編譯：Camelion
審校：山寺小沙彌
4月24日是中國航天日。之所以選擇這一天為中國的航天日，是因為1970年4月24日，中國成功發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅一號”。
圖0：哈勃空間望遠(yuǎn)鏡。由亞特蘭蒂斯號航天飛機執(zhí)行任務(wù)離開時拍攝。
而二十年后的1990年4月24日，一個從此開啟了天文新時代的望遠(yuǎn)鏡——哈勃空間望遠(yuǎn)鏡乘坐探索號航天飛機升空；到今天剛好27個年頭。今年為了給哈勃望遠(yuǎn)鏡慶祝在太空的第27個生日，NASA按照慣例推出一張照片作為紀(jì)念。
今年的慶生照是一張有兩個漩渦星系——NGC4302和NGC4298——在同一張圖上的照片，兩個星系在外形上都與銀河系類似，一個以側(cè)面對著我們，另一個則以70度角面對我們。這讓我們似乎能夠在一張圖中同時看到銀河系的正視圖和側(cè)視圖。
圖1:哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的NGC4302（左）和NGC4298（右）在光學(xué)和近紅外波段的圖像。
但我們或許更想問：哈勃上天都27年了，都干了啥呢？
圖2: 哈勃望遠(yuǎn)鏡最具代表性的圖像之一是鷹星云（M16）的這一部分。
一、宇宙在加速遠(yuǎn)離我們
我們的宇宙在膨脹。大約在一個世紀(jì)以前，埃德溫·哈勃測量了到我們宇宙的膨脹速率(H=v/d，其中v是星系退行的速率，d是星系到我們的距離)。這個值我們稱為哈勃常數(shù)，由它我們可以算出宇宙的年齡、尺寸，甚至宇宙的命運。但是在哈勃望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空之前，哈勃常數(shù)的測量結(jié)果十分不精確，我們由此算出的宇宙年齡只能限定在100億到200億的范圍內(nèi)。
圖3：天文學(xué)家用造父變星亮度周期的改變來測量其所在星系的距離。圖中箭頭所指的是哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測到的仙女座星系中一個造父變星。
圖4：某些超新星的特征最大亮度可以用來測量它們與地球的距離。提高對天體距離的測量精度能夠讓天文學(xué)家更好的計算出宇宙的膨脹率。圖中分別是哈勃望遠(yuǎn)鏡在1995年和2002年在同一天區(qū)拍攝的圖像，箭頭所指的地方則是在此期間出現(xiàn)的一顆超新星。
而現(xiàn)在天文學(xué)家用哈勃望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)算出的哈勃系數(shù)，可以把宇宙年齡限定在138億年左右，可以說精確度提升了不少。
然而除此之外，令天文學(xué)家感到吃驚的是，從哈勃望遠(yuǎn)鏡的觀測結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，宇宙不僅僅是在膨脹，而且是在加速膨脹——這個發(fā)現(xiàn)獲得了2011年的諾貝爾物理學(xué)獎。
圖5：宇宙的加速膨脹。時間軸自下而上。
科學(xué)家們認(rèn)為宇宙的這種加速膨脹可能是由彌漫在整個宇宙中的所謂“暗能量”引起的。據(jù)現(xiàn)有的估計，暗能量大約占整個宇宙能量的68%（另外28%是暗物質(zhì)，只有4%為我們能夠看到的恒星、行星或氣體這些物質(zhì)），對宇宙起著負(fù)壓的作用，推著宇宙加速地膨脹。但很遺憾，依靠現(xiàn)在的技術(shù)還很難直接測量到暗物質(zhì)的存在。
圖6：宇宙中暗能量、暗物質(zhì)和明物質(zhì)（我們現(xiàn)在所能看到的一切）的比例。
二、記錄星系的成長歷程
就像我們用相簿記錄孩子的成長歷程一樣，天文學(xué)家用哈勃給不同宇宙學(xué)時間上的星系進行“拍照”，記錄下了宇宙中星系的成長歷程。
