍攝於2009年

1萬光年以外的氣泡星雲，2016年拍攝於哈勃望遠鏡26歲生日

明亮的IC434星雲，頂部附近還擁有一個「恆星形成區」，距地1500光年。

螺旋星系NGC 130的圖像，這張圖也是哈勃觀測史上最大的一幅完整星系圖像之一。

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哈勃望遠鏡是目前用途最廣，貢獻最大的太空望遠鏡，大家可以在今日頭條或西瓜視頻觀看紀錄片《哈勃三十年:揭示宇宙奇觀》，一起感受哈勃這傳奇的一生以及宇宙的浩瀚。