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哈勃望远镜的未来会有多强大?
2015-05-10 18:19:26  来源:星空天文网  作者:佚名  关注:  点评:0点击收藏
龙媒网(www.longmeicn.com):

  哈勃发现的最遥远星系正在接近它的能力极限,这台史上最强大的望远镜可能永远也看不到宇宙中最遥远的星系。

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图片来源:NASA / 哈勃小组

  “那些基于相同价值观的友谊,是距离和时间无法损害的。”——罗伯特·索西

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图片来源:NASA、ESA、G. Illingworth、D. Magee 以及 P. Oesch(圣克鲁兹加州大学)、R. Bouwens (莱顿大学)以及 HUDF09 小组

  整个天空可能布满了数千亿个星系。但实际上,这些星系中的一部分由于太黯淡太遥远,哈勃只能勉强看到它们。

  限制望远镜能力的原因有两个,一个比较明显,一个比较微妙。

  明显的原因是:虽然哈勃的主反射镜直径达到了 2.4 米,但它收集光子的能力仍然会受限制。因此即使长时间曝光 23 天,也只能看到最遥远距离上那些非常明亮的星系。

  微妙的原因是:我们看得越远,天体光的红移就会越明显。而这一点非常有意思。

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图片来源:NASA、ESA、R. Bouwens 以及 G. Illingworth (加州大学)

  大部分最年轻、最炽热、最明亮恒星发出的光线,人眼是看不到的,因为它们实际上是紫外线。

  但宇宙在膨胀,星系在远离。这意味着来自遥远恒星和星系的光子,在到达地球的过程中会发生红移,它们的波长会被拉伸。

  当我们看到一个明亮、遥远的红色星系时,可以通过比较它在蓝、绿、红和(近)红外光上的相对亮度,来估算它的红移程度,但这也只能估算。如果想知道它真正的红移值,并通过哈勃定律来获知它的距离,就需要测量一些更为确定的东西。

  幸好宇宙各处原子的物理特性、原子跃迁的特点是一样的。假如我们能够测量来自天体的发射线光谱(取决于星系的类型,也可以是吸收线光谱),确定元素的成份,就能够以一种非常直接的方式进行计算:

  •它的红移,

  •它的距离,

  •它发光时宇宙的年龄。

  在原子跃迁过程中,最强、最易见的恒星或星系发射线来自氢,它在紫外(莱曼系)、可见光(巴尔莫系)或红外(帕邢系)波段上都能够进行跃迁。

  但是这些谱线——以及它们的波长——是在这些星系的静止坐标中进行计算的。随着宇宙的膨胀,这些波长会产生极大的红移。最强烈也最容易辨识的跃迁,也就是通常发生在 121.567 纳米波段上的莱曼-阿尔法跃迁,也会产生不可思议的偏移。在一个例子中,红移后的莱曼-阿尔法谱线波长接近了 540 纳米。

  哈勃上最新、最强大的相机——3 号广域相机使用的滤镜可以观测到 1700 纳米的波长。因此理论上我们可以看到红移值达 12 或 13,即相当于宇宙年龄只有当前 3% 时的天体。但不幸的是,我们在进行深空观测时并没有使用这些红外滤镜。为了捕捉到更多的光,我们使用了广域波段滤镜。在这个波段上,我们可以达到的最长波长约为 850(上限为 900)纳米。

  因此事实上如果我们想看得更远,即便达不到与哈勃相同的分辨率,或者像哈勃那样能够看到更暗的星系,也会经常使用专业的红外太空望远镜,比如斯皮策望远镜来进行观测。

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图片来源:NASA、JPL-Caltech、STScI-ESA、Y. Ono (东京大学) 以及 B. Weiner (亚里桑那大学)

  我们随后也需要用地基 8 至 10 米级望远镜来确认这些候选者的光谱。长久以来 UDFj-39546284 这个星系是红移记录的保持者,它的红移值达到了惊人的 11.9!但是你可能已经猜到,这样的星系是哈勃根本看不到的。而且随后的观测也显示,之前的结果受了低红移天体欺骗性发射线的干扰。

  不过现在,我们已经有了一个经确认的新记录保持者!

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图片来源:NASA、ESA、P. Oesch(耶鲁大学)、CANDELS 小组这个编号为 EGS-zs8–1 的星系红移值是 7.7,是此类星系中经确认红移值最高的一个。

  这个数字代表的意思,是光线从这个星系出发时,宇宙的年龄只有 6.6 亿岁。这个星系距离我们大约 290 亿光年,是目前发现的最遥远星系。

  要观测这样的星系已接近哈勃能力的极限。哈勃最多只能探测到红移值不超过 8 或 9 的天体,而宇宙中可能存在着红移值达 15 甚至 20 的星系!

  虽然哈勃要观测大于 1 微米的波长已经相当吃力,但是詹姆斯·韦伯太空望远镜的观测能力达到了 30 微米左右,它拥有前所未有的灵敏性和更高的分辨率,收集光的能力也是哈勃的六倍左右!

  现在只需一点点运气,我们就能发现宇宙中最遥远的星系。虽然哈勃很伟大,但是它也有局限。在超长波段射电天文学出现之前,詹姆斯·韦伯太空望远镜将是我们发现最遥远星系的希望。

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图片来源:NASA、JWST 小组

  我已经迫不急待。人类终将揭开遮盖在可见宇宙未知领域上的最后面纱,而这只是时间问题。

  文/Ethan Siege

  译/老孙
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