哈勃太空望远镜 (光学望远镜)

哈勃太空望远镜(英语:Hubble Space Telescope,缩写:HST)是以美国天文学家爱德温·哈勃为名,于1990年4月24日成功发射,位于地球的大气层之上的光学望远镜。2019年5月,哈勃太空望远镜科学家公布了最新的宇宙照片——“哈勃遗产场”(HLF),这是迄今最完整最全面的宇宙图谱,由哈勃在16年间拍摄的7500张星空照片拼接而成,包含约265000个星系,其中有些已至少133亿岁“高龄”,对其进行研究有助于科学家深入了解更早的宇宙历史。2020年1月,一个国际天文学家团队利用美国哈勃太空望远镜发现了迄今已知的最遥远、最古老的星系群。这个三重星系群被称为EGS77。

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    中文名
    哈勃太空望远镜
    外文名
    Hubble Space Telescope(HST)
    类型
    光学望远镜
    发射时间
    1990年4月24日
    发射地点
    美国肯尼迪航天发射中心
    重量
    11,000 千克(24,250 磅)
    设备管理方
    NASA和ESA
    运行高度
    距离地面约575公里上空
    后继探索器
    詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST)

    1简介

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    哈勃太空望远镜(Hubble Space Telescope,缩写为HST),是美国宇航局于1990年4月25日发射的20世纪最大的空间光学望远镜,是大型轨道天文台计划的第一颗卫星。它以天文学家爱德温·哈勃(Edwin Powell Hubble)的名字命名。哈勃望远镜是所有的空间望远镜中成果最多的一个,其星上仪器可工作在紫外、近红外和可见光波段。哈勃望远镜接收地面控制中心(美国马里兰州的霍普金斯大学内)的指令并将各种观测数据通过无线电传输回地球。由于它位于地球大气层之上,因此获得了地基望远镜所没有的好处——影像不受大气湍流的扰动、视相度绝佳,且无大气散射造成的背景光,还能观测会被臭氧层吸收的紫外线。于1990年发射之后,已经成为天文史上最重要的仪器。它成功弥补了地面观测的不足,帮助天文学家解决了许多天文学上的基本问题,使得人类对天文物理有更多的认识。

    美国宇航局用航天飞机在轨共对其进行了5次维护升级,最后一次维护使其服役期最少延长至2014年。HST的“接班人”为更先进、更价廉的詹姆斯·韦伯空间望远镜。

    2原理简述

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    大气层中的大气湍流与散射,以及会吸收紫外线的臭氧层,这 些因素都限定了地面上望远镜做进一步的观测。太空望远镜的出现使天文学家成功地摆脱地面条件的限制,并获得更加清晰与更广泛波段的观测图像。

    空间望远镜的概念最早出现上个世纪40年代,但一直到上个世纪90年代,哈勃空间望远镜才正式发射升空,并观测迄今。

    哈勃空间望远镜属于美国航空航天局(NASA)与欧洲航天局(ESA)的合作项目,其主要目标是建立一个能长期在太空中进行观测的轨道天文台。它的名字来源于美国著名天文学家埃德温·哈勃。

    1990年4月25日,由美国航天飞机送上太空轨道的 “哈勃”望远镜长13.3米,直径4.3米,重11.6吨,造价近30亿美元。它以2.8万公里的时速沿太空轨道运行,清晰度是地面天文望远镜的10倍以上。同时,由于没有大气湍流的干扰,它所获得的图像和光谱具有极高的稳定性和可重复性。

    哈勃空间望远镜得到的数据首先被储存在航天器中。在哈勃空间望远镜最开始发射时,储存数据设施是老式的卷带式录音机。但这些设备在之后的维修任务中得到了替换。每天哈勃空间望远镜大约分两次将数据传送至地球同步轨道跟踪与数据中继卫星系统,然后数据再被继续发送至位于新墨西哥的白沙测试设备,通过位于白沙测试设备的60英尺(18米)直径的高增益微波电线之一,信息最后被传送到戈达德太空飞行中心和太空望远镜科学研究所处存档。

    传送来的数据必须要经过一系列处理才能为天文学家所用。空间望远镜研究所开发了一套软件,能够自动地对数据进行校正。然后空间望远镜研究所将利用STSDAS (Space Telescope Science Data Analysis System) 软件来选取所需要的数据。

