Chapter 1 通過哈勃空間望遠鏡看太空

眼睛讓我們看到周遭的世界，并了解宇宙的大部分內(nèi)容。望遠鏡的發(fā)明則延伸了我們視線可及的宇宙空間。然而，即使是最強大的望遠鏡，地球的大氣層湍流也會使被觀測天體的圖像變得扭曲和模糊。雖然望遠鏡可以放大被拍攝的天體，但是光波會在地球的大氣層中彌散和彎曲。哈勃空間望遠鏡的軌道在地球大氣層之上，因此其拍攝的圖像遠比地面上的望遠鏡拍攝的清晰。

哈勃眼中的月球

這兩張高分辨率紫外線和可見光圖像（下圖）展現(xiàn)的是阿波羅17號在1972年登陸的金牛—利特羅峽谷。圖像中紅色的X標記的是阿波羅17號的著陸點。右上角是留下來的登月艙下降級部分，大小如同一輛小卡車，但是哈勃空間望遠鏡仍然無法觀測到。哈勃空間望遠鏡在這樣的距離能看到的最小物體約為60～75碼（約為55～68米。——譯者注）。

金牛—利特羅峽谷

圖片來源：NASA/ESA /HST Moon Team

哈勃空間望遠鏡可以看到人眼所無法看到的東西。阿利斯塔克環(huán)形山的彩色合成圖像（下圖）使用了紫外線到可見光信息來強調(diào)月球表面物質(zhì)的差異，這有助于表明月球表面可能含有鈦鐵礦、火山玻璃和其他物質(zhì)。這對于未來的月球探測任務(wù)中的物質(zhì)鑒定來說是有用的。

圖片來源：NASA/ESA/HST Moon Team

哈勃能觀測到的波段有哪些？

美國國家航空航天局完成了哈勃空間望遠鏡的維護任務(wù)后，哈勃空間望遠鏡可以通過6種儀器觀測宇宙：

濾鏡用來記錄和微調(diào)特定范圍的光波。

先進巡天相機觀測的波段包括：紫外輻射、可見光、近紅外。

宇宙起源攝譜儀（Cosmic Origins Spectrograph, COS）將紫外輻射分解成更小的部分供科學(xué)家們研究星系演化，例如恒星是如何形成的。

精細導(dǎo)星傳感器幫助哈勃空間望遠鏡對準和鎖定導(dǎo)星，并測量它們的相對亮度以確定望遠鏡目前正在拍攝的方向，它幫助哈勃空間望遠鏡對準在正確的方向上。而且這些傳感器本身也可以進行精確的測量。

近紅外相機和多目標攝譜儀（Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer，NICMOS）對紅外線敏感，可以透過深空中的氣體和塵埃觀測到被遮擋住的目標。

空間望遠鏡成像光譜儀（Space Telescope Imaging Spectrograph，STIS）的目的是將光線分成如下幾種成分：可見光、紫外線、紅外線。不幸的是，該儀器目前已經(jīng)不再工作了。然而，第三代大視場相機（Wide Field Camera 3，WFC3）可以用來觀測近紅外、遠紅外和紫外線，所以它可以替代大部分NICMOS和STIS的功能。

先進巡天相機(ACS）

宇宙起源攝譜儀(COS）

精細導(dǎo)星傳感器(FGS）

近紅外相機和多目標光譜儀(NICMOS，2008年后設(shè)備休眠）

空間望遠鏡成像攝譜儀(STIS，已停止工作）

第三代大視場照相機(WFC3）

恒星的亮度

古希臘人曾記錄下了星星的亮度，他們使用更高的星等來表示更暗的星——從1等星到6等星。1610年，伽利略將他的望遠鏡指向夜空，發(fā)現(xiàn)了從前沒有見過的、比6等更暗的星，因此增加了7等星。隨著望遠鏡的功能日益強大，天文學(xué)家們所能觀測到的星等也不斷提高。如今，哈勃空間望遠鏡所能觀測到的目標最暗可達31等。同樣，我們也可以記錄那些比1等星更亮的目標，方法是使用0等甚至負數(shù)來記錄這些目標的亮度。比如太陽（下圖，由太陽動力學(xué)天文臺SDO拍攝），星等為-26.7等。

