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爱德温·哈勃

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美国天文学家爱德温·哈勃(Edwin P. Hubble)(1889~1953)是研究现代宇宙理论最著名的人物之一,是河外天文学的奠基人。他发现了银河系外星系存在及宇宙不断膨胀,是银河外天文学的奠基人和提供宇宙膨胀实例证据的第一人。

 

生平简介

 

爱德温·鲍威尔·哈伯(英语:Edwin Powell Hubble,1889年11月20日~1953年9月28日),美国著名的天文学家。

哈伯证实了银河系外其他星系的存在,并发现了大多数星系都存在红移的现象,建立了哈勃定律,是宇宙膨胀的有力证据(参见大爆炸理论)。哈伯是公认的星系天文学创始人和观测宇宙学的开拓者。并被天文学界尊称为星系天文学之父。

为纪念哈伯的贡献,小行星2069、月球上的哈勃环形山以及哈勃太空望远镜均以他的名字来命名。

哈勃出生于密苏里州一个保险从业员的家庭,1898年移居到伊利诺伊州。他在少年时代擅长运动,在运动比赛常常进三甲,曾在跳高项目刷新州际纪录。

他曾在芝加哥大学修读数学及天文学,1910年取得理学士学位,及后于英国牛津大学修读法律硕士学位,亦是首批罗德学者之一,毕业后回国并在印第安纳州一中学担任教师及篮球教练。

第一次世界大战后,他应征入伍。战争结束后他回到芝加哥大学攻读博士学位,于叶凯士天文台研究天文,1917年毕业。1919年哈勃获威尔森天文台的海耳聘用,成为其终身职位。该天文台曾建造一台200英吋口径的望远镜,哈勃是第一个使用者。1953年,哈勃因中风去世。

哈勃曾发现河外星系的红移与距离的关系,即哈勃定律,为宇宙大爆炸理论提供了有力的支持。此外,他曾发现小行星1373。

为纪念哈伯的贡献,小行星2069、月球上的哈勃环形山以及哈勃太空望远镜均以他的名字来命名。

1953年9月28日,哈伯于加州圣玛利诺因脑血栓逝世。哈伯逝后并未举行任何丧礼,其妻子葛蕾丝·哈伯也未向大众公开哈伯的死讯。

Edwin_Hubble

 

科学研究

 

哈勃(Edwin Powell Hubble,1889.11.20~1953.9.28),美国天文学家,观测宇宙学的开创者。1889年11月20日生于密苏里州马什菲尔德,1953年9月28日卒于加利福尼亚圣马力诺。

1906年6月,17岁的哈勃高中毕业,获得芝加哥大学奖学金,前往芝加哥大学学习,在大学期间,他受天文学家海尔启发开始对天文学产生更大的兴趣。他在该校时即已获数学和天文学的校内学位。1910年,21岁的哈勃在芝加哥大学毕业,获得奖学金,前往英国牛津大学学习法律,23岁获文学士学位。1913年在美国肯塔基州开业当律师。后来,他终于集中精力研究天文学,并返回芝加哥大学,25岁到叶凯士天文台攻读研究生,28岁获博士学位。在该校设于威斯康星州的叶凯士天文台工作。在获得天文学哲学博士学位和从军两年以后,1919年退伍到威尔逊天文台(现属海尔天文台)专心研究河外星系并作出新发现。

哈勃对20世纪天文系作出许多贡献,被尊为一代宗师。其中最重大者有二:一是确认星系是与银河系相当的恒星系统,开创了星系天文学,建立了大尺度宇宙的新概念;二是发现了星系的红移-距离关系,促使现代宇宙学的诞生。

Edwin_Hubble

1914年,他在叶凯士天文台开始研究星云的本质,提出有一些星云是银河系的气团。他发现亮的银河星云的视直径同使星云发光的恒星亮度有关。并推测另一些星云,特别是具有螺旋结构的,可能是更遥远的天体系统。

1919年,他用世界上最大的150厘米和254厘米望远镜照相观测旋涡星云。当时天文界正围绕“星云”是不是银河系的一部分这个问题展开了激烈的讨论。1923~1924年,哈勃用威尔逊山天文台的254厘米反射望远镜拍摄了仙女座大星云和M33的照片,把它们的边缘部分分解为恒星,在分析一批造父变星的亮度以后断定,这些造父变星和它们所在的星云距离我们远达几十万光年,远超过当时银河系的直径尺度,因而一定位于银河系外,即它们确实是银河系外巨大的天体系统——河外星系。1924年在美国天文学会一次学术会议上,正式公布了这一发现。这项发现使天文学家们关于“宇宙岛”的争论胜负立即分出,所有天文学家都意识到,多年来关于旋涡星云是近距天体还是银河系之外的宇宙岛的争论就此结束,从而揭开了探索大宇宙的新的一页。 1926 年,他发表了对河外星系的形态分类法,后称哈勃分类。

Edwin_Hubble

20世纪初,斯里弗对旋涡星云光谱作过多年研究,发现谱线红移现象。在斯里弗观测的基础上,哈勃与助手赫马森合作,对遥远星系的距离与红移进行了大量测量工作,发现远方星系的谱线均有红移,而且距离越远的星系,红移越大,于是得出重要的结论:星系看起来都在远离我们而去,且距离越远,远离的速度越高。

1929年他通过对已测得距离的20多个星系的统计分析,更进一步发现星系退行的速率与星系距离的比值是一常数。两者间存在着线性关系。这一关系后被称为哈勃定律。这个被称为哈勃常数的速率就是星系的速度同距离的比值。

这一结论意义深远,因为一直以来,天文学家都认为宇宙是静止的。若认为红移是星系视向运动的多普勒效应造成的,则红移-距离关系表明,距离越远的星系正以越来越快的速度远离我们。运用广义相对论,人们通常把哈勃定律解释为宇宙膨胀的必然结果。哈勃定律的发现有力地推动了现代宇宙学的发展。

后来经过其他天文学家的理论研究之后,宇宙已按常数率膨胀了137亿年。20世纪初,大部分天文学家都认为宇宙不会膨胀出银河系。

年轻时的哈勃

哈勃还对旋涡星云的空间分布进行了研究,1936年在所著《星云世界》一书中绘出了旋涡星云按银道坐标的空间分布图。该图表明,在银道面上几乎完全看不到旋涡星云,在银道面两旁所见也不多,而随着银纬增高,所见到的旋涡星云越多。这一现象是由于银河系内银道面附近浓密的星际物质的吸光作用造成的。

他还研究了银河星云的发光机制,1922年指出,发射星云近旁往往有光谱型早于B1型的恒星,反射星云近旁往往有晚于B1型的恒星。

1953年,哈勃在回家途中突发中风,不幸逝世。1990年,美国国家航空航天局(NASA)发现空间望远镜,为纪念哈勃的丰功伟绩,命名为“哈勃空间望远镜”。这是NASA“大天文台计划”的四个空间望远镜中的第一颗。另外三颗分别为:康普顿伽马射线天文台,钱德拉X射线天文台,斯必泽红外空间望远镜。哈勃空间望远镜以光学与近红外观测为主。这四个空间望远镜覆盖了电磁波全波段,为人类认识广袤宇宙作出划时代的伟大贡献。

哈勃的著作有《星云世界》、《用观测手段探索宇宙学问题》等,两书都是现代天文学名著。他曾经获得太平洋天文学会奖章和英国皇家天文学会金质奖章。

爱德温·哈勃

 

哈勃定律

 

哈柏定律是物理宇宙论的陈述:来自遥远星系光线的红移与他们的距离成正比。这条定律是哈柏和米尔顿·修默生在接近十年的观测之后,于1929年首先公式化的。 [1]它被认为是在扩展空间范例上的第一个观察依据,和今天经常被援引作为支持大爆炸的一个重要证据。这个常数的最佳数值是在2003年使用人造卫星威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)测得的,数值为71 ± 4 km s-1 Mpc-1。在2006年的资料,图中对应的是77 km s-1 Mpc-1。

在宇宙学研究中,哈柏定律成为宇宙膨胀理论的基础。但哈柏定律中的速度和距离均是间接观测得到的量。速度——距离关系和速度——视星等关系,是建立在观测红移——视星等关系及一些理论假设前提上的。哈柏定律原来由对正常星系观测而得,现已应用到类星体或其他特殊星系上。哈柏定律通常被用来推算遥远星系的距离。

晚年的哈勃

 

哈柏定律 ( Hubble's law )

 

