天文地理|哈勃用了30年来告诉人类，宇宙的尽头究竟在哪？

_本文原题：哈勃用了30年来告诉人类，宇宙的尽头究竟在哪？
宇宙到底有多大？这是一个从古至今困扰人类的话题。人类对于宇宙的认知，从一开始仅限于天地的“天圆地方论” ，到后来终于接受了地球是球体的事实。可尽管如此，人类相当长时间认为地球这颗的行星是整个宇宙的中心。直到后来的哥白尼理论，威廉·赫歇尔时代才让天文学家的视野进一步扩展，渐渐开始认识到地球仅仅是苍茫宇宙中微不可见的一小隅。
真正让天文学家们了解到宇宙尺度级别的转折，大概是因为天文望远镜制造技术的极大发展，近些年尤以哈勃望远镜为天文望远镜中的明星产品。从此天文学家利用威力日益强大的望远镜，不断将宇宙的起源回溯至更久远的年代。而今年，也正巧是哈勃望远镜升空30周年整了。

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美丽的漩涡星系

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百万恒星构成的宇宙喷泉

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哈勃深场

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2014年哈勃极深场
这些照片仅仅是哈勃所带给我们惊喜的冰山一角，在天文研究的众多领域里，哈勃把人类的知识极限推向了新的高峰，这是哈勃升空之前，人类远远不能到达的领域。比如说哈勃深场，哈勃超深场，哈勃极深场。这些名词，不管你是不是一个天文爱好者，很大概率都会在天文科普乃至影视作品中有所耳闻。那么，让人疑惑的地方是，到底什么是深场，超深场、极深场又有多“深”呢？其实，三者说的都是宇宙的尺度有多大，存在一个递进的关系。而我们今天来了解的，是大爆炸理论与哈勃之间的联系。
宇宙膨胀理论：宇宙正在不断膨胀

最初的尝试

所有存在的物质，包括我们的身体、空气，乃至巨大的行星、恒星、广阔的星系一起构成了宇宙。即使是我们赖以生存的太阳系，也一直在变化着，并且这种变化非常显著。可是，整个宇宙太大了，它的变化反而显得极为细微，可又的确正在发生着。
1625年，爱尔兰人詹姆斯·厄歇尔成为阿尔马的大主教，他猜测地球始于公元前4004年10月的一个早晨。当然啦，这位大主教先生不是天文学家，他根据《圣经》的资料，计算出的结果自然是错得离谱，差了足足100万倍。但是这并非毫无意义，这是人类开始尝试追溯宇宙源头的一次尝试。
尽管这是一次失败的尝试，天文学家们很快就迎来了极大的进展。他们发现地球岩层的放射性物质与太阳系其他系统并无两样，由此推算，才有了今天的地球已经存在了46亿年的说法。

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地球岩层的放射性物质与其它系统差不多

大爆炸理论的提出

天文学家们很快发现宇宙的年龄比起地球尤有甚之，差不多达到了130亿~140亿年。并且，天文学家们还发现所有的星系似乎都在远离我们，仿佛整个宇宙都是在膨胀的，于是也因此有了大爆炸理论。通过对目前这种膨胀速度的测算，天文学家已经大概能确认大爆炸发生于宇宙形成之初，也就是大约138亿年之前。
至于小说和影视作品中喜欢提到的“时空”说法，无非是时间与空间。空间相对好理解，而时间本身却是从大爆炸开始才开始计量的。至于大爆炸之前发生了什么，谁又知道呢？只能是不同学者的各抒己见罢了。分页标题

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目前的理论：大爆炸后的宇宙不断膨胀

大爆炸之后

大爆炸后，按照时间，可粗略地分为四个阶段：
1.普朗克时间的极短时期：普朗克时间的极短时期，仅有10^-43秒，在那个时间段里，尽管已经发生了大爆炸，可是仍然不会有时间与空间，因为时空本身以及一切物理定律都还在形成中，不过在短暂地度过了这一瞬间之后，宇宙的时空形成，也开始遵循我们所知晓的物理定律。并且在两个阶段之间的某个瞬间，宇宙的温度可高达10^27开，第一批粒子，包括电子形成。

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爆炸初期模拟图
2.百万分之一秒：在这个时期，中子和质子开始形成，此时的温度已经降到了只有10亿开，质子和中子开始结合，形成氘核（重核）和氦。也正是因为这个短暂的时期，宇宙中的氢氦比例也因此固定。
3.接下来的30万年：宇宙渐渐安静下来，膨胀冷却，可本质上宇宙还是那个年轻而狂躁的宇宙，各种原子核散落于电子海洋，宇宙迷雾重重，辐射尚来不及传播多远就被粒子散射改变方向。简单来说，这个时期宇宙中的情景，大概就是雾中所透出光线的朦胧感，倒也颇有几分诗意的感觉。

