复杂的螺旋状星云(新浪科技配图)

     哈勃太空望远镜正在接受最后一次维护，也许2008年就要告别太空。科学家从它16年来的赫赫功绩中，精心筛选出10项最突出的贡献，纪念哈勃带着我们游历宇宙的时光。在很多研究人员眼中，哈勃辉煌的一生也是天文学研究的黄金时代。

　　撰文 马里奥·利维奥(Mario Livio)

　　历史上，很少有望远镜能够像哈勃太空望远镜这样，对天文学研究产生如此深远的影响。不过，哈勃所起的作用并非大多数人想象的那样，基本上，它没有作出过任何一项发现——因为，所有成就都不是由它独立完成的。地基天文台的观测常常会发现一些蛛丝马迹，但受到自身观测能力的限制，得出的结果往往不能让人放心。通过观测，哈勃就会对结果作出比较确定的判断。通过与其他天文台的合作，哈勃已经为宇宙描绘了一幅多彩的画卷。它迫使理论学家重新审视那些粗枝大叶的理论，建立新的理论，把那些天文现象解释得更加精确。简而言之，哈勃的影响之所以如此深远，并不是因为它超然于其他设备和技术之上，而是因为哈勃与它们密切结合，成了一个整体。

　　2006年4月，这架望远镜度过了它在太空中的第16个周年纪念日。哈勃不仅为天文学家提供了前所未有的细节，还让全世界的人在家中也能一睹宇宙的奇景。不过，最近针对它未来命运的争论，却让这些成就蒙上了一层阴影。在美国国家航空航天局(NASA)奋力恢复航天飞机飞行的同时，哈勃的处境也在持续恶化；除非宇航员飞抵那里，对它进行整修，不然这架望远镜可能会在2008年中期便早早结束它的工作生涯。这个紧要关口日益临近，促使我回头审视哈勃的，也是天文学过去的十五年。对许多研究人员而言，这十五年也是他们研究领域的黄金时代。

　　下面，我将从哈勃的贡献中，挑选出10项最为迷人的成就(不可否认其中会存在一定的偏向性)，并且按照从小到大的顺序——从行星这样的小天体，到巨大的星系，乃至整个宇宙，逐一进行介绍。要在一篇文章中公平对待哈勃的所有贡献，绝非易事。在本文写作之时，哈勃的资料库中已经包含了超过27万亿字节的数据，而且仍在以每月3,900亿字节的速度增加。这些数据已经成为6,300篇科学论文的基础。此外，这架望远镜还在继续出产令人惊讶的科学成果。在去年与其他天文台的合作观测中，哈勃发现了冥王星的另外两颗新卫星；在宇宙的极早期找到了一个质量大得出乎意料的星系(而且自相矛盾的是，质量大得与它幼小的年龄极不相称)；还确认了在一颗褐矮星身边，有一个达到行星质量的同伴，虽然它本身比行星重不了多少。我们应该为生活在这样一个时代感到幸运，哈勃让我们第一次有机会目睹宇宙中的许多奇景。就在不久之前，人类还只能在自己的想象中描绘这些景象。

　　1、彗木大冲撞

　　从宇宙的角度出发，舒梅克—列维9号彗星(Comet Shoemaker-Levy 9)与木星相撞，是一件再平常不过的事：岩石行星和卫星表面的千疮百孔已经证明，太阳系原本就是一个危险的射击场。不过，从人类的视角来看，这场冲撞却是终其一生也难得一见的大事：人们相信，平均每1,000年，才会有一颗彗星一头扎进行星之中。

　　在舒梅克-列维9号彗星“英勇献身”的一年以前，哈勃的照片就揭露出，它已经分裂成大约20块碎片，变成了一串“珍珠项链”。1994年7月16日，第一块碎片闯入木星大气层，接下来的一周内，其余碎片也接踵而至。照片显示，如原子弹蘑菇云一般的火球柱从木星的地平线上升腾而起，在撞击发生后的10分钟以内，逐渐下降、扩散开来。撞击造成的疤痕在木星表面滞留了好几个月。

