哈勃望远镜的五大科学发现

Ray Villard　Shea

从暗能量到外星行星再到黑洞，哈勃空间望远镜正在帮助天文学家解开宇宙中最大的奥秘。

从20年前哈勃空间望远镜被放入“发现”号航天飞机的货仓准备发射的那一刻起，就注定了宇宙将向世人呈献出迥然不同的一面。

地面上最强大的光学望远镜只能看到整个宇宙的一半。用它们估计出的宇宙年龄存在着巨大的差异。在它们眼中，超大质量黑洞只是隐藏在罕见剧烈现象背后的黑手。它们也无法告诉我们，在其他恒星的周围是否存在有行星。

在1990年4月25日被部署入近地轨道之后，哈勃空间望远镜作为太空中的第一个大型光学天文台立马就做出了一系列的发现和突破。它也迅速地成为了空间天文学黄金时代的开路先锋。

今天，“哈勃”直径2.4米的反射镜和高山之巅的直径8米乃至10米的巨型望远镜比起来似乎微不足道。但是，位于地球大气层之上给了“哈勃”巨大的优势。它的视力始终要比地面上的望远镜锐利10倍。诚然，能够改正大气扰动的自适应光学系统已经缩小了这个差距，但“哈勃”的清晰图像是遍布整个视场的。此外，由于没有了天空背景，“哈勃”还具有了以高对比度观测遥远天体的非凡能力。

同时，“哈勃”的光学稳定性又保证了它可以以完全相同的分辨能力和数据质量在不同时间重复地观测某个天体。“哈勃”还能够看到许多不同波长的光辐射，从紫外线一直到近红外，这赋予了它真正的“全色”视力。

有了这些强大功能的武装，“哈勃”的惊人发现贯穿于整个天文学，改写了教科书，催生出了超过7000篇的科学论文，唤起了公众对宇宙的好奇心。

下面就让我们去看一下哈勃空间望远镜的五大最杰出的科学成就：

一、从较小结构演化而来的星系

1990年，天文学家只能探测到红移最高为0.7的正常星系，这个数值在宇宙中所对应的距离相当于70亿光年，而宇宙是它的两倍大。多年来天文学家一直猜想，如果宇宙是从大爆炸的火球冷却而来的，那么星系必定是演化而来的。地面观测无法确定哪几个相互竞争的理论能最好地描述星系在早期宇宙中的形成和演化。

1985年，一个由顶级天文学家所组成的委员会得出结论，如果“哈勃”花200个轨道周期的时间来对宇宙进行“深度曝光”，那将会是徒劳的。他们假定，从当时已知的宇宙外推，远距离宇宙的空间几何会打散正常星系所发出的光，使它们过于弥散而无法被“哈勃”观测到。

幸运的是，大自然非常地配合。即便在1993年光学系统修复之前，“哈勃”的早期观测就发现了打破当时纪录的红移为1.5的星系，它所对应的距离超过了90亿光年。这些星系看上去似乎较现在的更紧凑，因此所发出的光都集中到一个较小的领域中——得以让“哈勃”能够探测到它们。天文学家注意到了许多形状怪异的“病态”星系。而正常星系中由恒星形成产生的亮点则清晰可见。

这些发现鼓舞了当时空间望远镜研究所（STScI）的所长罗伯特·威廉姆斯（Robert Williams）把他的大块主管观测时间用来进行了一次长达数百万秒的最深曝光。它的极限星等达到了前所未有的28等——比肉眼所能看到的最暗弱天体还要暗上10亿倍。

2002年随着“哈勃”的高新巡天相机安装到位，STScI的下一任所长史蒂夫·贝克威思（Steve Beckwith）又把它向前推进了一步，拍摄了哈勃超深空区（HUDF）照片。这确认了天文学家并非是因为偶然才只看到了紧密天体而错失了更大的星系。HUDF达到了29等的极限星等，但仍然只发现了发育中的不完整星系。

2009年5月安装到“哈勃”上的大视场照相机3最新在近红外波段上再一次推进了这一深度观测。由此也发现了红移高达9的天体，它们所对应的时间相当于宇宙诞生之后仅6亿年。

就像一帧一帧地来观看一部电影，哈勃深空巡天揭示出了婴儿期宇宙中结构的出现和随后星系演化的动态阶段。在“哈勃”之前，近距离上的星系碰撞只是有趣的个别现象。但是，这些深空图像却显示，在早期宇宙中星系的碰撞并合是家常便饭的事情。这为宇宙随着时间在不断发生变化提供了令人信服且直观的证据。