太陽動力學(xué)天文臺拍攝的太陽

圖片來源：NASA/SDO

星等的類型

星等可以分為多種類型。視星等指的是一個目標從地球的夜空看過去的亮度。絕對星等是將一個目標放置在距地球指定距離時所測量的亮度。絕對熱星等是指一個目標所有波段的光度，而不僅僅是可見光波段。哈勃空間望遠鏡拍攝的許多圖像都是由可見光、紅外線以及其他波段的圖像合成的。

IC342星系（下圖）是非常亮的天體，以至于我們在地球上使用雙筒望遠鏡就能觀測到它。圖中的亮藍色區(qū)域是較熱的恒星形成區(qū)。

星系IC342

圖片來源： ESA/Hubble & NASA

明與暗

哈勃空間望遠鏡所拍攝的圖像通常包含許多類型的目標，而這些目標又有不同的光度、細節(jié)和亮度。最終的圖像是由多臺儀器所記錄的不同波長的數(shù)據(jù)組合而成。因此，需要明與暗的平衡來顯示圖像中正在發(fā)生的事情。

例如在這張哈勃望遠鏡拍攝的圖像中（下圖），圖像的中上部有一顆年輕的恒星，編號為SSTC2D J033038.2+303212，周圍伴隨著一些形狀像盤狀或者碟狀的物質(zhì)。恒星的下方是一個反射星云——[B77]63。在星云中包含了兩顆恒星，即LkHA326和LZK18，它們的光照亮了星云中的氣體。在星云[B77]63的前方是一個暗星云，稱作土橋 4173（因該星表作者為日本天文學(xué)家土橋一仁。——譯者注）。它之所以被稱為暗星云，是因為其中的物質(zhì)遮蔽了后方的光線。在這一區(qū)域的恒星實際上是在星云的前方，而不是星云的一部分。

這張圖像中包含了恒星、星云以及一些形狀像盤狀或碟狀的物質(zhì)

圖片來源：ESA/Hubble & NASA

太空的顏色

哈勃拍攝的圖像通常開始于一個目標不同波段的三張黑白圖像。當它們被合成時，每個波段將會被賦予一種顏色。這種復(fù)合圖像傳達了科學(xué)家對這些研究對象的理解。

哈勃拍攝的圖像通常和許多其他儀器拍攝的圖像合成在一起，因為其他儀器可以記錄下目標的其他特性。這張蟹狀星云的圖像使用了來自其他四種不同儀器的數(shù)據(jù)，并結(jié)合了哈勃空間望遠鏡拍攝的可見光波段。

蟹狀星云合成圖像

圖片來源： NASA, ESA, G. Dubner （IAFE, CONICET University of Buenos Aires） et al.; A. Loll et al.; T.Temim et al.; F. Seward et al.; VLA/NRAO/AUI/NSF;Chandra/CXC; Spitzer/JPL- Caltech; XMM-Newton/ESA; and Hubble/STScI

哈勃空間望遠鏡：

可見光波段，圖中用綠色表示

甚大陣射電望遠鏡（Very Large Array）：

射電波段，圖中用紅色表示

斯皮策空間望遠鏡（Spitzer Space Telescope）：

紅外線，圖中用黃色表示

XMM-牛頓衛(wèi)星：

紫外線波段，圖中用藍色表示

錢德拉X射線天文臺（Chandra X-ray Observatory）：

X射線波段，圖中用紫色表示

放眼遠方

谷神星位于火星與木星軌道之間。

圖片來源： NASA, ESA, J. Parker （Southwest Research Institute）, Thomas （Cornell University）, L. McFadden （University of Maryland, College Park）, and M. Mutchler and Z. Levay （STScI）