Vf = Hc x D

 

参数说明:

Vf:Velocity ( Far Away ) 远离速率 单位:km s-1

Hc:Hubble's Constant 哈柏常数 单位:km s-1 Mpc-1

D:Distance 相对地球的距离 单位:Mpc(百万秒差距)

《时代》周刊封面上的哈勃

 

简介

 

1929年,E.P.哈勃发现河外星系视向退行速度v与距离d成正比,即距离越远,视向速度越大。

哈勃定律是物理宇宙论的陈述:来自遥远星系光线的红移与他们的距离成正比。这条定律是哈柏和米尔顿·修默生在接近十年的观测之后,于1929年首先公式化的。它被认为是在扩展空间范例上的第一个观察依据,和今天经常被援引作为支持大爆炸宇宙学的一个重要证据。这个常数的最佳数值是在2003年使用人造卫星威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)测得的,数值为71 ± 4 km s-1 Mpc-1。在2006年的资料,图中对应的是77 km s-1 Mpc-1。

在宇宙学研究中,哈柏定律成为宇宙膨胀理论的基础。但哈柏定律中的速度和距离均是间接观测得到的量。速度——距离关系和速度——视星等关系,是建立在观测红移——视星等关系及一些理论假设前提上的。哈柏定律原来由对正常星系观测而得,现已应用到类星体或其他特殊星系上。哈勃定律通常被用来推算遥远星系的距离。

哈勃太空望远镜

 

定义

 

河外星系的视向退行速度与距离成正比,即距离越远,视向速度越大。这个速度——距离关系在1929年由美国天文学家哈勃发现,称为哈勃定律或哈勃效应。在宇宙学研究中,哈勃定律成为宇宙膨胀理论的基础。但哈勃定律中的速度和距离均是间接观测得到的量。速度——距离关系和速度——视星等关系,是建立在观测红移——视星等关系及一些理论假设前提上的。哈勃定律原来由对正常星系观测而得,现已应用到类星体或其他特殊星系上。哈勃定律通常被用来推算遥远星系的距离。

 

发现

 

自河外星系本质之谜被揭开之后,人类对宇宙的认识从银河系扩展到了广袤的星系世界,一些天文学家开始把注意力转向星系。从1920年代后期起,哈勃本人更是利用当时世界上最大的威尔逊山天文台2.5米口径的望远镜,全力从事星系的实测和研究工作,其中包括测定星系的视向速度,以及估计星系的距离,前者需要对星系进行光谱观测,后者则必须找到合适的、能用于测定星系距离的标距天体或标距关系。哈勃开展上述两项工作的目的,是试图探求星系视向速度与距离之间是否存在某种关系。

哈勃定律

宇宙中所有天体都在运动,天文学上把天体空间运动速度在观测者视线方向上的分量称为天体的视向速度。视向速度测定的基础是物理学上的多普勒效应,它由奥地利物理学家多普勒(J.C.Doppler)于1842年首先发现。该效应指出,运动中声源发出的声音(如高速运动中火车的汽笛声),在静止观测者听来是变化的。若以c表示声速,v为声源的运动速度,则静止观测者实际听到的运动中声源所发出声音的波长λ,与声源静止时声音波长λ0之间的关系符合数学表达式(λ-λ0)/λ0=v/c,称为多普勒效应。因为声速c和静止波长λ0是已知的,λ可通过实测加以确定,所以可以利用多普勒效应测出声源的运动速度v。声源的运动速度越高,声波波长的变化越显著。

哈勃定理 宇宙模式图

光是一种电磁波,如果把多普勒效应同样应用于天体光线的传播上,公式中的c就是光速,v就是天体的视向速度。以恒星为例,通常在恒星光谱中会有一些吸收谱线,这是恒星表面发出的光辐射被恒星大气中各种元素吸收所造成的,且特定的元素严格对应着特定波长的若干条吸收线。只要把实测恒星光谱中某种元素的吸收谱线位置(即运动光源的波长λ),与实验室中同种元素的标准谱线位置(即静止波长λ0)加以比较,就可以发现两者之间会产生一定的位移Δλ=λ-λ0,即多普勒位移。λ0是已知的,而Δλ又可以通过观测得到,所以通过多普勒效应即可推算出恒星的视向速度v,这就是确定天体视向速度的基本原理。据此,英国天文学家哈金斯(W. Huggins)在1868年首次测得天狼星的视向速度为46公里/秒,且正在远离地球而去。

哈勃定律

哈勃开展的这项观测研究是非常细致又极为枯燥的,他在相当长的一段时间内投入了自己的全部精力。与现代设备相比,1920年代观测条件很简陋,2.5米口径望远镜不仅操纵起来颇为费力,而且不时会出现故障。星系是非常暗的光源,为了拍摄到它们的光谱,在当时往往需要曝光达几十分钟乃至数小时之久,其间还必须保持对目标星系跟踪的准确性。为获取尽可能清晰的星系光谱,哈勃甚至迫不得已用自己的肩膀顶起巨大的镜筒。人们调侃地形容说“冻僵了的哈勃”就“像猴子般地”成夜待在望远镜的五楼观测室内,“脸被暗红色的灯光照得像个丑八怪”,由此足见这位天文学大师严谨的科学态度和顽强拼搏的科学精神。功夫不负有心人,经过几年的努力工作,到1929年哈勃获得了40多个星系的光谱,结果发现这些光谱都表现出普遍性的谱线红移。如果这是缘于星系视向运动而引起的多普勒位移,则说明所有的样本星系都在做远离地球的运动,且速度很大。这与银河系中恒星的运动情况截然不同:银河系的恒星光谱既有红移,也有蓝移,表明有的恒星在靠近地球,有的在远离地球。不仅如此,由位移值所反映出的星系运动速度远远大于恒星,前者可高达每秒数百、上千公里,甚至更大,而后者通常仅为每秒几公里或数十公里。

哈勃太空望远镜

在设法合理地估计了星系的距离之后,哈勃惊讶地发现,样本中距离地球越远的星系,其谱线红移越大,且星系的视向退行速度与星系的距离之间可表述为简单的正比例函数关系:v=H0r,(v表示星系的视向速度,星系的距离为r)这就是著名的哈勃定律,式中的比例系数H0称为哈勃常数。

哈勃于1929年3月发表了他的首次研究结果,尽管取得了46个星系视向速度资料,但其中仅有24个确定了距离,且样本星系的视向速度最高不超过1200公里/秒。实际上当时哈勃所导出的星系的速度-距离关系并不十分明晰,个别星系对关系式v=H0r的弥散比较大。后来他与另一位天文学家赫马森(M.L.Humason)合作,又获得了50个星系的光谱观测资料,其中最大的视向速度已接近2万公里/秒。在他们两人于1931年根据新资料所发表的论文中,星系的速度-距离关系得到进一步确认,且更为清晰。1948年,他们测得长蛇星系团的退行速度已高达6万公里/秒,而速度-距离关系依然成立。今天,哈勃定律已被众多的观测事实所证实,并为天文学家所公认,而且在宇宙学研究中起着特别重要的作用。有意思的是,哈勃这位举世公认的星系天文学创始人始终不愿接受术语“星系”,他在自己的论文和报告中一直坚持用“河外星云”来称呼河外星系。因此,美国历史学家克里斯琴森(G.E.Christianson)亲昵地把哈勃称为“星云世界的水手”,并以此作为书名,用35万余字(中译本字数)的篇幅详细记述了哈勃的科学生涯,特别是他在星系世界中长年的辛勤劳作和做出的不朽业绩。

美国天文学家爱德温 哈勃.

