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1990到2020哈勃望远镜的发现之旅
作者:bt体育投注 来源: 时间:2021-12-20 00:32 点击:

  世界上最先进轨道天文台的发现,颠覆了我们对系外行星大气、宇宙命运以及二者之间所有联系的认知。

  难以置信的是,如果没有哈勃空间望远镜,将近一半的人从来都不会知道外面的世界。1990年4月24日,“发现”号航天飞船载着昂贵的设备从肯尼迪空间中心发射,第二天,航天飞船上的五名宇航员将哈勃这架校车大小的天文台部署在低地轨道上。自此之后的30年,哈勃帮助我们重新定义宇宙,解决了困扰天文学家数十年的难题,并且发现了没人想象过的新奥秘。

  2009年5月,在宇航员完成第五次也是最后一次维修任务后,哈勃空间望远镜在近地轨道上自由漂浮。借助着新仪器的帮助,它已经为21世纪第2个十年的工作做好了准备。

  当然,哈勃的工作历史并不是一帆风顺的,在它开始工作的最初几周内就出现了严重的问题。早期图像显示望远镜的2.4米反射镜存在着缺陷---它的边缘位置偏于平缓约2微米,大约是人类头发宽度的1/50,其导致的结果是无法清晰聚焦光线。对于一架望远镜,存在的全部意义在于脱离地球大气的影响获得清晰的宇宙形貌,其不完美之处实在让人沮丧。幸运的是,美国宇航局设计的哈勃望远镜可以定期进行维修。1993年12月3日,7名宇航员登上“奋斗”号升空进入轨道,他们的主要任务是:安装两个新仪器作为哈勃的“眼镜”,将模糊图像转换为清晰图像。

  2002年1月,这张图片中心的恒星爆发了,变成了我们银河系中最亮的太阳之一。从2004年10月开始,该视角捕获了由于爆炸照亮的周围灰尘的照片。

  当提及哈勃望远镜时,大多数人们脑海中浮现出的是银河系中绚烂的星云图像和多姿多彩的星系。但是天文学家一般更关注离地球较近的宇宙空间。从上世纪八十年代起,没有任何航天飞行器登录天王星或海王星进行勘察,科学家一直是使用哈勃望远镜和大型陆基望远镜观察宇宙来弥补这部分观测缺口。1986年,当旅行者2号飞越天王星时,太空望远镜观测到的天王星是一个温和的淡蓝色球体,图像显示它是一个被明亮甲烷云包围着的活跃世界。在海王星的大气层中,哈勃望远镜曾经追踪过大量的风暴,其中有些风暴的速度和地球一样大,是被已达到平均900英里每小时(1450千米每小时)的风速推动的。

  哈勃望远镜在美国国家航空航天局的“新视野号”的冥王星任务中成功发挥了关键性作用。在2005年到2010年期间,轨道天文台为“新视野号”发现了四次新的探测目标,它们分别是:小卫星九头蛇、尼克斯(冥卫二)、科波若斯(冥卫四)、斯提克斯(冥卫五)。但是,更重要的是,人们根据多年的观测绘制了矮行星表面明暗区域的地图。这些区域中最明亮的部分如此吸引“新视野号”的科学家们,以至于他们瞄准飞近探测,使得探测物于2015年7月在最接近点成为前沿和中心。

  来自一颗大质量恒星(图像中最亮的恒星)的恒星风雕刻了泡沫状星云(NGC 7635)错综复杂的轮廓。由于来自电离的氧原子的短波辐射向外传出,这个泡状物透着青白色。

  蟹状星云(M1)是一个巨大的恒星的发光卷须,地球的观察者发现该行星是由1000年前的恒星爆炸产生的。天文学家能够推断出星云的膨胀率一部分原因是哈勃观测结果。

  在哈勃望远镜发射时,科学家仅仅统计了宇宙中的九颗行星(在冥王星降为矮行星之前)。自从20世纪90年代初以来,天文学家已经发现了超过4000颗围绕其他恒星运转的行星。虽然哈勃望远镜对这一发现仅贡献较小,但它的光谱仪分析了一些系外行星的大气。最令人感兴趣的应该是在这些星球上发现了大量的水蒸气。

  恒星的寿命能达到几百万年,几十亿年,甚至几万亿年,而太空望远镜使天文学家坐在前排研究来研究恒星演化的每个阶段。类太阳恒星最终会从它的外层喷发产生一个称为行星状星云的炽热发光的死亡护罩,哈勃探索出这些美丽的结构,发现它们比以前的认识要复杂得多。许多类太阳恒星,不是呼出一个垂死的气息,而是经历多次死亡的阵痛。其复杂的形状是随着新喷射的气体与旧喷发的物质相互作用而发展变化。