    哈勃望远镜帮助科学家对宇宙的研究有了更深的了解。然而,由于美国航空航天局将哈勃SM4确定为最后一次维修任务,因此,哈勃的退役在即,而它新的继任者詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)将发射升空,并逐步接替哈勃太空望远镜的工作。

    詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope,缩写JWST)是计划中的红外线观测用太空望远镜。作为将于2010年结束观测活动的哈勃太空望远镜的后续机,计划于2011年发射升空。但因为制造方面的问题,不得不延迟到2013年升空,因此,哈勃望远镜也不得不冒险进行修补以继续服役。因为费用已经升到了80亿美元,镜片也已经从原计划的8米缩水为6.5米。这视为观察宇宙最遥远的地方,也就是宇宙大爆炸的第一缕光线的最低要求了。系欧洲空间局(ESA)和美国宇航局(NASA)的共同运用计划,放置于太阳-地球的第二拉格朗日点。

    3发展历史

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    规划设计
    哈勃空间望远镜的历史可以追溯至1946年天文学家莱曼·斯必泽(Lyman Spitzer, Jr.)所提出的论文:《在地球之外的天文观测优势》。在文中,他指出在太空中的天文台有两项优于地面天文台的性能。首先,角分辨率(物体能被清楚分辨的最小分离角度)的极限将只受限于衍射,而不是由造成星光闪烁、动荡不安的大气所造成的视象度。在当时,以地面为基地的望远镜解析力只有0.5-1.0弧秒,相较下,只要口径2.5米的望远镜就能达到理论上衍射的极限值0.1弧秒。其次,在太空中的望远镜可以观测被大气层吸收殆尽的红外线和紫外线。

    斯必泽以空间望远镜为事业,致力于空间望远镜的推展。在1962年,美国国家科学院在一份报告中推荐空间望远镜作为发展太空计划的一部分,在1965年,斯必泽被任命为一个科学委员会的主任委员,该委员会的目的就是建造一架空间望远镜。

    在第二次世界大战时,科学家利用发展火箭技术的同时,曾经小规模的尝试过以太空为基地的天文学。在1946年,首度观察到了太阳的紫外线光谱。英国在1962年发射了太阳望远镜放置在轨道上,做为亚利安太空计划的一部分。1966年NASA进行了第一个轨道天文台(OAO)任务,但第一个OAO的电池在三天后就失效,中止了这项任务了。第二个OAO在1968至1972年对恒星和星系进行了紫外线的观测,比原先的计划多工作了一年的时间。

    轨道天文台任务展示了以太空为基地的天文台在天文学上扮演的重要角色,因此在1968年NASA确定了在太空中建造直径3米反射望远镜的计划,当时暂时的名称是大型轨道望远镜或大型空间望远镜(LST),预计在1979年发射。这个计划强调须要有人进入太空进行维护,才能确保这个所费不贷的计划能够延续够长的工作时间;并且同步发展可以重复使用的航天飞机技术,才能使前项计划成为可行的计划。

    资金需求
    轨道天文台计划的成功,鼓舞了越来越强的公众舆论支持,大型空间望远镜应该是天文学领域内重要的目标。在1970年NASA设立了两个委员会,一个规划空间望远镜的工程,另一个研究空间望远镜任务的科学目标。在这之后,NASA下一个需要排除的障碍就是资金的问题,因为这比任何一个地面上的天文台所耗费的资金都要庞大许多倍。美国的国会对空间望远镜的预算需求提出了许多的质疑,为了与裁军所需要的预算对抗,当时就详细的列出了望远镜的硬件需求以及后续发展所需要的仪器。在1974年,在裁减政府开支的鼓动下,杰拉尔德·福特剔除了所有进行空间望远镜的预算。

    为回应此,天文学家协调了全国性的游说努力。许多天文学家亲自前往拜会众议员和参议员,并且进行了大规模的信件和文字宣传。国家科学院出版的报告也强调空间望远镜的重要性,最后参议院决议恢复原先被国会删除的一半预算。

    资金的缩减导致目标项目的减少,镜片的口径也由3米缩为2.4米,以降低成本和更有效与紧密的配置望远镜的硬件。原先计划做为先期测试,放置在卫星上的1.5米空间望远镜也被取消了,对预算表示关切的欧洲航天局也成为共同合作的伙伴。欧洲航天局同意提供经费和一些望远镜上需要的仪器,像是做为动力来源的太阳能电池,回馈的是欧洲的天文学家可以使用不少于15%的望远镜观测时间。在1978年,美国国会拨付了36,000,000元美金,让大型空间望远镜开始设计,并计划在1983年发射升空。在1980年初,望远镜被命为哈勃,以纪念在20世纪初期发现宇宙膨胀的天文学家艾德温·哈勃。

