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原作：Ethan Siegel
翻譯：劉峰
校譯：童牧天
編排：關關
後臺：庫特莉亞芙卡 李子琦
原文鏈接：
https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2020/04/13/the-most-important-image-ever-taken-by-nasas-hubble-space-telescope
遠眺深空一小片，時光倒流億萬年。圖中這一小片天區只涵蓋了不到宇宙體積的1億分之一，但揭示了近1千個此前從未見過的星系。這張哈勃深場原始圖像的小小局部，標誌著我們對宇宙形態的主要認知。
圖源：羅伯特·威廉姆斯（空間望遠鏡研究所），哈勃深場團隊，美國宇航局/歐空局
下週六，哈勃太空望遠鏡將迎來30歲生日。俗話說三十而立，哈勃現在已經是一個成熟的望遠鏡了（可以自己發論文了......好吧，並不會）。
1990年4月25日，哈勃太空望遠鏡由發現號航天飛機部署入軌，這一天就成為了它的生日。這張照片就是那天由安裝在發現號航天飛機上的IMAX貨艙攝影機拍攝的。此後，它已經在軌運行了30年，並且自2009年以來一直沒有維修過。它的主反射鏡直徑達2.4米，其1分鐘的聚光能力相當於一臺6寸小望遠鏡拍攝近4小時。
圖源：美國宇航局/史密松學會/洛克希德公司
與歷史上任何一個天文臺相比，哈勃太空望遠鏡都能更好地揭示宇宙的模樣。
讓我們從今天開始回望宇宙的深處，我們可以看到遙遠的宇宙“光錐”。但是由於我們的觀測能力有限，大量的星系還未被發現。哈勃望遠鏡已經使我們走了很遠，但還有很長的路要走。
圖源：美國宇航局/空間望遠鏡研究所/阿·菲爾德
剛發射入軌時，人們發現哈勃的主鏡存在光學問題，拍攝的圖像質量遠低於預期。
哈勃望遠鏡最初存在鏡片瑕疵產生的圖像（圖左）和採用光學矯正後的圖像（圖右）。
圖源：美國宇航局/空間望遠鏡研究所
1993年底，哈勃望遠鏡安裝了新的光學矯正設備，以及改進的相機：第二代廣域及行星相機（WFPC2）。
第二代廣域及行星相機（WFPC2）是哈勃望遠鏡多年來的主力相機。它通過選擇48種濾鏡來記錄圖像，這些濾鏡覆蓋從遠紫外線到可見光和近紅外波長的光譜範圍。WFPC2的“心臟”由一個L形的三重寬視場感光器件和一個較小的高分辨率行星相機組成。
圖源：美國宇航局
次年，科學家們開展了一項極具冒險的觀測行動：哈勃深場（HDF）。
為什麼說具有冒險性呢？因為當你一次只收集一個光子時，得到的許多信號只是熱噪點、宇宙射線和設備噪音等等。但是如果你獲得足夠高的信噪比的時候，你就可以識別出觀測的天體到底是什麼，是遙遠的星系還是隨機噪聲。
圖源：羅伯特·威廉姆斯（空間望遠鏡研究所），哈勃深場團隊，美國宇航局/歐空局
他們檢查了一塊看似一無所有的天區：那裡沒有明亮的鄰近恆星或星系。
圖中這塊L形區域就是哈勃深場選擇的原始目標區域。它既不處於黃道面，也不在銀河系銀道面上，那個天區只有少數黯淡的銀河系恆星，並且沒有已知的河外星系。
圖源：美國宇航局/數字巡天項目，空間望遠鏡研究所
哈勃太空望遠鏡連續十天，在多個波長範圍內持續觀察這塊虛空之地，一分鐘收集一個光子。
結果令人震驚！哈勃望遠鏡對這個空曠的區域拍攝了數十張照片，然後把它們堆疊在一起，得到了你看到的這張原始哈勃深場圖像。看看出現了什麼？答案是成千上萬個星系。這是第一次揭示我們遙遠宇宙的樣子。對於我們中的許多人來說，這次如同就在昨日，然而這張圖片現在已有25年曆史了。
圖源：羅伯特·威廉姆斯（空間望遠鏡研究所），哈勃深場團隊，美國宇航局
當所有數據收集完畢後，他們看到了下面這張圖。
這是原始哈勃深場的一小部分，具有數百個特徵明顯、易於區分的星系。最初的哈勃深場儘管只覆蓋了天空的一小部分，但卻告訴我們，在可觀測的宇宙中至少包含了數千億個星系。如今，利用先進的數據分析技術，這一數字已經接近2萬億。
