天文学家在银河系的隆起处发现了早期宇宙的化石

新的研究表明，星团HP1（在这里通过智利双子座南部望远镜看到）可能包含银河系中一些最古老的恒星，其年龄约为128亿年。双子座天文台/AURA/NSF；太空望远镜科学研究所的马蒂亚·利布拉托（Mattia Libratto）制作的合成图像，

天文学家们仔细观察银河系昏暗的隆起处，发现了宇宙中一些已知的最古老的恒星。

在一项研究中发表在《皇家天文学会月刊》2019年4月号上，研究人员分析了一组古老而暗淡的恒星，称为HP1，它们位于距离地球约21500光年的银河系中央隆起处。利用智利双子座南方望远镜和哈勃太空望远镜的数据，研究人员计算出这些恒星的年龄大约为128亿年，这使它们成为银河系或整个宇宙中发现的最古老的恒星。

“这些也是我们在任何地方都见过的最古老的恒星，”研究合著者斯特凡诺·苏扎说，巴西圣保罗大学的一位博士生在一份声明中说。[15张令人难忘的恒星]

银河系的凸起-一个球状物，10000光年宽的恒星区域和从银河系的螺旋盘中喷出的尘埃-被认为包含了银河系中一些最古老的恒星。

先前的研究试图通过研究HP1和其他附近的星团。但是苏扎和他的同事们以前所未有的分辨率分析了这个问题，这要归功于一种叫做自适应光学的成像技术——本质上，一种校正由地球大气引起的光畸变的空间图像的方法。

通过结合这些超高清晰度观测和回顾哈勃望远镜的档案录像，研究小组计算出了即使是HP1中最暗、覆盖灰尘最多的恒星到地球的距离。这些距离帮助研究小组计算每颗恒星的亮度。每颗恒星的光的强度和颜色反过来揭示了恒星的类型——例如，它是侏儒还是巨人，或者它是否释放出了比氢和氦重的元素。

恒星元素的重量——也被称为“金属丰度”——对于研究老化天体的科学家来说是至关重要的信息。研究人员怀疑宇宙中最早的恒星是由原始的纯氢气云形成的。宇宙中的第一个氦原子被认为是从这些古老恒星的核反应中产生的。。最终，随着越来越多的恒星诞生，目前已知的所有其他元素都爆炸了。“KdSPE”“KdSPs”恒星产生了比氢和氦重的许多元素，因此在宇宙的宇宙结构中被认为是相对年轻的。因此，当双子座的研究人员发现，HP1的恒星对重元素来说是非常轻的，他们知道他们的视线中有一个古老的星团。

研究小组计算出这些恒星可能可以追溯到宇宙生命的前10亿年，使它们大约有128亿年的历史。

“HP 1是组成我们星系内部凸起的基本构造块的幸存成员之一，”领导研究作者是圣保罗大学和巴西圣克鲁斯州立大学的莱安德罗·克伯，在声明中说：

银河系将古老的恒星隐藏在其膨胀的中段意味着该区域是研究我们银河系尴尬童年的最佳位置。

5个我们可能生活在一个奇怪的多宇宙9中的原因，为什么我们还没有找到外星人的科学借口图库：我们神奇的太阳

最初发表在《生命科学》杂志上

哈勃“继任者”韦伯太空望远镜终于成功发射

　哈勃“继任者”韦伯太空望远镜终于成功发射，20个国家持续25年的投入和数万名科学家的倾力合作，造就了这个史上制造单价最贵的航天器。哈勃“继任者”韦伯太空望远镜终于成功发射。