    设计制造
    空间望远镜的计划一经批准,计划就被分割成许多子计划分送各机关执行。马歇尔太空飞行中心(MSFC)负责设计、发展和建造望远镜,金石太空飞行中心(GSFC)负责科学仪器的整体控制和地面的任务控制中心。马歇尔太空飞行中心委托珀金埃尔默设计和制造空间望远镜的光学组件,还有精密定位传感器(FGS),洛克希德被委托建造安装望远镜的太空船。

    组合安装
    望远镜的镜子和光学系统是最关键的部分,因此在设计上有很严格的规范。一般的望远镜,镜子在抛光之后的准确性大约是可见光波长的十分之一,但是因为空间望远镜观测的范围是从紫外线到近红外线,所以需要比以前的望远镜更高十倍的解析力,它的镜子在抛光后的准确性达到可见光波长的二分之一,也就是大约30纳米。

    珀金埃尔默刻意使用极端复杂的电脑控制抛光机研磨镜子,但却在最尖端的技术上出了问题;柯达被委托使用传统的抛光技术制作一个备用的镜子(柯达的这面镜子永久保存在史密松宁学会)。1979年,珀金埃尔默开始磨制镜片,使用的是超低膨胀玻璃,为了将镜子的重量降至最低,采用蜂窝格子,只有表面和底面各一吋是厚实的玻璃。

    镜子的抛光从1979年开始持续到1981年5月,抛光的进度已经落后并且超过了预算,这时NASA的报告才开始对珀金埃尔默的管理结构质疑。为了节约经费,NASA停止支援镜片的制作,并且将发射日期延后至1984年10月。镜片在1981年底全部完成,并且镀上了75纳米厚的铝增强反射,和25纳米厚的镁氟保护层。

    因为在光学望远镜组合上的预算持续膨胀,进度也落后的情况下,对珀金埃尔默能否胜任后续工作的质疑继续存在。为了回应被描述成“未定案和善变的日报表”,NASA将发射的日期再延至1985年的4月。但是,珀金埃尔默的进度持续地以每季增加一个月的速率恶化中,时间上的延迟也出现了每个工作天都在持续落后的情况。NASA被迫延后发射日期,先延至1986年3月,然后又延至1986年9月。这时整个计划的总花费已经高达美金11亿7500万。

    安置望远镜和仪器的太空船是主要工程上的另一个挑战。它必须能胜任与抵挡在阳光与地球的阴影之间频繁进出所造成的温度变化,还要极端的稳定并能长间的将望远镜精确的对准目标。以多层绝缘材料制成的遮蔽物能使望远镜内部的温度保持稳定,并且以轻质的铝壳包围住望远镜和仪器的支架。在外壳之内,石墨环氧的框架将校准好的工作仪器牢固的固定住。

    有一段时间用于安置仪器和望远镜的太空船在建造上比光学望远镜的组合来得顺利,但洛克希德仍然经历了预算不足和进度的落后,在1985年的夏天之前,太空船的进度落后了个月,而预算超出了30%。马歇尔太空飞行中心的报告认为洛克希德在太空船的建造上没有采取主动,而且过度依赖NASA的指导。

    在1983年,空间望远镜科学协会(STScI)在经历NASA与科学界之间的权力争夺后成立。空间望远镜科学协会隶属于美国大学天文研究联盟 (AURA),这是由32个美国大学和7个国际会员组成的单位,总部坐落在马里兰州巴尔地摩的约翰·霍普金斯大学校园内。

    空间望远镜科学协会负责空间望远镜的操作和将数据交付给天文学家。美国国家航空航天局(NASA)想将之做为内部的组织,但是科学家依据科学界的做法将之规划创立成研究单位,由NASA位在马里兰州绿堤,空间望远镜科学协会南方48公里,的哥达德太空飞行中心和承包厂商提供工程上的支援。哈勃望远镜每天24小时不间断的运作,由四个工作团队轮流负责操作。

