不過(guò)，對(duì)于遙遠(yuǎn)的早期宇宙, “哈勃”還能帶給我們什么樣的、令人敬畏的其它發(fā)現(xiàn)呢？天文學(xué)家提出一個(gè)想法：把“哈勃”（人類建造的最精致的望遠(yuǎn)鏡之一）的觀測(cè)能力與巨大的星系團(tuán)的放大作用結(jié)合起來(lái)。這些星系團(tuán)通過(guò)玩弄引力把戲，放大了它們身后的背景天體。耶魯大學(xué)的Priyamvada Natarajan說(shuō)，研究小組里的每一位科學(xué)家都提出一個(gè)想法，然后大家對(duì)它們逐個(gè)進(jìn)行討論。她是小組里唯一一位研究星系團(tuán)的成員?！拔姨岢鍪褂眯窍祱F(tuán)。當(dāng)大家一致認(rèn)為那可能值得一試時(shí)，我激動(dòng)極了?！?/div>
因此，在2012年12月，“哈勃”前沿場(chǎng)（簡(jiǎn)稱HFF）觀測(cè)計(jì)劃誕生了?！肮崩?00萬(wàn)秒（對(duì)于上了年紀(jì)的“哈勃”來(lái)說(shuō)，這段觀測(cè)時(shí)間無(wú)比珍貴）研究了6個(gè)星系團(tuán)及其身邊的一個(gè)“空白場(chǎng)”(平行場(chǎng))?！肮痹?016年年底完成了觀測(cè)。天文學(xué)家已經(jīng)測(cè)繪出暗物質(zhì)在這些星系團(tuán)里的分布情況，并找到了幾百個(gè)第一代星系。盡管如此，他們期待在未來(lái)幾年還會(huì)得到更多的發(fā)現(xiàn)。
星系團(tuán)的放大作用源于自身的引力場(chǎng)。幾百至幾千個(gè)星系在引力的束縛下聚集形成星系團(tuán)。在X射線波段進(jìn)行觀測(cè)，你會(huì)看到星系成員之間充斥著幾百萬(wàn)度的熾熱、稀薄氣體。如果只研究星系團(tuán)的引力場(chǎng)，你會(huì)探測(cè)到有大量的、看不見(jiàn)的物質(zhì)聚集在星系成員周圍，彎曲了時(shí)空。這種“暗物質(zhì)”就像膠水，把所有的星系成員和氣體粘在一起；它們的總質(zhì)量大約占了星系團(tuán)質(zhì)量的80%至90%。而星系團(tuán)的質(zhì)量巨大無(wú)比——是太陽(yáng)質(zhì)量的幾百萬(wàn)億至幾千萬(wàn)億（1后面跟著14或者15個(gè)零）。
如此驚人的巨大質(zhì)量扭曲時(shí)空，使星系團(tuán)好似一面透鏡，改變了從它身邊穿過(guò)的光的路徑。你有沒(méi)有透過(guò)古老的玻璃窗往外看過(guò)？由于玻璃物質(zhì)分布不均，光在穿過(guò)玻璃窗時(shí)走過(guò)的路徑不是直線。透過(guò)窗子看東西，東西就變形了。與此同理，如果有一個(gè)星系位于星系團(tuán)的背后，它發(fā)出的光在穿過(guò)星系團(tuán)周圍的彎曲時(shí)空時(shí)也會(huì)發(fā)生偏折。實(shí)際上，背景天體發(fā)出的光會(huì)沿著多條路徑從星系團(tuán)身旁穿過(guò)。所以，我們通常會(huì)看到背景星系有好幾個(gè)扭曲的像。
而且星系團(tuán)不僅扭曲了光的路徑，還增加它的亮度。HFF計(jì)劃真正研究的正是這一點(diǎn)——增加背景天體（如星系和爆發(fā)的恒星）的亮度。這些天體存在于遙遠(yuǎn)的過(guò)去，如此一來(lái)，天文學(xué)家就可以用HFF星系團(tuán)研究早期宇宙的暗弱天體了。
