哈勃怎樣改變了人類的宇宙觀?30年觀測又如何成就天文學新篇章?

 
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哈勃怎樣改變了人類的宇宙觀?30年觀測又如何成就天文學新篇章?

迄今為止的最強光學太空望遠鏡

兩位宇航員在1999年12月的3A維修任務中更換了哈勃太空望遠鏡的陀螺儀

哈勃太空望遠鏡取得了巨大的成功,哈勃對天文學所有領域的貢獻受到了世界天文學家們的認可。哈勃望遠鏡是迄今為止功能最強大的太空望遠鏡,它提供的波長覆蓋範圍和功能是當前正在運行中的其他光學望遠鏡所無法比擬的。

與其他光學天文望遠鏡相比,哈勃望遠鏡有四個主要優勢,它擁有前所未有的大範圍角解析度,還有從可見光和近紅外光到遠紫外光的極廣光譜覆蓋範圍,哈勃還可以拍攝深空宇宙以及實現高精度光度法的拍攝。哈勃望遠鏡的成像視野很廣,可以繪製宇宙天體和一些重要結構。相反,地面望遠鏡的視野會被大氣所影響,而且地面望遠鏡是無法進行紫外光和大部分近紅外光觀測的。

圖片是哈勃拍攝到的小麥哲倫星雲中的一個名為1E 0102.2-7219超新星爆炸結構,超新星殘餘的氣體和結構在中部位置

哈勃望遠鏡的圖像比標準地面望遠鏡獲得的圖像要清晰5到20倍。面對浩渺宇宙,我們很疑惑,更多的是對未知的恐懼,因為宇宙實在是太大了,甚至超出了我們的想像,而哈勃優秀的成像能力似乎讓我們和宇宙拉近了距離。此外,與地面望遠鏡拍攝的圖像相比,哈勃望遠鏡的圖像極為穩定,地面望遠鏡的視野會由於不斷變化的大氣和湍流而不斷失真。

單單這些優勢而言,哈勃就是科學天文觀測的重大進步。在未來,雖然哈勃已經有了很多繼任者,但是很明顯,一個人的啟蒙老師只可能擁有一個,所以即使未來會有很多繼任者登上軌道,哈勃對人類,尤其是對宇宙學的貢獻是不可磨滅的。

這是瀉湖星雲,在照片的中心,一顆比我們的太陽還要亮20萬倍的年輕恆星正處於活躍狀態,星雲中的星塵和不同恆星的粒子活動雕刻出了「山脊」,「空洞」等星雲奇幻景觀

除了優秀成像能力之外,哈勃還激勵了數代人對宇宙,或者說對天文科學產生了強烈的興趣,比如哈勃拍攝的深空場圖像,哈勃拍攝的木星的大紅斑,每周年紀念日拍攝的各種星雲和星系等等。面對宇宙,有了哈勃,我們的疑惑成為了興趣。就在此時,我們也了解到,宇宙遠遠沒有我們想像的簡單,它複雜的很。
神秘宇宙中的文明燈塔
宇宙不僅浩渺無垠,而且非常複雜且神秘。我們說什麼組成了宇宙?大家肯定會回答,星系星雲,還有比地球上沙子還多的星球組成宇宙了唄。其實宇宙中可見的所有物質不足5%的比例,也就是說剩下的95%都是我們無法看到的,無法直接觀測的,它們就是暗物質與暗能量。

哈勃太空望遠鏡拍攝了許多令人嘆為觀止的宇宙圖像,「創世之柱」是哈勃的代表作之一。哈勃在2015年重新拍攝了「創世之柱」的圖像,這裡是恆星的家園

在哈勃太空望遠鏡發射之前,天文學家和宇宙學家對暗物質和暗能量是束手無策,但是通過哈勃優秀的成像水平,天文學家發現了暗物質與暗能量的蛛絲馬跡。天文學家長時間利用哈勃觀測固定的數十個星系,發現這些星系周圍都有暗物質團塊結構。換句話說就是所有星系都並嵌入到了暗物質粒子當中。

暗物質本身由緩慢移動的粒子組成,這些粒子聚在一起形成統一結構。整個銀河系周圍的暗物質粒子的質量甚至不超過商用飛機的質量,但是就是這些粒子可以左右星系的移動和形態,甚至可以讓兩個星系相撞,就比如說水中的兩艘船,水不會快速流動,但是它會緩慢流動,流動30億年(這裡以仙女座和銀河系做對比)之後,兩艘船就會相撞。暗物質與暗能量我們是看不到的,但是藉助哈勃太空望遠鏡優秀的成像能力,我們就可以看到它們是如何影響星系行為的,從而確定暗物質的一些參數。

這是哈勃拍攝到的Pismis 24星團,它位於星雲NGC 6357的核心。星雲的一部分被最年輕的恆星(藍色)電離,這些恆星會發出強烈的紫外線輻射,加熱了星團周圍的氣體,使其產生了空洞結構

宇宙中神秘的結構有很多,接下來我們請出下一位神秘來客——黑洞。黑洞也是宇宙的一個神秘結構,黑洞本身是不可見的,哈勃也無法拍到照片,但是哈勃可以在黑洞吞噬天體結構的時候按下快門。黑洞在吞食一些天體的時候會有接近光速的X射線噴流和吸積盤結構,吸積盤結構是可以被觀測的。另外超大質量黑洞一般都在星系中心,通過哈勃的數據和觀測,我們發現一般星系中心都有兩個以上的黑洞。

