哈勃启示录

1990年发射的哈勃空间望远镜,在过去30年里让我们对太阳系、太阳系外的世界和宇宙都有了新认识。

太阳系

哈勃改变了我们认识行星的方式,与其他空间探测器一起让我们聚焦太阳系。

地球是太阳系中的一员,太阳系应该是我们对地球所在宇宙角落中最熟悉的区域。然而,当哈勃空间望远镜(以下简称哈勃)在1990年升空时,科学家对太阳系的认识依然非常有限。用地面望远镜仰望苍穹,不断变幻的地球大气层会模糊我们对太阳系行星的视线。而在汹涌的气流之上,哈勃却能清晰观测这些世界,这样的观测迄今已持续30年。

如此长的任务时间是哈勃的最大财富之一。哈勃揭示了地球的姊妹行星在环绕太阳过程中不断变化的天气和气候模式。通过执行“外行星大气层遗产”(简称OPAL)计划,哈勃科学团队从哈勃的漫长任务期中受益匪浅。每隔几个月,OPAL就指令哈勃对准木星、土星、天王星和海王星,以观测它们的变化。科学家由此得知:木星上的大红斑(一场巨型风暴)实际上随着时间推移而在缩小、变色;不仅木星上有新风暴出现和旧风暴消失,而且其他外行星上也有这种情况发生。通过长长的任务期和图像的清晰度,哈勃让科学家得以研究太阳系行星的变化本质。

任务支持

这些年来,哈勃并不是观测太阳系行星的唯一空间探测器。自哈勃发射以来,已有数十艘空间探测器被送去探索太阳系,而哈勃经常被征召来提供急需的背景情况。当卡西尼号探测器在2004年到达土星时,它每次只能观测土星的一小部分。哈勃却能观测土星全球。虽然哈勃的观测精度要低得多,但它能追踪行星风暴和极光活动,从而有助于科学家理解卡西尼号发回的数据。与这些探测器单独运作相比,哈勃提供的帮助大大增加了这些探测任务的科学回报。

火星是哈勃的另一大目标。哈勃与火星表面上及环绕火星的一系列探测器协同运作。哈勃帮助追踪每个火星年的火星全球巨型沙尘暴。实地探测器记录火星局部温度和气压等的变化,哈勃则让科学家能评估火星沙尘暴的全面进展情况。哈勃并非是在其他探测任务期间才提供支持。对于过去30年来的每一次行星探测任务来说,哈勃一直被用来为尚未抵达目的地行星的探测器探路。例如,新地平线号探测器在2015年飞过了冥王星系统,而在此之前哈勃被用来帮助策划这次任务。哈勃的观测结果帮助科学家确定了新地平线号的飞行线路,让这艘探测器得以安全抵达冥王星。

天空之眼

在新地平线号接近冥王星之前,运作团队担忧它撞向一颗未知的卫星或环绕冥王星这颗矮行星的另一个天体。于是,他们利用哈勃来寻找潜在危险。正是在这场战役中,哈勃发现了冥王星的两颗卫星,从而让新地平线号得以避开了它们。

哈勃还提供了其他许多行星探测器缺乏的一种视野——哈勃能进行红外和紫外观测。对于前往木星的朱诺号探测器来说,哈勃对木星这颗气态巨行星磁场的观测很重要。哈勃能记录木星磁场产生的高能紫外极光,朱诺号搭载的仪器则不能。通过哈勃和朱诺号的联袂探测,科学家才对木星有了比之前完整得多的了解,尤其是对更复杂的木星磁场细节有了充分认识。

科学家还利用哈勃来研究一些行星的卫星,并获得了一些出乎预料的结果。例如,当哈勃观测木星的一些卫星(木卫)时,科学家发现了加尼美得(木卫三)和欧罗巴(木卫二)的冰壳下存在地下海洋的跡象。2016年,哈勃帮助确认了这些木卫表面也有水。当时,哈勃发现欧罗巴表面有很高的喷泉水柱,这些水是从欧罗巴冰壳缝隙喷出的地下水。

但哈勃的一些最伟大发现是太阳系在不经意间吐露的。

星际访客

哈勃最著名的探测结果之一出现在它任务生涯的早期。1994年,舒梅克一列维9彗星撞击木星。当之前对此完全没有预计的科学家终于意识到即将发生这场撞击后,他们立即呼吁哈勃团队确保哈勃观测它。哈勃发回的撞击系列照片让科学家豁然顿晤:太阳系竟然如此动荡——有可能被呼啸而过的其他天体撞击的行星是多么脆弱!

