哈勃望遠鏡5大發現:宇宙年齡到系外行星

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據國外媒體報道，哈勃太空望遠鏡是有史以來制造的最為強大同時也最為多產的科學儀器之一。此外，這架望遠鏡同樣也是現代科學研究史上的一項技術奇跡。自從1990年4月24日升空的20年來，哈勃望遠鏡所拍攝的具有突破性的照片更是一次又一次讓天文學家和普通公眾陷入興奮和震驚之中。

　　“哈勃”的觀測發現讓從行星學到宇宙學的幾乎所有天文學研究領域經歷一場革命。迄今為止，這架望遠鏡共拍攝了3萬多幅天體照片以及超過57萬幅其他照片。很多宇航員都曾執行過“哈勃”維修任務。一次又一次的維修讓“哈勃”成為歷史上制造的服役時間最長的太空觀測設備。借助于例行維護和升級，“哈勃”的功率比最初發射時提高了100倍。除了在科學研究方面發揮著非常重要的作用外，“哈勃”也同樣將一個又一個宇宙奇觀奉獻給全世界億萬家庭和學校，讓普通公眾有機會與這架令人欽佩的望遠鏡一同探索神秘的宇宙。
　以下列舉的是“哈勃”上演的五大科學發現

　　1.一個處于加速狀態的宇宙

　　已知三顆距離地球最遙遠的超新星

　　通過觀測遙遠爆炸恒星發出的光線，“哈勃”幫助天文學家發現了暗能量。這種能量充斥著宇宙各個角落。暗能量是一種神秘的能量形態，能夠產生與引力相反的排斥力。此外，這架望遠鏡還發現了能夠證明暗能量數十億年來一直與引力“拔河”的證據。在暗能量的影響下，星係之間以不斷提高的速度彼此遠離對方，進而讓宇宙不斷膨脹並且速度越來越快。

　　但暗能量並不總是坐在駕駛員的位置上。通過研究遙遠的超新星，“哈勃”將暗能量的歷史追溯到90億年前，當時的宇宙體積還不及現在的一半。那段日子裏，暗能量與引力為爭奪宇宙控制權展開較量。在還沒有贏得這場宇宙“拔河戰”的勝利前，暗能量便奮力抵抗宇宙物質的引力拖拽。大約50億年前，暗能量最終在這場與引力的較量中獲勝。

　　通過進一步了解暗能量隨時間流逝表現出的行為，天文學家希望能夠在揭示暗能量本質的道路上再向前邁進一步。暗能量在宇宙能量中的比重佔到70%左右，但對于這種神秘能量，天文學家幾乎一所所知。

2.宇宙多大了？

　　測量不斷膨脹的宇宙

　　一些人不願透露自己的年齡，宇宙似乎也是如此。在哈勃望遠鏡發射升空前，天文學家為測定宇宙年齡已經苦苦努力了很多年。他們用確定宇宙膨脹率的方式測定宇宙年齡。膨脹率這個值被稱之為“哈勃常數”。由于哈勃常數具有很高的不確定性，天文學家最後計算出的宇宙年齡並不精確，在100億年至200億年之間。

　　“哈勃”的其中一項重任就是幫助天文學家測定宇宙的準確年齡。通過計算數十顆被稱之為“造父變星”的脈動變星亮度，這架望遠鏡幫助天文學家完成了測定宇宙年齡的目標。脈動變星的亮度是太陽的1000倍。在得出它們的亮度之後，天文學家又計算出這些恒星與地球之間的距離。通過這種研究以及其他相關分析，天文學家確定了更為精確的哈勃常數以及宇宙年齡，精確度達到5%左右。根據他們的計算，宇宙年齡應該在137.5億年左右。
3.星係處于不斷成長狀態

　　“哈勃”望遠鏡打破距離限制，觀測130億年前形成的星係狀況，那時距宇宙大爆炸僅僅過去6億至8億年

　　“哈勃”的外層空間觀測顯示宇宙在很久以前就已經發生變化，這一發現證明，星係隨著時間流逝會通過與其他星係合並的方式“生長”，最終成長為我們現在看到的巨大星係。借助于包括“哈勃深場”和“哈勃超深場”在內的一係列獨特觀測設備，“哈勃”望遠鏡對處于宇宙遙遠區域的星係進行了拍攝。最近，“哈勃”又將鏡頭對準最為遙遠的宇宙區域。在此期間，新安裝的第三代廣域照相機拍到可見光和近紅外條件下宇宙最深處的照片並發現了存在于宇宙年輕時期的星係，當時的宇宙只有6億歲。

　　“哈勃”進行的所有“深場”觀測都讓天文學家進一步了解星係進化。“哈勃”觀測到的星係體積比當前的大螺旋星係以及橢圓星係小，同時形狀也更為不規則，說明大星係是在漫長的歲月變遷中由體積更小的星係碰撞合並後形成。

　　通過研究不同時代的星係，天文學家可以了解星係如何隨時間變化。這個過程就好比是一個大相冊，裏面記錄著一個人從孩童到成年的各個成長階段。“哈勃”太空望遠鏡還對星係稠密的中心區域進行了探測，提供了幾乎所有超大星係中心地帶都含有超大質量黑洞的決定性證據。

