4月24日是中國航天日。之所以選擇這一天為中國的航天日，是因為1970年4月24日，中國成功發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅一號”。 圖0：哈勃空間望遠鏡。由亞特蘭蒂斯號航天飛機執(zhí)行任務離開時拍攝。 而二十年后的1990年4月24日，一個從此開啟了天文新時代的望遠鏡——哈勃空間望遠鏡乘坐探索號航天飛機升空；到今天剛好27個年頭。今年為了給哈勃望遠鏡慶祝在太空的第27個生日，NASA按照慣例推出一張照片作為紀念。 今年的慶生照是一張有兩個漩渦星系——NGC4302和NGC4298——在同一張圖上的照片，兩個星系在外形上都與銀河系類似，一個以側(cè)面對著我們，另一個則以70度角面對我們。這讓我們似乎能夠在一張圖中同時看到銀河系的正視圖和側(cè)視圖。 圖1:哈勃望遠鏡拍攝的NGC4302（左）和NGC4298（右）在光學和近紅外波段的圖像。 但我們或許更想問：哈勃上天都27年了，都干了啥呢？ 圖2: 哈勃望遠鏡最具代表性的圖像之一是鷹星云（M16）的這一部分。 一、宇宙在加速遠離我們 我們的宇宙在膨脹。大約在一個世紀以前，埃德溫·哈勃測量了到我們宇宙的膨脹速率(H=v/d，其中v是星系退行的速率，d是星系到我們的距離)。這個值我們稱為哈勃常數(shù)，由它我們可以算出宇宙的年齡、尺寸，甚至宇宙的命運。但是在哈勃望遠鏡發(fā)射升空之前，哈勃常數(shù)的測量結(jié)果十分不精確，我們由此算出的宇宙年齡只能限定在100億到200億的范圍內(nèi)。 圖3：天文學家用造父變星亮度周期的改變來測量其所在星系的距離。圖中箭頭所指的是哈勃望遠鏡觀測到的仙女座星系中一個造父變星。 圖4：某些超新星的特征最大亮度可以用來測量它們與地球的距離。提高對天體距離的測量精度能夠讓天文學家更好的計算出宇宙的膨脹率。圖中分別是哈勃望遠鏡在1995年和2002年在同一天區(qū)拍攝的圖像，箭頭所指的地方則是在此期間出現(xiàn)的一顆超新星。 而現(xiàn)在天文學家用哈勃望遠鏡的數(shù)據(jù)算出的哈勃系數(shù)，可以把宇宙年齡限定在138億年左右，可以說精確度提升了不少。 然而除此之外，令天文學家感到吃驚的是，從哈勃望遠鏡的觀測結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，宇宙不僅僅是在膨脹，而且是在加速膨脹——這個發(fā)現(xiàn)獲得了2011年的諾貝爾物理學獎。 圖5：宇宙的加速膨脹。時間軸自下而上。 科學家們認為宇宙的這種加速膨脹可能是由彌漫在整個宇宙中的所謂“暗能量”引起的。據(jù)現(xiàn)有的估計，暗能量大約占整個宇宙能量的68%（另外28%是暗物質(zhì)，只有4%為我們能夠看到的恒星、行星或氣體這些物質(zhì)），對宇宙起著負壓的作用，推著宇宙加速地膨脹。但很遺憾，依靠現(xiàn)在的技術(shù)還很難直接測量到暗物質(zhì)的存在。 圖6：宇宙中暗能量、暗物質(zhì)和明物質(zhì)（我們現(xiàn)在所能看到的一切）的比例。 二、記錄星系的成長歷程 就像我們用相簿記錄孩子的成長歷程一樣，天文學家用哈勃給不同宇宙學時間上的星系進行“拍照”，記錄下了宇宙中星系的成長歷程。 我們怎么知道宇宙過去的樣子呢？這主要得益于一條簡單的數(shù)學關(guān)系：哈勃向深空中看得越深，在時間上就越久遠。