光耀星河十九載

光耀星河十九載哈勃空間望遠(yuǎn)鏡飛馳在太空的身影，已經(jīng)成為了天文學(xué)的最佳形象代言人。在過(guò)去的19年里，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡完成了88萬(wàn)多次宇宙觀測(cè)，對(duì)2.9萬(wàn)個(gè)宇宙天體拍攝757萬(wàn)多張照片。在google上搜索“hubblespacetelescope”，會(huì)獲得12,600,000個(gè)搜索結(jié)果，相比之下“einstain”的搜索結(jié)果是36,600,000個(gè)，“劉德華”是6,190,000個(gè)。在學(xué)術(shù)方面，僅根據(jù)國(guó)際流行的學(xué)術(shù)期刊預(yù)印本服務(wù)器(http://省略/archive/astro-ph)上公布的論文數(shù)目來(lái)看，基于“哈勃”的觀測(cè)數(shù)據(jù)，截止到2009年4月底，就已發(fā)表論文近5000篇，這還不包括大量非英文期刊上的論文。所有這些成就，使得哈勃空間望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目榮登NASA歷史上十大最成功項(xiàng)目的次席。不久前，“哈勃”的官方網(wǎng)站給出了哈勃空間望遠(yuǎn)鏡在5個(gè)天文研究領(lǐng)域中最有代表性的重大發(fā)現(xiàn)，我們將以此為藍(lán)本，結(jié)合各個(gè)研究領(lǐng)域中“哈勃”帶來(lái)的最新進(jìn)展，對(duì)它19年來(lái)所取得的重大科學(xué)成就做一個(gè)簡(jiǎn)單梳理。星系的形成與演化星系是構(gòu)成茫茫宇宙的基石，它們的形成與演化，是探索宇宙之謎的過(guò)程中不可回避的重大問(wèn)題，也是“哈勃”的首要任務(wù)之一。在其他天文臺(tái)的共同協(xié)作之下，“哈勃”已經(jīng)對(duì)天空中的幾塊小片區(qū)域一一哈勃深場(chǎng)(HubbleDeepFields)、哈勃超深場(chǎng)(HubbleUltraDeepField)和大天文臺(tái)宇宙起源深空巡天(GreatObservatoriesOriginsDeepSurvey)進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的曝光，第一次將最遙遠(yuǎn)因而也最古老的星系帶到了我們眼前。這些超精細(xì)的圖片揭示出了早期宇宙的細(xì)節(jié)。當(dāng)時(shí)宇宙的年齡僅有幾億年，大約是現(xiàn)在宇宙年齡的5％。與現(xiàn)在的星系相比，那時(shí)的星系尺寸較小，形狀更不規(guī)則。由此可見(jiàn)，今天的星系是由較小的星系聚集而成，而不是恰好相反，由較大的星系分裂而來(lái)，“哈勃”所拍攝的照片成為建立現(xiàn)代星系形成模型的關(guān)鍵。除了研究遙遠(yuǎn)的年輕星系以外，“哈勃”還研究了星系形成過(guò)程中遺留下來(lái)的蛛絲馬跡。在“哈勃”的高分辨銳眼下，遙遠(yuǎn)星系中的單個(gè)恒星被分解出來(lái)，它們的顏色和亮度包含了其年齡和化學(xué)組成的信息，使得天文學(xué)家可以推測(cè)出星系中的恒星形成歷史。天文學(xué)家認(rèn)為，較大的星系，例如銀河系和仙女座大星系(Andromeda)，是通過(guò)吞并較小的星系成長(zhǎng)起來(lái)的。2003年5月7日，“哈勃”對(duì)仙女座大星系外圍的星系暈(星系暈是包裹在主星系盤(pán)周圍的稀薄的球狀結(jié)構(gòu)，由恒星和星團(tuán)構(gòu)成)中的恒星的觀測(cè)表明，其中恒星的年齡千差萬(wàn)別：最古老的有110億年到135億年，最年輕的只有60億年到80億年。相比之下，年輕的恒星就像是老人院里的小孩，它們一定是從其他地方游蕩過(guò)來(lái)的：可能來(lái)源于一些更為年輕的星系（例如后來(lái)被吞并的衛(wèi)星星系），也可能來(lái)自仙女座大星系本身一些比較年輕的區(qū)域。而與此相反，我們銀河系的恒星暈并沒(méi)有包含大量相對(duì)年輕的恒星。因此，盡管仙女座大星系和銀河系外形相似，但哈勃的數(shù)據(jù)暗示，這兩個(gè)星系的成長(zhǎng)史迥然不同。這一發(fā)現(xiàn)大大加深了我們對(duì)星系形成的理解。