哈勃“继任者”韦伯太空望远镜终于成功发射1

　2021年12月25号，晚7:20，詹姆斯·韦伯望远镜在法属圭亚那库鲁航天中心，由阿里亚娜火箭发射升空。

　韦伯望远镜，在推迟了N次发射以后，终于升空了。

　这个望远镜实在是太难搞了，研制复杂，组装复杂，轨道维持都不容易。

　望远镜最重要的两个指标，一个就是看得清楚，还有一个就是看得远。

　但是呢，测量距离要两个点三角测量，望远镜一个点没有办法分辨物体的远近，只能看到一个视张角。

　就比如说，太阳跟地球的距离是15亿公里，但是月亮距离地球只有38万公里，两个看起来是一样大，就是因为视张角是一样的。

　用视张角表示的望远镜分辨率，又被称为角分辨率。

　哈勃望远镜，它的角分辨率就是50角秒。

　 望远镜的角分辨率。

　望远镜的角主要是望远镜的口径所决定的。

　在科学计量上，角度的划分是这样的，一个圆周360角度，1角度等于60角分，1角分等于60角秒，1角秒等于1000毫角秒。

　天文学家用来计算望远镜分辨率的道斯极限公式，R=116/D。

　116是一个和观测光线波长有关的值，R是角分辨率，单位是角秒；D是望远镜镜头直径，单位为厘米。

　韦伯望远镜主镜张开直径有65米，如果按照这个公式，比哈勃望远镜的分辨率要高了三倍。

　但是，实际上望远镜的光线聚焦方式，也会影响望远镜的清晰度。

　 为什么詹姆斯韦伯望远镜长得很奇怪，像一把大伞？

　我们知道，光线聚焦有两种方式，一种就是通过透镜来折射，还有一种是通过镜片反光聚焦。

　所以望远镜分成折射式望远镜，以及反射式望远镜。

　折射式望远镜，镜片有一定厚度，对光线有一定的衰减，所以对清晰度有影响。

　反射式望远镜不会造成光线的衰减，是比折射式望远镜更好的一种望远镜。

　詹姆斯·韦伯望远镜就是一个反射视望远镜，它张开以后像那个伞面一样的，就是它的反射镜。

　 屡次推迟发射到底是为什么？

　詹姆斯韦伯望远镜从1996年开始研制，原定于2007年发射。

　因为整个研制过程太复杂了，中间出了很多问题，所以一直推迟到现在。

　原定研制计划预算是5亿美元，后来屡次增加投资，最终完成时耗资96亿美元。

　为了降低望远镜主体的重量，它的主反射镜使用的材料是金属铍。

　为了完美反射光线，抛光精度要达到10纳米。而且为了控制主镜在工作时产生的畸变，在主镜的背后还有7个电子仪器来测量、调控组镜的曲率。

　铍的价格非常昂贵而且有剧毒，所以在制造的过程中必须有防护，而且要非常仔细操作。

　但铍的物理性质很好，密度只有185，比强度是所有金属材料中最高的。比强度的排名来说，铍第一，其次才是钛，再次才是铝，最后才是钢。

　为了把这个反射镜装进卫星的整流罩里，设计成了18块可以折叠的形式，到太空中以后再张开。

　但是在地面上的时候它是18块分开测试的，由于没有办法完全模拟在太空中展开的情况，所以这个测试也用了很久。

　原定今年10月份就要发射的，后来屡次推迟。

　原因就是这次发射必须慎之又慎，必须一次性成功，如果再出问题就没有办法维修了。

　詹姆斯·韦伯望远镜定点位置在地球和太阳之间的拉格朗日二点，这个点距离地球有150万公里。

　哈勃望远镜就是因为出了点问题，第1次发射到太空上的时候，看星星是模糊的，变成了一个近视眼。

　后来派航天飞机去修了几次，才把它修好，但是哈勃望远镜距离地球只有570公里。

　载人宇宙飞船目前还没有办法飞到距离地球150万公里的地方。

　 为什么要距离地球这么远？

　詹姆斯·韦伯望远镜有两大主要任务，一个是观测宇宙的边缘，另一个是寻找围绕恒星运行的行星。

　这两个观测任务都是在寻找比较暗的光线，也就是说在红外波段的光线，为了收集到更多红外光线，还在反射组件上面镀了一层黄金，所以看起来是金黄金黄的。

　我们知道在宇宙的边缘，由于宇宙的高速扩张，138亿光年远的星系都在做远离地球的运动，远离的速度已经接近光速，星体发出来的光线因为红移的原因，变得非常的暗淡。

　在宇宙的边缘，隐藏着宇宙大爆炸不久后宇宙的真面目。

　宇宙大爆炸到底是不是真的？还是只是人类的臆想？这是人类最想了解的内容之一。

　詹姆斯·韦伯望远镜，就肩负着揭开这个秘密的使命。

　接收幽暗光线的仪器必须非常灵敏，而且要冷却到接近于绝对零度。

　所以，詹姆斯韦伯望远镜必须远离地球这个热源，同时还要屏蔽掉太阳的热量，所以望远镜的主体要躲在一个巨大的遮阳伞后面。

　詹姆斯·韦伯望远镜的观测波段主要在06-283微米的频段。采用了一系列先进的措施以后，它的观测精度可以达到10倍的哈勃望远镜的精度。

　望远镜定点在拉格朗日2点，正好和地球同步围绕太阳运转，可以保持和地球恒定的通信距离。

　 围绕拉格朗日二点的轨道也很特殊。

　拉格朗日二点是一个不稳定的平衡点，望远镜只能围绕拉格朗日二点做圆周运动，这个轨道被称为晕轨道。

　我们国家发射的嫦娥4号降落在月球背面，就是靠运行在地球、月亮拉格朗日二点的鹊桥中继卫星，进行中继通信的。

　鹊桥中继卫星也是在一条轨道上。

　这个轨道是一个非常复杂的三维曲面，必须不停进行轨道维持。

　以前发射的所有望远镜都不用做这么复杂的轨道维持。

　所以，这100亿美元一旦打出去，要么就是100%成功，要么就是打了水漂，所以慎之又慎。

　用一句打牌时的术语，就是梭哈了，全靠这一把。

哈勃“继任者”韦伯太空望远镜终于成功发射2

　2021年12月25日，这注定是人类航天史的历史性时刻——在推迟发射14年后，被人们称为“鸽王”的詹姆斯·韦伯太空望远镜，终于搭乘欧空局阿里安5-ECA火箭成功升空，开始了它前往150万千米外“日-地拉格朗日2点”的旅途。

　韦伯望远镜升空（来源：NASA）

　 迄今为止全世界最贵望远镜，究竟有多贵？

　20个国家持续25年的投入和数万名科学家的倾力合作，造就了这个史上制造单价最贵的航天器。

　有多贵？

　目前，包括后续的运营和科研费用，詹姆斯·韦伯太空望远镜（以下简称为詹姆斯·韦伯）的总经费预计已超过100亿美元。

　考虑到它的质量仅为65吨，也就意味着它的单价超过人民币10000元/克，是黄金单价的20余倍！

　詹姆斯·韦伯看起来犹如一艘太空战舰（来源：NASA）

　詹姆斯·韦伯究竟有什么样的特殊使命，能让这么多国家倾注如此大的人力、物力、财力在它上面？它又能为人类带来什么呢？

　 贵有贵的道理——韦伯的观测能力远超前辈

　宇宙是个充斥着各种电磁波和高能粒子的喧闹世界，那里既藏着遥远的历史，也昭示着人类乃至太阳系的未来。

　对于望远镜来说，可见光到红外线频段是观测的重点，尤其是追踪宇宙大爆炸后残留的红外线，它们已经在宇宙中传播了138亿年，蕴藏着宇宙最初的奥秘。

　然而，地球大气层、磁场、人类活动等因素，却使得地球成了一个典型的“信息茧房”。在广阔的电磁波频段中，只有极小一部分能顺利抵达地球表面并被望远镜观测到，其他的则几乎都被屏蔽在外。

　从地球表面观测电磁波的频谱窗口透明度，真正的有效观测的窗口极小（来源：维基百科）

　解决这个问题的办法只有一个：把望远镜送出地球。

　不同望远镜的使命也不同，这次被送出地球的詹姆斯·韦伯的观测波段主要集中于波长为06-283微米的橙色光到红外线频段，它的更大口径和一系列新技术带来了远超前任哈勃、施皮茨、赫歇尔等知名太空望远镜的观测能力。

　例如，它能够看到更暗更古老的天体，甚至可以追踪到宇宙中第一批星系形成的痕迹，投入工作后将会极大提升人类红外天文学的相关研究。

　前所未有的造价和划时代的意义，也让这个望远镜“荣幸”地以NASA（美国国家航空航天局）第二任局长詹姆斯·韦伯命名。詹姆斯·韦伯于1961-1968年在任，领导了NASA最辉煌的阶段。在这一时期，NASA曾获得空前绝后的资金支持，不仅推动了水星计划、双子座计划、阿波罗登月计划、先锋计划、水手/旅行者计划等一系列大型项目的开展，也为美国在航空航天领域的人才技术优势打下坚实基础。

　 造价100亿美元，这些钱都花在了哪里？

　虽然100亿美元看起来很多，但实际上对于研制詹姆斯·韦伯这样的顶级望远镜的项目来说，并不能说非常宽裕，至少不是大家想象中的想怎么花就怎么花。没办法，前沿科学研究就是这么“烧钱”。

　为了获得更好的观测能力，詹姆斯·韦伯在各项方面都进行了升级、更新，可以说每笔钱都用在了刀刃上。

　 1、更大口径的镜片

　光学和红外望远镜的核心是镜片，其口径与观测能力成正比，但也需要更高成本。相比此前最大的哈勃望远镜，詹姆斯·韦伯的镜片口径从24米提升到了65米，集光面积也从45平方米攀升到了254平方米。

　需要注意的是，口径增加带来的整体难度和造价提升并不是线性增长关系，光是这一项，就直接决定了詹姆斯·韦伯的预算远超哈勃。

　人类、哈勃望远镜主镜和詹姆斯·韦伯主镜的大小对比（来源：NASA）

　镜片太大，几乎很难整体制造，不仅失败风险大、材料成本极高，也势必带来整体质量和体积的攀升，甚至远超人类现有火箭的发射能力。因此，詹姆斯·韦伯的镜面设计选择了拼接方案，由18面一模一样的六边形组成，发射时折叠起来，进入太空后再拼接到一起。

　 2、堪称“鬼斧神工”的镜面材料

　詹姆斯·韦伯在制造、发射和工作时要面临截然不同的温度环境。特别是它的核心器件工作温度已非常接近绝对零度，对镜面材料的要求极高，因此需要同时具备抗弯刚度高、热稳定性好、热导率高、反射率高、密度低、温度形变小、性质不活泼等特点。

　而在精度要求上，最后镜片成型的制造加工精度要达到10纳米级别，这个要求所允许的误差相当于一张A4纸厚度的万分之一！而且在进入太空后，整体拼接和镜片姿态控制的精度也要达到同等水平。

　综合上述要求，詹姆斯·韦伯的镜片主要材料选择了碱土金属铍，10纳米几乎就是几十个铍原子并排摆在一起的宽度，这是接近“鬼斧神工”级别的制造加工工艺要求。

　 3、一把屏蔽热量的“太阳伞”

　远离地球，不代表能彻底摆脱地球的干扰，詹姆斯·韦伯还要面对太阳光和地球反射光/热辐射的干扰。为此，它需要背上一个大大的“太阳伞”来屏蔽热量，并使用主动冷却系统维持核心部件接近绝对零度的工作环境。

