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庞大的星系团阿贝尔 2744（也叫潘多拉星系团）的引力场扭曲，并且放大了既小又暗弱的背景星系。（图片来源：NASA/ESA/J. LOTZ/ M. MOUNTAIN/ A. KOEKEMOER/HFF TEAM(STScl)） 2015年4月，哈勃太空望远镜迎来了它的25岁生日。对每一位天文学家来说，“哈勃”就是我们这个时代的象征。它因为在太空中飞行而免受地球大气层的干扰，带来我们前所未见的星团、星云和星系的清晰图像。不仅如此，凭借灵敏的相机和探测器，并且专注地观察“空白”天区，“哈勃”看到了极其遥远的早期星系。这些星系发出的光需要数十亿年时间才能传到地球。 但是，宇宙学家还想要看得更远些。他们无法为“哈勃”换一面口径更大的镜子，所以找宇宙透镜来帮忙。利用引力透镜效应研究6个遥远的星系团——这个新前沿场项目旨在让“哈勃”探索过去，研究星系的早期形成史。项目负责人、美国太空望远镜科学研究所（简称STScl）的Jennifer Lotz说：“我们这次看得比过去都要远。” 去年3月，在意大利罗马举行的一次会议上，Lotz展示了项目取得的首批成果。她拿给大家看的是2013年11月第三代广域相机（简称WFC3）为潘多拉星系团（阿贝尔 2744）拍摄的照片。此外，“哈勃”还用高级巡天相机（简称ACS）为第二个星团MACS J0416.1-2403拍了照片。2014年夏天，“哈勃”又把WFC3对准了MACS J0416，而用ACS观测阿贝尔 2744。到了2015年，Lotz的研究小组将用这两台相机为另外两个星系团拍照。他们还计划在2016年拍摄第五和第六个星系团，并以此结束整个项目。对这六个观测天区中的每一个，“哈勃”都将投入相当于140次轨道运行的宝贵时间用于观测。
当天文学家首次把“哈勃”第三代广域相机（简称WFC3）对准阿贝尔 2744，进行前沿场观测时，高级巡天相机（简称ACS）则对向其邻近的天区进行平行场观测。之后，两个相机互相交换拍摄目标。如此一来，科学家便分别在 3个光学波段和4个近红外波段获得了这两个天区的观测数据。他们用平行场的观测数据作为参考，以进行比较工作。上图中，蓝框标示了ACS的视场，红框则 对应着WFC3的视场。（图片来源：NASA/ESA/J. LOTZ/ M. MOUNTAIN/ A. KOEKEMOER/HFF TEAM(STScl)） 前景星系团的引力场不仅会放大遥远的背景星系的图像，还会使它们变亮。通过研究这些引力透镜现象，Lotz与同事便可以看到那些原本太暗而无法看见的天体。他们期望由此获得早期星系的更具代表性的样本。 “我们想对星系的早期形成历史展开统计研究，”Lotz说。“星系何时开始形成？头几百万年里形成了多少星系？第一批星系究竟是慢慢形成的，还是快速形成的？为了解答这些问题，我们需要看得更远，比以前看到的还要远10倍。”
前沿场项目利用了大自然的引力透 镜效应——天文学家已在各种情况下观测到了爱因斯坦的广义相对论预测出的这种现象。多亏了相对论，位于前景的大质量物体（在此是星系团）的引力场就像一面 透镜——弯曲了背景天体发出的光，使我们得以看到原本无法看到的天体。因此，引力透镜放大了背景天体（虽然扭曲了它们的图像），使望远镜能够看到原本暗弱 得无法看到的遥远星系。（图片来源：S&T: LEAH TISCIONE） 美国宇航局的斯必泽太空望远镜、“钱德拉”X射线天文台，还有大型地面望远镜也为哈勃的“前沿场”做了辅助性观测。在阿贝尔 2744的观测数据中，研究人员发现星系团的星系数目在红移约为8.5（对应的宇宙年龄为6亿年）之前明显下降。最近，又有两个研究团队分别发现了一个红移为9.8的星系（当时距离宇宙大爆炸不过4亿9千万年）。
