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哈勃空间望远镜30年科学成就
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Richard Talcottk 文 Shea 编译 |
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这架世界上最著名的空间望远镜已经深刻地改变了从太阳系外行星大气层、到宇宙命运以及宇宙中几乎一切的认识。 很难相信，在全球现有人口中约有一半人知道哈勃空间望远镜。1990年4月24日，“发现”号航天飞机带着它发射升空。第二天，这架校车大小的空间望远镜便被部署到了近地轨道。从那时起至今30年，“哈勃”帮助人类重新定义了我们的宇宙，解决了困扰了天文学家几十年的难题，发现了此前从未有人想像过的新谜题。 当然，它的历史也充满了磕磕绊绊。其最重大的危机就出现在发射后数周。早期的图像显示其2.4米主镜存在瑕疵，它的边缘过于扁平了2微米，相当于头发的1/50，使得它无法锐利地聚焦。对于一架空间望远镜来说，其存在的价值就在于从地球纷扰的大气层之上获得宇宙的清晰影像，因此这一瑕疵令人沮丧不已。 幸好，美国宇航局在设计“哈勃”时考虑了定期维护。1993年12月3日，7名宇航员乘坐“奋进”号航天飞机升空。他们最重要的任务的是为“哈勃”安装2台新设备，以此来校准镜面的误差，重新获得清晰的图像。 直至2009年5月，后续又进行了4次维护任务，完全翻新了这架空间望远镜，使之能胜任21世纪的天文学需求。近到月球，远到早期宇宙中的第一代星系，“哈勃”已拍摄了100多万幅的宇宙图像，研究了宇宙中几乎每一个种类的天体。 行星气象卫星 一说到“哈勃”，人们往往最先想到它所拍摄的绚丽星云和多彩星系。但其实天文学家常常会把它对准更靠近地球的地方。自20世纪80年代至今，没有探测器造访过天王星或海王星，这使得“哈勃”和大型地面望远镜担当起了重任。1986年当“旅行者”2号飞过天王星时，呈现出的是一个蓝色的乏味星球，但“哈勃”却发现它是一颗拥有明亮甲烷云的动感行星。在海王星的大气层中，“哈勃”跟踪了数个大如地球、平均风速高达每小时1 450千米的巨型风暴。 “哈勃”还观测了木星和土星上的风暴，补充了无人探测器的观测结果。正是它探测到了从木星卫星木卫二上喷射出水蒸气的第一个证据。这一喷出物很可能来源于从木卫二地下海洋经由冰壳喷射出的物质。 在美国宇航局新视野探测器对冥王星的成功探测中，“哈勃”也扮演了关键的角色。在2005～2012年间，“哈勃”为“新视野”发现了4个新的探测目标：冥卫二、冥卫三、冥卫四和冥卫五。但更为重要的是，它多年来勘测了冥王星上明暗不同的区域。科学家对其中最亮的区域最感兴趣，于是在2015年7月“新视野”飞掠冥王星时把它作为了探测的中心。现在这个呈心形的氮冰川被称为汤博区。“哈勃”还发现了柯伊伯带天体2014MU69，2019年1月1日“新视野”对其实施了飞掠探测，现在它被命名为“苍穹”。  银河宝藏 在太阳系外，“哈勃”为恒星的诞生和死亡打开一扇新的窗户。位于地球湍动的大气层之上，它不仅能观测可见光，还能探测紫外和红外辐射。这些额外的信息让天文学家能更加深入地探测包裹着年轻恒星的浓厚气体和尘埃云。 现在天文学家可以观测初生的恒星从气体星云中破茧而出的景象，目睹温度最高的年轻恒星在周围的物质中开凿出空腔、侵蚀正在有新生恒星诞出的尘埃柱。