 

常数测量

 

在二十世纪后半,哈勃常数H0的值被估计约在50至90(km/s)/Mpc之间。

哈勃常数的值曾是个长久而激烈的争议主题,Gérard de Vaucouleurs主张其值应为80而Allan Sandage则认为其应为40。1996年,由JohnBahcall主持,包含Gustav Tammann及Sidney van den Bergh的辩论以类似早期Shapley-Curtisdebate的模式举行,主题针对上述两个竞争数值。1990年代晚期,引进宇宙的λ-CDM模型,数值差异的问题被部分地解决。在此模型下,利用苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应进行的X光高红移群及微波波长的观察、宇宙微波背景辐射各向异性的量度和光学调查皆测定哈柏常数的值为70左右。特别的是,Hubble Key Project(由Wendy L.Freedman博士主导,在卡内基天文台进行)进行最精确的光学测量,在2001年五月发表其最终估计值为72±8(km/s)/Mpc,此结果与基于苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应进行的银河系星群观测所测出的H0相当一致,具有相似的精确值。在2003年,利用WMAP所得出最高精度的宇宙微波背景辐射测定值为71±4 (km/s)/Mpc,而直到2006年,皆以70 (km/s)/Mpc,+2.4/-3.2作为测定值。因为1秒差距接近米,故在公制单位中H0的值约为(m/s)/m(Hertz)。从上述三种方法得出一致的测定值提供了H0测定值与λ-CDM模型有力的支持。q的值被以Ia型超新星所制定的标准烛光观察标准所测量。该标准定于1998年,其值被定为负值。此举使许多天文学家感到惊讶,因为这暗示著宇宙膨胀正在“加速”(虽然哈柏因子随时间而递减;详见暗物质及λ-CDM模型)。

在2006年八月,利用美国国家航空航天局(NASA)的Chandra X光天文台(Chandra X-ray Observatory),来自NASA Marshall Space FlightCenter(MSFC)的研究小组观测得出哈柏常数的值为77公里每秒每百万秒差距(77km/sMpc;1百万秒差距等于3.26百万光年),不准量约15%。

2009.5.7,美国宇航局NASA发布最新的Hubble常数测定值,根据对遥远星系Ia超新星的最新测量结果,常数被确定为(74.2± 3.6)km/(s*Mpc),不确定度进一步缩小到5%以内。

 

历史

 

早在1912年,施里弗(Slipher)就得到了“星云”的光谱,结果表明许多光谱都具有多普勒Doppler)红移,表明这些“星云”在朝远离我们的方向运动。随后人们知道,这些“星云”实际上是类似银河系一样的星系。

哈勃定律

1929年哈勃(EdwinHubble)对河外星系的视向速度与距离的关系进行了研究。当时只有46个河外星系的视向速度可以利用,而其中仅有24个有推算出的距离,哈勃得出了视向速度与距离之间大致的线性正比关系。现代精确观测已证实这种线性正比关系v = H0×d 其中v为退行速度,d为星系距离,H0为比例常数,称为哈勃常数。这就是著名的哈勃定律。

哈勃定律揭示宇宙是在不断膨胀的。这种膨胀是一种全空间的均匀膨胀。因此,在任何一点的观测者都会看到完全一样的膨胀,从任何一个星系来看,一切星系都以它为中心向四面散开,越远的星系间彼此散开的速度越大。

 

公式

 

哈勃定律 ( Hubble's law ):Vf = Hc x D

参数说明:

Vf:Velocity ( Far Away ) 远离速率 单位:km / s

Hc:Hubble's Constant 哈勃常数 单位:km / (s.Mpc)

D:Distance 相对地球的距离 单位:Mpc 百万秒差距

哈勃定律提出的原理

 

关系

 

哈勃在导出他的著名定律的过程中,必须取得同一目标星系的两个基本观测量,即星系的视向速度v和距离r,并由此确定哈勃常数H0=v/r。视向速度可以通过测量星系光谱中谱线的多普勒位移来确定,较为简单。问题的关键是如何测得星系的距离。因为星系的距离极为遥远,三角视差法对此“鞭长莫及”,所以必须另辟蹊径。天文学家已找到了多种测定遥远天体距离的方法,其中以光度测距法的应用最为广泛。 对于一个光源(如恒星或星系)来说,其实际发光本领称为光源的光度,这是光源自身的内禀性质。而观测者所看到的光源的明暗程度称为亮度,它是光源的观测特征。设一颗恒星(或其他天体)的光度为L,亮度为B,距离为r,那么只要选取恰当的单位便有B=Lr-2。天文学中常用绝对星等M来表征光度,用视星等m表征亮度,相应的关系式为m-M=5lgr-5。m是观测量,只要设法确定恒星的M,便可以导出它的距离r,这就是光度测距法的基本原理,所得出的距离称为光度距离。

哈勃定律的测量方法

那么,如何确定天体的绝对星等(即光度)呢?又有两条不同的途径。一是设法确定某类恒星所具有的恒定的、或者变化不大的绝对星等M,因此对于远处未知距离的这类恒星来说,只要测得它的视星等m,便可推算出它的距离。这类可用于测距的恒星称为标距天体,它们的绝对星等就是“标准烛光”。例如,蓝白色的亮星以及称为沃尔夫-拉叶星的一类特殊恒星,平均绝对星等M约为-7.0,新星爆发后最明亮时也可达到M≈-7.0,它们可以作为标准烛光,其测距的适用范围最远约可达5000万光年。又如天琴RR型变星达到极大亮度时的绝对星等M约为0.6,这是另一类标距天体,其测距的适用范围最远可超过300万光年。

二是寻求“标距关系”。以造父变星为例,该类变星的平均绝对星等M与光变周期P之间有着确定的周光关系M=a lgP+b,其中P是可观测量,a和b为常参数,可以通过已知距离的近距造父变星来加以标定,其中b称为周光关系的零点,而像造父变星周光关系那样可以用来测定天体距离的关系便称为标距关系。于是,对应于确定的周光关系,只要测得未知距离的远距造父变星的光变周期,便能计算出相应的绝对星等,并进而推算出距离。造父变星是一类高光度恒星,即使在相当远的地方也能观测到,利用它们的周光关系作为标距关系,适用范围最远也可达5000万光年左右。

哈勃定律的历史

星系的尺度与其距离相比通常是很小的,可以合理地认为星系中的所有恒星具有相同的距离,只要在星系中证出某类标距天体,便可以利用“标准烛光”或标距关系确定出标距天体的距离,即星系的距离,而这就是当年哈勃测定目标星系距离的基本思路。

但是如果“标准烛光”不很“标准”,标距关系不太精确,或者标距关系中的参数a和b标定有误,则必然会给星系距离r的测定值带来误差,甚至错误。一旦r的测定有误,即使星系视向速度v测得很准,哈勃常数的测定结果必然就不准确了。另一方面,由数学关系式H0 = v/ r可知,由距离测定误差mr引起的哈勃常数的确定误差为m = vm r /r2,可见星系的距离越远,所得出的哈勃常数就越精确,这就是哈勃为什么要通过对远距离星系的观测来确认哈勃定律并标定H0的原因之一。除了“标准烛光”或者标距关系可能不严格所引起的距离测定误差外,影响哈勃常数测定结果的另一个因素是星系运动的复杂性。鉴于哈勃的贡献,天文学上把星系的普遍性退行运动称为哈勃流,这是一种遵循哈勃定律的系统性运动。事实上,除了参与哈勃流运动外,由于局部大质量天体引力场的作用,星系自身还有偏离哈勃流运动的所谓“本动”,因而在星系的观测运动中应该包含了哈勃流运动和本动两个部分,而后者并不服从哈勃定律。观测研究表明,星系的距离越远,本动部分占星系观测运动中的比例越小。从这个角度说,为了能得出星系参与哈勃流运动的速度的可靠结果,尽可能减小本动成分的影响,也应该用尽可能远的星系来对哈勃常数进行绝对定标。例如,后发星系团的距离已接近1亿秒差距,它的运动主要表现为宇宙膨胀引起的哈勃流运动,本动只占很小的比例,由这类天体的距离测定值和视向速度测定结果,才能得出比较可靠的哈勃常数。

哈勃定律

 

物理意义

 

利用哈勃定律v=H0 r,只要能确知哈勃常数H0,便可由天体的视向速度v得出其距离r,称为宇宙学距离,这里唯一需要取得的观测资料是远方天体的视向速度。这样r=v/H0 也许便是确定天体宇宙学距离的最为简单的一种标距关系,但前提是哈勃常数必需已知。

p作为天文学分支学科之一的宇宙学,主要是从大尺度(甚至整体)上研究宇宙的结构和演化,又可分为观测宇宙学和理论宇宙学模型两方面的内容,不过两者之间有着密切的联系。“大尺度”结构,通常是指范围在10Mpc(3000万光年)以上的宇宙物质分布情况,而目前所能观测到的宇宙尺度为1010光年量级。在宇宙学中,有一条未能完全证实的“公设”性基本原理,即宇宙学原理。它的含意是:在空间中任意一点,以及从任意一点位置上的任一方向来进行观察的话,宇宙的大尺度图景是没有区别的;而且对宇宙中各处的观测者来说,他们所观察到的物理量和物理规律完全相同,没有任何一个观测者会处于与众不同的特殊地位。根据宇宙学原理,地球上所观察到的宇宙大尺度图景也能被处于任何其他天体上的观测者看到,这就意味着由地球观测者所发现的哈勃定律应该同样适用于宇宙中的任何天体。于是可以得知,在任何一个星系上,都能观测到其他星系在作远离该星系的退行运动,而且距离越远的星系退行速度越大。由此可以得出一个重要的推论:对宇宙中的任何两个星系来说,它们都在彼此互相远离,而且星系间的距离越远,相互远离的速度也越大。因此对由哈勃定律所推断的上述大尺度宇宙图景的最简单的物理解释便是整个宇宙在不断膨胀,且这种膨胀是均匀各向同性的,这正是大爆炸宇宙模型的预期结果。