从那以后,哈勃已观测到许多小行星和彗星。但在过去几年中,一个新类别的太空岩石——星际访客进入哈勃的视野。2017年,被从另一个恒星系统甩出的小行星奥陌陌被看见飞速经过太阳系。2019年底,2I/鲍里索夫彗星如法炮制。这两个不速之客都被哈勃的镜头定格。

哈勃自1990年升空至今,已经刷新了科学家对太阳系的认识。哈勃作为一种重要工具一直在帮助我们破译太阳系奥秘,但太阳系至今仍然潜藏诸多未解之谜。只要哈勃还有一口气,它就会帮助科学家尽力揭开太阳系的神秘面纱。

银河系中有很多令人难以置信的景象。从恒星产房尘雾弥漫的朦胧美到恒星爆发后留下的五彩缤纷的残骸,哈勃帮助揭示了银河系之美不胜收。但哈勃拍摄的这些图像不仅看起来惊人,而且它们向科学家诉说恒星的生命故事。

这个故事在哈勃于30年前升空后很快就开始了。当时,哈勃首次把目光对准遍布银河系的尘埃云当中的一部分。科学家相信这些地方是恒星产房,是地球夜空中闪烁群星的诞生地。最著名的恒星诞生地照片,或许也是哈勃最著名的照片,显示的是天鹰星云(简称M16)。这幅拍摄于1995年的照片更为人知的名称是“创世之柱”,在这些“柱子”内新恒星开始形成。

在哈勃拍摄的许多星云照片上都可见这样的柱状结构。来自大量新生恒星的劲风在剩下的气团中雕刻出这些柱状结构。通过研究这些云团的形态,科学家能拆解出恒星生命重要的早期阶段。科学家是通过观测过去20年中这些云团的变化等手段来实现拆解的。2015年,一张相同场景的新照片显示,其中一个云团中的一条射流长高了几乎1000亿千米,这就证明了这些区域是多么不平静。

更让人兴奋的是,当哈勃近观猎户座星云中一些新生恒星时,它发现它们当中不少有旋转的尘埃盘,这是恒星进入生命新篇童并形成行星的迹象。随着一颗恒星生长,它经常会形成环绕它的原行星盘。盘中物质随着时间聚集成团,最终形成行星系统。

观测奇异世界

正在迅速发展的天文学研究领域之一是系外行星,即太阳系之外的行星。研究原行星盘是了解系外行星的重要步骤之一。科学家在当初设计哈勃时根本没想到用它研究系外行星,甚至当时科学家都不知道系外行星的存在。

从第一批系外行星于20世纪90年代被发现至今,科学家已经发现了超过4000颗系外行星,而且这个数字每天都被刷新。追踪这些行星需要长时间观察天空中大片区域,这不是哈勃的长项,因为哈勃的视角窄,单次观测时间短(哈勃的任务繁多)。但哈勃能对通过其他观测发现的系外行星进行深度观测。

哈勃具有领先性的贡献是分析系外行星的大气成分。通过观测在母恒星正前方经过的系外行星,哈勃就能做到这一点。在此期间,来自母恒星的光线会穿透行星大气层,其中一部分光线被行星大气层吸收,哈勃能接收到这样的光线。通过分解光线,科学家能探察到行星大气层内部的多种重要元素和分子。哈勃擅长寻找的一种重要分子是水分子。在地球上,有水的地方就有生命。因此,科学家渴望确定有多少系外行星像地球一样潮湿,以此评估银河系中其他地方能否存在生命,甚至是智能生命。

哈勃的解析能力很强大,它甚至能描述行星表面的基本天气模式。当观测被潮汐力锁定的系外行星WASP-43b(它的一个半面总是朝向母恒星)时,哈勃能辨识被恒星永久照亮的这个行星半面上的暗色区域。由此,科学家能预测行星上的风怎样在光明半面和黑暗半面之间移动。

但正如哈勃能揭示恒星和行星起源,它也能翻开它们生命的最后篇章。当恒星核的燃料耗尽后,恒星就死亡。如果恒星够大,这种死亡就是一次被称为超新星的爆发事件。哈勃不仅能探测到这种爆发,而且能观测爆发后的余波。

探索超新星

在整个生命期中,恒星把产生于宇宙大爆炸中的氢转变成氦和其他较重的元素。恒星在变成超新星时会向外甩出这些元素。随着极高热气云坠入周围介质中,会产生向前推进的冲击波。超新星变成的极高热小恒星——白矮星自内向外照亮气云。因为从地球上看去这些气泡模模糊糊呈球状,所以科学家起初把它们误认为是行星而称之为“行星状星云”,但实际上它们与行星毫不相干。

1987年,在哈勃升空前不久,银河系的相伴星系——大麦哲伦云中的一颗超新星引爆。之后多年来,哈勃目睹这场爆发所产生的气体环向外蔓延、膨胀进入星际介质(充盈恒星之间空间的气体)。

随着时间推移,由这些冲击波产生的涡流导致星际介质聚集。聚集成的新云团中富含死亡恒星甩进宇宙的所有元素。接着,新云团形成恒星产房,让有关恒星生命的宇宙故事重回开头。

