今年是哈勃望遠(yuǎn)鏡升空25年周年，為了展現(xiàn)哈勃在25年來在宇宙探索領(lǐng)域所做出的貢獻(xiàn)，《科學(xué)美國人》西班牙版從哈勃拍攝的宇宙圖景中，精選了9張絕美的圖片。有些圖片極其罕見，比如投影在木星表面上的多個(gè)衛(wèi)星的影子；有些顛覆了我們對宇宙的認(rèn)知，比如紅超巨星的塵埃云展現(xiàn)的神奇“光回波”現(xiàn)象；還有的呈現(xiàn)出了史詩般遼闊宏偉的場景，比如“創(chuàng)生之柱”和“船底座星云”。
撰文 阿克塞爾·M·奎茨（物理學(xué)家、德國Sterne und Weltraum雜志編輯）
尤韋·賴克特（應(yīng)用物理學(xué)博士、Sterne und Weltraum雜志主編）
翻譯 蔣慧楨
25年來，哈勃取得了輝煌的“戰(zhàn)績”，拍攝了無數(shù)極具價(jià)值、獨(dú)一無二的宇宙圖景，哈勃望遠(yuǎn)鏡的重大發(fā)現(xiàn)幾乎涵蓋了天文學(xué)研究的每一個(gè)領(lǐng)域。它拍攝的圖片既有太陽系內(nèi)的天體，又有從未進(jìn)入過人類視野的遙遠(yuǎn)星系?？梢院敛豢鋸埖卣f，哈勃拍攝的宇宙圖片，從根本上改變了我們對宇宙的認(rèn)識，將是人類的寶貴文化遺產(chǎn)。
哈勃拍攝的海量宇宙圖片有一個(gè)共同的特點(diǎn)：即超高清晰度。這一方面是因?yàn)楣h(yuǎn)鏡的口徑為2.4米，分辨率較高；另一方面是因?yàn)楣臻g望遠(yuǎn)鏡的軌道位置距離地面560千米，在地球的大氣層之上，因此影像不會(huì)受到大氣湍流擾動(dòng)。
不過，人們似乎已經(jīng)忘了，這臺(tái)當(dāng)時(shí)造價(jià)為25億美元的空間望遠(yuǎn)鏡，并非從一開始便能完美地完成任務(wù)。盡管哈勃望遠(yuǎn)鏡的主鏡是以極高的精度打磨的，但傳回的圖片顯示光學(xué)系統(tǒng)存在嚴(yán)重問題，望遠(yuǎn)鏡無法達(dá)到最佳聚焦?fàn)顟B(tài)，對圖樣缺陷的分析顯示，問題的根源是主鏡的形狀存在細(xì)微的偏差，這也成了科學(xué)史上最重大的“烏龍事件”之一。在隨后的3年半時(shí)間里，天文學(xué)家不得不花費(fèi)大力氣，通過影像處理技術(shù)將那些模糊圖片修復(fù)好。幸運(yùn)的是，1993年12月的第一次維護(hù)任務(wù)中，這個(gè)問題得到了徹底解決——“奮進(jìn)”號（Endeavour）航天飛機(jī)將COSTAR光學(xué)校正系統(tǒng)送上天，航天員出艙行走將COSTAR正確地安裝到了哈勃上。自此，哈勃才開始真正勝任太空任務(wù)。
哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的升空，極大地促進(jìn)了科技的進(jìn)步。1997年、1999年、2002年和2009年，美國航空航天局又對哈勃進(jìn)行了4次維護(hù)，為哈勃望遠(yuǎn)鏡安裝了越來越先進(jìn)的光學(xué)設(shè)備。這些新的儀器不僅彌補(bǔ)了早期由于主鏡打磨失誤造成的問題，而且也讓第一次維護(hù)時(shí)安裝的COSTAR系統(tǒng)變得多余起來。在最近一次維護(hù)任務(wù)中安裝的第三代廣域照相機(jī)（Wide Field Camera 3，WFC3），視場是164×164角秒，每個(gè)像素為0.04角秒。