　遮阳板总共有五层，都要精准打开（来源：NASA）

　按照设计要求，这把伞需要提供300摄氏度以上的温度屏蔽效果。这相当于一面是高温油炸，另一面却是冰天雪地。它的每一层材料主要由聚酰亚胺、硅膜和铝膜构成，首层最厚也仅为50微米，比人类头发丝直径还小，而中间层仅为25微米。

　 更大的难度还在后面——这把“太阳伞”如何顺利展开？

　“太阳伞”每一层的面积约300平米，在发射时会被塞进火箭里剧烈振动，进入太空后要在激光引导下让100余个小型拖车带着逐层展开。难度可想而知，这无疑是人类历史上最厉害的一个遮阳板。

　整体来看，詹姆斯·韦伯需要的都是最先进的科技，且各种研发都是“孤品”，它既没有备份，也不会量产，必须保证100%成功率。除此以外，还要经过一系列极高成本的测试和维护。这些因素累加在一起，让它的预算迅速攀升到了100亿美元级别。

　詹姆斯·韦伯的官方海报（来源：NASA）

　 看似“咕咕咕”，其实是必须一次成功的魄力

　我们都知道，哈勃望远镜虽然远在太空中，但也仅离地球表面大约575公里，可以说“紧挨”着地球。那詹姆斯·韦伯为什么不能像哈勃望远镜一样，在离地球近一些的地方工作呢？

　这是因为地球和所有的物体一样都是热源，在源源不断往外反射阳光和辐射红外线，否则就会持续变暖。因此，即使在太空中，地球附近不可避免地存在逃逸的空气分子和星际尘埃，对太空望远镜依然有一定影响。对于更加精密的詹姆斯·韦伯来说，这些影响尤其明显。所以，它必须想尽办法远离它的诞生地——地球。

　然而，“逃离”地球后，并非就万事大吉了。进入错综纷繁的引力世界，航天器将受到太阳、地球、月球，乃至宇宙万物的引力影响，这使得它的轨道很难稳定下来。对于质量和体积都很大的望远镜而言，频繁地通过发动机工作维持轨道，不仅会导致发射时必须携带大量推进剂，也会极大地影响观测质量。

　因此，必须要在上述要求中找到一个平衡。权衡利弊后，科学家们选择了日-地引力平衡的拉格朗日2点作为詹姆斯·韦伯的工作地点。这里距离地球150万公里（月球距离地球不过38万公里），远离了地球这个热源和灰尘源的干扰，温度也低达零下220摄氏度以下，可满足望远镜的整体工作温度环境要求。此外，在“日-地拉格朗日2点”，太阳和地球两大引力源和谐共处，共同牵引附近的航天器围绕太阳稳定运动，航天器所需要的轨道维持成本极低。

　不过，这给詹姆斯·韦伯带来了另一大挑战：这么远的距离，一旦它出了任何问题，人类是不可能去维修的。这也意味着它变成了“一锤子买卖”，要求一次性成功，不能有任何失误。

　这和哈勃望远镜形成了鲜明的对比。当年哈勃升空后出现了一系列问题，于是在1993-2009年间，人类通过五次极其昂贵的航天飞机任务不断维护并提升哈勃，才使得它获得了今天举世瞩目的成就。

　如今，航天飞机已经彻底退役，人类也失去了在太空中维修大型航天器的能力。不过，即便航天飞机再次出山，也不可能前往“日-地拉格朗日2点”。毕竟，哈勃的工作地点距地球不过几百千米远，这和詹姆斯·韦伯与地球之间的150万千米的距离，是完全不同的概念。

　某种程度上，这也是詹姆斯·韦伯鸽了又鸽的重要原因——一旦发射，承受不起一点失误。

　为哈勃太空望远镜，NASA总共进行了六次航天飞机任务，付出了巨大代价（来源：作者自制）

　所以，对于负责火箭发射的欧空局而言，这次的成功毫无疑问是令人兴奋的，发射团队紧绷了数年的神经终于可以好好放松一下了。毕竟这是个100多亿美元的“一锤子买卖”，背后有着无数人几十年的努力付出。

　 在探索宇宙的路上，又迈出了新的一步

　詹姆斯·韦伯的漫长研发史，是人类最顶级智慧的结晶。现在，它终于顺利升空前往遥远的目标工作地点。也许很多人会关注它的经费，感慨前沿科学研究的“烧钱”，但是，我们更应该认识到，我们为前沿科学付费，其实是在为人类上下求索的决心与梦想付费，如此看来，这价格也不能说是昂贵。

　未来，詹姆斯·韦伯会给人类带来什么？可以预知的是，它能更容易探寻到宇宙的边界和最初的奥秘；无法预测的是，科学家们将在它的数据里获得何等惊人的发现。它是人类梦想向宇宙深处的又一次延伸，是人类好奇心与探索精神的承载，是人类在探索世界的路上迈出的新的一步。让我们祝福它远航的路上一切顺利，期待它带来新的发现与启迪！

哈勃“继任者”韦伯太空望远镜终于成功发射3

　刚刚，詹姆斯·韦伯空间望远镜（James Webb Space Telescope，JWST，根据国家天文科学数据中心，其标准译名为“韦布空间望远镜”）发射升空。号称世界上最可靠的重型运载火箭之一的阿丽亚娜5型火箭（Ariane 5）徐徐升起，借助法属圭亚那库鲁航天中心低纬度带来的高自转速度，载着JWST飞向属于它的太空。

　随着JWST一起上升的，还有无数天文学家、天文爱好者激动的心情。JWST的发射时间从2007年一直拖延到现在，近百亿美元的耗费也远远多于当时5亿美元的预期。对不少读者而言，“詹姆斯·韦伯”这个名字似乎很早就在记忆中出现过了。JWST的建设也的确算得上一场漫长的征途。

　哈勃空间望远镜（HST）是1990年发射的，但在美国空间望远镜研究所（Space Telescope Science Institute，STScI），对哈勃继任者的讨论从198 9年就已经展开了。1996年，他们认为下一代望远镜应该是主镜直径4米以上的红外望远镜。2002年选定科学团队，2004年开始建造，2005年选定发射场，2011年18片主镜制造完毕，2013年开始制造遮阳板，2015年组装光学组件，2017年进行测试，2018年整体组装测试，最终在2021年发射。但对那些一直在等待的人来说，这一切都是值得的，JWST夸张的参数也足以让它配得上哈勃继任者的称号。

　 哈勃继任者

　JWST主镜口径达到65米，由18片铍镜片拼接而成，每片直径132米，仅重20千克。选用金属铍为主镜材料，是因为铍质量较轻且强度较大，并且在低温环境下仍能保持形状。一般的镜子应该能完全还原物体原本的颜色，但JWST的镜片明显是**的，这是因为它在镜面上镀了700个原子厚的金，这样能提高镜片对红外线的反射能力，JWST主要观测的就是红外线。严格来说，JWST观测的波长范围从橙色的600纳米一直延伸到远红外的285微米。

　JWST和哈勃，斯皮策观测波段的对比（来源：webb space telescope media kit/NASA）

　观测红外线是件麻烦事，因为黑体辐射，所有300开尔文左右的物体都在发射红外线。所以必须对望远镜进行冷却。在太阳系内，最大的热源就是太阳，必须把主镜和太阳隔绝开来，于是科学家为JWST设计了5层遮阳板，每层大小约为21米×14米，厚度却仅有几十微米：最外侧为50微米，其余4层为25微米。面向太阳的一侧，遮阳板温度高达125℃，而主镜一侧的温度可以低到-235℃。按常见防晒产品的标准来算，这5层遮阳板的SPF系数高达100万，能将太阳辐射的影响降到原来的百万分之一。

