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“哈勃”25年：10大科学发现
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Amy Tyndall 文 Shea 编译 |
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哈勃空间望远镜已瞭望宇宙四分之一个世纪。下面将罗列出它所做出的一些最令人难以置信的发现。 25年前，迄今最著名且最令人惊叹的技术成就之一——哈勃空间望远镜——发射升空。 1990年，“发现”号航天飞机将“哈勃”送入低地球轨道，自那时起至今它一直在不断地瞭望宇宙。它的观测涵盖从紫外线、可见光到红外线，为天文学家打开了一扇通向宇宙的前所未有的窗口。 那么，从它所拍摄的震撼照片中，科学家们究竟做出了哪些发现呢？下面列出了其中的10个。 10.γ射线暴成因 看上去模糊不清的星系是宇宙中最剧烈爆发事件的所在地的，这些高能现象被称为γ射线暴。由于数量稀少——在一个典型的星系中每过数百万年才会出现1次，这些爆发现象的成因就成为了一个谜题。然而，它们在几秒冲内所释放出的能量却与太阳在100亿年的时间里所发出的相当。 2013年6月3日，美国宇航局的雨燕卫星发现了一个持续时间仅十分之一秒的γ射线暴。10天后，当“哈勃”对其进行观测时，在发生爆发的地方发现了一个红外光源。但到7月3日，它就变暗消失。这一消失的光芒是另一种宇宙爆炸的余辉，它被认为是两颗极端致密的中子星发生碰撞所产生的。 由于这一余辉和γ射线暴出现在相同的位置上，它有力地证明了短时间γ射线暴很可能是由于中子星之间的碰撞所引发的。在对这一现象的研究中，“哈勃”起到了至关重要的作用。虽然是“雨燕”发现了这个特别的短时间γ射线暴并由地面上的望远镜测定了它的精确位置和距离，但只有“哈勃”才能观测到其暗弱的余辉。 9.行星遭撞击 1994年7月16日，随着舒梅克-列维9号彗星的21块残骸相继撞上木星，地面和太空中的望远镜都指向了它。这些撞击在木星的大气层中所留下的疤痕持续存在了差不多1个月。 “哈勃”的观测为木星的大气层提供了大量有用的信息。最大的撞击在木星的大气中激起了明显的波浪，就像池塘里的涟漪。由此，可以推断出其大气深处和云层下方水的状况。 虽然地面天文台也有参与，但“哈勃”是唯一一个可以全天候在整个波段进行观测的望远镜。对于观测撞击产生的尘埃以及气溶胶而言，紫外成像尤为重要。在此后数月甚至数年的时间里，“哈勃”对木星大气高层的撞击遗迹和分子进行了监测。 8.原行星盘 看上去就像一个个小岛，在猎户星云中有许多盘状的低温尘埃和气体云，它们是新生恒星形成时所遗留下的。虽然这其中的一部分物质会随着时间的推移而流失，但另一些则会聚集成鹅卵石大小的颗粒，并最终形成行星。由此，它们被称为原行星盘。 通过研究原行星盘，天文学家希望能够更多地了解地球和其他行星的形成过程，因为它们看上去就像是仍处于最初阶段的太阳系。地面望远镜此前已观测到了这些天体，但一开始认为它们是恒星。早在18世纪就有观点认为它们是围绕恒星的物质盘，但直到20世纪80年代末当天文学家探测出其分子组成之后才得到确认。 “哈勃”则给出了突破性的进展，首次直接拍摄到了猎户星云中大量原行星盘的图像。 7.宇宙年龄 在“哈勃”发射之前，就宇宙年龄是100亿年还是200亿年有着激烈的争论。为了平息争论，天文学家需要测量造父变星——一种会脉动的恒星，其亮度会在数天到数月的时间里增亮和变暗。通过确定造父变星的亮度和它脉动周期之间的关系，就能够估计它的距离。