哈勃望远镜，以别样的方式打开我们的视野，引领我们走向浩渺太空

作者： 日期：2020-04-30 02:43:10

哈勃太空望远镜如何让我们观测到宇宙中第一个星系

1990年4月24日哈勃太空望远镜发射。该照片中，发射台39a和39b同时载有航天飞机，这是有史以来的第一次。美国航空航天局（NASA）

30年前的4月24日，哈勃太空望远镜发射。这是一个了不起的里程碑，因为哈勃太空望远镜的预期寿命只有10年。

哈勃望远镜寿命长，主要原因之一是：哈勃望远镜可以得到检修完善。这是由于航天飞机造访了哈勃望远镜，并带来了新的观测装置。

哈勃望远镜最初发射时，其设备装置可以观测到紫外线和可见光。紫外线的波长较短，肉眼不可见，但可见光肉眼可见。1997年的维修任务在哈勃望远镜上增添了设备，用于观测近红外光。近红外光波长长，人肉眼不可见。哈勃望远镜上用于观测近红外光的新设备有两大作用：相较从前，望远镜可以观测到更深的宇宙。同时恒星形成之处布满星尘，望远镜也可以看到星尘的更深处。

我是来自亚利桑那大学的天体物理学家，通过近红外光来进一步了解宇宙运作规律，如恒星形成和宇宙学。约35年前，我得以建造用于哈勃望远镜的近红外摄像头和分光计。这是一世难求的机会。我的团队设计制造了摄像头，改变了人们观测和了解宇宙的方式。在我们的指导下，该设备在位于科罗拉多州博尔德市的波尔航天公司制造生产。

我们肉眼可见的光是辐射的一部分，也称为电磁波谱。波长较短的光能量更高，波长较长的光能量更低。哈勃太空望远镜主要观测可见光（如彩虹所示），也可观测部分红外辐射和紫外辐射。美国航空航天局/约翰·霍普金斯大学应用物理实验室/美国西南研究院（NASA/JHUAPL/SwRI）

在20世纪早期，埃德温·哈勃（哈勃太空望远镜HST以其名命名）发现了宇宙是一直在膨胀扩张的，而来自遥远星系辐射出的光波也就被拉扯得更长，更红，这种现象就是红移。距离越远，红移现象越显著。这是因为物体离得越远，光到达地球接近我们花费的时间就会越长，而在这时宇宙也在进一步越来也膨胀。

当前利用哈勃望远镜的紫外波段和其他光学设备拍摄到了有史以来最遥远的星系画面，就是众所周知的在1996年发布的北哈勃深场（NHDF）的画面。然而，受到红移的限制，拍摄的画面已到达了哈勃望远镜触及的极限，这已将最远星系的所有光从可见光发展为红外光。

在第二次维修养护时，哈勃望远镜增加了一些新的仪器设备，其中之一就是名字很冗长的近红外相机和多目标光谱仪（NICMOS，音“Nick Moss”）。NICMOS上的近红外相机观测了北哈勃深场（NHDF）这一区域，甚至发现了那些遥远的的星系发散的所有光都在近红外范围内。

NICMOS曾经记录了一个非常经典的画面——一个在银河中心巨大的星团。这是得益于NICMOS的红外摄像能力，我们才能够透过中心地带厚重的由气体和尘埃组成的云团进行观测。NARS/JHUAPL/SwRL

天文学家有特权观测发生在过去的事，这被他们成为“回溯时间”。目前，我们对宇宙年龄最精确地测量是13.7亿年。光一年走的距离被称作一光年。NICMOS观测到的最远的星系距我们大概有13亿光年的距离，这意味着NICMOS能够探测到的光已经“太空旅行”13亿年了，我们看到的画面也是13亿年前的样子，而当时的宇宙只是现在年龄的5%。这是出现的第一个星系，并且它以在宇宙中大多数星系形成恒星的近乎一千倍的速率形成新恒星。

隐藏在尘埃之中

尽管天文学家研究恒星形成已有数十年，但仍有许多问题。问题的一部分是大多数恒星是由分子和尘埃云形成的。尘埃吸收紫外线和形成恒星时发出的大部分可见光，这使哈勃的紫外线和光学仪器很难研究这一过程。

光的波长越长或越红，吸收的光就越少。这就是为什么夕阳下的光线必须穿过长长的尘土飞扬的天空而呈现红色的原因。

但是，近红外光通过粉尘的时间比红色光学灯更短暂。 NICMOS(近红外摄影及多目标光谱仪)可以观察具有哈勃影像质量的恒星形成区域，以确定恒星发生位置的细节。一个很好的例子是鹰状星云的哈勃影像，也被称为创造的支柱。

光学图像显示了雄伟的柱子，这些柱子似乎表明了在较大空间上的恒星形成。但是，NICMOS图像显示不同的图片。在NICMOS图像中，大多数柱子是透明的，没有星形。星星仅在支柱的顶端形成。光学柱只是空的灰尘反射附近一群恒星的光。

可见光中的鹰状星云，美国宇航局，欧空局和哈勃遗产小组（STScI / AURA）

在这张哈勃太空望远镜的影像中，是鹰状星云的创造之柱。在这里，从红外光中可以看到柱子，这些红外光穿透了遮盖的灰尘和气体，并露出了一个更加陌生但同样令人惊叹的柱子视图。

NASA（美国宇航局），ESA （欧空局）/哈勃望远镜和哈勃望远镜遗产小组

红外时代的到来

当NICMOS于1997年被添加到HOST(哈勃空间望远镜）中时，NASA并没有未来的红外太空飞行计划。随着NICMOS的结果变得明显，这种情况迅速改变。根据NICMOS的数据，科学家了解到，宇宙中完整形成的星系比预期的要早得多。 NICMOS图像还证实，宇宙膨胀正在加速，而不是像以前认为的那样放缓。 NHDF红外图像之后是2005年的哈勃超深场图像，进一步显示了遥远的年轻星系的近红外成像功能。因此，美国宇航局决定投资詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST），它比HST大得多，并且完全用于红外观测。

在2009年5月，哈勃望远镜拥有了第三代广域相机，近红外成像仪也成为了这一代相机的组成部分。该相机采用了改进的NICMOS（近红外线照相机和多目标分光仪）探测器阵列，灵敏度更高，视野更广。詹姆斯·韦伯太空望远镜（哈勃的“继任者”）则装备了更多版本的NICMOS探测器阵列，与前辈们相比，他们拥有着更大的波长覆盖范围。

韦伯望远镜预计2021年3月发射升空，随后是广域红外巡天望远镜，这两者组成了NASA未来太空任务的主体。这些项目都是由哈勃望远镜的近红外观测推动产生的。最初NASA对近红外照相机和光谱仪的投资，使得哈勃望远镜长出了“红外眼”，从而确保了近红外观测的成功。随着韦伯望远镜的问世，天文学家有望看到宇宙中最早出现的星系。