　之所以要克服这么多困难在红外波段观测，是因为来自早期宇宙的光在经过百亿年的红移后，早就变成了红外线。在波长相同的情况下，望远镜口径越大，空间分辨率也就越高，在光学波段，JWST的分辨率高达01角秒；65米的口径同时带来了前所未有的灵敏度，理论上，它能探测到地月距离那么远的一只大黄蜂的发出的红外线。除了传统的相机，JWST还搭载了光谱仪和星冕仪，能让它获得更多科学数据。为了到达拉格朗日点L2点附近避开地球、月球光线的干涉，获得最优的观测环境，整个望远镜的重量被限制到了62吨，和一辆中巴车相当。

　 可折叠望远镜

　当然，想把望远镜发射到天上，仅仅减轻重量是不够的，没有火箭能装得下这么大的结构，JWST必须是可折叠的，这带来了更多困难。JWST的主镜、副镜、5层遮阳板，还有老生常谈的太阳能板，都是可折叠的。

　JWST折叠放置在阿丽亚娜5整流罩中的示意图（来源：webb space telescope media kit/NASA）

　从打包状态到完全展开是一个复杂的过程。发射不久后，JWST就会打开太阳能板获取能量。在这之后，JWST还会修正几次轨道，因为阿丽亚娜5并不能直接把它送到L2点附近轨道，那样会将望远镜的光学组件暴露在阳光下造成损害。在发射25天后，JWST展开两个遮阳板支架，然后望远镜的可展开塔组件（Deployable Tower Assembly）会展开，将JWST的光学部分和其他部分分离开来，为5层遮阳板提供空间。全部5层遮阳板会在发射后一周内展开。副镜和主镜会在第二周内展开。发射29天后，JWST将进行最后一次机动，驶入L2点轨道，该轨道在月球轨道之外，距地球大约150万公里，在地球引力的帮助下，JWST将绕着太阳一起旋转。

　在那之后，JWST仍不能开始工作，它要开始漫长的冷却。遮阳板的暗面大约会在那之后3周冷却到40开尔文左右，而JWST的MIRI设备还需要额外制冷剂冷却到7开尔文。在那之后望远镜将会对变形过程中产生的误差进行修正，主镜和副镜会在发射4个月后完成调试，那时它们位置排列的误差会小于观测波长，仅有几纳米。在经过几个月的调试、测试后，JWST将会在发射约半年后开始正式科学观测，为我们揭开宇宙早期的秘密。

　 科学目标

　JWST能帮人类寻找宇宙中第一批形成的星系，揭开宇宙黑暗时代之后再电离时代的秘密。因为红移的作用，在宇宙中选择不同波长的光进行观测，就好像坐上了时光机，JWST将观测波长缩短，就能观测宇宙的不同阶段，研究星系、恒星是如何在宇宙百亿年的历史中演化的。它还能帮我们分析地外行星的大气成分，为太阳系中其他成员拍下更清晰的照片。

　这些科学目标听上去似乎就是哈勃的工作，这也正是JWST被称为哈勃继任者的原因之一。哈勃空间望远镜革新了全人类对宇宙的认知，为我们带来了数不胜数的震撼照片，而JWST能看到更深的宇宙，能穿透茫茫的时空，将隐藏在宇宙尘埃背后的秘密悉数揭开。就像哈勃、开普勒、TESS这些为人类作出伟大贡献的望远镜一样，JWST的数据将会存储在米库斯基空间望远镜数据库（Mikulski Archive for Space Telescopes，MAST）中，向全人类公开。

　JWST复杂的结构带来的是前所未有的技术难度，北美和欧洲共14个国家的数千名科学家，工程师和技师，他们为JWST忙碌的时间超过了4000万小时，他们在JWST上实现的技术突破更是数不胜数：热开关，轻质低温镜片，制冷技术，红外传感器……任意一个组件背后凝结的汗水都不可计数。

　但复杂的结构带来的是极高的出错概率，在测试过程中，JWST被发现有344个点位可能出现故障。发射之后，JWST的轨道位于月球轨道之外，人类根本没有对其进行修复的可能。这也是为何面对JWST，所有人都是慎之又慎，这几个月来JWST的发射时间也从12月初慢慢推迟到了圣诞节当天。这是一个浪漫的巧合，因为对那些热爱星空的人来说，JWST就是最好的圣诞礼物。

　哈勃太空望远镜 来源：NASA

　 “鸽”了14年

　詹姆斯·韦伯太空望远镜以NASA早期管理人员之一詹姆斯·E·韦伯（James E Webb）的名字命名，他在1960年代监督了阿波罗计划。早在2002年，差不多20年前，韦伯的名字就首次被用于"下一代太空望远镜"，这个计划最初预算为5亿美元，并准备在2007年发射。但由于各种原因，2019年8月28日才组装完毕，升空日期一直“鸽”到了14年后的今天，比这台红外线空间望远镜的预计寿命还要长。原先，“韦伯”的预算费用是5亿美元，现在已经花了966亿美元，四舍五入就是100个亿，项目严重超支，堪称不折不扣的“鸽王”。

　1、按最初计划，韦伯望远镜本应在2014年升空，但后因预算等问题推迟。

　2、2017年9月，美国航天局表示，詹姆斯·韦伯太空望远镜的发射窗口将从2018年的10月推迟至2019年的3月至6月之间。声明解释说，韦伯望远镜及其遮光板的体积和复杂性超过多数探测器，比如仅遮光板释放设备就要安装100多个，振动测试也要用更长时间，所以推迟到2019年春季从法属圭亚那库鲁航天中心用欧洲的阿丽亚娜5型火箭发射升空。

　3、2018年3月28日，美国航空航天局再次宣布韦伯在2020年之前不会发射升空。

　4、2018年5月6日，受一系列技术问题的困扰，JWST的最新发射日期已经被推迟到2020年。

　5、2018年6月29日，据国外媒体报道，哈勃望远镜的“接任者”詹姆斯·韦伯望远镜将推迟至最早2021年3月30日发射。

　6、2021年10月12日，詹姆斯·韦伯空间望远镜成功抵达位于南美洲的法属圭亚那，计划12月18日在欧洲航天局阿丽亚娜5号火箭上发射升空。

　7、2021年11月22日，NASA再次宣布詹姆斯 · 韦伯太空望远镜的发射时间从12月18日推迟到了22日。

　8、2021年12月15日，由于需要解决韦伯望远镜和阿丽亚娜五火箭之间的通讯问题，发射推迟不早于12月24日（来来回回好像有两次）。

　9、2021年12月22日，詹姆斯韦伯太空望远镜JWST通过发射准备评审，但是，由于天气原因，发射推迟到12月25日。

这个有着80亿年 历史 的宇宙小玩意，却包含了令人难以置信的50万颗恒星，是迄今为止发现的最大最亮的球状星团之一。然而， 梅西耶3号的特别之处正是在于异常庞大的可变恒星群—恒星的亮度会随着时间的推移而波动。直到今天，仍不断地在这个闪闪发亮的恒星巢中发现新的可变恒星，截至目前为止，我们所知道的是274颗，已经是迄今为止在所有球状星团中发现的最高数量。

其中至少有170颗属于被称之为 天琴座RR变量的特殊品种，其脉冲周期与其固有亮度直接相关。如果天文学家知道恒星有多亮是基于其质量和分类，并且能知道从我们地球上的角度去看它们会有多亮，那么他们便可计算出它与我们之间的距离。因此，天琴座RR恒星被称为标准烛光-作为已知亮度的物体，其距离和位置可以帮助我们更多地了解广阔的天体距离和宇宙的规模。