卫星观察宇宙

哈勃常数的倒数t0=r/v=H0-1具有时间的量纲,称为哈勃时间。既然哈勃定律是由大爆炸引起的宇宙膨胀的一种观测效应,那么在过去遥远的某个时间,具体说来就是在t0时间前,宇宙中所有的物质必然聚集于一点,或者说一个极小的空间范围内。可见,一旦确定了哈勃常数的具体数值,便可以估计宇宙的年龄。由近期测定的哈勃常数H0=73km/(s·Mpc),可以推算出宇宙年龄的上限为137亿年(不过有报道称,2006年8月一项新的研究结果是宇宙的年龄应为158亿年,可是对此仍然存在争议)。哈勃定律表征了宇宙膨胀,但哈勃常数并不是宇宙膨胀的速度,而是星系间退行速度的变化率。哈勃常数的单位是每百万秒差距、每秒公里,如采用H0=73km/(s·Mpc),那么星系间的距离每增大1Mpc,星系的相互退行速度便增大73公里/秒。

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在哈勃定律发现之前,苏联数学家弗里德曼(A.A.Friedmann)于1922年首次论证了宇宙随时间不断膨胀的可能性,从而对爱因斯坦的静态宇宙观念提出了挑战。比利时主教、天文学家勒梅特(G.Lemaltre)在弗里德曼工作的基础上,经过5年的潜心研究,于1927年提出均匀各向同性的膨胀宇宙模型。在这一模型中,遥远天体的红移(即退行运动)起因于空间膨胀,勒梅特还预言红移的大小应该与天体的距离成正比。但是,1920年代的通讯技术和学术交流远不如现在发达,大洋彼岸的哈勃对弗里德曼和勒梅特的理论一无所知。可见,哈勃定律的发现过程并不是刻意为了证实膨胀宇宙模型,它完全是哈勃本人在观测和细心分析的基础上所获得的原创性成果。星系存在普遍性退行运动以及哈勃定律的发现,对宇宙膨胀及大爆炸宇宙论是一个强有力的支持。

哈勃定律

宇宙中的各类天体必定形成于宇宙诞生之后,自然它们的年龄都不可能超过由哈勃定律推算出的宇宙年龄137亿年。根据恒星演化理论,可以推知最年老星系和恒星的年龄为100多亿年;太阳现在的年龄约为50亿年,地球年龄约为46亿年,所有这些由不同途径测得的涉及各类天体年龄的结果,都可以按合理的时序一一纳入大爆炸后宇宙整体演化的框架内。尽管哈勃第一篇涉及星系速度-距离关系的论文只有短短的6页,却是人类对宇宙认识的一次飞跃。著名的美国宇宙学家惠特罗(G.J.Whitrow)把哈勃定律和400年前哥白尼提出的日心说相提并论,在天文学史上两者都具有革命性的意义。尽管哈勃在他的这篇开创性论文中没有提到宇宙膨胀的概念,但由于他的重要发现,长久以来关于静止宇宙的图像终究被动态的膨胀宇宙模型取代了。

哈勃定律

 

膨胀的加速

 

在1998年,来自Ia超新星标准烛光测量的q值却是负面的,令许多天文学惊讶的是宇宙的膨胀仍在「加速中」(虽然哈柏因子会随著时间而衰减,参见暗物质和ΛCDM模型)。

2009.5.7,美国宇航局NASA发布最新的Hubble常数测定值,根据对遥远星系Ia超新星的最新测量结果,常数被确定为(74.2± 3.6)km/(s*Mpc),不确定度进一步缩小到5%以内。

 

哈勃太空望远镜

 

哈勃太空望远镜(Hubble Space Telescope,缩写为HST),是以天文学家哈勃为名,在轨道上环绕着地球的望远镜。他的位置在地球的大气层之上,因此获得了地基望远镜所没有的好处-影像不会受到大气湍流的扰动,视相度绝佳又没有大气散射造成的背景光,还能观测会被臭氧层吸收的紫外线。于1990年发射之后,已经成为天文史上最重要的仪器之一。他已经填补了地面观测的缺口,帮助天文学家解决了许多根本上的问题,对天文物理有更多的认识。哈勃的哈勃超深空视场是天文学家曾获得的最深入(最敏锐的)的光学影像。

哈勃望远镜

从他于1946年的原始构想开始,直到发射为止,建造太空望远镜的计划不断的被延迟和受到预算问题的困扰。在他发射之后,立即发现主镜有球面像差,严重的降低了望远镜的观测能力。幸好在1993年的维修任务之后,望远镜恢复了计划中的品质,并且成为天文学研究和推展公共关系最重要的工具。哈勃空间望远镜和康普顿伽玛射线天文台、钱德拉X射线天文台、斯必泽空间望远镜都是美国宇航局大型轨道天文台计划的一部分 。哈勃空间望远镜由NASA和ESO合作共同管理。

 

哈勃的未来依靠后续的维修任务是否成功,维持稳定的几个陀螺仪已经损坏,目前(2007年),连备用的也已经耗尽,而且另一架用于指向的望远镜功能也在衰减中。陀螺仪必须要以人工进行维修,在2007年1月30日,主要的先进巡天照相机(ACS)也停止工作,在执行人工维修之前,只有超紫外线的频道能够使用。另一方面,如果没有再提升来增加轨道高度,阻力会迫使望远镜在2010年重返大气层。自从2003年航天飞机哥伦比亚不幸事件之后,由于国际太空站和哈勃不在相同的高度上,使得太空人在紧急状况下缺乏安全的避难场所,因而NASA认为以载人太空任务去维修哈勃望远镜是不合情理的危险任务。NASA在从新检讨之后,执行长麦克格里芬在2006年10月31日决定以亚特兰大进行最后一次的哈勃维修任务,任务的时间安排在2008年9月11日,基于安全上的考量,届时将会让发现号在LC-39B发射台上待命,以便在紧急情况时能提供救援。计划中的维修将能让哈勃空间望远镜持续工作至2013年。如果成功了,后继的詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)应该已经发射升空,可以衔接得上任务了。韦伯太空望远镜在许多研究计划上的功能都远超过“哈勃”,但将主要观测红外线波段,因此在光谱的可见光和紫外线领域内无法取代哈勃的功能。

膨胀加速的模型

 

哈勃空间望远镜(Hubble Space Telescope,缩写为HST),是以天文学家爱德温·哈勃(Edwin Powell Hubble)为名,在地球轨道的望远镜。哈勃望远镜接收地面控制中心(美国马里兰州的霍普金斯大学内)的指令并将各种观测数据通过无线电传输回地球。由于它位于地球大气层之上,因此获得了地基望远镜所没有的好处——影像不受大气湍流的扰动、视相度绝佳,且无大气散射造成的背景光,还能观测会被臭氧层吸收的紫外线。于1990年发射之后,已经成为天文史上最重要的仪器。它成功弥补了地面观测的不足,帮助天文学家解决了许多天文学上的基本问题,使得人类对天文物理有更多的认识。此外,哈勃的超深空视场则是天文学家目前能获得的最深入、也是最敏锐的太空光学影像。

图1. 宇宙的年龄可以通过对哈勃常数以及所含成分的密度参数的测量决定。在暗能量概念提出之前,人们普遍认为宇宙是物质主导的,因而此图中密度参数Ω近似为Ωm。注意到一个加速膨胀的宇宙具有最长的年龄,而具有大挤压的宇宙具有最短的年龄。

从它于1946年的原始构想开始,直到发射为止,建造空间望远镜的计划不断的被延迟和受到预算问题的困扰。在它发射之后,立即发现主镜有球面像差,严重的降低了望远镜的观测能力。幸好在1993年的维修任务之后,望远镜恢复了计划中的品质,并且成为天文学研究和推展公共关系最重要的工具。哈勃空间望远镜和康普顿γ射线天文台、钱德拉X光天文台、斯皮策空间望远镜都是美国宇航局大型轨道天文台计划的一部分。哈勃空间望远镜由NASA和ESA合作共同管理。

发现号航天飞机在STS-82维修任务中拍摄的哈勃空间望远镜.

