[科普中国]-迄今最详细宇宙照片“哈勃遗产场”公布，可追溯133亿年前星系

哈勃太空望远镜是天文史上最重要的仪器之一。自1990年发射升空之后，帮助天文学家们解决了许多天文学上的基本问题，其超深空视场是天文学家目前能获得的最深入、也是最敏锐的太空光学影像。近日，科学家们根据其历史数据，公布了迄今最详细的宇宙照片——“哈勃遗产场”。这一照片由7500张图像拼接形成，记录了哈勃太空望远镜16年的观测资料。在这张照片中，可追溯到133亿年前至今的26.5万个星系。哈勃是怎么做到这一切的呢？100亿美元经费投资我们知道，科学研究有时候是一个相当烧钱的事业。当然烧得钱越多，所取得的成果也可能越震撼。哈勃之所以能拍摄出最详细的宇宙照片，这与它得到的经费有很大关系。1978年，美国国会拨款3600万美元筹建哈勃天文望远镜——以天文学家哈勃的名字命名，他在几十年前发现了宇宙在膨胀，这是宇宙学上最重要的发现之一。制造哈勃望远镜花了很多年，因为技术难度很大，所以项目一直延期，到1986年，已经花费11.75亿美元，等到1990年发射，预算已达47亿美元。在此之后，从1993年到2005年，“奋进”号、“发现”号、“哥伦比亚”号、“亚特兰蒂斯”号航天飞机先后发射，宇航员对哈勃进行了5次大规模维修，不仅修正了镜片缺陷，还做了大量核心器件的维护更新。到目前为止，加上分担航天飞机的发射费用，花在哈勃天文望远镜的总费用已经超过100亿美元。这是一个天文数字。当然，经过多次维修，哈勃连续工作了29年，发回了很多精美的宇宙照片，而且帮助科学家研究了宇宙膨胀的细节，所以也算是“物有所值”。但是，目前美国所有的航天飞机都已经退役，已经不可能再对哈勃天文望远镜进行维修。因此，饱经沧桑的哈勃望远镜只能退休了。这次拍摄的宇宙图片，被叫做“哈勃遗产场”。所谓“遗产”，就是说这可能是哈勃退役之前留下的最后的作品了。值得欣慰的是，再过一段时间，美国更先进的詹姆斯·韦伯天文望远镜就要发射升空，去接哈勃的班。詹姆斯·韦伯是美国航空航天局的前任局长，曾经主导过阿波罗登月等航天计划，所以新的天文望远镜以他的名字命名。2.4米口径的巨大镜头哈勃运行于大气层之上的地球轨道，视野不受大气层干扰，使得其角分辨率（物体能被清楚分辨的最小分离角度）的极限仅受限于衍射（直接和波长、镜头口径相关）。哈勃天文望远镜主要覆盖的波长范围在可见光附近，包括一定的近红外与紫外光。它的基本观测原理与我们日常用的照相机或者手机摄像头是完全类似的。对照相机来说，分辨率与镜头口径有关系，镜头口径越大，角分辨率越高（最小分辨角越小）。同时，分辨率也与拍摄的光的波长成正比，波长越长，最小分辨角就越大（分辨率越低）。因为光的波长是我们无法改变的，所以设计天文望远镜的时候，一旦定好了主要的拍摄波长（波长主要由接收光的CCD的性能来决定），就是设计镜头的大小。哈勃天文望远镜的口径为2.4米，对于480纳米附近的可见光，可以达到的角分辨率是很高的，这使得哈勃望远镜可以拍摄清楚遥远的天体。在波长和镜头口径都设定好之后，就是制造镜头了。对于可见光波段的望远镜来说，最重要的是要有一个玻璃做的镜头。哈勃的玻璃镜头最初是在1979年，由美国的分析仪器公司珀金埃尔默(PE)制造的，最大通光口径 2.4 米，表面需要抛光，加工误差要控制在30纳米内。这在几十年前是一项非常杰出的工作，即便放到现在，这个机械加工精度也具有极高的水准。因为尺寸巨大，这个镜头的制造是十分困难的。而且，太空中昼夜温差很大，玻璃容易热胀冷缩裂开，所以使用的是超低膨胀玻璃材料。