梅西耶3号也包含了相当大数目的所谓的蓝色散星系，可在这张哈勃图像中清晰的看得到。这些是蓝色的主序星，它们看起来非常年轻，因为它们比星团中的其他恒星都显得更蓝，更亮。由于球状星团中的所有恒星都被认为是同时形成的，因此它们的年龄大致相同，只有质量的差异会使这些恒星具有不同的颜色。一颗红色的老恒星，当它的获得更多质量的时候，它就会显得更蓝，比如说从附近的恒星上剥离。额外增加的质量可将其变成更蓝的恒星，这样就会让我们认为它比实际年龄更年轻。

球状星团M3是查尔斯·梅西耶本人发现的在梅西耶星表中第一个天体，梅西耶于1764年发现了这个星团，曾一度把它误认为没有恒星的星云。1784年，当威廉·赫歇尔(William Herschel)能够解决这个星团的单个恒星问题时，对M3性质的误解才得以纠正。到今天，它已知包含有50多万颗恒星。

M3是值得关注的，它包含了比其他任何已知的星系团更多的可变恒星。变星的亮度随着时间的推移而波动。对于一些变星，它们的周期与它们的固有亮度有关，所以天文学家可以利用这些恒星的亮度波动来估计它们的距离。这就使得它们在测量深空天体的距离时非常有用。M3至少包含有274颗可变恒星。

这张M3核心图像是利用哈勃望远镜在可见光和红外光下观察拍摄所得。这个星团位于距离地球34,000光年的猎犬座（Canes Venatici） 星座 。它的视星等为62，可用双筒望远镜观测得到。M3的最佳观测时间是5月份。

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哈勃太空望远镜是世界上最著名的望远镜之一，在太空中已经服役了快30年了，依然在工作中，拍摄大量极有价值的宇宙给我们。

在哈勃传回的中，不仅有行星、恒星、星云、星系、还有大片的宇宙区域。其中，最令人震撼的，就是哈勃深场了。

哈勃深场，全称为哈勃深空视场，是哈勃太空望远镜将人类肉眼视野里一块极小的宇宙区域极限放大，观测到最深处的宇宙景象。

在2003-2004年，哈勃太空望远镜首次拍摄了深场景象，震惊了全世界。

这张全名叫做Hubble Ultra Deep Field，中文译作哈勃超级深空视场。

这张照片的拍摄，是非常不容易的。哈勃太空望远镜为此利用了400个公转周期，800次曝光（曝光时间累积达113天），才完成了这张。

这张的景象是位于赤经3h 32m 400s，赤纬-27°47' 29"（J2000）天炉座的一小片天区，面积为3平方角分，简单来说，只有全天空1/12700000分之一的面积。

不过，如此“渺小”的区域，却包含着大量的信息。

在这张里，只有极少的银河系恒星恰好“抢镜”，其余的每一个光点，都是一个星系。这张里共有近10000个星系，它们有的大有的小，可能每一个都包含上千亿颗恒星。它们穿越几十甚至几百亿光年的遥远距离，呈现在哈勃太空望远镜这样的先进设备里，竟然还只有一个光点那么大。

天文学家指出，所谓的哈勃深场，真的非常非常“深”，其中16个星系距离我们都有129亿光年，甚至还有5个131亿光年以外的星系。由于光速的限制我们可以知道，我们看到的它们的景象其实也是来自于129-131亿年前的景象。也就是说，它们不仅位于宇宙最深处，其实也是宇宙最古老的星系了。

2012年，NASA与欧洲空间局合作，通过高级巡天相机和广角相机两个高精尖的摄像头共计200万秒的曝光时间，拍摄了一张更细致的哈勃极端深场。

哈勃极端深场的视觉区域和满月对比。

在这张里，哈勃太空望远镜向我们展示了更古老的星系，把人类的视野带回到了132亿年前。这些星系的光在真空中穿越了132亿年，终于映入人类的眼帘。

科学家观测显示，这个时候的宇宙中充满了比较小的星系，它们会碰撞、合并，形成更大的星系。那个时候，恒星也非常活跃，包含着大量的蓝巨星。

2019年5月16日，NASA又公布了一张哈勃遗产场图。这张和深空场图有一点不一样，它是总结了16年来的共计7500观测图像，拼接成了这张巨大的。这张覆盖的区域比较大，大约是地球上看到的满月大小的区域。因此，它所涵盖的星系也比较多。NASA的科学家介绍，这一张场图中共包含了265万个星系，其中最古老的可能已经有133亿岁了。

中最暗淡和最远的星系的亮度只有人眼所能观察到的亮度的100亿分之一。

未来，NASA还计划发射更加先进的詹姆斯·韦伯望远镜，携带更加先进的设备，观测更深的宇宙，甚至可能看到135亿年前的宇宙。

以人类目前的科技，如此浩渺的宇宙只能通过望远镜去探索。虽然看着很过瘾，但是终究不是亲眼所见。什么时候人类能够亲眼看看深处的宇宙，那将是更壮观的一种场面吧！

安装在“哈勃”太空望远镜上的最新照相机拍摄到有史以来最大的宇宙星系组图，所包括的星系超过了40000个。据美国天文协会在美国亚特兰大发布的消息称，此次“哈勃”太空望远镜拍摄到的组图，虽然其视野的外围尺寸只有满月这么大，但是这样的尺寸是早先通过“哈勃”望远镜获得的星系图的150倍。

来自巴尔的摩太空望远镜科学研究所的萨尔达·乔吉博士说，对天文学研究来说，这次获得如此大尺寸的星系组图，对了解银河系在过去90亿年(相当于宇宙年龄的2/3)的演变非常重要。他还说，如果太空望远镜的视野狭窄，所得到的照片可能误导天文学家对宇宙星系演变的研究。

可以的，下面是哈博望远镜拍摄的一张火星照片：

应该说对通常人的认知而言，这算看清火星表面了。不过相比于在火星轨道上环绕探测器拍摄的火星照片，这个分辨率实在是相对低了点。哈勃不过是一台口径24米的空间望远镜，分辨率是有限的，对于太阳系内的天体，其观测效果远远比不上抵近观测的探测器。比如下面的例子，第一张图是哈勃拍摄的谷神星，第二张图是黎明号抵进之后拍摄的谷神星：

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听了这么多关于致密星的故事，大家是不是感兴趣它们在哪里呢？当然是在宇宙中了！“宇宙”这个古老而神秘的名词到了科学家手里变成了一门学问：宇宙学。尴尬的是，在精确宇宙学时代里，宇宙学里的基本参数之一“哈勃常数”的真实数值却越来越扑朔迷离！

这是知社引力波天文学系列第四篇文章，带大家探秘“哈勃常数”，追问引力波对这个宇宙学参数的回答。知社特约国内相关领域一线年轻学者撰写引力波天文学之系列刊发，以飨读者。

特别声明：本系列科普文章都是相关学者基于他们将要申请、正在执行、或者已经结题的国家自然科学基金委支持的《国家自然科学基金项目》发展出来的，版权归作者所有。

哈勃常数的引入

哈勃常数H0是一个由哈勃定律引入的宇宙学基本常数，精确测定H0的值是精确计算宇宙学距离(正比于c/H0,其中c是光在真空中的传播速度)，以及宇宙学时间或宇宙年龄（正比于1/H0）的基本前提。