造父变星是测量星系距离的最精确方法，因此也为测定宇宙的膨胀速度提供了最准确的方法。 “哈勃”的高分辨率使得天文学家在24个近距星系中发现了超过800颗的造父变星。“哈勃”的这些测量帮助确定宇宙年龄为138亿年。  6.超大质量黑洞 要找到黑洞是很难的一件事情。它们的引力是如此之强，即使是光也无法从那里逃逸，使得它们变得“不可见”。但是，通过测量黑洞周围物质的运动，由此可以利用引力定律来计算出它的质量。如果算出的质量超过了那里可见恒星的质量，那其他的部分则可能源于黑洞。 20世纪90年代初，天文学家怀疑在一些星系的中心存在超大质量黑洞。发射后不久，以其5倍于地面观测的分辨率，“哈勃”证实了此前的猜测。凭借其测量黑洞周围气体和恒星速度的能力，“哈勃”也由此成为了“黑洞猎人”。 它观测到的结果令所有人都感到惊讶。超大质量黑洞的半径与我们的太阳系相当，但它所只能直接影响极其靠近星系中心区域内的恒星和气体。这表明星系及其中心的黑洞是一同生长的。“哈勃”也由此把超大质量黑洞从一种另类的天体变成了星系形成过程中不可或缺的一部分。  5.暗物质 在我们的宇宙中还存在一些看不见的物质，即暗物质。我们所能看见的星系、恒星和行星仅占宇宙物质的15%。剩余的85%则是暗物质，它们既不发出也不吸收任何波长的辐射。 为了了解暗物质在宇宙中的分布，“哈勃”和地面上的望远镜一起观测了50万个星系。当光线在宇宙中传播的时候，它会穿过所有在其进行路线上的暗物质，由此这些暗物质也会在它的轨迹上留下特有的印迹。从地球上，你无法看到极其遥远且暗弱的星系，因为地球大气会抹掉它们的细节。这正是“哈勃”发挥用武之地的地方。 暗物质会弯曲光线，使得星系的形状发生扭曲，这被称为引力透镜效应。通过观测这一效应，就能推断出暗物质所在的位置。由于暗物质充当了宇宙的骨架——可见的星系都是沿着这一骨架而形成和生长的，因此知道暗物质的分布是认识宇宙结构的根本。  4.恒星世代 球状星团是数以十万计的恒星在引力的束缚下所构成的一个紧密集合。多年来，天文学家曾经一直认为其内部的恒星必定非常相似，因为它们都形成于同一片尘埃云。但在2005年，“哈勃”测量了球状星团NGC 2808内恒星的亮度和颜色，却发现了3个不同世代的恒星。 球状星团的年龄可以高达135亿年，只比宇宙的年龄小3亿年，它们是宇宙学的试金石，也是认识宇宙中恒星形成和化学演化的理想实验室。在天文学中，恒星的不同世代也被称为星族，标志着其化学组成、年龄以及在球状星团中的位置。 “哈勃”的高分辨率图像使得天文学家可以深入NGC 2808致密的核心区，对大量的恒星进行测量，这是地面上的望远镜所做不到的。“哈勃”在可见光和紫外波段上的观测能力也使得它可以更容易地发现不同星族的恒星、追踪它们的演化路径。 现在“哈勃”已观测了超过60个的球状星团，几乎已达银河系中已知球状星团的半数。初步结果显示，它们都拥有多个星族。 3.太阳系外行星大气 截至2015年2月，在其他恒星的周围已发现了1 890颗行星。我们至今还未能拍摄到这些太阳系外行星的动人影像，但“哈勃”却第一次对它们的大气进行了探测。 HD 209458-b是一颗距离地球150光年的行星。它到宿主恒星的距离只有640万千米，因此温度高达到1 100℃。当它运动到恒星前方的时候，恒星的一部分星光会穿过它的大气。借由一台摄谱仪，天文学家可以把这些光打散成不同波长的成分，即光谱。 这里的关键是测量有行星和没有行星从恒星前方经过时的光谱，通过对它们进行比较，就可以发现当有行星遮挡恒星圆面时所出现的新特征。这要求对这一大气吸收效应进行测量的平台极其的稳定，有“哈勃”才能做到。 