哈勃深空区：宇宙岩芯

在Sky & Telescope杂志进行的一次20世纪著名天文照片评比中，上榜照片拍摄对象最遥远的当属哈勃深空区（Hubble Deep Field）这一张了。事实上，在2004年哈勃超深空区（Hubble Ultra Deep Field）的照片公布之前，这张摄于1995年底的照片也一直是宇宙最深处的图象。

哈勃深空区（图片提供：STScI）

哈勃深空区的中的星系最早的可以追溯到大爆炸之后的几亿年内。深空区位于大熊座，中心坐标是赤经12时36分49.4000秒，赤纬+62度12分58.000秒，视直径相当于月球的1/30。根据宇宙学原理，星系的大尺度分布是各向同性的，因此这一小区域中的星系分布也就表现了宇宙中星系的总体分布。因此为了使观测能尽量避免其他天体的干扰，从而获得宇宙早期星系的代表性图象，观测天区的选择就要求远离任何亮星、深空天体和邻近星系，同时消光效应和氢云密度还要相对低。所以照片中的点点“繁星”实际上只有少数是银河系内的恒星，其他都是遥远的星系。观测天区选择在北斗附近则是为了避开银道面的影响，而这里也是北天持续观测区的所在，使长时间连续曝光成为可能，同时还方便了北半球的各大天文台作后行深入研究。

哈勃深空区的位置

哈勃深空区照片的拍摄过程也创下了天文观测的记录：自1995年12月18日至28日连续拍摄，累积曝光时间100小时，其中在450、606和814纳米波段上分别曝光35小时，300纳米波段曝光时间为50小时。完成这项工作的是哈勃太空望远镜的宽视场和行星照相机2（Wide Field and Planetary Camera 2）。30等的极限星等让它可以揭示出相当多的暗弱未知天体。实际上，如此高的极限星等也是“深空区”之“深”的真正含义。

目前的观测能力不允许人们对整个天空进行高灵敏度的巡天。哈勃深空区覆盖天区极小，它相当于天文学家开采的一个宇宙岩芯样本，从地球附近一直延伸到100亿光年以外。岩芯中与我们距离不同的地方有着不同的特征天体，人们可以借此一瞥宇宙演化、星系形成的历史，从银河系内的少量恒星到邻近的成熟星系在到远方的原星系。以形态为例，在哈勃深空区的数千个星系中，除了传统意义上的旋涡星系和椭圆星系之外，尚有大量形状颇令人费解的星系，其实这也并不奇怪：毕竟深空区中的天体所处的时代多属宇宙早期，它们尚未走完漫长的演化史，而当时的宇宙比现在更为纷乱繁杂和致密，星系间的碰撞也远比当今频繁。因此这些星系的形态、颜色等特征提供了大量有关宇宙早期演化的线索。Astronomy Today一书对此给予了十分贴切的评价：望远镜是时间机器，而天文学家就是历史学家（书中的Discovery 26-1）。

当然，为确定这些星系的真实距离，红移数据是必不可少的。1996年初，纽约州立大学Stony Brook分校的天文学家利用新开发的以颜色来确定黯淡星系红移的方法得出了哈勃深空区中2500个星系的大致红移值。而地面大型望远镜也在陆续获取这些星系的光谱来进一步确定星系红移。

哈勃深空区中各星系的红移值，为凯克望远镜的观测数据（引自Astronomy Today）

但尽管哈勃深空区的照片揭示出了星系的早期形态，仅仅利用它去研究遥远星系的分类仍是不够的。首要原因当然是星系的距离遥远而导致图象分辨率不足，尽管使用的是哈勃这样的设备，而且拍摄时间也创下了历史记录。另外的原因是观测天区过于狭窄，由于星系团取向的可能性，很可能无法全面获得各类星系的图象。毕竟，完成对远方星系的研究首先是对当代天文仪器的考验。哈勃深空区公布后，一些研究小组相继作了较大范围的巡天工作，可是观测结果仍不能作为最后定论。

仿效哈勃深空区的观测，1998年，哈勃太空望远镜花费10天时间拍摄了哈勃南天深空区，它位于南天极附近的杜鹃座，看上去特征与哈勃深空区类似。钱德拉X射线天文台也于1999至2001年间拍摄了钱德拉北天深空区和钱德拉南天深空区，它们分别位于大熊座和天炉座（前者也是哈勃北天深空区），这是目前X射线波段宇宙最深处的图象，其上的大多数天体属于由黑洞供能的活动星系，揭示出了弥漫的X射线背景辐射的来源。

2003年9月至2004年1月，接受了第4次大修之后的哈勃利用近红外照相机和多天体摄谱仪（Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer）以及刚安装好的先进测绘照相机（Advanced Camera for Surveys）拍摄了位于天炉座的哈勃超深空区，其中包含超过1万个星系。迄今为止，这是宇宙最深处的照片，其中最遥远，也是最小、颜色最红的星系属于宇宙黑暗时代后诞生的第一批星系，红移7-12；最近的星系也距离我们10亿光年左右。这些星系的距离与形态的关系描绘了黑暗时代之后宇宙从混乱到秩序的演化过程。值得一提的是，除了用于研究宇宙演化，天文学家还将哈勃超深空区的图象派上了其他用场：由于它的拍摄时间长达数月，它就成了研究天体移动的范例。

完全可以预计的是，计划2011年发射的James Webb太空望远镜有能力去窥视更深处的宇宙，采集延伸范围更长的宇宙岩芯供进一步研究。以下这张James Webb深空区的模拟图即展示了新一代太空望远镜进行20小时观测获取的图象。不过若要进一步研究宇宙中星系的分布与演化，还需要开采更多的“岩芯”方可。

James Webb深空区模拟图

参考资料：

[1] The Hubble Deep Field: http://www.stsci.edu/ftp/science/hdf/hdf.html

[2] Astronomy Today, Fourth Edition, Chaisson and McMillan, Prentice Hall

[3] 关于哈勃超深空区，可参见http://www.nature.com/nsu/040308/040308-5.html

[4] 关于早期星系的形态，可参见http://bolide.lamost.org/translat/trans28.htm

[5] 华盛顿大学网站上一些与哈勃深空区有关的思考题，贴在这里，有兴趣的不妨一做