另外，这个镜头是要发射到太空中去的，发射就要考虑载荷的重量。为了将重量降至最低，哈勃的镜头采用了蜂窝格子，只有表面和底面各一寸是厚实的玻璃。从太空中看起来，哈勃望远镜是一个圆柱体，直径是4.2米，长度是13.2米，这个尺寸接近半节高铁车厢。庞大的尺寸，让它得以拍摄到许多高精度的太空影像。特别的“防抖”设计哈勃的轨道距离地面高度是547千米，比国际空间站（400千米）还要高一些。在地球轨道上运行，其相对于地面的运动速度是很快的，而且在运动过程中会有抖动，这就好像汽车在高速公路上行驶，汽车也是会有晃动的。哈勃的飞行速度27300千米/小时，大约95分钟就可以绕地球一圈。当然对于远方星体来说，因为与哈勃的距离为光年级别，所以哈勃的速度是可以忽略的，远方星体基本可以被认为是静止的（方位不变）。但是，哈勃自身的抖动与姿态控制则必须要处理好，否则拍出来的照片必然是虚的。哈勃望远镜遗产场拍摄的照片都是在太空中长期稳定地观测同一个目标，用长焦镜头拍摄一段时间产生的。虽然镜头相对于哈勃望远镜是固定的，但哈勃实际上是一个在轨道上漂浮的人造卫星，会不断翻滚。哈勃要想长期对准同一个目标拍摄，必须依靠高精度的星敏感器——其实就是一个拍星星用来定位的相机。星敏感器拍摄的照片可以与天文星空图比对，这样就可以算出哈勃在某个惯性参考系中的精确位置及姿态，然后再利用三台高精度的姿态控制飞轮，就可以控制哈勃自身的姿态及光轴指向，这就相当于在拍照的时候安装了三脚架，可以使哈勃一直指向同一天区进行拍摄。对于目前哈勃遗产场的拍照视野，上海交通大学物理与天文系博士后研究员张佳骏告诉记者：“哈勃遗产场覆盖的天区面积和满月相当，占全天面积大约百万分之六，估计观测到的星系也就占了可观测宇宙的百万分之一左右。”哈勃遗产场公布的照片，其实是7500张照片的拼接，而不是一次性拍出来的。张佳骏说：“7500张照片取自不同时间不同项目，是用不同的滤光片拍到的不同角度的原始相片。拼接照片，简而言之，就是要确定不同相片相互叠加的区域，将它们对准以后叠加起来。说起来容易做起来难，因为遥远的星系非常暗淡，在一张原始的相片上可能根本无法看到的星系在多次叠加之后，可能也只是几个像素大小的暗淡小点。”哈勃拍摄的照片有什么用？哈勃望远镜拍摄的照片，可以用来计算出描述宇宙膨胀速度的哈勃参数。张佳骏说：“相关的工作在之前已经有很多，比如诺贝尔奖得主Adam Riess就领导过一个项目，利用哈勃望远镜观测可以用作“标准烛光”的Ia型超新星。这些超新星对于我们了解宇宙是怎样从减速膨胀变为加速膨胀有重要的作用。”因为宇宙的膨胀也受到暗物质的影响，暗物质的密度直接影响着宇宙膨胀的速率和宇宙早期星系的形成。所以我们可以利用哈勃天文望远镜拍摄的照片，更好地研究宇宙膨胀的历史，进而推断暗物质密度。也可以利用哈勃观测到的星系数量，推测暗物质晕的质量函数，进而计算出暗物质的密度范围。所以，哈勃望远镜对暗物质的研究也有重要的作用。正因为哈勃可以看到宇宙的早期，所以美国航空航天局也称哈勃为 “天文学的终极时间机器”。前面已经说过，哈勃拍到的图像中的一些星系可以追溯到大爆炸后的5亿年（距今133亿年）。所以，看哈勃拍摄的照片就好像在看一本宇宙历史书一样。作者 | 张华 北京师范大学物理系硕士 科普作家审稿 | 赵峥 北京师范大学物理系教授编辑 | 高佩雯文章由腾讯科普“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自科普中国