极具耐心的宇宙摄影师：超过1.8万篇论文、1个诺奖......

近日，发表于《自然》（Nature）的一项研究，报告了哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope，缩写HST）对一个极为遥远的恒星的观测情况，该恒星可能为单星或处于恒星系中，约在大爆炸后9亿年形成，这是迄今发现的最远的一颗恒星，反映了宇宙演化早期的状态。

而几天后发表于《自然·天文学》（Nature Astronomy）的另一项工作中，研究人员则借助于HST发现了一颗特别的类木行星御夫座AB，可能颠覆了传统的类木行星形成模型。

HST于1990年发射，取得了众多突破性的成果，迄今仍在扩充着人类对宇宙的认知。

在其30多年的生涯中，HST已经进行了140多万次观测，科学家依据其观测数据，撰写了超过18000篇论文。

它的后期目标定位于遥远的漩涡星系，并帮助绘制了暗物质的区域图。对HST图像的分析，甚至帮助科学家们获得了2011年的诺贝尔奖——发现宇宙的膨胀速度正在加快。

也因此，人们如此评价HST：当地球上有问题时，哈勃会回答。

HST拍摄的蝴蝶状星云

HST的“十大发现”

在HST其后的工作时间里，天文观测取得了巨大成功，天文学领域据此发表了大量观测、分析、研究性论文，且引用率很高。

HST拍摄了大量宇宙空间、星系和恒星的照片；在不同波段对宇宙进行了长期观测；观测到距地球130亿光年的原始星系，发出的光芒来自大爆炸后刚形成的宇宙早期；发现了5颗太阳系行星。

此外，它还在黑洞、类星体、恒星诞生与死亡、宇宙年龄、暗物质等方面的观测研究中取得了突出成果。

HST在2013年拍摄的船底星云的恒星托儿所

截止到2006年，HST在轨运行了15年，得到了许多激动人心的发现，拍摄了45亿张精美的天文照片。人们对它的发现进行了总结，评出了最重大的“十大发现”：

<01>

HST的主要任务之一就是帮助天文学家测定宇宙的准确年龄。

天文学家用HST观测到仙女星座和其它星群中的造父变星，以确定宇宙的膨胀速度和年龄。HST将宇宙的年龄精确到130亿至140亿年之间。目前，最新的研究结果将宇宙年龄精确到了137亿岁。

