哈勃拍到的宇宙极限照什么样？

　　为啥NASA一定要拍「哈勃雪耻照」？这架太空望远镜花掉多少银子？
　　史上第一张宇宙极限照
　　宇宙到底有多大？宇宙的边界在哪儿？这都是喜欢仰望星空的人，常常问自己或者问别人的好问题。
　　从古到今，从宗教哲学到观测宇宙学，都给出了不同答案——
　　托勒密创立了地心说，告诉世人宇宙是一个嵌套27层的同心水晶球；
　　伽利略竖起天文望远镜，打碎了地心说，冲着望远镜笑道，这才是观星利器；
　　赫歇尔架起更大号的远红外望远镜，确定了圆盘状的银河系，记下了5000个星云；
　　哈勃叼着烟斗，瞄着胡克望远镜，测定了10万光年的银河系，看到90万光年的河外星系，甚至发现了星系间彼此远离的现象，并且顺手开创了测量宇宙学，更准确更专业地度量宇宙的尺度。
　　而另一个「哈勃」继承了他的遗愿，在上世纪90年代中期，将最遥远的宇宙星图传回地球，唤醒人类。这就是著名的「哈勃深空场」Hubble Deep Field。
　　这个哈勃深空场，既不是什么力场，也不是什么道场，其实就是一张照片，一张令人惊叹、细思恐极的星空照片。
　　之所以称为「哈勃深空场」，首先是因为哈勃太空望远镜拍的，其次是对准宇宙深空拍的，再有就是照片里的主角，并非繁星点点的普通星星，而是每一个光点都代表着一个星系。所以，用「深空图」这种词儿，已经远远不够用了，必须创造一个新词——「深空场」，看起来才能贴切些……于是，诞生了Hubble Deep Field——哈勃深空场，简称HDF。
　　▲这是哈勃深空场的一部分。密密麻麻的星星，每个星光就是一个星系！小小照片里竟然捕捉到将近3000个星系，其中一些是最年轻也是最遥远的星系，而最遥远的星系竟然距我们100多亿光年之外！
　　这是人类有史以来第一张最遥远的可观测宇宙极限！
　　与此同时，深刻问题唤醒了人类，我们再次追问自己：宇宙到底有多大？我们处在宇宙什么位置？宇宙的本质是什么？这些烧脑的深刻问题还是留给自己吧，我们还是倒回去，看看这张照片背后的奇妙故事。
　　大家知道，哈勃太空望远镜作为全世界最稀奇的天文观测资源，天文学家们要想动用它，使用它的观测时间，都得提前好长时间排队，需要提交申请报告，详细解释想要观测什么，观测目的是什么，重要程度如何，等等。僧多粥少的情况下，可想而知，大多数申请都被拒了。
　　好在筹划拍摄「哈勃深空场」项目的负责人，恰好是罗伯特·威廉姆斯Robert Williams，他还有一个特别身份——美国太空望远镜科学研究所所长。要知道这个所长有个特权：哈勃观测时间里有一小部分，被用作「所长的自由支配时间」。
　　于是，所长动用了特权，一连征用十天。这让很多正在排队的天文学家和科研机构，背地里嘀咕不已。更让他们大跌眼镜的是，提交观测的区域，竟然是宇宙最黑暗最空旷的天区。于是，窥探黑暗世界，成了「哈勃深空场」这个计划的绰号。坐等讥笑嘲讽的人，甚至准备向媒体爆料的人，都在等着看笑话。
　　结果就是，不仅让这帮人都闭嘴了，甚至成为NASA最值得骄傲的照片之一，就连当时美国副总统戈尔爱上了这张照片，向NASA索要主题海报。
　　在此插一句：为什么「哈勃深空场」计划要选择最黑的天区呢？
　　此时此刻，我脑子里禁不住冒出诗人顾城的金句：黑夜给了我黑色的眼睛，我却用它寻找光明。