發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹1998年1月8日，美國(guó)哈佛一施密松天體物理中心PeterGarnavich博士領(lǐng)銜的研究小組利用“哈勃”觀測(cè)到的遙遠(yuǎn)超新星數(shù)據(jù)，公布了一項(xiàng)驚人發(fā)現(xiàn)：我們的宇宙正在加速膨脹!不久后另一個(gè)研究組也獨(dú)立地作出了這一發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)時(shí)的天文界引起了轟動(dòng)。人們過(guò)去總是假設(shè)，宇宙的膨脹必定是減速的，因?yàn)樾窍禃?huì)通過(guò)引力彼此吸引，這應(yīng)該會(huì)阻礙它們的分離，而且從理論上看，自從宇宙大爆炸之后經(jīng)歷過(guò)短暫的“暴脹”（宇宙空間在極短時(shí)間內(nèi)急劇增大）期后，宇宙膨脹就必定會(huì)減速，但為什么現(xiàn)在它又開(kāi)始加速膨脹了呢“?哈勃”的這一發(fā)現(xiàn)，使宇宙中最神秘的成分一一暗能量浮出了水面，原來(lái)正是它在驅(qū)使宇宙膨脹加速。2004年，“哈勃”又發(fā)現(xiàn)了16顆遙遠(yuǎn)的超新星，它們爆發(fā)的時(shí)間橫跨過(guò)宇宙膨脹從減速到加速的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，我們因而得知轉(zhuǎn)折點(diǎn)大約在50億年前。天文學(xué)家將哈勃、地基望遠(yuǎn)鏡和微波背景輻射的觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，發(fā)現(xiàn)暗能量占據(jù)了宇宙總能量密度的大約3/4。宇宙的年齡之謎聽(tīng)起來(lái)有些令人不可思議，天文學(xué)家們?cè)趺磿?huì)知道宇宙年齡的大小?正是“哈勃”幫他們給出了答案。我們都知道宇宙正在膨脹，那么膨脹的速度是多少呢?天文學(xué)家把它稱為“哈勃常數(shù)”記為HO,并且發(fā)現(xiàn)它的單位是“千米/秒/兆秒差距”（km/s/Mpc）。由于“秒差距”和“千米”部是距離單位,因此哈勃常數(shù)的倒數(shù)的單位是“秒”,它所代表的意義其實(shí)是時(shí)間,也就是宇宙的年齡（更準(zhǔn)確地說(shuō)是宇宙年齡的上限）。因此只要測(cè)出了哈勃常數(shù)的大小,就能推斷出宇宙的年齡。人們?cè)缇桶l(fā)現(xiàn),只要知道了星系的退行速度以及它離我們的距離,就可以求出哈勃常數(shù)的大小,而星系的距離,可以通過(guò)一類稱為“造父”變星的特殊恒星求出。造父變星是一類光度超過(guò)太陽(yáng)數(shù)千倍的變星,它們非常明亮,而且亮度變化有確定的周期性,最重要的是,這個(gè)周期與造父變星的平均光度（即其真實(shí)的發(fā)光本領(lǐng)）成正比，天文學(xué)上稱為“周光關(guān)系”，通過(guò)它可以求出造父變星的距離（這也就是它所在的星系離我們的距離）。在“哈勃”之前，由于銀河系之外的星系距離我們太遠(yuǎn)，其中的造父變星的周光關(guān)系測(cè)量精度不夠，據(jù)此求出的星系距離也誤差較大。得益于“哈勃”的高分辨率和它上面搭載的精細(xì)導(dǎo)星傳感器的幫助，天文學(xué)家們直接測(cè)量出了36個(gè)星系中的許多造父變星的距離，并據(jù)此校正了“周光關(guān)系”，然后利用周光關(guān)系測(cè)量出更遙遠(yuǎn)的星系的距離，進(jìn)一步確定了哈勃常數(shù)的大小為72±8km/s/Mpc，將它的準(zhǔn)確度提高了5倍。2009年5月7日哈勃網(wǎng)站報(bào)道，天文學(xué)家們通過(guò)對(duì)旋渦星系NGC4258中的造父變星和la型超新星的研究，再次精確測(cè)定了哈勃常數(shù)的準(zhǔn)確值，為74.2±3.6km/s/Mpc,與之前的測(cè)量結(jié)果相近，但精度又提高了兩倍。據(jù)此推斷宇宙的年齡約為137億年左右，和WMAP衛(wèi)星的結(jié)果十分吻合。超大質(zhì)量黑洞和類星體“幾乎每個(gè)星系中心都有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞”，這個(gè)如今已為天文愛(ài)好者們耳熟能詳?shù)某ＷR(shí)，也得歸功于“哈勃”的發(fā)現(xiàn)。