<02>

HST在对暗能量的研究工作中扮演了重要角色。

暗能量是一种神秘形态的力，起到宇宙气体“踏板”的作用，加快了宇宙膨胀的速度。

HST关于超新星的资料，帮助研究者揭示这种神秘力量在宇宙中持续存在。

<03>

HST完成了对太阳系外一颗行星大气层化学构成的直接测量。

在一颗木星大小的行星大气中，它发现了钠、氢、碳和氧元素。

这一观测结果证明，HST和其它望远镜可以从一些天体的大气中进行化学构成的采样工作。

<04>

HST给天文学家提供了遥远的星系照片，反映了宇宙诞生之初的景象，为科学家进一步了解宇宙的起源和演变提供了宝贵的资料。

<05>

HST拍摄了M87椭圆星系的图像，观测资料证实大多数星系的中心都具有一个巨大的黑洞。

HST拍摄的M84中央黑洞

<06>

1999年1月23日HST捕捉到了伽马射线暴的景象，这是当时纪录过的最大规模的一次伽马射线暴。

拍摄的图像显示，这些放射线的短暂闪光来自于遥远的星系，这些星系以非常快的速度形成众多恒星。

图像还确定了这些爆炸来源于一些巨大星体的瓦解。

<07>

天文学家使用HST追踪到一些类星体的“家”（宿主星系），并且证明它们位于这些星系的中心区域。

HST拍摄的类星体与星系合并图像

<08>

HST拍摄到了猎户星云中的原行星盘，资料证明，烤盘形状的尘埃盘围绕着年轻恒星的现象很平常。

HST拍摄的猎户座星云

<09>

HST拍摄到了1994年7月名为苏梅克·列维9号的彗星断裂成21个碎块撞击木星的情景，撞击所产生的蘑菇形火球冲击到了木星上空。

HST在1994年7月拍摄的彗星撞击木星的照片

<10>

HST拍摄到的一组在跳跃的颜色中烁烁发光的行星状星云，向人们描绘了垂死恒星的最后色彩。

行星状星云是一些即将消亡的恒星所抛射出的气体外壳，HST拍到的图像显示，行星状星云就像雪花一样，没有任何两个是完全一样的。

HST拍摄的超新星爆发

HST拍摄的超新星SN 1993J

HST在第二次维修前的巨大成就

到1997年4月，HST已工作了7年，这期间它取得了丰硕的科学成果。

来自全世界20多个国家的2000多名科学家，利用HST进行了11万多次科学观测，并在分析的基础上撰写了1346篇论文。

HST在2004年拍摄的土星照片

这期间HST取得的主要成就包括：增进了人类对宇宙年龄和大小的了解；证明某些星系中央存在超高质量的黑洞；观察了数千个星系和星系团，探测到了宇宙诞生早期的“原始星系”，使科学家有可能跟踪研究宇宙发展的历史；对神秘的类星体和其存在的环境进行了深入观测；更深入揭示了恒星的不同形成过程；对宇宙诞生早期恒星形成过程中重元素的组成进行了研究；揭示了已死亡的恒星周围气体壳的复杂组成；对猎户座星云中年轻恒星周围的尘埃环进行了观测，揭示出银河系中存在其他行星系统；对苏梅克彗星与木星相撞进行了详细观测；对火星等行星进行了观测；发现木星的两颗卫星——木卫二和木卫三的大气层中存在氧。

HST在2003年拍摄的爱斯吉莫人星云

HST第二次维修安装的近红外相机及多目标分光计和图像摄谱仪，使望远镜能够跟踪宇宙大爆炸后10亿年左右形成的古老星系，并能详细观测黑洞、膨胀的星系、爆炸后的恒星以及众多天体。

宇航员正拆下戈达德高分辨率摄谱仪

第二次维修工作使HST的寿命得到提高，观测能力进一步增强，观测光波段延伸到近红外范围。

创造早期宇宙成像的黄金时代

HST在多次维修过程中，更换了所有的原装观测仪器。

其中有两件新仪器非常重要，分别是第三次维修时安装的高级巡天相机（ACS）和第五次维修时安装的宽视场相机3号（WFC3）。

ACS在可见光到红外光中能穿越宇宙级的距离，非常适合测量红移星系和中等到大型星系团。

ACS

WFC3用于观测研究各演化阶段的星系，从极遥远的年轻星系到较近的恒星系统，也包括太阳系内的行星系统和系外行星。

它的主要特点是跨越电磁频谱的能力，从紫外线到可见光，并进入近红外（NIR）波段，其在近红外源获得的全新高清晰图像，使之成为后继者韦伯望远镜的重要先驱。

WFC3

WFC3的广谱“全色”覆盖范围与ACS是极好的补充，两者协同工作，被认为创造了一个新的早期宇宙成像的黄金时代，为天文学家提供了当时最佳观测功能，在宽波长范围内提供了极好的宽视场成像质量。

探索早期宇宙和星系

HST在早期宇宙和星系观测方面的重要成果，可追溯到宇宙大爆炸数亿年后的情形，对认识早期宇宙、早期星系具有重要意义。

HST在2013年拍摄的环状星云

这些成果大都采用HST的超深场模式（Ultra Deep Field）拍摄，采用的仪器前期主要是ACS，2009年后则以高ACS与WFC3的组合为主。

这种观测模式一般在极小的天区范围进行，约为满月直径的十分之一，视场范围内包含约5500个星系，最暗星系的亮度是人眼所能看到的亮度的百亿分之一，即使用先进的观测仪器也非常难以“看到”，因此经常采用“引力透镜”原理将观测源发出的光线进行聚焦、放大。另外，拍摄这样一张极远的宇宙图像，往往需要多次、长时间曝光。

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2003年9月24日至2004年1月16日间，HST对南天区鲸鱼座和波江座附近的天炉座一小片天区，进行了800次曝光，总曝光时间达11.3天，最终拍摄了一张照片。

HST在2004年拍摄的早期宇宙

照片中最小、最红的小点显示的遥远星系，约有100个，可能是当时已知最遥远的星系，存在于宇宙大爆炸后8亿年的时候。

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2009年，HST在近红外光下拍摄了更远、更深的宇宙图像。

当年8月，HUDF09团队利用新安装的WFC3红外通道，对前述同一天区进行观测，拍摄过程共4天，总曝光时间173000秒。

HST在2009年拍摄的早期宇宙

照片显示的星系红移量Z达到8 8.5，推算出这是宇宙大爆炸后6亿年的情景。

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2012年11月16日，HST在大熊星座附近的一个小天区进行了极深场拍摄，并且利用了周围巨大的星系团产生的引力透镜放大效应，获得了一个名为MACS0647-JD的星系照片。

HST在2012年拍摄的MACS0647-JD，图片左边的插图为该星系特写

MACS0647-JD只在红色波长下发光，是一个非常年轻的星系，估计形成于宇宙大爆炸后4.2亿年，其直径约600光年，比银河系（直径150000光年）小约250倍。

早期的星系一般都极不稳定，在此后的数十亿年间将发生无数次碰撞，然后逐渐形成我们能看到的巨大宇宙结构。

在接下来的130亿年中，MACS0647-JD可能会与其他星系和星系碎片发生数十、数百甚至数千次合并事件，这一观测成果将有助于科学家了解宇宙在第一批恒星和星系出现时如何形成。

没有最远，只有更远！

HST和宇航局另一个重要的红外天文卫星（运行于地球跟随日心轨道）斯皮策太空望远镜（SpitzerSpace Telescope，缩写为SST）单独或共同作出的发现，不断改写着观测最远星系的历史。

