本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。
在1990年,從挑戰者號太空梭爆炸的陰霾中走出來之後,美國宇航局(NASA)用發現號太空梭把哈勃太空望遠鏡送入太空。但由於哈勃的主鏡位置偏差了2.2微米,導致出現嚴重的球面像差,使得哈勃觀測到的圖像變得模糊。為了解決哈勃的「近視眼」問題,NASA太空人乘坐奮進號太空梭飛上太空對哈勃進行了首次維修。此後,哈勃開始大顯身手,把我們帶到了前所未知的領域。
哈勃在距離地表540公裡的軌道上繞著地球旋轉,由於太空中沒有地球大氣的幹擾,哈勃可以看到極為深邃的宇宙。哈勃看到了124億年前的超新星——SN 1000+0216,它所在的星系目前距離地球230億光年。哈勃還看到了131億年前的活躍超大質量黑洞——ULAS J1342+0928(類星體),它目前距離地球294億光年。哈勃還發現了133億年前的星系——MACS0647-JD,它目前距離地球319億光年。
有些人可能會有疑問了,既然哈勃太空望遠鏡才觀測宇宙不到30年(29年)的時間,為什麼它可以看到100多億年前的天體,而且那些天體還遠在兩三百億光年之外?哈勃超光速了嗎?
關於這個問題,需要弄清楚哈勃是怎樣看到天體的。哈勃不是光的發射裝置,哈勃觀測到遠方的天體,並不是因為它向外發出了光,然後以光速在宇宙中傳播,再到達天體。如果是這樣,哈勃只能觀測到距離地球30光年之內的天體,根本不可能看到遙遠的河外星系。
事實上,哈勃是光的接收裝置。宇宙中的天體不斷向外發出光,這些光始終以光速在太空中不斷前進。經過一定時間之後,這些光抵達太陽系,並最終到達地球被哈勃接收到。哈勃收集到星光之後,可以對這些光進行成像。然後,哈勃把接收到的光學信息傳回地球,經過進一步處理之後,就得到了我們所看到的天體照片。
無論是哈勃太空望遠鏡,還是人的眼睛,看到物體的原理都是一樣的,都是因為接收到了光才會看到物體。通過肉眼,我們甚至能看到300萬光年外的三角座星系,我們接收到的光是三角座星繫於300萬年前發出的。另外,本身不發光的物體能夠被看到,是因為物體會反射光,只要接收到這些反射光就能看到物體。
因此,無論一個天體距離地球有多遠,只要它發出的光有足夠的時間傳播到地球上,並且光的強度足夠高,這個天體就能被看到。SN 1000+0216超新星在124億年發生爆炸,由於這顆超新星距離地球十分遙遠,它發出的光耗費了長達124億年的時間才抵達地球,所以哈勃看到的是SN 1000+0216在124億年前的景象。
至於為什麼SN 1000+0216超新星所在星系目前距離地球達到了230億光年,是因為空間在過去的124億年裡不斷膨脹,導致它與銀河系之間被逐漸拉開,距離變得越來越遠。
根據目前的哈勃常數估計,SN 1000+0216超新星所在星系現在正以1.65倍光速在遠離銀河系,退行速度超過了光速,這意味著我們在未來不可能會接收到這個星系在目前發出的光。這種超光速現象源自於空間膨脹,與相對論中的局域速度無甚關係。