Chapter 1 通过哈勃空间望远镜看太空

眼睛让我们看到周遭的世界，并了解宇宙的大部分内容。望远镜的发明则延伸了我们视线可及的宇宙空间。然而，即使是最强大的望远镜，地球的大气层湍流也会使被观测天体的图像变得扭曲和模糊。虽然望远镜可以放大被拍摄的天体，但是光波会在地球的大气层中弥散和弯曲。哈勃空间望远镜的轨道在地球大气层之上，因此其拍摄的图像远比地面上的望远镜拍摄的清晰。

哈勃眼中的月球

这两张高分辨率紫外线和可见光图像（下图）展现的是阿波罗17号在1972年登陆的金牛—利特罗峡谷。图像中红色的X标记的是阿波罗17号的着陆点。右上角是留下来的登月舱下降级部分，大小如同一辆小卡车，但是哈勃空间望远镜仍然无法观测到。哈勃空间望远镜在这样的距离能看到的最小物体约为60～75码（约为55～68米。——译者注）。

金牛—利特罗峡谷

图片来源：NASA/ESA /HST Moon Team

哈勃空间望远镜可以看到人眼所无法看到的东西。阿利斯塔克环形山的彩色合成图像（下图）使用了紫外线到可见光信息来强调月球表面物质的差异，这有助于表明月球表面可能含有钛铁矿、火山玻璃和其他物质。这对于未来的月球探测任务中的物质鉴定来说是有用的。

图片来源：NASA/ESA/HST Moon Team

哈勃能观测到的波段有哪些？

美国国家航空航天局完成了哈勃空间望远镜的维护任务后，哈勃空间望远镜可以通过6种仪器观测宇宙：

滤镜用来记录和微调特定范围的光波。

先进巡天相机观测的波段包括：紫外辐射、可见光、近红外。

宇宙起源摄谱仪（Cosmic Origins Spectrograph, COS）将紫外辐射分解成更小的部分供科学家们研究星系演化，例如恒星是如何形成的。

精细导星传感器帮助哈勃空间望远镜对准和锁定导星，并测量它们的相对亮度以确定望远镜目前正在拍摄的方向，它帮助哈勃空间望远镜对准在正确的方向上。而且这些传感器本身也可以进行精确的测量。

近红外相机和多目标摄谱仪（Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer，NICMOS）对红外线敏感，可以透过深空中的气体和尘埃观测到被遮挡住的目标。

空间望远镜成像光谱仪（Space Telescope Imaging Spectrograph，STIS）的目的是将光线分成如下几种成分：可见光、紫外线、红外线。不幸的是，该仪器目前已经不再工作了。然而，第三代大视场相机（Wide Field Camera 3，WFC3）可以用来观测近红外、远红外和紫外线，所以它可以替代大部分NICMOS和STIS的功能。

先进巡天相机(ACS）

宇宙起源摄谱仪(COS）

精细导星传感器(FGS）

近红外相机和多目标光谱仪(NICMOS，2008年后设备休眠）

空间望远镜成像摄谱仪(STIS，已停止工作）

第三代大视场照相机(WFC3）

恒星的亮度

古希腊人曾记录下了星星的亮度，他们使用更高的星等来表示更暗的星——从1等星到6等星。1610年，伽利略将他的望远镜指向夜空，发现了从前没有见过的、比6等更暗的星，因此增加了7等星。随着望远镜的功能日益强大，天文学家们所能观测到的星等也不断提高。如今，哈勃空间望远镜所能观测到的目标最暗可达31等。同样，我们也可以记录那些比1等星更亮的目标，方法是使用0等甚至负数来记录这些目标的亮度。比如太阳（下图，由太阳动力学天文台SDO拍摄），星等为-26.7等。

太阳动力学天文台拍摄的太阳

图片来源：NASA/SDO

星等的类型

星等可以分为多种类型。视星等指的是一个目标从地球的夜空看过去的亮度。绝对星等是将一个目标放置在距地球指定距离时所测量的亮度。绝对热星等是指一个目标所有波段的光度，而不仅仅是可见光波段。哈勃空间望远镜拍摄的许多图像都是由可见光、红外线以及其他波段的图像合成的。

IC342星系（下图）是非常亮的天体，以至于我们在地球上使用双筒望远镜就能观测到它。图中的亮蓝色区域是较热的恒星形成区。

星系IC342

图片来源： ESA/Hubble & NASA

明与暗

哈勃空间望远镜所拍摄的图像通常包含许多类型的目标，而这些目标又有不同的光度、细节和亮度。最终的图像是由多台仪器所记录的不同波长的数据组合而成。因此，需要明与暗的平衡来显示图像中正在发生的事情。

例如在这张哈勃望远镜拍摄的图像中（下图），图像的中上部有一颗年轻的恒星，编号为SSTC2D J033038.2+303212，周围伴随着一些形状像盘状或者碟状的物质。恒星的下方是一个反射星云——[B77]63。在星云中包含了两颗恒星，即LkHA326和LZK18，它们的光照亮了星云中的气体。在星云[B77]63的前方是一个暗星云，称作土桥 4173（因该星表作者为日本天文学家土桥一仁。——译者注）。它之所以被称为暗星云，是因为其中的物质遮蔽了后方的光线。在这一区域的恒星实际上是在星云的前方，而不是星云的一部分。