正应了那句话“没有最远，只有更远！”

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2015年5月和9月，发现了两个最远星系候选者，前者被命名为EGS-zs8-1星系，距离地球约131亿光年；后者被命名为EGS8p7星系，距离地球约132亿光年。

按照目前对宇宙年龄的估计，它们分别诞生于大爆炸6亿年和5亿年后。

EGSY8p7的位置

EGS-zs8-1星系的红移是此前测量中最高的，最初由HST和SST识别，后来使用夏威夷凯克天文台10米望远镜进行了详细观测。

EGS-zs8-1星系的位置

根据这些观测和分析结果，研究人员认为EGS-zs8-1中的恒星“年龄在1亿到3亿年之间”，是非常年轻的恒星，也是宇宙诞生后的第一批恒星。因而，EGS-zs8-1在当时被认为是迄今为止被观测到的最古老星系之一。

观测结果还表明，EGS-zs8-1形成恒星的速度是银河系的80倍，非常活跃。

此外，根据SST在该星系和其他早期星系中观察到的独特颜色，科学家认为可能是这些星系中的原始气体相互作用导致大质量年轻恒星快速形成所造成。

对该星系的进一步研究，有可能揭示在早期星系和年轻恒星里形成重元素的类型和数量。

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2018年，在观测SPT-CLJ0615-5746星系团时，HST非常幸运地发现了SPT0615-JD星系。

这是一个很小的、处于胚胎期的星系，距离大爆炸仅5亿年，HST是借助引力透镜原理，拍摄到了这个星系的照片。

SPT0615-JD星系胚胎，照片中嵌入的弧形结构不仅是背景星系的放大图像，而且是一个被涂抹成新月形的图像

天文学家估计，这个小星系的质量不超过30亿太阳质量（大约是银河系质量的1/100），直径不到2500光年，只有小麦哲伦星云的一半。该星系被认为是大爆炸后不久即出现的年轻星系的原型。

虽然在早期时代，已经看到了一些其他的原始星系，但由于它们的小尺寸和巨大距离，看起来都像是小小的红点。

然而，在一个巨大的前景星系团的引力场作用下，不仅放大了背景星系发出的光，而且还将目标星系也放大成了小弧形（约2弧秒长）。

结合HST和SST的数据，该新生星系的红移值高达10，其时间可回溯到133亿年前，即宇宙诞生后4~5亿年。

科学家指出，这个星系已经处于HST探测能力的极限，后续工作将由韦伯太空望远镜继续，包括早期宇宙中恒星诞生、演化的细节以及早期星系的子结构问题。

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2014年1月5日-9月28日，HST利用ACS和WFC3的红外通道，在南天波江座附近，又观测一个非常遥远的星系，并将其取名Tayna，意思是“第一个出生”。

Tayna星系

这次观测和成像也利用了引力透镜原理，大大增强了星系的光线亮度，使其看起来比正常亮度高20倍。

根据其红移数据，科学家估计它距离我们约有133亿年，相当于宇宙诞生后4亿年，是当时发现的最远天体。

它的大小与大麦哲伦星云相当，里面的恒星形成速度为大麦哲伦星云内恒星形成速度的10倍。

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HST于2015年2月11日和2015年4月3日对北天区进行深入观测，并于2016年3月3日在大熊星座方向发现了可能是迄今为止已知的最远星系，但当时并未估计出该星系的红移量。

2017年4月，北京大学科维理天文与天体物理研究所江林华领衔的国际团队利用世界上最先进的地基红外望远镜之一——夏威夷山上10米口径的凯克望远镜，对这个星系进行了深度光谱观测，基于光谱分析和计算得出该星系的准确红移为10.957，证实其为134亿光年之外的星系，即这个星系只有3 4亿岁。

由于该星系红移量高达11，因此将其命名为GN-z11，其中z就代表红移。

GN-z11星系

研究团队不仅从光谱中读出了准确红移，也读出了其他信息。

光谱显示有三条发射线，由碳和氧的二次电离气体发出，表明该星系中已有丰富的非氢非氦元素。该信息暗示，新发现的星系可能并非宇宙中的第一代星系。

这个发现对理解宇宙早期星系和恒星形成有重要意义，为研究宇宙极早期天体打开了一扇窗口。

HST和SST联合成像显示，GN-z11比银河系小25倍，恒星质量仅为银河系的1%。然而，GN-z11的成长速度非常快，形成恒星的速度大约是银河系的20倍。

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HST和SST对于宇宙极深处和极早期的观测和取得的成果已经今科学家万分激动。

红外波段更宽、仪器观测精度更高的韦伯望远镜应当能够观察到更遥远、距离大爆炸仅几亿年的早期宇宙和第一批恒星、星系面貌，有可能取得更具突破性的成果。

作者简介：李成智，北京航空航天大学人文社会科学高等研究院教授、博士生导师。