    空间望远镜欧洲协调机构于1984年设立在德国邻近慕尼黑的Garching bei München,为欧洲的天文学家提供相似的支援。

    4组成部分

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    光学系统
    望远镜的光学部分是整个仪器的心脏。它采用卡塞格林式反射系统,由两个双曲面反射镜组成,一个是口径2.4米的主镜、另一个是装在主镜前约4.5米处的副镜,口径0.3米。投射到主镜上的光线首先反射到副镜上,然后再由副镜射向主镜的中心孔,穿过中心孔到达主镜的焦面上形成高质量的图像,供各种科学仪器进行精密处理,得出来的数据通过中继卫星系统发回地面。

    广域和行星照相机
    广域和行星照相机(WF/PC)原先计划是光学观测使用的高分辨率照相机。由NASA的喷射推进实验室制造,附有一套由48片光学滤镜组成,可以筛选特殊的波段进行天体物理学的观察。整套仪器使用8片CCD,做出了两架照相机,每一架使用4片CCD。广域照相机(WFC)因为视野较广,在解像力上有所损失,但可对光度微弱的天体进行全景观测。而行星照相机(PC)行星照相机每个画素的解析力为0.043弧秒,拥有比WFC长的焦距成像,所以有较高的放大率,可以与广域照相机互补,用于高分辨率的观测。

    在1993年12月STS-61的维修任务中,广域和行星照相机被新的第二代替换,为了避免混淆,通常WFPC就是第一代的广域和行星照相机,新机称为WFPC-2。

    1995年4月1日哈勃空间望远镜上的大视场和行星照相机2(WFPC2)拍摄了鹰状星云的照片。就像普通的数码相机一样,WFPC2也使用电荷耦合器件(CCD)而不是胶卷来记录影像。CCD是一个由光敏器件组成的阵列,其中最小的单元被称为“像素”。而它的作用则是把接收到的光信号转化成电信号。如下面会看到的,在得到最终绚丽图像的过程中最艰巨的工作就是从相机本身产生的干扰信号中分离出那些有用的信号,并且将这些信号转化成对天空中某一点的位置和亮度测量。

    WFPC2事实上是由4架相机组成的——3架大视场照相机(WF)和1架行星照相机(PC1)。除了PC1之外,其余每架相机所拍摄的图像都占据了照片的四分之一。而PC1所拍摄的是局域的放大影像,这使得天文学家可以在右上角看到局部更微小的细节。但是最终的图像会先按比例把PC1所拍摄的图像缩小到和其他3架相机相同的程度,这就导致了“哈勃”WFPC2所拍摄的照片总会缺个角。WFPC2的视场大约包含了1600×1600个像素,这使得它大致相当于一台250万像素的数码相机。而且WFPC2所拍摄的图像也不是真彩色的,不过它所能看到的景象比起彩色胶卷来更接近于肉眼。

    WFPC-2本身也将在第四次维修任务中被在1997年开始研发的WFC-3替换。

    戈达德高解析摄谱仪
    戈达德高解析摄谱仪(GHRS)是被用于紫外线波段的摄谱仪,由戈达德太空中心制造,可以达到90,000的光谱分辨率,同时也为FOC和FOS选择适宜观测的目标。它舍弃了CCD,使用数位光子计数器作为检测装置。在1997年2月的哈勃维护任务中被太空望远镜影像摄谱仪(STIS)取代。

    高速光度计
    高速光度计(HSP)能够快速的测量天体的光度变化和偏极性。它可以每10微秒在紫外线、可见光和近红外线的波段上测量一次光度,因此用于在可见光和紫外线波段上观测变星,精确度至少可以达到2%。 高速光度计因为主镜的光学问题,自升空以来一直未能成功使用。1993年12月,在第一次的哈勃维护任务中,它被用于矫正其他仪器的光学问题的太空望远镜光轴补偿校正光学(COSTAR)替换掉。

    暗天体照相机
    暗天体照相机的观测波段在115至650纳米,它在2002年被先进巡天照相机(ACS)取代。

    暗天体摄谱仪
    暗天体摄谱仪是观测波长在1150至8500埃的摄谱仪。在1997年第二次哈勃维护任务中被太空望远镜影像摄谱仪(STIS)取代。FOC和FOS都是哈勃空间望远镜上分辨率最高的仪器。这三个仪器都舍弃了CCD,使用数位光子计数器做为检测装置。FOC是由欧洲航天局制造, FOS则由Martin Marietta公司制造。