哈勃的未来依靠后续的维修任务是否成功,维持稳定的几个陀螺仪已经损坏,至2007年,连备用的也已经耗尽,而且另一架用于指向的望远镜功能也在衰减中。陀螺仪必须要以人工进行维修,在2007年1月30日,主要的先进巡天照相机(ACS)也停止工作,在执行人工维修之前,只有超紫外线的频道能够使用。另一方面,如果没有再提升来增加轨道高度,阻力会迫使望远镜在2010年重返大气层。自从2003年航天飞机哥伦比亚不幸事件之后,由于国际太空站和哈勃不在相同的高度上,使得太空人在紧急状况下缺乏安全的避难场所,因而NASA认为以载人太空任务去维修哈勃望远镜是不合情理的危险任务。NASA在从新检讨之后,执行长麦克格里芬在2006年10月31日决定以亚特兰大进行最后一次的哈勃维修任务,任务的时间安排在2008年9月11日, 基于安全上的考量,届时将会让发现号在LC-39B发射台上待命,以便在紧急情况时能提供救援。计划中的维修将能让哈勃空间望远镜持续工作至2013年。如果成功了,后继的詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST)应该已经发射升空,可以衔接得上任务了。韦伯空间望远镜在许多研究计划上的功能都远超过哈勃,但将只观测红外线,因此在光谱的可见光和紫外线领域内无法取代哈勃的功能。

空间望远镜之父莱曼·斯皮策.

 

概念、设计和目标

 

规划设计和准备工作

 

哈勃空间望远镜的历史可以追溯至1946年天文学家莱曼·斯皮策(Lyman Spitzer, Jr.)所提出的论文:《在地球之外的天文观测优势》。在文中,他指出在太空中的天文台有两项优于地面天文台的性能。首先,角分辨率(物体能被清楚分辨的最小分离角度)的极限将只受限于衍射,而不是由造成星光闪烁、动荡不安的大气所造成的视象度。在当时,以地面为基地的望远镜解析力只有0.5-1.0弧秒,相较下,只要口径2.5米的望远镜就能达到理论上衍射的极限值0.1弧秒。其次,在太空中的望远镜可以观测被大气层吸收殆尽的红外线和紫外线。

斯皮策以空间望远镜为事业,致力于空间望远镜的推展。在1962年,美国国家科学院在一份报告中推荐空间望远镜做为发展太空计划的一部分,在1965年,斯皮策被任命为一个科学委员会的主任委员,该委员会的目的就是建造一架空间望远镜。

1979年5月,在康涅狄格州丹柏立的Perkin-Elmer公司抛光中的哈勃主镜。出现在图中的是服务于珀金埃尔默的工程师马丁椰林博士.

在第二次世界大战时,科学家利用发展火箭技术的同时,曾经小规模的尝试过以太空为基地的天文学。在1946年,首度观察到了太阳的紫外线光谱。英国在1962年发射了太阳望远镜放置在轨道上,做为亚利安太空计划的一部分。1966年NASA进行了第一个轨道天文台(OAO)任务,但第一个OAO的电池在三天后就失效,中止了这项任务了。第二个OAO在1968至1972年对恒星和星系进行了紫外线的观测,比原先的计划多工作了一年的时间。

轨道天文台任务展示了以太空为基地的天文台在天文学上扮演的重要角色,因此在1968年NASA确定了在太空中建造直径3米反射望远镜的计划,当时暂时的名称是大型轨道望远镜或大型空间望远镜(LST),预计在1979年发射。这个计划强调须要有人进入太空进行维护,才能确保这个所费不贷的计划能够延续够长的工作时间;并且同步发展可以重复使用的航天飞机技术,才能使前项计划成为可行的计划。

1980年,建造中的哈勃望远镜。

 

资金需求

 

轨道天文台计划的成功,鼓舞了越来越强的公众与论支持大型空间望远镜应该是天文学领域内重要的目标。在1970年NASA设立了两个委员会,一个规划空间望远镜的工程,另一个研究空间望远镜任务的科学目标。在这之后,NASA下一个需要排除的障碍就是资金的问题,因为这比任何一个地面上的天文台所耗费的资金都要庞大许多倍。美国的国会对空间望远镜的预算需求提出了许多的质疑,为了与裁军所需要的预算对抗,当时就详细的列出了望远镜的硬件需求以及后续发展所需要的仪器。在1974年,在裁减政府开支的鼓动下,杰拉尔德·福特剔除了所有进行空间望远镜的预算。

为回应此,天文学家协调了全国性的游说努力。许多天文学家亲自前往拜会众议员和参议员,并且进行了大规模的信件和文字宣传。国家科学院出版的报告也强调空间望远镜的重要性,最后参议院决议恢复原先被国会删除的一半预算。

资金的缩减导致目标项目的减少,镜片的口径也由3米缩为2.4米,以降低成本和更有效与紧密的配置望远镜的硬件。原先计划做为先期测试,放置在卫星上的1.5米空间望远镜也被取消了,对预算表示关切的欧洲空间局也成为共同合作的伙伴。欧洲空间局同意提供经费和一些望远镜上需要的仪器,像是做为动力来源的太阳能电池,回馈的是欧洲的天文学家可以使用不少于15%的望远镜观测时间。在1978年,美国国会拨付了36,000,000元美金,让大型空间望远镜开始设计,并计划在1983年发射升空。在1980年初,望远镜被命为哈勃,以纪念在20世纪初期发现宇宙膨胀的天文学家艾德温·哈勃。

携带哈勃空间望远镜进入轨道的STS-31任务航天飞机升空。

 

设计与制造

 

空间望远镜的计划一经批准,计划就被分割成许多子计划分送各机关执行。 马歇尔太空飞行中心(MSFC)负责设计、发展和建造望远镜,金石太空飞行中心(GSFC)负责科学仪器的整体控制和地面的任务控制中心。马歇尔太空飞行中心委托珀金埃尔默设计和制造空间望远镜的光学组件,还有精密定位传感器(FGS),洛克希德被委托建造安装望远镜的太空船。

哈勃空间望远镜拍摄的图片: 从左上角起顺时针方向、“Tadpole”星系、“锥形星云”、两个碰撞的螺旋星系,欧米加星云中新星的诞生

 

光学望远镜的组合安装(OTA)

 

望远镜的镜子和光学系统是最关键的部分,因此在设计上有很严格的规范。一般的望远镜,镜子在抛光之后的准确性大约是可见光波长的十分之一,但是因为空间望远镜观测的范围是从紫外线到近红外线,所以需要比以前的望远镜更高十倍的解析力,它的镜子在抛光后的准确性达到可见光波长的廿分之一,也就是大约30 纳米。

珀金埃尔默刻意使用极端复杂的电脑控制抛光机研磨镜子,但却在最尖端的技术上出了问题;柯达被委托使用传统的抛光技术制做一个备用的镜子(柯达的这面镜子现在永久保存在史密松宁学会)。1979年,珀金埃尔默开始磨制镜片,使用的是超低膨胀玻璃,为了将镜子的重量降至最低,采用蜂窝格子,只有表面和底面各一吋是厚实的玻璃。

在第一次维修任务后哈勃的影像获得大幅改善

镜子的抛光从1979年开始持续到1981年5月,抛光的进度已经落后并且超过了预算,这时NASA的报告才开始对珀金埃尔默的管理结构质疑。为了节约经费,NASA停止支援镜片的制作,并且将发射日期延后至1984年10月。镜片在1981年底全部完成,并且镀上了75 nm厚的铝增强反射,和25 nm厚的镁氟保护层。

因为在光学望远镜组合上的预算持续膨胀,进度也落后的情况下,对珀金埃尔默能否胜任后续工作的质疑继续存在。为了回应被描述成"未定案和善变的日报表", NASA将发射的日期再延至1985年的4月。但是,珀金埃尔默的进度持续的每季增加一个月的速率恶化中,时间上的延迟也达到每个工作天都在持续落后中。NASA被迫延后发射日期,先延至1986年3月,然后又延至1986年9月。这时整个计划的总花费已经高达美金11亿7500万。

在地球美丽的光影前,哈勃在航天飞机的货舱等待释出。SM3B: STS-109.