天文愛(ài)好者使用的望遠(yuǎn)鏡只能把天體發(fā)出的光傳到一個(gè)儀器（人的肉眼、相機(jī)或其它類型的探測(cè)器）上，“哈勃”則沒(méi)有這個(gè)限制。它攜帶了5臺(tái)科學(xué)儀器，去分析從主鏡面?zhèn)鞯浇蛊矫娴墓?。“在焦平面，每個(gè)相機(jī)的視場(chǎng)位置稍稍有所偏移，”HFF的首席科學(xué)家、STScI的科學(xué)家Jennifer Lotz說(shuō)。“當(dāng)你把‘哈勃’的紅外相機(jī)WFC3（廣域相機(jī)3）指向星系團(tuán)的中心，其它相機(jī)就會(huì)指向稍稍偏離中心的幾處天區(qū)。
HFF的科學(xué)家們充分利用了這一點(diǎn)。他們用兩臺(tái)相機(jī)（WFC3在紅外波段、高級(jí)勘測(cè)相機(jī)在可見(jiàn)光波段）同時(shí)觀測(cè)星系團(tuán)及其身邊的‘空白場(chǎng)’。與之前拍攝的深場(chǎng)照片一樣，天文學(xué)家使用這些“空白場(chǎng)”去仔細(xì)檢查看上去空無(wú)一物的天區(qū)。“我們盡量以非常高效的方式使用‘哈勃’，每次同時(shí)打開(kāi)兩臺(tái)相機(jī)進(jìn)行觀測(cè)，”Lotz說(shuō)。
在“哈勃”繞地球轉(zhuǎn)70圈的同時(shí)，他們控制望遠(yuǎn)鏡的位置，讓W(xué)FC3對(duì)準(zhǔn)星系團(tuán)，同時(shí)用ACS觀測(cè)空白場(chǎng)。由于“哈勃”走到一半就會(huì)跑到地球的身后去，所以總共進(jìn)行了280次曝光，每次曝光持續(xù)15至20分。
“因?yàn)槲覀冃枰窍祱F(tuán)和空白場(chǎng)在可見(jiàn)光和紅外波段的觀測(cè)結(jié)果，這意味著我們需要等‘哈勃’從地球的身后轉(zhuǎn)出來(lái)以后，再次進(jìn)行觀測(cè)，這樣相機(jī)就能‘掉過(guò)頭來(lái)’，” 觀測(cè)團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人、STScI的Anton Koekemoer說(shuō)。他用“哈勃”為HFF項(xiàng)目拍攝了供科學(xué)研究用的所有圖像?！巴ǔＶ荒艿葞讉€(gè)月以后才能再次觀測(cè)?！?/div>
在幾個(gè)月后重新觀測(cè)同一個(gè)視場(chǎng)還有另一個(gè)好處：天文學(xué)家能夠發(fā)現(xiàn)這兩次觀測(cè)的差異。這些變化可能是恒星耀斑或者恒星爆炸（超新星）引起的，能帶來(lái)更多發(fā)現(xiàn)。
為透鏡建模
天文學(xué)家把這6個(gè)星系團(tuán)比作物質(zhì)分布不均的眼鏡。為了理解他們所看到的、位于星系團(tuán)身后的東西，他們需要知道透鏡的性質(zhì)。有好幾個(gè)研究組負(fù)責(zé)測(cè)繪星系團(tuán)內(nèi)部的物質(zhì)分布。這項(xiàng)工作只能借助“哈勃”的銳眼和描述暗物質(zhì)行為的理論模型才能完成。
為透鏡建模的第一步是確認(rèn)每一個(gè)背景天體的所有扭曲像——通常呈弧形或斑塊狀。在識(shí)別這些圖像時(shí)，人腦可比電腦程序干得好多了，所以研究者們必須仔細(xì)檢查每一張HFF圖像。
然后，他們運(yùn)行電腦程序來(lái)匹配這些扭曲像的位置。有7個(gè)不同的研究小組已經(jīng)編好程序來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)了。程序基本上知道有看不見(jiàn)的暗物質(zhì)團(tuán)塊圍繞在星系團(tuán)的星系成員周圍。研究者們還必須輸入背景天體的距離信息。程序稍微改變暗物質(zhì)的質(zhì)量和分布情況來(lái)重建觀測(cè)結(jié)果?！爸灰哥R模型預(yù)測(cè)的（扭曲像的）位置與真實(shí)位置（即像在‘哈勃’圖像中的位置）相符，質(zhì)量分布就應(yīng)該是正確的，”其中一個(gè)透鏡測(cè)繪組的成員、英國(guó)杜倫大學(xué)（Durham University）的 Mathilde Jauzac說(shuō)。