1994年5月25日，天文學(xué)家們宣布，利用哈勃望遠(yuǎn)鏡，在距離我們50萬(wàn)年遠(yuǎn)的巨橢圓星系M87中發(fā)現(xiàn)了星系中心超大質(zhì)量黑洞存在的確切證據(jù)，從此揭開(kāi)了超大質(zhì)量黑洞的觀測(cè)研究序幕。此外，“哈勃”于1996年拍攝到的一系列類星體、活動(dòng)星系核(猛烈活動(dòng)著的明亮的星系核心)的照片，幫助天文學(xué)家們完善了類星體的“大統(tǒng)一模型”。類星體(quasar)是一種看起來(lái)與恒星類似的天體，但由于它們距離我們極其遙遠(yuǎn)，因此它們的發(fā)光本領(lǐng)要比一般的星系都強(qiáng)許多倍，現(xiàn)在的高分辨率觀測(cè)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，它們也是一些活動(dòng)星系的核心。從20世紀(jì)60年代起，天文學(xué)家就推測(cè)出這些劇烈活動(dòng)的高能天體是由正在吞噬物質(zhì)的巨型黑洞所驅(qū)動(dòng)的。正是“哈勃”第一次從觀測(cè)上鞏固并完善了這個(gè)理論。不僅如此，1997年1月13日，“哈勃”在對(duì)27個(gè)星系的詳細(xì)考查后，宣布在星系中心，超大質(zhì)量黑洞是普遍存在的，而且還揭示出了黑洞質(zhì)量與星系核球的質(zhì)量相關(guān)。這兩項(xiàng)相關(guān)的發(fā)現(xiàn)具有特別重要的意義。首先，類星體的高分辨率照片揭露了它們的藏身之處――明亮的橢圓星系或者相互作用的星系。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)暗示，必須經(jīng)由一系列特定的事件，才能將物質(zhì)灌輸?shù)街醒牒诙粗小Ｆ浯?，包裹著星系中心的核球的質(zhì)量與巨型黑洞的質(zhì)量緊密關(guān)聯(lián)，這暗示著星系與中央黑洞的形成與演化息息相關(guān)，為人們了解這些超大質(zhì)量黑洞的由來(lái)指明了方向。太陽(yáng)系外的行星早在1994年，“哈勃”就在獵戶座大星云的恒星形成區(qū)發(fā)現(xiàn)有許多年輕恒星周圍都存在薄薄的塵埃盤(pán)，這一發(fā)現(xiàn)證實(shí)了之前理論學(xué)家關(guān)于行星形成的推測(cè)，并且表明恒星周圍存在行星系統(tǒng)是很常見(jiàn)現(xiàn)象，從而開(kāi)啟了系外行星的研究之門。2008年11月13日，“哈勃”更進(jìn)一步，宣告首次直接拍攝到一顆太陽(yáng)系外行星繞恒墾運(yùn)動(dòng)的軌跡，表明系外行星研究取得實(shí)質(zhì)性突破?！肮迸牡降倪@顆行星與太陽(yáng)系中的木星類似，質(zhì)量不超過(guò)木星質(zhì)量的3倍。它圍繞其母恒星一一南魚(yú)座中的最亮星北落師門運(yùn)行，每872年繞行一圈。北落師門距地球僅25光年，年齡在2億年左右。“哈勃”還發(fā)現(xiàn)，環(huán)繞“北落師門”的塵埃盤(pán)跨度大約為350億千米，有十分明顯的內(nèi)邊緣。此外，“哈勃”近幾年還創(chuàng)造了多個(gè)關(guān)于系外行星的第一：第一次獲得恒星HD209458周圍行星的大氣成分、第一次發(fā)現(xiàn)系外行星上的二氧化碳、第一次發(fā)現(xiàn)系外行星大氣中的有機(jī)分子。盡管現(xiàn)在人們尚未發(fā)現(xiàn)第二個(gè)“地球”，但由“哈勃”開(kāi)啟的發(fā)現(xiàn)之旅已經(jīng)給了我們無(wú)比的信心，它的后繼者必將實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢(mèng)想。盡管“哈勃”的官方網(wǎng)站非常謙虛地只列出了上述5個(gè)方面的重大發(fā)現(xiàn)，不過(guò)我認(rèn)為至少還有2大發(fā)現(xiàn)也是值得與大家分享的。發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)存在的直接證據(jù)在“錢德拉”空間X射線望遠(yuǎn)鏡和哈勃空間望遠(yuǎn)鏡及地面大型望遠(yuǎn)鏡的通力合作下，一群美國(guó)天文學(xué)家對(duì)子彈星系團(tuán)(BulletCluster)進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月的觀測(cè)后，于2006年8月21日宣布第一次“看”到了暗物質(zhì)。