 

太空平台系统

 

安置望远镜和仪器的太空船是主要工程上的另一个挑战。它必须能胜任与抵挡在阳光与地球的阴影之间频繁进出所造成的温度变化,还要极端的稳定并能长间的将望远镜精确的对准目标。以多层绝缘材料制成的遮蔽物能使望远镜内部的温度保持稳定,并且以轻质的铝壳包围住望远镜和仪器的支架。在外壳之内,石墨环氧的框架将校准好的工作仪器牢固的固定住。

有一段时间用于安置仪器和望远镜的太空船在建造上比光学望远镜的组合来得顺利,但洛克希德仍然经历了预算不足和进度的落后,在1985年的夏天之前,太空船的进度落后了个月,而预算超出了30%。马歇尔太空飞行中心的报告认为洛克希德在太空船的建造上没有采取主动,而且过度依赖NASA的指导。

图2. 宇宙年龄的修正因子F值,这里表现为两个宇宙学参数的函数:重子密度Ωm和暗能量ΩΛ。这些参数的最佳符合值用左上角的方形表示,而一个不存在暗能量的物质主导宇宙由右下角的星形表示.

 

地面支持

 

在1983年,空间望远镜科学协会(STScI)在经历NASA与科学界之间的权力争夺后成立。空间望远镜科学协会隶属于美国大学天文研究联盟 (AURA),这是由32个美国大学和7个国际会员组成的单位,总部坐落在马里兰州巴尔地摩的约翰·霍普金斯大学校园内。

哈勃超深空经常展示来自远古时期的星系,告诉我们早期有如现在布满恒星的时期.

空间望远镜科学协会负责空间望远镜的操作和将数据交付给天文学家。美国国家航空航天局(NASA)想将之做为内部的组织,但是科学家依据科学界的做法将之规划创立成研究单位,由NASA位在马里兰州绿堤,空间望远镜科学协会南方48公里,的哥达德太空飞行中心和承包厂商提供工程上的支援。哈勃望远镜每天24小时不间断的运作,由四个工作团队轮流负责操作。 空间望远镜欧洲协调机构于1984年设立在德国邻近慕尼黑的Garching bei München,为欧洲的天文学家提供相似的支援。

另一张哈勃的影像显示一个在附近形成的婴儿星系,这意味着在宇宙时间列上是最近发生的事情,这显示出宇宙中新星系的形成在现在依然在发生

 

挑战者号爆炸事故

 

早在1986年,就已经计划在当年10月份发射哈勃空间望远镜。但是挑战者号的事故使美国的太空计划停滞不前,航天飞机的暂停升空,迫使哈勃空间望远镜的发射延迟了数年。望远镜和所有的附件都必须分门别类的储藏在无尘室内,直到能够排出发射的日期,这也使得已经超支的总成本更为高涨。

根据大爆炸理论,宇宙是由一个极紧密、极炽热的奇点膨胀到现在的状态

最后,随着航天飞机在1988年再度开始升空,望远镜也预定在1990年发射。在发射前的最后准备,用氮气喷射镜面以除去可能累积的灰尘,并且对所有的系统进行广泛的测试。终于,在1990年4月24日由发现号航天飞机,于STS-31航次将望远镜成功的送入计划中的轨道。

从它原始的总预算,大约4亿美金,到现在的花费超过25亿美金,哈勃的成本依然在不断的累积与增高。美国政府估计的开销将高达45至60亿美金,欧洲所挹注的资金也高达6亿欧元(1999年的估计)。

 

仪器

 

在发射时,哈勃空间望远镜携带的仪器如下:

 

• 广域和行星照相机(WF/PC)

• 戈达德高解析摄谱仪(GHRS)

• 高速光度计(HSP)

• 暗天体照相机(FOC)

• 暗天体摄谱仪(FOS)

The 100 inch (2.5 m) Hooker telescope at Mount Wilson Observatory near Los Angeles, California. This is the telescope that Edwin Hubble used to measure galaxy redshifts and discover the general expansion of the universe. At the time of this photograph, the Hooker telescope had been mothballed, although in 1992 it was refitted with adaptive optics and is once again in use.

 

WF/PC原先计划是光学观测使用的高分辨率照相机。由NASA的喷射推进实验室制造,附有一套由48片光学滤镜组成,可以筛选特殊的波段进行天体物理学的观察。整套仪器使用8片CCD,做出了两架照相机,每一架使用4片CCD。“广域照相机”(WFC)因为视野较广,在解像力上有所损失,而“行星照相机”(PC)以比WFC长的焦距成像,所以有较高的放大率。

GHRS是被设计在紫外线波段使用的摄谱仪,由哥达德太空中心制造,可以达到90,000的光谱分辨率,同时也为FOC和FOS选择适宜观测的目标。FOC和FOS都是哈勃空间望远镜上分辨率最高的仪器。这三个仪器都舍弃了CCD,使用数位光子计数器做为检测装置。FOC是由欧洲空间局制造, FOS 则由马丁·玛丽埃塔公司制造。

最后一件仪器是由威斯康辛麦迪逊大学设计制造的HSP,它用于在可见光和紫外光的波段上观测变星,和其他被筛选出的天体在亮度上的变化。它的光度计每秒钟可以侦测100,000次,精确度至少可以达到2%。

哈勃空间望远镜的导引系统也可以做为科学仪器,它的三个精细导星传感器(FGS)在观测期间主要用于保持望远镜指向的准确性, 但也能用于进行非常准确的天体测量,测量的精确度达到 0.0003弧秒。

艺术家绘制的威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)采集数据的景象.

 

镜片的瑕疵

 

在望远镜发射数星期之后,传回来的图片显示在光学系统上有严重的问题。虽然,第一张图像看起来比地基望远镜的明锐,但望远镜显然没有达到最佳的聚焦状态,获得的最佳图像品质也远低于当初的期望。点源的影像被扩散成超过一弧秒半径的圆,而不是在设计准则中的标准:集中在直径0.1 弧秒之内,有同心圆的点弥漫函数图像。以mis-图显示的PSF图表,和地基观测比较的PSF图表。

对图样缺陷的分析显示,问题的根源在主镜的形状被磨错了。虽然,这个差异小于光的1/20波长,只是在边缘太平了一点。镜面与需要的位置只差了微不足道的2微米,但这个差别造成的是灾难性的、严重的球面像差。来自镜面边缘的反射光,不能聚集在与中央的反射光相同的焦点上。

宇宙的整体几何形状取决于相对临界密度Ω0值大于、等于还是小于1。图中从上至下所示为具有正曲率的封闭宇宙、具有负曲率的双曲面宇宙和具有零曲率的平坦宇宙.

镜子的瑕疵造成的作用是在科学观察的核心观测上,核心像差的PSF要足够的明锐到足以进行高解析的分辨,但对明亮的天体和光谱分析是不受影响的。虽然,在外围损失大片的光因为不能汇聚在焦点上而造成晕像,严重的减损了望远镜观察暗天体或高反差的影像的能力。这意味着几乎所有对宇宙学的研究计划都不能执行,因为她们都是非常暗弱的观测对象。美国国家航空航天局和哈勃空间望远镜成为许多笑话的箭靶,并且被认为是大白象(花费大而无用的东西)。

 

问题的根源

 

从点源的图像往回追溯,天文学家确定镜面的圆锥常数是−1.01324,而不是原先期望的− 1.00230。通过分析珀金埃尔默的零校正器(精确测量抛光曲面的仪器)和分析在地面测试镜子的干涉图影像,也获得了相同的数值。

由喷射推进实验室主任,亚伦领导的委员会,确定了错误是如何发生的。亚伦委员会发现珀金埃尔默使用的零校正器在装配上发生了错误,它的向场透镜位置偏差了1.3 mm。

在抛光镜子的期间,珀金埃尔默使用另外二架零校正器,两者都(正确的)显示镜子有球面像差。这些测试都是为确实消除球面像差而设计的,不顾品管文件的指导,公司认为这二架零校正器的精确度不如主要的设备,而忽略了测试的结果。

表示宇宙中不同能量密度组成比例的饼图,根据与观测最相符合的ΛCDM模型,有95%的成分都以充满奇异性质的暗物质和暗能量形式存在。

委员会指出失败的主因是珀金埃尔默。由于进度表频繁更动造成的损耗和望远镜制造费用的超支,造成了在美国航空暨太空总署和光学公司之间的关系极度的紧张。美国航空暨太空总署发现珀金埃尔默并不认为镜子的制做在他们的业务中是关键性的困难工作,而美国航空暨太空总署也未能在抛光之前善尽本身的职责。在委员会沉痛的批评珀金埃尔默在管理上的不当与缺失的同时,美国航空暨太空总署也被非议未善尽品管的责任,与不该只依赖唯一一架仪器的测试结果。

