哈勃深空

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哈勃深空（Hubble Deep Field，缩写为HDF）是一张由哈勃太空望远镜所拍摄的小区域天空图像。拍摄位置在大熊座，所覆盖范围之宽度只有2.6弧分，面积为全天面积的2400万分之一，约等于100米外一颗网球的大小。图像由哈勃太空望远镜上的第二代广域和行星相机（WFPC2）进行342次曝光叠加和拼合而成，拍摄时间为1995年12月18日至28日共连续十天。

哈勃深空的覆盖范围窄小，只包含了前景的几个银河系恒星。因此，可见的3,000多个星体几乎全部都是遥远的星系，其中更包含了目前所知最早、最遥远的星系。图像揭示了如此多个非常年轻的星系，在对早期宇宙的研究中具有里程碑式的意义。

哈勃深空观测三年之后，哈勃太空望远镜再度以同样的方式拍摄了位于南天杜鹃座的深空图像，是为哈勃南天深空。南北天两张深空图像之雷同，使科学家更坚定地相信宇宙在极大的尺度上仍具有均匀的结构，而地球则位于宇宙中毫不突出的区域之中，也就是宇宙论原则。

哈勃太空望远镜曾参与拍摄的其他深空图像包括：范围更大但深度较低的大天文台溯源深空巡天，2004年经几个月曝光而成，深度更高的哈勃超深空，以及2012年进一步打破可见光天文观测精度记录的哈勃极深空。

## 创始

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哈勃太空望远镜的设计初衷，就是利用极高的光学分辨率对遥远星系中的细节做无法在地面上进行的观测研究。由于位于大气层以上，哈勃太空望远镜并不受气辉影响，因此在可见光和紫外光摄影上能达到地面望远镜无法媲美的精度。1990年哈勃发射时，其镜面存在球面像差的问题，但尽管如此，望远镜仍然可以拍到前所未见的遥远星系。由于光速有限，今天所拍摄到的遥远星系就是它们在数十亿年前的景象。拍摄这些星系，有助于科学家进一步了解星系乃至整个宇宙的演化过程。

1993年，STS-61号航天飞机任务为哈勃太空望远镜装上矫正镜，解决了球面像差问题。精度提高后，科学家便利用望远镜对愈来愈远的星系进行观测。哈勃中深空巡天（Medium Deep Survey，MDS）使用第二代广域和行星相机（Wide Field and Planetary Camera 2，WFPC2）对随机方向拍摄深空照片，并用其他仪器做预定观测；还有一些项目对可从地面观测的星系进行重点观测。这些项目都发现，数十亿年前的星系和今天的星系有着截然不同的性质。

哈勃太空望远镜观测时间之中，有10%是由项目主任自行决定如何分配用途，即所谓的“主任裁量时间”。这样的时间一般用于观测突发而短暂的天文事件，如超新星。在确定哈勃的矫正镜效果良好后，当时的太空望远镜科学研究所主任罗伯特·威廉斯 (天文学家)决定把1995年主任裁量时间中的一大部分都用于研究遥远星系。特别成立的咨询委员会建议用WFPC2相机和多个滤光器对银道纬度较高的一处“典型”范围天空进行观测。此项目的专家小组就此成立。

## 目标筛选

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观测目标范围须符合几项条件。首先，目标必须位于银道纬度较高的方向，因为银河系星盘平面的尘埃等物质均在银道纬度较低的方向，会对观测造成干扰。其次，目标范围内要尽可能免除可见光（如近距离恒星）、红外光、紫外光和X光释放亮度较高的已知星体。这是为了日后可以对遥远星系做不同波长的进一步观测。最后，目标范围内不能有强红外线卷云。这种弥漫丝缕状的红外光源相信是由低温氢气云（中性氢区）之中的较高温尘粒所致。

这几项条件大大限制了候选观测范围。专家小组决定在哈勃的“连续观测区”，即在哈勃公转时不会被地球或月球掩食的区域内寻找目标范围。小组又决定把目标进一步限制在北半天球内，使得凯克天文台、基特峰国家天文台和甚大天线阵等北半球望远镜有机会做后续观测。

