【原】从哈勃到哈勃深空场——“哈勃”这29年都给我们带来些什么？

最可爱的人bsvu 2019-08-27

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按计划，本期应该更新“哈勃”望远镜的通信系统。但时值“哈勃”升空29周年，我们还是简单聊一下“哈勃”给我们带来的一些变化吧。

更多的是，希望越来越多的人热爱“哈勃”，热爱天文，热爱物理，热爱科学。

工程技术—CCD数字成像技术

拍摄海量数据，存储是个难题。早期成像卫星采用胶卷式相机，要存储这么多胶片，就需要把望远镜造得十分巨大，然而那时的大推力运载火箭技术不成熟，这就死死卡住了望远镜的拍摄效率。为此，美国人发明了不用胶卷的CCD数字成像技术。

早期美国侦察卫星为返回式，拍摄照片量小，在轨时间短。CCD成像技术成熟之后，出现了锁眼-9和锁眼-11，锁眼-9发射失败，锁眼-11就是“哈勃”的姊妹。有关“哈勃”和“锁眼”之间的关系，请看往期文章“从哈勃到哈勃深空场（十）—是哈勃也是锁眼，望远镜有颗间谍（卫星）心”。

在“从哈勃到哈勃深空场（九）—坎坷的十年”中我们聊到，太空侦察的早期，为了能够把相机胶卷运回地面，卫星被设计成返回式的。返回式卫星的典型特征就是长得太像洲际导弹弹头了，因为二者都要面临从外层空间重返大气层，钝头体设计（可以参考往期系列文章“浅析再入式航天器钝头体设计 1，浅析再入式航天器钝头体设计 2”）是不可避免的。

“哈勃”望远镜的眼睛是被称为巡天照相机（Advanced Camera for Surveys，ACS），ACS由大视场照相机（Wide Field Camera，WFC）、高分辨率照相机（High Resolution Camera，HRC），以及太阳目眩照相机（Solar Blind Camera，SBC）组成。其中每一台设备都是为不同的观测精心设计的，尽管太阳目眩照相机听起来很刺激，但它并不是用来观测太阳的。这张照片是宇航员杰弗里霍夫曼（Jeffrey Hoffman）在1993年12月的第一次哈勃维修任务（SM1）中拍摄，他正在拆除第一代大视场照相机（WFPC 1）。图片来源：NASA。

“哈勃”望远镜中被委以重任的当属大视场照相机WFC，它的设计原则就是尽可能多的收集和分析来自遥远星体所发出的光。核心部件是两块耦合在一起的CCD。图中一名技术人员手持“哈勃”望远镜的CCD设备（照片来自NASA/ESA and the ACS Science Team）

如今，CCD技术飞入寻常百姓家。现在我们手中的数码照相机、摄像机、手机都装上了CCD设备，照片不再需要冲印，放到电脑上即刻就可以通过互联网传向世界各地，这也可以说是“哈勃”给我们的生活带来的改变。

工程技术—中继卫星

在距地550公里近地轨道上的“哈勃”绕地球一圈大概90多分钟，路过美国上空的时间很短，尽管美国有遍布全球的军事基地和观测站，但是增设观测站和运营维护将是一笔巨大的开支。

为此1983年4月，美国在航天飞机第六次飞行任务STS－6中部署了首颗中继卫星TDRS－1。尽管此次发射并不完美，TDRS－1还是在轨工作了26年，直到2009年10月才退役，并于次年6月停用。遗憾的是第二颗一代TDRS卫星TDRS－B搭乘挑战者号航天飞机在STS－51－L任务中解体。

现在中美俄日欧都建立了自己的中继卫星网，它们跟踪、测定中、低轨道卫星，实时转发遥感、遥测数据，承担着国际空间站和载人飞船的通信和数据传输中继业务。

神舟五号任务时，中国还没有自己的中继卫星，因而杨利伟上天后我们与之通讯除了几艘派到外面的远望测量船就只能依赖本土的几个测控站，这就使得与杨利伟的通话有着严格的时间限制。2003年10月15日17时26分，在神舟五号飞船飞行第六圈时，杨利伟与时任国防部长曹刚川通话，这次通话时间很短，以致杨利伟简短汇报任务后就必须结束通话。

三个小时后，飞船飞行第八圈，杨利伟与家人通话，这次通话只持续了不到五分钟。在这短短的几分钟之外，他是没有办法与地面取得联系的，只能一个人蜷缩在狭小的飞船舱内，默默承受着孤独与恐惧，熬到下一个通信窗口。

