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一张小小照片,为何颠覆了人类认知?令人震撼的宇宙图谱

简单地说,“哈勃遗产场”只不过是哈勃太空望远镜拍摄的一张照片。但这不是普通的照片,其中蕴藏着的宇宙奥秘,足以颠覆人们的认知,让科学也为之震撼和改变。

让我们一起来层层打开这张照片的朴素外表,窥探其中的奥秘。

首先了解一下宇宙观测的传奇~哈勃望远镜

哈勃望远镜于1990年4月24日发射升空,是以已故美国天文学家埃德温・哈勃的名字命名,由NASA(美国航天局)投资发射的一款太空望远镜,英文名称为:Hubble Space Telescope,简称HST。

哈勃望远镜口径为2.4米,长度约16米,运行轨道在距离地表约640公里高空。初始发射带有的主要仪器组成有:广角和行星照相机(WF/PC)、戈达德高解析摄谱仪(GHRS)、高速光度计(HSP)、暗天体照相机(FOC)、暗天体摄谱仪(FOS)。

为了保证哈勃望远镜的正常工作,NASA先后5次派出宇航员登上望远镜进行维护和修理,修复更换添加了大量的设备仪器,如近红外相机、多目标分光仪、图像摄谱仪、测绘照相机、宇宙起源光谱仪、宽视场相机、多个陀螺仪等等。

31年来,这台原计划投资两亿美元的望远镜实际发射维护费用花费了100亿美元,其中欧空局(ESA)也给予了一些资金支持和设计生产了部分仪器,作为回报获得了15%的使用权。

哈勃望远镜是人类首台太空望远镜,由于是处于大气层之上,不受地面受到大气湍流扰动,因此极大地拓展了人类视野,拍摄了数百万计的宇宙天体照片,发现了大量新天体,取得了许多突破性的发现和成果,让人类重新认识了宇宙。

哈勃望远镜的主要成就包括但不限于:观测了数千个星系和数百万颗恒星,发现了大量的奇异天体,对恒星、星系演化有了更精确的认识;观测了大量太阳系内外行星,观测了彗木相撞全过程,获得了大量天体基本资料;让人类首次看到百亿光年以外的神秘宇宙,对宇宙诞生和年龄有了更深刻的了解;它成功弥补了地面观测的不足,解决了许多天文学上的基本问题,从而让人类对天文物理有了更多的认识。

自从上世纪末以来,以哈勃望远镜为代表的一系列空间望远镜发射成功,为人类突破视野,认识宇宙立下了汗马功劳。如康普顿γ射线天文台、钱德拉X光天文台、斯皮策空间望远镜、普朗克望远镜等等。这些望远镜不但有光学的,还有各种射线射电的。实质上,一台空间望远镜就是一座太空天文台,能够对宇宙全方位进行观测。

哈勃遗产场的拍摄过程

哈勃遗产场英文简称HLF,是2019年5月NASA公布迄今最完整最全面的一张宇宙图谱照片,由哈勃望远镜拍摄的7500张星空照片拼接而成,照片中凝聚着哈勃望远镜的16年的成果和数百名科学家的心血。

哈勃望远镜上天后,在广泛巡天的基础上,对宇宙深空拍摄了几张不同层次的照片,最著名的有哈勃深空场,简称HDF;哈勃超深场,简称HUDF;哈勃极深场,简称XDF。这几张照片一个比一个层次更深,内涵更丰富。

HDF是哈勃望远镜刚升空不久立下的第一个功劳,是1995年12月18日至28日连续十天内,利用第二代广角和行星照相机对着大熊星座方向拍摄的一张遥远深空图。为了解决天体过于暗淡问题,采用了324张单独曝光的图片拼接得出。

HUDF是2003年9月24日到2004年1月16日用了三个多月时间,对着天炉座方向拍摄的,图片占据全天空面积的270万分之一,是HDF的升级版照片,让人们看到了更多更遥远的星系。

XDF是2012年9月25日NASA公布的又一张更深层次星空照片,是利用高级巡天相机和第三代广域相机,在50天里拍摄2000余张照片合成的,总曝光时间达到200万秒,拍摄的天区面积只占满月约百分之一,里面却包含有10000个星系。

而HLF就是在这些成果基础上,加入更多的观测成果合成出来的一张照片。

哈勃遗产场深处的秘密

我们在网络上看到的这张HLF照片,只是徒有其形的一张照片,如果把它放大,那些细小的光斑就成为看不清的马赛克。这张照片真正的电子版原图在NASA的网站上,像素达到25500x25500,容量达到672MB。

在这张高清图片中,哪怕再暗弱的小点都是一个星系,将人类视力极暗100亿倍的星系照了出来,由此,整张照片包含了265000个星系。当然,这张图的意义并不只是计算其中有多少个星系,而是其中包含的整个宇宙密码。

领导合成这张图项目的负责人加斯・伊林沃斯说:这幅图像包含了宇宙中星系的完整成长史,从星系的“婴儿时期”到它们完全演化的“成熟期”。

如果用一个人来打比,通过观察人从孕育开始,到婴儿、少年、青年、中老年,最终老去死亡的整个过程,就能够了解人的一生。科学家们通过研究哈勃遗产场这张图片,就能了解星系成长和消亡不同阶段的各种状态,这样,就能在未来发现任何一个新的星系时,可以知道这个星系的年龄和归宿。

常有人质疑科学家们如何知道宇宙日月星辰那么多奥秘,其实这就是一个例子。科学家们对这些观测结果综合研究,就可以更深入地了解和掌握宇宙演化的终极秘密了。

哈勃遗产场是宇宙终极秘密吗?

NASA表示,这张照片已经使出了哈勃望远镜的浑身解数,观测了从紫外光到近红外光波长范围,观察到了最远达到130多亿光年的宇宙图像,因此,这幅图片已经是哈勃望远镜能够拍摄的顶级图谱了,未来再也不可能有超越这幅图像的成果了。

但这只是哈勃望远镜的顶点,并非是科学研究的顶点。老美1996年就开始招标设计建造的詹姆斯・韦伯空间望远镜,几经周折和延期,好事多磨,就在这几天(12月24日)要发射升空了。届时,它将在更高的深空,距地表150万公里(第二拉格朗日点)的高度工作。

韦伯望远镜是比哈勃望远镜更高层次的科学仪器,预算投资从5亿美元已经扩大到了100亿。这台更为先进的望远镜质量只有哈勃约一半,为6.2吨,但其口径达到6.5米,采光面积约为哈勃的6.25倍,能在近红外波段,接近绝对零度状态下工作。加上在更遥远的高空无干扰环境工作,分辨率有望高于哈勃望远镜的100倍。

可以预见,不久的将来,人类将借助韦伯望远镜得到更多更精美的宇宙图片,对宇宙起源和演化有更深入的理解。

劳苦功高的哈勃望远镜还将伴随韦伯望远镜在太空一段时间,随后,垂垂老矣能量耗尽的哈勃望远镜会逐渐降低轨道,在2028年以后的某一天,坠入大气层焚毁,以绚丽的火花作为留给人们的最后记忆。

埃德温・哈勃以及以他名字命名的望远镜终究会离我们而去,但他和它的事迹和精神将永存,而且后继有人。

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