史上第一張宇宙極限照
宇宙到底有多大？宇宙的邊界在哪兒？這都是喜歡仰望星空的人，常常問自己或者問別人的好問題。
從古到今，從宗教哲學到觀測宇宙學，都給出了不同答案——
托勒密創立了地心說，告訴世人宇宙是一個嵌套27層的同心水晶球；
伽利略豎起天文望遠鏡，打碎了地心說，衝著望遠鏡笑道，這才是觀星利器；
赫歇爾架起更大號的遠紅外望遠鏡，確定了圓盤狀的銀河系，記下了5000個星雲；
哈勃叼著菸斗，瞄著胡克望遠鏡，測定了10萬光年的銀河系，看到90萬光年的河外星系，甚至發現了星系間彼此遠離的現象，並且順手開創了測量宇宙學，更準確更專業地度量宇宙的尺度。
而另一個「哈勃」繼承了他的遺願，在上世紀90年代中期，將最遙遠的宇宙星圖傳回地球，喚醒人類。這就是著名的「哈勃深空場」Hubble Deep Field。
這個哈勃深空場，既不是什麼力場，也不是什麼道場，其實就是一張照片，一張令人驚歎、細思恐極的星空照片。
之所以稱為「哈勃深空場」，首先是因為哈勃太空望遠鏡拍的，其次是對準宇宙深空拍的，再有就是照片裡的主角，並非繁星點點的普通星星，而是每一個光點都代表著一個星系。所以，用「深空圖」這種詞兒，已經遠遠不夠用了，必須創造一個新詞——「深空場」，看起來才能貼切些……於是，誕生了Hubble Deep Field——哈勃深空場，簡稱HDF。
▲這是哈勃深空場的一部分。密密麻麻的星星，每個星光就是一個星系！小小照片裡竟然捕捉到將近3000個星系，其中一些是最年輕也是最遙遠的星系，而最遙遠的星系竟然距我們100多億光年之外！
這是人類有史以來第一張最遙遠的可觀測宇宙極限！
與此同時，深刻問題喚醒了人類，我們再次追問自己：宇宙到底有多大？我們處在宇宙什麼位置？宇宙的本質是什麼？這些燒腦的深刻問題還是留給自己吧，我們還是倒回去，看看這張照片背後的奇妙故事。
大家知道，哈勃太空望遠鏡作為全世界最稀奇的天文觀測資源，天文學家們要想動用它，使用它的觀測時間，都得提前好長時間排隊，需要提交申請報告，詳細解釋想要觀測什麼，觀測目的是什麼，重要程度如何，等等。僧多粥少的情況下，可想而知，大多數申請都被拒了。
好在籌劃拍攝「哈勃深空場」項目的負責人，恰好是羅伯特·威廉姆斯Robert Williams，他還有一個特別身份——美國太空望遠鏡科學研究所所長。要知道這個所長有個特權：哈勃觀測時間裡有一小部分，被用作「所長的自由支配時間」。
於是，所長動用了特權，一連徵用十天。這讓很多正在排隊的天文學家和科研機構，背地裡嘀咕不已。更讓他們大跌眼鏡的是，提交觀測的區域，竟然是宇宙最黑暗最空曠的天區。於是，窺探黑暗世界，成了「哈勃深空場」這個計劃的綽號。坐等譏笑嘲諷的人，甚至準備向媒體爆料的人，都在等著看笑話。
結果就是，不僅讓這幫人都閉嘴了，甚至成為NASA最值得驕傲的照片之一，就連當時美國副總統戈爾愛上了這張照片，向NASA索要主題海報。
在此插一句：為什麼「哈勃深空場」計劃要選擇最黑的天區呢？
此時此刻，我腦子裡禁不住冒出詩人顧城的金句：黑夜給了我黑色的眼睛，我卻用它尋找光明。
其實，真實原因並不複雜。首先選擇黑區，是為了避開星光，因為亮星會使哈勃相機的電子探測器飽和，從而破壞想要拍攝的更遙遠更暗淡的天體圖像。而選擇包含已知星系和已經列入星表的星系團的天區，就是浪費拍攝資料，也沒什麼意義。其次，天文學家最希望目標天區，位於哈勃的可持續觀測範圍內，就是北天極或者南天極附近。所以，選擇12月份的北天極，正值極夜，白天同樣可以觀測。