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年轻的星系因距离太远，本身的蓝光移到波长更长的红光
4.30万年以后：温度下降了，仅有3000摄氏度，原子核和电子开始结合，第一代氢氦原子形成。与此同时，各种粒子大量减少， “迷雾”消散，辐射几乎不再受影响了，宇宙这才变得“透明” 。

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宇宙大爆炸膨胀模式图
宇宙的的尺度有多大？
宇宙膨胀了这么久，我们只知道宇宙一定已经很大了，可实际上具体是多大呢？宇宙的大小又可以用什么样的单位去衡量呢？其实，根据原子，我们可以推算出宇宙的尺度。
在初中物理，我们就知道原子很小，是组成物质的单位。在宇宙中，最小的物体是原子中的粒子，它是一切正常物质的基本构成。原子直径大约10^-10米。也就是说，在一米的范围中，原子们可以手拉手，并排站 100亿个。而电子围绕原子核不停地高速运动，大小仅有10^-15米。

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原子绕核高速运动
我们将这些微观世界例子放大10亿倍来看，才能与我们的日常生活相匹配，通常用英寸、英尺、码、厘米、米作为单位来描述长度。地球本身也是会发热的，其发热直径比本身还要再大几百万倍，大约10^7米。比地球尺寸再大10亿倍，才能让我们超越行星的范畴，位于离太阳最近恒星四分之一的路途上。

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拉尼亚凯亚超星系团是宇宙网络中的一个节点，它看起来像表面上的羽毛。
四分之一是怎么回事呢？我们经常听到描述宇宙用光年的计量单位， 1光年等于10^13千米，正好是刚刚所说的四分之一。把这个距离乘10万，就得到了更大一级天体的尺寸，对于我们来说，那就是银河系；再乘50 ，就得到了银河系所在超星系团的尺寸；再扩大200倍，差不多到达了100亿光年，接近宇宙的大小了。
从微观粒子到宇宙边缘，换句话说，宇宙是最小粒子的10^42倍。分页标题
哈勃深场、超深场、极深场：天文界的考古学

一次力排众议的勇敢尝试

1995年圣诞节，哈勃揭开了被称为“天文考古学”研究的新纪元。 1995年底，一群天文学家做出一个大胆创新的尝试，他们把世界上最精密的哈勃太空望远镜，首次连续十天指向一个区域。
我们听起来可能不算什么，可是要知道，哈勃的使用寿命并非无限制的。哈勃最初的使用年限被定为了15年，作为如此昂贵的一台天文望远镜，每天的成本都相当于一笔巨大的开销。因此，连续十天观测一个看似啥也没有的“空区域” ，自然遭到了许多天文学家的质疑。当这个实验首次提出的时候，没有人真正知道这是否会带来任何有意思的科学结果。

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哈勃对区域连续拍摄十天
当天文学家细看首张照片时，都被它惊呆了！仅照片中的一个细小区域里，就有超过3000多个星系，这也就是我们之前所提到的哈勃深场，远达120亿光年。在首张深空区中所见的上千个星系，位于演化的不同阶段，它们就像是串联起一条绵延数十亿光年的长廊。通过瞥视处于不同时期的星系，我们就能够研究它们在时间洪流中的演化。

进一步观测

当首张深场照片完成后，另一张长时间曝光的深空区就选址在南天就行拍摄，结合哈勃北深场及哈勃南深场，它们共同构成了天文学家们窥视宇宙初期演化的窗口。

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南天深场

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北天深场
这两张哈勃深场在现代天文学界掀起了一次翻天覆地的革命。当首次深空区观测进行之后，几乎所有的地面以及太空望远镜都开始观测哈勃所观测的同一片区域进行不同角度全方位观察。由多种不同大小、位于不同环境、对不同波段有不同灵敏度的仪器共同协作，往往能得到一些有意义的天文成果:

不同时期恒星的诞生率
恒星诞生的特征
类行星盛行的时期

人类最值得称赞的品质之一就是永不停止的探索精神。既然天文学家开启了一道前所未见的宇宙深空大门，他们就不会停下脚步，并且试图将观测的极限推到更早的时代。 2003-2004年，哈伯得出了哈勃超深场；2014年，哈勃又更新了哈勃极深场，观测距离高达132亿光年。

