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視覺盛宴 1990年4月24日，哈勃太空望遠鏡（HST）承載著人類對探索太空的期望，成功地發(fā)射升空。在過去的30年中，它所達到的成就早已遠超預(yù)期。從黑洞，到最遙遠的星系，再到宇宙加速膨脹，HST一次次突破性的發(fā)現(xiàn)幾乎改變了天文學(xué)和天體物理學(xué)的所有領(lǐng)域。 如果要羅列出HST的所有貢獻，那將會是一張很長的列表，這里我們僅列出10個具有代表性的發(fā)現(xiàn)。但在此之前，讓我們先來感受一下HST“眼中”的宇宙： 10大發(fā)現(xiàn)  追蹤小行星帶的演化 在太陽系中，除了我們熟知的太陽和行星之外，還存在著大量的小行星。這些小行星不僅會撞擊木星或地球這樣的行星，它們也會相互碰撞。通過HST，天文學(xué)家觀測到了這樣一次撞擊，它就發(fā)生在火星和木星之間的小行星帶上。長期以來，天文學(xué)家一直認(rèn)為小行星帶正在被碰撞侵蝕，但此前他們從未真正見過這樣的撞擊事件。 在對小行星帶的另一次觀測中，HST還發(fā)現(xiàn)了一個獨特的物體：一顆小行星有著六個彗星狀的塵埃尾巴，它們像車輪輻條一樣從小行星上輻射開來。這顆小行星不同尋常的外觀讓天文學(xué)家感到驚訝。其他所有已知的小行星看起來都不過是微小的光點，但這顆小行星看起來就像是一個旋轉(zhuǎn)的草坪灑水器。對小行星的計算機模擬結(jié)果表明，這些尾巴可能是由一系列塵埃噴射事件形成的。  ○ 小行星P/2013 P5與其他的小行星完全不同，其塵埃尾巴向多個方向輻射。隨著時間的推移，它的外觀也發(fā)生了變化。| 圖片來源：NASA, ESA and D. Jewitt (UCLA)  研究外行星及其衛(wèi)星 外行星是太陽系內(nèi)軌道在主小行星帶外側(cè)的行星，包括木星、土星、天王星和海王星。 木星因它表面的大紅斑而聞名，大紅斑是一場巨大的風(fēng)暴，大小與地球相當(dāng)！在過去80年里，這場巨大風(fēng)暴的規(guī)模一直在縮小。天文學(xué)家現(xiàn)在經(jīng)常使用HST來測量這個紅斑的大小，并研究它為什么正在慢慢消失。HST還拍攝到了在木星和土星的南北兩極處的絢麗極光。  ○ 木星的大紅斑正在縮小。| 圖片來源：NASA、ESA、A. Simon 木星的衛(wèi)星為尋找地球以外的生命提供了重要線索。HST通過探測太陽系中最大的衛(wèi)星——木衛(wèi)三自身極光的相關(guān)活動，為木衛(wèi)三上存在地下咸水海洋提供了最佳證據(jù)?？茖W(xué)家認(rèn)為，這個地下海洋的含水量比地球表面所有的水都要多。 HST還記錄了木星的衛(wèi)星——木衛(wèi)二表面大氣層短暫變化的證據(jù)。天文學(xué)家懷疑，這些擾動是由地下海洋噴出的縷縷氣體引起的。無論是尋找地球以外的可棲居地，還是尋找我們所知的生命，確定液態(tài)水都是至關(guān)重要的。  探索太陽系的邊緣 在探測太陽系外圍的矮行星冥王星時，HST發(fā)現(xiàn)，有四顆此前不為人知的衛(wèi)星在圍繞著這顆冰冷的星球運行。首先發(fā)現(xiàn)的是小衛(wèi)星Nix和Hydra，然后是更小的Kerberos和Styx。天文學(xué)家最近發(fā)現(xiàn)，Nix和Hydra在圍繞冥王星旋轉(zhuǎn)時，它們的軌道非?；靵y且不可預(yù)測。 ○ 哈勃太空望遠鏡發(fā)現(xiàn)了冥王星的四顆衛(wèi)星。| 圖片來源：NASA, ESA, and M. Showalter (SETI Institute) 向更遠的地方望去，直到我們太陽系暗淡的外部區(qū)域，HST發(fā)現(xiàn)了柯伊伯帶中的一些物體，其中兩個被發(fā)現(xiàn)的小行星為PT3和Arrokoth。 