1929年，美国著名天文学家爱德温·哈勃（Edwin Hubble）公布了一项令科学界震惊的发现。哈勃（图1）及其助手测量了一批河外星系的距离后发现星系的视向退行速度（或谱线红移）与其距离之间大致成正比关系[1]。为了纪念哈勃的贡献这一关系后来被称为哈勃定律。哈勃定律表明距离我们越远的星系，视向退行速度越快，进而表明现在的宇宙是膨胀的。哈勃定律的发现具有里程碑的意义，它是宇宙膨胀理论的第一个观测证据，如今也经常被援引作为支持大爆炸宇宙学的一个重要证据。哈勃定律的数学表达式通常被写为 v = H0D，其中v是星系远离地球的视向速度，D是星系到地球的固有距离，而比例系数H0则被称为哈勃常数，它反映了宇宙当前的膨胀速率。哈勃当年的结果就是用星系的距离与退行速度的关系图[1]（图2）表示的，这种用天体的退行速度（或红移）和距离（或视星等）作为坐标轴画出的图后来都被称为哈勃图，它是宇宙学家最常用的关系图，可以比较直观地展示宇宙的膨胀历史。

图1左图是爱德温·哈勃的照片，右图是他发现哈勃定律所用的当时世界上口径最大的光学望远镜——胡克望远镜。

图2哈勃于1929年公布的河外星系距离与退行速度的关系图[1]，横轴是天体到地球的固有距离，纵轴是天体远离地球的视向速度。其中有24个已知距离的星系，图中每个实心圆点对应一个已知距离的星系，实线是由这24个星系的数据拟合出来，而实线的斜率就是H0的均值。图中每个空心圆点表示一个星团，虚线是由星团数据与已知距离的星系数据联合起来拟合出的结果。图中“+”标记出了22个未知距离的星系的速度平均值及其所对应的平均距离。

哈勃常数的测量

精确测量哈勃常数一直是宇宙学的一项重要任务。自1929年以来，宇宙学研究者们都在为不断提高哈勃常数的测量精度而努力，并以能在此方面做出实质性的贡献为荣。

哈勃在1929年根据24个河外星系的观测数据估算出 H0=465±50 km/s/Mpc。根据H0的这个值推测出的宇宙年龄约为20亿年，然而在20世纪30年代地质学家利用岩石中放射性同位素的衰变估算出的地球年龄约为30亿年。地球年龄大于宇宙年龄，这显然是不合理的。哈勃自己也意识到了这一测量值是不准确的，而且他相信这很可能是由于观测数据中存在一些尚未理解的系统误差，因此他试图通过更精确的观测数据对H0的值进行修正，只可惜他于1953年脑血栓突发病故时这一夙愿未能达成[2,3]。1952年，在罗马召开的国际天文联合会会议上在美国度过了大部分科研生涯的德国天文学家沃尔特巴德（Walter Baade）宣布他通过观测发现恒星可分为第一星族和第二星族两大类，进而发现造父变星也存在两种不同的类型——经典型和第二型[4]；经典造父变星是比较年轻且质量较大的第一星族恒星，第二型造父变星则是比较年老且暗弱的第二星族恒星；经典造父变星和第二型造父变星遵循不同的周光关系（即光变周期和绝对星等之间的关系）。哈勃当年是在假设所有造父变星都是经典型的情况下利用其周光关系确定星系距离的，但其中河外星系M31里的造父变星实际上是第二型的，这使得他所估算的M31的距离比实际值要小很多，从而导致H0的值偏大。巴德通过修正这一误差将哈勃常数的值降到之前的一半，从而宇宙年龄也变成了原来的两倍，这样地球年龄与宇宙年龄之间的矛盾算是得以解决。

然而，关于哈勃常数的争论并未结束。在20世纪后半叶，哈勃常数H0的估计值在不断下降。这期间法国天文学家杰拉德·德沃古勒（Gérard de Vaucouleurs）与美国天文学家阿伦·桑德奇（Allan Sandage）之间曾就哈勃常数进行了长久而激烈的争论，德沃古勒相信H0的值约为100 km/s/Mpc，而桑德奇则认定H0的值约为50 km/s/Mpc。直到2001年，美国天文学家温蒂·弗里德曼（Wendy L Freedman）（图3）领导的哈勃太空望远镜重点项目(HST key project)团队根据望远镜的观测数据将哈勃常数限制在 H0=72±8 km/s/Mpc[5]。这一数值介于德沃古勒和桑德奇的结果之间，这才终结了德沃古勒团队和桑德奇团队之间的争论。但是德沃古勒本人并不知道这个结果，因为他在1995年就去世了。这是自哈勃1929年公布哈勃定律以来，首次出现的合理且被广泛认同的H0测量值。哈勃太空望远镜key项目提出之初的主要科学目标就是将哈勃常数的测量误差从之前的~50%降低到~10%。他们做到了！在实现这一目标的过程中，太空明星哈勃望远镜所提供的精确观测数据自然是功不可没，此外还有两个关键因素也是不容忽视的。其一，造父变星和Ia型超新星等距离指针在定标精度方面的显著提高，为精确测定特征天体的距离提供了保障，而精确的距离测量又是精确确定包含哈勃常数在内的各个宇宙学参数的关键。其二，基于1998年宇宙加速膨胀的发现[6,7]所建立的标准宇宙学模型（即宇宙学常数模型）为研究者们正确使用高红移的距离—红移数据确定哈勃常数奠定了基础。在低红移区（即近邻宇宙中）宇宙的局域几何很接近欧式几何，整体曲率的影响可以忽略；天体的退行速度远小于光速v << c,此情况下很容易利用红移z估算速度，即v≈cz，随后根据哈勃定律利用哈勃图在低红移区的斜率便可确定H0。这里需要说明的一点是哈勃在1929年用于发现哈勃定律的星系都位于近邻宇宙（红移都在0003以下），而后来基于更大样本的高精度观测数据的研究则表明哈勃定律只在近邻宇宙范围内（通常指红移小于01或015的范围内）是成立的。原因是在高红移的遥远宇宙中，整体时空曲率的影响扮演着不可忽略的角色，宇宙的膨胀也表现出非线性的行为，宇宙学距离是依赖宇宙学模型及其中的宇宙学参数的。因此利用高红移的距离—红移数据确定哈勃常数时需要结合合理的宇宙学模型，而标准宇宙模型的建立在这个过程中就起着至关重要的作用。

图3左图为温蒂·弗里德曼做演讲时的照片，右图是她测量哈勃常数时用到的哈勃太空望远镜。

“精确宇宙学”时代的哈勃常数问题

近十多年来宇宙学的快速发展绝离不开数量越来越多、精度越来越高的观测数据，尤其是哈勃太空望远镜（HST）、斯隆数字巡天（SDSS）、威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）以及普朗克卫星的观测数据为精确确定包括哈勃常数在内的宇宙学参数做出了巨大的贡献，是我们步入“精确宇宙学”时代必不可少的因素。

在当前的“精确宇宙学”时代，分别采用Ia型超新星、重子声波振荡和宇宙微波背景辐射这三种标准宇宙学探针所测得的哈勃常数精度都已经优于5%。然而采用不同观测数据所得到的H0值却有着显著差异，最有代表性的例子就是基于普朗克太空望远镜的宇宙微波背景观测得到的H0值要明显小于哈勃太空望远镜对近临宇宙的观测所测得的值，而且二者的差别达到了3个标准差[8]。2013年普朗克工作组在标准宇宙学模型框架下基于普朗克卫星的宇宙微波背景观测数据给出的结果为H0=679±15 km/s/Mpc[9]，这一结果比亚当·瑞斯（Adam G Riess）团队于2011年基于哈勃望远镜对近临宇宙的观测所给出的值H0=738±24 km/s/Mpc[10]低了3个标准差。两大项目组所测得的H0数值明显不一致，这一事件很快在天文学界掀起了新波澜，并引起了新一轮的哈勃常数测量热潮。2015年普朗克工作组根据更新后的数据将结果修正为H0=6727±066 km/s/Mpc[11]，随后瑞斯团队也基于更新后的哈勃望远镜观测结果选取了近邻宇宙中2157颗造父变星和231颗Ia型超新星的数据将结果修正为H0=7302±179 km/s/Mpc[12]，修正之后二者的差异仍然超过3个标准差。因此目前哈勃常数的测量处在交叉路口[13]。