子彈星系團(tuán)是一種不同尋常的宇宙結(jié)構(gòu)，它實(shí)際上是兩個(gè)星系迎面相撞并彼此穿越而形成的。兩個(gè)星系團(tuán)以每小時(shí)近兩億千米的高速撞到一起，它們內(nèi)部包含的發(fā)光物質(zhì)由于相互間存在引力之外的相互作用力，在相互擠壓的過(guò)程中速度減慢了。但是兩星系團(tuán)中的暗物質(zhì)之間沒(méi)有這種作用力，它們并不減速，而是暢行無(wú)阻地直接穿過(guò)對(duì)方。結(jié)果暗物質(zhì)跑到了發(fā)光物質(zhì)的前面，于是每個(gè)星系團(tuán)就分成了兩部分：暗物質(zhì)在前，發(fā)光物質(zhì)在后。暗物質(zhì)與普通物質(zhì)分離后就易于捉摸了，天文學(xué)家們最終通過(guò)其他的物理效應(yīng)確認(rèn)了這兩團(tuán)暗物質(zhì)的存在，這是暗物質(zhì)在20世紀(jì)30年代提出以來(lái)第一次顯露正身。這一發(fā)現(xiàn)證實(shí)了暗物質(zhì)并不是占據(jù)星系團(tuán)中普通物質(zhì)主導(dǎo)的氣體成分，而且也說(shuō)明了暗物質(zhì)更像是一種只參與引力作用而不參與電磁過(guò)程的“無(wú)碰撞”粒子。所以，盡管還不知道暗物質(zhì)是什么，但“哈勃”和其他望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)使得我們?cè)诖蟪叨壬狭私饬怂男袨楹吞匦浴：阈堑暮廊A葬禮在20世紀(jì)建立并完善的恒星形成與演化理論，是天文學(xué)上最偉大的成就之一，但對(duì)今天的恒星天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，還有一些細(xì)節(jié)，諸如大質(zhì)量恒星的死亡、行星狀星云的形成等等，由于觀測(cè)條件的限制并未徹底弄清。又是“哈勃”再次為人們帶來(lái)了希望。和那些質(zhì)量較大的恒星不同，像太陽(yáng)這樣的恒星會(huì)以一種相對(duì)溫和的方式走向死亡：它們通過(guò)一種非爆炸的過(guò)程，將自己的外側(cè)氣體包層拋射出去，將熾熱的中央核心逐漸暴露出來(lái)，它發(fā)出的輻射會(huì)使周圍被拋射出去的氣體電離，發(fā)出鮮亮的綠色（由電離氧發(fā)射）和紅色（電離氫）光芒，形成所謂“行星狀星云”。行星狀星云的持續(xù)時(shí)間僅一萬(wàn)年左右，和恒星的壽命相比（太陽(yáng)約為100億年）可謂微不足道，因此從觀測(cè)的角度來(lái)看，它們的數(shù)量顯得非常稀少，今天已知的行星狀星云只有兩千個(gè)左右?！肮币钥涨暗木?，揭露出它們格外復(fù)雜的形狀。令人驚奇的是，盡管恒星本身是近似球形的，但是這些由恒星拋射物質(zhì)而成的行星狀星云卻沒(méi)有一例呈球形分布。理論學(xué)家認(rèn)為是一類非常準(zhǔn)直的“噴流”塑造了這些結(jié)構(gòu)，它們就是恒星自轉(zhuǎn)、磁場(chǎng)或伴星引力共同作用等復(fù)雜物理過(guò)程下產(chǎn)生的星風(fēng)。直到2003年11月，“哈勃”在正在步入死亡的長(zhǎng)蛇座V星中首次觀測(cè)到噴流，才終于證實(shí)了這一理論?！肮钡难芯勘榧傲水?dāng)今天文學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，除了上面提到的7個(gè)方面，還有太多不可不提的功績(jī)，例如1994年彗木相撞時(shí)，“哈勃”拍攝的一系列不可再現(xiàn)的珍貴照片，如今已成為全人類的寶貴文化遺產(chǎn)，今后所有關(guān)心宇宙碰撞的學(xué)者和公眾都會(huì)繼續(xù)從中收益；“哈勃”關(guān)于宇宙中的氣體的研究，幫助人們了解了重子物質(zhì)的組成和空間分布以及不同元素是如何通過(guò)恒星被拋射進(jìn)氣體云的，為了解像太陽(yáng)系這樣的行星系統(tǒng)中的元素來(lái)源提供了重要資料；“哈勃”還發(fā)現(xiàn)了兩顆冥王星的新衛(wèi)星、首次確認(rèn)鬩神星(Eris)的準(zhǔn)確大小(2385千米)略大于冥王星的2275千米，因而直接促進(jìn)了2006年8月的天文學(xué)家投票表決冥王星地位事件?！肮钡奈磥?lái)從近年來(lái)“哈勃”數(shù)據(jù)發(fā)表的論文數(shù)來(lái)看，