    其他仪器
    最后一件仪器是由威斯康辛麦迪逊大学设计制造的HSP,它用于在可见光和紫外光的波段上观测变星,和其他被筛选出的天体在亮度上的变化。它的光度计每秒钟可以侦测100,000次,精确度至少可以达到2%。

    哈勃空间望远镜的导引系统也可以做为科学仪器,它的三个精细导星传感器(FGS)在观测期间主要用于保持望远镜指向的准确性, 但也能用于进行非常准确的天体测量,测量的精确度达到 0.0003弧秒。

    5维护改进

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    1993年维护
    在1990年4月哈勃空间望远镜发射升空的数星期后,研究人员发现从哈勃空间望远镜传回来的图片有严重的问题,获得的的最佳图像品质也远低于当初的期望:点源的影像被扩散成超过一弧秒半径的圆。

    通过对图样缺陷的分析显示,问题来源于主镜的形状被磨错了。虽然这个差异小于光的1/20波长, 镜面与需要的位置只差了微不足道的2微米,但这个差别造成了灾难性的球面像差。这样来自镜面边缘的反射光不能聚集在与中央的反射光相同的焦点上。

    1993年,奋进号执行了对哈勃空间望远镜的第一次维修,研究人员设计一个有相同的球面像差,但功效相反的光学系统来抵消错误,相当于配上一副能改正球面像差的眼镜。用来改正球面像差的仪器称为空间望远镜光轴补偿校正光学(COSTAR)。为了给COSTAR在望远镜内提供位置,必须移除其中一件仪器,天文学家的选择是牺牲高速光度计。

    除此之外,广域和行星照相机被第二代广域和行星照相机以及内部的光学更新系统取代。另外,太阳能板和驱动的电子设备、四个用于望远镜定位的陀螺仪、二个控制盘、二个磁力计和其他的电子组件也被更换。

    1997年维护
    1997年2月,发现号在STS-82航次中执行了第二次维修任务。用 空间望远镜摄谱仪(STIS)和近红外线照相机和多目标分光仪(NICMOS)替换掉戈拉德高解析摄谱仪(GHRS)和暗天体摄谱仪(FOS)。修护绝热毯,再提升哈勃的轨道。

    在维修中出现的意外缩短了仪器的使用年限。安装后吸热器的部分热扩散意料之外地进入光学挡板,这额外增加的热量导致仪器的寿命由原先期望的4.5年缩短为2年。

    1999年维护
    第三次维护任务仍然由发现号在1999年12月的STS-103航次中执行。在这次维护中更换了全部的六台陀螺仪,也更换了一个精细导星传感器和计算机,安装一套组装好的电压/温度改善工具(VIK)以防止电池的过热,更换绝热的毯子。新的计算器是能在低温辐射下运作的英特尔486,可以执行一些过去必须在地面处理的与太空船有关的计算工作。

    2002年维护
    第四次维护任务由哥伦比亚号在2002年3月的STS-109航次执行,用先进巡天照相机(ACS)替换了暗天体照相机(FOC),更换了新的冷却系统和太阳能板。哈勃的配电系统也被更新了,这是哈勃空间望远镜升空之后,首度能完全的应用所获得的电力。

    2008年维护
    在原本安排在2008年8月维修任务中,太空人将更换新的电池和陀螺仪,更换精细导星传感器(FGS)并修理空间望远镜影像摄谱仪(STIS)。并在保留先进巡天照相机的同时,安装二架新的仪器:宇宙起源频谱仪和第三代广域照相机。然而NASA于2008年9月宣布哈勃空间望远镜上的数据处理系统出现严重故障,无法正常存储观测数据并传回地球,而且由于哈勃太空任务高度与国际太空站距离十分远,太空人在紧急情况下未能找到有效安全避难处,这使得维护哈勃望远镜变为一项极度危险的任务。

    2009年维护
    在美国东部时间2009年5月11日14点01分,美国“阿特兰蒂斯”号航天飞机从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空。在此次太空之旅中,机上的7名宇航员通过5次太空行走对哈勃太空望远镜进行了最后一次维护,为其更换了大量设备和辅助仪器,这些更新主要包括:用第三代广域照相机(WFC3)取代WFPC2;安装新的宇宙起源频谱仪(COS)、取回该处的COSTAR光学矫正系统;修复损坏的先进巡天照相机(ACS);修复损坏的空间望远镜摄谱仪(STIS);替换损坏的精细导星传感器(FGS);更换科学仪器指令和数据处理系统(SIC&DH);更换全部的电池模组;更换所有的6个陀螺仪和3组定位传感器(RSU);更换对接环、安装全新的绝热毯(NBOL)、补充制冷剂等等。

