看向宇宙深处

□ 李珊珊

看向宇宙深处

□ 李珊珊

HUDF 2014

6月3日，NASA发布了2014年度的哈勃极深场图片（Hubble Ultra Deep Field 2014，HUDF 2014）。这张图片是由哈勃先进巡天照相机(Advanced Camera for Surveys，ACS)，和第三代广域照相机(Wide Field Camera 3，WFC3)拍摄的多张极深场图复合而成的。

此前，哈勃极深场图片只包括了可见光和近红外波段的信息，而这张深场图增加了极紫外波段的数据。至此，天文学家综合了哈勃望远镜能提供的，从极紫外到近红外，全部波段的光信息，并将深场图捕捉到的宇宙时间，推进到了大爆炸之后的几亿年里。

HUDF2014所展示的天区仍为赤经3h32m38.5s，赤纬-27°47' 00"。其中包含从2002年7月到2012年9月这十年间的多次巡天数据结果。累计曝光时间达到了600个小时。

第三代广域相机发射前的准备

增加极紫外光谱的意义

之前的哈勃极深场图不包含紫外波段的光谱数据，这一部分信息的缺失，使得天文学家对深空星系和星系演化的研究较为困难。研究距离地球较近的星系，可以使用NASA的星系演化探测器（NASA's Galaxy Evolution Explorer observatory，GALEX）从2003年到2013年十年间采集的数据。这些数据完整详实，可以支持完整的较近恒星演化理论。

但是针对深空星系中，早期恒星起源的研究，只能依靠之前极深场图片中，近红外波段和可见光波段的信息。这些信息对应的，是星系的最初始阶段。因为光谱偏移到可见光乃至近红外波段，需要极其长的时间。所以，根据这些数据得到的研究并不全面，只能研究早期星系中的恒星形成。

然而那些诞生时间不够早的恒星，他们的光谱可能落在了紫外，乃至极紫外波段。这一时间段，也是宇宙中大部分恒星诞生的时间，科学家一直因为没有足够的数据而无法进行详实研究。

极紫外波段的光线来自于最炙热、巨大和年轻的恒星。对这一波段的观测研究，可以直接聚焦在有恒星正在形成的星系，或者是星系中的恒星形成区域。而极紫外光波段信息的补充，也让科学家有机会通过研究恒星形成，来研究星系的尺寸增长。

此外，因为地球大气层会过滤掉大部分的极紫外波段光线，所以哈勃空间望远镜从宇宙中拍摄到的这一部分信息对于科学家来讲非常重要。

哈勃极深场2014

历史链接：HUDF 2012

HUDF2012中找到可靠的遥远星系样本

2012年12月，来自加州理工的Richard Ellis领导的天文学家，发布了他们使用哈勃望远镜的第三代广域照相机进行的2012年的极深场巡天(UDF12)工作成果。这一次拍照从2012年的八月持续至九月份，共计六个星期。UDF12小组公布的这一数据展示的是此前UDF拍摄结果更早期宇宙，星系形成之初的景象，大约能追溯到130亿年前。

这一次UDF12巡天工作所使用的仍然是近红外数据，只是拍照深度较之之前几次的UDF拍摄更深更远。19个基于哈勃望远镜的研究项目参与了这次的巡天工作。Ellis提到他们这一次工作的两点：第一，让哈勃望远镜的曝光时间更长，增加了可观测到的宇宙深度。这对他们研究早期宇宙的历史是必要的。第二，使用哈勃望远镜上可供使用的更多滤光片，更有效更精确地确定星系距离。

基于这样的目标，小组成员研究了远距离星系的光谱特点，然后精心挑选了一套在近红外波段的滤光片（F105W , F125W, F140W , 和F160W）。根据小组成员，来自苏格兰爱丁堡大学天文研究所的James Dunlop介绍，UDF12添加了一个新的滤光片，并在使用其他滤光片时延长了曝光时间。这样可以更有效地排除某些照片上的星系是前景物体的可能性。事实上，UDF还叠加了来自先进巡天相机的拍摄结果。这个结果是经过哈勃望远镜沿轨道绕转128周持续曝光得来的。

在最终的图片复合过程中，F105W对应蓝色，F125W对应绿色，F140W和F160W对应红色。

历史链接:HUDF

2003年9月24日，哈勃空间望远镜将其上的先进巡天照相机对准了赤经3h32m40.0s，赤纬-27°48' 00"，位于南半球天炉座的一小片区域。拍摄范围的边长大约2.4角分，对角线约为3.4角分。科学家让先进巡天照相机和近红外相机进行了笔束巡天，深入宇宙的最深处，拍摄大爆炸之后，宇宙形成之初的画面。

第一张哈勃极深场图片，由空间望远镜研究所（Space Telescope Science Institute, STScI）的天文学家于2004年3月9日发布。它是人类有史以来拍摄的最深的可见宇宙照片。为了制作这张完整的深场图片，哈勃空间望远镜绕地球公转400圈，其上的巡天相机共曝光800次，平均每次21分钟，累积曝光100多万秒；近红外线照相机和多目标分光仪（Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer）累积曝光时间4.5天。图片中包含了约一万个星系。

哈勃极深场图的科学成果

宇宙极深场项目的观测拍摄工作，不但给全世界的天文爱好者带来了美丽壮观的星空图片，也为天文学家提供前所未有的观测数据，并取得了大量的科研成果。

比如对图片中数量丰富的星系的研究表明，大爆炸宇宙诞生后十亿年内，在星系形成的最初阶段，恒星的诞生速率很高。此外，这些数据也为更好的研究星系数量、大小和光度在不同时期的分布提供了依据，有助于星系演化的研究。

而被认为是哈勃最重要的科学发现之一的，就是根据极深场拍摄确认了距离越远的星系越小，对称程度越低。科学家研究早期星系，认为星系在大爆炸之后的几十亿年中，经历了较为剧烈快速的演化过程。深空图显示的宇宙区域和星系密度相对我们附近的星系要高得多，而大量星系仍不完整，其中还有星系的相互碰撞现象。

HUDF所观测到星系的形成时间

HUDF指向天区说明

哈勃每一次发布极深场图，都将深度再往前推进，所观看到的宇宙年龄也更年轻。每一次的观测，就好像在追溯宇宙诞生的历史。一张张图片，一点点接近更早更原始的状态，将大爆炸之后星系诞生初期的奇景，带到人们眼前。

（责任编辑 苏晨）