接著說事兒。
▲上圖中像俄羅斯方塊的，就是哈勃對準的一小片天區，小到什麼程度呢？整個天區的一百萬分之二十四，這相當於滿月面積的百分之一（下圖）。出乎意料的小，是吧。
再看看都拍到了什麼？剛才說了，哈勃共計獨立曝光342張圖像，經過複雜處理後，拼成了這張不盡完整的「哈勃深空場」。
照片中展現的這片令人敬畏的天體和光點，幾乎所有都是星系（只有個別帶有衍射光芒的，才是我們銀河系裡的恆星），絕大多數比我們用肉眼看得見的最暗星體，還要暗淡40億倍！沒錯——「哈勃深空場」項目團隊HDF Team給出的數值，就是暗淡40億倍。要不怎麼說哈勃是太空巨眼呢！
更重要的是，在這些最暗淡的星體裡，經天文學家計算，距離我們最遙遠的星系竟然有100多億光年，要知道已知宇宙才有138億年。也就是說我們見到它們的樣子，其實是在宇宙大爆炸之後僅僅10億年的模樣。
越往遠方，越是過去！這就是宇宙探索的奇妙。
觀測越往遠方，越是接近宇宙的過去、星系的起源，也就越接近宇宙的原初、宇宙的邊界。也就意味著，我們越接近宇宙的本質，越清楚人類處在宇宙中的位置。
目前我們已知可觀測的宇宙半徑有465億光年，這也是2014年哈勃望遠鏡測定的數值，天文學家們都不相信這就是宇宙的最後邊界。
當年由埃德溫·哈勃本人開創的測量宇宙學，如今催促著天文學家們每天都在回望宇宙的過去，通過不斷改進觀測工具和技術，無休止地努力回望越來越遙遠的過去。正如哈勃在1936年曾寫下的：「最終我們會到達暗淡的邊界——我們望遠鏡的最遠極限。」
很快，一項比「哈勃深空場」看得更深更遠的「哈勃超深空場」登上天文史的舞臺，刷新瞭望遠鏡的最遠極限。
宇宙最遠極限照什麼樣？
剛才我們有幸目睹了人類有史以來第一張最遙遠的可觀測宇宙的極限照片——「哈勃深空場」，這是人類追尋宇宙起源的重大里程碑。儘管如此，但這不是終點，還有更多未知地帶需要探索。
1995年「哈勃深空場」僅僅鎖定的是，北斗星附近的一小塊天區（北天極），天文學家擔心，這或許並不能代表宇宙整體。於是，關注點轉向南天極。這就是著名的「哈勃南天深空場」Hubble Deep Field South。與此同時，1995年那次觀測就被改叫「哈勃北天深空場」Hubble Deep Field North。
在1998年9月、10月期間，哈勃專門拍攝了「哈勃南天深空場」，為期10天，觀測杜鵑座附近的一小塊天區，曝光130萬秒，拍攝995張照片，幾乎是3年前北天深空場拍攝量的3倍。
▲這就是「哈勃南天深空場」。
▲這是之前的「哈勃北天深空場」。
對比這兩次深空場星圖，到底有何不同？
這背後又隱藏著什麼重要信息？
在這兩次巡天觀測中，天文學家發現，遙遠的星系與銀河系附近可見的旋渦星系、橢圓星系明顯不一樣。這意味著什麼呢？一度佔據主流的「穩態宇宙理論」不攻自破，再也站不住腳了。
就在上世紀中期，多數天文學家相信非常遙遠的星系跟較近的星系本質都相同，因此宇宙並非起源所謂的一次大爆炸，而是存在於無限時空裡，也就是說不管在多大尺度範圍內，任意時間內，觀測宇宙幾乎都是差不多的。