    6主要成就

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    前7年服役期间取得的主要成就

    1.增进了人类对宇宙大小和年龄的了解。

    2.证明某些宇宙星系中央存在超高质量的黑洞以及多数星系的中心都可能存在黑洞。

    3.在可见光谱范围内,对宇宙进行了最深入的研究,观察了数千个星系,探测到了宇宙诞生早期的“原始星系”,使天文学家有可能跟踪研究宇宙发展的历史。

    4.清楚展现了银河系中类星体这种最明亮的天体存在的环境。

    5.更清晰地阐述了恒星形成的不同过程。

    6.对宇宙诞生早期恒星形成过程中重元素的组成进行了研究,这些元素是行星和生命存在的必要条件。

    7.展示了死亡恒星周围气体壳的复杂组成。

    8.对猎户星云中年轻恒星周围的许多尘埃碟进行了探测,说明地球所在的银河系还有可能形成其他行星系统。

    9.对千载难逢的慧木相撞进行了详细观测。

    10.对火星等太阳系行星上 的气候民政部进行了研究。

    11.发现木星卫星木卫二和木卫三的大气层中存在氧气  。

    近年科研成果

    黑洞

    黑洞尘埃盘黑洞尘埃盘

    哈勃空间望远镜最早的核心计划之一就是要建立起由黑洞驱动的类星体和星系之间的关系。之后,通过它们对周围恒星的引力作用,针对“哈勃”所获得的近距星系光谱的动力学模型证实了黑洞的存在。这些研究也导致了对十几个星系中央黑洞质量的可靠测量,揭示出了黑洞质量和星系核球质量之间极为紧密的联系。2011年11月8日,借助哈勃空间望远镜,天文学家们首次拍摄到围绕遥远黑洞存在的盘状构造。这个盘状结构由气体和尘埃构成,并且正处于不断下降进入黑洞中被消耗的过程中。当这些物质落入黑洞的一瞬间,它们将释放巨大的能量,形成一种宇宙射电信号源,称为“类星体”。

    暗物质

    2012年3月,美国宇航局“哈勃”太空望远镜在距离地球24亿光年的“阿贝尔520”星系团中再次发现了一个巨大的暗物质块。这一异常发现令天文学家百思不得其解,并怀疑暗物质块中可能藏有一个神秘的“暗物质核心”。

    研究人员介绍说,在距离地球24亿光年的遥远星系团“阿贝尔520”中,星系发生碰撞后,从星系中分离出来的暗物质可能在星系周围聚集形成一个“暗物质核心”。由于暗物质被认为是将星系结合成一体的神秘“胶水”,因此这种现象本不应该存在。现象的问题是,如果暗物质被认为是将星系结合成一体的神秘“胶水”,那么星系碰撞后它们仍然可以将星系“粘合”在一起。

    这一异常现象最早发现于2007年。由于这一现象过于异常,因此许多天文学家都将其作为一种假象而不予理会。然而,“哈勃”太空望远镜最新的观测结果证实,“阿贝尔520”星系团中的暗物质和星系是分开的。“哈勃”太空望远镜观测图像蓝绿色区域显示,一个巨大的暗物质块位于炽热的气体附近,但该区域几乎看不到星系。

    异常现象的再一次发现,让天文学家们不得不对其重视起来并重新思考它的原理。暗物质最早发现于大约80年前,被认为是将星系结合成一体的“引力胶水”。事实上,天文学家对暗物质仍然知之甚少。“哈勃”太空望远镜研究项目首席科学家、加利福尼亚大学天文学家詹姆斯-吉表示,“这一结果令人困惑。暗物质的行为无法预测,很难说清它的原理。”

    对于这一异常发现,研究团队提出了数种解释,但最终每一种解释都会让天文学家更为困惑。研究团队成员、美国加州旧金山州立大学科学家安迪谢-马哈达维曾经是2007年对“阿贝尔520”星系团首次观测项目的负责人,他表示,“这会让你越来越困惑,越陷越深。”