Jauzac及其他參與HFF項(xiàng)目的科學(xué)家使用這些透鏡模型、“哈勃”拍攝的圖像和其它望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)研究星系團(tuán)內(nèi)部的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。其他學(xué)者則用這些模型解釋星系團(tuán)內(nèi)暗物質(zhì)的分布情況及其行為特征。
不過(guò)，這些透鏡模型對(duì)那些研究星系團(tuán)背后的天體的學(xué)者們來(lái)說(shuō)也很重要?！傲私馔哥R的放大作用能讓研究背景宇宙的科學(xué)家把觀測(cè)到的遙遠(yuǎn)星系的性質(zhì)與其本身的性質(zhì)（如光度、恒星形成率、恒星質(zhì)量等等）聯(lián)系起來(lái)，”另一個(gè)透鏡建模組的組長(zhǎng)、密歇根大學(xué)的Keren Sharon說(shuō)。
實(shí)際上，打HFF項(xiàng)目一開(kāi)始，對(duì)它的要求之一就是由6個(gè)選定的建模小組使用現(xiàn)有的“哈勃”的觀測(cè)數(shù)據(jù)為透鏡建立模型，并向天文學(xué)界提供他們的建模算法。隨著項(xiàng)目的進(jìn)行，建模小組發(fā)生了一點(diǎn)點(diǎn)變化（現(xiàn)在已經(jīng)增加到7個(gè)），每個(gè)小組一使用了新的HFF圖像建模，就要把最新版的模型公之于眾。去年年底，在拍攝完艾貝爾370星系團(tuán)的最后幾張照片后，“哈勃”圓滿完成了項(xiàng)目的拍攝工作。不過(guò)，所有數(shù)據(jù)的分析工作和透鏡建模還需要多花一些時(shí)間。研究者們已經(jīng)完成了艾貝爾2744、MACS J0416.1-2403和MACS J0717.5+3745的透鏡建模工作，此時(shí)正在調(diào)試MACS Jl149.5+2223、艾貝爾 S1063和艾貝爾370的模型。
調(diào)試過(guò)程包含了大量的嘗試和錯(cuò)誤，因此，天文學(xué)家又是如何知道他們的模型準(zhǔn)確地反映了星系團(tuán)的物質(zhì)分布呢？2014年年底的一個(gè)驚人發(fā)現(xiàn)給他們提供了一個(gè)完美的檢測(cè)工具。
右上：御夫座星系團(tuán)MACS J0717.5+3745不僅是“哈勃”前沿場(chǎng)里最大的引力透鏡，在已知的宇宙中也是最大的。這個(gè)巨大的星系和暗物質(zhì)聚合體看起來(lái)由至少四個(gè)正在并合的子星系團(tuán)構(gòu)成。（圖片來(lái)源：NASA/ESA/THE HST FRONTIER FIELDS TEAM(STScI)）
左下：MACS J0717.5+3745的多波段合成圖像——把它發(fā)出的可見(jiàn)光（紅、綠和藍(lán)色）、X射線輻射（彌漫的藍(lán)光）和射電輻射（彌漫的粉光）疊加在一起。多次碰撞形成的激波產(chǎn)生了大片的射電輻射區(qū)，而團(tuán)塊狀的X射線輻射則表明四個(gè)子星系團(tuán)正在并合。（圖片來(lái)源：X-RAY:NASA/CXC/SAO/R.VAN WEEREN ET AL.;OPTICAL:NASA/STScI;RADIO:NRAO/AUI/NSF）
用超新星爆發(fā)檢驗(yàn)透鏡模型