二、超大质量的黑洞遍及星系

当“哈勃”发射时，天文学家们只在双星系统中证实了黑洞的存在。在这一系统中一颗恒星爆炸，其核心会坍缩成具有几个太阳质量的黑洞。但是，天文学家怀疑，质量远大得多的黑洞必定是更强大的“引力引擎”，驱动着由近及远的一系列超高能现象，例如赛弗特星系、耀变体和类星体。

但是，为了“称量”黑洞，探测隐藏着的或“不发光”的物质是不是超出了恒星所能达到的极限，就需要精密的分光观测。当空间望远镜成像光谱仪（STIS）在1997年投入运转时，天文学家迅速将其对准了最近的迷你类星体——室女座巨型椭圆星系M87明亮的核心。和更遥远的类星体一样，M87也有一条从它的核心高速射出的喷流，而喷流通常都与黑洞有关。

“哈勃”测得M87核心的质量高达30亿个太阳质量。这一结果完全得益于STIS对M87核心周围做轨道运动的高温气体的测量。这些气体的速度表明核心处的质量要远高于仅有恒星聚集所能达到的程度，证实了黑洞的存在。

1997年对27个近距星系的研究发现，在它们的中心都存在超大质量的黑洞。这使得天文学家得出结论，超大质量黑洞极为普遍，每个大型星系中都有一个。

更深刻的是，“哈勃”发现中央黑洞的质量和星系中心由恒星所构成的核球的质量直接相关：核球的质量越大，黑洞的质量就越大。这说明有某种未知的反馈机制将星系的演化和黑洞的生长联系了起来。目前，有6种理论试图来解释这一现象。但这同时也意味着，没有人确切知道星系和黑洞的纽带究竟是什么样的。

三、暗能量的存在

“哈勃”曾经的一个重点项目是确定宇宙正在以多快的速度减速。因为在大爆炸之后引力必然会对空间膨胀施加阻力，这就像在斜面上自下而上运动的一个小球，它的速度最终会减小。

持续了几十年的一个问题是，宇宙是否拥有足够的引力来完全阻止其自身的膨胀。“哈勃”可以看到遥远的Ia型超新星并准确测量它们的亮度，这使得天文学家可以回溯宇宙更久远的过去进而测量它的膨胀速率。

1998年，美国约翰·霍普金斯大学、美国空间望远镜研究所的天文学家亚当·里斯（Adam Riess）利用他的团队所收集的超新星巡天数据，写了一个计算机程序来计算宇宙的减速率。奇怪的是，这个程序不断给出一个具有负质量的宇宙。起先里斯认为这只是一个程序中的错误。但后来他意识到，计算机程序其实是想给出一个“荒谬”的结论：真空会产生排斥能！

在美国加州，另一个由美国劳伦斯伯克利国家实验室的索尔·珀尔马特（Saul Perlmutter）领导的小组也独立地发现了类似的宇宙加速膨胀。他的研究小组发现，遥远的超新星比预期的要更为暗弱。这意味着，和宇宙正在减速或者甚至“滑行”相比，在我们和超新星之间有着更多的空间（距离更大）。因此，宇宙现在必定正在以比早先更快的速度膨胀。

这两个组偶然间发现了爱因斯坦所预言的一个幽灵般的能令宇宙保持静止的制衡力，被称为宇宙学常数。由于天体物理学家还不清楚它的行为是否严格地如宇宙学常数所述，因此这一现象现在只是被称为“暗能量”。

“哈勃”后来又观测到了一颗100亿年前的超新星，进一步支持了宇宙中有暗能量存在的事实。这颗超新星异常的明亮，说明在很久以前宇宙确实是在减速，但此后宇宙的膨胀便开始了加速并一直持续到现在。这一转变大约发生在70亿年前。

从那以后，天文学家们进行了更多的观测期望能更好地确定暗能量的特性，并确认它的行为是否真的像爱因斯坦的宇宙学常数那样。天文学家们就此为下一代望远镜提出了一些新的研究方法，其中包括了观测更多的超新星以及测量天空中由宇宙大爆炸原初等离子体中的作用力所引发的重子声学振荡。

四、精确测定宇宙的膨胀速度

由于地质学证据以及达尔文的进化论，19世纪后期的科学家都认为地球极为古老。即使是伟大的爱因斯坦也认为，宇宙必须是静态的，也许因此也是永恒的。然而，按照他的广义相对论，宇宙却要么会膨胀，要么会坍缩。