　　其实，真实原因并不复杂。首先选择黑区，是为了避开星光，因为亮星会使哈勃相机的电子探测器饱和，从而破坏想要拍摄的更遥远更暗淡的天体图像。而选择包含已知星系和已经列入星表的星系团的天区，就是浪费拍摄资料，也没什么意义。其次，天文学家最希望目标天区，位于哈勃的可持续观测范围内，就是北天极或者南天极附近。所以，选择12月份的北天极，正值极夜，白天同样可以观测。
　　接着说事儿。
　　▲上图中像俄罗斯方块的，就是哈勃对准的一小片天区，小到什么程度呢？整个天区的一百万分之二十四，这相当于满月面积的百分之一（下图）。出乎意料的小，是吧。
　　再看看都拍到了什么？刚才说了，哈勃共计独立曝光342张图像，经过复杂处理后，拼成了这张不尽完整的「哈勃深空场」。
　　照片中展现的这片令人敬畏的天体和光点，几乎所有都是星系（只有个别带有衍射光芒的，才是我们银河系里的恒星），绝大多数比我们用肉眼看得见的最暗星体，还要暗淡40亿倍！没错——「哈勃深空场」项目团队HDF Team给出的数值，就是暗淡40亿倍。要不怎么说哈勃是太空巨眼呢！
　　更重要的是，在这些最暗淡的星体里，经天文学家计算，距离我们最遥远的星系竟然有100多亿光年，要知道已知宇宙才有138亿年。也就是说我们见到它们的样子，其实是在宇宙大爆炸之后仅仅10亿年的模样。
　　越往远方，越是过去！这就是宇宙探索的奇妙。
　　观测越往远方，越是接近宇宙的过去、星系的起源，也就越接近宇宙的原初、宇宙的边界。也就意味着，我们越接近宇宙的本质，越清楚人类处在宇宙中的位置。
　　目前我们已知可观测的宇宙半径有465亿光年，这也是2014年哈勃望远镜测定的数值，天文学家们都不相信这就是宇宙的最后边界。
　　当年由埃德温·哈勃本人开创的测量宇宙学，如今催促着天文学家们每天都在回望宇宙的过去，通过不断改进观测工具和技术，无休止地努力回望越来越遥远的过去。正如哈勃在1936年曾写下的：「最终我们会到达暗淡的边界——我们望远镜的最远极限。」
　　很快，一项比「哈勃深空场」看得更深更远的「哈勃超深空场」登上天文史的舞台，刷新了望远镜的最远极限。
　　宇宙最远极限照什么样？
　　刚才我们有幸目睹了人类有史以来第一张最遥远的可观测宇宙的极限照片——「哈勃深空场」，这是人类追寻宇宙起源的重大里程碑。尽管如此，但这不是终点，还有更多未知地带需要探索。
　　1995年「哈勃深空场」仅仅锁定的是，北斗星附近的一小块天区（北天极），天文学家担心，这或许并不能代表宇宙整体。于是，关注点转向南天极。这就是著名的「哈勃南天深空场」Hubble Deep Field South。与此同时，1995年那次观测就被改叫「哈勃北天深空场」Hubble Deep Field North。
　　在1998年9月、10月期间，哈勃专门拍摄了「哈勃南天深空场」，为期10天，观测杜鹃座附近的一小块天区，曝光130万秒，拍摄995张照片，几乎是3年前北天深空场拍摄量的3倍。
　　▲这就是「哈勃南天深空场」。
　　▲这是之前的「哈勃北天深空场」。
　　对比这两次深空场星图，到底有何不同？
　　这背后又隐藏着什么重要信息？
　　在这两次巡天观测中，天文学家发现，遥远的星系与银河系附近可见的旋涡星系、椭圆星系明显不一样。这意味着什么呢？一度占据主流的「稳态宇宙理论」不攻自破，再也站不住脚了。
　　就在上世纪中期，多数天文学家相信非常遥远的星系跟较近的星系本质都相同，因此宇宙并非起源所谓的一次大爆炸，而是存在于无限时空里，也就是说不管在多大尺度范围内，任意时间内，观测宇宙几乎都是差不多的。