    对于这种矛盾现象,一个可能的解释就是,“阿贝尔520”星系团是三个星系团之间复杂的交互体,而不仅仅是两个碰撞系统。另一种可能就是,“暗物质核心”中包含有许多星系,但是由于它们过于暗淡而无法观测到,甚至“哈勃”太空望远镜都无法看到。

    哈勃深场

    早在1996年,著名的哈勃空间望远镜就拍摄到标志性的哈勃深场图像,巨大数量的星系就隐藏在这片小天区中,美国宇航局计划进行一次全新的深场成像计划。哈勃望远镜在捕捉深场图像时将收集极遥远天体的微弱光线,慢慢“堆积”才能揭示宇宙大爆炸数亿年后的情景,否则由于光线太弱而看不到当时宇宙中存在的天体。在哈勃望远镜于2004年拍摄的“超深场”图像中,收集光线的时间更久,2012年拍摄的“极深场”图像则花了更长的时间才完成成像。

    根据巴尔的摩空间望远镜研究所科学家丹安·科介绍:“与超深场图像类似,本次哈勃拍摄的六个超深场图像计划几乎可获得相同品质,在哈勃前沿领域的任务中,收集光线花了45个小时,描绘出宇宙大爆炸后大约五亿年的情景。”这些图像深刻揭示了宇宙最深处的景象,捕捉到年代非常久远的星系和从未见过的遥远星系。负责本项研究的科学家认为有些星系是之前尚未被发现的,比如最远的星系MACS0647-JD,就距离地球大约133亿光年处,原始深空场也显示了在仅仅2.5弧分跨度上就存在大约3000个并未被观测到宇宙星系。

    作为天体观测的主力,美国宇航局希望哈勃望远镜能维持到2018年,其继任者詹姆斯·韦伯空间望远镜将在不久后发射。研究人员认为哈勃拍摄的新深场图像需要一定的运气,那片黑暗的天区包含了丰富的宝藏,这项新的观测活动将在2012年晚些时候开始。

    有水行星

    2013年12月3日,美国航天局宣布,天文学家利用哈勃太空望远镜在太阳系外发现5颗行星,它们的大气层中都有水存在的迹象。此前也曾观测到少数大气层中有水存在迹象的系外行星,但这是首次能确定性地测量多个系外行星的大气光谱信号特征与强度,并进行比较。

    这5颗行星分别叫做WASP-17b、HD209458b、WASP-12b、WASP-19b与XO-1b,它们的体积比地球大得多,属于“热木星”型行星,即大小与木星相当,但温度极高、运行轨道距其绕行恒星非常近的气态巨行星。

    研究人员利用哈勃的广角照相机,观测这些行星大气层吸收光线的细节特征,结果发现,尽管5颗行星都有水存在的迹象,但信号均弱于预期,他们怀疑这是因为这些行星的大气中有一层霾或灰尘的存在,导致信号减弱。

    大胖子星系团

    2014年4月,美国航空航天局(NASA)哈勃太空望远镜观测结果显示,“El Gordo”星系团(昵称为“大胖子”)所容纳的质量可能与三千万亿(3乘以10的15次方)颗太阳相当。这比原先科学家所估计的值大了43%,质量可能与3千万亿颗太阳相当,约为银河系质量的3000倍。 “大胖子”星系团的编号为ACT-CL J0102-4915,距离地球超过70亿光年。因此,天文学家观测到的信号,实际上已经有将近一半的宇宙年龄(约138亿年)。在2012年的报道中,“大胖子”星系团的质量大致相当于2千万亿颗太阳。研究者利用NASA的钱德拉X射线天文台和欧洲南方天文台位于智利的甚大望远镜阵列,对星系团内部的气体温度以及星系的运动进行了研究,估算出了这一数据。不过,该结果存在着一些偏差,原因主要是该星系团可能是两个星系团之间碰撞的结果。

    哈勃遗产场

    2019年5月,哈勃太空望远镜科学家公布了最新的宇宙照片——“哈勃遗产场”(HLF),这是迄今最完整最全面的宇宙图谱,由哈勃在16年间拍摄的7500张星空照片拼接而成,包含约265000个星系,其中有些已至少133亿岁“高龄”,对其进行研究有助于科学家深入了解更早的宇宙历史。