　　这些照片如此珍稀，已经是价值不菲，这些连拍画面，还对木星这颗气态巨行星的化学构成提出了一个有趣的问题。在某个位置，波纹以450米/秒的速度向外扩散。主流解释认为，这些波纹是重力波(gravity wave)的一种，木星大气层中的浮力起到了回复力的作用，就像你试图将一块木头强压到水下，它就会上下来回振动一样。[译注：这里指的并不是广义相对论预言的引力波(gravitational wave)，而是流体力学中的重力波。当一小团流体物质偏离平衡位置时，某种回复力，例如重力或浮力，就会迫使它恢复平衡，结果这团物质就会在平衡位置附近来回振动，形成所谓的重力波。水面上荡漾的波纹就是重力波最常见的例子。]果真如此，这些波纹的性质就能间接表明，在这块传播着波纹的水云(water cloud)之中，氧和氢的比例是太阳的10倍。根据过去一些理论提出的假设，木星是由太阳系的原始尘埃气体盘，在引力的作用下分裂成团，逐渐聚集而成的。如果假设正确，木星的化学构成就该与气体盘相同，也就应该跟太阳的化学成分相似。观测与理论提出的化学成分比例，明显有很大的差距，这个分歧至今无人能解。

　　2、太阳系外的行星

　　2001年，美国天文学会请行星科学家投票表决，选出过去十年内他们心目中最重大的发现。结果，在我们太阳系以外成功检测到其他行星的存在，成为他们的一致选择。现在，研究人员已经找到大约180个类似的天体，其中大部分都是利用地基望远镜，通过观测恒星的轻微摆动发现的。当一颗行星围绕主星旋转时，它所施加的引力就会拉扯主星，引起这样的摆动。不过这些观测所提供的信息非常有限：只提供了这颗行星运行轨道的大小和椭率，以及这颗行星的质量下限。

　　哈勃进行了后续观测，它着重观察一些轨道平面与我们的视线方向刚好一致的行星。这些行星周期性地从主星前面经过，遮挡一部分星光，导致恒星亮度下降——这类事件被称为掩食(transit)。哈勃观测了人们发现的第一颗掩食行星——恒星HD209458的同伴，为这颗行星的性质提供了非常翔实的信息，详细程度超过了我们在太阳系外发现的其他任何行星。它比木星轻了30%，直径却大了30%，这大概是因为主星发出的强劲辐射已经使它变得体态臃肿。如果这颗行星拥有宽宽的光环和大块头卫星，哈勃数据的精度就足以暴露它们的踪迹；很可惜，它们并不存在。最令人印象深刻的是，哈勃已经测得了这颗行星的化学成分。对一颗围绕着其他恒星运行的行星来说，这还是破天荒头一遭。它的大气层中包含了钠、碳和氧，它的氢元素挥发到太空之中，形成了一条彗星状的尾迹。这些观测打响了在银河系其他地方搜寻生命化学信号的第一枪。

　　3、恒星的死亡之舞

　　理论预言，质量介于太阳的8倍到25倍之间的恒星，会在一场超新星爆炸中结束自己的生命。当这颗恒星耗尽所有可用的燃料，它就会突然失去一直支撑着自身重量的压力。它的核心坍缩成一颗中子星—— 一个毫无生气的超致密残骸，外侧的气体包层则会以5%的光速抛射出去。

　　可是，要检验这个理论，却一直困难重重，因为从1680年以来，我们的银河系中再也没有超新星爆发。1987年2月23日，天文学家退而求其次，找到了一个好机会：一颗超新星出现在银河系的一个伴星系——大麦哲伦星云(Large Magellanic Cloud)中。当时哈勃还没有发射升空，不过三年之后，它就对事件的进程展开了追踪。很快，哈勃就在这颗已经爆炸的恒星周围发现了一个三环系统。中间的亮环似乎代表了一团沙漏状气体的狭窄腰部，较大的两个亮环则是两片泪滴状瓣片的边缘，这些结构显然是那颗恒星在爆炸之前的几万年内创造出来的。1994年，哈勃看见中央亮环上的一些光点开始依次增亮——暗示超新星抛射物正在撞入亮环。对这条亮环的观测，仍在为我们研究这颗恒星的最后时光提供有用的线索。