满足所有条件的范围最先有20处，小组从中选出三处，全都位于大熊座内。甚大天线阵在其中一处发现强无线电发射源，从而把候选范围降至两处。最终选择的理由是观测范围附近是否存在足够的导星：哈勃太空望远镜在曝光摄像时，一般须用精细导向感应器锁定视野附近的两颗导星；但因为哈勃深空摄像的重要性，小组认为还需要额外两颗导星，作后备之用。最终选出的目标位于赤经12，赤纬+62，宽度约2.6弧分，约等于月亮宽度的12分之一。拍摄范围的面积约为全天面积的2400万分之一。

## 观测

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除观测范围以外，另一项重要的决策在于选用何种滤光器。WFPC2相机共附有48个滤光器，有能摘选出特殊谱线的窄波段滤光器，也有用于研究恒星和星系光谱的宽波段滤光器。选择滤光器的因素包括吞吐量，也就是所允许通过的光的比率，以及它所覆盖的光谱波段。滤光器之间带通的重叠范围要尽可能少。

小组最终选出了四个滤光器，波段的中心分别位于300 nm（近紫外线）、450 nm（蓝光）、606 nm（红光）及814 nm（近红外线）。哈勃所带探测器对300 nm波长光的量子效率较低，也就是说，在此波长的观测噪音主要来自CCD上的噪音，而非天空上的背景噪音。因此，在背景噪音会影响其他波段的观测效率时，就可以进行此波长下的观测。

1995年12月18日至28日间，哈勃一共环绕地球约150次，在所选天空范围内用所选滤光器拍下342张图像。在不同波长的总曝光时间分别为：42.7小时（300 nm）、33.5小时（450 nm）、30.3小时（606 nm）及34.3小时（814 nm）。分成342次独立曝光，是为了减轻宇宙射线对每张图片的破坏，因为宇宙射线在撞击CCD探测器时会产生条纹。除此之外，哈勃还在10次环绕时间内做了外围观测，为其他仪器的后续观测之用。

## 数据处理

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图像拍摄完毕后，仍须做繁复的处理和拼合工作。透过比对前后相隔一小时的相等时长曝光，可移除宇宙射线所致的亮像素，因为这些像素只会出现在两者之一。原始图像里的太空垃圾和人造卫星等物体也要一一移除。

在四分之一的图片里，来自地球的散射光映出“X”形状的亮光，清晰可见。先取同一范围内不受散射光影响的图片，与受影响图片对齐后，两者相减。所得图像经平滑处理后，再与原先受影响图片相减。用此方法可去除几乎所有受影响图像中的散射光。

每张图片都去除了宇宙射线和散射光的干扰后，便须要将其拼合起来。哈勃深空科学家团队首创了一种称为“Drizzle”的图像处理方法，原理如下。在WFPC2相机的CCD上，每个像素覆盖的天空宽度为0.09弧秒。在为同一片天空曝光时，如果使望远镜的方向稍微偏移，且偏移角度小于此数值，则在整合和处理后就可以得出分辨率更高的图片。哈勃深空最终图像的每个像素宽度为0.03985弧秒，故此分辨率比原先CCD像素更高。

拼合后，在四个波长各得出一张单色图像。814 nm、606 nm和450 nm波长的图像分别当做红、绿、蓝三色，整合形成一张彩色图像。由于拍摄时的波长并不对应于红、绿、蓝，所以最终图像中各个星系的颜色只是对实际颜色的近似。科学家在选择滤光器时，更多地考虑了它的科学用途，而不是为了与人眼的实际感知相符。

## 天体

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哈勃深空的最终图像在1996年1月的美国天文学会会议上公布。图像中，共有约三千个遥远黯淡的星系，有清晰能辨的不规则星系和螺旋星系，也有只有几个像素宽的星系。整体来说，哈勃深空只含不到二十颗前景恒星，图像里的绝大部分天体都是遥远星系。

哈勃深空中共有约五十个蓝色点状天体。有的可能与成链分布的邻近星系有关，为恒星密集形成的区域，有的则可能是遥远的类星体。天文学家最初认为这些蓝点不可能是白矮星，因为根据当时所知的白矮星演化理论，不会产生如此蓝的白矮星。然而，亦有更近期的研究发现不少白矮星会逐渐变蓝，因此哈勃深空也有可能拍到了白矮星。

