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有了它,人类才逐步看清了宇宙长啥样儿
网友【了不起】于【太平洋时间 2020-06-27 23:18:39】分享在【时代发展的印记】版块    2607    1    3

哈勃空间望远镜是以美国天文学家爱德温·哈勃为名,于1990年4月24日成功发射,位于地球的大气层之上的光学望远镜 。

哈勃太空望远镜在1990年升空以后就拍摄了它的第一张照片,不过前期还处在调试阶段,并且发现了主相机存在问题,直到1993年NASA第一次升空维护任务完成以后,哈勃才真正开始腾飞。

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上图为美国国家航空航天局第一次哈勃维修任务。宇航员杰弗里·霍夫曼移除了哈勃的广角和行星照相机1 (WF/PC 1),并安装了功能更强大的广角和行星照相仪2(WF/PC 2)。

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新安装的广角和行星照相机2 (WF/PC2)大大提升了哈勃的成像能力。下图是第一次维修任务之前和之后的区别!

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这个差别稍微有点大,上图中的星系为M100,左边是WF/PC 1的成像效果,右边是WF/PC2的效果。

从1993年到2009年,WF/PC2是哈勃太空望远镜上主要的工作相机,在它的一生中拍摄了无数的标志性图像。其中有五幅图像特别引人注目,它们的形象永远地改变了我们人类心目中的宇宙。

原始哈勃深场

当我们仰望夜空的时候,肉眼能看到的星星有限,有些地方有星星,有些地方没有,只是一片黑暗、虚空的深渊。如果我们用双筒望远镜观察天空,就能看到比肉眼更多的星星,用专业天文望远镜的话比用双筒望远镜看到的更多,这说明黑暗的夜空中不是没有星星,只是我们观测的设备不行。

1995年,科学家决定用哈勃太空望远镜来做这个实验,看一下黑暗的天区到底有什么?于是我们在黑暗的夜空中选择了一个几乎没有恒星,没有已知的星系、星团,或者任何发光东西的区域。把望远镜对准这片空无一物的空间,持续观察几天...

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上图的每一边在天空中只有一度,或者说上图中所显现的天区只占夜空的0.005%。可以想象一些这是多么的小。夜空大约有20000平方度,而上图中黄色的小区域却不到0.002平方度!在哈勃观测之前,我们只知道在这个小区域内有5颗暗淡的恒星,其他什么也没有。

在10天的时间里,WF/PC2在这片区域内拍摄了342张照片,凝视着这片看起来什么都没有的区域,捕捉着那里可能存在的每一个光子,在342张照片中有些照片曝光了几分钟,看起来完全就是一片黑暗什么也没有。不过在10天之后,当我们把这些照片叠加在一起时,下图就是我们所看到的情形。

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这是哈勃最了不起的发现之一!在这张照片中每一个发光的点都时一个星系,在我们获得这张照片之前,我们完全不知道宇宙深空有多深、物质有多稠密、有多少星系。

那么你知道这张照片中有多少星系吗?或者说在小于0.002平方度的天空里有多少星系?

我们可以截取上图的8%然后放大,可以数一下。

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记住每一个模糊的斑点,或发光点都是一个星系!在这张图片里大约有350个星系。然后根据简单的数学计算,全天空两个半球大约40000平方度,然后乘以我们在0.002平方度的天空里发现的星系数量,我们就得出了宇宙中至少有10^11个星系,或者说是100000000000个星系!

这是我们第一次确认,在可观测宇宙中至少星系数量的下限。不过后来哈勃将这个数字又刷新到了2000亿个星系!

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木星是太阳系中最大的行星

哈勃在可见光波段下的成像无人能及,太阳系的遥远天体不发光但可以反射微弱的太阳光,这对哈勃来说已经足够的,我们通过哈勃可以看清木星身上的条纹以及大红斑。甚至还能看到离木星最近的卫星木卫一表面正在经历活跃的火山喷发。

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不过迄今为止,哈勃发现最令人激动的事情是在1994年的巧合之下,拍摄到了木星被彗星撞击的画面!

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哈勃首先拍摄到了彗星碎片(上图),然后拍摄到了木星上的多个撞击点(下图),这些彗星碎片在木星巨大旋转的云层中一路戳出了许多大洞!

