我们已经达到了哈勃望远镜的极限
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
转载还请取得授权,并注意保持完整性和注明出处
哈勃望远镜已经30岁了,它还能工作多久?
可见光波段之外,是哈勃永远都看不见的广阔电磁世界,所以说哈勃望远镜在当下,是有很大局限性的,而这也意味着它终将被淘汰。按照计划,2030年到2040年哈勃望远镜就将正式除役,届时它将化作流星坠落南太平洋,还是另有安排,目前尚不得而知。但不论怎样,人类都感谢哈勃望远镜,感谢它让人类开眼看宇宙 ...
通过哈勃望远景,观测到最远天体距离地球约为几光年?
137亿光年 如果是学校的课程,写150亿光年就行了,虽然这个数错的挺远。137亿光年是2006年诺贝尔物理学奖的成果
哈勃望远镜是怎样观察到几万光年以外的
可以这样理解,哈勃望远镜观察几万光年意外的星球,是指哈勃望眼镜接收到了几万光年以外物体发出来的光线,这些光线其实是早就在几万年之前已经发出了,只不过现在才到达哈勃望远镜的观测位置并被哈勃望远镜捕捉到了而已.至于发出这些光线的星球现在的状况如何,是没有办法观测到的.至于哈勃望远镜如何检测出这些...
韦伯望远镜拍摄的首张全彩照片公布,此照片传递了什么样的信息?_百度知 ...
国家天文台研究者陈学雷12日向《环球时报》新闻记者详细介绍称,天文望远镜第一次观察叫“初光”(firstlight),根据初光可以检测望远镜的特性怎样。深层次的科学论证必须大量定量分析法的测算,基本看来韦伯拍照的第一张照片实际效果很好,对比美国哈勃望眼镜仅有一颗行星的初光照片,此次选取的星体针对群众而言...
哈勃太空望远镜什么时候退役
“哈勃太空望远镜”已经老了——作为人类建造的第一座空间天文台,它从升空开始一直到今天,连续19个年头一直在进行常年的“24小时昼夜值班” ——而它的设计寿命只有20年。对于一架太空望远镜来说,退休的日子就快到了,它顶多还能支持到2010年。“詹姆斯·韦伯”太空望远镜,从2010年开始,它将很可能...
中国天眼和哈勃望远镜都是天文望远镜,为何区别却很大?
说到天文望远镜,我们都会想到长筒形状的光学望远镜,这类望远镜中最著名且功率最强大的就是哈勃望远镜了。但是我们常见的天文望远镜却以射电望远镜居多,这又是为什么呢?这里必须先说一下光和电磁波,我们常见的物体都是因为它们发出或者反射了光线,才能被我们所看到并且感知它们的颜色和形状等,但是我们...
哈勃望远镜公布的真实照片中,太空到底长得什么样?
每天都有不同的星体经过。这些星体在经过的时候可能就会造成伤害。像是太空中的黑洞可以消灭一切,以及小行星的运动等等。美丽的太空背后也有着很多的危险。太空带给我们的是震撼。太空是非常大的,我们通过哈勃望眼镜也只是窥探到了太空的一角。但只是这些地方就已经让我们对于太空的瑰丽赞叹不已了。
用哈勃对准地球能不能看到人?
因为哈勃对近处的物体分辨能力很有限!哈勃的视力可不是0.1角秒,否则也太差了!一楼已经说的很详细了。哈勃是人们研制的观测深空的仪器,它的最佳视力在观测近处物体时受到限制。就像我们拿望远镜看不清跟前的物体一样,哈勃假若可以观测地球,也不能用到最高的分辨率。(我们还应知道哈勃在太空的姿态...
哈勃望眼睛能看多远?
是哈勃望远镜吧?关键要看的那个光源有多亮。看到的光的强度与距离的平方成反比,也就是距离增加一倍,光就只能看到四分之一。光在宇宙真空中是不会减弱的,所以只要光够强,哈勃够精密,多远都可以看到(当然越远就要越亮)。哈勃可以看到宇宙诞生至今140亿年里光走的140亿光年的星系,但却连冥王星都...
宇宙无限大理论是如何被提出来的呢?
”这封信被传记作家克瑞斯提逊所引用(哈勃在胜利中不完全是心胸开阔的,到最后,他一直坚持用星云这个术语而不用夏普里喜欢的星系)。哈勃发现宇宙是巨大的,银河系几乎微不足道,因而几乎是一夜之间在科学上一举成名。但他早已转到另一个新问题上。数年来,天文学家们已注意到,来到那座星云上的光比...
蒋柿泽马:[答案] 约137亿 --------------------------------------------------------------- 目前的理论认为宇宙年龄为137亿年,所以可见宇宙范围也不会超过137亿光年.这已经是极限啦!至于说的更远些的,可能是假象!楼上提到了类星体,...