神舟五号返回后，我们随即立项“天链工程”，建立自己的中继卫星网络。2008年4月25日23时35分第一颗中继卫星“天链01星”由长三丙火箭送入同步轨道，天链卫星正式组网。

2012年7月25日随着“天链一号03”星入轨，我们的“天链”中继卫星系统全面建成，实现全轨道覆盖。

“天链”组网第二年，2013年6月20日的神舟10号，女航天员王亚平给全国中小学生通过央视直播的方式，进行了长达51分钟的太空授课，51分钟，飞船绕地球转了多半圈了

科学探索—估算宇宙年龄

宇宙的年龄一直是人类孜孜以求的谜题，这里说的宇宙的年龄是以我们地球为参考系，自宇宙大爆炸那一刻起到现在，所流逝的时间的总和。

如果您看过《从哈勃到哈勃深空场（二）—膨胀在气球上的宇宙》您一定对哈勃定律不陌生，“哈勃”望远镜就是以哈勃定律的发现者爱德文·哈勃命名。在这篇文章中我们详细聊了哈勃定律，造父变星测距法以及宇宙膨胀理论，在后续文章《从哈勃到哈勃深空场（四）—'A Day Without Yesterday'》中我们又详细介绍了宇宙大爆炸理论的发现历程。

哈勃发现视向速度和星系距离成正比例关系，这就是大名鼎鼎的哈勃定律：V=HD，这里V表示星系远离我们的退行速度，D表示星系的距离，H表示哈勃常数，也就是说星系的退行速度与距离之比是一个定值，这个定值就是哈勃常数。

哈勃定律直接从实验观测证明了宇宙是处于膨胀中的，这推翻了爱因斯坦的宇宙学常数假设（不同于现在的宇宙学常数）。这个膨胀速率就是哈勃常数H

既然宇宙是在膨胀中的，而且膨胀的速率又是一个常数，一个定值，那我们就可以计算宇宙从一个点膨胀到现在这个样子所需要的时间。这个时间其实很好计算，就是哈勃常数的倒数，用1除以哈勃常数，得到的数值其实就是宇宙的年龄。只要这个哈勃常数测量得越精确，那么宇宙的年龄也就会被计算得越精确。

早期真人爱德文·哈勃用肉眼观测了上百个星系中的造父变星，通过估算红移大小得到了一个哈勃常数，当时得到的哈勃常数误差较大。现在，有了哈勃太空望远镜，我们观测星系红移等规律的手段上了一个新台阶。

2009年，“哈勃”望远镜通过对NGC 4258中造父变星周光关系测量，取得了更为精确的哈勃常数：72±8。

NGC 4258（也称为M106）是一个位于猎犬座螺旋星系，它由法国天文学家皮埃尔·梅香（Pierre Méchain）于1781年所发现，它也是一个赛弗特星系（Seyfert galaxies），由于星系发射出X射线，意谓着有一个超大质量黑洞位于星系的核心。

由哈勃常数计算得到的宇宙年龄是个秒数，需要换算成年。这是笔者用上述哈勃常数自己计算的宇宙年龄，约为137.6亿年，与当今世界公认的138.2亿年相差仅0.4%。

但是这里需要大家注意一下，这个计算方法的假定前提是宇宙是匀速膨胀的。如果宇宙不是匀速膨胀的，那么这个计算结果就有问题了。

现在观测到的宇宙是加速膨胀的，更为诡异的是，在不同时期，宇宙加速膨胀的速度还不一样。

关于宇宙膨胀的问题，我们会在后面详细讲到，它直接引出了当今宇宙学领域中最大的谜题—暗能量。

科学探索—变加速膨胀的宇宙

通过种种努力，人们对造父变星所作的直接观测将“哈勃常数”限定在了70到75 km/s/Mpc之间，允许有大约5%－10%的误差。然而天文学家并不感到满足：5%－10%的误差使得人们只能估测宇宙年龄，对宇宙膨胀的详细细节无从了解。

关于宇宙膨胀的细节，最初宇宙学家和物理学家认为这个膨胀过程是减速的，因为有万有引力的作用嘛，它会拉慢宇宙的膨胀速度。

可是随着天文观测的深入下去，尤其是“哈勃”、“斯皮策”、“钱德拉”、COBE以及WMAP望远镜（往期文章“从哈勃到哈勃深空场（七）—大爆炸与威尔金森微波背景辐射探测器”）的发射，对宇宙膨胀观测精度的不断题高，天文学家惊讶地发现，宇宙是在加速膨胀，而且不同时期，宇宙的膨胀速度还不一样，也就是说宇宙是在变加速膨胀的。