 

解决方案

 

在望远镜的设计中原本就规画了维修的任务,所以天文学家立刻就开始寻找可以在1993年,预定进行第一次维修任务时解决问题的方案。以柯达为哈勃制作的备用镜,在轨道上进行更换是太昂贵和耗费时间,临时要将望远镜带回地面上修理也不可能。取而代之的,镜片错误的形状已经被精确的测量出来,因此可以设计一个有相同的球面像差,但功效相反的光学系统来抵消错误。也就是在第一次的维修任务中为哈勃配上一副能改正球面像差的眼镜。

由于原本仪器的设计方式,必须要两套不同的校正仪器。广域和行星照相机的设计包括转动的镜片和直接进入两架照相机的8片独立CCD芯片的光线,可以用一个反球面像差的镜片完全的消除掉它们表面上的主要变形。修正镜被固定在替换的第二代广域和行星照相机内(由于进度和预算的压力,只修正4片CCD而不是8片)。但是,其他的仪器就缺乏任何可以安置的中间表面,因此必须要一个外加的修正装置。

 

COSTAR

 

设计用来改正球面像差的仪器称为“空间望远镜光轴补偿校正光学(COSTAR)”,基本上包含两个在光路上的镜子,其中一个将球面像差校正过来,光线被聚焦给暗天体照相机、暗天体光谱仪和高达德高解析摄谱仪。为了提供COSTAR在望远镜内所需要的位置,必须移除其中一件仪器,天文学家的选择是牺牲高速光度计。

在哈勃任务的前三年期间,在光学系统被修正到合适之前,望远镜依然执行了大量的观测。光谱的观测未受到球面像差的影响,但是许多暗弱天体的观测因为望远镜的表现不佳而被取消或延后。尽管受到了挫折,乐观的天文学家在这三年内熟练的运用影像处理技术,例如反折绩(影像重叠)得到许多科学上的进展。

在哈勃第一次维修任务中工作的太空人.

 

维护任务和新仪器

 

维护任务1

 

在设计上,哈勃空间望远镜必须定期的进行维护,但是在镜子的问题明朗化之后,第一次的维护就变得非常重要,因为太空人必须全面性的进行望远镜光学系统安装和校正的工作。被选择执行任务的七位太空人,接受近百种被专门设计的工具使用的密集训练。由奋进号在1993年12月的STS-61航次中,于10天之中重新安装了几件仪器和其他的设备。

哈勃最著名的影像之一:在老鹰星云内诞生恒星的创生柱.

最重要的是以COSTAR修正光学组件取代了高速光度计,和广域和行星照相机由第二代广域和行星照相机与内部的光学更新系统取代。另外,太阳能板和驱动的电子设备、四个用于望远镜定位的陀螺仪、二个控制盘、二个磁力计和其他的电子组件也被更换。望远镜上携带的计算机也被更新升级,由于高层稀薄的大气仍有阻力,在三年内逐渐衰减的轨道也被提高了。

1994年1月13日,美国国家航空航天局宣布任务获得完全的成功,并显示出许多新的图片 [16]。这次承担的任务非常复杂,共进行了五次航天飞机船舱外的活动,它的回响除了对美国国家航空航天局给予极高的评价外,也带给天文学家一架可以充分胜任太空任务的望远镜。

后续的维修任务没有如此的戏剧化,但每一次都给哈勃空间望远镜带来了新的能力。

用近红外拍摄天空得到的全景图,显示了银河系以外星系的在宇宙中的分布,其中不同的红移量用不同的颜色标出.

 

维护任务2

 

第二次维护任务由发现号在1997年2月的STS-82航次中执行,以空间望远镜影像摄谱仪(STIS)和近红外线照相机和多目标分光仪(NICMOS)替换掉戈达德高解析摄谱仪(GHRS)和暗天体摄谱仪(FOS);以一台新的固态记录器替换工程与科学录音机,修护了绝热毯和再提升哈勃的轨道。近红外线照相机和多目标分光仪包含由固态氮做成的吸热器以减少来自仪器的热噪声。但在安装之后,部分来自吸热器的热扩散却意料之外的进入光学挡板,这额外增加的热量导致仪器的寿命由原先期望的4.5年缩短为2年。

描述宇宙膨胀的艺术构想图,其中横坐标表示宇宙演化的时间,而对应的空间尺寸(包括想象中的不可观测部分)都用相应的圆横截面表示。左端表示在暴涨时期发生的急速膨胀(注意不成实际比例),而当宇宙演化到中期时开始加速膨胀。而微波背景辐射的形成、恒星形成、星系形成以及WMAP的出现都在相应的时间上表示出来。图片来自2006年的WMAP新闻发布会。

 

维护任务3A

 

在六台陀螺仪中的三台故障之后(第4台在任务之前几个星期故障,使望远镜不能胜任执行科学观察),第三次维护任务仍然由发现号在1999年12月的STS-103航次中执行。在这次维护中更换了全部的六台陀螺仪,也更换了一个精细导星传感器和计算机,安装一套组装好的电压/温度改善工具(VIK)以防止电池的过热,并且更换绝热的毯子。新的计算器是能在低温辐射下运作的英特尔486,可以执行一些过去必须在地面处理的与太空船有关的计算工作。

 

维护任务3B

 

第四次维护任务由哥伦比亚号在2002年3月的STS-109航次中执行,以先进巡天照相机(ACS)替换了暗天体照相机(FOC),并且查看了冷却剂已经在1999年耗尽的近红外线照相机和多目标分光仪(NICMOS)。更换了新的冷却系统之后,虽然还不能达到原先设计时预期的低温,但已经冷到足以继续工作了。

在这次任务中再度更换了太阳能板。新的太阳能板是为铱卫星发展出来的,大小只有原来的三分之二,除了可以有效的减少稀薄大气层带来的阻力,还能多供应30%的动力。这多出来的动力使得哈勃空间望远镜上所有的仪器可以同时运作,并且因为较为柔软,还消除了老旧的太阳能板因为进出阳光照射区域会产生震动的问题。为了改正继电器迟滞的问题,哈勃的配电系统也被更新了。这是哈勃空间望远镜升空之后,首度能完全的应用所获得的电力。其中影响最大的两架仪器,先进巡天照相机和近红外线照相机和多目标分光仪,在2003至2004年间共同完成了哈勃超深空视场。

 

最近的维护任务(SM4)

 

最近一次的哈勃维修任务原本安排在2008年8月,太空人将更换新的电池和陀螺仪。更换精细导星传感器(FGS)并修理空间望远镜影像摄谱仪(STIS)。他们也会安装二架新的仪器:宇宙起源频谱仪和第三代广域照相机,但是可能不会重置或替换先进巡天照相机。然而美国国家航空航天局于2008年9月宣布哈勃空间望远镜上的数据处理系统出现严重故障,无法正常存储观测数据并传回地球,而且哈勃太空任务高度与国际太空站距离十分远,太空人在紧急情况下未能找到有效安全避难处,这使得维护哈勃望远镜变为一项极度危险的任务。经过美国国家航空航天局考虑后,因此原定的维修任务将推迟于2009年5月12日之后,由亚特兰提斯号航天飞机进行代号为STS-125航次任务。更会以另一艘航天飞机于发射台待命以为安全之计。而这将会是哈勃空间望远镜最后一次的维护任务,会将哈勃空间望远镜的寿命延长至2013年后。届时发射的詹姆斯·韦伯空间望远镜能接续哈勃空间望远镜的天文任务。但若任务失败的话,哈勃空间望远镜将于2010年坠入大气层报销。

美国东部时间2009年5月11日14点01分,美国“阿特兰蒂斯”号航天飞机从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空。在此次太空之旅中,机上的7名宇航员通过5次太空行走对哈勃太空望远镜进行了最后一次维护,为其更换了大量设备和辅助仪器,进行了脱胎换骨的维护更新。这些更新主要包括:以新的第三代广域照相机(WFC3)取代WFPC2;安装新的宇宙起源频谱仪(COS)、取回该处的COSTAR光学矫正系统;修复损坏的先进巡天照相机(ACS);修复损坏的空间望远镜影像摄谱仪(STIS);替换损坏的2#精细导星传感器(FGS);更换科学仪器指令和数据处理系统(SIC&DH);更换全部的电池模组;更换所有的6个陀螺仪和3组定位传感器(RSU);更换对接环、安装全新的绝热毯(NBOL)、补充制冷剂等等。