圖源：羅伯特·威廉姆斯（空間望遠鏡研究所），哈勃深場團隊，美國宇航局
在以前一無所知的地方，我們發現了成千上萬個新的、遙遠的、黯淡的星系。
在第一個的哈勃深場誕生不到一年後，同一個團隊選擇了在南天球的另一個天區開始構造第二個哈勃深場。結果同樣蔚為大觀。
圖源：羅伯特·威廉姆斯（空間望遠鏡研究所），哈勃深場(南區)團隊，美國宇航局/歐空局
這些哈勃深場影像徹底改變了我們對宇宙的看法。
圖中可以看到，與中間距離的星系相比，在附近和遠距離看到的星系會更少，但這一方面是由於星系合併和進化的因素造成的，另一方面也是因為我們無法看到超遠，超微弱的星系。要知道，有許多因素會阻礙我們理解來自遙遠宇宙光線的紅移。
圖源：美國宇航局/歐空局
後續的觀測行動以及更為先進的儀器使宇宙成為人們關注的焦點。
這幅照片就是我最喜愛的“愛因斯坦環”，由大量神秘的暗物質形成的引力透鏡效應，扭曲了其後方星系的星光，形成了光弧。這個圖像展示了遙遠的巨大星系團Abell S1063。作為哈勃“邊疆場”計劃的一部分，它是在較長一段時間內在多波段進行高分辨率成像的六個星系團之一。此處顯示的藍白色漫射光是實際是星系團內的星光，這也是該類漫射光的第一次發現。它比此前的任何其他觀測都能更精確地找到暗物質的位置和密度。
圖源：美國宇航局，歐空局，米萊雅·夢緹絲（新南威爾士大學）
像哈勃的“邊疆場”那樣的深度廣域巡天項目揭開了遙遠的巨大星系團的神秘面紗。
哈勃深紫外（HDUV）巡天項目在紫外線波段下觀察到的GOODS北場的局部。這次巡天面積是最初在2014年哈勃紫外線超深場天區面積的14倍。
圖源：美國宇航局，歐空局，帕斯卡·歐什（日內瓦大學）和米萊雅·夢緹絲（新南威爾士大學）
哈勃超深場（HUDF）和哈勃極深場（XDF）又大大超越了最初的哈勃深場。
哈勃極深場（XDF）觀測到的天空區域僅是天球面積3200萬分之一，但能夠在其中看到多達5500個星系。實際上在這個錐形切片包含的星系總數里，我們能看到的估計只有10％，剩下90％的星系則因為太暗或者紅移太大而無法被哈勃發現。隨著時間的流逝，該區域內的星系總數將從約5.5萬個增加到約13萬個，會揭示出更多的宇宙。
圖源：哈勃超深場09和哈勃極深場12團隊，經原文作者處理
更遙遠和模糊的秘密，就藏在那裡。
哈勃的觀測區域（左上方的小方塊）與廣域紅外巡天探測器(WFIRST)能夠捕捉的區域的對比（相同的時間及相同的深度）。WFIRST的廣角視野將使我們能夠比以往捕獲更多的遙遠超新星，並使我們能夠以前所未有的宇宙尺度對星系進行更深入，更廣泛的調查。無論它發現了什麼，它將帶來一場科學革命，併為暗能量在宇宙尺度時間內的演化提供了最佳的約束。如果暗能量的變化超過預期值的1％，WFIRST就會找到它。
圖源：美國宇航局/戈達德航天飛行中心/廣域紅外巡天探測器
廣域紅外巡天探測器(WFIRST)和大型紫外/光學/紅外巡天望遠鏡(LUVOIR)等未來的觀測任務將會揭開它們神秘的面紗。
哈勃太空望遠鏡（圖左）和初始形態的LUVOIR(圖右)在相同時間對相同天區的觀測效果對比。兩者之間的差異令人歎為觀止，這也代表著目前人類文明所能達到的科學成就。
圖源：格里高利·施耐德(空間望遠鏡研究所)，馬克·潑茲曼(空間望遠鏡研究所)
哈勃太空望遠鏡代表著充滿希望和夢想的90年代。已經服役30年的哈勃實際上並不是風華正茂而已到烈士暮年，我們更期待著哈勃的繼任者們，比如上文提到的WFIRST，LUVOIR，還有超級跳票王詹姆斯韋伯望遠鏡（JWST）儘快升空，以及我們中國自己的空間站伴飛2米光學巡天望遠鏡能給我們帶來新的驚喜。
附上一張我現在用的桌面，哈勃25週年官方紀念圖，船底座恆星搖籃。
責任編輯：鄢淑瀾
牧夫新媒體編輯部
『天文溼刻』 牧夫出品
南天的船底座星雲中蘊含極為豐富多彩的天體，圖中最明亮的白點是超大質量恆星海山二，在其右側你可以輕易找到極為形象的鎖眼星雲。
來源：牧夫天文 王延昕