  涡状星系在哈勃的许多宇宙发现中起关键作用。宇宙岛通过暗物质结合在一起,在它们的中心处有超大质量黑洞,有助于定义宇宙的膨胀率,并且凭借暗能量以越来越快的速率彼此飞走。

  并非所有恒星命中注定死于相对的平静。那些诞生以来就拥有超越八倍于太阳质量的恒星,会以剧烈的超新星爆炸的方式从宇宙谢幕离开。这些巨大的爆炸将重元素的种子播种在宇宙中,同时也留下了其高度压缩的恒星核——中子星或是黑洞。哈勃望远镜对这些爆炸的遗迹进行观测、研究,追踪从爆炸中喷射出的元素,并且观察它们的气体卷须伴随着漫长时间缓慢进行的演化。

  也许最重要的是,空间望远镜已经追踪到超新星1987A附近正在发展的遗迹,1987年二月,超新星1987A这颗超级巨星爆炸于银河系最大的伴星系——大麦哲伦星云(LMC)中。过去的30年中,哈勃望远镜观测到了这颗超新星爆炸时产生的爆震波于20,000年前点燃了被其前身星喷射出的气体,并且还观测到了萌芽中的超新星遗迹已经成形。

  猎犬座中的旋涡星系M106帮助我们确定了哈勃常数。围绕其中心超大质量黑洞旋转的水脉泽产生了旋涡距离,利用哈勃望远镜进行工作的科学家们得以用这个距离来帮助校准银河系中的造父变星。

  望远镜锐利的眼睛已经漫游了整片大麦哲伦星云(LMC)。对蜘蛛星云——宇宙中已知最大的恒星形成区的调查研究——解开了一个有关蜘蛛星云中心星系团的长期谜团。这个星系团的核心,被称为R136a,它似乎是一颗重达1000倍甚至更多倍于太阳质量的恒星,远远大于天体物理学家所认为可能具有的大小。但是哈勃望远镜将星系团的稠密云核分解成几个较小的恒星。尽管许多恒星的质量超过了100个太阳质量之和,这使得它们成为已知最重的恒星俱乐部中的一员,但它们不再违反物理定律。哈勃望远镜的LMC观测结果显示,此望远镜可以凭借同样的细节观察到以前只有在银河系才可能做到的观察邻近星系中的物体。

  当哈勃望远镜窥探到更深邃的宇宙之时,它获得了一个又一个新的发现。可能没有什么比确认黑洞的存在更能激发公众的想象力了,黑洞在星系的演化过程中发挥着至关重要的作用。这一标志性的成就出现在19世纪90年代,当时哈勃望远镜探测到有两个位于室女座星系团附近最大的星系——M84和M87星系,这一由数千个星系的集合体距离地球约5000万光年。科学家们用光谱仪去检测这些星系核心的气体快速运动之时,天文望远镜上显示在每个星系的中心都潜伏着一个特大质量的黑洞,尽管早期的观测暗示黑洞可能存在于一些星系中,但哈勃望远镜为此提供了铁证。

  和银河系一样,位于波江座内的NGC 1300是一个跨度超过10万光年的棒旋星系,在这样的星系中,旋臂从一个充满恒星的棒旋星系的末端向外缠绕。

  美国宇航局/欧洲空间局/哈勃遗产小组(空间望远镜研究所/大学天文研究联合组织)

  但更重要的是,哈勃发现特大质量的黑洞很常见。基本上每个星系都拥有密集的球状恒星突起,围绕恒星的中心承载着黑洞,这些黑洞的大小从矮行星系的10万个太阳质量到最大宇宙岛屿的几十亿个太阳质量不等。哈勃还发现,黑洞与其宿主星系有着密切的联系:恒星膨胀和黑洞质量是同步增长的。当然,哈勃并没有把目光局限在星系的中心,他经常去探测附近星系中被称为造父变星的单个恒星,以此来确定宇宙的膨胀率。这个膨胀率在宇宙学中起着基础性的作用,是以它的发现者——美国天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)的名字命名的,并且还以他命名了太空望远镜。