上世纪末，美国加利福尼亚大学伯克利分校的物理学家萨尔·波尔马特（Saul Perlmutter）研究小组想到了借助“哈勃”望远镜，用Ia型超新星和造福变星相结合的方法得到更为精确的哈勃常数，进一步揭露了宇宙加速膨胀的更多细节。

Ia型超新星爆发过程中，质量极大的白矮星吸取巨星的物质（主要是氢），当达到1.44或3.00个太阳质量时，会引发碳爆轰，这一特殊的核反应方式，使得这类爆炸的恒星在闪耀时本身都拥有相同的亮度，而且非常明亮，足以在更加遥远得多的距离上被看见。因而Ia型超新星爆发是造父变星之外的另一类常用的宇宙量天尺

这个小组的测量方式类似于接力赛。他们先用哈勃空间望远镜测量了包含Ia型超新星的星系中造父变星的距离，这样就知道了这个星系到地球的距离，星系中的Ia型超新星和造父变星到地球的距离也就知道了。

利用造父变星法校准了超新星爆发的真实亮度，使得更为明亮的超新星能够被用作宇宙量天尺，去测量遥远得多的其他星系的距离。

今天被认为是最优的宇宙距离台阶搭建方式中，利用了视差法、造父变星和Ia型超新星。左边的虚线框中观测者利用视差法校准造父变星法，中间的邻近星系中造父变星被用来校准超新星。而Ia型超新星因为亮度很高，可以延伸到宇宙深处。

由于Ia型超新星比造父变星明亮得多，这个小组用300颗更遥远的Ia型超新星与已知距离的Ia型超新星作比较，进一步测定它们所属的那些遥远星系的距离。

哈勃空间望远镜拍摄的星系UGC 9391，是这项新研究中采用的星系之一。这个星系包含两类“量天尺”——造父变星（红圈所示）和Ia型超新星（蓝色光标所示）——天文学家利用它们计算出了更精确的哈勃常数。图片来源：NASA/ESA/A. Riess [STScI/JHU]

哈勃空间望远镜拍摄的五颗超新星爆发的图片，第一行图片中的箭头指向爆发的超新星，第二行图片中箭头指向的是超新星爆发前/后的宿主星系。图片来源：NASA; ESA; and A. Riess, STScI

根据这项观测结果，这个天文学小组发现宇宙膨胀速率比理论估计快了9%。这一差异意味着，要么对于宇宙微波背景辐射的观测是错的，要么就是有某种未知的物理现象正在加速空间的膨胀（暗能量？）。

波尔马特的工作与一年前布莱恩·施密特（Brian Paul Schmidt）得到的宇宙膨胀速率随时间变化的曲线图相一致，他们与亚当·里斯（Adam Guy Riess）一起分享了2011年诺贝尔物理学奖。

科学探索—哈勃深空场之恒星的数量堪比沙粒

1995年一个美国天文学研究小组租用了哈勃望远镜，与以往不同的是，这个小组选择了一个颇受争议的天区进行观测：位于大熊座的一小片天空中最黑的黑区。所谓黑区，顾名思义就是看上去什么也没有的黑黑的区域。

要知道，全世界的天文学家都在排着队租用哈勃的观测时间，有多少重要的研究项目因为申请不到哈勃的观测时间而被搁置。哈勃观测时间表，安排得满满当当。图片来源：HUBBLESITE

消息一公布，举世哗然，NASA也太不靠谱了吧？！

这一小片黑区有多小呢？用专业一点的术语讲是144弧秒，相当于站在一百米开外看一个网球的大小，放在天空中就是一个点的大小，它只占整个天区的2400万分之一。图片来源：NASA；ESA;

更不靠谱的还在后面，这个研究小组租用了整整11天的观测时间。

原来是美国太空望远镜科学研究所所长罗伯特·威廉姆斯（Robert Williams）在捣鬼，他还有另外一个身份：「哈勃深空场」项目的负责人。尽管如此，不少天文学家和媒体预言，哈勃这一天观测下来，那片黑区什么也看不见，这次观测最后会成为一个“笑话”，浪费哈勃宝贵的观测时间。

就在一片嘲讽之中，“哈勃”上路了，它把镜头聚焦到了这片黑黑的区域，从12月18日一直观测到了12月28日，在这11天当中，哈勃望远镜绕地球转了150多圈，它在四个不同的波段上曝光了342次。曝光的过程中，在宇宙中高速旅行了一百多亿年的光子一颗一颗地打在“哈勃”极为灵敏的感光元件上，形成了342张图像。谁都不会想到，这些光子组成的图像，将让全世界的天文学家经受一次革命性的洗礼。