還有好幾個(gè)其它的觀測(cè)項(xiàng)目依托于HFF。其中之一是空基透鏡放大光譜巡天（Grism Lens-Amplified Survey from Space，簡(jiǎn)稱GLASS）。該項(xiàng)目使用“哈勃”去收集6個(gè)前沿場(chǎng)星系團(tuán)和另外4個(gè)大質(zhì)量星系團(tuán)身后的背景星系的光譜。GLASS項(xiàng)目組的一些成員也對(duì)搜尋星系團(tuán)身后的超新星爆發(fā)（死亡恒星產(chǎn)生的耀眼的爆發(fā)）感興趣。
為了找到這些爆發(fā)事件，GLASS項(xiàng)目的天文學(xué)家每隔幾周就給同一個(gè)星系團(tuán)拍照。然后，他們從舊圖像中扣去新圖像，去掉這期間沒(méi)有變化的天體，例如星系團(tuán)的成員星系或者背景星系?！拔覀冇谩臄z這些漂亮的圖像，然后去掉所有的漂亮天體；”南卡羅來(lái)納大學(xué)的Steven Rodney說(shuō)。“如果有任何東西發(fā)生了變化，例如一顆恒星在這段時(shí)間發(fā)生爆炸形成超新星，圖像中就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)明亮的點(diǎn)。”
GLASS分別在2014年11月3日、7日、10日為MACS Jl149.5+2223拍照。在比較這些圖像時(shí)，Rodney的同事Patrick Kelly在扣除圖像后立刻看到了三個(gè)亮點(diǎn)?！斑@個(gè)發(fā)現(xiàn)顯然令我們大為驚喜；”Rodney補(bǔ)充說(shuō)道。他們知道自己發(fā)現(xiàn)了獨(dú)特的、難以置信的東西。在天文觀測(cè)中，超新星通常顯示為一個(gè)光點(diǎn)，同時(shí)出現(xiàn)三個(gè)光點(diǎn)意味著他們發(fā)現(xiàn)了超新星的多個(gè)透鏡像——這樣的現(xiàn)象前所未見(jiàn)。
而且觀測(cè)時(shí)機(jī)不能再好了?！肮闭谶M(jìn)行HFF觀測(cè)，將在11月20日再次觀測(cè)這個(gè)星系團(tuán)。當(dāng)Kelly、Rodney和同事把11月20日拍攝的頭幾張HFF圖像也加進(jìn)來(lái)之后，三個(gè)亮點(diǎn)變成了四個(gè)。
這顆超新星位于星系團(tuán)身后的一個(gè)背景旋渦星系的旋臂上。超新星爆發(fā)產(chǎn)生的輻射沿著四條光路經(jīng)過(guò)星系團(tuán)周圍的扭曲時(shí)空。他們把這顆超新星命名為Refsdal，以此紀(jì)念挪威天體物理學(xué)家Sjur Refsdal。這位科學(xué)家早在50年前就已經(jīng)從理論上預(yù)言了超新星在引力透鏡的作用下可以形成多個(gè)像。
由于每條光路的路程長(zhǎng)度稍有不同，光的傳播時(shí)間也就各不相同。超新星總是迅速變亮，然后暗下去。Kelly、Rodney與團(tuán)組成員在11月3日至20日觀測(cè)了超新星的亮度變化。從這些微小的變化中，天文學(xué)家能夠改善MACS Jl149.5+2223的質(zhì)量分布圖?！盀榱死斫馕覀兛吹降摹⑽挥谛窍祱F(tuán)身后的背景天體，你必須相信這些透鏡模型是正確的，”Rodney說(shuō)。
這個(gè)測(cè)繪組不僅提供了值得信任的透鏡模型，還預(yù)測(cè)來(lái)年能夠觀測(cè)到超新星的第五個(gè)像。Jauzacs的團(tuán)隊(duì)則進(jìn)一步估算出這個(gè)像將出現(xiàn)在2015年11月至2016年1月期間。
等到2015年12月11日，第五個(gè)像出現(xiàn)了?！斑@是我們第一次能夠真正向整個(gè)天文學(xué)界證明透鏡模型正確，透鏡效應(yīng)也很有用，我們可以信賴它們，”Jauzac說(shuō)。