从漂亮的图像到科学研究的宝库 25年前，几乎没有人想到，对“空白”天区进行延时曝光会带来惊人发现。在1993年和1998年担任STScl主任的Bob Williams回忆说：“《科学》杂志在1990年刊发的一篇文章中，普林斯顿的天体物理学家John Bahcall写道，他没想到这样的深度观测会看到另一群星系。1995年，当我们着手准备’哈勃’深场项目时，Bahcall和Lyman Spitzer——’哈勃’望远镜之父中的一位——曾经强烈反对这个想法。他们担忧公众的反应，因为这个项目不一定能成功。” 当时，哈勃的公众形象确实值得顾忌。它的主镜刚刚改正球面像差——那时距离它开工不过3年半，有不少人（包括政治家们！）把它视为昂贵却表现不尽如人意的天文玩具。既然如此，为什么还要投入150次轨道运行时间去观测一片空白天区呢？不过，Williams比任何人都知道个中原因。如今在美国国家光学天文台工作的Mark Dickinson曾用“哈勃”进行延时拍摄。在照片中，红移为1.2（回溯时间相当于今日宇宙年龄的三分之二）的星系显现出形如“火车铁轨”般的畸形影像。“这完全改变了我的想法，”Williams说。 在研究所的图书馆举行的例行早会上，Williams与同事首次头脑风暴出”哈勃”深场的概念。“我们非常激动。把一切问题都拿出来讨论，”他回忆说。“我们应该对着一个，还是多个天区进行深场观测？应该选择已知天体作为观测目标，还是根本无需目标天体？哪种滤镜最适合深场观测？观测数据何时能向天文学界和公众开放使用？”这样的外部咨询委员会没有达成一致意见。最后，Williams决定使用自己作为项目主管可自由支配的观测时间，把其中一大部分——总计141小时——用于观测大熊座内一块相对来说天体较少的天区。“必须要试一次，”他回忆说，“所以我们就做了。” 1995年12月18日至28日，“哈勃”用第二代广域行星相机（简称WFPC2）在4个波段进行了342次独立曝光。仅仅17天过后，他们就向外界发布了经过全面处理的数据。这张标志性图像揭示出2000多个星系，其中绝大多数星系距离我们极其遥远。“回想起来，那次观测非常成功，”Williams说，“特别是凯克望远镜在后来3年里为其中的130个遥远星系拍摄了光谱。凯克的观测使“哈勃”的深场观测从漂亮的天文图像转变成为科学研究的宝库。”
“哈勃”的深场观测好比立体的时间隧道，既捕捉到银河系附近的恒星，也让我们看到130亿光年之遥的早期星系。上图用不同颜色的圆圈分别标示出第一个前沿场观 测看的天体：前景恒星（红圈）、前景星系（橙圈）、星系团中的星系（黄圈）、弱引力透镜星系（绿圈）、强引力透镜星系（蓝圈）和极遥远的背景星系（紫 圈）。（图片来源：NASA / ESA / J. LOTZ / M. MOUNTAIN / A. KOEKEMOER / HFF TEAM(STScl)）
我们根据星系的光谱，可以推算出它的红移；红移告诉我们，星系发出的光在膨胀的时空中走了多久才到达地球。换句话说，光谱可以把二维的深场图像转换成早期星系样本的三维分布图。遗憾的是，我们只能对比较明亮的天体拍摄光谱。所以，我们仍然无法知道深场里那些最暗弱的星系的距离，直到美国加州理工大学的Chuck Steidel、加州大学圣克鲁兹分校的Piero Madau及其他人完善了测光红移技术——从星系在多个波段的相对亮度推算出其红移的技术。 这项技术兴起于上世纪60年代，由此测得的红移最初不太准确。不过，通过发展更好的光谱模型，并且将其与深场星系的凯克光谱进行比较之后，天文学家显著提高了它的红移测量精度。时至今日，这项技术实际上已经扩展到30、甚至更多个波段。