迄今為止，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡讓人類對(duì)宇宙有了最為深刻的了解，它揭示了比任何其他天文望遠(yuǎn)鏡所能觀測(cè)到的更暗淡、更年輕、進(jìn)化程度更低、距離更遠(yuǎn)的恒星、星系和星系團(tuán)。在1990年，哈勃發(fā)射升空，進(jìn)入半徑為540公里的軌道環(huán)繞地球飛行。29年后的今天，哈勃仍然是我們探索宇宙最遙遠(yuǎn)地方的最偉大工具。
不過(guò)，任何天文望遠(yuǎn)鏡，即便是強(qiáng)大的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，所能看到的都是有限的。哈勃受到反射鏡的尺寸大小、儀器質(zhì)量、溫度和波長(zhǎng)范圍的限制，以及任何天文觀測(cè)固有的限制因素：時(shí)間。在過(guò)去的幾年里，哈勃已經(jīng)發(fā)布了一些人類所見(jiàn)過(guò)的最為震撼的宇宙照片。但哈勃不太可能做得更好，它已經(jīng)達(dá)到了自身的絕對(duì)極限。
哈勃的優(yōu)勢(shì)
哈勃太空望遠(yuǎn)鏡距離地面540公里，它相對(duì)于地面望遠(yuǎn)鏡有一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)——不會(huì)受到地球大氣的干擾。地球大氣層中的運(yùn)動(dòng)粒子有時(shí)會(huì)成為湍流介質(zhì)，這會(huì)扭曲宇宙星光的路徑。同時(shí)，有些分子還會(huì)阻止某些波長(zhǎng)的光完全穿過(guò)大氣層。
當(dāng)時(shí)地面望遠(yuǎn)鏡的極限分辨率為0.5角秒，而哈勃的主鏡缺陷修復(fù)之后，極限分辨率提高至0.05角秒。自此之后，通過(guò)哈勃，人類看到了前所未有的宇宙。
極限分辨率是觀測(cè)遙遠(yuǎn)宇宙中存在著什么天體的最重要因素之一，它由主鏡的口徑以及入射光波長(zhǎng)所決定。為了提高分辨率，需要增加望遠(yuǎn)鏡的口徑，并且使用較短波長(zhǎng)的光。
哈勃望遠(yuǎn)鏡的主鏡口徑為2.4米，它可以觀測(cè)紫外光、可見(jiàn)光和近紅外光，其靈敏度從100納米到1.8微米不等。現(xiàn)有儀器也沒(méi)有比這更好的了，盡管哈勃的最后一次（第五次）維修任務(wù)是在2009年進(jìn)行的。
除了分辨率之外，天文望遠(yuǎn)鏡的收集光線能力也非常重要。因?yàn)橛钪嬷羞b遠(yuǎn)的天體非常暗淡，需要望遠(yuǎn)鏡持續(xù)進(jìn)行聚光，這樣才能觀測(cè)到那些最為暗淡的遙遠(yuǎn)天體。
在聚光能力方面，哈勃具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。由于哈勃身處太空之中，沒(méi)有大氣層的干擾，也不用擔(dān)心地球的自轉(zhuǎn)，它可以一直指向天空中的某一個(gè)區(qū)域，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)。
通過(guò)這種方法，我們可以看到前所未有的遙遠(yuǎn)宇宙。哈勃極深場(chǎng)（XDF）就是一個(gè)例子，它對(duì)著天爐座方向的一塊區(qū)域觀測(cè)了長(zhǎng)達(dá)23天的時(shí)間，揭示了大約5500個(gè)132億年前的星系，覆蓋了整個(gè)天空的3200萬(wàn)分之一。
迄今為止，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡所拍攝到的宇宙中最深、最寬的圖像耗時(shí)250多天，由大約7500張獨(dú)立曝光照片拼接而成，這就是哈勃遺產(chǎn)場(chǎng)（HLF）。在美國(guó)宇航局（NASA）于本月初公布的哈勃遺產(chǎn)場(chǎng)中，包含了26.5萬(wàn)個(gè)星系，它們都是133億年前的早期星系，那時(shí)宇宙才誕生5億年。
這些遙遠(yuǎn)的星系非常暗淡，它們的亮度只有人眼所能看到亮度的100億分之一。雖然該觀測(cè)區(qū)域包含了大量的星系，但它其實(shí)要小于滿月所覆蓋的區(qū)域。
哈勃的極限
哈勃的設(shè)計(jì)初衷是要看得更加深遠(yuǎn)，而不是看得更加寬廣。哈勃的視野極其狹窄，這使它對(duì)遙遠(yuǎn)宇宙進(jìn)行更大、更全面的調(diào)查幾乎是不可能的。哈勃望遠(yuǎn)鏡在分辨率、探測(cè)深度和視場(chǎng)方面所取得的成就確實(shí)令人矚目，但它在這些方面已經(jīng)達(dá)到了極限。
另外，哈勃的觀測(cè)還有波長(zhǎng)的限制。恒星發(fā)出各種各樣的光，從紫外線到可見(jiàn)光再到紅外線，這也是哈勃的觀測(cè)波長(zhǎng)范圍。這并不是巧合，哈勃望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)初衷就是為了觀測(cè)這些光。
然而，宇宙空間本身的結(jié)構(gòu)在不斷膨脹，即便光在最初發(fā)出時(shí)具有很短的波長(zhǎng)，它的波長(zhǎng)也會(huì)被膨脹的空間所拉長(zhǎng)，這就是哈勃紅移。哈勃望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)波長(zhǎng)范圍設(shè)定了一個(gè)極限，它最多只能看到誕生大約4億年的宇宙，也就是134億年前的宇宙，比這更早的宇宙就看不到了。
哈勃所觀測(cè)到的最遠(yuǎn)星系是GN-z11，這剛好達(dá)到了哈勃的觀測(cè)極限。哈勃在其中一張深場(chǎng)圖像中發(fā)現(xiàn)了這個(gè)星系，它能被觀測(cè)到也是出于巧合，因?yàn)楦浇窍档囊ν哥R效應(yīng)起到了放大和增亮的作用。除此之外，哈勃再也沒(méi)有觀測(cè)到比這更遠(yuǎn)的星系。
哈勃的繼任者
可以說(shuō)，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)達(dá)到了觀測(cè)極限，但未來(lái)的太空望遠(yuǎn)鏡將把我們帶到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)哈勃極限的地方。哈勃的繼任者——詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡不僅更大，它的主鏡直徑達(dá)到6.5米，這是哈勃的2.7倍，而且它還在更低的溫度下工作，這使它能夠看到更長(zhǎng)的波長(zhǎng)。按照目前的計(jì)劃，這架新一代的太空望遠(yuǎn)鏡將于2021年發(fā)射升空。
理論上，韋伯的最長(zhǎng)觀測(cè)波長(zhǎng)可達(dá)30微米（哈勃的為1.8微米），它將能夠看穿阻礙哈勃觀測(cè)宇宙的遮光塵埃。此外，它還能看到紅移更大、回溯時(shí)間更早的天體，可以追逐到宇宙誕生只有2億年的時(shí)候。哈勃能發(fā)現(xiàn)一些非常早期的星系，而韋伯可能會(huì)在星系最初形成的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)它們。
如果我們想要觀測(cè)到更遠(yuǎn)的天體，了解到更早的宇宙，那么，下一代太空望遠(yuǎn)鏡是無(wú)可替代的。哈勃最終也會(huì)結(jié)束它那史詩(shī)般的一生，盡管它已經(jīng)嚴(yán)重超期服役了。
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