这张图像中包含了恒星、星云以及一些形状像盘状或碟状的物质

图片来源：ESA/Hubble & NASA

太空的颜色

哈勃拍摄的图像通常开始于一个目标不同波段的三张黑白图像。当它们被合成时，每个波段将会被赋予一种颜色。这种复合图像传达了科学家对这些研究对象的理解。

哈勃拍摄的图像通常和许多其他仪器拍摄的图像合成在一起，因为其他仪器可以记录下目标的其他特性。这张蟹状星云的图像使用了来自其他四种不同仪器的数据，并结合了哈勃空间望远镜拍摄的可见光波段。

蟹状星云合成图像

图片来源： NASA, ESA, G. Dubner （IAFE, CONICET University of Buenos Aires） et al.; A. Loll et al.; T.Temim et al.; F. Seward et al.; VLA/NRAO/AUI/NSF;Chandra/CXC; Spitzer/JPL- Caltech; XMM-Newton/ESA; and Hubble/STScI

哈勃空间望远镜：

可见光波段，图中用绿色表示

甚大阵射电望远镜（Very Large Array）：

射电波段，图中用红色表示

斯皮策空间望远镜（Spitzer Space Telescope）：

红外线，图中用黄色表示

XMM-牛顿卫星：

紫外线波段，图中用蓝色表示

钱德拉X射线天文台（Chandra X-ray Observatory）：

X射线波段，图中用紫色表示

放眼远方

谷神星位于火星与木星轨道之间。

图片来源： NASA, ESA, J. Parker （Southwest Research Institute）, Thomas （Cornell University）, L. McFadden （University of Maryland, College Park）, and M. Mutchler and Z. Levay （STScI）

冥王星的卫星卡戎（冥卫一，Charon）距离冥王星0.000624光年，位于太阳系内。

图片来源：NASA, ESA, H. Weaver （JHUAPL）, A. Stern （SwRI）, and the HST Pluto Companion Search Team

林尼尔彗星/252P 是一颗近地天体，发现于2010年。它运行在一个椭圆轨道上，有时会非常接近太阳。

图片来源： NASA, ESA, and J.-Y. Li （Planetary Science Institute）

星系NGC2768是一个椭圆星系，距离地球6500万光年。它的中心是一个特大质量黑洞。

图片来源： NASA/ESA/Hubble

当一个目标距离我们越远，它看起来就越暗淡。无论是我们的肉眼，还是地面上的望远镜，甚至是哈勃空间望远镜乃至星系引力透镜，都无法看到宇宙中最遥远的目标。对于那些太阳系中离我们较近的目标，使用哈勃空间望远镜的观测效果与地面上的望远镜相比并没有清晰很多。这是事实，因为这些目标本身并不发光，只是反射太阳光。太阳系中离我们更远的目标的表面细节比更近的目标要少，例如我们所观测到的冥王星表面的细节就比土星的卫星要少。

同样的道理也适用于拍摄更遥远的目标，例如恒星、星系还有星系团，即使它们自己会发光。随着观测的仪器和技术变得更加精细，我们的数据收集变得更有成效，我们可以看得更远。那些宇宙中遥远天体的图像大大加深了我们对它们以及对离我们更近的世界的理解。

天文距离单位一光年等于光在真空中一年时间内传播的距离，知道这一点是很有用的。冥王星和它的卫星卡戎（Charon，上图中靠近左侧中间位置）或许看起来很像恒星，但是它们属于太阳系，距离我们的距离仅仅是一光年的很小一部分。另一方面，星系NGC2768的图像看起来比冥王星和卡戎更小，但是它离地球约6500万光年，而且它可能包含了超过一百万颗恒星。

真彩色与假彩色

搭载在哈勃空间望远镜上的仪器对特定范围的电磁波非常敏感。每一张图像都是从一张单色图像开始的。当这张图开始与其他仪器获取的数据进行合成时，它的颜色开始看起来更真实。有时候这些图像反映的是真实的色彩。但是，一些哈勃图像的色彩通常是与其他仪器获得的数据结合的结果，而且是我们人眼无法看到的，如红外线和紫外线数据。特定波段的电磁波被赋予不同的颜色，由此得到了假彩色图像，使得我们可以看到那些本来看不到的东西。这让那些存在但是并不可见的东西变得有模有样。

像素与分辨率

许多观测对象被拍摄的图像只是它本身的极小一部分。当缩放到更近的视角时，分辨率会下降，图像也变得像素化。哈勃的硬件和软件经过多次升级，提升了图像的质量。所以，当查看一个低分辨率图像时，例如本页及前页的图像，我们应该能猜到这些是哈勃进行升级之前拍的图像，或者是非常遥远的目标被放大过很多倍后得到的图像。这些像素化的图像告诉我们关于观测目标的事实，这些图像尽管不如那些高分辨率图像美丽，但一样具有开创性的科学价值。