不過，哈勃望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)價(jià)值，遠(yuǎn)不僅在于它拍攝的那些絢麗的宇宙照片。哈勃的攝譜儀同樣也有出色的表現(xiàn)。正因于此，盡管哈勃已經(jīng)25歲“高齡”，地球上新建的地面望遠(yuǎn)鏡也越來越多，但哈勃的“一哥”地位仍然牢不可撼。在安排第22個(gè)周期（2014年10月到2015年9月）的觀測時(shí)間時(shí)，哈勃收到了上千份使用申請，這些申請要求的時(shí)間總和已經(jīng)超出了實(shí)際可使用時(shí)間的6倍。雖然不能完全滿足申請者的使用需求，但這些研究人員的科研收獲仍舊頗豐。迄今為止，他們已經(jīng)以從哈勃得到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，發(fā)表了12000多篇論文。
木星和它的衛(wèi)星
我們常常可以看到木星（Jupiter）的4個(gè)大型衛(wèi)星經(jīng)過木星前方，但很少能在木星表面上看見它們的影子。同一時(shí)間在木星表面上看到多個(gè)衛(wèi)星的影子，則更是極其罕見。幸運(yùn)的是，在2015年1月24日，就出現(xiàn)了一次這樣的情形。木衛(wèi)四（Calisto）和木衛(wèi)一（Io）剛好經(jīng)過木星前方，它們和木衛(wèi)二（Europe）的影子（見下圖，木衛(wèi)二自己沒有出現(xiàn)在圖片中）就像在木星的云層上留下的模糊污點(diǎn)。視力好的人還可以在木星表面看見較小的木衛(wèi)五（Amaltea）和木衛(wèi)十四（Tebe），以及它們的影子。
“害羞”的鄰居
由于火星體積較小，天文學(xué)家要想觀察到它，可得費(fèi)一些力氣：圖中下方那個(gè)小圓點(diǎn)是與另外兩張照片中的土星和木星按同樣比例縮小的火星。盡管如此，哈勃還是可以分辨出火星表面16千米尺度的細(xì)節(jié)。 在這張2001年6月26日拍攝的照片中，就可以清楚地看到冰晶組成的白色云層和橙色的沙塵暴。
土星上的影子
資料來源：NASA/ESA/STScI/AURA/THE HUBBLE HERITAGE TEAM
每隔14或15年，從地球上正好可以看到土星環(huán)的側(cè)面。土星（Saturn）的衛(wèi)星大都和土星環(huán)處于同一平面，這種排列方式，使我們可以同時(shí)看到土星的衛(wèi)星和衛(wèi)星投射到土星表面的影子。2009年2月24日，4顆衛(wèi)星經(jīng)過土星前方時(shí)，哈勃捕捉到了它們的影像。其中最大的土衛(wèi)六（Titan）的影子投射到了土星的北極附近；而它附近的土衛(wèi)一（Mimas），一顆小得多的衛(wèi)星，則將它的小影子落在了土星赤道附近的云層上。此外，在圖片上還可以看到土衛(wèi)四（Dione）和土衛(wèi)二（Enceladus）。盡管拍攝這張照片時(shí)土星距離地球12.5億千米，但是哈勃卻可以分辨出土星表面尺度僅有300千米的影像細(xì)節(jié)。
來自紅超巨星麒麟座V838的“回聲'
2002年5月
2002年9月
2002年10月
2002年12月
2004年10月
有時(shí)候，只看影像會(huì)導(dǎo)致我們誤判。比如，如果我們將紅超巨星麒麟座V838在2002年5月至2004年10月的照片進(jìn)行對比，可以看到，在恒星本身——圖中紅色核心——膨脹的同時(shí)，它周圍的塵埃云似乎也在擴(kuò)散，而實(shí)際情況是，這只是“光回波”(light echo)效應(yīng)造成的一種錯(cuò)覺。塵埃云本身沒有膨脹，只是恒星發(fā)出的光芒被塵埃云所反射，形成光回波，在地面觀察者看來似乎是發(fā)生了膨脹。也就是說，由于光傳播速度有限，我們只能看到周圍的塵埃云從里到外依次被這顆恒星照亮，而不是一下全部照亮，所以看上去就好像是塵埃云在膨脹（以下各圖均為同尺度）。