　　跟那些质量较大的恒星不同，人们认为类日恒星会以一种体面的方式了却残生：它们通过一种非爆炸的过程，将自己的外侧气体包层抛射出去，整个过程将持续一万年左右。这颗恒星将炽热的中央核心逐渐暴露出来，它发出的辐射会使周围被抛射出去的气体电离，发出鲜亮的绿色(由电离氧发射)和红色(电离氢)光芒。这个过程所产生的最终结果，被称为行星状星云(planetary nebula)，不过它跟行星其实并没有什么关系。今天已知的行星状星云约有2,000个。哈勃以空前的精度，揭露出它们格外复杂的形状。

　　一些星云展示出一组形如牛眼的同心圆环。这可能意味着抛射过程并不连续，而是周期性的。奇怪的是，由此推算出来的两段抛射期之间的时间间隔约为500年，用动力学脉动(dynamic pulsation)来解释太长，用热力学脉动(thermal pulsation)来描述又太短。(在动力学脉动中，恒星处于引力和气体压力的太极推手之中，本身会收缩和膨胀，这种脉动的周期通常为几百天；而在热力学脉动中，恒星核心附近的氢气层经历了突发的热核反应，从而改变恒星结构，打破了平衡状态，这个过程通常将持续几千年。)因此，我们还不清楚同心圆环的确切本质。

　　4、宇宙分娩

　　很久以前，天文学家就已经知道，喷涌而出的狭窄气流标明了恒星诞生的地点。初生的恒星能够发射出一对准直的喷流，长度可达好几光年。［译注：所谓准直，是指喷流的方向性极佳，如同激光一样，射出很远仍然只是一个很小的光斑，而不像手电筒射出的光线，三五米开外就已经发散得很大。］我们还没能完全理解它的形成过程。最有希望的假说与大规模的磁场有关，它缠绕在这个年轻天体周围的尘埃气体盘中。经过电离的物质就像穿在绳子上的珠串一样，被迫沿着磁力线流动，随着绳子的旋转而被抛掷出去。哈勃已经发现，这些喷流确实起源于物质盘的中心，为这种理论图景提供了第一份直接证据。

　　原先有另一种想法认为，这些环恒星盘(circumstellar disk)应该会深深埋藏在形成它们的气体云中，因而不可能看得到。这种观点已经被哈勃推翻。实际上，哈勃揭露了几十个原行星盘(protoplanetary disk，也被称为proplyd)的行踪，它们大都映衬在明亮的星云背景上，形如一个个剪影。在哈勃观测过的年轻恒星之中，至少有一半看似拥有类似的物质盘。事实证明，形成行星所需的原料，在银河系中是普遍存在的。

　　5、星系考古

　　天文学家认为，较大的星系，例如银河系和仙女座大星系(Andromeda)，是通过吞并较小的星系成长起来的。这种复杂的成长历程所留下的蛛丝马迹，应该被记录在恒星的排布、年龄、成分和速度之中。在破译星系成长历史这方面，哈勃功不可没。它对仙女座星系的恒星“晕”所做的观测就是一例。星系晕是包裹在主星系盘周围的稀薄的球状结构，由恒星和星团构成。天文学家发现，在仙女座大星系的晕中，恒星的年龄千差万别：最古老的有110亿年到135亿年，最年轻的只有60亿年到80亿年。相比之下，年轻的恒星就像是老人院里的小孩，它们一定是从其他地方游荡过来的：可能来源于一些更为年轻的星系(例如后来被吞并的卫星星系)，也可能来自仙女座大星系本身一些比较年轻的区域(假如另一个星系撞过来，或者从星系盘中穿过，星系盘会被搅得天翻地覆，盘中较年轻的恒星就可能被抛入晕中)。我们银河系的恒星晕并没有包含大量相对年轻的恒星。因此，尽管仙女座大星系和银河系外形相似，但哈勃的数据暗示，这两个星系的成长史迥然不同。

