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哈勃望远镜30周年庆

这段视频回顾了哈勃望远镜30年来的一些重大科学发现,以庆祝它的30周年纪念日。视频通过Hubblecast

作者:罗杰·i·汤普森,亚利桑那大学

30年前的4月24日,哈勃太空望远镜发射升空。这是一个令人印象深刻的里程碑,特别是因为它的预期寿命只有10年。

哈勃望远镜寿命长的主要原因之一是,它可以通过航天飞机的访问,通过新的观测仪器进行维修和改进。

哈勃望远镜30周年庆

当哈勃望远镜(HST)首次发射升空时,它的仪器可以观察到波长比人眼所能看到的还短的紫外线,以及波长对人类可见的可见光。1997年的一次维修任务增加了一个仪器来观测近红外光,这是一种比人们能看到的波长更长的光。哈勃望远镜的新红外线眼睛提供了两个新的主要功能:比以前看得更远的太空和更深入的恒星形成的尘埃区域。

我是亚利桑那大学的天体物理学家,曾利用近红外观测来更好地了解宇宙如何运作,从恒星形成到宇宙学。大约35年前,我有机会为哈勃建造一个近红外照相机和光谱仪。这是一生难得的机会。我的团队设计和开发的相机改变了人类看待和理解宇宙的方式。仪器是在我们的指导下,在科罗拉多州博尔德的波尔航天公司制造的。

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看得更远更早

与HST同名的埃德温·哈勃(Edwin Hubble)在20世纪初发现,宇宙正在膨胀,来自遥远星系的光线被转移到更长的、更红的波长,这种现象被称为红移。距离越大,偏移越大。这是因为物体离我们越远,光线到达地球所需的时间就越长,宇宙在这段时间里膨胀得就越大。

哈勃的紫外线和光学仪器拍摄了迄今为止所见过的最远星系的图像,这些星系被称为北方哈勃深空,或称NHDF,于1996年发布。然而,由于红移,这些图像已经达到了它们的距离限制,红移将所有最遥远星系的光从可见光转移到红外线。

哈勃望远镜第二次维护任务中增加的一个新仪器名字很拗口,叫做近红外照相机和多目标光谱仪,简称NICMOS,发音为“Nick Moss”。“NICMOS上的近红外摄像机观察了NHDF的区域,发现了更远的星系,它们所有的光都是近红外的。

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天文学家有特权观察过去发生的事情,他们称之为“回溯时间”。“我们对宇宙年龄最好的测量是137亿年。光在一年内走过的距离称为光年。NICMOS观测到的最遥远的星系距离近130亿光年。这意味着NICMOS探测到的光已经传播了130亿年,并显示了130亿年前星系的样子,当时宇宙的年龄只有现在的5%。这些是最早被创造出来的星系中的一些,它们形成新恒星的速度是目前宇宙中大多数星系形成恒星的速度的一千多倍。

隐藏在尘埃

虽然天文学家研究恒星形成已有几十年,但仍有许多问题。部分问题在于,大多数恒星是由分子和尘埃组成的云。这些尘埃吸收了恒星形成过程中发出的紫外线和大部分光,使得哈勃望远镜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,被吸收的就越少。这就是为什么日落会呈现红色的原因,因为在日落时,光线必须穿过长长的尘土飞扬的空气。

然而,近红外线比红光更容易穿过尘埃。利用哈勃望远镜的高成像质量,NICMOS可以观察恒星形成区域,以确定恒星形成的细节。一个很好的例子就是哈勃拍摄的鹰状星云,也被称为“创造之柱”。

这张光学图像显示了雄伟的柱子,似乎显示了在大量空间中恒星的形成。然而,NICMOS图像显示了一个不同的画面。在NICMOS图像中,大多数柱子是透明的,没有恒星形成。星星只在柱子的顶端形成。这些光学柱只是一些空洞的尘埃,反射着附近一群恒星发出的光。

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红外时代的来临

1997年,当NICMOS被添加到HST时,NASA还没有未来红外太空任务的计划。随着来自NICMOS的结果变得明显,这种情况很快就改变了。根据来自NICMOS的数据,科学家们了解到,完全形成的星系在宇宙中存在的时间比预期的要早得多。NICMOS的图像也证实了宇宙的膨胀正在加速,而不是像之前认为的那样在减速。NHDF红外图像之后是2005年的哈勃超深场图像,这进一步显示了近红外成像对遥远年轻星系的能力。因此,NASA决定投资詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST),这是一架比HST大得多的望远镜,专门用于红外观测。

在哈勃上,一个近红外成像仪被添加到第三个版本的宽视场照相机,这是安装在2009年5月。这款相机使用了改进型的NICMOS探测器阵列,具有更高的灵敏度和更广阔的视野。詹姆斯韦伯太空望远镜有更大的版本的NICMOS探测器阵列,比以前的版本有更多的波长覆盖。

计划于2021年3月发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope),以及随后发射的广角红外巡天望远镜(Wide Field Infrared Survey Telescope),构成了NASA未来太空任务的主体。这些程序都是由HST的近红外观测产生的。他们最初投资了一个近红外照相机和光谱仪,为哈勃望远镜提供了红外线眼睛。借助詹姆斯·韦伯太空望远镜,天文学家们有望看到宇宙中最早形成的星系。

罗杰·i·汤普森,亚利桑那大学天文学教授

本文是在知识共享许可协议下从对话中重新发布的。阅读原文。

总结:哈勃望远镜庆祝它的30周年纪念日。

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