在近邻的猎户星云中，“哈勃”在几十颗婴儿恒星周围发现了原行星盘。这些尘埃盘中所包含的正是形成行星的原始物质。 在“哈勃”发射时，科学家只知道宇宙中有9颗行星。（冥王星被降级为矮行星是在2006年）。自20世纪90年代初至今，天文学家已发现了4 000多颗环绕其他恒星的行星。虽然其中仅有一小部分归功于“哈勃”，但它的摄谱仪对数颗太阳系外行星的大气进行了分析。最有意思的是，“哈勃”发现其中包含有大量的水蒸气。 恒星的一生可以经历数百万、数十亿乃至数万亿年，而“哈勃”赋予了天文学家最前排的位置来亲临目睹恒星演化的每一个阶段。一颗类太阳恒星最终会吹出其外部包层，形成行星状星云。“哈勃”研究了几十个漂亮行星状星云的结构，发现它们远比此前预计的更复杂得多。不同于一次性抛射出所有气体，许多类太阳恒星会出现多次吹出包层的情况。当新旧抛出物发生时相互作用就会形成错综复杂的形状。  剧烈爆炸 并非所有的恒星都会以这种相对平和的方式死去。质量大于8个太阳质量的恒星会以剧烈的超新星爆炸来结束其一生。这些巨大的爆炸会向宇宙播撒出重元素，留下一个极其致密的核心，要么是一颗中子星，要么是一个黑洞。“哈勃”对这些爆炸的遗迹进行了研究，勘测了在爆炸中所抛射出的元素，跟踪了炸出气体随时间的缓慢演化。 1987年银河系最大的伴星系大麦哲伦云中有一颗超巨星爆炸成了超新星1987A，“哈勃”跟踪了它遗迹的演化。在过去的30年里，目睹了该超新星的爆震波点亮其前身星在约20 000前所抛射出的气体，看着这个超新星遗迹逐渐成形。 “哈勃”对整个大麦哲伦云进行了观测。其中的蜘蛛星云是宇宙中已知最大的恒星形成区，“哈勃”对它的观测解开了关于它中央星团的一个谜题。该星团的核心被称为R136a，看上去似乎是一颗质量为太阳1 000多倍的单颗恒星，这个数值远超天体物理学中的可能值。但“哈勃”发现它核心其实是多颗较小的恒星。虽然这里面有许多的质量也超过了100个太阳质量，位列已知质量最大的恒星行列，但它们不再有违任何的物理学定律。“哈勃”对大麦哲伦云的观测表明，它能像观测银河系中的天体那样看到近距星系中天体的清晰样貌。  遍布宇宙的黑洞 随着“哈勃”放眼更深邃的宇宙，发现一个接一个地涌现。这里没有什么能比确认黑洞的存在更加震撼公众的想像的。黑洞在星系的演化中扮演了关键的角色。20世纪90年代，当“哈勃”观测近邻室女星系团中最大的两个星系M84和M87的核心时，发现了黑洞的迹象。室女星系团距离地球约5 000万光年，包含有数千个星系。使用摄谱仪来探测这两个星系核心中气体的高速运动，“哈勃”发现在它们的中心存在超大质量黑洞。虽然更早的观测暗示在一些星系中可能存在黑洞，但“哈勃”为此提供了坚实的证据。 更为重要的是，“哈勃”发现超大质量黑洞极为普遍。几乎每个在其中心拥有核球的星系都潜藏着超大质量黑洞。这些黑洞的质量从矮星系中的100 000个太阳质量到宇宙里最大型星系中的数十亿个太阳质量不等。“哈勃”还发现黑洞与其宿主星系之间存在紧密的关联：核球和黑洞的质量是协同生长的。 当然，“哈勃”并没有把它的目光局限在星系的核心。它会定期观测近距星系中的造父变星，以此来测定宇宙的膨胀速率。以发现宇宙膨胀、同时也是该空间望远镜得名于的美国天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）命名，这一速率被称为哈勃常数，在宇宙学中发挥着根本性的作用。 由于光变周期与其固有光度之间存在关系，因此造父变星是宇宙距离阶梯中关键的一级。