最后更新：2025年10月12日

哈勃太空望远镜：三十年的启示

地球轨道上的哈勃太空望远镜 — *“超深场”（2004年）是NASA哈勃太空望远镜历时十年，对一小片天空区域拍摄所得的照片成果。图片来源：NASA*

一扇面向宇宙敞开的窗户

1990年4月24日发射的哈勃太空望远镜已成为现代天文学中最具影响力的仪器之一。它在547公里的高度轨道运行，摆脱了地球大气湍流的干扰，能提供约0.05角秒的角分辨率。哈勃望远镜已探索到红移值 \( z > 10 \) 的宇宙深处，揭示了大爆炸后不到十亿年形成的星系。

其WFC3相机和COS光谱仪捕捉到了来自遥远天体的光线，根据哈勃定律，这些天体的可见辐射现已红移至红外波段： \[ v = H_0 \, d \] 其中 \( v \) 为退行速度，\( H_0 \) 为膨胀常数，\( d \) 为观测星系的距离。

注：红移，记作 \( z \)，用于测量光谱线在发射与观测之间波长的变化。其定义关系式为： \( z = \frac{\lambda_{obs} - \lambda_{emit}}{\lambda_{emit}} \) 正红移（\( z > 0 \)）对应红移现象，表明物体正在远离观测者。相反，负红移（\( z < 0 \)）对应蓝移现象。在大尺度上，观测到的星系和类星体的 \( z \) 值根据哈勃定律 \( v = H_0 \, d \) 与其距离成正比，这是宇宙膨胀的直接特征。

测量宇宙的膨胀

哈勃的主要任务之一就是精确测量宇宙的膨胀速率。通过观测造父变星和Ia型超新星，哈勃使得亚当·里斯（1969年出生）和布莱恩·施密特（1967年出生）得以获取哈勃常数约为 \( H_0 ≈ 73 \, km·s^{-1}·Mpc^{-1} \) 的数值。

这些结果凸显了局部 \( H_0 \) 值与普朗克卫星从宇宙微波背景中推导出的值（\( H_0 ≈ 67.4 \, km·s^{-1}·Mpc^{-1} \)）之间的紧张关系。这种不一致被称为“哈勃张力”，表明我们的 \(\Lambda CDM\) 宇宙学模型可能需要修正。

星云与恒星孕育区

哈勃揭示了星云的复杂结构，例如鹰状星云（M16）中著名的“创生之柱”。这些通过可见光和红外光拍摄的图像，展示了恒星形成的动态过程——年轻恒星发出的星风正在塑造分子云。

HH天体或猎户座原行星盘喷流的细节帮助我们理解了原恒星周围物质吸积和抛射的机制。

系外行星与遥远大气层

哈勃还对系外行星大气光谱学做出了贡献。通过分析行星凌星时穿过其大气层的星光，它在多个系外世界中探测到了水蒸气、甲烷和钠的存在。

这些开创性的观测为更近期的仪器（如詹姆斯·韦伯太空望远镜）铺平了道路，使其能够以更高的精度研究这些大气的化学成分。

可见的界限

标志性的哈勃超深空场（2004年）在仅11角分的微小天区内汇聚了近一万个星系。它展现了可观测宇宙令人惊叹的密度：每个光点都代表着一个包含数十亿颗恒星的完整星系。

注：哈勃超深场达到的极限星等为 \( m_{AB} ≈ 30 \)，即比肉眼可见天体暗40亿倍。

持久的愿景

尽管年事已高，哈勃望远镜仍是太空观测的基石。其存档超过三十年的数据，至今仍被用于暗物质、类星体及星系形态的研究。如今，哈勃与詹姆斯·韦伯太空望远镜的协同运作，将通过结合紫外波段与深红外波段，为宇宙提供互补的观测视角。

哈勃与其他空间天文台的比较
望远镜	观测波长	角分辨率	发布年份	轨道
哈勃	紫外 – 可见 – 近红外	0.05英寸	1990	低地球轨道（547公里）
詹姆斯·韦伯	中红外和远红外	0.1英寸	2021	拉格朗日L2点（150万公里）
钱德拉	X射线	0.5英寸	1999	高椭圆地球轨道（10,000 × 140,000 公里）
斯皮策	红外线（3–180微米）	2″	2003	日心轨道（地球尾随型）
盖亚	可见光（精密测光与天体测量）	0.01英寸	2013	拉格朗日点L2
开普勒	可见（行星凌日探测）	4″	2009	日心轨道（跟随地球）
TESS	可见光 – 近红外	21″	2018	高椭圆轨道（周期13.7天）
ALMA	毫米波和亚毫米波	0.01″（干涉测量法）	2011	地面（智利阿塔卡马沙漠，海拔5000米）
费米	伽马射线（20兆电子伏 – 300吉电子伏）	3′至0.1°	2008	低地球轨道（565公里）
欧几里得	可见光与近红外（宇宙学测绘）	0.2英寸	2023	拉格朗日点L2