哈勃太空望远镜30年来的重要成果(一)

哈勃太空望远镜于1990年4月24日发射,到今天,已经整整服役了30个年头,在众多的航天器中服役时间超过30年的也并不多见。

自发射以来,哈勃望远镜已经进行了超过100万次的观测,积累了大量的观测数据,对观测天文学的各个领域产生了深远的影响。哈勃望远镜的观测已经解决了一些基本的宇宙学上的问题,它发现了星系是由更小的结构演化而来,发现了超大质量的黑洞在星系中心存在的普遍性,证实了宇宙的加速膨胀,拍摄到了星云内恒星的诞生,分析了太阳系外行星的大气层,支持了行星际的探测任务。可以说,哈勃望远镜的成就是目前任何望远镜都无法相比的。

哈勃太空望远镜30年来的重要成果(一)

轨道上的哈勃太空望远镜

作为世界上第一台大型空间天文望远镜,哈勃开创了天文观测的新纪元,哈勃的主镜直径为94.5英寸(2.4米),由于在近地轨道上运行,不会受到大气层的干扰,因此是地面天文望远镜分辨效果的10~20倍,观测的极限星等可达到31等,这个数量级比人类肉眼可见到的最暗天体还要暗100亿倍。因此,天文学家可以利用哈勃望远镜探测到宇宙诞生不久后的发光天体。

由于位于大气层外侧,这就意味着可一直保持良好的观测条件,可以长时间和反复的对一个目标进行观测,这种观测条件对于探测天体的光谱、运动和其他微小变化的精确观测是至关重要的。

由于早期的一个失误以及针对观测需要进行的维护升级,从1993年至2009年中,哈勃望远镜先后进行过5次的太空维护,因此今天哈勃望远镜的性能已经比最初发射时更为先进了。按照目前的情况,哈勃望远镜在未来若干年中,仍然还会为我们带来更多的观测数据。

哈勃太空望远镜30年来的重要成果(一)

2009年,宇航员约翰•格伦斯菲尔德和安德鲁•费斯特尔在哈勃望远镜上更换了一个精密的导航传感器

银河系与仙女座星系的合并运动

在100年前,大多数的天文学家还认为我们观测到的所有天体都属于银河系,包括那些我们今天知道的河外星系。虽然也有少数人怀疑那些模糊的光斑的距离可能远远超出了我们的银河系,但是直到1923年,用威尔逊天文台的望远镜测量了仙女座星系的距离后,才证实了那些光斑实际上是与我们银河系一样的星系。

哈勃太空望远镜30年来的重要成果(一)

仙女座星系局部,超过7000次曝光后的效果,可以分辨出超过1亿颗恒星

我们今天已经知道仙女座星系是距离银河系最近的大星系,实际上仙女座星系是本星系群最大的星系,第二大的是我们所在的银河系,再小一些的是三角座星系。这三个星系连同附近的50余个矮星系组成了本星系群,这是宇宙中比星系更大一层的结构。

哈勃望远镜的观测表明,银河系和仙女座星系是伴随着矮星系的合并而增长的,而且目前依然通过吸收附近较小的矮星系而继续变大。根据哈勃提供的数据计算显示,银河系和仙女座星系正处于相互碰撞的过程中,在未来30~40亿年后开始,这两个星系将发生碰撞,这一过程将持续20亿年,然后银河系与仙女座星系将合并成一个更大的椭圆星系。

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NGC4302与NGC4298,这两个旋涡星系与银河系和仙女座星系相似

银河系附近的神秘气体云

在20世纪60年代,一个天文系学生盖尔·史密斯发现了在银河系附近的一团彗星状的气体云,后来被命名为史密斯云。这团气体云长11000光年,宽有2500光年,以70万英里的时速向银河系坠落。天文学家们不知道它从哪里来,有人怀疑可能是一个无星的星系或者是从星系际空间落入银河系的气体,但是经过哈勃望远镜的观测后,发现并非之前所假设的可能。

哈勃望远镜观测了其他星系穿越史密斯云的光线,发现这个星云中硫的含量与银河系银盘外侧的含量是一样的。但是有一个问题,这种硫含量的比例是需要前几代恒星的演化而提供的,而这些恒星不可能存在于我们星系外层的原始氢云中,也不会存在于缺乏恒星的无星系残骸中。

因此,最可能的解释是,这团气体就来自银河系自身,是大约7000万年前从银河系中喷射出去的,而现在受银河系的引力返回。天文学家预计,大约在3000万年后,这团气体将冲入银盘,届时很可能会点燃一次壮观的恒星形成爆发,有可能会因此而形成数百万颗新的恒星。