在很久以前，幾個(gè)小星系團(tuán)發(fā)生碰撞，并合形成了MACS J1149.5+2223（位于獅子座內(nèi)）。2014年11月，在觀測(cè)這個(gè)巨大的星系團(tuán)時(shí)，天文學(xué)家在其中一個(gè)星系成員（下方）的周圍發(fā)現(xiàn)了四個(gè)光點(diǎn)，后來(lái)證實(shí)它們是一顆超新星（被命名為Refsdal）的四個(gè)像。（圖片來(lái)源：NASA/ESA/S. RODNEY(JHU)/THE FRONTIERSN TEAM; T. TREU(UCLA)/P. KEU.Y (UC BERKELE)/THE GLASSTEAM;J.LOTZ (STScI)/THE FRONTIER FIELDS TEAM;M.POSTMAN (STScI)/THE CLASH TEAM;AND Z.LEVAY(STScI)
看到暗弱的邊緣
其他研究團(tuán)隊(duì)使用HFF星系團(tuán)的放大本領(lǐng)去搜尋早期宇宙的最暗弱的星系。雖然理論已經(jīng)預(yù)言了它們的存在，但還沒(méi)有人找到過(guò)，因?yàn)樗鼈儼l(fā)出的光太微弱了。
早期宇宙布滿了中性氫（每個(gè)氫原子自帶一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子）氣體。但在這些暗弱的矮星系里形成的第一批恒星既熾熱又明亮，發(fā)出大量紫外輻射。這些高能輻射剝離了氫原子里的電子，使早期宇宙變成了電離氣體的汪洋。所以，這些恒星就像早晨的陽(yáng)光驅(qū)走霧氣一般，把擋光的中性氫一掃而凈。（由于在宇宙大爆炸后38萬(wàn)年，電離氣體也曾充斥整個(gè)宇宙，所以天文學(xué)家把第一批恒星電離氣體的這個(gè)過(guò)程稱為“宇宙的再電離”。）
雖然再電離理論聽(tīng)上去合情合理，但科學(xué)家至今還未探測(cè)到足夠多的早期矮星系來(lái)解釋整個(gè)宇宙的再電離?！拔覀冃枰业礁等醯男窍担覀儾孪脒@類星系應(yīng)該有更多，”耶魯大學(xué)的Hakim Atek說(shuō)。“多虧了前沿場(chǎng)星系團(tuán)，我們能夠把探測(cè)極限往前推?！毙窍祱F(tuán)能把這些暗弱星系的光放大30倍，他補(bǔ)充道。
Atek在瑞士的洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（Ecole Poly technique Federale de Lausanne）從事研究期間，領(lǐng)導(dǎo)了發(fā)現(xiàn)這些星系并估計(jì)其紫外輻射的工作。天文學(xué)家在三個(gè)星系團(tuán)艾貝爾2744、MACS J0416.1-2403和MACS J0717.5+3745身后及臨近的空白場(chǎng)里一共找到了大約250個(gè)矮星系。
多種輻射
把“哈勃”拍攝的圖像與其它幾個(gè)望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，是獲得發(fā)現(xiàn)的另一種方法。“多波段觀測(cè)是獲得星系團(tuán)的完整圖像的唯一方法，”研究星系團(tuán)動(dòng)力學(xué)的學(xué)者、斯坦福大學(xué)的Georgiana Ogrean說(shuō)。
天文學(xué)家正在用對(duì)紅外輻射靈敏的斯必澤空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)這6個(gè)星系團(tuán)，花費(fèi)100個(gè)小時(shí)為它們挨個(gè)拍攝圖像。斯必澤望遠(yuǎn)鏡看到的天體要比“哈勃”看到的天體溫度低些。
