哈勃遺產(chǎn)場(chǎng)，包含哈勃16年的觀測(cè)數(shù)據(jù)（NASA）
哈勃太空望遠(yuǎn)鏡是天文史上最重要的儀器之一。自1990年發(fā)射升空之后，幫助天文學(xué)家們解決了許多天文學(xué)上的基本問(wèn)題，其超深空視場(chǎng)是天文學(xué)家目前能獲得的最深入、也是最敏銳的太空光學(xué)影像。
近日，科學(xué)家們根據(jù)其歷史數(shù)據(jù)，公布了迄今最詳細(xì)的宇宙照片——“哈勃遺產(chǎn)場(chǎng)”。這一照片由7500張圖像拼接形成，記錄了哈勃太空望遠(yuǎn)鏡16年的觀測(cè)資料。在這張照片中，可追溯到133億年前至今的26.5萬(wàn)個(gè)星系。
哈勃是怎么做到這一切的呢？
100億美元經(jīng)費(fèi)投資
我們知道，科學(xué)研究有時(shí)候是一個(gè)相當(dāng)燒錢的事業(yè)。當(dāng)然燒得錢越多，所取得的成果也可能越震撼。哈勃之所以能拍攝出最詳細(xì)的宇宙照片，這與它得到的經(jīng)費(fèi)有很大關(guān)系。
1978年，美國(guó)國(guó)會(huì)撥款3600萬(wàn)美元籌建哈勃天文望遠(yuǎn)鏡——以天文學(xué)家哈勃的名字命名，他在幾十年前發(fā)現(xiàn)了宇宙在膨脹，這是宇宙學(xué)上最重要的發(fā)現(xiàn)之一。制造哈勃望遠(yuǎn)鏡花了很多年，因?yàn)榧夹g(shù)難度很大，所以項(xiàng)目一直延期，到1986年，已經(jīng)花費(fèi)11.75億美元，等到1990年發(fā)射，預(yù)算已達(dá)47億美元。
在此之后，從1993年到2005年，“奮進(jìn)”號(hào)、“發(fā)現(xiàn)”號(hào)、“哥倫比亞”號(hào)、“亞特蘭蒂斯”號(hào)航天飛機(jī)先后發(fā)射，宇航員對(duì)哈勃進(jìn)行了5次大規(guī)模維修，不僅修正了鏡片缺陷，還做了大量核心器件的維護(hù)更新。到目前為止，加上分擔(dān)航天飛機(jī)的發(fā)射費(fèi)用，花在哈勃天文望遠(yuǎn)鏡的總費(fèi)用已經(jīng)超過(guò)100億美元。這是一個(gè)天文數(shù)字。
哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）
當(dāng)然，經(jīng)過(guò)多次維修，哈勃連續(xù)工作了29年，發(fā)回了很多精美的宇宙照片，而且?guī)椭茖W(xué)家研究了宇宙膨脹的細(xì)節(jié)，所以也算是“物有所值”。
但是，目前美國(guó)所有的航天飛機(jī)都已經(jīng)退役，已經(jīng)不可能再對(duì)哈勃天文望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行維修。因此，飽經(jīng)滄桑的哈勃望遠(yuǎn)鏡只能退休了。這次拍攝的宇宙圖片，被叫做“哈勃遺產(chǎn)場(chǎng)”。所謂“遺產(chǎn)”，就是說(shuō)這可能是哈勃退役之前留下的最后的作品了。
值得欣慰的是，再過(guò)一段時(shí)間，美國(guó)更先進(jìn)的詹姆斯·韋伯天文望遠(yuǎn)鏡就要發(fā)射升空，去接哈勃的班。詹姆斯·韋伯是美國(guó)航空航天局的前任局長(zhǎng)，曾經(jīng)主導(dǎo)過(guò)阿波羅登月等航天計(jì)劃，所以新的天文望遠(yuǎn)鏡以他的名字命名。
2.4米口徑的巨大鏡頭
哈勃運(yùn)行于大氣層之上的地球軌道，視野不受大氣層干擾，使得其角分辨率（物體能被清楚分辨的最小分離角度）的極限僅受限于衍射（直接和波長(zhǎng)、鏡頭口徑相關(guān)）。
