哈勃望遠鏡曾經(jīng)能讓人望進宇宙最深處，它向我們展現(xiàn)了其他天文臺不能看見的在宇宙中更暗淡，更年輕，進化程度更低，更遠的恒星、星系和星團。在發(fā)射哈勃望遠鏡29年之后，它依然是我們用來探索宇宙最深處的最偉大的工具。沒有任何工具比哈勃望遠鏡更適合用來探索研究任何能發(fā)出星光的地方

但是任何工具都有它的極限，哈勃望遠鏡也是如此。鏡片的大小和儀器的質(zhì)量，溫度和波長范圍以及任何天文觀測都有的限制因素：時間，都限制了它的觀察極限。在過去的這些年中，哈勃望遠鏡觀察到了一些人類從未見過的偉大的影像。但是它再也無法觀察到更震撼的事情了，哈勃望遠鏡已經(jīng)達到了它的絕對極限，這就是它的故事。

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哈勃望遠鏡是天體物理學(xué)中最偉大的旗艦天文臺，但是它比即將到來的詹姆斯韋伯更小，更弱。在21世紀(jì)30年代計劃的四項主要任務(wù)中，盧瓦伊爾(右)是迄今為止最雄心勃勃的。通過探測宇宙中更微弱的物體、更高的分辨率和更寬的波長范圍，我們可以用前所未有的方式提高對宇宙的理解。(馬特·芒廷/《光環(huán)》)

哈勃太空望遠鏡距離地面約540公里(336英里)，與地面望遠鏡相比有一個巨大的優(yōu)勢: 它不必與地球的大氣層相抗衡。構(gòu)成地球大氣層的移動粒子提供了一種湍流介質(zhì)，它會扭曲任何入射光的路徑，同時有些分子還能阻止某些波長的光完全通過。

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當(dāng)時地面望遠鏡的實際分辨率小于0.5—1.0角秒，一角秒是3600分之一度，當(dāng)哈勃望遠鏡的缺陷被修正之后，它會立即將分辨率降低到理論衍射極限:0.05角秒。幾乎在一瞬間，我們對宇宙的觀察比以往任何時候都更加清晰。

這張合成的遙遠宇宙區(qū)域圖像使用了來自哈勃的光學(xué)和近紅外數(shù)據(jù)，以及來自斯必澤的遠紅外數(shù)據(jù)。斯皮策太空望遠鏡幾乎和哈勃一樣大:超過其直徑的三分之一，但它探測到的波長太長，其分辨率遠不如哈勃。主鏡直徑的波長決定了分辨率。(NASA/JPL-CALTECH/ESA)

清晰度，或者說分辨率，是發(fā)現(xiàn)遙遠宇宙中存在的東西的最重要的因素之一。但還有三件事同樣重要:

你有足夠的能力收集光線來觀察最模糊的物體。

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望遠鏡的視野，使你能觀察到更多的物體，以及你能探測到的波長范圍，因為被觀察到的光的波長取決于物體到你的距離。哈勃可能在所有這些方面都很強大，但它在這四個方面也有一定的限制。

當(dāng)你看到一個地區(qū)的天空中有與哈勃望遠鏡類似的工具，你看到的不是遠處物體發(fā)出的光，而是光在傳播過程中受到空間中的物質(zhì)影響和空間膨脹的影響后的模樣。盡管哈勃望遠鏡是最早帶領(lǐng)我們探索太空的天文臺，但它仍舊有基本的限制，這也是為什么它不能再探索更深處的原因。(NASA, ESA, AND Z. LEVAY, F. SUMMERS (STSCI))

任何望遠鏡的分辨率都是由能穿過主鏡的光的波長決定的。哈勃望遠鏡的2.4米(7.9英尺)鏡片使它能夠獲得0.05角秒的有限衍射分辨率。這是非常優(yōu)秀的，以至于只有在過去的幾年里，地球上最強大的望遠鏡才有能力與之相比較，這些望遠鏡通常比地球上最大的望遠鏡大四倍以上，還配備了最先進的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。

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要提高哈勃的分辨率，實際上只有兩種選擇:

使用更短的光波，這樣更多的光波可以穿過同樣大小的鏡片，或者建造一個更大的望遠鏡，同樣也能使更多的波長適合你的鏡片

哈勃望遠鏡的光學(xué)設(shè)計是用來觀察紫外線、可見光和近紅外光的，其靈敏度在100納米到1.8微米之間。即使在2009年的最后一次維修任務(wù)中安裝了現(xiàn)有的儀器，它也不能更優(yōu)秀了。

