中国国家天文：“哈勃”眼中的宇宙
2008-3-4 10:08:25   中国国家天文

　文/蒋世仰

　　“哈勃”空间望远镜是美国宇航局建造的在大气层之外的地球轨道上运行的2.4米天文望远镜，观测波段覆盖了从近红外到可见光再到紫外。1978年开始研制，1989年完成，1990年4月25日升空，耗资约30亿美元。但由于主镜光学系统存在严重的球差(一种光学像差)，不得不在1993年12月2日由航天飞机上的宇航员进行太空行走，实施了规模浩大的维修工作。维修的效果非常好，观测精度达到甚至超过了原设计目标。其角分辨率比地面的大型望远镜高出几十倍: 始终优于0.1角秒, 极限情况达到0.01角秒。V波段达28等的极限星等也远远高于所有的大型地基望远镜。

　　哈勃望远镜观测过的天体数量成千上万，涉及各种尺度和距离的不同天体。许多选题来自地面望远镜观测结果中的线索和存疑，因此“哈勃”已经成就了大量新发现，实现了大量对以前存疑的肯定或否定，或者给原有的粗疏理论提供了新的细节样本和新启示，从而帮助理论学者细化理论而增进理论的可信度。所以，哈勃望远镜对于当代天文和天体物理的贡献是划时代的，内容极其丰富，很难在一篇短文中详尽描述。下面摘要介绍一些最具影响的新发现和新成果。

　　宇宙加速膨胀和暗能量 自1920年代美国天文学家哈勃根据观测到的星系红移推论出宇宙正在膨胀，天文学家们就在重复测定哈勃常数。利用哈勃望远镜对更加遥远的星系的再次测量发现，距离越远，哈勃常数越小。这表明，现在的宇宙相对于过去的宇宙在加速膨胀。原因何在呢？推论认为宇宙中70%的物质应当是一种能够产生斥力的负能量。由于我们既不知道它是什么也不知道它在什么地方，所以就叫它暗能量。于是在宇宙学中诞生了一个新的热门的课题：暗能量研究。回过头来看，在哈勃推出宇宙膨胀理论之后，爱因斯坦后悔加上、自认为错误的广义相对论“宇宙常数”又有了新意和存在的合理性。科学家们一方面正花费巨资寻找暗能量，又希望将宏观的引力理论和微观的量子理论统一起来解决遇到的新难题。不过也有人用时间衰老来解释所谓的加速膨胀推论。

　　哈勃常数和宇宙年龄 利用哈勃望远镜在更大距离上重复测量哈勃常数，用造父变星和Ia型超新星作为标准烛光定标得出它的平均值应当是(65+/-5)千米/秒/百万秒差距。因此在宇宙大爆炸膨胀推论下的宇宙年龄是(155+/-12)亿年。这是迄今最为权威的数据。

　　暗物质引力透镜 哈勃望远镜大视场图像发现了尺度达到260万光年的暗物质环产生的引力透镜场景。暗物质是根据观测推论出来的又一种宇宙物质。它应当占到总物质的26%。它不发光，但是产生引力效应。我们还无法直接观测到它究竟是些什么，但是我们根据它们的引力透镜效应察觉到了它有趣的存在。

　　哈勃望远镜观测目标SDSSJ0946+1006引力透镜系统的照片呈现出一组十分罕见的"双爱因斯坦环"。爱因斯坦环通常发生在前方大质量星系将后方同心轴星系的辐射弯曲。当这两个星系完全位于同心轴线时，将在最前方星系上呈现出一个圆环状发亮区。暗物质在爱因斯坦环中的作用可以清楚地判断出来。

　　类星体的家园和超大质量黑洞 地面观测表明类星体或许是遥远星系的活动核心，里面可能存在着超大质量黑洞。利用哈勃望远镜紫外区极高的角分辨率和极限星等，十分确切的肯定了这个观点。而且还证明其中很大一部分是相互作用星系。这对于解释中心超大质量黑洞的激活很有帮助：高分辨率图像清楚地显示出环绕中心的尘埃气体环面，吸积下落的物质提供了能量的来源。还观测到了地面望远镜发现的高红移类星体吸收体在低红移区的对应吸收体，并证认为较近距离的星系。同时肯定了低红移莱曼阿尔法森林谱线的密度比简单地由高红移观测外推求得的要高的猜想。哈勃望远镜的观测还表明，早期的星系的尺度更小，形状更不规整。统计表明高红移星系中包含更多的不规则星系和多成分系统。他们的彼此碰撞和融合可能形成了后来的大而规整的星系。还发现，星系的恒星产生率随红移而不同。随着星系的红移变大，那里的恒星形成率就增高，对红移等于1.25的星系其恒星产生率达到极大，然后保持恒定直到星系红移等于5。　伽玛爆光学对应体的确认 伽玛暴可能是宇宙大爆炸以外的最为强烈的宇宙爆炸。1997年BeppoSax 卫星发现了一个伽玛暴的X射线余辉，同时地面还观测到了其光学暂现源，这才肯定了它们的宇宙起源性质，也就是说它们发生于星系中。而哈勃望远镜的高角分辨率观测确切无疑地表明伽玛暴发生在高恒星形成率的星系中。并且还至少有一个例子表明它并不与活动星系核相关。这暗喻它们可能与超大规模超新星爆发有关。