在此情况下结合其它宇宙学探针对H0进行测定，从而与前面提到的两个项目组的结果进行比较，是非常具有指导意义的。

图例：哈勃常数测量数据，伴随着测量精度越来越高，测量值的分歧越来越明显。取自 Cosmology at a crossroads, Freedman , Nature Astronomy,1,0169(2017)

哈勃常数新波澜遇见引力波新纪元

就在哈勃常数的新波澜尚未平息之际，引力波探测方面却取得了突破性的进展。首先是2016年2月11日加州理工学院、麻省理工学院、美国激光干涉仪引力波天文台（LIGO）科学合作组、以及美国国家科学基金会通过新闻发布会的形式向全世界正式宣布：人类首次探测到了引力波！相信读者都知道这次所宣布的首次成功探测是指位于美国的LIGO探测器于2015年9月14日探测到的双黑洞并合引力波事件。引力波的成功探测表明阿尔伯特·爱因斯坦基于广义相对论所预言的引力波是存在的。这一发现在物理学和天文学上都具有里程碑式的重大意义。当人们还沉浸在这则消息所带来的振奋和喜悦之中时，时隔4个多月又传来LIGO再次探测到双黑洞并合引力波事件的消息，而这次的信号是于2015年12月26日探测到的。也就是说LIGO在2015年两次探测到引力波信号。然而，惊喜并未结束！第三例双黑洞并合引力波事件又于2017年1月4日被advanced LIGO（简称aLIGO，原激光干涉引力波天文台的升级版）成功探测到。面对前三例引力波事件的成功探测，也许有人在振奋之际又不免稍带失望地感叹：“为什么只有LIGO探测器探测到了引力波信号，其它的引力波探测器为什么就探测不到呢？”如果哪位读者刚好有过这样的感叹，那么LIGO和VIRGO两家科学合作组在9月28日刚宣布的他们两家机构拥有的3个探测器联合探测到了一例新的双黑洞并合引力波事件，这则消息一定让你又立刻雀跃起来了吧！也许在雀跃的同时，有人心中又会产生一个新的疑问：“为什么探测到的引力波信号都是来自双黑洞并合事件，难道没有其它类型的引力波源了吗？”我们应该相信：面包会有的，牛奶也会有的。

引力波探测开启了人类观测宇宙的一个新窗口，引领我们进入了引力波天文学研究的新纪元。近两年来引力波探测可谓是佳绩不断。那么引力波的春风会为哈勃常数的测量带来新希望吗？答案是肯定的。通过双致密星并合的引力波信号可以得到源的光度距离，这使得引力波成为了“标准汽笛”。这是因为双星并合引力波，特别是绕转阶段的波形的振幅、频率和频率的导数取决于源的质量和距离。如果有电磁对映体或者宿主星系提供红移信息，那么就可以利用距离红移关系测量哈勃常数。用引力波测哈勃常数最早是德国爱因斯坦研究所前所长Bernard F Schutz在1986年提出的[14]。当年爱因斯坦研究所有一个啥都干的研究小组，组长是陈雁北。（陈雁北:爱因斯坦都不敢想象,我们真的探测到引力波!|独家专访）

如果未来引力波及其电磁对映体或者宿主星系的数据能给出全新的独立的哈勃常数的测量，那无疑将是宇宙学的一个重要进展。

参考文献：

[1] Hubble, E(1929)"A relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae" Proceedings of the National Academy of Sciences15(3):168–73

[2]李然，“距离阶梯和宇宙膨胀（一）——哈勃定律的发现”，赛先生天文，http://mpweixinqqcom/s/Sgbw6W3SLKADE-KCz6gWPQ

[3]李然，“距离阶梯和宇宙膨胀（二）——哈勃常数的测量”，赛先生天文，http://mpweixinqqcom/s/VnvrwtWSgvUQnLtGwDrvVg

[4] Baade, W(1956)“The period-luminosity relation of the Cepheids” Proceedings of the National Academy of Sciences68,5-16

[5] Freedman, W L, et al(2001)"Final results from the Hubble Space Telescope Key Project to measure the Hubble constant" The Astrophysical Journal553(1):47–72

[6] Riess, A G et al,(1998)"Observational evidence from supernovae for an accelerating universe and a cosmological constant" Astronomical Journal116(3):1009–38

[7] Perlmutter, S, et al(1999)"Measurements of Omega and Lambda from 42 high redshift supernovae" Astrophysical Journal517(2):565–86

[8] Bernal, J L, Verde, L, & Riess, A G(2016)“The trouble with H0” Journal of Cosmology and Astroparticle Physics,10,019

[9] Planck Collaboration, Ade, P A R, et al(2014)“Planck 2013 results XVI Cosmological parameters”, Astronomy & Astrophysics,571, A16

[10] Riess, A G, et al(2011)“A 3% Solution: Determination of the Hubble Constant with the Hubble Space Telescope and Wide Field Camera 3” The Astrophysical Journal,730,119

[11] Planck Collaboration, Ade, P A R, et al(2016)“Planck 2015 results XIII Cosmological parameters” Astronomy & Astrophysics,594, A13

[12] Riess, A G, et al(2016)“A 24% Determination of the Local Value of the Hubble Constant” The Astrophysical Journal,826,56

[13] Freedman , Nature Astronomy,1,0169(2017)

[14] BF Schutz, Nature 323,310- 311,(1986)

作者简介

陈云，2012年于北京师范大学天文系获得博士学位，2010-2011年在美国堪萨斯州立大学物理系交流学习，2012-2013年任国家天文台助理研究员，2013-2014年任台湾清华大学物理系博士后研究员，2014年至今为国家天文台博士后；主要研究方向为宇宙学、暗能量理论及观测检验。

天文学家埃德温·哈勃证实宇宙正在膨胀，它为大爆炸理论提供了基础。美国宇航局的哈勃太空望远镜是为纪念埃德温·哈勃而命名的。哈勃望远镜是第一个放置在太空中的核心级光学望远镜。在大气层之上，在雨云和光污染之上，哈勃望远镜可以以更纯净，更独特的角度观察宇宙。全世界天文学家几乎都在利用哈勃望远镜的数据来研究宇宙中最遥远的恒星，星系，乃至可观测宇宙。

哈勃太空望远镜的规划始于上世纪70年代，于1990年4月24日通过STS-31发现号航天飞机发射到低地轨道，哈勃望远镜是美国宇航局，欧洲宇航局乃至全人类最伟大的天文台之一。哈勃望远镜在1990年4月发射和部署，标志着自伽利略望远镜以来天文学上最重大的进步。正因为哈勃，我们对宇宙的看法和我们在宇宙中的地位从来没有改变过。

哈勃太空望远镜的长度为132米，发射时的质量为10886公斤，现在的重量为12247公斤，最大直径为42米。哈勃太空望远镜位于低地轨道，高度547公里，倾角285度。接下来，我们一起来看看哈勃太空望远镜的时间表：