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除了哈勃拍摄的木星之外,我们能获得木星最清晰的图像只能是探测器飞抵木星时给我们返回更加清晰地照片。例如:朱诺号木星探测器。

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除了以上这些,哈勃还做了更多奇妙的事情,获得了很多珍贵的照片和发现。

环状星系

宇宙中不仅仅有螺旋星系和椭圆星系,哈勃还拍摄了一张非常罕见的“环状”星系的照片。关于环状星系的形成有两种看似都很合理的理论:

潮汐引力和吸积:如果一个星系在引力的作用下靠近一个更大的星系,那么巨大星系所产生的潮汐引力会将正在靠近的星系撕裂,然后吸积物质并在其周围形成一个物质圆环。

碰撞产生的涟漪:两个巨大的星系发生碰撞并互相穿过彼此,会导致物质和气体星系外围移动,移动过程中所产生的涟漪会触发恒星形成。

以上两个理论自20世纪70年代以来一直存在,但从未有过任何证据去支持这两个理论中的任何一个,所以我们也不知道哪个正确、哪个是错误的。

不过,直到哈勃(WF/PC2)拍下这张照片。

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Arp14是我们唯一已知两个引力相互作用的环形星系,根据它们的运动,我们可以知道它们正在互相远离彼此,而且它们两个跟我们的距离相同。

这说明两个星系“刚刚”发生了碰撞,由于两个星系都有光环,所以我们可以确定星系在碰撞互相穿过彼此时,会导致触发恒星大量形成的物质涟漪!

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引力透镜。

我们在宇宙中观察星系、星系团的时候,有时会发现两个或者多个星系、星系团会彼此对齐,也就是排列成一条直线。

那么处在中间的星系、星系团就会像一个透镜导致背后星系的图像被放大和扭曲。

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上面的图像是哈勃望远镜在1990年拍摄的照片,也就是在更换新相机之前拍摄的照片,分辨率非常低。

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不过WF/PC2使我们发现了大量的引力透镜造成的多重图像、弧线和背景放大效果。在上图中我们可以看到蓝色的弧线,它们看起来像是一个圆的一部分!其实这些是同一个背景星系被引力透镜拉伸和多次展示的效果。

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星星是如何诞生和死亡的

许多恒星在生命结束时会吹散外层的氢壳,形成一个明亮的行星状星云,寿命约为1万年。大约15年前,搭载WFPC2的哈勃太空望远镜对猫眼星云进行了观测,使其成为了第一个使用新光学系统和WFPC2成像的行星状星云。

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哈勃望远镜在可见光下观测银河系的星云获得的照片都十分壮观。而且在银河系中恒星死亡后产生的星云数量非常多,我们可以做一个估计:银河系中大约有4000亿颗恒星,每颗恒星大约有100亿年的寿命,这意味着每年大约有40颗恒星死亡。也就是说在任何时候,银河系中都有大约40万个行星状星云。WF/PC2还捕捉到了一些壮观的星云,比如沙漏星云:

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哈勃5号星云:

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还有被称为“蚂蚁星云”的Mz3星云。

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所以WF/PC2所拍摄的恒星残骸让我们知道了很多关于恒星如何死亡的知识。但它也告诉了我们恒星是如何,并且在哪里诞生的!

恒星死亡后会将大量的物质重新返回到宇宙中,并且引发新的恒星诞生。

恒星诞生最壮观的景象之一就发生在鹰状星云的深处。

哈勃拍摄鹰状星云中心时,获得了最著名的一张照片,我们称其为创世之柱。

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所以WF/PC2相机完全改变了我们对宇宙的看法!

在2009年,在NASA对哈勃所进行的最后一次维护任务中(第五次维护),WF/PC2相机被更换为WF/PC3,进一步提升了哈勃的观测能力,并且获得了比哈勃深长还要深(观测距离)两倍的哈勃极深场。

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还有我们无法想象的星系细节:

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垂死恒星的行星状星云:

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更加清晰地引力透镜:

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更加壮观,细节更加清晰的创世之柱:

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所以哈勃望远镜最强大的望远镜,它改变了我们人类对宇宙的看法,我们的视野从未如此清晰!

出处:头条号 @量子科学论

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