我们已经达到了哈勃望远镜的极限

~ 哈勃望远镜曾经能让人望进宇宙最深处，它向我们展现了其他天文台不能看见的在宇宙中更暗淡，更年轻，进化程度更低，更远的恒星、星系和星团。在发射哈勃望远镜29年之后，它依然是我们用来 探索 宇宙最深处的最伟大的工具。没有任何工具比哈勃望远镜更适合用来 探索 研究任何能发出星光的地方

但是任何工具都有它的极限，哈勃望远镜也是如此。镜片的大小和仪器的质量，温度和波长范围以及任何天文观测都有的限制因素：时间，都限制了它的观察极限。在过去的这些年中，哈勃望远镜观察到了一些人类从未见过的伟大的影像。但是它再也无法观察到更震撼的事情了，哈勃望远镜已经达到了它的绝对极限，这就是它的故事。

哈勃望远镜是天体物理学中最伟大的旗舰天文台，但是它比即将到来的詹姆斯韦伯更小，更弱。在21世纪30年代计划的四项主要任务中，卢瓦伊尔(右)是迄今为止最雄心勃勃的。通过探测宇宙中更微弱的物体、更高的分辨率和更宽的波长范围，我们可以用前所未有的方式提高对宇宙的理解。(马特·芒廷/《光环》)

哈勃太空望远镜距离地面约540公里(336英里)，与地面望远镜相比有一个巨大的优势: 它不必与地球的大气层相抗衡。构成地球大气层的移动粒子提供了一种湍流介质，它会扭曲任何入射光的路径，同时有些分子还能阻止某些波长的光完全通过。

当时地面望远镜的实际分辨率小于0.5—1.0角秒，一角秒是3600分之一度，当哈勃望远镜的缺陷被修正之后，它会立即将分辨率降低到理论衍射极限:0.05角秒。几乎在一瞬间，我们对宇宙的观察比以往任何时候都更加清晰。

这张合成的遥远宇宙区域图像使用了来自哈勃的光学和近红外数据，以及来自斯必泽的远红外数据。斯皮策太空望远镜几乎和哈勃一样大:超过其直径的三分之一，但它探测到的波长太长，其分辨率远不如哈勃。主镜直径的波长决定了分辨率。(NASA/JPL-CALTECH/ESA)

清晰度，或者说分辨率，是发现遥远宇宙中存在的东西的最重要的因素之一。但还有三件事同样重要:

你有足够的能力收集光线来观察最模糊的物体。

望远镜的视野，使你能观察到更多的物体，以及你能探测到的波长范围，因为被观察到的光的波长取决于物体到你的距离。哈勃可能在所有这些方面都很强大，但它在这四个方面也有一定的限制。

当你看到一个地区的天空中有与哈勃望远镜类似的工具，你看到的不是远处物体发出的光，而是光在传播过程中受到空间中的物质影响和空间膨胀的影响后的模样。尽管哈勃望远镜是最早带领我们 探索 太空的天文台，但它仍旧有基本的限制，这也是为什么它不能再 探索 更深处的原因。(NASA, ESA, AND Z. LEVAY, F. SUMMERS (STSCI))

任何望远镜的分辨率都是由能穿过主镜的光的波长决定的。哈勃望远镜的2.4米(7.9英尺)镜片使它能够获得0.05角秒的有限衍射分辨率。这是非常优秀的，以至于只有在过去的几年里，地球上最强大的望远镜才有能力与之相比较，这些望远镜通常比地球上最大的望远镜大四倍以上，还配备了最先进的自适应光学系统。

要提高哈勃的分辨率，实际上只有两种选择:

使用更短的光波，这样更多的光波可以穿过同样大小的镜片，或者建造一个更大的望远镜，同样也能使更多的波长适合你的镜片

哈勃望远镜的光学设计是用来观察紫外线、可见光和近红外光的，其灵敏度在100纳米到1.8微米之间。即使在2009年的最后一次维修任务中安装了现有的仪器，它也不能更优秀了。

这张照片显示了在休斯敦的中性浮力实验室，在美国宇航局工程师和安全潜水员的密切注视下，执行任务的4名宇航员在哈勃的水下模型上练习。哈勃的最后一次维修任务是在10年前成功完成的;自那以后，哈勃就没有对其设备或仪器进行过升级，现在它的功能面临着基本的限制。(NASA)

光收集能力仅仅是指在更长的时间内收集更多的光，而哈勃在这方面一直是令人赞叹的。没有大气的干扰，也不用担心地球的自转，哈勃可以简单地指向天空中一个有趣的点，使用任何想要的颜色/波长滤镜，然后进行观测。然后，这些观测数据可以叠加或叠加在一起，形成一张深度、长时间曝光的图像。

利用这一技术，我们可以看到宇宙深处前所未有的黑暗之处。哈勃深空 探索 是这项技术的第一次展示，它揭示了太空中数千个星系，而之前我们对它们一无所知。目前，极深场(XDF)是最深处的紫外-可见光-红外复合光线，在一个仅覆盖整个天空的32,000,000分之一的区域内，发现了大约5,500个星系。

哈勃极深场(XDF)可能只观测到了整个天空区域的1/ 32,000000000，但却发现了其中多达5,500个星系:大约是这个呈铅笔状的光束状切片中星系总数的10%。剩下的90%的星系要么太暗，要么太红，要么被遮挡住了，哈勃无法观测到，即使长时间的观测也不会改善这个问题。所以哈勃的观测已经到了极限。(HUDF09 AND HXDF12 TEAMS / E. SIEGEL (PROCESSING))

