打开APP
userphoto
未登录

开通VIP,畅享免费电子书等14项超值服

开通VIP
哈勃25年:改变宇宙认知的9张图片

今年是哈勃望远镜升空25年周年,为了展现哈勃在25年来在宇宙探索领域所做出的贡献,《科学美国人》西班牙版从哈勃拍摄的宇宙图景中,精选了9张绝美的图片。有些图片极其罕见,比如投影在木星表面上的多个卫星的影子;有些颠覆了我们对宇宙的认知,比如红超巨星的尘埃云展现的神奇“光回波”现象;还有的呈现出了史诗般辽阔宏伟的场景,比如“创生之柱”和“船底座星云”。

撰文 阿克塞尔·M·奎茨(物理学家、德国Sterne und Weltraum杂志编辑)

尤韦·赖克特(应用物理学博士、Sterne und Weltraum杂志主编)
翻译 蒋慧桢


数据档案

哈勃望远镜的口径为2.4米,在近乎圆形的轨道上绕地球旋转。以下是它的基本参数。

运营机构:美国航空航天局(NASA)/ 欧洲空间局(ESA)

规格尺寸:望远镜长13.1米;最大直径4.3米

发射时间:1990年4月24日

轨道高度:560km

轨道周期:95.8分钟

能量来源:太阳能电池板,6块电池

维护任务:共进行了5次维护,分别是在1993年、1997年、1999年、2002年和2009年

主要仪器:广域照相机(WFC3,2009年投入使用)、太空望远镜成像摄谱仪(STIS,1997年投入使用)、宇宙起源频谱仪(COS,2009 年投入使用)、先进巡天照相机(ACS,2002年投入使用)

使命终结:2024年(被大气分解)


哈勃望远镜维护

对哈勃的维护工作可直接在轨道上进行,目前已展开了5次维修和升级任务,都是宇航员搭载航天飞机上太空执行的。最近一次维护是2009年5月,宇航员搭乘“亚特兰蒂斯”号(Atlantis)航天飞机到达哈勃望远镜所在的位置,为其安装新的仪器,更替旧的陀螺仪和电池组。这次维护不仅全方位提高了哈勃望远镜的观测性能,而且还延长了它的服役期。


25年来,哈勃取得了辉煌的“战绩”,拍摄了无数极具价值、独一无二的宇宙图景,哈勃望远镜的重大发现几乎涵盖了天文学研究的每一个领域。它拍摄的图片既有太阳系内的天体,又有从未进入过人类视野的遥远星系。可以毫不夸张地说,哈勃拍摄的宇宙图片,从根本上改变了我们对宇宙的认识,将是人类的宝贵文化遗产。

哈勃拍摄的海量宇宙图片有一个共同的特点:即超高清晰度。这一方面是因为哈勃望远镜的口径为2.4米,分辨率较高;另一方面是因为哈勃空间望远镜的轨道位置距离地面560千米,在地球的大气层之上,因此影像不会受到大气湍流扰动。

不过,人们似乎已经忘了,这台当时造价为25亿美元的空间望远镜,并非从一开始便能完美地完成任务。尽管哈勃望远镜的主镜是以极高的精度打磨的,但传回的图片显示光学系统存在严重问题,望远镜无法达到最佳聚焦状态,对图样缺陷的分析显示,问题的根源是主镜的形状存在细微的偏差,这也成了科学史上最重大的“乌龙事件”之一。在随后的3年半时间里,天文学家不得不花费大力气,通过影像处理技术将那些模糊图片修复好。幸运的是,1993年12月的第一次维护任务中,这个问题得到了彻底解决——“奋进”号(Endeavour)航天飞机将COSTAR光学校正系统送上天,航天员出舱行走将COSTAR正确地安装到了哈勃上。自此,哈勃才开始真正胜任太空任务。

哈勃空间望远镜的升空,极大地促进了科技的进步。1997年、1999年、2002年和2009年,美国航空航天局又对哈勃进行了4次维护,为哈勃望远镜安装了越来越先进的光学设备。这些新的仪器不仅弥补了早期由于主镜打磨失误造成的问题,而且也让第一次维护时安装的COSTAR系统变得多余起来。在最近一次维护任务中安装的第三代广域照相机(Wide Field Camera 3,WFC3),视场是164×164角秒,每个像素为0.04角秒。

不过,哈勃望远镜的科学价值,远不仅在于它拍摄的那些绚丽的宇宙照片。哈勃的摄谱仪同样也有出色的表现。正因于此,尽管哈勃已经25岁“高龄”,地球上新建的地面望远镜也越来越多,但哈勃的“一哥”地位仍然牢不可撼。在安排第22个周期(2014年10月到2015年9月)的观测时间时,哈勃收到了上千份使用申请,这些申请要求的时间总和已经超出了实际可使用时间的6倍。虽然不能完全满足申请者的使用需求,但这些研究人员的科研收获仍旧颇丰。迄今为止,他们已经以从哈勃得到的数据为基础,发表了12000多篇论文。