通过观测它们在天空中的亮度变化过程，就能计算出它们的距离，进而可以测出其宿主星系远离地球的速度，得出宇宙膨胀的速率。“哈勃”30年的观测把哈勃常数确定在了73千米/秒/兆秒差距。（1秒差距约等于3.26光年。）奇怪的是，由欧洲空间局普朗克卫星根据宇宙微波背景辐射测得的值为67千米/秒/兆秒差距，两者之间的差别目前仍是个谜。  当“哈勃”观测一个星系的全貌时，通常都会发现它有一或两个近邻。事实上，“哈勃”已经证明星系间的碰撞才是常态。这些碰撞中的一些正处于它们的早期阶段。例如，涡状星系及其伴星系NGC5195仅显现出了初始相互作用的蛛丝马迹。其他的，例如双鼠星系，则显现出了扭曲的形状和常常的潮汐尾，它们是更长时间引力相互作用的结果。再者，例如触须星系，就是正在经历碰撞的鼎盛期。此时，随着气体撞入另一个星系并触发大规模恒星形成，星系多大已没有了其本来的模样。 值得一提的是，在星系碰撞这件事情上，“哈勃”发现银河系也不能幸免。对我们近邻仙女星系的精密观测表明，它将会和银河系发生迎头碰撞。在几十亿年后，银河系和仙女星系就将会上演和双鼠星系以及触须星系完全一样的戏码。 星系间的碰撞十分频繁。“哈勃”的观测显示，宇宙中至少包含了1 000多亿个星系。这一数字来自“哈勃”对天空中多个看似空无一物的天区所进行的连续数天的深场曝光。每一幅深场照片都能捕捉到数千个星系，由此可以估计出宇宙中星系的总数。  宇宙的黑暗面 “哈勃”灵敏的探测器不仅能探测到天体发出的光，天文学家还能根据这些观测来勘测占据宇宙物质成分主导的暗物质。暗物质是一种神秘的物质，不辐射任何的光，但却正是因为它们的引力星系和星系团才得以维系。它占据了宇宙总质能的27%，是构成恒星、行星和人类的普通物质的5倍多。 虽然不可见，但“哈勃”依然能够勘测宇宙中暗物质的分布。当天文学家观测大型星系团时，常常能看到一缕缕的弧线形，有时还能看到背景星系被前景星系团引力透镜而成的多个像。引力透镜能放大并扭曲更遥远天体所发出的光。通过分析“哈勃”的图像，就能计算出哪里存在能产生观测到扭曲引力透镜像的暗物质。 虽然天文学家预见了许多“哈勃”重要的发现，但它做出的最重要发现却是始料未及的。两个天文学家团队对遥远的Ia型超新星进行了观测。它们是发生了爆炸的双星系统，其中一颗白矮星会从其红巨星伴星身上吸积物质。当白矮星的质量达到约1.4个太阳质量时，就会发生爆炸。  由于Ia型超新星起源自几近相同的前身星，因此它们的峰值光度基本一致。一旦知道了它看上去有多亮，就能计算出它的距离。结果发现最遥远的超新星比由它们距离推得的更为暗弱。对此唯一的解释是有某种作用在加速宇宙的膨胀，它被称为暗能量。普朗克卫星的测量发现，暗能量占据了宇宙质能的68%，说不定宇宙会就此一直加速膨胀下去。 尽管“哈勃”已取得了丰硕的科学成就，它所拍摄照片呈现出的宇宙之美亦是它的主要传承。谁能不为直击恒星从发光的气体云中诞生而动容、不为目睹垂死恒星抛射出的壳层而唏嘘、不为看见近距星系的壮观旋涡结构而惊叹。 “哈勃”拍摄的几乎每幅照片都有着自己的魅力，反映着大自然内在的壮美。如若运气好，我们能在未来的很多年里不断地看到这些美丽。 |
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[Astronomy 2020年03月]
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