哈勃望远镜可以回溯时间

宇宙的尺度，简单来说，是以宇宙诞生的时间和空间来丈量的，也正因为宇宙的不停膨胀，才有了宇宙深场这个说法。而哈勃望远镜所拍摄的最具有天文学意义的图像就是哈勃极深场(HUDF) 。哈勃极深场，意味着可见光宇宙的最深入探测，包含了很多极其暗弱以至于无法用地基望远镜观测到的星系。凝视这些图像，我们其实就是在追溯时间。正如玄幻小说中常常有时间追溯的说法，看似脑洞大开，却也确实有些科学道理，所谓时间追溯，本质上来说就是对光的追溯。

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通过哈勃望远镜回溯时间

深场观测区域有多大

HUDF瞄准的是天炉座一片极小的天区，只有满月大小的五十分之一。可能这样的说法有些难以理解，我们不妨这样想，对于HUDF来说，差不多就相当于透过一根直径2.4米的吸管望向宇宙深处。也多亏了哈勃望远镜高高处于大气层之上，倘若是寻常的地标望远镜，看相同一片区域，也只能发现空无一物。分页标题

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哈勃极深场观测区域与满月对比模式图
尽管感觉上看到的区域很小，但正是这“小小”的区域，包含了足足有10000个形态、大小、颜色各异的星系。既有漩涡星系和椭圆星系，也有奇怪形状的许多不规则星系，甚至其中的一些正在发生相互作用。极深场内的星空，因为更年轻，所以远比我们所处的秩序井然的星系要混乱得多。
其实早在《列子》中的《天瑞篇》就曾对混沌一词有过解释：气形质具而未相离，故曰浑沦。浑沦者，言万物相浑沦而未相离也。尽管科学发展至今，人类可以登上宇宙，探索星空，却也不得不佩服古人对天文的许多超前的智慧看法。

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宇宙不同层次星系划分图
人类真的能将观测视野延伸到宇宙边缘吗？
尽管哈勃极深场已经将观测视野延伸到了132亿光年，可是距离宇宙的边界也仍然有着不小的差距。有这样的说法：宇宙的起源大约138亿光年，可事实真就如此吗，谁也说不准。
不过让人欣喜的是2016年，天文学家们又发现了新的最远星系： GN-z11 ，这个不规则星系与我们的距离高达144亿光年。它大约诞生于宇宙诞生后的 4.2亿年，可以说，它是名副其实的“与天同寿”了！

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CN-z11星系
哈勃望远镜探测到越来越远的遥远天体，这意味着人类越来越接近大爆炸发生的时间。但是仅凭哈勃望远镜应该是没有可能将观测视野推进到宇宙起源了，毕竟今年已经是哈勃望远镜工作的30年整，大大超过了预期的使用期限。
哈勃望远镜确实将要迎来退役，不出意外的话， 2021年，哈勃的继任者詹姆斯·韦伯望远镜将发射投入使用。人们期待着韦伯望远镜可以观测到更远的过去，也许可以观测到第一代恒星。不过，在詹姆斯·韦伯空间望远镜发射之前，哈勃极深场将保持着太空观测的深度记录。

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詹姆斯·韦伯空间望远镜
詹姆斯望远镜也是一个“命途多舛”的望远镜，因为种种原因延迟发射，至今已有十多年，不过詹姆斯·韦伯还是有很多值得期待的地方：

更大，更精密：韦伯口径高达6.5米，是哈勃的3倍；
发射质量轻：约6.2吨，相当于哈勃的一半；
工作波段范围更广：韦伯可以在红外波段工作；
耐低温：能在接近绝对零度，即零下273.15摄氏度工作；
反射式镜头的设计，史上最科幻的飞行莲花外形。

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这个角度来看哈勃和韦伯的主镜比较，就很直观了
到底应该怎么评价哈勃？
哈勃从诞生以来多灾多难，毛病不断，正应了中国那句老话“新三年，旧三年，缝缝补补再三年。 ”相比于最新一代的韦伯望远镜，哈勃在各个方面也显得捉襟见肘。它为我们带来了壮丽的宇宙深场，进一步证实了宇宙大爆炸理论。因此，我们要记住的是：哈勃，永远是人类历史上的一大传奇！

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【天文地理|哈勃用了30年来告诉人类，宇宙的尽头究竟在哪？】哈勃望远镜是一个巨大的成功，是永远值得人类纪念与自豪的丰碑。哈勃望远镜用这30年的时间，带着全人类体验了一段跨越时空的旅程，通过这架非凡的望远镜，去欣赏精彩、神秘、美得令人窒息的宇宙。分页标题