但是，事實遠勝於理論，通過這兩次哈勃深空場的巡天照片卻發現星系的性質並不是這樣，旋渦星系、橢圓星系明顯不一樣。因此戲劇性地證明穩態宇宙理論的不可信。
更富戲劇化的是，這一鐵證恐怕讓一位天文學家最沒面子了（如果有的話），他就是已故天文學家弗雷德·霍伊爾，因為他在生前是一位穩態宇宙的堅定鼓吹者，就是他最早叫響的「宇宙大爆炸」Big Bang，不過是為了譏諷大爆炸理論。
故事還在繼續。
儘管哈勃兩次深空場大獲全勝，但是業界都心知肚明，哈勃還沒有捕捉到來自最早恆星和星系的光，一個比最遠還遠的星圖拍攝計劃開始啟動了。
不過這一次沒讓哈勃單打獨鬥，而是聯手其他大天文臺——斯皮策太空望遠鏡、錢德拉X射線天文臺、地面望遠鏡和歐洲空間局的赫歇爾天文臺、XMM-牛頓空間天文臺，聯合開展「大型天文臺宇宙起源深空場巡天」Great Observatories Origins Deep Survey，簡稱GOODS計劃。
結果誕生了「哈勃深空場」升級版——「哈勃超深場」Hubble Ultra Deep Field，簡稱HUDF。
2003年和2004年，哈勃在此期間歷時4個月的觀測，對準天爐座Fornax附近的一個微小天區，利用新安裝的哈勃第三代廣角相機WFC3和紅外相機IR camera，進行了800次曝光，實際觀測時間持續11多天，大約100萬秒，拍下幾萬個呈現不同顏色、形狀、尺寸的星系。
NASA一份觀測報告這樣描述：「這片區域中隨意分佈著古怪星系動物園。一些看起來像牙籤，還有一些就像手鐲上的連接扣。」
▲這就是2004年公佈的哈勃超深場。
大家知道，因為紅外線是無色不可見的，要想被我們肉眼看得見，就得在圖像處理時分配顏色，轉換成我們看得見的光。所以，圖中不同顏色的星光分別對應著紅外線的短、中、長、近紅外光波——藍光1.05微米；綠光1.25微米；紅光1.6微米。圖中最暗的天體是我們肉眼可見光的十億分之一。
重點在於，哈勃超深場（HUDF）包含130億年左右的星系，也就是宇宙大爆炸後4到8億年形成的星系，是否意味著這就是宇宙最早一批正在形成恆星的星系？天文學家們爭論不休。
但最終答案是否定的。因為2004年公佈的哈勃超深場缺少關鍵的一環，沒有覆蓋紫外線波段的星光圖像。於是，在之後的十年間，來自國際各大天文臺的GOODS計劃，收集大量相關數據，繼續升級設備，補拍紫外線波段，最終補上了這一環。
這就是2014年公佈的新一代「哈勃超深場」。跟2004年版相比，增加的深紫外光譜清晰可見，這些紫外線星光來自最大、最小和最亮的形成期的恆星。
▲2016年GOODS計劃公佈了目前已知最遙遠的星系是GN-z11，距離我們133.9億光年，被認為是誕生於134億年前，也就是大爆炸後的4億年。
問題來了，這就是宇宙第一代星系嗎？答案還是否定的。天文學家們估計，宇宙大爆炸不到4億年時，就有星系誕生了。只是暫時還無法被哈勃觀測到。
還有比最遠更遠的宇宙極限照？
沒有最遠只有更遠，新一輪捕捉最深遠的宇宙圖像即將到來，這就是比「哈勃超深場」最遠極限還遠的「哈勃極深場」！
所謂「哈勃極深場」，準確來說就是「哈勃超深場」的升級版。全稱Hubble extreme Deep Field，簡稱HXDF。
▲這張圖清楚顯示「哈勃極深場」所佔天區的大小，與滿月的對比。正是透過這一小小天區——天爐座附近，人類看到宇宙的最遠極限，超過130億光年的星光秘密。