　　6、超大质量黑洞

　　从20世纪60年代起，天文学家就推测出，类星体(quasar，一种看起来与恒星类似的天体，但是光谱观测表明，它们距离我们非常遥远，因此它们本身的亮度一定比整个星系还要明亮。现在的高分辨率观测已经发现，它们正是一些星系的核心)和其他活动星系核(active galactic nuclei，明亮而狂暴的星系核心)是由正在吞噬物质的巨型黑洞所驱动的。哈勃的观测已经进一步巩固了这个理论框架。哈勃仔细观察过的星系，几乎每一个的中心最终都被发现拥有一个黑洞。这两项相关的发现具有特别重要的意义。首先，类星体的高分辨率照片揭露了它们的藏身之处——明亮的椭圆星系或者相互作用的星系。这项发现暗示，必须经由一系列特定的事件，才能将物质灌输到中央黑洞之中。其次，包裹着星系中心的核球(bulge)的质量，与巨型黑洞的质量紧密关联。这种关系暗示，星系与中央黑洞的形成与演化息息相关。

　　7、最剧烈的爆炸

　　伽马射线暴(Gamma-ray burst，简称GRB)是伽马射线的短暂闪光，持续时间从几毫秒到几十分钟不等。根据持续时间的长短(以两秒左右为界)，它们被区分成截然不同的两类：与短伽马暴相比，长伽马暴产生的光子能量更低。根据康普顿伽马射线天文台(Compton Gamma Ray Observatory)、“BeppoSAX”X射线卫星和地面天文台所做的观测，天文学家已经将长伽马暴的产生原因，归结为短命的大质量恒星的核心坍缩——换句话说，长伽马暴是超新星爆发的一种。问题是，为什么只有一小部分超新星爆发能够产生伽马暴。

　　哈勃已经发现，尽管超新星的爆发地点遍布于星系的恒星形成区域，但长伽马暴却集中在最明亮的地方，也就是质量最大的恒星聚居的地方。此外，与超新星的寄主星系相比，长伽马暴的寄主星系明显更暗，更不规则，其中包含的重元素也少得多。这一点是非常重要的，因为与那些重元素富集的恒星相比，缺乏重元素的大质量恒星所吹出的星风(stellar wind)会更加微弱。这样，在恒星的一生中，没有被星风吹走而被保留下来的质量就会更多；当它们死亡的时候，才会更重。这些恒星的核心坍缩，倾向于直接形成一个黑洞，而不是一颗中子星。实际上，天文学家将长伽马暴归因于快速旋转的黑洞所产生的准直喷流。核心坍缩事件能否产生伽马暴的决定性因素，似乎是恒星生前的质量和自转速率。

　　事实证明，对短伽马暴的鉴别更加困难。直到去年，HETE 2(高能暂现源实验卫星2号)和雨燕号(Swift)卫星才最终锁定了寥寥几个短伽马暴事件。哈勃和同样在太空中运行的钱德拉X射线天文台(Chandra X-ray Observatory)发现，这些爆发释放的总能量比长伽马暴少，而它们所处的星系类型也更加多样，甚至还包括了早已不再诞生恒星的椭圆星系。显然，这些短伽马暴跟短命的大质量恒星没有直接的联系，它们与恒星的残骸有关。最合理的假说认为，这些短伽马暴是在两颗中子星并合的过程中产生的。、