“就像是低分辨率光谱，”Williams说，“在我看来，测光红移这个概念的确立就是’哈勃’深场及其后继观测带来的最重要的一项成果。” 的确，新前沿场并非是继“哈勃”深场观测之后的第一个项目。在1998年9-10月，WFPC2对南天的杜鹃座进行了深场观测。同时，太空望远镜成像光谱仪（简称STIS）、近红外照相机和多目标光谱仪（简称NICMOS）也对这一天区进行了观测。紧随其后的是“哈勃”超深场项目（2003-2004年），并在2012年拓展到红外波段，此外还有2012年的“哈勃”极深场项目。类似GOODS和CANDELS这样的观测项目同时也为天文学家提供了更大天区范围的浅度观测数据。当然，各种“哈勃”深场观测天区已经被“钱德拉”和斯必泽分别在X射线和中红外波段仔细研究过了。
天文学家把“哈勃”为南天狐狸座内一个面积为2x2.3角分的极小块天区拍摄的数十幅照片拼合在一起，获得上面这幅极深场（简称XDF）图像。在这个天区 里，约有5500个远近不同的星系，其中绝大多数是蓝色的早期星系。所有图像均由第三代广域相机（简称WFC3）和高级巡天相机（简称ACS）拍摄。 XDF是迄今为止最深度的图像，揭示了宇宙大爆炸后5亿年时的早期星系。（图片来源：NASA/ESA/G. ILLINGWORTH, ET AL./HUDF09） “这些非凡的观测带来了惊人的科学成果，”Williams说。例如，深场观测揭示出在宇宙大爆炸后5亿年，宇宙的恒星形成率非常低。但是，当宇宙年龄约为25亿年时，它的恒星形成率却提高了好几个数量级，达到最大。观测还指出，早期宇宙中必然存在大量非常炽热却很暗弱的天体——很可能是它们在宇宙年龄不足10亿年时电离了星系际介质。 当然，这些观测还看到了已知最遥远的星系，包括现在的纪录保持者MACS0647-JD和UDFj-39546284。它们的红移可能是10或者11。Williams说：“目前，我们有关遥远宇宙的认知大多得自于这一连串的深场观测。它们向我们展示了宇宙演化的早期历史，正是那样的演化过程最终导致了人类的出现。对我们所有人来说，理解这些过程将让我们更加理解人类自身。”
那么，天文学家如何让“哈勃”做得更好，取得更大的成就呢？2012年夏天，STScI现任主任Matt Mountain正与“哈勃”项目主管Ken Sembach讨论另一个深场观测项目的前景。在与“哈勃”科学工作组及该领域各方面专家进行咨询、磋商之后，前沿场项目成形了——这个名字是Sembach想出来的。“我们能不能比’哈勃’超深场做得更好？”Lotz说。“回答是：如果“哈勃”能与大自然的透镜协同工作，并且重复进行6次合作，我们就能获得更好的观测结果。”
前沿场项目组挑选出6个天区作为观测目标。此前的“哈勃”深场项目专门挑选相对来说天体较少的天区进行观测。与此不同，所有的前沿场观测天区内都有前景星系团充当引力透镜。（图片来源：SOURCE: HFF TEAM (STScl)） 引力透镜让天文学家“抢先一睹JWST将看到的宇宙”，Lotz说。这里提到的JWST就是6.5米口径的詹姆斯·韦伯太空望远镜。它是“哈勃”在红外波段的后继者，预计于2018年下半年升空。在每一次前沿场观测中，“哈勃”的其中一台主相机——要么是ACS，要么是WFC3——将对精心挑选的星系团进行观测，而另一台相机则负责观测星系团附近的空白天区（即空场）。半年后，两台相机彼此交换观测天区。如此一来，ACS将在3个光学波段，同时WFC3将在4个红外波段，对每一个星系团和每一个空场进行拍摄。 同时进行的空场观测必不可少，因为天文学家担心宇宙方差的影响。Lotz解释说：“平均来讲，宇宙各处看上去很相似，但又不完全一样。由于超深场每次只能盯着一个方向看，因此，我们又另外添加了6个空场观测，作为参考样本。”星系团的引力透镜效应能把遥远星系发出的微弱光芒放大10倍，甚至在极少数情况下放大100倍。因此，我们预计能在星系团中看到最早期的、也是最遥远的星系。“图像本身算不上是最深的，”Lotz说，“但它们却能呈现出我们目前为止所能看到的、宇宙最深处的景象。”
