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天文|我们已经达到了哈勃望远镜的极限( 二 )


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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 。
天文|我们已经达到了哈勃望远镜的极限
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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 。
天文|我们已经达到了哈勃望远镜的极限
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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 。


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