哈勃30周年:发现宇宙终极真相,哈勃望远镜是怎么做到的?_星辰大海路上的种花家_知道日报_百度知道

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望远镜显然是人类最伟大的发明之一,自伽利略时代以来,人们制造了数不清的望远镜,但迄今为止还没有一台望远镜能像哈勃空间望远镜一样改变我们的思维,因为它展示的不只是遥远宇宙美丽的照片,而是重新定义我们对于整个宇宙的认知!

哈勃望远镜是怎么来的?

哈勃望远镜大家都知道是仍然运行在近地轨道上的空间望远镜,但最早这个想法却出自1946年天文学家莱曼·斯皮策的想法,1965年斯皮策被任命为建造空间望远镜的主任委员,1968年NASA正式确定了建造3米反射望远镜的计划!

莱曼·斯皮策

尽管计划确立,但望远镜建造计划却一波三折,差点因削减开支被时任总统的福特取消而胎死腹中,幸亏众多天文学家协调游说,最终将计划资金缩水一半保留了空间望远镜计划!因此3米的反射镜口径被缩小至2.4米,原先打算在哈勃望远镜的小型望远镜也被取消,并且欧空局也加入了计划,提供部分预算,回报则是ESA见过拥有15%的哈勃使用时间!

哈勃的光学结构:卡塞格林式反射系统,由两个双曲面反射镜组成

1980年初,正在展开设计的空间望远镜被命名为“哈勃”,这是纪念二十世纪初发现宇宙膨胀的伟大天文学家埃德温·哈勃命名,而望远镜制造过程则遭遇预算暴增,进度落后,发射时间一推再推,不过最终在1990年4月24日由发现号航天飞机在STS-31航次中将望远镜成功的送入了预定轨道!

埃德温·哈勃真该观测

上天就近视哈勃

近视眼是哈勃著名的失误,上天不久的哈勃就被发现获取的图像尽管比地面望远镜清晰,但显然没有达到哈勃的设计标准,而原因则是镜面形状被磨错了,而误差仅仅只是边缘被多磨掉了2.2微米,当然补救措施就是增加一片修正镜,将其重新校正过来,不过因为位置安装关系,牺牲了高速光度计,以及修正了部分相机的像差,这个“空间望远镜光轴补偿校正光学”系统的安装任务在奋进号航天飞机的1993年12月的STS-61航次中成功完成。

第一次维修任务后,哈勃照片解析度直线提升

所以正在近地轨道上工作的哈勃,是戴了一副近视眼镜的!

上天三十年,哈勃到底干了哪些好事?

哈勃的观测波段涵盖紫外波段到红外波段(115-2500纳米),这已经远超肉眼可见范围,在三十年不间断的观测中,哈勃带来的是惊喜,但更多的是震撼,因为人类的对于宇宙的认识正被哈勃所改写!

宇宙膨胀速度到底有多快?宇宙到底有多久远?

哈勃望远镜正在验证埃德温·哈勃在上世纪二十年代提出哈勃常数,这一点非常重要,因为宇宙的大小与未来发展的趋势都将与这一项研究有关,而关键则是精确测定那个哈勃常数H0,在哈勃望远镜之前,哈勃常数的范围很大,甚至相差一半!

但哈勃所处的近地轨道没有大气干扰,也没有天气影响,因此哈勃观测大量遥远星系中的标准烛光之一:造父变星,过去是通过它的亮度变化周期帮助判定所在星系的实际距离,但误差相对比较大,而哈勃则直接的视差测定了造父变星,从而得出不同距离上的星系膨胀的速度,哈勃将H0的精度缩小到了10%,后期又将其缩小到了5%以内!

造父变星和它的发现者勒维特

宇宙诞生到底多久了?这是勒梅特提出大爆炸理论后天文学家一直都想搞明白的话题,二十年代埃德温·哈勃用威尔逊山天文台证明了仙女星系在银河系以外,遥远星系正在离去,现在处在太空的哈勃望远镜利用这些精确测定的数据,将宇宙年龄确定为138亿岁,正负在3%以内,第一次人类宇宙的年龄调查得那么清楚。

恒星到底是怎么诞生的,哈勃为你呈现

猎户座大星云,也就是M42的火鸟星云中遍布正在形成中的恒星,这是对恒星形成理论的一次有效验证,从星云的金斯不稳定性开始坍缩,到博克球状体形成,再到原始恒星积盘产生,再到行星同心圆诞生,在猎户座和金牛座星云中都得到了验证,而对超新星残骸的观测,哈勃同时将恒星消亡与诞生过程完整的呈现在世人面前!

猎户座恒星的摇篮

星系的演化与黑洞

一直以来天文学家都怀疑在活跃星系和类星体中心存在巨大的黑洞,但在哈勃望远镜之前几乎就无法观测到类星体的宿主星系,而类星体又在遥远的宇宙边缘!哈勃通过详细观测比较近距离的类星体的输注星系,并且追踪了数十个星系中心的恒星运动,结果表明在这些星系核球的中心都存在一个超大质量的黑洞,这些黑洞质量从太阳的数百万倍到数十亿倍不等!

