哈勃太空望遠鏡的5大重要發現，哈勃升空前的天文觀測有多難

2023-03-31 16:34:26

哈勃望遠鏡是人類天文觀測史上的一個分水嶺。自從哈勃望遠鏡升到0+以來，我們已經看到了一個數千年未見的宇宙。

在此之前，人類能夠觀察到的宇宙只有70億光年。然而，哈勃無與倫比的觀察能力將人類的視野擴展到了130億光年之外。在哈勃之前，人類看到的宇宙圖片仍然是黑白的。然而，哈勃通過它的照相機、分光計、多波長濾光器和地面望遠鏡向我們展示了一個色彩斑斕的宇宙，這些都不具備高穩定性。

哈勃對望遠鏡的貢獻遠不止於此。今天，讓我們來看看哈勃望遠鏡的5個重要發現。

宇宙的時代

由於光速有限，宇宙物體發出的光到達地球需要很長時間。人類發明了一種獨特的距離單位——光年，它是由光在一年中以真空傳播的距離來定義的。這個完美的定義告訴我們:一個天體有多少光年，以及我們在多少年前看到它們。

在哈勃望遠鏡也是0+之前，我們對宇宙形成的時間有很大的不確定性。哈勃望遠鏡給了我們答案。

大約100年前，美國天文學家埃德溫·哈勃(以他的名字命名)在加利福尼亞的威爾遜山用100英寸望遠鏡證明了銀河系以外的星系的存在。他還告訴我們，宇宙正在膨脹，星系離我們越遠，它們移動的速度就越快。

通過反演，我們推測宇宙的誕生最初是一場大爆炸，從一個奇點膨脹形成今天的宇宙。遙遠星系的距離和後退速度可以告訴我們宇宙到底有多老。

(圖片說明:哈勃太空望遠鏡拍攝了一張M100星系的照片。右邊是天文學家溫迪·弗裡德曼和其他人發現的三個造父變星，它們決定了造父變星離我們的距離，從而決定了宇宙的年齡。)

有許多方法可以計算遙遠星系的距離，例如造父變星法(cepheid varIable star)、ia型超新星法或紅移值法。地面望遠鏡無法獲得大量數據，哈勃的0+望遠鏡給了我們這樣一個機會。

天文學家用哈勃空望遠鏡進行了大量觀測，並輔以地面望遠鏡的一些數據，最終得出結論，宇宙形成於大約138億年前，誤差不到3%。

宇宙膨脹速率

知道宇宙是如何形成的，我們想知道宇宙是如何不存在的。未來宇宙會發展成什麼樣？它的目的地是哪裡？所有這些都取決於它擴張的速度和趨勢。如果宇宙加速膨脹，宇宙最終可能會陷入沉默。如果宇宙正在減速膨脹，將來它可能會收縮回到奇點。

(照片說明:天文學家亞當·裡斯用哈勃的空望遠鏡找到了已知最遙遠的Ia型超新星。左下角的圖片是上圖的特寫，右下角的圖片是對比圖片。比較表明，Ia型超新星清晰可見，證明宇宙的膨脹經歷了減速，但在暗能量的作用下開始加速)。

20世紀90年代末，由索爾·珀爾馬特和布萊恩·史密特領導的兩個研究小組舉行了一場友好但緊張的「競賽」。他們的競賽內容是通過剛才提到的Ia型超新星來確定天體的距離，從而判斷宇宙是如何以何種速度和趨勢膨脹的。如果Ia型超新星比理論值亮，它證明宇宙的膨脹速度正在減慢。

然而，正如他們在使用地面望遠鏡時發現的，遙遠星系中的Ia型超新星比預期的要暗得多，這意味著它們比預期的要遠。結論很明顯:我們的宇宙處於加速膨脹狀態。

布萊恩·施密特團隊的下一個觀察結果顯示，宇宙在其生命的前80億年左右確實在減速和膨脹。然而，隨著宇宙變得越來越大，宇宙中物質的密度變得越來越低，重力變得越來越弱，暗能量開始佔據主導地位，最終導致宇宙再次開始加速膨脹。

宇宙中有多少個星系

1995年底，時任望遠鏡科學研究所所長的羅伯特·威廉斯利用他的空閒觀察時間，將哈勃望遠鏡瞄準了夜晚被排斥的區域。這個區域並不是真的空曠，但是銀河系中恆星的分布相對較小，而有許多遙遠的星系。通過哈勃望遠鏡，他觀察了大量遙遠的星系，同時減少了星系中恆星的幹擾，進行了完美的觀察和拍攝。

最後，342幅圖像被合併成一幅令人驚嘆的圖片——哈勃深度空視場。天文學家震驚了:宇宙看起來只有米粒大小，實際上隱藏了1500多個星系，它們都在100億光年之外，這意味著我們在100多億年前就看到了宇宙。

(照片說明:哈勃深度空視野。除了銀河系中的幾顆恆星之外，這裡的每一個其他光點都是一個包含數千億顆恆星的巨大星系。)

像哈勃深度空場這樣的照片生動地向我們展示了宇宙最遙遠的歷史。天文學家通過這張照片認識到，在大爆炸後大約5億年，「一個非常高的恆星形成率已經出現，然後這個恆星形成率在大約90-100億年前達到峰值，」美國宇航局天文學家利維奧說，「實際上從那以後一直在下降。 ' '

根據哈勃在2012年拍攝的極深領域照片，天文學家推測在我們的宇宙中大約有2萬億個星系。這些巨大的星團組成了今天的宇宙。

超大質量黑洞的出現

我們現在知道宇宙充滿了超大質量的黑洞。它們主宰著自己的星系，擁有無與倫比的超重力。然而，當哈勃升到0+時，天文學家對黑洞的了解仍然非常有限。有人推測，除了恆星黑洞，宇宙中還有幾百萬甚至幾十億倍於太陽的質量。然而，限於觀察能力，沒有人能夠證明這個猜想。

(圖片說明:哈勃的M87觀測數據顯示，銀河系核心區域的氣體正以大約每小時120萬英裡的高速旋轉。根據這些數據和牛頓定律，天體的質量可以計算為太陽質量的30億倍。

1993年12月，在哈勃望遠鏡的巨大缺陷被修復6個月後，哈勃天文學家宣布了對M87核心的突破性觀測，M87是一個離地球約5000萬光年的活躍星系。利用黑暗天體照相機，哈勃從M87快速旋轉的氣體圓盤周圍的五個位置捕捉到了光線，從而發現了秘密——在這個星系的核心，有一個質量約為太陽30億倍的可怕天體！在如此狹窄的空範圍和如此高的質量下，超大質量黑洞是唯一可能的答案。

從那時起，人類已經確定宇宙中不僅有恆星黑洞，還有可怕的超大質量黑洞。它們的質量至少是太陽的100萬倍，最大的甚至是太陽的660億倍。M87超大質量黑洞也是人類歷史上拍攝的第一張黑洞照片的主要特徵。