這張照片顯示了在休斯敦的中性浮力實驗室，在美國宇航局工程師和安全潛水員的密切注視下，執(zhí)行任務(wù)的4名宇航員在哈勃的水下模型上練習(xí)。哈勃的最后一次維修任務(wù)是在10年前成功完成的;自那以后，哈勃就沒有對其設(shè)備或儀器進行過升級，現(xiàn)在它的功能面臨著基本的限制。(NASA)

光收集能力僅僅是指在更長的時間內(nèi)收集更多的光，而哈勃在這方面一直是令人贊嘆的。沒有大氣的干擾，也不用擔(dān)心地球的自轉(zhuǎn)，哈勃可以簡單地指向天空中一個有趣的點，使用任何想要的顏色/波長濾鏡，然后進行觀測。然后，這些觀測數(shù)據(jù)可以疊加或疊加在一起，形成一張深度、長時間曝光的圖像。

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利用這一技術(shù)，我們可以看到宇宙深處前所未有的黑暗之處。哈勃深空探索是這項技術(shù)的第一次展示，它揭示了太空中數(shù)千個星系，而之前我們對它們一無所知。目前，極深場(XDF)是最深處的紫外-可見光-紅外復(fù)合光線，在一個僅覆蓋整個天空的32,000,000分之一的區(qū)域內(nèi)，發(fā)現(xiàn)了大約5,500個星系。

哈勃極深場(XDF)可能只觀測到了整個天空區(qū)域的1/ 32,000000000，但卻發(fā)現(xiàn)了其中多達5,500個星系:大約是這個呈鉛筆狀的光束狀切片中星系總數(shù)的10%。剩下的90%的星系要么太暗，要么太紅，要么被遮擋住了，哈勃無法觀測到，即使長時間的觀測也不會改善這個問題。所以哈勃的觀測已經(jīng)到了極限。(HUDF09 AND HXDF12 TEAMS / E. SIEGEL (PROCESSING))

當(dāng)然，收集XDF中包含的信息需要23天。為了發(fā)現(xiàn)只有XDF中最暗物體一半亮度的物體，我們需要持續(xù)觀察92天，這是4倍的時間。如果我們要這樣做，會進行嚴(yán)謹?shù)臋?quán)衡，因為它會占用望遠鏡幾個月的時間，但是只會讓我們對宇宙多了解一點點而已。

相反，了解遙遠宇宙的另一種策略是對天空中有目標(biāo)的、視角寬的區(qū)域進行調(diào)查。單個的星系和更大的結(jié)構(gòu)，如星系團，可以通過深入而大面積的觀察來探索，揭示出在所有距離上存在的大量細節(jié)。我們還可以觀察到更深的地方，但是要布一張更大的網(wǎng)。

這也帶來了巨大的代價。由哈勃望遠鏡收集到的宇宙最深處、最寬的圖像耗時250多天，是由近7500張單獨曝光的圖像拼接而成的。雖然哈勃望遠鏡的這個傳統(tǒng)領(lǐng)域?qū)τ阢y河系外的天文學(xué)來說是非常棒的，但它仍然只能在比滿月所覆蓋的區(qū)域更小的范圍內(nèi)揭示出265,000個星系，

哈勃的設(shè)計初衷是深入探測，而不是廣域探測。它的視野極其狹窄，這使得對遙遠宇宙的更大、更全面的調(diào)查幾乎令人望而卻步。哈勃望遠鏡在分辨率、探測深度和視場方面所取得的成就是非常了不起的，但它在這些方面確實也達到了極限。

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在左邊的大圖中，一個名為MACS J1149+2223的大質(zhì)量星團中的星系主導(dǎo)著這一場景。這個巨大的星系團產(chǎn)生的引力透鏡效應(yīng)使這個新發(fā)現(xiàn)的被稱為MACS 1149-JD的星系發(fā)出的光變亮了約15倍。在右上角，局部放大可以更詳細地顯示MACS 1149-JD，而在右下角可以看到更大的圖像。這是正確并與廣義相對論一致的，與我們?nèi)绾蜗胂?或是否想象)空間無關(guān)。(NASA / ESA /STSCI/ JHU)

最后，就是波長限制。恒星發(fā)出各種各樣的光，從紫外線到可見光再到紅外線。這不是巧合，這就是哈勃的設(shè)計目的:尋找與我們所知道的恒星發(fā)出的光波長和種類相同的光。