HST還發(fā)現(xiàn)了一顆直徑100英里的衛(wèi)星，它圍繞著柯伊伯帶中第二亮的冰凍矮行星鳥神星運行。奇怪的是，這顆昵稱為MK 2的衛(wèi)星暗如黑炭，而鳥神星卻亮如白雪。 探索恒星的誕生 HST的紅外探測器穿透了巨大的、由氣體和塵埃組成的湍流云，那里孕育著成千上萬顆恒星的生命。HST對這些星云的觀測揭示出由年輕的、異常明亮的恒星輻射塑造出的奇異景觀。觀測表明，恒星的誕生是一個劇烈的過程，會產(chǎn)生強烈的紫外線輻射和沖擊波。輻射會清除掉孕育恒星的云團中的空洞，并侵蝕孕育新生恒星的巨大氣體柱中的物質(zhì)。 ○ 誕生恒星的搖籃。| 圖片來源：NASA, ESA, and M. Livio and the Hubble 20th Anniversary Team (STScI)
當(dāng)恒星誕生后，在它的周圍會形成塵埃盤，行星就是在盤中形成的，這已經(jīng)被HST確認(rèn)。HST首次解析了明亮的獵戶座星云中近200顆恒星周圍的原行星盤。通過觀察附近天空中其他地方的恒星，HST完成了對恒星周圍的巖屑盤規(guī)模最大、靈敏度最高的可見光波段的成像調(diào)查（巖屑盤由塵埃和巖屑組成，可能是行星形成時遺留下來的物體彼此碰撞造成的）。 長蛇座TW和繪架座β這兩顆特殊的恒星說明了這些發(fā)現(xiàn)。用一個遮罩阻擋住恒星的強光之后，在圍繞長蛇座TW旋轉(zhuǎn)的由氣體和塵埃組成的巨大原行星盤中，科學(xué)家通過HST發(fā)現(xiàn)了一個神秘的縫隙。這個縫隙很可能是由一顆正在生長，卻還不可見的行星造成的，行星在引力作用下掃除掉物質(zhì)，像掃雪機一樣在圓盤上劃出一條窄道。 ○ 這張哈勃圖像(左)顯示了一個由塵埃和氣體組成的原行星盤的縫隙，它圍繞著附近的紅矮星長蛇座TW旋轉(zhuǎn)。| 圖片來源：NASA、ESA、J. Debes、H. Jang-Condell、A. Weinberger、A. Roberge、G. Schneider 和 A. Feild 天文學(xué)家也注意到了圍繞繪架座β的行星盤的變化。通過遮蔽這顆恒星的光線，科學(xué)家研究了由于一顆巨大的行星內(nèi)嵌到塵埃盤中引起的軌道物質(zhì)的變化。
記錄恒星的死亡 當(dāng)類似太陽的恒星步入生命的最后階段時，就會形成行星狀星云。之前來自地面望遠鏡的照片表明，行星狀星云大多是簡單的球形。然而HST捕捉到了這些天體的前所未有的細節(jié)，結(jié)果表明它們的形狀實際上更加多樣和復(fù)雜：有些像風(fēng)車，有些像蝴蝶，還有一些像沙漏。這些圖像讓天文學(xué)家得以洞察恒星在坍縮形成白矮星之前釋放外層氣體時的復(fù)雜動力學(xué)。 比太陽質(zhì)量大得多的恒星則有非常不同的結(jié)局，它們會產(chǎn)生超新星爆發(fā)。HST對超新星1987A的觀測，揭示出有三個神秘的物質(zhì)環(huán)圍繞著中間的那顆注定死亡的恒星。HST還發(fā)現(xiàn)了中間環(huán)內(nèi)部區(qū)域上的亮點，這些亮點是由爆炸時產(chǎn)生的膨脹的物質(zhì)波撞擊在圓環(huán)上形成的。 ○ 超新星1987A。| 圖片來源：NASA、ESA、K. France 、P. Challis、R. Kirshner
追蹤星系的演化 將近一個世紀(jì)前，當(dāng)埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）觀測到銀河系之外的星系時，他根據(jù)星系的形態(tài)將它們分成了三類：旋渦星系、橢圓星系和不規(guī)則星系?，F(xiàn)在，以他的名字命名的HST以其敏銳的視覺揭示了這些星系前所未見的細節(jié)。 ○ 累積了大約11天的曝光時間，HST拍攝到了這張哈勃超深空，包含了大約1萬個星系。| 圖片來源：NASA, ESA, S. Beckwith、the HUDF Team 就像在剪貼簿中記錄孩子的成長一樣，HST捕捉了許多演化中的星系的外觀。