距離越遠（也就是時間上越早）的星系越小，且越不規(guī)則；反之，則巨型、規(guī)則的漩渦星系和橢圓星系就越多。這表明，星系之間隨著時間地推移在不斷地融合，漸漸地變成了我們現(xiàn)在所看到的巨大星系。 圖7：哈勃望遠鏡超深空場。這是哈勃望遠鏡拍攝的最遠的深空之一。拍攝這樣照片累計曝光時間約一百萬秒（11天）。 圖8：哈勃超深空場中一些星系，它們距離遙遠，星體模糊，形狀不規(guī)則，且互相影響。 星系的演化從未停歇，天文學家通過哈勃望遠鏡對我們近鄰的仙女座星系M31的進行觀測，發(fā)現(xiàn)盡管這個星系離銀河系有250萬光年遠，但是在引力作用下它在不斷地向銀河系靠攏，預計M31將在40億年后與我們的銀河系相撞。到那時候，它們兩個將會融合成一個巨大的橢圓星系。 圖9：M31。
圖10：本星系群。M31與銀河系是本星系群中兩個較大的星系，它們不斷的吸收周圍的矮星系壯大自己，同時兩者也在不斷地靠近，預計將于40億年后碰撞。
圖11：橢圓星系。橢圓星系一般質(zhì)量更大，它是很多星系融合的結(jié)果。 三、看到太陽系外的世界 在1990年哈勃望遠鏡發(fā)射之前，天文學家從來都沒有發(fā)現(xiàn)一顆太陽系外的行星；而現(xiàn)在科學家已經(jīng)確認了超過3000顆系外行星。其中大多數(shù)都是由NASA的開普勒衛(wèi)星以及一些地基望遠鏡發(fā)現(xiàn)的。但哈勃望遠鏡在行星搜尋中也有其獨特的貢獻。 首先，天文學家用哈勃望遠鏡的觀測數(shù)據(jù)能測出系外行星的大氣成分。觀測發(fā)現(xiàn)，盡管大多數(shù)系外行星對生命來說都過于炎熱而無法生存，但是在一些行星上存在構(gòu)成生命的基本成分。 此外，哈勃望遠鏡也是第一個在光學上觀測到系外行星的。這顆行星在25光年外，繞著北落師門（一顆恒星）旋轉(zhuǎn)，離北落師門的距離大概是土星到太陽距離的十倍。
圖12：天文學家用哈勃拍攝的第一張系外行星的光學照片，該行星被命名為北落師門b。 四、“照亮”暗物質(zhì) 現(xiàn)在的物理學家們普遍認為，暗物質(zhì)是一種不可見的物質(zhì)形式（簡單的理解就是不發(fā)光），它構(gòu)成了宇宙物質(zhì)的大部分質(zhì)量，也是由暗物質(zhì)形成了宇宙現(xiàn)在的這種結(jié)構(gòu)。暗物質(zhì)的引力會驅(qū)使著普通物質(zhì)（氣體或塵埃）聚集并形成恒星和星系。盡管天文學家不能看到暗物質(zhì)，但他們能夠通過大質(zhì)量星系群（含有暗物質(zhì)）的引力效應(能夠使它背后更遙遠星系的光線發(fā)生彎曲，這種現(xiàn)象稱為引力透鏡)來探測其中的暗物質(zhì)。
圖13：這個圖顯示了引力透鏡下一個遙遠星系的光路。
圖14：在SDSSj1004+4112星系群的圖像上，引力透鏡使一個背景星系產(chǎn)生了三個扭曲的像，另外一個背景類星體產(chǎn)生了五個像。 通過哈勃望遠鏡銳利的視場，天文學家通過引力透鏡現(xiàn)象及逆向工程，繪制出了空間中暗物質(zhì)的分布情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，宇宙中暗物質(zhì)大約是普通物質(zhì)的五倍，且以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分布；而大質(zhì)量的可見結(jié)構(gòu)（像星系群、星系團等）往往都分布在這些網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)交叉的地方。
