浩渺宇宙 哈勃望遠鏡帶人類目窮何處？

1990年4月24日，一個從此開啟了天文新時代的望遠鏡——哈勃空間望遠鏡乘坐探索號太空梭升空。

哈勃望遠鏡（資料圖片）

哈勃望遠鏡長13.3米，直徑4.3米，大小相當於一輛公交車，重11.6噸，當時造價近30億美元。它在距離地面大約550千米的軌道上以2.8萬公里的時速沿太空軌道繞地球運行。由於身處太空，沒有地球大氣湍流的干擾，它所獲得的圖像和光譜具有極高的穩定性和可重複性，清晰度可以達到沒有大氣糾正的地面天文望遠鏡的10倍以上。

從哈勃開始，我們真正發現，最美的星空，觸手可及。那麼，這一帶我們拓展視野邊界的望遠鏡究竟能看多遠？

哈勃太空望遠鏡拍攝到鄰近星系爆發後發散的星際碎片（資料圖片）

哈勃望遠鏡拍到銀河系奇特行星狀星雲（資料圖片）

哈勃望遠鏡拍到罕見藍恆星（資料圖片）

至今，27年間，哈勃望遠鏡已經執行了超120萬次觀測任務，觀察了近四萬個天體，平均每個月，哈勃都會產生829G觀測數據，累計已超過100T。它上面的廣角行星照相機可拍攝上百個恆星的照片， 1.6萬公里以外的一隻螢火蟲都難逃它的「法眼」。

哈勃超深空(HUDF)照片，由可探測到近紅外線的第三代哈勃廣角相機拍攝（資料圖片）

與此同時，它創造了一個個太空觀測奇蹟，包括發現黑洞存在的證據，探測到恆星和星系的早期形成過程，觀測到的最遠目標是距地球130億光年的原始星系，這些星系發出的光芒來自大爆炸後剛剛形成的宇宙早期。

最左側圖像為僅捕捉可見光的相機拍攝，最右側為紅外線敏感相機拍攝。圖中隨著可捕捉波長增大而逐漸出現的小黑點是目前所知最遙遠的星系之一。（圖片來源：NASA）

但不可否認的是，哈勃發現的最遙遠星系正在接近它的能力極限，這台史上最強大的望遠鏡可能永遠也看不到宇宙中最遙遠的星系。

哈勃望遠鏡或永看不到宇宙中最遙遠的星系（圖片來源：NASA）

究其原因，主要有以下兩點：

第一，哈勃的主反射鏡直徑達到了 2.4 米，但它收集光子的能力仍然會受限制。宇宙中星系可能有數千億個，但這些星系中的一部分由於太暗淡太遙遠，因此哈勃即使長時間曝光 23 天，也只能看到最遙遠距離上那些非常明亮的星系。

第二，我們看得越遠，天體光譜的紅移現象就會越明顯，原本光學波段的光子會被拉長變成近紅外甚至遠紅外光子，而哈勃只能探測到近紅外的光線，所以哈勃只能探測到一定紅移之內或者一定距離之內的天體。據估計，哈勃應該能夠探測到紅移值在13左右的天體。

哈勃探測圖（圖片來源：NASA、ESA、R. Bouwens 以及 G. Illingworth）

具體來說，大部分最年輕、最熾熱、最明亮恆星發出的光線，人眼是看不到的，因為它們實際上是紫外線。但宇宙在膨脹，星系在遠離。這意味著來自遙遠恆星和星系的光子，在到達地球的過程中會發生紅移，它們的波長會被拉伸。

氫是宇宙中最富有的元素，所以在實際的宇宙觀測中，最強、最易見的恆星或星系發射線就是來自於氫，它能夠通過電子躍遷產生在紫外（萊曼系）、可見光（巴爾莫系）或紅外（帕邢系）波段上的光子。

隨著宇宙的膨脹，這些光子的波長會產生極大的紅移。 由氫原子產生的、波長為121.567 納米的萊曼-阿爾法躍遷，它是最強也最容易辨識的躍遷，也因為宇宙膨脹，其對應光子的能量而被不可思議的拉長。

哈勃探測圖（圖片來源：NASA、JPL-Caltech、STScI-ESA、Y. Ono （東京大學） 以及 B. Weiner）

哈勃上最強大的相機，第三代廣域相機使用的濾鏡可以觀測到 1700 納米的波長。因此理論上我們可以看到紅移值達13左右，即可以觀測到宇宙年齡只有當前 3% 時的天體。

但不幸的是，我們在進行深空觀測時並沒有使用這些紅外濾鏡。為了捕捉到更多的光，我們使用了廣域波段濾鏡。在這個波段上，我們可以達到的最長波長約為 850（上限為 900）納米。

哈勃探測圖（圖片來源：NASA、ESA、P. Oesch（耶魯大學）、CANDELS 小組）

因此，如果我們想看得更遠，即便達不到與哈勃相同的解析度，或者像哈勃那樣能夠看到更暗的星系，也會經常使用專業的紅外太空望遠鏡來進行觀測。

哈勃最多只能探測到紅移值不超過13 的天體，而宇宙中可能存在著紅移值達 15 甚至 20 的星系！

哈勃要觀測大於 1 微米的波長已經相當吃力，但是它為我們發現最遙遠星系帶來了希望。而那遮蓋在可見宇宙未知領域上的最後面紗，也只是時間的問題。（鄭然）

本文由中國科學院國家天文台苟利軍研究員進行科學性把關。

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