哈勃望远镜的这个发现将有助于我们了解星系是如何循环利用物质并持续演化的。

哈勃太空望远镜30年来的重要成果(一)

照片展示了史密斯云的轨迹

对银河系中古老恒星的观测

在对银河中心进行的一次"宇宙考古观测"中,天文学家利用哈勃望远镜发现了一群古老的白矮星,这些白矮星正在吞噬曾经位于银心区域其他恒星的残骸。在银心区域,存在着银河系中最古老的恒星,对这里的观测可以为我们提供研究银河系早期的形成及演化的信息。

目前根据哈勃望远镜的观测数据,银河系中心的凸起区域在周围银盘形成之前就已经形成了,这里的恒星大约在20亿甚至更短的时间内就已经形成。而围绕这银心凸起以外的银盘部分,其中的天体以第二代和第三代恒星为主。同时哈勃还发现,中心区域恒星的质量普遍较低,这说明这里恒星的诞生环境与银盘中是不一样的。

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右上角标出了银心区域最亮的4颗白矮星

追踪星系际云的起源

在银河系旁边,有两个矮星系正受到银河系引力的吸引而向银河系靠拢,这两个矮星系就是大小麦哲伦星系(LMC和SMC)。在过去的十几亿年中,一个巨大的气体云将这两个星系与银河系连接起来,其跨度长达银河系的一半。这片气体云为银河系提供了新的物质,也为新恒星的诞生提供了有利条件。

天文学家将这个结构称为"前臂",因为它位于麦哲伦云运动方向的前方,但是到目前我们还不清楚这两个矮星系中的哪一个负责将这种气体从另一个星系中拉出来,以及气体究竟来自哪个星系。

天文学家们利用哈勃望远镜来研究前臂的物质成分,以确定其究竟来自哪个星系。他们分析了透过前臂的7个类星体的光线,利用哈勃的宇宙起源光谱仪测量了前臂气体中不同元素的吸收。通过这些测量,再结合绿岸射电望远镜的观测数据,最终确定了前臂中的气体是来自小麦哲伦星系。

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照片显示了右上角的前臂和下面的大小麦哲伦星系,以及下方麦哲伦气体流的位置

测量仙女座星系中的星团

通过哈勃望远镜对仙女座星系的详细观测,天文学家们有了一个惊人的发现:仙女座星系的星团中大质量恒星和小质量恒星的比例与我们银河系是一致的,这说明宇宙创始过程中恒星的形成是遵循一定的规律的。在此之前,天文学家们没有料到两个星系中恒星质量的比例是如此相近,因为恒星的形成是一个复杂的物理过程。而这一发现有助于未来更准确的了解恒星在整个宇宙中的形成过程。

全波段哈勃-仙女座星系宝库计划(PHAT)拍摄了仙女座星系中1.17亿颗恒星和2753个年轻蓝色星团的近8000张照片,天文学家们招募了3万名志愿者,他们从这8000张照片中筛选出年龄在400万到2400万之间的星团。根据结果分析发现,星团中大质量的恒星比之前预测的少了25%,这意味着低估了大质量恒星附近形成的小质量恒星的数量,进而低估了遥远星团和星系的质量。研究结果还表明,早期的宇宙中没有那么多的重元素来形成行星,因为产生这些重元素的大质量恒星数量减少了。

哈勃太空望远镜30年来的重要成果(一)

上部的全景图显示了仙女座星系61000光年的区域,下方则是具体的6个星团的位置和照片

对仙女座星系周围巨大光晕的测量

天文学家分析了哈勃望远镜5年来对仙女座星系的观测资料,发现其星系周围的气体晕大约是以前所观测到的6倍大,而质量相当于以前数据的1000倍。这个几乎看不见的气体光晕从仙女座星系一直延伸到与银河系距离的一半左右,大约有100万光年。这个光晕的总质量大约是银河系所有恒星质量的一半,如果肉眼可见的话,这个光晕的直径将达到满月直径的100倍左右。

不过,这个光晕中的气体是黑暗的,天文学家只能利用哈勃来观测遥远的类星体,当这些类星体的光通过仙女座星系的光晕时会受到影响,通过测量在特定波长下类星体光变的程度,就可以确定光晕气体的一些性质。除了确定了光晕的大小和质量外,还可以确定出光晕富含的元素比氢和氦重的多,而这些重元素只能是恒星爆炸后的产物。

通过这些发现,提供了关于巨型螺旋状星系的演化和结构上的更多的数据。

哈勃太空望远镜30年来的重要成果(一)

该图说明了仙女座星系周围光晕的大小,以及类星体发出的光穿过光晕和为穿过光晕的不同效果


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