這之所以可行是因為當(dāng)HST觀測到越來越遠的深空時，它回溯的時間也就越久遠。相比于今天巨大的旋渦星系和橢圓星系，HST探測到的那些最遠、最早的星系要更小，形狀也更不規(guī)則。通過仔細研究在宇宙不同時期的星系，天文學(xué)家可以看到星系是如何隨著時間的推移而演化的。 宇宙的演化仍然在繼續(xù)。當(dāng)HST瞄準(zhǔn)距離我們250萬年光年之外的仙女座星系時，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在引力的作用下，這個離我們最近的大星系將在40億年之后不可避免的與銀河系相遇合并，形成一個更加巨大的橢圓星系。
超大質(zhì)量黑洞 HST提供了決定性的證據(jù)證明，大多數(shù)星系的中心都包含超大質(zhì)量黑洞，這些黑洞的質(zhì)量是太陽質(zhì)量的數(shù)百萬甚至數(shù)十億倍。 黑洞不僅棲居于幾乎每個星系中，而且黑洞和寄主星系的大小在某種程度上是對應(yīng)的。HST對星系的統(tǒng)計調(diào)查顯示，黑洞的質(zhì)量依賴于宿主星系中央凸起處恒星的質(zhì)量：星系越大，黑洞也就越大。這種密切的關(guān)系或許說明，黑洞隨著星系一起生長，并且會吞噬掉星系質(zhì)量的一小部分。此外，HST讓天文學(xué)家第一次看到了物質(zhì)圍繞黑洞形成的大而平的圓盤，并為他們提供了由黑洞驅(qū)動的、以接近光速運動的亞原子粒子組成的噴流的詳細圖像。 ○ 借助HST，天文學(xué)家證實了許多星系中心都包含了超大質(zhì)量黑洞。這些巨大的黑洞周圍環(huán)繞著明亮的氣體和恒星。| 圖片來源：Karl Gebhardt、Tod Lauer、NASA
發(fā)現(xiàn)看不見的物質(zhì) 上個世紀(jì)，天文學(xué)家驚奇地發(fā)現(xiàn)，宇宙中除了我們可以看見的普通物質(zhì)（比如恒星、星系等），還存在著大量無法看見的暗物質(zhì)。這些物質(zhì)的質(zhì)量是普通物質(zhì)的5倍。 雖然天文學(xué)家看不見暗物質(zhì)，但他們可以通過觀察引力透鏡現(xiàn)象來探測暗物質(zhì)的影響，這是因為包含暗物質(zhì)的大質(zhì)量星系團的引力，會使得位于星系團背后的更遙遠星系的光線發(fā)生彎折和扭曲。 ○ 大型星系同時包含暗物質(zhì)和普通物質(zhì)。這些物質(zhì)的巨大引力扭曲了星系團周圍的時空，導(dǎo)致位于更加遙遠的背景星系發(fā)出的光在經(jīng)過星系團時會被扭曲和放大。這種現(xiàn)象被稱為引力透鏡。| 圖片來源：NASA & ESA
將近一個世紀(jì)前，埃德溫·哈勃在測量星系的距離和速度時驚奇地發(fā)現(xiàn)：宇宙并不是靜止的，而是在不斷地膨脹，變得越來越大。哈勃測量了所謂的哈勃常數(shù)，天文學(xué)家用它來確定宇宙的年齡、大小和最終命運。但在HST之前，宇宙的年齡具有很大的不確定性，介于100~200億年之間。如今，天文學(xué)家使用HST能夠更精確地測量哈勃常數(shù)，并將宇宙的年齡確定在138億年。 ○ 一些超新星所具有的亮度可以被用來測量它們與地球的距離，從而計算宇宙的膨脹率。箭頭所指的是一個遙遠的超新星，圖中顯示了1995和2002觀測到了這顆超新星的變化。| 圖片來源：NASA & J. Blakeslee
自升空以來，哈勃太空望遠鏡創(chuàng)造了許多的奇跡。但正如所有偉大的事物一樣，它的探索之旅也并非一帆風(fēng)順。在30年期間，它也遇到過重大的危機，幸運的是，在它背后的科學(xué)家們一次又一次地克服了許多巨大的難題，使它能夠繼續(xù)書寫傳奇。 感謝哈勃太空望遠鏡，使我們能夠看到如此精彩非凡的宇宙。 |
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