　　但是，事实远胜于理论，通过这两次哈勃深空场的巡天照片却发现星系的性质并不是这样，旋涡星系、椭圆星系明显不一样。因此戏剧性地证明稳态宇宙理论的不可信。
　　更富戏剧化的是，这一铁证恐怕让一位天文学家最没面子了（如果有的话），他就是已故天文学家弗雷德·霍伊尔，因为他在生前是一位稳态宇宙的坚定鼓吹者，就是他最早叫响的「宇宙大爆炸」Big Bang，不过是为了讥讽大爆炸理论。
　　故事还在继续。
　　尽管哈勃两次深空场大获全胜，但是业界都心知肚明，哈勃还没有捕捉到来自最早恒星和星系的光，一个比最远还远的星图拍摄计划开始启动了。
　　不过这一次没让哈勃单打独斗，而是联手其他大天文台——斯皮策太空望远镜、钱德拉X射线天文台、地面望远镜和欧洲空间局的赫歇尔天文台、XMM-牛顿空间天文台，联合开展「大型天文台宇宙起源深空场巡天」Great Observatories Origins Deep Survey，简称GOODS计划。
　　结果诞生了「哈勃深空场」升级版——「哈勃超深场」Hubble Ultra Deep Field，简称HUDF。
　　2003年和2004年，哈勃在此期间历时4个月的观测，对准天炉座Fornax附近的一个微小天区，利用新安装的哈勃第三代广角相机WFC3和红外相机IR camera，进行了800次曝光，实际观测时间持续11多天，大约100万秒，拍下几万个呈现不同颜色、形状、尺寸的星系。
　　NASA一份观测报告这样描述：「这片区域中随意分布着古怪星系动物园。一些看起来像牙签，还有一些就像手镯上的连接扣。」
　　▲这就是2004年公布的哈勃超深场。
　　大家知道，因为红外线是无色不可见的，要想被我们肉眼看得见，就得在图像处理时分配颜色，转换成我们看得见的光。所以，图中不同颜色的星光分别对应着红外线的短、中、长、近红外光波——蓝光1.05微米；绿光1.25微米；红光1.6微米。图中最暗的天体是我们肉眼可见光的十亿分之一。
　　重点在于，哈勃超深场（HUDF）包含130亿年左右的星系，也就是宇宙大爆炸后4到8亿年形成的星系，是否意味着这就是宇宙最早一批正在形成恒星的星系？天文学家们争论不休。
　　但最终答案是否定的。因为2004年公布的哈勃超深场缺少关键的一环，没有覆盖紫外线波段的星光图像。于是，在之后的十年间，来自国际各大天文台的GOODS计划，收集大量相关数据，继续升级设备，补拍紫外线波段，最终补上了这一环。
　　这就是2014年公布的新一代「哈勃超深场」。跟2004年版相比，增加的深紫外光谱清晰可见，这些紫外线星光来自最大、最小和最亮的形成期的恒星。
　　▲2016年GOODS计划公布了目前已知最遥远的星系是GN-z11，距离我们133.9亿光年，被认为是诞生于134亿年前，也就是大爆炸后的4亿年。
　　问题来了，这就是宇宙第一代星系吗？答案还是否定的。天文学家们估计，宇宙大爆炸不到4亿年时，就有星系诞生了。只是暂时还无法被哈勃观测到。
　　还有比最远更远的宇宙极限照？
　　没有最远只有更远，新一轮捕捉最深远的宇宙图像即将到来，这就是比「哈勃超深场」最远极限还远的「哈勃极深场」！
　　所谓「哈勃极深场」，准确来说就是「哈勃超深场」的升级版。全称Hubble extreme Deep Field，简称HXDF。
　　▲这张图清楚显示「哈勃极深场」所占天区的大小，与满月的对比。正是透过这一小小天区——天炉座附近，人类看到宇宙的最远极限，超过130亿光年的星光秘密。
　　▲这就是「哈勃极深场」。2012年9月25日由NASA首度公布。