冥王星的衛(wèi)星卡戎（冥衛(wèi)一，Charon）距離冥王星0.000624光年，位于太陽系內(nèi)。

圖片來源：NASA, ESA, H. Weaver （JHUAPL）, A. Stern （SwRI）, and the HST Pluto Companion Search Team

林尼爾彗星/252P 是一顆近地天體，發(fā)現(xiàn)于2010年。它運行在一個橢圓軌道上，有時會非常接近太陽。

圖片來源： NASA, ESA, and J.-Y. Li （Planetary Science Institute）

星系NGC2768是一個橢圓星系，距離地球6500萬光年。它的中心是一個特大質(zhì)量黑洞。

圖片來源： NASA/ESA/Hubble

當一個目標距離我們越遠，它看起來就越暗淡。無論是我們的肉眼，還是地面上的望遠鏡，甚至是哈勃空間望遠鏡乃至星系引力透鏡，都無法看到宇宙中最遙遠的目標。對于那些太陽系中離我們較近的目標，使用哈勃空間望遠鏡的觀測效果與地面上的望遠鏡相比并沒有清晰很多。這是事實，因為這些目標本身并不發(fā)光，只是反射太陽光。太陽系中離我們更遠的目標的表面細節(jié)比更近的目標要少，例如我們所觀測到的冥王星表面的細節(jié)就比土星的衛(wèi)星要少。

同樣的道理也適用于拍攝更遙遠的目標，例如恒星、星系還有星系團，即使它們自己會發(fā)光。隨著觀測的儀器和技術(shù)變得更加精細，我們的數(shù)據(jù)收集變得更有成效，我們可以看得更遠。那些宇宙中遙遠天體的圖像大大加深了我們對它們以及對離我們更近的世界的理解。

天文距離單位一光年等于光在真空中一年時間內(nèi)傳播的距離，知道這一點是很有用的。冥王星和它的衛(wèi)星卡戎（Charon，上圖中靠近左側(cè)中間位置）或許看起來很像恒星，但是它們屬于太陽系，距離我們的距離僅僅是一光年的很小一部分。另一方面，星系NGC2768的圖像看起來比冥王星和卡戎更小，但是它離地球約6500萬光年，而且它可能包含了超過一百萬顆恒星。

真彩色與假彩色

搭載在哈勃空間望遠鏡上的儀器對特定范圍的電磁波非常敏感。每一張圖像都是從一張單色圖像開始的。當這張圖開始與其他儀器獲取的數(shù)據(jù)進行合成時，它的顏色開始看起來更真實。有時候這些圖像反映的是真實的色彩。但是，一些哈勃圖像的色彩通常是與其他儀器獲得的數(shù)據(jù)結(jié)合的結(jié)果，而且是我們?nèi)搜蹮o法看到的，如紅外線和紫外線數(shù)據(jù)。特定波段的電磁波被賦予不同的顏色，由此得到了假彩色圖像，使得我們可以看到那些本來看不到的東西。這讓那些存在但是并不可見的東西變得有模有樣。

像素與分辨率

許多觀測對象被拍攝的圖像只是它本身的極小一部分。當縮放到更近的視角時，分辨率會下降，圖像也變得像素化。哈勃的硬件和軟件經(jīng)過多次升級，提升了圖像的質(zhì)量。所以，當查看一個低分辨率圖像時，例如本頁及前頁的圖像，我們應(yīng)該能猜到這些是哈勃進行升級之前拍的圖像，或者是非常遙遠的目標被放大過很多倍后得到的圖像。這些像素化的圖像告訴我們關(guān)于觀測目標的事實，這些圖像盡管不如那些高分辨率圖像美麗，但一樣具有開創(chuàng)性的科學(xué)價值。