哈勃天文望遠(yuǎn)鏡主要覆蓋的波長(zhǎng)范圍在可見光附近，包括一定的近紅外與紫外光。它的基本觀測(cè)原理與我們?nèi)粘Ｓ玫恼障鄼C(jī)或者手機(jī)攝像頭是完全類似的。
對(duì)照相機(jī)來(lái)說(shuō)，分辨率與鏡頭口徑有關(guān)系，鏡頭口徑越大，角分辨率越高（最小分辨角越小）。同時(shí)，分辨率也與拍攝的光的波長(zhǎng)成正比，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，最小分辨角就越大（分辨率越低）。因?yàn)楣獾牟ㄩL(zhǎng)是我們無(wú)法改變的，所以設(shè)計(jì)天文望遠(yuǎn)鏡的時(shí)候，一旦定好了主要的拍攝波長(zhǎng)（波長(zhǎng)主要由接收光的CCD的性能來(lái)決定），就是設(shè)計(jì)鏡頭的大小。
哈勃天文望遠(yuǎn)鏡的口徑為2.4米，對(duì)于480納米附近的可見光，可以達(dá)到的角分辨率是很高的，這使得哈勃望遠(yuǎn)鏡可以拍攝清楚遙遠(yuǎn)的天體。
在波長(zhǎng)和鏡頭口徑都設(shè)定好之后，就是制造鏡頭了。對(duì)于可見光波段的望遠(yuǎn)鏡來(lái)說(shuō)，最重要的是要有一個(gè)玻璃做的鏡頭。哈勃的玻璃鏡頭最初是在1979年，由美國(guó)的分析儀器公司珀金埃爾默(PE)制造的，最大通光口徑 2.4 米，表面需要拋光，加工誤差要控制在30納米內(nèi)。這在幾十年前是一項(xiàng)非常杰出的工作，即便放到現(xiàn)在，這個(gè)機(jī)械加工精度也具有極高的水準(zhǔn)。
因?yàn)槌叽缇薮螅@個(gè)鏡頭的制造是十分困難的。而且，太空中晝夜溫差很大，玻璃容易熱脹冷縮裂開，所以使用的是超低膨脹玻璃材料。另外，這個(gè)鏡頭是要發(fā)射到太空中去的，發(fā)射就要考慮載荷的重量。為了將重量降至最低，哈勃的鏡頭采用了蜂窩格子，只有表面和底面各一寸是厚實(shí)的玻璃。
從太空中看起來(lái)，哈勃望遠(yuǎn)鏡是一個(gè)圓柱體，直徑是4.2米，長(zhǎng)度是13.2米，這個(gè)尺寸接近半節(jié)高鐵車廂。龐大的尺寸，讓它得以拍攝到許多高精度的太空影像。
哈勃最著名的影像之一，在老鷹星云內(nèi)誕生恒星的創(chuàng)生柱（NASA）
特別的“防抖”設(shè)計(jì)
哈勃的軌道距離地面高度是547千米，比國(guó)際空間站（400千米）還要高一些。在地球軌道上運(yùn)行，其相對(duì)于地面的運(yùn)動(dòng)速度是很快的，而且在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)有抖動(dòng)，這就好像汽車在高速公路上行駛，汽車也是會(huì)有晃動(dòng)的。哈勃的飛行速度27300千米/小時(shí)，大約95分鐘就可以繞地球一圈。
當(dāng)然對(duì)于遠(yuǎn)方星體來(lái)說(shuō)，因?yàn)榕c哈勃的距離為光年級(jí)別，所以哈勃的速度是可以忽略的，遠(yuǎn)方星體基本可以被認(rèn)為是靜止的（方位不變）。但是，哈勃自身的抖動(dòng)與姿態(tài)控制則必須要處理好，否則拍出來(lái)的照片必然是虛的。
哈勃望遠(yuǎn)鏡遺產(chǎn)場(chǎng)拍攝的照片都是在太空中長(zhǎng)期穩(wěn)定地觀測(cè)同一個(gè)目標(biāo)，用長(zhǎng)焦鏡頭拍攝一段時(shí)間產(chǎn)生的。