哈勃证实了活跃星系中心存在巨大的黑洞

除此以外哈勃望远镜还提供了类星体的高分辨率图像,发现了星系和类星体中黑洞的复杂物质来源,并且发现了星系中心的黑洞与核球形成之间的复杂关系,这表示黑洞和宿主星系之间不是独立演化的,而是存在这千丝万缕的联系,可以说是一个相互成就的过程。

银河系中心就存在一个太阳质量400万倍的黑洞,它位于人马座方向!

暗能量和宇宙加速膨胀的秘密

暗能量二十世纪末最令人震惊的发现,1998年两个团队都发现了宇宙正在加速膨胀,从而发现了暗能量的存在,而对宇宙微波背景辐射观测发现,暗能量大约占了70%的宇宙质量,但这一切似乎从来都不会记得哈勃望远镜对遥远宇宙的标准烛光Ia型超新星的观测依据。

NGC266的超新星

Ia超新星是一种特殊的超新星,由一颗白矮星和一颗红巨星构成,红巨星直径膨胀后落入了白矮星的希尔球,从而被白矮星吞噬,物质累积超过钱德拉塞卡极限时,白矮星便炸成了一颗超新星,每次爆发时质量恒定,能量一致,所以就成了宇宙中最标准的烛光。

Ia型超新星爆发过程

Ia超新星非常明亮,因此即使在遥远的宇宙边缘也能被强大的哈勃望远镜观测到,结果就是宇宙大约在90亿年前开始结束减速膨胀,并最终渐渐转变为加速膨胀,今天我们的宇宙正在加速膨胀!

宇宙的命运是不停膨胀,可能是热寂,可能是大撕裂,具体是哪个估计谁也说不准,但至少它不会再收缩!

哈勃展示的宇宙

哈勃有很多“不务正业”的工作,除了给大众留下那些叹为观止的照片外,当然更多的是给了天文学家研究这些天体的机会,而最“不务正业”的工作是三次次超深空观测:

第一次:1995年12月18日至28日间,位置:北天区大熊座附近

第二次:1998年9月至10月间,位置:南天区杜鹃座

第三次:2003年9月24日至2004年1月16,位置:北天区天炉座

HUDF展示的遥远宇宙

观测使用的是哈勃主任裁量时间,也就是老大想看哪就看哪,但这却不是随便看,而是盯着一片看上去没有任何天体的天区观测,结果是令人震惊的,天空中任意区域,都密布了无数“星星”!其中2003年9月的这张照片中,请注意这些星星点点的每一个光斑,都代表一个星系,每一个星系都和银河系一样有数千亿颗恒星,而它们中最远的星系距离大约在130亿光年外,这张在天空中占据的范围为3平方角分,全天区面积的12700000分之一!

XDF和满月的大小相比

这是继宇宙微波背景辐射的各向同性后,星系分布也同样遵循各向同性的原则,三次观测,方向迥异,但结果是一样的,宇宙深处一样热闹,而且有过之而无不及!这三次观测是继“暗淡蓝点”后对人类的再一次震撼,暗淡蓝点是人类对于地球只是宇宙中一粒沙子的感叹,而哈勃超深空照则是感慨十几万光年直径的银河系也不过是宇宙中的一粒沙子!

XDF展示的星系,最远可达133.5亿光年

哈勃未来将功成身退,詹姆斯·韦伯望远镜将继任

哈勃在这条相对于赤道倾斜28.5度、547千米高度的轨道上运行了30年,每年产生的数据超过10TB,数万篇论从哈勃提供的数据中产出,它的造价与维护费用已经超过了100亿美元,但它对于人类的贡献可能无法用金钱来衡量!

哈勃的轨道

三十岁的哈勃,对于人类而言不过是而立之年,但对于在太空工作了三十年的哈勃望远镜来说,也已垂垂老矣,而随着航天飞机的退役,未来维修已经不可能,最后一次维护是在2009年5月,所以未来哈勃退役已经进入倒计时,不过预计哈勃正常工作到2025年还没有问题!

有一个好消息是纪录片《哈勃三十年:揭示宇宙奇观》即将上映,将对哈勃三十年无数伟大的发现做一个总结,也将对哈勃发生“近视眼”以及动量轮的故障等等各种太空维修做一个回顾,喜欢哈勃的朋友千万不要错过精彩的纪录片!

2009年5月最后一次哈勃维修任务,宇航员迈克·古德正在固定哈勃望远镜

不过各位也无需担心,推迟了N次的詹姆斯韦伯望远镜将会在2021年发射,它将定位于日地系拉格朗日点L2,此处没有地球的干扰,而且有超大遮光罩保护,设备将处在50K的低温下(?220 °C)下,消除热噪点,为高灵敏度红外线传感器、光谱仪等提供一个绝佳的环境!

缺点则是未来将不会有任何航天器到达这里给它提供维修,它将独自在工作数十年!韦伯望远镜的6.5米口径的铍镀金镜片将给我们带来全新的视角,也许韦伯望远镜将发现宇宙中的第一缕光!


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