高安市15684944833: 人类探索的最远的宇宙距地球多少光年 - ?
蒋柿泽马: 人类探索宇宙发现最远的星系——距地球130.1亿光年. 天文学家发现了迄今为止距离地球最为遥远的星系,将其命名为“UDFy-38135539”.这个星系与地球间的距离达到了130.1亿光年.此前,人类还从来没有发现过聚集了恒星、气体和尘埃的如此遥远的星系.该星系离地球非常远,以致于科学家们在观察时,它还只是处于形成的起步阶段,年龄约是600万年.这只相当于其现有年龄的4%. 巴黎天体物理研究所天空学家妮可·内斯瓦德巴说:“能够发现最遥远的星系是令人兴奋的事,但对这种天体所存在物理意义的观测更为重要".—————最遥远的星系:UDFy-38135539
高安市15684944833: 目前人类测到的最远的星系距离地球有多远 - ?
蒋柿泽马: 宇宙自诞生以来大约为137亿年,理论上说,我们不可能看到比137亿光年更远的天体了. 以下摘自一篇新闻稿: 一支国际化的天文团队将NASA的哈勃太空望远镜的作用发挥到了极限,观测到了迄今为止宇宙中被探测到的最远的星系,打破了宇宙探测的记录.这个明亮到令人惊叹的婴儿星系叫做GN-z11,我们看到的是它在134亿年前的样子,那仅仅是宇宙大爆炸之初的4亿年,那时的宇宙仅有目前宇宙年龄的百分之三.GN-z11位于大熊座的所在方向. 由于现在看到的这个星系是134亿年前的样子,而这一星系的红移值约为10,这相当于它现在与地球的距离是315亿光年. 这个星系是目前发现的距离地球最远的星系.
高安市15684944833: 宇宙的年龄有多大? - ?
蒋柿泽马: 宇宙的年龄有多大,这一直是科学家所关注的问题.因为它是宇宙是否会膨胀的一个指标.测定宇宙年龄的方法有很多.用同位素年代法测量过地球的年龄为40至50亿年,月球年龄为46亿年,太阳年龄为50至60亿年,此法测定宇宙年龄为120...
高安市15684944833: 宇宙目前的年龄是多少 - ?
蒋柿泽马: 我们的宇宙还是一个质量非常大但体积非常小的点.突然这个点爆炸了,中子、质子、电子产生了.这时的温度高达100亿度以上.随着宇宙的迅速膨胀,其温度也逐渐降低,这些基本粒子就形成了各种元素,这些物质微粒相互吸引、融合,形...
高安市15684944833: 哈勃望远镜曾出现过哪些问题? - ?
蒋柿泽马: “哈勃”望远镜自1990年由“发现号”航天飞机释放到地球大气层外太空以来,它已为人类立下了不少功劳,它已拍摄了上千万幅照片.由于初期设计上的误差,“哈勃”曾患“近视病”,聚焦不佳,图像清晰度不够,后来(1996年)经过修...
高安市15684944833: 宇宙的年龄是怎么计算出来的??
蒋柿泽马: 宇宙究竟年方几何 天文学家推算为130亿—140亿年 新华社华盛顿4月24日电 (记者毛磊)天文学家们24日说,他们利用“哈勃”太空望远镜观测到了迄今所发现的银河系中最古老的白矮星,这为确定宇宙年龄提供了一种全新的途径.新推算出...
高安市15684944833: 为什么中国天眼和哈勃望远镜都是天文望远镜,形状却大不同,那哪种更强大? - ?
蒋柿泽马: 说到天文望远镜,大家第一时间想到的一定是那种长筒的,天文爱好者在家里或者野外使用的那种望远镜,其中最出名的应该就是哈勃望远镜了,它最广为人知并且功率最大功能也最强大.但最近几年走入大家视线的中国天眼却长得像一个“大...
高安市15684944833: 目前,我们人类看到最远的星球是哪颗??
蒋柿泽马: 那就不可能是星球了,只能是星系.哈勃望远镜现能观测到的深空天体在大约宇宙诞生十亿年之后,(观察宇宙实际是观察宇宙的过去)不过恐怕已经无法比较相对的距离远近了.而且亮度也低的不可思议,约是每分钟每平方厘米一个光子的程度.
高安市15684944833: 现今人类用太空望远镜能够望到的距离地球最远距离是多少? - ?
蒋柿泽马: 哈勃太空望远镜的最新观测结果显示,人类以探测到距离地球约近两百亿光年远的天体.据说是人类目前探测到的最远的天体,以接近宇宙的边缘,也就是说:按“大...