    “橄榄球”状系外行星“橄榄球”状系外行星

    “橄榄球”状系外行星

    2019年8月5日消息,哈勃太空望远镜发现了一颗滚烫的“橄榄球”状系外行星。这颗行星因为距离恒星太近而被撕扯、加热,大气也正在加速逃逸,整颗行星处于被吞噬的边缘。这颗行星与恒星的距离过于近,处在被潮汐力撕裂的边缘。这种“死亡拥抱”已经让它扭曲变形为橄榄球状,高空大气温度超过2500摄氏度  。

    最古老星系群

    2013年10月,哈勃太空望远镜发现了可能是宇宙中测量距离上最遥远的星系,来自德克萨斯大学等研究人员通过MOSFIRE摄谱仪精确测量了该星系的距离,其大约存在于宇宙大爆炸后的7亿年左右。

    2020年1月,一个国际天文学家团队利用美国哈勃太空望远镜发现了迄今已知的最遥远、最古老的星系群。这个三重星系群被称为EGS77。更重要的是,观测表明这个三重星系群参与了宇宙初期被称为“再电离”的改造过程。EGS77大约诞生于宇宙大爆炸后6.8亿年时,当时宇宙年龄还不足现今138亿岁的5%。

    7后继探索器

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    韦伯空间望远镜
    詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST)是红外空间观测站,研究人员计划用它取代哈勃望远镜,用以探索远超过目前仪器可观测到的宇宙中最远的对象。它由NASA带头,与欧洲航天局和加拿大航天局合作。曾用名为NGST。在2002年更名,用以纪念NASA的首任局长James Webb,其设计口径为6米,是哈勃望远镜的2.5倍。JWST能观测到的天体要比当前最大地面望远镜或空间红外望远镜要暗400倍。原计划2012年升空,但因为经济危机推迟,计划推迟至2020年以后发射。

    赫歇尔空间天文台
    2009年5月14日发送的欧洲航天局赫歇尔空间天文台,有一面镜子赫歇尔大大超过哈勃,但只有在远红外线观察。

    大口径太空望远镜
    先进的技术大口径太空望远镜 也已提上日程。如果该项目批准的话,它将有8至16米(320至640英寸)的光学空间望远镜。它是真正的哈勃望远镜继承人: 有能力观察和拍摄的光学,天体紫外线和红外线的波长,但更高的分辨率大大高于哈勃。

    8部分作品

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    两个黑洞发生碰撞两个黑洞发生碰撞

    2004年2月4日,哈勃望远镜观测到两个黑洞发生碰撞的情景,当碰撞时,受强大重力辐射爆作用一个黑洞将被踢出来,而不是按人们所想它们会结合形成一个更大的黑洞。

    2004年3月4日,哈勃望远镜拍摄的遥远恒星V838 Mon的光环非常类似于梵高的油画作品,天文学家称这个照片称为“草莓之夜”。这张照片是由先进勘测相机拍摄的。图中星际灰尘强度来自于图片中心位置的红超巨恒星,它在两年前就释放出类似电灯泡的脉冲光。V838 Mon距离地球20000光年,处于银河系的边缘。

    2005年7月4日是美国的独立日,每年的这个时候美国城市都会燃放烟花庆祝节日。哈勃望远镜的观测显示,在1250万光年之遥的NGC 4449矮星系中持续燃放着“恒星烟花”。如图所示,这是哈勃望远镜先进勘测相机于2005年11月拍摄的。

    2006年1月11日,基于哈勃望远镜拍摄的猎户星云图片,天文学家合成了最为详细的一张猎户星云全景图。猎户星云作为骚动状态恒星形成区域,是最吸引眼球的宇宙星体结构。该图像中包含3000多个不同体积的恒星,其中多数无法在可见光范围内呈现。由气体和灰尘勾勒出的图案颇似美国大峡谷中复杂的高地、山脉和山谷地形。猎户星云中包含着大量恒星诞生区域,遍布超大质量恒星至年轻恒星等各种恒星形态,同时还包含着孕育恒星的柱状密集气体云。

    2006年8月29日,哈勃望远镜拍摄到超新星仙后A爆炸的残留物质,它是银河系内最年轻的超新星爆炸残留物。这张图片显示了超新星仙后A爆炸后残留碎片的复杂结构,它是由先进勘测相机拍摄的18张独立照片合成的图像。

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    哈勃太空望远镜 图册
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    • 更新时间:2020-12-15
    • 创建者:国搜百科
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