银河系是一个活跃之地,充满正在诞生的恒星,恒星在孕育出行星后死亡,恒星的残骸为新周期的重复提供燃料。要觀察这一无比惊人过程中的每一个步骤,哈勃都是最重要的工具。

时间视角

哈勃帮助我们窥探亘古,并且证明了宇宙生长速度越来越快。

哈勃的高解析度、大口径和极高准确度意味着它能捕捉来自宇宙最深处的光子,比之前任何望远镜都看得更远,也就是能看到更古老的情况。当来自遥远星系和恒星的光线历经几十亿年来到地球时,我们看到的其实是很久很久以前它们的样子,也就是宇宙初期的情况。从这个意义上讲,我们就回到了从前。

通过比较遥远星系和在时空上距离我们近的星系,科学家看出两者有很大差异。有科学家认为,哈勃最大的贡献就是一直在提醒我们:宇宙随着时间改变。哈勃这一能力的最好体现是在它的深场照片。哈勃的第一批深场照片拍摄于1995年,当时哈勃对空中一个明显的黑斑进行了一次100小时长曝光。那时候,一些科学家认为拍摄这张照片完全是对哈勃宝贵时间的浪费。但他们错了。这张照片中包含几乎3000个星系,其中一些的时间要回溯到第一批恒星形成时期。这些星系比今天的星系小,而且更不规则。这就证明星系会随时间改变。

超新星线索

哈勃的敏锐视觉能辨识这些遥远星系,而且哈勃很有助于科学家精确算出这些遥远星系究竟有多远。具体而言,哈勃对Ia类型超新星的观测结果被科学家用来计算遥远星系与我们的距离。Ia超新星总是以相同亮度爆发,因此,通过测量从地球上看去这些超新星的视亮度,科学家就能知道它们和它们所在星系与我们的距离。

对这些距离的计算是哈勃主要科学目标之一的重要组成部分,这个目标就是测量宇宙膨胀速度。自从大天文学家哈勃在百年前的观测首次证明星系在后退以来,科学家已经知道宇宙在膨胀,空间看来一直在延伸。但测量宇宙的实际膨胀速度很难,因为这需要精确的距离测量。哈勃帮助科学家进行越来越准确的距离测量,让科学家意识到宇宙的膨胀实际上在加速。这也是哈勃最大的贡献之一。

当两个独立团队在1998年发现这一膨胀时,科学家们很惊讶。他们一直以为大爆炸之后宇宙的膨胀会减速,或者会停留在一个稳定的膨胀速度。如果宇宙膨胀真的在加速,那么问题就来了:是什么在加速宇宙膨胀?

科学家对这个问题的答案依然不明朗,但在天体物理学中有一个热门话题——暗能量,而哈勃在暗能量的研究中起着重要作用。今天,科学家相信暗能量占宇宙的大约75%,余下部分中只有一小部分(1%)是发光物质,例如在恒星上燃烧和在气云中发光的气体和尘埃,其余24%是暗物质。科学家还相信,暗物质渗透整个宇宙,在星系之间和恒星之间延伸。

黑暗之谜

暗物质与光线之间的作用机制与正常物质的不同,因而一般的望远镜看不见暗物质。但暗物质通过引力与可见宇宙相互作用,这意味着哈勃能曝光“本不可见”的暗物质。

事实上,任何类型的质量都会扭曲时空。如果集合质量很大,那么这种扭曲所产生的现象就会明显得足以被观测到。这种效应被称为引力透镜,即来自一个遥远星系的光线会被一个巨大天体的引力扭曲。然而,这个过程并不完美:到这种光线到达地球时,光线已被严重扭曲。哈勃被用于观测星系团,以af78651865a61e01b5764faa38aceb3896d88563b621c6e293acdf38d955fd10探测由扭曲光线所形成的弧。通过检验星系团的引力透镜作用,科学家能知道这些星系團中的物质分布情况。这些物质中的大部分是暗物质。通过观测这些星系被扭曲的程度,科学家就能绘制暗物质在整个宇宙中的分布图。

发现黑洞

哈勃帮助科学家“看见”的另一种看似不可见的天体是超大质量黑洞。这些致密天体的质量都比太阳的大好几十亿倍。科学家相信大多数星系中心都有黑洞。在哈勃升空之前,黑洞只是理论上的存在。支持黑洞的唯一证据是对一类遥远星系——类星体的射电观测。类星体包含大小相当于整个太阳系的多个天体,而且类星体的亮度超过宇宙中任何其他天体。哈勃确定这些射电辐射来自星系中心,很可能来自在环绕一个巨型黑洞过程中被强烈加热的极高温气体。

1997年,哈勃上安装了“空间望远镜成像光谱仪”。这台仪器擅长观测靠近星系中心的区域,能辨识在靠近黑洞的轨道中被俘获而以极高速运动的恒星。哈勃很快就发现了这样的恒星,从而确凿地证明了超大质量黑洞的存在。

过去30年来,哈勃一直在帮助科学家把最深空的光子拖出来,甚至“照亮”了宇宙中那些没有光线闪耀的地方,由此揭示了宇宙一些最黑暗的秘密。

版权声明:三分钟阅读 发表于 2021年10月31日 下午10:00。
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