  造父变星在宇宙距离阶梯上起着关键的作用,因为它们的脉动周期随其本征光度的变化而变化。观察一个变星在天空中出现的亮度,你就可以计算出它距离地球有多远,然后测量它的宿主星系从地球的退行速度,你就得到了膨胀率。哈勃30年的观测表明,膨胀率为每秒73公里每兆秒差距(1兆秒差距等于326万光年)。奇怪的是,由欧洲空间局普朗克卫星的测量值为67,而科学家们至今还未找到缩小这一差距的方法。(见2019年6月出版的《宇宙学核心的张力》)

  潮汐引力已经将相互作用的螺旋星系推出。双鼠星系每16亿年靠近一次,而现在已经开始第二次轮回了。事实上,它们将逐渐合并成一个椭圆星系。

  当从空间望远镜窥探宇宙时,通常会发现一个或两个邻居。事实上,哈伯发现星系之间的碰撞不仅仅局限于已知的规则。这些超乎寻常的现象通常发生在碰撞早期。比如说,涡状星系[3]和它的邻居NGC5195,只在最初的相互碰撞时留下微弱的痕迹。其他的星系,例如双鼠星系,在长时间重力作用下发生变形并且产生长潮汐尾巴。还有诸如触须星系[4],正经历较大的影响。此时,星系正逐渐失去自己的特征,诸如星云撞入其他星系并引起新星诞生的大漩涡。在讲到星系碰撞,哈伯证实银河系并不能例外。对我们最大的邻居——仙女星系[5]进行仔细观测后发现,它正和太阳系进行碰撞,而非简单的经过。几百万年后,双鼠星系或触须星系的现在,就是这两个庞然大物的将来。

  尽管肉眼无法观测到宇宙中的暗物质,但哈勃望远镜能够绘制出其分布图。当天文学家凝视着庞大的星系团时,常常能捕捉到一缕缕弧形光线,有时还能观测到背景星系的多重像,这种多重像产生于前景星系的引力透镜效应,这些透镜放大和扭曲了较远天体发出的光线。天文学家细致分析哈勃观测到的影像,并推算出要产生这样的光线畸变,暗物质应处于什么位置。

  尽管天文学家已经预料到哈勃的很多显著发现,但哈勃最伟大的发现却出人意料。目前有两支研究团队在观测远距离Ia型超新星,分别由加州大学伯克利分校的萨尔·波尔马特(Saul Perlmutter)和澳大利亚国立大学的布莱恩·施密特(Brian Schmidt)牵头。这些爆炸发生于双星系统内,其间白矮星吸取巨大的红矮星的能量。当白矮星的质量达到1.44个太阳质量时,便会发生爆炸。

  因为la型超新星也几乎起源于同一种前身星,所以它们的峰值光度互相匹配。因此,一旦天文学家分辨出这些超新星的亮度,他们立刻就可以计算出与之的距离。研究团队发现,最遥远的超新星爆炸强度弱于其距离理论上应对应的强度。唯一可以解释这一点的是,也许存在某种力量,被称为“暗能量”,正在加速宇宙的扩张。普朗克探测器显示暗能量约占宇宙总质量的68%,这标志着宇宙,将会以持续增加速度不断膨胀下去。尽管哈勃望远镜有其丰富的科学成就,但是透过它看到的美丽景象也是它重要的作品之一。当见证恒星从炽热、闪烁微光的星云一隅逐步形成,当目睹垂垂老矣的恒星周围精致纤弱的卷须,想到终有一天我们的太阳也会步此后尘,又或当看到周围星系巨大的螺旋形结构时,又有谁不会为之动容呢?几乎每一帧图像都有其魅力,毫无疑问,这是源于它们反映了自然固有之美。而且,如果足够幸运,这些美丽还将延续很多很多年。

  哈勃望远镜(简称HST或哈勃)是一台自1990年发射至近地轨道并且目前仍在使用的天文望远镜。它不是第一台天文望远镜,但是它是最大、用途最广的天文望远镜之一,并且凭借其重要的研究工具和天文学公共关系利器的身份享誉全球。哈勃望远镜以天文学家埃德温 哈勃命名,与康普顿伽马射线天文台,钱德拉X射线天文台并称NASA最伟大的天文台。它配有一个2.4米(7.9英尺)的反射镜,其四个主要仪器在电磁光谱的紫外、可见和近红外区域进行观测。哈勃望远镜的轨道位于扭曲的大气层之外,这一点使得它可以用比地面望远镜低的背景光捕捉极高精度的图像。它已经记录下的一些最详细的可见光图像,给予我们一个深度观察宇宙的机会。哈勃的许多观测结果带来了天体物理学的突破,例如确定了宇宙的膨胀率。

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