哈勃還發現了一些二元黑洞(兩個以上黑洞結合產生的黑洞),這就說明黑洞雖然神秘,但是他們也是可以被觀測的,不同黑洞的相互吞噬還會讓黑洞變大。哈勃還觀測了一些超巨大恆星的演化,這讓黑洞的整條生命線躍然紙上。了解宇宙中的一個結構,我們必須了解它的前世今生,包括起源,演化,行為,終末。

上圖為我們展示了哈勃對兩個星系中心黑洞部分氣體密度的實際觀測。下圖為我們展示了計算機模擬的兩個星系中的恆星形成區,這些數據將幫助天文學家了解黑洞噴流是如何影響落入黑洞中的其他氣體的
現代天文學引領者
宇宙很神秘,也很美麗,除了黑洞和暗物質這類害羞的天體,我們還有很多重子天體(可觀測天體)可以觀察。哈勃太空望遠鏡在探索宇宙方面開闢了一個新的,未知的領域。從1990年代初期到現在,天文學家利用哈勃的光學主鏡拍攝了100多萬張照片,這其中有很多星系等天體結構,這是宇宙最優美,最宏偉,也是最讓人振奮的一點。不過我們通過哈勃的觀測得知,宇宙中的星系是由更小,更原始的恆星組合演化而來的……

哈勃不僅看的廣,看得清楚,還看得遠,它似乎帶我們回到了一切的原點……1995年,天文學家利用哈勃觀察了一小片看似什麼都沒有的天空,觀測時間持續一百萬秒,最後天文學家有了新的收穫。哈勃捕捉了無數星系的微弱光芒,許多星系是如此遙遠,它們的光到達地球都花費了數十億年。因此,我們在觀察宇宙的時候就好像在一條時間走廊里,距離我們越遠的星系,它們的光距離我們也就越遠。

該圖像由哈勃的高級勘測相機拍攝,這是ZwCl 0024 + 1652星系團。該圖像為我們展示了遙遠星系微弱的光,其光線被星團的強大引力場所扭曲

這是為什麼呢?天文學家使用哈勃太空望遠鏡數據證實了宇宙正在膨脹,不僅如此,宇宙還在不斷加速膨脹。去年,哈勃太空望遠鏡的最新測量結果證實,宇宙的擴張速度比預期快9%。我們知道天文學家可以預測造父變星光度是變亮和變暗,所以天文學家用哈勃觀測造父變星就可以測量星系間的距離。天文學家小組分析了鄰近星系大麥哲倫星雲中70顆造父變星的光,並採用了一種新方法來捕獲這些恆星的快照。

哈勃望遠鏡通常只能在每90分鐘內觀測一顆恆星,天文學家使用一種稱為DASH移位的新方法觀察了造父變星群,從而使研究小組能夠在相同的時間內觀察十二個造父變星。利用這些新數據,天文學家們得以鞏固宇宙膨脹距離的基礎,該基礎可以用於確定宇宙膨脹的速度,還可以計算哈勃常數隨時間變化的速度,進而發現宇宙是在加速膨脹的。

這是哈勃2014年拍攝的超深場圖像,這是哈勃高級相機和第三廣域相機3拍攝的複合圖像,這張圖像哈勃拍攝了841次,其中包含約10000個星系,最古老的星系年齡大約有120億年

觀察太陽系內部土星極光,研究海王星風暴,探索木星大紅斑,了解宇宙膨脹等宇宙學問題,觀察星系演化,尋找暗物質暗能量蹤跡,探尋黑洞奧秘,了解早期宇宙並研究未來宇宙結局等等,這些全部都是哈勃的任務……哈勃在一開始因為太空梭事故,停飛了幾年,原本4億美元的預算加上這麼多年來的維修維護工作,預算超過了100億美元。
未來執著又孤獨的探索之路(自喻)
面對宇宙,人類是執著的,哪怕是超預算數十倍,我們也要探索宇宙,因為那裡是我們的夢與遠方。這條路確實不好走,勞心勞神還很可能失敗,一個太空望遠鏡從設計到運營步驟多到難以想像,但是即使這樣我們還是要探索宇宙,因為我們知道,未來人類足跡會遍布太陽系。

這是哈勃在30周年(今年1月份)拍攝的螺旋星系UGC 2885,這個星系比我們的銀河系寬2.5倍,10倍恆星數量於銀河系恆星

其實人類很渺小,看到哈勃或者其他太空望遠鏡,我總是想到瓦力,它在地球上獨自清理了多年的垃圾,面對新來的太空船它很好奇,冒著被飛船引擎火焰直接噴射的危險也要去了解,最後收穫了屬於它的愛情。哈勃和其他太空望遠鏡,獨自在軌道運行了30年,在這時間內,哈勃進行了百萬次的觀測,繞地球547千米的軌道轉了50多萬圈,每年提供給地球天文學家超過10TB的數據。哈勃是人類智慧的結晶,更是全人類在宇宙觀測時代的文明燈塔。

未來,這條探索之路,還將繼續走下去。而你,哈勃,將是人類太空觀測歷史上不可磨滅的新星,提前祝你30歲生日快樂。




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