哈勃望远镜上天27年都干了些啥? (上)
4月24日是中国航天日。之所以选择这一天为中国的航天日，是因为1970年4月24日，中国成功发射了第一颗人造地球卫星“东方红一号”。
图0：哈勃空间望远镜。由亚特兰蒂斯号航天飞机执行任务离开时拍摄。
而二十年后的1990年4月24日，一个从此开启了天文新时代的望远镜——哈勃空间望远镜乘坐探索号航天飞机升空；到今天刚好27个年头。今年为了给哈勃望远镜庆祝在太空的第27个生日，NASA按照惯例推出一张照片作为纪念。
今年的庆生照是一张有两个漩涡星系——NGC4302和NGC4298——在同一张图上的照片，两个星系在外形上都与银河系类似，一个以侧面对着我们，另一个则以70度角面对我们。这让我们似乎能够在一张图中同时看到银河系的正视图和侧视图。
图1:哈勃望远镜拍摄的NGC4302（左）和NGC4298（右）在光学和近红外波段的图像。
但我们或许更想问：哈勃上天都27年了，都干了啥呢？
图2: 哈勃望远镜最具代表性的图像之一是鹰星云（M16）的这一部分。
一、宇宙在加速远离我们
我们的宇宙在膨胀。大约在一个世纪以前，埃德温·哈勃测量了到我们宇宙的膨胀速率(H=v/d，其中v是星系退行的速率，d是星系到我们的距离)。这个值我们称为哈勃常数，由它我们可以算出宇宙的年龄、尺寸，甚至宇宙的命运。但是在哈勃望远镜发射升空之前，哈勃常数的测量结果十分不精确，我们由此算出的宇宙年龄只能限定在100亿到200亿的范围内。
图3：天文学家用造父变星亮度周期的改变来测量其所在星系的距离。图中箭头所指的是哈勃望远镜观测到的仙女座星系中一个造父变星。
图4：某些超新星的特征最大亮度可以用来测量它们与地球的距离。提高对天体距离的测量精度能够让天文学家更好的计算出宇宙的膨胀率。图中分别是哈勃望远镜在1995年和2002年在同一天区拍摄的图像，箭头所指的地方则是在此期间出现的一颗超新星。
而现在天文学家用哈勃望远镜的数据算出的哈勃系数，可以把宇宙年龄限定在138亿年左右，可以说精确度提升了不少。
然而除此之外，令天文学家感到吃惊的是，从哈勃望远镜的观测结果中发现，宇宙不仅仅是在膨胀，而且是在加速膨胀——这个发现获得了2011年的诺贝尔物理学奖。
图5：宇宙的加速膨胀。时间轴自下而上。
科学家们认为宇宙的这种加速膨胀可能是由弥漫在整个宇宙中的所谓“暗能量”引起的。据现有的估计，暗能量大约占整个宇宙能量的68%（另外28%是暗物质，只有4%为我们能够看到的恒星、行星或气体这些物质），对宇宙起着负压的作用，推着宇宙加速地膨胀。但很遗憾，依靠现在的技术还很难直接测量到暗物质的存在。
图6：宇宙中暗能量、暗物质和明物质（我们现在所能看到的一切）的比例。
二、记录星系的成长历程
就像我们用相簿记录孩子的成长历程一样，天文学家用哈勃给不同宇宙学时间上的星系进行“拍照”，记录下了宇宙中星系的成长历程。
我们怎么知道宇宙过去的样子呢？这主要得益于一条简单的数学关系：哈勃向深空中看得越深，在时间上就越久远。距离越远（也就是时间上越早）的星系越小，且越不规则；反之，则巨型、规则的漩涡星系和椭圆星系就越多。这表明，星系之间随着时间地推移在不断地融合，渐渐地变成了我们现在所看到的巨大星系。
图7：哈勃望远镜超深空场。这是哈勃望远镜拍摄的最远的深空之一。拍摄这样照片累计曝光时间约一百万秒（11天）。
图8：哈勃超深空场中一些星系，它们距离遥远，星体模糊，形状不规则，且互相影响。
星系的演化从未停歇，天文学家通过哈勃望远镜对我们近邻的仙女座星系M31的进行观测，发现尽管这个星系离银河系有250万光年远，但是在引力作用下它在不断地向银河系靠拢，预计M31将在40亿年后与我们的银河系相撞。到那时候，它们两个将会融合成一个巨大的椭圆星系。
图9：M31。
图10：本星系群。M31与银河系是本星系群中两个较大的星系，它们不断的吸收周围的矮星系壮大自己，同时两者也在不断地靠近，预计将于40亿年后碰撞。
图11：椭圆星系。椭圆星系一般质量更大，它是很多星系融合的结果。
三、看到太阳系外的世界
在1990年哈勃望远镜发射之前，天文学家从来都没有发现一颗太阳系外的行星；而现在科学家已经确认了超过3000颗系外行星。其中大多数都是由NASA的开普勒卫星以及一些地基望远镜发现的。但哈勃望远镜在行星搜寻中也有其独特的贡献。