上图展示了前沿场项目计划的其余 5个观测天区。每个天区都有一个大质量星系团。它们的引力透镜效应将让我们看到极其暗弱的早期星系。（图片来源：NASA ESA J. LOTZ / M. MOUNTAIN / A. KOEKEMOER / HFF TEAM (STScl)） 我们所以挑选这6个星系团，是考虑到它们的预期放大率、展幅（整个星系团必须完全置于“哈勃”相机的视场内）以及它们在天空中的位置：夏威夷的凯克望远镜和智利的ALMA将对它们进行后续观测。5个小组独立工作，分别根据现有数据制作出星系团的引力透镜效果图，由此预测极暗的背景星系的透镜图像可能出在哪里。 Lotz领导的研究团队希望在3年内完成这6个前沿场观测。届时，该项目的观测时间累计将达到相当于840个轨道运行时间。截至本文发表时，6个天区中只有头4个天区获准观测；委员会很快将对该项目进行评议，以决定是否继续进行后2个天区的观测。Lotz对此信心十足：“以后，我们甚至还可能增加更多前沿场观测。“哈勃”的后继者——JWST将来可以观测这些星系团，以及我们在选择目前的前沿场观测天区时还不知道的、更好的星系团。” 第一个前沿场观测的数据分析工作已经全面展开。11月1日《天体物理学杂志》发表的一篇科学论文提到，约翰·霍普金斯大学的Wei Zheng与同事在星系团阿贝尔 2744中发现了18个红移大于7的星系。但还没有一个星系的红移达到甚至超过9。不过，作者提醒说，我们需要更多的前沿场观测才能确定：在红移8以前，星系的形成速度很快。 不过，另有研究组发现了一个位于红移9.8的三重透镜星系。这个天体的展幅仅为300光年，比银河系小了500倍。它基本上还只是一个物质团块，刚开始大批量地形成恒星。它的恒星形成率是银河系的三分之一，也比其它处于红移8的星系的恒星形成率低。由美国加州理工学院的Adi Zitrin领导的小组最先发现了这个天体，并在9月5日把他们的研究结果发布在《天体物理学杂志快讯》的网络版上。由耶鲁大学的Pascal Oesch领导的研究小组独立证实了这一发现，并把结果提交到《天体物理学杂志》准备发表。这个发现也许只是冰山一角，暗示着大量小星系的存在，正是这些星系日后会长成为我们今天所见到的庞大、壮观的星系。
天文学家在第一个前沿场观测中发 现了这个既小又极遥远的星系。根据它在各个波段的亮度，这个三重透镜星系的红移约为9.8，由此成为我们迄今为止见到的最遥远的星系之一。它的存在证实了 早在宇宙仅4亿9千万年老时，小星系便开始形成了。（图片来源：NASA / ESA / A. ZITRIN (CALIF. INST. OF TECHNOLOGY), AND J. LOTZ, M. MOUNTAIN, A. KOEKEMORER, AND THE HFF TEAM (STScl)） 前沿场项目算得上是“哈勃”做过的最出色的深场观测了。如今，已经工作了近四分之一世纪的“哈勃”不再安装新相机或者探测器了。天文学家让它与大自然的透镜协同合作，把它的探索能力发挥到极限。“哈勃”深场概念之父Bob Williams充满感情地说：“真是太棒了。有些学科的科学家只能研究遗迹。天文学却是唯一一个能真正让你看到过去的学科。” |
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