342张图像合成后的照片就是著名的哈勃深空场，尽管有些不完整，但这恐怕是人类天文学历史上最为重要的一张照片了。照片中每个小亮点其实都不是一颗星星，而是一整个星系，一个像银河系这样包含了上千亿颗恒星的星系！

在这样一个只有2400万分之一的天区中，“哈勃”就拍摄到了超过3000个星系。

是不是很震撼？！

很早之前观测就已经证明，宇宙中星系的分布密度是基本均匀的，哈勃深空场就告诉天文学家，宇宙中可以被观测到的星系总数将超过1000亿个，在这张照片出来之前，全世界哪怕是最富有想象力的天文学家也只认为宇宙中的星系不会超过千万个，但是这一次，哈勃太空望远镜直接把这个数字推到了1000亿的数量级。

如果假设宇宙中所有星系平均大小与我们所在的银河系一样，那么宇宙中平均每个星系就包含了1000亿到2000亿颗恒星，这样估算下来，全宇宙中恒星的数量将是1000亿乘以1000亿！

这个数字我们不大好想象，一个公认的类比是，它差不多是地球上所有沙粒的数量！

尽管难以置信，但它就是哈勃望远镜带给我们的实实在在的观测事实。

科学探索—哈勃深空场之恒星的诞生、成长、死亡与葬礼

哈勃深空场的海量星系照片让天文学家对银河系的演化找到了第一手资料，就像通过观察三千个人的身高、发育得知一个人一生的成长、发育、死亡一样。

在同一时刻拍摄到的星系数量足够多，就能够知道一个典型星系的演化过程。我们可以观察其他不同星系的形态，来了解银河系的过往与未来。

哈勃太空望远镜的宽视场相机拍摄到了这张照片，照片中年轻的恒星S106正处于生长旺盛期，它高速喷射出物质，产生发光、炽热的氢气，表明它正在摆脱母尘埃云逐渐长大，宏达的图像显示恒星形成过程有多暴力。图片来源：NASA；ESA

同样的故事发生在M83星系的旋臂上，恒星诞生在旋臂红结所在之处，这里弥漫着许多气态的星云，新生的小星用它们炽热的光照亮了整个星云，蓝结是刚形成不久的年轻星族们的聚集地。整个M83星系还处在活跃的发展演化之中。图片来源：NASA；ESA

有生就有死，星星也难逃这样的命数。哈勃太空望远镜捕捉到了葫芦星云中（OH 231.8+04.2）像太阳大小一样的恒星死亡时候的样子，这课恒星经历过从红巨星到行星状星云的快速转变，在此期间，恒星将外层的气体和尘埃吹向宇宙空间。这样的过程很难捕捉到，因为它发生在眨眼之间。图片来源：NASA；ESA

蝴蝶星云一直为大家喜爱，然而这种美却是一种凄美——这是2009年欧空局用哈勃望远镜拍摄到的恒星死亡的画面。星系的中心有两颗相互缠绕旋转的恒星，这对恒星在死亡之际抛出灼热的气体形成两极形外观，它的形状酷似一直蝴蝶，因而起名为蝴蝶星系。

在劲烈的恒星风的作用下，蝴蝶星云还在以超乎想象的速度向外扩张。这些尘埃气体向着太空延伸，最终可能成为孕育新生恒星的原料，开启下一个轮回。图片来源：NASA；ESA

就像人之间的相遇一样，星系也有相遇的时候，事实上星系的碰撞、合并是宇宙中的主旋律。当两个星系彼此接近时，原来的形状就会受到引力作用产生变形。位于天龙座的蝌蚪星系就是两个星系相撞、变形形成的。看起来像个小蝌蚪，它的尾巴是星系相撞后伸展出的一条尘埃带，它由气体、尘埃和星星组成，长达28万光年。图片来源：NASA；ESA

科学探索—惊世大碰撞

在从哈勃到哈勃深空场（一）—“男神带你肉眼看（仙女座）星云”我们聊到通过光谱分析发现，仙女座星系正在以110 km/s的速度靠近银河系，并在大约38亿年后，与银河系开始合并。

恐惧中人们不禁好奇，相撞后的银河系会是什么样的呢？

在哈勃望远镜升空18周年之际，研究机构向世界公布了59个星系碰撞的照片，这些照片展示了星系碰撞时如何在前所未有的细节中产生各种各样的复杂结构。现在宇宙已经膨胀到了一个很大的尺度，星系碰撞发生的不像以前那样频繁，毕竟在很久很久（这里的很久，真的是很久很久）以前，星系与星系之间靠得十分近。图片来源：NASA；ESA