哈勃太空望远镜的部署：1990年4月25日，第一张拍摄于1990年5月20日，拍摄的星系是NGC 3532。第一次维修升级服务（STS-61）：1993年12月，第二次维修升级服务（STS-82）：1997年2月，第三次维修升级服务(STS-103)：1999年12月，第四次维修升级服务（STS-109）：2002年2月，第五次维修升级服务（STS-125）：2009年5月。

哈勃太空望远镜的原始设备包括广域/行星照相机WF/PC、戈达德高分辨率光谱仪GHRS、微弱物体照相机FOC、微弱物体光谱仪(FOS)和高速光度计HSP。

时间过了几周，科学家们注意到从哈勃传回来的图像有点模糊。图像虽然模糊一点，但是天文学家们仍然可以研究宇宙，不过这会导致最初的任务计划无法完成。一项调查最终发现了主镜中的差值，这是由于一个测量仪器不正确，导致镜面的边缘被磨得太平了。

工程师们急忙想出解决问题的办法，以便在1993年哈勃第一次预定维修任务中及时解决这个问题。为纠正错误，美国宇航局，欧洲宇航局和天文学家制造了一套用于更换的矫正光学空间望远镜轴向设备，这是一套新的光学装置，它对像差进行补偿，使哈勃的所有仪器都能正常工作。

在宇航员返回地球后不久，哈勃太空望远镜传回的图像比之前清晰多了，美国宇航局的这项维修任务是成功的。天文学家现在可以利用一个功能齐全的太空望远镜观察宇宙，而普通民众也可以看到令人惊叹的恒星、 星系、星云和其他深空天体的照片。随后的维修任务提高了哈勃的能力，哈勃越来越成为人类观察宇宙的眼睛。

1997年2月，STS-82宇航员为哈勃太空望远镜安装了近红外摄像机和，多目标光谱仪NICMOS和空间望远镜成像光谱仪STI，以探测深空物体的红外线并拍摄天体的详细照片。1999年12月的维修任务取代了该望远镜所有六个老化的陀螺仪，这些陀螺仪可以控制哈勃太空望远镜精确地对准其目标。

STS-103宇航员还更换了望远镜的三个精密制导传感器之一，并安装了一台新计算机。之后是2002年3月哥伦比亚号宇航员为哈勃太空望远镜安装了新的高级调查成像设备ACS，它的视野比广域/行星2号成像设备更锐利，视野更宽，数据收集成像速度更快。宇航员还用更有效的阵列取代了哈勃的太阳能电池板，并对NICMOS进行了维修。

接下来我们一起来看看哈勃太空望远镜有哪些科学载荷呢？其实太空望远镜的科学载荷非常重要，它将决定望远镜能看的多远，看的越远，越清晰，就更有利于天文学家统计数据。哈勃太空望远镜有三种分析宇宙光线的仪器：成像仪、光谱仪和干涉仪。

哈勃有两个主要的成像仪，可以捕捉宇宙图像。这两个系统也被称为先进测量成像仪ACS和行星广域照相机3WFC 3，它们共同工作，在宽波长范围内提供极好的广域成像。

先进测量成像仪ACS

ACS于2002年安装在哈勃望远镜上，主要用于可见波长的宽视场图像，它也可以探测紫外线和近红外光。ACS有三个摄像头三个不同的通道，可以拍摄不同类型的图像。2007年1月的一次电子故障使两个最常用的通道无法运作。2009年， 宇航员修复了其中一个通道，恢复了成像仪捕捉高分辨率和宽视野的能力。

广域照相机3，WFC 3

WFC 3安装于2009年，提供紫外线、可见光和红外光的极宽场图像。WFC 3是为了补充ACS和扩大哈勃的成像能力而设计的。虽然ACS主要用于可见光 成像，但是WFC 3探测器可以更深入地提供红外和紫外线成像， 提供了更完整的宇宙视图。

光谱仪

光谱仪是一个可以将光线分解并观察其组成部分的观测设备，类似于棱镜如何将光分解成彩虹。任何吸收或发射光的物体都可以用光谱仪进行研究，以确定温度、密度、化学成分和速度等特性。

宇宙起源谱仪STI和空间望远镜成像光谱仪是哈勃太空望远镜的补充仪器。它们可以为天文学家提供各种天体的详细光谱数据。这两套光谱仪共同工作，为天体物理学研究提供了解析宇宙天体光谱的工具。

干涉仪

哈勃的干涉仪有两个功能，它们可以帮助望远镜保持稳定的目标，同时也是一种科学观测仪器。哈勃太空望远镜上的三个干涉仪叫做精细制导传感器，精密制导传感器可以测量恒星的相对位置和亮度。

当哈勃望远镜指向一个目标时， 三个精密制导传感器中的两个用来锁定望远镜。对于某些观测，第三种精细制导传感器可以收集一个目标的科学信息， 探测天体的角直径或恒星位置，比地面望远镜获得的精度高十倍。

精细制导传感器是非常敏感的仪器。他们寻找稳定的光点源，这个过程也称为“导星”，锁定它们以保持望远镜稳定地指向。当天空中的光线不是点源时，精细制导传感器无法锁定，因此它不会有导星的过程。

ACS先进调查摄影机

先进调查摄影机ACS是第三代成像相机。这个相机是优化的，可以进行特殊角度的成像运动，ACS在之后替换了哈勃的目标光谱仪。其波长范围从紫外延伸到可见光和近红外（115 nm~1050 nm）。ACS使哈勃望远镜的新发现潜力增加了10倍。

宇宙起源光谱仪COS

空间望远镜成像光谱仪STI是第二代成像摄谱仪。STI用于测量高分辨目标的光谱。STI具有从目标的多个不同点同时获取光谱的特殊能力。STIS仪器的质量为318 kg，波长范围为115~1000 nm。STI可以对远处星球的光进行分析，以确定天体的化学成分和丰度、 温度、径向速度、旋转速度和磁场等性质。 STI也配备了一个日冕仪，它可以阻挡明亮物体的光线，这样就可以对附近较暗的物体进行调查了。

WFC 3广域摄像机3，广域照相机3是望远镜上的主要成像仪。它有一个摄像机，可以记录可见光和紫外线UVIS，也就是200-1000 nm波长的光。它的视场、灵敏度和低探测器噪声的结合使哈勃以前的红外相机提高了15-20倍。

精细制导传感器FGS

联邦地质调查局通过锁定导航星为航天器提供指向信息。联邦地质调查局还可以通过精确测量恒星的相对位置， 探测恒星亮度的快速变化，哈勃天文台上有三个FGS。

NICMOS近红外摄像机和多目标光谱仪

NICMOS近红外摄像机和多目标光谱仪具有在近红外波段获取天文目标图像和光谱观测的能力。NICMOS目前处于不活动状态，它的大部分功能被哈勃的其他科学仪器所取代。

哈勃极深场图像由近7500张拼接而成，为我们提供了宇宙深空的面貌，其中包含了265万个星系，这些星系可以追溯到大爆炸后133亿年的时间里。最微弱和最远的星系仅仅是人类眼睛所能看到的亮度的百亿分之一，宇宙的演化 历史 也被记录在这张中。

哈勃太空望远镜是人类观测太空的眼睛，它的科学载荷通力合作，波长范围从紫外光视角到近红外光，范围非常广。随着时间的推移，哈勃捕捉到了星系和宇宙区域的关键特征，更为天文学家研究宇宙提供了重要数据。

哈勃太空望远镜虽然即将退役，但是在这29年来，哈勃太空望远镜已经为我们带来了太多的惊喜和期待。虽然很期待新太空望远镜詹姆斯韦伯的到来，但是哈勃太空望远镜也不会被人类遗忘，它的深空观测数据也会一直不断研究下去……