木星和它的卫星




我们常常可以看到木星(Jupiter)的4个大型卫星经过木星前方,但很少能在木星表面上看见它们的影子。同一时间在木星表面上看到多个卫星的影子,则更是极其罕见。幸运的是,在2015年1月24日,就出现了一次这样的情形。木卫四(Calisto)和木卫一(Io)刚好经过木星前方,它们和木卫二(Europe)的影子(见下图,木卫二自己没有出现在图片中)就像在木星的云层上留下的模糊污点。视力好的人还可以在木星表面看见较小的木卫五(Amaltea)和木卫十四(Tebe),以及它们的影子。

“害羞”的邻居




由于火星体积较小,天文学家要想观察到它,可得费一些力气:图中下方那个小圆点是与另外两张照片中的土星和木星按同样比例缩小的火星。尽管如此,哈勃还是可以分辨出火星表面16千米尺度的细节。 在这张2001年6月26日拍摄的照片中,就可以清楚地看到冰晶组成的白色云层和橙色的沙尘暴。


土星上的影子



资料来源:NASA/ESA/STScI/AURA/THE HUBBLE HERITAGE TEAM

每隔14或15年,从地球上正好可以看到土星环的侧面。土星(Saturn)的卫星大都和土星环处于同一平面,这种排列方式,使我们可以同时看到土星的卫星和卫星投射到土星表面的影子。2009年2月24日,4颗卫星经过土星前方时,哈勃捕捉到了它们的影像。其中最大的土卫六(Titan)的影子投射到了土星的北极附近;而它附近的土卫一(Mimas),一颗小得多的卫星,则将它的小影子落在了土星赤道附近的云层上。此外,在图片上还可以看到土卫四(Dione)和土卫二(Enceladus)。尽管拍摄这张照片时土星距离地球12.5亿千米,但是哈勃却可以分辨出土星表面尺度仅有300千米的影像细节。

来自红超巨星麒麟座V838的“回声'



2002年5月


2002年9月


2002年10月


2002年12月


2004年10月


有时候,只看影像会导致我们误判。比如,如果我们将红超巨星麒麟座V838在2002年5月至2004年10月的照片进行对比,可以看到,在恒星本身——图中红色核心——膨胀的同时,它周围的尘埃云似乎也在扩散,而实际情况是,这只是“光回波”(light echo)效应造成的一种错觉。尘埃云本身没有膨胀,只是恒星发出的光芒被尘埃云所反射,形成光回波,在地面观察者看来似乎是发生了膨胀。也就是说,由于光传播速度有限,我们只能看到周围的尘埃云从里到外依次被这颗恒星照亮,而不是一下全部照亮,所以看上去就好像是尘埃云在膨胀(以下各图均为同尺度)。

宇宙之舞




NGC 2207(左边)和IC 2163(右边)是位于大犬座(Canis Major)内的一对旋涡星系,它们就像是一对宇宙的舞者——已经在宇宙的大舞台上表演了数十亿年。在万有引力的作用下,规模较小的那个星系发生了严重的变形,星系中被撕扯出来的气体和恒星,向右延伸了大约10万光年。在遥远的未来,这两个星系将会融合成一体。

“万花尺”星云



IC 418位于天兔座(Lepus),看起来就像一颗闪耀着光芒的宝石。尽管被称作行星状星云(planetary nebula),但是这些星云跟行星形成没有任何关系:当类似太阳的恒星走到了生命的尽头,抛掉外层的气体,就会形成这样的星云。虽然不使用专业望远镜也可以观察到IC418,但是这张哈勃拍摄的伪色照片(照片中的颜色代表不同波长的辐射,但不是真实颜色),揭示出了它的细微形态结构,让它又获得了一个绰号,叫做“万花尺” 星云(Espirografo nebula)。

星系大碰撞



资料来源:NASA/ESA/STScI/AURA/THE HUBBLE HERITAGE TEAM (Spirograph Nebula); NASA/ESA/STScI/AURA/THE HUBBLE HERITAGE TEAM, ESA/HUBBLE COLLABORATION/NASA/ESA/H. E. BOND/STSCI, A. EVANS /University of Virginia in Charlottesville/NRAO/Stony Brook University/K. NOLL/STScI/J. WESTPHAL/Caltech (Arp 148) J. WESTPHAL/Caltech (Arp 148)


Arp 148得名于它在著名天文学家霍尔顿·阿普(Halton Arp)编撰的《特殊星系图集》(catalog of peculiar galaxies compiled)中的编号——148。它是一对正在发生碰撞的星系,位于大熊座内,距离地球5亿光年。碰撞的结果是这个由环状星系和一段尾巴组合成的新天体——两个星系撞击时产生的激波把物质抛射出来,让它们呈环状分布。因为恒星的个头与它们之间巨大的间隔相比实在微不足道,所以在这次宇宙灾变中,恒星都是毫发无伤的,只是运动的轨迹发生了改变。

