7491次曝光,6400000秒,哈勃用16年拍出遙遠宇宙的“歷史書”

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如果你第一眼看到這張照片,肯定會以為是哪個三流攝影師拍下的星空,還不如自己用手機拍下的銀河。

但是如果你將這張圖片放大, 你會發現一個全新的世界,那一個個小點居然是璀璨的星系,

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這張照片就是著名的“哈勃遺產場”,也被稱為遙遠宇宙的歷史書,這張圖像高達20791X19201像素,高達672MB。

哈勃望遠鏡從2002年開始,在16年的時間裡在太空中長期穩定地長焦鏡頭觀測同一個目標,經過7491次曝光,總曝光時間長達640萬秒,相當於整整74天的時間,然後由31個天文學家團隊,耗費了250天的時間,將獲得的圖像拼合起來,形成了這張耗費無數金錢精力,來之不易的極早期宇宙圖片——哈勃遺產場,在這張照片中,我們可追溯到133億年前至今的26.5萬個星系,正因為哈勃拍到的圖像中的一些星系可以追溯到大爆炸後的5億年(距今133億年)。所以,看哈勃拍攝的照片就好像在看一本宇宙歷史書一樣。


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這張照片的難度極高,為了獲取更豐富的星空信息,哈勃望遠鏡會使用不同濾鏡多次拍攝同一場景的黑白照片,那麼我們為什麼看到的圖片是彩色的呢?這和後期處理有關,同時也涉及到恆星光譜。

在恆星的光譜中,根據其波長由長至短的排列,恆星的電磁輻射可分為射電、紅外、可見光、紫外、X射線以及γ射線等波段,而這些波段中,可見光卻又可以再分為七色光。


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不同的原子所擁有的能級,電離能以及結構不同,因而每種不同的原子均有不同特徵的光譜線。

哈勃望遠鏡拍攝的原始數據都是黑白的,即只能感應光的強度。在天文攝影中,每顆星星的譜線數目、分佈、強度等情況均不一樣。因此,深空攝影都會根據所需拍攝天體輻射光譜的特性,選擇若干濾色鏡分別拍攝不同波段的照片,再把它們疊加成一張。為了區分各個波段,也為了便於觀賞,一般會把各個波段都對應一種顏色,一起合起來,從而成為了彩色照片(宇宙比哈勃拍出來的更絢麗多彩,但是人眼只能接收“可見光”,而且,在夜晚,對色彩敏感的視錐細胞發揮不了作用,只能由對光線敏感的視杆細胞來觀察)。


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這幅“哈勃遺產場”無論是拍攝難度還是後期難度都非常高,“哈勃遺產場”這幅圖像的波長範圍從紫外光延伸到近紅外光,圖片中最黯淡的星系亮度只有人眼所能見亮度的百億分之一,7500張照片取自不同時間不同項目,是用不同的濾光片拍到的不同角度的原始相片。拼接照片,簡而言之,就是要確定不同相片相互疊加的區域,將它們對準以後疊加起來。說起來容易做起來難,因為遙遠的星系非常暗淡,在一張原始的相片上可能根本無法看到的星系在多次疊加之後,可能也只是幾個像素大小的暗淡小點。。

雖然其覆蓋的天區面積(對地心所張的立體角)和滿月相當,佔全天面積大約百萬分之六,估計觀測到的星系也就佔了可觀測宇宙的百萬分之一左右。但是我們卻可以在這張照片中窺探宇宙的過去、現在以及未來。

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之所以被命名為“遺產”,是因為這可能是哈勃望遠鏡退役之前的最後一幅作品,從1990年在在美國肯尼迪航天中心由“發現者”號航天飛機成功發射,哈勃望遠鏡至今已經服役了30年。

由於它位於地球大氣層之上,因此獲得了地基望遠鏡所沒有的好處:影像不受大氣湍流的擾動、視相度絕佳,且無大氣散射造成的背景光,還能觀測會被臭氧層吸收的紫外線。於1990年發射之後,已經成為天文史上最重要的儀器。它成功彌補了地面觀測的不足,幫助天文學家解決了許多天文學上的基本問題,使得人類對天文物理有更多的認識。此外,哈勃的超深空視場則是天文學家目前能獲得的最深入、也是最敏銳的太空光學影像。


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哈勃望遠鏡曾歷經5次的大規模修繕,但是隨著航天飛機的退役,已經不可能再對哈勃天文望遠鏡進行維修,這也是哈勃望遠鏡即將退役的原因之一。

哈勃遺產場的意義非常大,可以用來計算出描述宇宙膨脹速度的哈勃參數,1929年,哈勃利用特徵譜線的特性,發現宇宙中的星系的電磁輻射波長增加了,就是光譜的譜線向紅端移動了,它意味著星系正在朝我們遠去,這就是星系紅移現象。

哈勃還發現星系的紅移量與該星系的距離成正比的關係,也就是說,越遠的星系正在以越快的速度飛馳而去,這被稱為哈勃定律,哈勃得出了結論:宇宙在均勻地膨脹。


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天文學家哈勃發現了宇宙在膨脹之後,科學家一直認為宇宙是處於減速膨脹的狀態,但是美國加州大學伯克利分校天體物理學家薩爾·波爾馬特、澳大利亞物理學家布萊恩·施密特以及美國科學家亞當·里斯組總共觀測了約50顆遙遠的“Ia型超新星”,表明當前的宇宙存在加速膨脹。


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科學家通過給Ia型超新星定位,並測量它們如何運動;他們發現Ia型超新星的亮度比預期的要暗,也就是說它們正在快速遠離地球,這速度比我們預期的要快。


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利用“哈勃遺產場”中可以用作“標準燭光”的Ia型超新星。這些超新星對於我們瞭解宇宙是怎樣從減速膨脹變為加速膨脹有重要的作用。

科學家普遍認可宇宙受神秘“暗能量”驅動,處於加速膨脹狀態,薩爾·波爾馬特等三人認為是“暗能量”的原因導致了宇宙正在膨脹加速,而2011年諾貝爾獎授予它們三人,也意味著學術界對“暗能量”的認可。


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學者們認為暗能量的密度可能是一種宇宙常量,而真空則提供了宇宙膨脹的動力,我們可以利用“哈勃遺產場”,更好地研究宇宙膨脹的歷史,以及研究暗物質和暗能量之間的聯繫。

除此之外,還可以通過“哈勃遺產產”研究宇宙膨脹的歷史,進而推斷暗物質密度。也可以利用哈勃觀測到的星系數量,推測暗物質暈的質量函數,進而計算出暗物質的密度範圍。


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可以說,哈勃望遠鏡升空的30年,它捕捉到的宇宙圖像不斷改變人類對於宇宙的認知,截至2009年,自美國“哈勃”太空望遠鏡1990年發射升空以來,共有20多個國家的2000多名科學家利用這隻“太空眼”進行了11萬多次天文觀測,並在分析觀測數據的基礎上撰寫1346篇論文。

4月24日即將到來,也讓我們祝哈勃望遠鏡30週歲快樂。


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