我們怎么知道宇宙過去的樣子呢？這主要得益于一條簡單的數(shù)學(xué)關(guān)系：哈勃向深空中看得越深，在時間上就越久遠(yuǎn)。距離越遠(yuǎn)（也就是時間上越早）的星系越小，且越不規(guī)則；反之，則巨型、規(guī)則的漩渦星系和橢圓星系就越多。這表明，星系之間隨著時間地推移在不斷地融合，漸漸地變成了我們現(xiàn)在所看到的巨大星系。
圖7：哈勃望遠(yuǎn)鏡超深空場。這是哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的最遠(yuǎn)的深空之一。拍攝這樣照片累計曝光時間約一百萬秒（11天）。
圖8：哈勃超深空場中一些星系，它們距離遙遠(yuǎn)，星體模糊，形狀不規(guī)則，且互相影響。
星系的演化從未停歇，天文學(xué)家通過哈勃望遠(yuǎn)鏡對我們近鄰的仙女座星系M31的進行觀測，發(fā)現(xiàn)盡管這個星系離銀河系有250萬光年遠(yuǎn)，但是在引力作用下它在不斷地向銀河系靠攏，預(yù)計M31將在40億年后與我們的銀河系相撞。到那時候，它們兩個將會融合成一個巨大的橢圓星系。
圖9：M31。
圖10：本星系群。M31與銀河系是本星系群中兩個較大的星系，它們不斷的吸收周圍的矮星系壯大自己，同時兩者也在不斷地靠近，預(yù)計將于40億年后碰撞。
圖11：橢圓星系。橢圓星系一般質(zhì)量更大，它是很多星系融合的結(jié)果。
三、看到太陽系外的世界
在1990年哈勃望遠(yuǎn)鏡發(fā)射之前，天文學(xué)家從來都沒有發(fā)現(xiàn)一顆太陽系外的行星；而現(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)確認(rèn)了超過3000顆系外行星。其中大多數(shù)都是由NASA的開普勒衛(wèi)星以及一些地基望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的。但哈勃望遠(yuǎn)鏡在行星搜尋中也有其獨特的貢獻。
首先，天文學(xué)家用哈勃望遠(yuǎn)鏡的觀測數(shù)據(jù)能測出系外行星的大氣成分。觀測發(fā)現(xiàn)，盡管大多數(shù)系外行星對生命來說都過于炎熱而無法生存，但是在一些行星上存在構(gòu)成生命的基本成分。
此外，哈勃望遠(yuǎn)鏡也是第一個在光學(xué)上觀測到系外行星的。這顆行星在25光年外，繞著北落師門（一顆恒星）旋轉(zhuǎn)，離北落師門的距離大概是土星到太陽距離的十倍。
圖12：天文學(xué)家用哈勃拍攝的第一張系外行星的光學(xué)照片，該行星被命名為北落師門b。
四、“照亮”暗物質(zhì)
現(xiàn)在的物理學(xué)家們普遍認(rèn)為，暗物質(zhì)是一種不可見的物質(zhì)形式（簡單的理解就是不發(fā)光），它構(gòu)成了宇宙物質(zhì)的大部分質(zhì)量，也是由暗物質(zhì)形成了宇宙現(xiàn)在的這種結(jié)構(gòu)。暗物質(zhì)的引力會驅(qū)使著普通物質(zhì)（氣體或塵埃）聚集并形成恒星和星系。盡管天文學(xué)家不能看到暗物質(zhì)，但他們能夠通過大質(zhì)量星系群（含有暗物質(zhì)）的引力效應(yīng)(能夠使它背后更遙遠(yuǎn)星系的光線發(fā)生彎曲，這種現(xiàn)象稱為引力透鏡)來探測其中的暗物質(zhì)。
圖13：這個圖顯示了引力透鏡下一個遙遠(yuǎn)星系的光路。
圖14：在SDSSj1004+4112星系群的圖像上，引力透鏡使一個背景星系產(chǎn)生了三個扭曲的像，另外一個背景類星體產(chǎn)生了五個像。