　　超大質量黑洞是微縮版本的“怪物”，質量是太陽質量的數百萬乃至數十億倍。它們的引力如此巨大，以致能吞噬所有靠近的物質。這些詭異的“吃東西機器”無法直接觀測，因為沒有任何物質甚至是光線逃離它們的魔爪。“哈勃”望遠鏡提供了超大質量黑洞存在的間接但卻強有力的證據。

　　它還幫助天文學家通過測量黑洞周圍快速運轉的物質速度，確定數個黑洞的質量。“哈勃”望遠鏡對三十多個星係的研究表明，星係和黑洞之間存在著密切聯係。研究發現，黑洞質量大小取決于其寄主星係核球的質量。核球越大，黑洞的質量也越大。這種親密關係意味著，黑洞可能隨其寄主星係演變，以隱藏于那些星係核心內的氣體和恒星“為食”。
4.探尋係外行星蹤跡

　　“哈勃”望遠鏡在一顆木星大小的係外行星的大氣中首次探測到有機分子。此處的藝術想象圖展現了這顆行星。

　　“哈勃”太空望遠鏡1990年發射之時，天文學家尚未在太陽係以外發現一顆行星。如今，已有400多顆係外行星被發現，其中大多數是地面望遠鏡的成果。不過，“哈勃”望遠鏡卻對係外行星搜尋工作做出了獨特的貢獻。這臺功勳望遠鏡的研究表明，銀河係可能擁有數十億顆行星。

　　通過深入觀測銀河係擁擠的核球，“哈勃”發現了18萬顆恒星以及16個繞各類恒星軌道運轉的潛在外星球。其中五個代表新的極端類型的行星——“超短周期行星”，這些行星繞其恒星公轉的時間不到一個地球日。天文學家通過測量一顆行星從其恒星前經過時光線的輕微變化發現這些天體。這類事件被稱為穿越。

　　這種穿越方法再次被用以對至少兩顆係外行星的大氣構成做出第一次觀測。“哈勃”望遠鏡的觀測結果表明，一顆已知係外行星的大氣中含有鈉、氧、氫、碳等化學元素。對另一個外星球的類似研究還發現了二氧化碳、甲烷和水的潛在跡象。這兩個係外行星都有木星大小，由于表面溫度太高不適于生命存在。然而，“哈勃” 望遠鏡的觀測表明，可以在繞其他恒星運轉的行星上測量生命的基本化學構成。

　　最終，“哈勃”望遠鏡拍攝了一顆繞附近明亮恒星Fomalhaut運轉的係外行星的首張可見光照片。Fomalhaut恒星位于25光年遠的南魚座。一個直徑約為215億英裏(約合346億公裏)的巨大盤狀碎片圍繞著這個天體。而那顆行星位于盤面內部邊緣18億英裏(約合29億公裏)處，這大概是土星與太陽之間距離的10倍
5.揭開暗物質神秘面紗

　　天文學家利用“哈勃”望遠鏡的數據制作出第一個暗物質三維圖。暗物質是一種肉眼看不見的物質，佔了宇宙總質量的大部分，構成了宇宙的基本結構。暗物質的引力作用于像氣體和塵埃這樣的正常物質，使它們聚集形成恒星和星係。雖然天文學家看不到暗物質，不過，通過觀測暗物質引力令更遙遠背景星係光線彎曲和變形，他們可以探測暗物質的存在對星係團的影響，這種現象被稱為引力透鏡(gravitational lensing)。

　　天文學家利用“哈勃”望遠鏡的觀測數據，結合引力透鏡技術，通過研究50萬個遙遠的星係的照片，繪制出暗物質的三維圖。新圖提供了迄今主要以星係存在的正常物質聚集于最稠密暗物質區域的最佳證據。該圖追溯了宇宙起源，揭示了一個由暗物質構成的松散網絡。天文學家還利用“哈勃”望遠鏡觀測暗物質在星係團大碰撞時的分布。

　　例如，他們結合“哈勃”望遠鏡和錢德拉X射線望遠鏡的觀測數據，發現暗物質和以熾熱氣體形式存在的正常物質被兩組星係(被稱為“子彈星團”)之間的碰撞所分開。天文學家在另一項利用“哈勃”望遠鏡對別的星係團所做的引力透鏡效應研究中，發現了一個鬼影似的暗物質環，這個暗物質環是很久以前由兩個巨大的星係團碰撞形成的。

　　天文學家以前就曾懷疑，如果它們僅僅依賴于看得見的恒星的引力作用，此類星係團可能會分崩離析。暗物質環其實是兩個星係團碰撞期間與正常物質分離的暗物質漣漪。對星係團碰撞的電腦模擬結果表明，兩個星係團撞在一起的時候，暗物質會穿過這兩個星係團的中心地帶。隨著暗物質從中心地帶向外移動，它的速度開始在引力作用下慢下來，並堆積起來。(孝文)