圖15：這兩張圖顯示的是大質(zhì)量星系群CI0024+17?？梢姽鈭D像中，在黃色星系中有藍色的弧，這些弧就是引力透鏡下背景星系失真后的圖像。藍色疊加的圖像顯示了實現(xiàn)這種引力失真，所需要的暗物質(zhì)密度分布。 五、巨型黑洞無處不在 哈勃望遠鏡發(fā)現(xiàn)，幾乎每一個星系的中心都存在一個巨大的黑洞，這些黑洞有百萬個到十億個恒星質(zhì)量那么大。此外還發(fā)現(xiàn)這些黑洞的尺寸和其宿主星系的質(zhì)量相關(guān)。哈勃星系普查表明，黑洞的質(zhì)量取決于其宿主星系星系核中恒星的質(zhì)量：星系越大，黑洞也越大。這種關(guān)系說明黑洞是伴隨著星系一塊兒成長的，黑洞會吞并星系的一部分質(zhì)量。
圖16：根據(jù)哈勃的光譜圖合成的圖像。研究人員發(fā)現(xiàn)許多星系中心都存在一個巨型黑洞。NGC3379和NGC3377分別包含著一個5000萬個太陽質(zhì)量和1億個太陽質(zhì)量的黑洞；NGC4486B在其核心包含兩個黑洞。 六、研究外地行星和它們的衛(wèi)星 哈勃望遠鏡見證了太陽系內(nèi)的小天體對木星的影響。它于1994年觀測到休梅克-萊維9號彗星的21個碎片依次撞入木星——這是天文學家第一次看到這樣的事件——每一次撞擊都在木星的表面留下一個烏黑的“傷疤”。最近的一次是在2009年，一顆小行星撞入木星，留下一個太平洋大小的黑色痕跡。
圖17：休梅克-萊維9號彗星造成的影響（從右下到左上）。 木星表面著名的“大紅斑”（一個尺寸有地球那么大的大風暴）從19世紀早期人類觀測到它以來已經(jīng)連續(xù)存在了數(shù)百年。這個巨大的風暴在最近80年卻在不斷地收縮。天文學家們現(xiàn)在用哈勃望遠鏡定期地測量它的尺寸，以調(diào)查它為什么會漸漸地消失。
圖18：木星的“大紅斑”。它以300英里／小時的速度在木星表面運動。 極光是具有磁場的行星大氣上層發(fā)光的一種現(xiàn)象。帶電的粒子在行星磁場作用下會偏向磁場的南北極，這些高速粒子轟擊到大氣上層的原子和分子，就會產(chǎn)生漂亮的極光現(xiàn)象。這種現(xiàn)象不僅在地球上有，土星和木星上也有。下面是哈勃望遠鏡第一次拍攝到木星和土星南、北極的極光。
圖19：土星的極光。 在尋找地外生命研究中，木星的衛(wèi)星占據(jù)著很重要的位置。哈勃在木衛(wèi)三（太陽系內(nèi)最大的衛(wèi)星）地下發(fā)現(xiàn)了一個巨大的鹽水海，據(jù)估計其含水量比地球表面全部的水還要多。此外哈勃還觀測到木衛(wèi)二表面大氣的變動，天文學家認為這可能是由地下海水噴發(fā)而造成的。尋找液態(tài)水，在尋找地外生命的研究中至關(guān)重要。
圖20：哈勃在木衛(wèi)二上模糊的地方發(fā)現(xiàn)氧和氫，這是構(gòu)成水分子的兩種元素?？茖W家認為這極有可能是水。 （未完待續(xù)）
編輯：Alex Yuan 近期熱門文章Top10 ↓ 點擊標題即可查看 ↓ 1. 數(shù)學是什么? 9. 打死你也猜不到的14個數(shù)字規(guī)律問題 10. 世界到底是不是確定的？
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