雖然鏡頭相對(duì)于哈勃望遠(yuǎn)鏡是固定的，但哈勃實(shí)際上是一個(gè)在軌道上漂浮的人造衛(wèi)星，會(huì)不斷翻滾。哈勃要想長(zhǎng)期對(duì)準(zhǔn)同一個(gè)目標(biāo)拍攝，必須依靠高精度的星敏感器——其實(shí)就是一個(gè)拍星星用來(lái)定位的相機(jī)。星敏感器拍攝的照片可以與天文星空?qǐng)D比對(duì)，這樣就可以算出哈勃在某個(gè)慣性參考系中的精確位置及姿態(tài)，然后再利用三臺(tái)高精度的姿態(tài)控制飛輪，就可以控制哈勃自身的姿態(tài)及光軸指向，這就相當(dāng)于在拍照的時(shí)候安裝了三腳架，可以使哈勃一直指向同一天區(qū)進(jìn)行拍攝。
對(duì)于目前哈勃遺產(chǎn)場(chǎng)的拍照視野，上海交通大學(xué)物理與天文系博士后研究員張佳駿告訴記者：“哈勃遺產(chǎn)場(chǎng)覆蓋的天區(qū)面積和滿月相當(dāng)，占全天面積大約百萬(wàn)分之六，估計(jì)觀測(cè)到的星系也就占了可觀測(cè)宇宙的百萬(wàn)分之一左右?！惫z產(chǎn)場(chǎng)公布的照片，其實(shí)是7500張照片的拼接，而不是一次性拍出來(lái)的。
哈勃遺產(chǎn)場(chǎng)，其覆蓋的天區(qū)面積（對(duì)地心所張的立體角）和滿月相當(dāng)，NASA
張佳駿說(shuō)：“7500張照片取自不同時(shí)間不同項(xiàng)目，是用不同的濾光片拍到的不同角度的原始相片。拼接照片，簡(jiǎn)而言之，就是要確定不同相片相互疊加的區(qū)域，將它們對(duì)準(zhǔn)以后疊加起來(lái)。說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難，因?yàn)檫b遠(yuǎn)的星系非常暗淡，在一張?jiān)嫉南嗥峡赡芨緹o(wú)法看到的星系在多次疊加之后，可能也只是幾個(gè)像素大小的暗淡小點(diǎn)?！?/p>
哈勃拍攝的照片有什么用？
哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的照片，可以用來(lái)計(jì)算出描述宇宙膨脹速度的哈勃參數(shù)。張佳駿說(shuō)：“相關(guān)的工作在之前已經(jīng)有很多，比如諾貝爾獎(jiǎng)得主Adam Riess就領(lǐng)導(dǎo)過(guò)一個(gè)項(xiàng)目，利用哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)可以用作“標(biāo)準(zhǔn)燭光”的Ia型超新星。這些超新星對(duì)于我們了解宇宙是怎樣從減速膨脹變?yōu)榧铀倥蛎浻兄匾淖饔??！?/p>
因?yàn)橛钪娴呐蛎浺彩艿桨滴镔|(zhì)的影響，暗物質(zhì)的密度直接影響著宇宙膨脹的速率和宇宙早期星系的形成。所以我們可以利用哈勃天文望遠(yuǎn)鏡拍攝的照片，更好地研究宇宙膨脹的歷史，進(jìn)而推斷暗物質(zhì)密度。也可以利用哈勃觀測(cè)到的星系數(shù)量，推測(cè)暗物質(zhì)暈的質(zhì)量函數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出暗物質(zhì)的密度范圍。所以，哈勃望遠(yuǎn)鏡對(duì)暗物質(zhì)的研究也有重要的作用。
正因?yàn)楣梢钥吹接钪娴脑缙?，所以美?guó)航空航天局也稱哈勃為 “天文學(xué)的終極時(shí)間機(jī)器”。前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，哈勃拍到的圖像中的一些星系可以追溯到大爆炸后的5億年（距今133億年）。所以，看哈勃拍攝的照片就好像在看一本宇宙歷史書一樣。
作者 | 張華 北京師范大學(xué)物理系碩士 科普作家
審稿 | 趙崢 北京師范大學(xué)物理系教授
編輯 | 高佩雯
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