通過哈勃望遠(yuǎn)鏡銳利的視場，天文學(xué)家通過引力透鏡現(xiàn)象及逆向工程，繪制出了空間中暗物質(zhì)的分布情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，宇宙中暗物質(zhì)大約是普通物質(zhì)的五倍，且以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分布；而大質(zhì)量的可見結(jié)構(gòu)（像星系群、星系團等）往往都分布在這些網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)交叉的地方。
圖15：這兩張圖顯示的是大質(zhì)量星系群CI0024+17?？梢姽鈭D像中，在黃色星系中有藍(lán)色的弧，這些弧就是引力透鏡下背景星系失真后的圖像。藍(lán)色疊加的圖像顯示了實現(xiàn)這種引力失真，所需要的暗物質(zhì)密度分布。
五、巨型黑洞無處不在
哈勃望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)，幾乎每一個星系的中心都存在一個巨大的黑洞，這些黑洞有百萬個到十億個恒星質(zhì)量那么大。此外還發(fā)現(xiàn)這些黑洞的尺寸和其宿主星系的質(zhì)量相關(guān)。哈勃星系普查表明，黑洞的質(zhì)量取決于其宿主星系星系核中恒星的質(zhì)量：星系越大，黑洞也越大。這種關(guān)系說明黑洞是伴隨著星系一塊兒成長的，黑洞會吞并星系的一部分質(zhì)量。
圖16：根據(jù)哈勃的光譜圖合成的圖像。研究人員發(fā)現(xiàn)許多星系中心都存在一個巨型黑洞。NGC3379和NGC3377分別包含著一個5000萬個太陽質(zhì)量和1億個太陽質(zhì)量的黑洞；NGC4486B在其核心包含兩個黑洞。
六、研究外地行星和它們的衛(wèi)星
哈勃望遠(yuǎn)鏡見證了太陽系內(nèi)的小天體對木星的影響。它于1994年觀測到休梅克-萊維9號彗星的21個碎片依次撞入木星——這是天文學(xué)家第一次看到這樣的事件——每一次撞擊都在木星的表面留下一個烏黑的“傷疤”。最近的一次是在2009年，一顆小行星撞入木星，留下一個太平洋大小的黑色痕跡。
圖17：休梅克-萊維9號彗星造成的影響（從右下到左上）。
木星表面著名的“大紅斑”（一個尺寸有地球那么大的大風(fēng)暴）從19世紀(jì)早期人類觀測到它以來已經(jīng)連續(xù)存在了數(shù)百年。這個巨大的風(fēng)暴在最近80年卻在不斷地收縮。天文學(xué)家們現(xiàn)在用哈勃望遠(yuǎn)鏡定期地測量它的尺寸，以調(diào)查它為什么會漸漸地消失。
圖18：木星的“大紅斑”。它以300英里／小時的速度在木星表面運動。
極光是具有磁場的行星大氣上層發(fā)光的一種現(xiàn)象。帶電的粒子在行星磁場作用下會偏向磁場的南北極，這些高速粒子轟擊到大氣上層的原子和分子，就會產(chǎn)生漂亮的極光現(xiàn)象。這種現(xiàn)象不僅在地球上有，土星和木星上也有。下面是哈勃望遠(yuǎn)鏡第一次拍攝到木星和土星南、北極的極光。
圖19：土星的極光。
在尋找地外生命研究中，木星的衛(wèi)星占據(jù)著很重要的位置。哈勃在木衛(wèi)三（太陽系內(nèi)最大的衛(wèi)星）地下發(fā)現(xiàn)了一個巨大的鹽水海，據(jù)估計其含水量比地球表面全部的水還要多。此外哈勃還觀測到木衛(wèi)二表面大氣的變動，天文學(xué)家認(rèn)為這可能是由地下海水噴發(fā)而造成的。尋找液態(tài)水，在尋找地外生命的研究中至關(guān)重要。
圖20：哈勃在木衛(wèi)二上模糊的地方發(fā)現(xiàn)氧和氫，這是構(gòu)成水分子的兩種元素?？茖W(xué)家認(rèn)為這極有可能是水。
（未完待續(xù)）
原文鏈接：https://www.nasa.gov/content/goddard/2017/highlights-of-hubble-s-exploration-of-the-universe
編輯：Alex Yuan
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