有了紅外波段和可見(jiàn)光波段的觀測(cè)，天文學(xué)家就能研究塵埃和恒星，不過(guò)，星系團(tuán)里的氣體該如何研究呢？這就要靠太空里的錢(qián)德拉X射線天文臺(tái)和XMM-Newton望遠(yuǎn)鏡了。它們負(fù)責(zé)捕捉熾熱氣體，還有一些星系和恒星發(fā)出的輝光。
左上：天文學(xué)家在觀測(cè)波江座星系團(tuán)MACSJ 0416.1-2403，還有MACS J0717.5+374S 和艾貝爾2744時(shí)，找到了數(shù)百個(gè)在宇宙僅6億至9億年老時(shí)形成的星系。（圖片來(lái)源：NASA/ESA/THE HST FRONTIER FIELDS TEAM (STScI)）
右下：“哈勃”在可見(jiàn)光波段為星系團(tuán)MACSJ0416.1-2403拍攝的圖像（紅、綠和藍(lán)色），還有幾乎重疊的X射線輻射（彌漫的藍(lán)色輝光）和射電輻射（彌漫的粉色輝光）。天文學(xué)家解釋說(shuō)，X射線輻射和射電輻射的大部分重疊分布（呈現(xiàn)為紫色）意味著這些子星系團(tuán)剛剛開(kāi)始并合過(guò)程。（圖片來(lái)源：X-RAY:NASA/CXC/G.OGREAN ET Al.;OPTICAL:NASA/STScI;RADIO:NRAO/AUI/NSF）
另一個(gè)以HFF計(jì)劃為基礎(chǔ)的項(xiàng)目使用“哈勃”捕捉紫外輻射，去尋找熾熱的年輕恒星。天文學(xué)家還使用地面的射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)正在形成恒星的星系、活躍星系的中心區(qū)域以及觀測(cè)天區(qū)內(nèi)的彌漫射電源。
Ogrean與同事把各波段的觀測(cè)結(jié)果結(jié)合起來(lái)，對(duì)3個(gè)HFF星系團(tuán)展開(kāi)細(xì)致的研究。他們發(fā)現(xiàn)MACS Jl149.5+2223是幾個(gè)小星系團(tuán)在很久以前并合而成；MACS J0416.1-2403則正處于并合初期；而MACS J0717.5+3745“是目前已知最復(fù)雜的、正在并合的系統(tǒng)，至少有4個(gè)子星系團(tuán)正在并合中?！彼f(shuō)。
還有其他幾個(gè)團(tuán)隊(duì)也把各種輻射結(jié)合起來(lái)研究，去了解星系團(tuán)的性質(zhì)。天文學(xué)家還借助其它創(chuàng)造性的方法，使用HFF圖像去探索宇宙。實(shí)際上，截至目前有90多篇已經(jīng)發(fā)表在科學(xué)期刊上的學(xué)術(shù)論文使用了這個(gè)項(xiàng)目的觀測(cè)數(shù)據(jù)，而且這些還只是HFF圖像的初步分析結(jié)果。
“是的，HFF圖像非常棒，”Sharon說(shuō)?！安贿^(guò)，當(dāng)你在觀測(cè)數(shù)據(jù)中認(rèn)出透鏡證據(jù)，并把它帶入正確的公式，親眼看到物理定律發(fā)揮作用，這才是真正的迷人之處。我們現(xiàn)在能用技術(shù)測(cè)量這些現(xiàn)象，生活在這樣的時(shí)代，我感到非常幸運(yùn)?！?/div>
在未來(lái)幾年，天文學(xué)家將繼續(xù)深入理解每個(gè)星系團(tuán)里正在發(fā)生的事，還會(huì)梳理出這些星系團(tuán)身后的背景天體的更多線索。
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