但這也是一個根本性的限制。你看，當(dāng)光穿過宇宙時，空間的結(jié)構(gòu)本身也在膨脹。這導(dǎo)致了光的變化，即使它本質(zhì)上是短波長的發(fā)射，它的波長也會因為空間的膨脹而被拉長。當(dāng)它到達我們的眼睛時，被一個特定的因素改變了，這個因素是由宇宙的膨脹率和物體到我們的距離決定的。

哈勃的波長范圍設(shè)定了一個基本的限制，我們可以看到的宇宙大約是4億年前的宇宙。

已知宇宙中迄今為止發(fā)現(xiàn)的最遙遠的星系GN-z11，它的光來自134億年前:當(dāng)時宇宙的年齡只有現(xiàn)在的3%即4.07億歲。但是宇宙中還有更多遙遠的星系，我們希望詹姆斯·韋伯太空望遠鏡能發(fā)現(xiàn)它們。(NASA, ESA，AND G. BACON (STSCI))

哈勃所發(fā)現(xiàn)的最遠星系GN-z11就在這個極限邊緣。它在一幅深視野圖像中被發(fā)現(xiàn)，并且擁有一切可以想象得到的東西。

哈勃望遠鏡所能觀測到的所有波長范圍都能觀測到這種現(xiàn)象，只有它所發(fā)射出的紫外線在哈勃所能測量到的最長波長的紅外濾光鏡中才能看到。它被附近的一個星系引力透鏡化，放大了它的亮度，使其超過了哈勃自然限制的模糊閾值。

它恰好位于一個在早期經(jīng)歷了高水平恒星形成的視線(統(tǒng)計上不太可能)上，為發(fā)射的光提供了一條清晰的路徑，使其在不被阻擋的情況下行進。迄今為止，還沒有發(fā)現(xiàn)和證實有其他的星系與該天體的距離接近。

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只是因為GN-z11這個遙遠的星系，位于星系間介質(zhì)大部分被重新電離的區(qū)域，哈勃才能夠在此時向我們揭示它。為了看得更遠，我們需要一個比哈勃更好的天文臺，來為這類探測做優(yōu)化。(NASA, ESA, A. FEILD, STSCI)哈勃可能已經(jīng)達到了極限，但是未來的天文臺能夠?qū)⑽覀儙У竭h遠超過哈勃極限的地方。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡不僅更大——主鏡直徑為6.5米(相對于哈勃望遠鏡的2.4米)——而且可以在更低的溫度下工作，使它能夠看到更長的波長

在這些長波高達30微米(而不是哈勃的1.8微米)的地方，詹姆斯·韋伯將能夠透過阻擋光線的塵?？吹接钪娴拇蟛糠帧４送?，它將能夠看到更大的紅移和更早的回溯時間的物體:看到宇宙只有2億年的時候。哈勃可能會發(fā)現(xiàn)一些非常早期的星系，而詹姆斯·韋伯可能會在它們第一次形成的過程中就發(fā)現(xiàn)它們。

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哈勃望遠鏡的觀察區(qū)域與WFIRST在相同深度、相同時間內(nèi)能夠觀察到的區(qū)域相比。WFIRST的廣域視野將讓我們能夠捕捉到比以往更多的遙遠超新星，并使我們能夠在以前從未探測過的宇宙尺度上對星系進行深入、廣泛的調(diào)查。無論它發(fā)現(xiàn)了什么，都將帶來一場科學(xué)革命，并為暗能量在宇宙時間中的演化提供最佳約束。(NASA / GODDARD / WFIRST)

其他的天文臺例如哈勃只能將把我們帶到表面的領(lǐng)域。美國國家航空和宇宙航行局(NASA)提出的本世紀(jì)20年代的領(lǐng)頭羊 (WFIRST)將與哈勃非常相似，但視野將是哈勃的50倍，因此非常適合進行大規(guī)模的勘測。LSST這樣的望遠鏡將幾乎覆蓋整個天空，其分辨率可與哈勃望遠鏡相比，觀測時間更短。未來的地面天文臺，如GMT或ELT，將迎來30米級望遠鏡的時代，可能最終在實際分辨率方面超過哈勃。

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即使哈勃已經(jīng)達到了極限，它仍然在把我們的視野擴展到遙遠的宇宙，并提供數(shù)據(jù)，使天文學(xué)家能夠推動已知的前沿。但要真正走得更遠，我們需要更好的工具。如果我們真的重視并且去了解宇宙的秘密，包括它是由什么構(gòu)成的，它是如何形成今天的樣子的，它的命運是什么，那么下一代的天文臺將是無可替代的。

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作者: Ethan Siegel

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