宇宙之舞
NGC 2207（左邊）和IC 2163（右邊）是位于大犬座（Canis Major）內(nèi)的一對旋渦星系，它們就像是一對宇宙的舞者——已經(jīng)在宇宙的大舞臺(tái)上表演了數(shù)十億年。在萬有引力的作用下，規(guī)模較小的那個(gè)星系發(fā)生了嚴(yán)重的變形，星系中被撕扯出來的氣體和恒星，向右延伸了大約10萬光年。在遙遠(yuǎn)的未來，這兩個(gè)星系將會(huì)融合成一體。
“萬花尺”星云
IC 418位于天兔座（Lepus），看起來就像一顆閃耀著光芒的寶石。盡管被稱作行星狀星云（planetary nebula），但是這些星云跟行星形成沒有任何關(guān)系：當(dāng)類似太陽的恒星走到了生命的盡頭，拋掉外層的氣體，就會(huì)形成這樣的星云。雖然不使用專業(yè)望遠(yuǎn)鏡也可以觀察到IC418，但是這張哈勃拍攝的偽色照片（照片中的顏色代表不同波長的輻射，但不是真實(shí)顏色），揭示出了它的細(xì)微形態(tài)結(jié)構(gòu)，讓它又獲得了一個(gè)綽號，叫做“萬花尺” 星云（Espirografo nebula）。
星系大碰撞
資料來源：NASA/ESA/STScI/AURA/THE HUBBLE HERITAGE TEAM (Spirograph Nebula); NASA/ESA/STScI/AURA/THE HUBBLE HERITAGE TEAM, ESA/HUBBLE COLLABORATION/NASA/ESA/H. E. BOND/STSCI, A. EVANS /University of Virginia in Charlottesville/NRAO/Stony Brook University/K. NOLL/STScI/J. WESTPHAL/Caltech (Arp 148) J. WESTPHAL/Caltech (Arp 148)
Arp 148得名于它在著名天文學(xué)家霍爾頓·阿普（Halton Arp）編撰的《特殊星系圖集》（catalog of peculiar galaxies compiled）中的編號——148。它是一對正在發(fā)生碰撞的星系，位于大熊座內(nèi)，距離地球5億光年。碰撞的結(jié)果是這個(gè)由環(huán)狀星系和一段尾巴組合成的新天體——兩個(gè)星系撞擊時(shí)產(chǎn)生的激波把物質(zhì)拋射出來，讓它們呈環(huán)狀分布。因?yàn)楹阈堑膫€(gè)頭與它們之間巨大的間隔相比實(shí)在微不足道，所以在這次宇宙災(zāi)變中，恒星都是毫發(fā)無傷的，只是運(yùn)動(dòng)的軌跡發(fā)生了改變。
創(chuàng)生之柱：分別攝于1995年和2015年這張照片拍攝于1995年，也是哈勃拍攝的照片中被使用得最多的一張，常常出現(xiàn)在海報(bào)、T恤和屏保上?！皠?chuàng)生之柱”拍攝的是鷹狀星云[Eagle Nebula，M16，位于巨蛇座（Serpen），距離地球6500光年]中心由星際氣體和塵埃組成的柱狀結(jié)構(gòu)。
這3根長度為4光年的柱子是一團(tuán)巨大的分子云的殘留物。這團(tuán)分子云是一個(gè)“恒星制造廠”，年輕恒星誕生后，產(chǎn)生的星風(fēng)和紫外輻射讓原來的氣體云瓦解，將氣體“吹”成了這個(gè)形狀，就好像是巖層風(fēng)化后留下的石柱一樣。
20年后，哈勃再次拍攝了同一區(qū)域。最新的拍攝技術(shù)讓“創(chuàng)生之柱”的圖像分辨率更高，對比更鮮明。新照片為我們研究星云的形成提供了更加豐富的細(xì)節(jié)。圖片中不同的顏色源于不同波段的多重曝光。