创生之柱:分别摄于1995年和2015年


这张照片拍摄于1995年,也是哈勃拍摄的照片中被使用得最多的一张,常常出现在海报、T恤和屏保上。“创生之柱”拍摄的是鹰状星云[Eagle Nebula,M16,位于巨蛇座(Serpen),距离地球6500光年]中心由星际气体和尘埃组成的柱状结构。

这3根长度为4光年的柱子是一团巨大的分子云的残留物。这团分子云是一个“恒星制造厂”,年轻恒星诞生后,产生的星风和紫外辐射让原来的气体云瓦解,将气体“吹”成了这个形状,就好像是岩层风化后留下的石柱一样。



20年后,哈勃再次拍摄了同一区域。最新的拍摄技术让“创生之柱”的图像分辨率更高,对比更鲜明。新照片为我们研究星云的形成提供了更加丰富的细节。图片中不同的颜色源于不同波段的多重曝光。

资料来源:NASA/ESA/STScl/J. HESTER/P. SCOWEN/UNIVERSIDAD ESTATAL DE ARIZONA(Pilares de la Creación, 1995); NASA/ESA/HUBBLE/EQUIPO DEL LEGADO DELHUBBLE (Pilares de la Creación, 2015)

星云和巨星



这是哈勃拍摄的尺度最大的全景照片之一,展示了位于地球7500光年之外的船底座星云(Carina Nebula)中央宽达50光年的区域。由星云内气体和灰尘组成的混合物看起来异常绚丽,这样的“景致”是由一些隐藏在这片星云内的巨星造就的,它们不断辐射出紫外线,同时释放星风。这些恒星质量巨大,有些的质量甚至相当于50~100个太阳。恒星风以及高能量辐射逐渐破坏分子云的剩余部分,使原有的星云解体,并促使新的恒星形成。比如,研究人员预计其中一个巨星海山二(Eta Carinae),将会在不远的未来发生超新星爆发。也许,46亿年前,太阳及其附近行星的形成过程也经历了剧烈的“新老轮回”的过程,就跟我们现在在船底座星云中观察到的一样。



这副绚丽的图片,让人浮想联翩,稍加想像,我们仿佛就能看到许多神奇传说中的景像,比如天蛾、恐龙还有各种各样的动物。看着船底座上面的星云,很容易联想到古老的南船座(Argo Navis,南船座,原是最大的星座。18世纪被拆分为4个星座:船帆座、船底座、船尾座和罗盘座),想到古希腊神话中的英雄伊阿宋,驾驶着阿尔戈号海船(后来和金羊毛一起被宙斯提升到天界,即后来的白羊座和南船座),从希腊出发远航,直到黑海岸边去寻找金羊毛。

这张图拍摄于2010年,为我们呈现出了星云的更多细节。与“创生之柱”一样,这片由灰尘和气体组成的区域,也是恒星的诞生地,它的长度大约为3光年。在星柱的顶端还可以清楚地看到物质流正在向相反的方向飞出。这种由新生恒星形成、状似星云的天体,被统称为赫比格-哈罗(Herbig-Haro)天体。

资料来源:NASA/ESA/M.LIVIO/EQUIPMENTOFTHETWENTIETHANNIVERSARYOFTHEHUBBLE/STScI


目前哈勃还没有出现技术性问题,科学家预计,哈勃应该可以正常运转至2024年。不过,哈勃没有安装动力系统,也没有航天飞机能够将它推送到更高的轨道,所以寿命肯定有限,退休也只是时间早晚的问题了。在560千米的高空上也有极少量的大气分子,由于它们的摩擦作用,哈勃的高度会不断降低。最终在2024年,哈勃将落入大气层,化作一缕青烟。


哈勃的继任者——詹姆斯·韦伯空间望远镜(James Webb Space Telescope),预计将于2018年升空。与负责捕捉观测可见光的哈勃不同,韦伯望远镜将主要用于红外线观测。也就是说新一代的太空望远镜将能无视尘埃的干扰,出色地完成自己的科学任务。但是毫无疑问,它拍摄不到哈勃那些令人震撼的照片。


(来源:环球科学》2015年6月号)





在波澜起伏的市场中淡定交易——

本站仅提供存储服务,所有内容均由用户发布,如发现有害或侵权内容,请点击举报
打开APP,阅读全文并永久保存 查看更多类似文章
猜你喜欢
类似文章
【热】打开小程序,算一算2024你的财运
近百张太空图片
宇宙是吾心,吾心即宇宙:历数哈勃拍摄过的最美照片
从哈勃到哈勃深空场——“哈勃”这29年都给我们带来些什么?
美到当壁纸!哈勃望远镜30年30张经典照片,让我们重新认识宇宙
哈勃望远镜拍摄的12张震撼人心的宇宙照
真正的“洪荒之力”长啥样?哈勃太空望远镜震撼图片精选!
更多类似文章 >>
生活服务
热点新闻
分享 收藏 导长图 关注 下载文章
绑定账号成功
后续可登录账号畅享VIP特权!
如果VIP功能使用有故障,
可点击这里联系客服!

联系客服