当然，收集XDF中包含的信息需要23天。为了发现只有XDF中最暗物体一半亮度的物体，我们需要持续观察92天，这是4倍的时间。如果我们要这样做，会进行严谨的权衡，因为它会占用望远镜几个月的时间，但是只会让我们对宇宙多了解一点点而已。

相反，了解遥远宇宙的另一种策略是对天空中有目标的、视角宽的区域进行调查。单个的星系和更大的结构，如星系团，可以通过深入而大面积的观察来 探索 ，揭示出在所有距离上存在的大量细节。我们还可以观察到更深的地方，但是要布一张更大的网。

这也带来了巨大的代价。由哈勃望远镜收集到的宇宙最深处、最宽的图像耗时250多天，是由近7500张单独曝光的图像拼接而成的。虽然哈勃望远镜的这个传统领域对于银河系外的天文学来说是非常棒的，但它仍然只能在比满月所覆盖的区域更小的范围内揭示出265,000个星系，

哈勃的设计初衷是深入探测，而不是广域探测。它的视野极其狭窄，这使得对遥远宇宙的更大、更全面的调查几乎令人望而却步。哈勃望远镜在分辨率、探测深度和视场方面所取得的成就是非常了不起的，但它在这些方面确实也达到了极限。

在左边的大图中，一个名为MACS J1149+2223的大质量星团中的星系主导着这一场景。这个巨大的星系团产生的引力透镜效应使这个新发现的被称为MACS 1149-JD的星系发出的光变亮了约15倍。在右上角，局部放大可以更详细地显示MACS 1149-JD，而在右下角可以看到更大的图像。这是正确并与广义相对论一致的，与我们如何想象(或是否想象)空间无关。(NASA / ESA /STSCI/ JHU)

最后，就是波长限制。恒星发出各种各样的光，从紫外线到可见光再到红外线。这不是巧合，这就是哈勃的设计目的:寻找与我们所知道的恒星发出的光波长和种类相同的光。

但这也是一个根本性的限制。你看，当光穿过宇宙时，空间的结构本身也在膨胀。这导致了光的变化，即使它本质上是短波长的发射，它的波长也会因为空间的膨胀而被拉长。当它到达我们的眼睛时，被一个特定的因素改变了，这个因素是由宇宙的膨胀率和物体到我们的距离决定的。

哈勃的波长范围设定了一个基本的限制，我们可以看到的宇宙大约是4亿年前的宇宙。

已知宇宙中迄今为止发现的最遥远的星系GN-z11，它的光来自134亿年前:当时宇宙的年龄只有现在的3%即4.07亿岁。但是宇宙中还有更多遥远的星系，我们希望詹姆斯·韦伯太空望远镜能发现它们。(NASA, ESA，AND G. BACON (STSCI))

哈勃所发现的最远星系GN-z11就在这个极限边缘。它在一幅深视野图像中被发现，并且拥有一切可以想象得到的东西。

哈勃望远镜所能观测到的所有波长范围都能观测到这种现象，只有它所发射出的紫外线在哈勃所能测量到的最长波长的红外滤光镜中才能看到。它被附近的一个星系引力透镜化，放大了它的亮度，使其超过了哈勃自然限制的模糊阈值。

它恰好位于一个在早期经历了高水平恒星形成的视线(统计上不太可能)上，为发射的光提供了一条清晰的路径，使其在不被阻挡的情况下行进。迄今为止，还没有发现和证实有其他的星系与该天体的距离接近。

只是因为GN-z11这个遥远的星系，位于星系间介质大部分被重新电离的区域，哈勃才能够在此时向我们揭示它。为了看得更远，我们需要一个比哈勃更好的天文台，来为这类探测做优化。(NASA, ESA, A. FEILD, STSCI)哈勃可能已经达到了极限，但是未来的天文台能够将我们带到远远超过哈勃极限的地方。詹姆斯·韦伯太空望远镜不仅更大——主镜直径为6.5米(相对于哈勃望远镜的2.4米)——而且可以在更低的温度下工作，使它能够看到更长的波长

在这些长波高达30微米(而不是哈勃的1.8微米)的地方，詹姆斯·韦伯将能够透过阻挡光线的尘埃看到宇宙的大部分。此外，它将能够看到更大的红移和更早的回溯时间的物体:看到宇宙只有2亿年的时候。哈勃可能会发现一些非常早期的星系，而詹姆斯·韦伯可能会在它们第一次形成的过程中就发现它们。

哈勃望远镜的观察区域与WFIRST在相同深度、相同时间内能够观察到的区域相比。WFIRST的广域视野将让我们能够捕捉到比以往更多的遥远超新星，并使我们能够在以前从未探测过的宇宙尺度上对星系进行深入、广泛的调查。无论它发现了什么，都将带来一场科学革命，并为暗能量在宇宙时间中的演化提供最佳约束。(NASA / GODDARD / WFIRST)

其他的天文台例如哈勃只能将把我们带到表面的领域。美国国家航空和宇宙航行局(NASA)提出的本世纪20年代的领头羊 (WFIRST)将与哈勃非常相似，但视野将是哈勃的50倍，因此非常适合进行大规模的勘测。LSST这样的望远镜将几乎覆盖整个天空，其分辨率可与哈勃望远镜相比，观测时间更短。未来的地面天文台，如GMT或ELT，将迎来30米级望远镜的时代，可能最终在实际分辨率方面超过哈勃。

即使哈勃已经达到了极限，它仍然在把我们的视野扩展到遥远的宇宙，并提供数据，使天文学家能够推动已知的前沿。但要真正走得更远，我们需要更好的工具。如果我们真的重视并且去了解宇宙的秘密，包括它是由什么构成的，它是如何形成今天的样子的，它的命运是什么，那么下一代的天文台将是无可替代的。

作者: Ethan Siegel

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