資料來源：NASA/ESA/STScl/J. HESTER/P. SCOWEN/UNIVERSIDAD ESTATAL DE ARIZONA(Pilares de la Creación, 1995); NASA/ESA/HUBBLE/EQUIPO DEL LEGADO DELHUBBLE (Pilares de la Creación, 2015)
星云和巨星
這是哈勃拍攝的尺度最大的全景照片之一，展示了位于地球7500光年之外的船底座星云（Carina Nebula）中央寬達(dá)50光年的區(qū)域。由星云內(nèi)氣體和灰塵組成的混合物看起來異常絢麗，這樣的“景致”是由一些隱藏在這片星云內(nèi)的巨星造就的，它們不斷輻射出紫外線，同時(shí)釋放星風(fēng)。這些恒星質(zhì)量巨大，有些的質(zhì)量甚至相當(dāng)于50~100個(gè)太陽。恒星風(fēng)以及高能量輻射逐漸破壞分子云的剩余部分，使原有的星云解體，并促使新的恒星形成。比如，研究人員預(yù)計(jì)其中一個(gè)巨星海山二（Eta Carinae），將會(huì)在不遠(yuǎn)的未來發(fā)生超新星爆發(fā)。也許，46億年前，太陽及其附近行星的形成過程也經(jīng)歷了劇烈的“新老輪回”的過程，就跟我們現(xiàn)在在船底座星云中觀察到的一樣。
這副絢麗的圖片，讓人浮想聯(lián)翩，稍加想像，我們仿佛就能看到許多神奇?zhèn)髡f中的景像，比如天蛾、恐龍還有各種各樣的動(dòng)物。看著船底座上面的星云，很容易聯(lián)想到古老的南船座（Argo Navis，南船座，原是最大的星座。18世紀(jì)被拆分為4個(gè)星座：船帆座、船底座、船尾座和羅盤座），想到古希臘神話中的英雄伊阿宋，駕駛著阿爾戈號海船（后來和金羊毛一起被宙斯提升到天界，即后來的白羊座和南船座），從希臘出發(fā)遠(yuǎn)航，直到黑海岸邊去尋找金羊毛。
這張圖拍攝于2010年，為我們呈現(xiàn)出了星云的更多細(xì)節(jié)。與“創(chuàng)生之柱”一樣，這片由灰塵和氣體組成的區(qū)域，也是恒星的誕生地，它的長度大約為3光年。在星柱的頂端還可以清楚地看到物質(zhì)流正在向相反的方向飛出。這種由新生恒星形成、狀似星云的天體，被統(tǒng)稱為赫比格-哈羅（Herbig-Haro）天體。
資料來源：NASA/ESA/M.LIVIO/EQUIPMENTOFTHETWENTIETHANNIVERSARYOFTHEHUBBLE/STScI
目前哈勃還沒有出現(xiàn)技術(shù)性問題，科學(xué)家預(yù)計(jì)，哈勃應(yīng)該可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)至2024年。不過，哈勃沒有安裝動(dòng)力系統(tǒng)，也沒有航天飛機(jī)能夠?qū)⑺扑偷礁叩能壍?，所以壽命肯定有限，退休也只是時(shí)間早晚的問題了。在560千米的高空上也有極少量的大氣分子，由于它們的摩擦作用，哈勃的高度會(huì)不斷降低。最終在2024年，哈勃將落入大氣層，化作一縷青煙。
哈勃的繼任者——詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope），預(yù)計(jì)將于2018年升空。與負(fù)責(zé)捕捉觀測可見光的哈勃不同，韋伯望遠(yuǎn)鏡將主要用于紅外線觀測。也就是說新一代的太空望遠(yuǎn)鏡將能無視塵埃的干擾，出色地完成自己的科學(xué)任務(wù)。但是毫無疑問，它拍攝不到哈勃那些令人震撼的照片。
（來源：環(huán)球科學(xué)》2015年6月號）
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