　　8、遥远的太空边疆

　　天文学的最终目标之一，就是要尽可能地追溯我们星系及其前辈的演化，一直回溯到靠近宇宙大爆炸起点的时刻。为了让我们能够对银河系过去的模样有个概念，天文学家竭力拍摄了许多星系的照片。这些星系的年龄各不相同，囊括了从幼年到成年的各个阶段。到目前为止，在其他天文台的共同协作之下，哈勃已经对天空中的几块小片区域——哈勃深场(Hubble Deep Fields)、哈勃超深场(Hubble Ultra Deep Field)和大天文台宇宙起源深空巡天(Great Observatories Origins Deep Survey)进行了长时间的曝光，将最遥远(因而也最古老)的星系带到我们眼前。

　　这些超灵敏的图片揭露出一些处于宇宙早期的星系。当时宇宙的年龄仅有几亿年，大约是现在宇宙年龄的5%。与现在的星系相比，那些星系的尺寸较小，形状更不规则。由此可见，今天的星系是由较小的星系聚集而成(而不是恰好相反，由较大的星系分裂而来)。回溯到更为久远的过去，这是哈勃的继任者——目前正在建造的詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope)的主要目标。

　　这些长时间的曝光观测，还对宇宙中恒星形成的速率进行了追踪。随着宇宙年龄的增长，恒星的形成也经历了潮起潮落。大约在70亿年以前，宇宙中的恒星形成率似乎达到了顶峰，现在的形成率只及当年的1/10。甚至在宇宙还相当年轻——只有10亿岁的时候，恒星的形成率就已经不低了——大约是峰值形成率的1/3。

　　9、宇宙的年龄

　　埃德温·哈勃(Edwin Hubble)以及其他人在20世纪20年代所做的观测表明，我们生活在一个正在膨胀的宇宙之中。星系正以一种对称的方式彼此飞散开来，暗示着空间本身的结构正在伸展。哈勃常数(Ho)是当前宇宙膨胀速率的一个指标，也是确定宇宙年龄的关键参数。原因很简单：Ho是星系之间彼此远离的速率；因此，如果不考虑任何的加速和减速，Ho的倒数就确定了一个时间，也就是当初所有的物质都必然聚集在一起的时刻。Ho的数值还在星系的成长、轻元素的产生和宇宙演化阶段的时间定标方面，起到了一定的作用。因此，准确地测定哈勃常数，从一开始就成了与它同名的太空望远镜的主要目标之一，这也不足为奇。

　　在实际操作中，确定这个数值就意味着要测定邻近星系的距离——这项以困难而著称的任务曾在20世纪引发了一场异常激烈的论战。哈勃太空望远镜对31个星系之中的造父变星(Cepheid variable)进行了权威的研究，这类恒星与众不同的脉动透露了它们的本征亮度，暴露出它们的距离。［译注：造父变星是一类奇特的变星，它们的变光周期与本身的亮度之间，存在着一一对应的关系。因此测得亮度变化周期(非常容易测量)，就能推算它们的亮度。再结合恒星表现出来的亮度，根据近亮远暗的规律，就能确定这颗恒星的距离。因此，造父变星又被称为“量天尺”。］通过这种方法得出的Ho数值，精度达到10%左右。再加上对宇宙微波背景辐射(cosmic microwave background)的测量，哈勃常数的数值表明，宇宙的年龄为137亿年。

　　10、正在加速膨胀的宇宙

　　1998年，两个相互独立的天文学家小组投下了一枚“重磅炸弹”：宇宙的膨胀正在加速。天文学家过去总是假设，宇宙的膨胀必定是减速的，因为星系会通过引力彼此吸引，这应该会阻碍它们的分离。驱使宇宙加速膨胀的原因，被许多人视为当代物理学中最大的谜团。一种还有待论证的假设认为，宇宙中包含着一些迄今无法看到的成分——人们称之为暗能量(dark energy)。我们将哈勃、地基望远镜和微波背景辐射的观测数据结合在一起，结果暗示，这种暗能量占据了宇宙总能量密度的大约3/4。