## 科学结论

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哈勃深空数据的科学内涵极其丰富，此图像的科学论文已被引用一千次以上。

在宇宙膨胀的过程中，距离越远的天体远离地球的速度越高，这就是所谓的哈勃流。来自遥远星系的光从而会因红移的现象而大大改变。虽然科学家在哈勃深空之前就已探测到高红移类星体，但当时红移大于1的已知星系寥寥无几。哈勃深空图像一发布，立即给天文学界展现了许多红移高达6的星系，它们距离地球约120亿光年之遥。由于红移的关系，哈勃深空范围内最遥远的天体（莱曼断裂星系）并没有出现在最终图像内，只能通过地面望远镜用更长的波长观测。

哈勃深空中受扰动、不规则星系的比例比宇宙邻近区域高得多。

哈勃深空包含了处于各个演化阶段的星系，有助于天文学家估计宇宙历史以来恒星形成速率的变化。尽管天文学家只能粗糙地估计哈勃深空所含星系的红移值，但他们仍然能够推算出，恒星形成率在80至100亿年前达到最高值，自此已下降约十倍。

哈勃深空图像所包含的前景恒星极少，这也有重要的科学意义。尽管暗物质占宇宙总质量的27%，但其本质仍然是一个未解之谜。星系外围红矮星、行星等晕族大质量致密天体（MACHO）的存在，可以解释暗物质。然而，哈勃深空显示，银河系外围并没有大量的红矮星。

## 后续观测

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红移极高的天体（莱曼断裂星系）无法用可见光观测，而是要对哈勃深空范围进行红外线或亚毫米天文学巡天。红外线太空天文台的观测显示，在可见光图像的星系之中，有13个发出红外线，这和密集生成新恒星的大量尘埃有关。史匹哲太空望远镜也有进行红外线观测。在同一范围内进行亚毫米波长观测的望远镜包括：以较低分辨率探测到5个射源的詹姆士·克拉克·麦斯威尔望远镜，以及昴星团望远镜等。

昌德拉X射线天文台在哈勃深空范围内观测到6个射源，其中三个为椭圆星系，另有一个螺旋星系、一个活跃星系核以及一个非常“红”的天体。这个红天体相信是一个遥远的星系，它所发出的蓝光均被所含的大量尘埃吸收。

甚大天线阵在哈勃深空范围探测到7个射电源，在可见光图像中均可找到对应的星系。韦斯特博克合成射电望远镜和MERLIN天线阵都对此范围做过观测。甚大天线阵和MERLIN的结合图像在哈勃深空范围内发现16个射电源，还有更多在外围范围。欧洲特长基线干涉测量法网络对范围内个别射电源所做观测的分辨率比哈勃图像更高。

## 相关的深空图像

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1998年，哈勃太空望远镜在南半天球又拍摄了一幅深空图像，是为哈勃南天深空。哈勃南天深空的拍摄策略和北天深空相似，所得图像也和北天深空十分相像。两者之类同体现了宇宙论原则，即宇宙在最大尺度上仍具有均匀的结构。哈勃太空望远镜利用1997年安装的太空望远镜影像摄谱仪（STIS）和近红外线照相机和多目标分光仪（NICMOS）拍摄哈勃南天深空。

哈勃北天深空已多次利用WFPC2相机重新拍摄，STIS和NICMOS也对其做过拍摄。天文学家在哈勃深空范围的两次拍摄之间进行比较，以此发现了多次超新星事件。

大天文台溯源深空巡天进行过一次范围更大，但精度不如哈勃深空的深空观测。哈勃又对此范围内的一小部分做进一步观测，拍摄出哈勃超深空，为当时精度最高的可见光深空图像。2012年，哈勃所拍摄的哈勃极深空再次打破该记录，其中所含的最遥远星系相信是在宇宙大爆炸后5亿年以内诞生的。

## 书目

- 亦于Nature 394: 860 1998Natur.394..860H刊登