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哈勃究竟能看多远?宇宙洪荒尽收眼底

2015-05-10 19:45:10 整理发布    

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。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...《哈勃究竟能看多远?宇宙洪荒尽收眼底

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。

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

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。

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。

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!

图片来源:NASA、ESA、P. Oesch(耶鲁大学)、CANDELS小组这个编号为EGS-zs8C1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。

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。


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