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1986年，美国宇航局（NASA）的挑战者号航天飞机在升空时发生了爆炸，导致机上7名宇航员全部罹难，这次事故也让本该于同年升空的哈勃太空望远镜（HST）推迟发射了4年。到了1990年4月24日，哈勃太空望远镜搭乘发现号航天飞机发射升空，由此开启了前所未有的宇宙探索时代。 哈勃运行在一个近乎圆形的轨道上，它距离地表大约540公里，每95.4分钟绕行地球一周。在太空中，没有大气干扰，哈勃可以接收到宇宙中十分微弱的光，观测到极为遥远的宇宙。 拯救哈勃太空望远镜 不过，哈勃的观测之路并非一帆风顺。由于一块镜片偏离原位置1.3毫米，导致哈勃成了“近视眼”，它所捕捉到的图像显得模糊，还不如地基天文望远镜的观测效果。 在1993年，NASA派遣了一组宇航员前往太空，去维修哈勃太空望远镜。宇航员给哈勃安装了一副“眼镜”，让哈勃能够“看清”宇宙中的天体。 经过维修，哈勃开始展现出它那无与伦比的观测能力。很快，哈勃传回了一系列令人震撼的宇宙照片，它让我们看到了极为深邃的宇宙，回溯到极为久远之前的时间。因为光速是有限的，哈勃看得越远，也就能看到越早之前的时间。 那么，哈勃的观测极限在哪里？哈勃能观测到多远的宇宙？能看到多久之前的时间？ 哈勃的角分辨率 关于哈勃的观测能力，先来了解一下视直径的概念。如果要描述太阳看起来有多大，可以借助视直径这个参数。以太阳为例，太阳盘面直径与边缘相交的两个端点和观测者所形成的夹角大小即为视直径。 根据衍射极限公式，一个光学系统的极限分辨角（Δφ）与入射光的波长（λ）、通光直径（D）有关： 以人眼为例，人眼的极限分辨角约为60角秒，如果一个物体的视直径小于这个值，人眼将无法分辨出这个物体的细节，该物体看起来是没有细节的点。 对于哈勃，其主镜口径为2.4米，它的观测波段为近红外、可见光以及紫外，它的极限分辨角约为0.05角秒。哈勃能辨认出1亿光年外星系中的单颗恒星，也能看到100多亿光年外的星系。 哈勃的观测极限 不过，为了观测到早期宇宙中的星系，单靠强大的分辨能力还是不够的。这是因为遥远星系十分暗淡，它们发出的光抵达地球时，已经衰减到极其微弱的程度。为了观测到这些星系，只能延长曝光时间，尽量收集到足够多的光。 自2003年起，哈勃对准天炉座的一小片黑暗区域进行观测。这片区域的大小（视面积）仅为满月的1%，不到全天的3000万分之一。那里看起来一片黑暗，似乎空无一物。 然而，经过十来年的观测，累计接收了23天的光，哈勃拍摄到了下面这张著名的哈勃极深场（XDF）： 在这块看似黑暗的区域中，聚集着多达5500个星系，其中每个星系又包含数以亿计的恒星。这些星系极其暗淡，其亮度仅为人眼所见极限的100亿分之一。 哈勃极深场中的星系离地球十分遥远，它们位于132亿光年之外，这意味着它们发出的光用了132亿年才到达地球，我们看到的是132亿年前的星系。由于宇宙诞生至今的年龄估计为138亿年，所以这些星系存在于十分早期的宇宙中，那时距离宇宙大爆炸才过去6亿年。 而耗时250天的哈勃遗产场（HLF）更是把我们带向了更为深邃的宇宙： 这其中聚集着超过26万个星系，最远的星系距离地球达到了133亿光年，这意味着我们看到了133亿年前的星系。从星系的尺寸和距离来看，这已经是哈勃的观测极限。 在宇宙中传播的光子除了会因为距离遥远而出现能量衰减之外，还会因为空间的不断膨胀而出现宇宙学红移。早期宇宙中星系发出的光到达地球时，将会有很大的红移值，它们的波长被拉得很长。一旦光的波长足够长，哈勃就无法分辨出来。 突破哈勃的观测极限 不过，宇宙中存在一种天然的放大镜效应——引力透镜效应，这可以让哈勃看得更远，超越观测极限。根据爱因斯坦的广义相对论，星系、星系团这种聚集着大量质量的区域会强烈扭曲周围空间，经过附近的背景星光会被迫沿着弯曲空间行进，这就如同穿过透镜一样。 借由引力透镜效应，可以放大和增亮背景光源，使得哈勃能够观测到远在134亿光年外的星系——GN-z11，这是人类迄今为止发现的最古老星系。
由于宇宙空间在过去134亿年来持续膨胀，如果GN-z11星系还存在的话，它现在已经退行到距离地球320亿光年的地方。根据哈勃常数，可以算出GN-z11目前正以2.29倍光速的速度远离我们而去，这意味着它现在发出的光永远也到不了地球。 超越哈勃的新一代太空望远镜 哈勃的设计寿命只有15年，但30年过去了，哈勃还在太空中运行。经过第一次重大维修之后，后来还有四批宇航员前往太空对哈勃进行升级，这使得哈勃有能力继续探索未知的宇宙。但不管怎样，这架在轨运行30年的太空望远镜已经严重超期服役，它也快到与我们告别的时候了。
早在1996年，NASA就开始了下一代太空望远镜的研发，詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）应运而生。作为哈勃的继任者，这架新的太空望远镜的口径达到6.5米，它可以观测到波长更长的光，从而看到哈勃所无法企及的遥远宇宙。理论上，韦伯可以观测到136亿年前的星系，这意味着我们将有望看到宇宙中形成的第一批星系。
按照计划，已经屡次推迟发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜将于2021年3月30日发射升空。不同于哈勃的近地轨道，韦伯将运行在太阳-地球系统的第二拉格朗日点（L2）上，距离地球150万公里，相当于地月距离的4倍。在那里，韦伯可以躲在地球身后，始终背向太阳，从而能够更好地观测宇宙。 由于韦伯远离地球，未来不可能派遣宇航员前往太空进行维修，所以必须要确保发射万无一失。否则，这架耗资高达96.6亿美元（折合人民币683亿元）的太空望远镜将会造成巨大的损失，给人类未来的宇宙探索蒙上一层阴影。
哈勃已经超额完成了使命，这架载入史册的功勋太空望远镜终将会与人类告别。未来，韦伯会把我们带向更远的宇宙，但我们也不会忘记哈勃曾经的荣光。 |
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