首先，天文学家用哈勃望远镜的观测数据能测出系外行星的大气成分。观测发现，尽管大多数系外行星对生命来说都过于炎热而无法生存，但是在一些行星上存在构成生命的基本成分。
此外，哈勃望远镜也是第一个在光学上观测到系外行星的。这颗行星在25光年外，绕着北落师门（一颗恒星）旋转，离北落师门的距离大概是土星到太阳距离的十倍。
图12：天文学家用哈勃拍摄的第一张系外行星的光学照片，该行星被命名为北落师门b。
四、“照亮”暗物质
现在的物理学家们普遍认为，暗物质是一种不可见的物质形式（简单的理解就是不发光），它构成了宇宙物质的大部分质量，也是由暗物质形成了宇宙现在的这种结构。暗物质的引力会驱使着普通物质（气体或尘埃）聚集并形成恒星和星系。尽管天文学家不能看到暗物质，但他们能够通过大质量星系群（含有暗物质）的引力效应(能够使它背后更遥远星系的光线发生弯曲，这种现象称为引力透镜)来探测其中的暗物质。
图13：这个图显示了引力透镜下一个遥远星系的光路。
图14：在SDSSj1004+4112星系群的图像上，引力透镜使一个背景星系产生了三个扭曲的像，另外一个背景类星体产生了五个像。
通过哈勃望远镜锐利的视场，天文学家通过引力透镜现象及逆向工程，绘制出了空间中暗物质的分布情况。结果发现，宇宙中暗物质大约是普通物质的五倍，且以网状结构分布；而大质量的可见结构（像星系群、星系团等）往往都分布在这些网状结构交叉的地方。
图15：这两张图显示的是大质量星系群CI0024+17。可见光图像中，在黄色星系中有蓝色的弧，这些弧就是引力透镜下背景星系失真后的图像。蓝色叠加的图像显示了实现这种引力失真，所需要的暗物质密度分布。
五、巨型黑洞无处不在
哈勃望远镜发现，几乎每一个星系的中心都存在一个巨大的黑洞，这些黑洞有百万个到十亿个恒星质量那么大。此外还发现这些黑洞的尺寸和其宿主星系的质量相关。哈勃星系普查表明，黑洞的质量取决于其宿主星系星系核中恒星的质量：星系越大，黑洞也越大。这种关系说明黑洞是伴随着星系一块儿成长的，黑洞会吞并星系的一部分质量。
图16：根据哈勃的光谱图合成的图像。研究人员发现许多星系中心都存在一个巨型黑洞。NGC3379和NGC3377分别包含着一个5000万个太阳质量和1亿个太阳质量的黑洞；NGC4486B在其核心包含两个黑洞。
六、研究外地行星和它们的卫星
哈勃望远镜见证了太阳系内的小天体对木星的影响。它于1994年观测到休梅克-莱维9号彗星的21个碎片依次撞入木星——这是天文学家第一次看到这样的事件——每一次撞击都在木星的表面留下一个乌黑的“伤疤”。最近的一次是在2009年，一颗小行星撞入木星，留下一个太平洋大小的黑色痕迹。
图17：休梅克-莱维9号彗星造成的影响（从右下到左上）。
木星表面著名的“大红斑”（一个尺寸有地球那么大的大风暴）从19世纪早期人类观测到它以来已经连续存在了数百年。这个巨大的风暴在最近80年却在不断地收缩。天文学家们现在用哈勃望远镜定期地测量它的尺寸，以调查它为什么会渐渐地消失。
图18：木星的“大红斑”。它以300英里／小时的速度在木星表面运动。
极光是具有磁场的行星大气上层发光的一种现象。带电的粒子在行星磁场作用下会偏向磁场的南北极，这些高速粒子轰击到大气上层的原子和分子，就会产生漂亮的极光现象。这种现象不仅在地球上有，土星和木星上也有。下面是哈勃望远镜第一次拍摄到木星和土星南、北极的极光。
图19：土星的极光。
在寻找地外生命研究中，木星的卫星占据着很重要的位置。哈勃在木卫三（太阳系内最大的卫星）地下发现了一个巨大的盐水海，据估计其含水量比地球表面全部的水还要多。此外哈勃还观测到木卫二表面大气的变动，天文学家认为这可能是由地下海水喷发而造成的。寻找液态水，在寻找地外生命的研究中至关重要。
图20：哈勃在木卫二上模糊的地方发现氧和氢，这是构成水分子的两种元素。科学家认为这极有可能是水。
（未完待续）
原文链接：https://www.nasa.gov/content/goddard/2017/highlights-of-hubble-s-exploration-of-the-universe
编译：Camelion
审校：山寺小沙弥
编辑：Alex Yuan
来源：中科院物理所（cas-iop）