1929年，埃德温·哈勃（Edwin Hubble）为宇宙有着一个有限的年龄提供了第一个观测上的证据。他发现，距离越远的星系，它离开我们的速度越快，其比值由哈勃常数给出。这意味着空间在往各个方向上膨胀。事实上，这里经常所提到的观测到的光线红移并不是星系退行的速度所造成的，即并非是多普勒效应，而是空间本身的膨胀拉伸光的波长的结果。

通过精确地测定宇宙膨胀的速度，科学家就可以倒转宇宙时钟，计算出宇宙的年龄。但是，由此估计出的宇宙年龄的精度会受制于精度较低的距离测量结果。而哈勃常数的精确值则是校准其他宇宙参数的关键。

由于空间望远镜可以比地面上的望远镜分辨出更多、更远的造父变星——一类可用做近距宇宙中距离标尺的恒星，因此精确测定哈勃常数成为了“哈勃”早期的重点项目。

在“哈勃”发射时，宇宙膨胀的速度存在着巨大的不确定性。哈勃常数的预估范围在50千米/秒/百万秒差距到100千米/秒/百万秒差距之间。这意味着，宇宙的年龄可以年轻到只有80亿年或者老到160亿年。

1994年，“哈勃”河外距离尺度重点项目的温迪·弗里德曼（Wendy Freedman）宣布他们测得的哈勃常数值为80千米/秒/百万秒差距，这意味着一个相对较年轻的宇宙。但令人费解的是，由此得出的宇宙年龄在80亿年至120亿年间，比最古老的恒星年龄还要小。这看起来似乎是恒星演化模型还存在问题。

到20世纪90年代后期，哈勃常数的值已经精确到了只有大约10%的误差。2009年，亚当·里斯及其合作者使用了遥远星系中的造父变星来细化和完善了宇宙的“距离阶梯”。这使得天文学家能够精确把宇宙膨胀的速度定在74.3千米/秒/百万秒差距，其不确定性不超过5%。

回想起来，这几乎是预料之中的，天文学家最终确定的值恰好在先前50千米/秒/百万秒差距和100千米/秒/百万秒差距的正中间。考虑到暗能量的作用，由此得出的宇宙年龄为137亿年——足以能容纳宇宙中测量到的最古老的恒星。

五、采样太阳系外行星的大气

直到“哈勃”发射升空5年之后，天文学家才在另一颗普通恒星的周围发现了第一颗太阳系外行星。对于当时的地面望远镜而言，外星行星过于暗弱无法被直接观测到，但它们会造成其宿主恒星规律地摆动，由此泄露了天机。这一现象唯一能提供的信息就是外星行星的轨道周期以及它的粗略质量。

然而，到了90年代后期，天文学家已经可以观测到太阳系外行星的凌星（从其宿主恒星前方通过）。由于可以在其宿主恒星的映衬下来观测外星行星，这为探测它们的特性提供了可能。天文学家很快就把“哈勃”的独特能力用到了它们身上。

“哈勃”对太阳系外行星的大气进行了首次测量。在这一具有里程碑意义的观测中，美国哈佛大学的戴维·夏博诺（David Charbonneau）对穿过外星行星大气的宿主恒星星光进行了分光观测，发现外星行星HD 209458b的大气中存在钠。

在后续的观测中，“哈勃”还发现了凌星行星大气中的二氧化碳、氧和水蒸气。热类木星无疑是没有生命的，但“哈勃”能对其大气进行分析证明了将这一方法用于外星类地行星大气来寻找生命示踪物质的可行性。

尽管取得了这些进展，但对外星行星直接成像仍十分困难，甚至对于“哈勃”也是如此。直到2008年，“哈勃”才第一次在可见光波段下拍摄到了围绕北落师门的一颗年轻气态巨行星。

六、接下来是什么

多亏了航天飞机计划和宇航员团队，“哈勃”的照相机已经升级到最先进的程度。如今的“哈勃”和1990年发射时相比强大了100倍。

一些重点项目仍然期望能从“哈勃”身上获得最大的科学回报。其中一个就是通过测量25个巨型星系团的引力透镜来研究宇宙中暗物质的分布。“哈勃”还将拍摄250000个遥远星系的深度照片。另一个雄心勃勃的计划则是对位于邻近仙女座星系（M31）某一个象限中的恒星和星云拍摄一张巨大的彩色拼接照片。

因此，“哈勃”的好戏还在后头。（来源：科学松鼠会）