　　细心的朋友可能注意到了，「哈勃超深场」本身有两个版本：2004年、2014年。而「哈勃极深场」作为「哈勃超深场」的升级版，是2012年发布的，早于2014年版的「哈勃超深场」。那还有什么价值？
　　其实是这样的，尽管「哈勃极深场」是个升级版，是对「哈勃超深场」进行数据处理、深度优化、图像处理的翻新照片。但这背后天文学家们整整用了十年。之所以如此重视这张照片，就因为里面蕴含的信息量太大了。
　　首先，哈勃极深场（HXDF），包含大约5500个星系，其中最古老的被确定为132亿年以前。也就是说，我们看到的其实是132亿年前它发出的光。
　　所以，哈勃极深场就像是一个时间隧道，穿越到了遥远的宇宙婴儿期。人类已知宇宙年龄是138亿年，而哈勃极深场却揭示了星系至少跨越了132亿年，最年轻的星系竟诞生于宇宙大爆炸后的4亿年里。
　　无疑，这是非常令人震惊的答案。这项研究意味着，哈勃和它的同伴天文台已经把人类的视野拓展得更远，已经覆盖了宇宙演化历程到96%。
　　▲这幅图把哈勃极深场分离成三个平面背景，分别是不到50亿年前的天体，50到90亿年前的已经成熟的星系，超过90亿年前的星系和天体，充斥着紧凑、原始的星系以及年轻的恒星。
　　其次，哈勃极深场HXDF捕捉到的最暗天体是我们肉眼可见光的一百亿分之一，这要比2004发布的哈勃超深场（十亿分之一亮度）提升了一个数量级。这就意味着能看到的星系更多更远。
　　▲图中一些红点天体，其实之前哈勃超深场图里没有显现的星系，这类星系是最古老的星系碰撞之后形成的样子。
　　天文学家通过研究星系的性质如何随着距离（回溯时间）而变化，得出了星系演化过程，阶梯式并合，较大星系是较小星系碰撞、并合的结果。大而明亮的、比较容易辨别的星系大多是相对较近的天体（根据它们的红移分析），小而黯淡且不规则的星系，则距离我们遥远得多。
　　再有，通过研究哈勃极深场的诸多星系，天文学家得出星系并合的两种类型：当两个同样大小的星系聚集在一起，结果可能是一个椭圆形的星系，因为它们原来的旋臂和星系盘在交会时容易破环。相反，如果一个大的旋涡星系吸收小的星系时，结果是形成一个增强型的旋涡星系。
　　总之，盯住甚至迷恋上哈勃极深场，就会得到宇宙的回响。它既是一个时间隧道，又是一份宇宙秘籍。
　　这让我突然想起，一个多世纪前，达尔文的儿子乔治·达尔文，作为一位天文学家和数学家曾写过：「想象人类能发现宇宙的起源和发展趋势，就像期待苍蝇用行星理论来指导我们一样，都是徒劳的。」
　　仅仅几十年后，天文学家就完全推翻了他的断言。让他无法想象的是，一百年后的今天，透过直径2.4米主镜面的哈勃太空望远镜，我们已经穿越到宇宙133.5亿年前的婴儿期，看到宇宙的演化路径，探索宇宙的最远极限、观测到宇宙膨胀速度……这就是哈勃，让人类看到一个又一个最远极限。这就是科学，不断修正、迭代、开创人类的认知。
　　当然哈勃并不是探索宇宙的终极利器，未来发射上天的韦伯太空望远镜，必将带给我们更多惊喜和奇观。正如哈勃本人说的那样：「最终我们会到达暗淡的边界——我们望远镜的最远极限。」
　　很不幸，詹姆斯·韦伯望远镜也中招！史上最强太空望远镜貌似无免疫力……
　　最强大最昂贵太空望远镜集成完毕，整装待发，关键啥时发？
　　挥别最遥远最锐利的红外天眼，永别了斯皮策太空望远镜
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