在运筹帷幄了几十年之后，哈勃空间望远镜作为美国宇航局大型天文台中的第一个终于在1990年发射上天，开始决胜千里之外。在修复了主镜存在的结构问题之后，哈勃空间望远镜彻底地改变了天文学的许多领域，并且为大众奉献了一幅又一幅摄人心魄的宇宙画面。一个正在计划中的维修任务将使得“哈勃”继续在天文学中领跑，但是在那之前让我们先回顾一下哈勃空间望远镜在过去的18年里所取得的科学成就。

　　没有哪一架望远镜能像哈勃空间望远镜那样对世俗文化有着这么巨大的冲击力，但是它本身的尺寸相对于现代的很多望远镜来说却并不是那么巨大。把“哈勃”的主镜立起来比姚明也高不了多少，它的接收面积甚至连地面个上最大望远镜的五分之一都还不到。它上面搭载的仪器设备也远没有地面上的尖端，更确切地说“哈勃”所使用的探测器技术都已经是十多年前的了。那么是什么使得“哈勃”对科学和公众具有如此巨大的影响力呢？


[图片说明]：宇航员为哈勃空间望远镜安装新的仪器设备，使得“哈勃”始终在天文学中领跑。版权：NASA。

“哈勃”成功的秘诀关键就在于三点：位置、位置还是位置。位于地球大气层之上的“哈勃”摆脱了架在所有地面望远镜脖子上的枷锁。首当其冲效果就是对望远镜分辨率——望远镜所能探测到的最小角度——的大幅度提高。“哈勃”所拍摄的图像可以分辨出小于0.1角秒的细节，这相当于0.5毫米在1千米以外的张角。和“哈勃”比起来地面上望远镜所拍摄的照片要模糊10倍以上。此外，由于“哈勃”没有了大气湍流的干扰，因此它所获得的图像和光谱具有极高的稳定性和可重复性。这些特性使得“哈勃”在测量天体的亮度和结构时可以达到前所未有的精度。


[图片说明]：空间成像的高分辨率。左侧为位于夏威夷莫纳克亚的日本8米昴星望远镜所拍摄的模糊星系照片，右侧为哈勃空间望远镜所拍摄的同一星系。版权：NASA。

“哈勃”所处位置的另一个鲜为人知的优点是黑暗的天空背景。在地面上看夜空，无论如何都不会是完全黑暗的。上层大气中的原子会吸收白天日照的能量，然后在晚上以光的形式再辐射出来。在野外黑暗的营地比在明亮的城市街道上可以看到更多的星星，同样地太空中的“哈勃”可以探测到比地面望远镜无法逾越的天空背景还要暗的天体特征。此外，“哈勃”所处的高度也使得在紫外波段上进行观测成为了可能，而由于地球大气层的吸收紫外光子甚至都无法到达地面。这对于追踪天体物理气体中某种元素的丰度以及解释观测到的遥远星系的某些现象至关重要。

　　在这篇文章中将介绍几个“哈勃”彻底改变我们认识的领域，这包括了从恒星诞生到死亡的过程、黑洞以及它们和星系形成之间的关系、星系在几十亿年中的演化过程以及检验宇宙膨胀的基本模型。

距离尺度

　　自天文学诞生的那一天起天文学家们就一直在面对一个恼人的问题，那就是如何测定天体到我们的距离。在地球上这个问题看上去是这么的基本和简单，但是一旦到了天上一切都变得极为复杂。这是因为在天文学中天文学家所观测到的天体系统的能量输出和距离可以相差12个数量级（1万亿倍）。因此天文学家经常根据已经预先获得的一点知识来估计某一个天体系统的基本大小和能量输出。那么我们观测到的是一个距离很近的暗弱天体还是一个明亮但却非常遥远的天体呢？此外，即使我们可以对天体的距离做出合理的假设，但这对于检验宇宙学模型而言依然显得杯水车薪。

