哈勃望遠鏡如何看到遙遠的宇宙?


哈勃望遠鏡如何看到遙遠的宇宙?

哈勃太空望遠鏡

哈勃太空望遠鏡可以觀測到遙遠宇宙中的星系,但宇宙中充滿各種天體,難道星球或者星系不會擋到哈勃的觀測視線嗎?

宇宙中的天體非常多,一個星系中會包含數以億計的恆星和行星。星球或者星系確實會阻擋遙遠星系發出的光,這樣哈勃就無法接收到這些光,所以也就無法觀測到這些遙遠的星系。

然而,宇宙空間非常的空曠,尤其是星系際空間更是極度空曠。整個宇宙的平均密度僅為1×10^-29克/立方厘米,相當於普通水的密度的10萬億億億分之一。另外,可觀測宇宙中的星系數量可能多達上萬億個。在如此空曠的宇宙空間中,光線剛好被擋住的星系佔比很少,大部分星系發出的光最終都能到達地球,所以哈勃可以觀測到大量的遙遠星系。

哈勃望遠鏡如何看到遙遠的宇宙?

引力透鏡效應

質量較小的星系會阻擋背景星系發出的光,但由大量星系聚集成的星系團卻不會擋住背景星系。由於質量巨大的星系團會強烈彎曲周圍的空間,背景星系發出的光抵達星系團時將會沿著彎曲的空間運動,從而可以繞過星系團繼續向前傳播,最終到達地球,這就是廣義相對論所預言的引力透鏡效應。

哈勃望遠鏡如何看到遙遠的宇宙?

阿貝爾1689星系團

通過引力透鏡效應,哈勃望遠鏡可以觀測到星系團後面的星系。例如,位於22億光年之外的阿貝爾1689星系團擁有巨大的質量,它扭曲了背景星系的圖像。

如果星系的排列恰到好處,有時還會產生非常特殊的現象——愛因斯坦環:

哈勃望遠鏡如何看到遙遠的宇宙?

愛因斯坦環

上圖中,那個明亮的紅色前景星系(LRG 3-757)剛好與藍色的背景星系和地球排成一條直線,前景星系的引力扭曲了背景星系發出的光,形成了愛因斯坦環。

除了愛因斯坦環之外,還有更為罕見的愛因斯坦十字:

哈勃望遠鏡如何看到遙遠的宇宙?

愛因斯坦十字

上圖中,處在十字中心的是位於4億光年外的前景星系,而周圍的四個亮點則是位於80億光年外的類星體(活躍的超大質量黑洞)。類星體只有一個,但由於引力透鏡效應,它呈現出了四重圖像,形成了愛因斯坦十字。

哈勃望遠鏡如何看到遙遠的宇宙?

MACS J1149.5+223星系團

甚至,星系團的引力透鏡效應還能起到放大鏡的作用,使得極為遙遠的恆星也能被直接觀測到。MACS J1149.5+223是一個位於50億光年外的大型星系團,其強大的引力透鏡效應放大了背後的遙遠恆星,使得哈勃可以觀測到位於94億光年之外的單顆恆星。而在正常情況下,以哈勃的極限分辨率,最遠只能觀測到1億光年外的單顆恆星。

此前,哈勃太空望遠鏡對著天空中一塊非常小的黑暗區域進行長曝光拍攝,累計時間長達二十幾天。結果觀測到了5500個的遙遠星系,它們發出的光用了132億年才來到地球上被哈勃接收到,這就是著名的哈勃極深場(XDF)。

哈勃望遠鏡如何看到遙遠的宇宙?

哈勃極深場

哈勃極深場中的星系非常年輕,因為那時距離宇宙形成才6億年。經過漫長時間之後,這些星系如今已經演化成類似銀河系的大型星系。不過,由於光速的限制和宇宙空間的膨脹,我們無法觀測到這些星系的目前景象。

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