▲這就是「哈勃極深場」。2012年9月25日由NASA首度公佈。
細心的朋友可能注意到了，「哈勃超深場」本身有兩個版本：2004年、2014年。而「哈勃極深場」作為「哈勃超深場」的升級版，是2012年發佈的，早於2014年版的「哈勃超深場」。那還有什麼價值？
其實是這樣的，儘管「哈勃極深場」是個升級版，是對「哈勃超深場」進行數據處理、深度優化、圖像處理的翻新照片。但這背後天文學家們整整用了十年。之所以如此重視這張照片，就因為裡面蘊含的信息量太大了。
首先，哈勃極深場（HXDF），包含大約5500個星系，其中最古老的被確定為132億年以前。也就是說，我們看到的其實是132億年前它發出的光。
所以，哈勃極深場就像是一個時間隧道，穿越到了遙遠的宇宙嬰兒期。人類已知宇宙年齡是138億年，而哈勃極深場卻揭示了星系至少跨越了132億年，最年輕的星系竟誕生於宇宙大爆炸後的4億年裡。
無疑，這是非常令人震驚的答案。這項研究意味著，哈勃和它的同伴天文臺已經把人類的視野拓展得更遠，已經覆蓋了宇宙演化歷程到96%。
▲這幅圖把哈勃極深場分離成三個平面背景，分別是不到50億年前的天體，50到90億年前的已經成熟的星系，超過90億年前的星系和天體，充斥著緊湊、原始的星系以及年輕的恆星。
其次，哈勃極深場HXDF捕捉到的最暗天體是我們肉眼可見光的一百億分之一，這要比2004發佈的哈勃超深場（十億分之一亮度）提升了一個數量級。這就意味著能看到的星系更多更遠。
▲圖中一些紅點天體，其實之前哈勃超深場圖裡沒有顯現的星系，這類星系是最古老的星系碰撞之後形成的樣子。
天文學家通過研究星系的性質如何隨著距離（回溯時間）而變化，得出了星系演化過程，階梯式併合，較大星系是較小星系碰撞、併合的結果。大而明亮的、比較容易辨別的星系大多是相對較近的天體（根據它們的紅移分析），小而黯淡且不規則的星系，則距離我們遙遠得多。
再有，通過研究哈勃極深場的諸多星系，天文學家得出星系併合的兩種類型：當兩個同樣大小的星系聚集在一起，結果可能是一個橢圓形的星系，因為它們原來的旋臂和星系盤在交會時容易破環。相反，如果一個大的旋渦星系吸收小的星系時，結果是形成一個增強型的旋渦星系。
總之，盯住甚至迷戀上哈勃極深場，就會得到宇宙的迴響。它既是一個時間隧道，又是一份宇宙秘籍。
這讓我突然想起，一個多世紀前，達爾文的兒子喬治·達爾文，作為一位天文學家和數學家曾寫過：「想象人類能發現宇宙的起源和發展趨勢，就像期待蒼蠅用行星理論來指導我們一樣，都是徒勞的。」
僅僅幾十年後，天文學家就完全推翻了他的斷言。讓他無法想象的是，一百年後的今天，透過直徑2.4米主鏡面的哈勃太空望遠鏡，我們已經穿越到宇宙133.5億年前的嬰兒期，看到宇宙的演化路徑，探索宇宙的最遠極限、觀測到宇宙膨脹速度……這就是哈勃，讓人類看到一個又一個最遠極限。這就是科學，不斷修正、迭代、開創人類的認知。
當然哈勃並不是探索宇宙的終極利器，未來發射上天的韋伯太空望遠鏡，必將帶給我們更多驚喜和奇觀。正如哈勃本人說的那樣：「最終我們會到達暗淡的邊界——我們望遠鏡的最遠極限。」
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