　　在过去的一个世纪里，天文学家根据近处恒星的距离推算出的遥远天体距离建立起了一个详尽的距离“阶梯”体系。距离阶梯的第一级是那些距离我们最近的恒星，由于地球绕太阳的轨道运动我们可以探测到它们在天空中的位置变化。这一被称为“视差”的效应由于只涉及到最基本的几何原理，因此它的结果十分可靠。这一方法的唯一局限是我们测量天体位置变化的精度。随着精度的提高，视差测量可以推广到更遥远的距离。

　　而“哈勃”由于它自身的高分辨率和它上面搭载的精细导星传感器，使得它成为了视差测量的行家里手。尽管精细导星传感器主要的用途是在“哈勃”进行科学观测的过程中保持望远镜的精确指向，但是它也可以用来对单颗恒星的位置进行毫角秒精度的位置测量。此外，精细导星传感器也相当的灵敏，可以测量比“依巴谷”天体测量卫星所能观测的极限还要暗得多的恒星。通过测量更为暗弱的恒星视差，“哈勃”可以探测更为遥远的距离，并且可以对银河系中更大的范围进行采样。这使得“哈勃”可以用来校正那些远离太阳的恒星的光度，这恰恰是建立更为遥远的距离阶梯的关键。

　　在这类恒星中，造父变星无疑是最重要的之一。它们是一类光度超过太阳数千倍的脉动变星，而正由于它们极为明亮以及特有的光变周期使得它们即使在其他星系中也很容易辨认。造父变星的光度和它的脉动周期之间有着非常紧密的联系。一旦知道了这两者之间的关系，就可以通过其亮度的变化周期推算出它的光度，进而根据光度和亮度之间的关系计算出它的距离。因此计算所得距离的精度直接和造父变星的周期-光度关系（周光关系）的精度有关。为此“哈勃”上的精细导星传感器对造父变星进行了直接的视差测量，大大削减了用造父变星周光关系推算距离的不确定性。尽管这一关系对于不同金属丰度的星系可能会有所不同，但是在适当地修正之后它已经被用来可靠地确定了许多大质量旋涡星系的距离。而在这之前，从近邻恒星可靠的视差测量到基于造父变星的距离再到旋涡星系，这一过程需要非常繁杂的步骤。但自从有了“哈勃”的新结果之后，天文学家只需要轻轻一跃就能跳上这一级台阶了。

　　“哈勃”的高分辨率在识别近距星系中造父变星的过程中扮演了重要的角色。尽管造父变星很明亮，但是它们在地面望远镜的照片中也会和其他恒星混在一起而无法分辨。这就无法识别出造父变星的光度变化，或者是在一个星团中找出其中的造父变星。与之形成对比的是，对于具有高分辨律的“哈勃”来说即使是非常遥远的造父变星，它也能把它和它附近的恒星分开。这样一来使得可定出距离的星系数目一下子就扩大了1,000倍。在“哈勃”上天之前，使用造父变星确定近距星系的距离就已经被列入了“哈勃”的核心计划。造父变星核心计划已经使用“哈勃”数百个轨道时间来分析了36个星系中的造父变星，所有这些对造父变星的观测还将用来对距离阶梯中更高的一级（例如超新星和塔利-费希尔关系）进行校正。

　　这些造父变星的距离已经成为了我们了解遥远宇宙尺度的基石。更为遥远的星系的距离则可以根据“哈勃图”来进行计算，而这里的“哈勃图”所反映的是星系退行的速度和它与我们之间距离的线性关系。这一线性关系的斜率则被称为“哈勃常数”。如果一旦哈勃常数的大小被精确测定了，那么根据直接测量到的星系退行速度就能反推出星系的距离。“哈勃”对造父变星的观测为“哈勃图”的建立打下了基础，因此它也为哈勃常数的精确测量提供了保证。在“哈勃”之前，观测得到的哈勃常数有1-2倍的差异，但是在有了新的造父变星观测之后宇宙距离尺度的不确定性猛然下降到了大约只有10%。 返回小木虫查看更多