通过这一方法，2001年在太阳系外行星的大气第一次探测到了钠元素的迹象。这一方法现在已成为了研究太阳系外行星大气的标准方法，而“哈勃”也已对数十颗太阳系外行星进行了类似的观测。  2.宇宙加速膨胀 拥有超新星的星系促成了近年来最广为被人议论的天文发现之一。这不仅是宇宙膨胀在加速，更关乎驱动这一加速的“暗能量”。 1998年，天文学家公布了超新星的亮度随时间变化的新数据。结果显示，最遥远超新星所发出的光比预期的更加暗弱、红移也更强，意味着它们比天文学家计算的还要更为遥远。这一结果直接有悖于此前的观点，它认为物质的引力会使得宇宙的膨胀速度放缓。但新的观测结果却表明，宇宙的膨胀并没有放缓，而是在加速。 “哈勃”在其中扮演了关键的角色，它为天文学家提供了他们想观测的3颗超新星的数据，为最终的发现提供了关键的支撑作用。 毕竟，如此不凡的结果必定需要不凡的证据，而这一锤定音的证据便来自“哈勃”。 通过发现并精确测量另外16颗远在100亿光年之外的超新星，“哈勃”不仅确认了这一加速膨胀，还发现宇宙的膨胀如预计地那样在更早的时候确实存在减速。 在宇宙膨胀且物质扩散开的时候，要克服引力，必须要有某些东西来提供斥力。这就是暗能量，它占据了整个宇宙大约75％。哈勃的观测显示，我们今天所看到的加速始于约50亿年前。  1.星系演化 “哈勃”的深场观测彻底地改变了我们对遥远的宇宙认识。作为它所拍摄的最著名照片之一，哈勃深场对准的是大熊座中的一小片天区。它所涵盖的面积还不到整个天空1/40 000，但“哈勃”却在其中揭示出了约3 000个星系，为天文学家打开了一扇通往宇宙过去的重要窗口。 曾有人预言，从如此遥远的天体所发出的光会严重地弥散开，使得其亮度下降到无法被观测到的程度。“哈勃”的结果无疑有力地证明这个预言是错误的。通过342次、总时间超过100小时的曝光，“哈勃”所拍摄的这幅影像彰显了它的威力，揭示出了前所未见的星系的大量细节和结构。 许多天文学家一开怀疑，把“哈勃”指向天空中的一个地方并进行长时间曝光，能获得多少有用的信息。但结果证明，这是非常有效的探测方法。在“哈勃”的观测能力得到升级之后，哈勃超深场观测在其深场观测的基础上又向前迈进了一步。 今天，天文学家已经观测到了位于宇宙年龄仅5亿年处的星系。由此，通过测量星系大小、形状和颜色随时间的变化，就能直接给出它们的演化图谱。在从X射线到射电望远镜也加入到对哈勃深场的观测以来，这些天区已经成为了研究星系演化的风水宝地。它是任何一架望远镜有史以来所能做出的最重要的发现之一！  超越“哈勃” 2009年，宇航员对“哈勃”进行了最后一次维修任务，预计它可以一直工作到2020年左右。之后，“哈勃”最终将会落入地球大气层烧毁，以一团荣耀之光的形式来结束其辉煌的使命。万众瞩目的詹姆斯·韦布空间望远镜计划于2018年发射，但它不会直接替代“哈勃”。尽管有着几乎3倍于“哈勃”的直径，但“韦布”的分辨率却与“哈勃”的相当，因为它工作在另一个不同的波长上——红外波段。这将使得它能观测到此前无法看到的低温和多尘天体的惊人细节，让天文学家能进一步深入太空并回溯时间。 |
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[Astronomy 2015年05月]
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2001-2015 火流星工作组制作
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