美国东部时间2009.5.19 08:57,女宇航员梅甘·麦克阿瑟用“阿特兰蒂斯”号航天飞机上机械臂将哈勃放出货舱。这次维护不但全方位提高了哈勃望远镜的观测性能,而且可望使其服役期最少延长至2014年。美国国家航空和航天局将对望远镜展开测试,计划9月公布哈勃维修后拍摄的首批照片。由于这次行动风险极高,宇航局还布置“奋进”号航天飞机待命,随时准备上天“营救”。2009.5.24星期天早晨,“阿特兰蒂斯”号航天飞机安全降落在爱德华空军基地(因天气原因,降落被延迟了3天并最终没有直接降落在肯尼迪中心航天飞机专用机场)。

WFC3的第一张照片已经于2009.7.24公布,拍摄的是木星最新的撞击痕迹,最后的精细校准继续进行,到2009.10.20,除了NICMOS外,哈勃的主力科学仪器都已经投入紧张的科研工作。

哈勃SM4任务是NASA规划的最后一次维修任务,预计在2014年开始,詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)将发射升空,并逐步接替哈勃的工作。但是,哈勃在可见光通道尤其是紫外通道的观测能力,是无可替代的。

 

20岁生日

 

哈柏空间望远镜在2010年4月20日度过20周年的生日。为完美的庆祝,NASA、ESA、和空间望远镜机构(STScI)释出了船底座星云的影像。

The Cosmic Microwave Background temperature fluctuations from the 5-year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe data seen over the full sky. The average temperature is 2.725 Kelvin (degrees above absolute zero; absolute zero is equivalent to -273.15 C or -459 F), and the colors represent the tiny temperature fluctuations, as in a weather map. Red regions are warmer and blue regions are colder by about 0.0002 degrees.

 

科学上的成就

 

重要的发现

 

哈勃帮助解决了一些长期困扰天文学家的问题,而且导出了新的整体理论来解释这些结果。哈勃的众多主要任务之一是要比以前更准确的的测量出造父变星的距离,这可以让我们更加准确的定出哈勃常数的数值范围,这样才能对宇宙的扩张速率和年龄有更正确的认知。在哈勃升空之前,哈勃常数在统计上的误差估计是50%,但在哈勃重新测量出室女座星系团和其他遥远星系团内的造父变星距离后,提供的测量值准确率可以在10%之内。这与哈勃发射之后以其他更可靠的技术测量出来的结果是一致的。

哈勃也被用来改善宇宙年龄的估计,宇宙的未来也是被质疑的问题之一。来自高红移超新星搜寻小组和超新星宇宙论计划的天文学家使用望远镜观察遥远距离外的超新星,发现宇宙的膨胀也许实际上是在加速中。这个加速已经被哈勃和其他地基望远镜的观测证实,但加速的原因目前还很难以理解。经由哈勃空间望远镜的观测资料,宇宙的年龄是137亿年。

由哈勃提供的高解析光谱和影像很明确的证实了盛行的黑洞存在于星系核中的学说。在60年代初期,黑洞将在某些星系的核心被发现还只是一种假说,在80年代才鉴定出一些星系核心可能是黑洞候选者的工作,哈勃的工作却使得星系的核心是黑洞成为一种普遍和共同的认知。哈勃的计划在未来将着重于星系核心黑洞质量和星系本质的紧密关联上,哈勃对星系中黑洞的研究将在星系的发展和中心黑洞的关连上产生深刻与长远的影响。

休梅克-李维9号彗星在1994年撞击木星对天文学家是一件很意外的事,幸运的是这次撞击发生在哈勃完成第一次维护修好光学系统之后的几个月。因此,哈勃所获的的影像是自从1979年航海家二号飞掠木星之后最为清晰的影像,并且很幸运的对估计数个世纪才会发生一次的彗星碰撞木星的动力学事件,提供了关键性的学习机会。它也被用来研究太阳系外围的天体,包括矮行星冥王星和阋神星。

最大影像:哈勃望远镜3D.

 

相关影视作品

 

Hubble 3D:2010年IMAX 3D影片。

 

中文名: 最大影像:哈勃望远镜3D
英文名: IMAX: Hubble 3D
资源格式: 1080P
版本: 全一集/思路/英语中文字幕2D版
发行时间: 2010年
制作发行: IMAX.地区: 美国,加拿大
语言: 英语
简介:

 

◎中 文 名 IMAX 哈勃望远镜/IMAX 哈勃
◎英 文 名 IMAX: Hubble
◎年  代 2010
◎国  家 加拿大
◎类  别 纪录片
◎IMDb评分 8.1/10 (485 votes)
◎IMDb链接 http://www.imdb.com/title/tt1433813/
◎分  级 USA:G (certificate #45956) | Canada:G (Manitoba/Ontario) | UK:U
◎制作公司 IMAX Space Ltd. [加拿大]
华纳兄弟影片公司 [美国]
◎发行公司 IMAX Corporation [加拿大] (2010) (worldwide) (theatrical)
华纳兄弟影片公司 [美国] (2010) (USA) (theatrical)
华纳兄弟公司 [阿根廷] (2010) (Argentina) (theatrical)
◎官方网站 http://www.imax.com/hubble/ http://www.imax.com.au/films/film.asp?id=81
◎预 告 片 http://www.mtime.com/movie/121584/trailer.html#menu
◎片  长 44 mins 0 seconds
◎导  演 托尼·梅耶斯 Toni Myers
◎主  演 莱昂纳多·迪卡普里奥 Leonardo DiCaprio ....Narrator
K. Megan McArthur ....Herself - Astronaut
Scott D. Altman ....Himself - Shuttle Commander
Andrew J. Feustel ....Himself - Astronaut
John M. Grunsfeld ....Himself - Mission Specialist
Gregory C. Johnson ....Himself - Shuttle Pilot
Michael J. Massimino ....Himself - Mission Specialist
Michael T. Good ....Himself - Astronaut

◎简  介 

【IMAX 哈勃望远镜】借助IMAX技术拍摄,生动地呈现了从最初的伽利略望远镜以来,最重要的科学仪器的诞生,以及人类在太空自登月以来的最伟大的成就——哈勃太空望远镜。观众们将会近距离感受在太空中行走的宇航员完成许多美航天总署(NASA)历史上最困难的任务,也可以亲身体验从部署到实施、从令人心碎的挫折到戏剧性的救援。【IMAX 哈勃望远镜】还将呈现出一个不同以往的宇宙,带领不同年龄层的观众体验浩瀚的银河系、恒星的诞生与死亡以及天体环境中鲜为人知的秘密。

花絮

本片由IMAX和华纳兄弟影业公司共同制作,并且得到了美国航天总署(NASA)的协助。IMAX摄像机由此重返太空,记录美国太空总署(NASA) 最复杂的航天飞机操作。2009年5月11日,拍摄本片的这批IMAX 3D摄像机随亚特兰蒂斯号航天飞机一起发射升空。宇航员用它们拍摄了维修和升级哈勃望远镜所需的5次太空行走。

代码
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IMAX.Hubble.2010.Blu-ray.RE.x264.1080P.DTS.MySilu
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[RELEASE INFORMATION]
RELEASE.NAME...: IMAX.Hubble.2010.Blu-ray.RE.x264.1080P.DTS.MySilu
RELEASE.TIME...: Fri Apr 08 14:41:29 2011
IMDB.LINK......: http://www.imdb.com/title/tt1433813/
IMDB.RATE......: 8.1/10 (485 votes)
FILM.GENRE.....: Documentary
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RIP.SOURCE.....: Blu-ray
RIPPER.........: www.mysilu.com
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[RELEASE NOTES]
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[PLAYBACK RECOMMENDATION]
1 Finalcodec Player: - http://www.mysilu.com/forumdisplay.php?fid=318
2 Video decoder:
ffdshow - http://ffdshow-tryout.sourceforge.net/
COREAVC 2.0 (Standard deblocking)
3 Audio decoder:
ffdshow - http://ffdshow-tryout.sourceforge.net/
AC3filter- http://ac3filter.net/
4 Haali media splitter - http://haali.cs.msu.ru/mkv/
5 Set "Keep Display Aspect Ratio"

 

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