一张改变天文学的照片

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我们对宇宙的了解其实非常的有限，新发表（arXiv:1607.03909）的这篇论文很好的提醒了我们这个事实。先前科学家认为可观测宇宙中大约包含了2000亿个星系，但是最新的研究发现这个数字至少是2万亿。天文学家是怎么估算宇宙中星系的数量？其实这都离不开1995拍摄的这一张照片。这张照片的背后故事是今天的主题。

△ 英国诺丁汉大学的科研小组运用计算机3D模拟，引入了哈勃深空影像和数学模型，计算出了宇宙在不同时期所拥有的星系数量。结果表明可观测宇宙中存在至少2万亿个星系，这比原来的推算结果高出10倍，也就是说还有90%的星系还未被我们观测到。该项新发现或许还能解释为什么夜空是黑的，即奥伯斯佯谬。（ Christopher et al. 2016）
自哈勃太空望远镜于1990年4月发射升空以来，它为我们带来了许多令人难以置信的照片。每一张照片都有各自的故事，但最值得一提的是下面这张：

△ 哈勃深空（1995年）。（ NASA/ESA）

哈勃深空是一张不寻常的图片，并且有着不寻常的故事。
通常，天文学家运用哈勃太空望远镜来观测某个特定已知的物体。如果你想要研究某个恒星，那么只要把望远镜对准它进行观测就可以了。

但是，有一个人的出现，打破了这个局面。他就是Robert Williams，在1993年成为了哈勃太空望远镜的主任。

正是他的决定，准备把哈勃太空望远镜对准一篇没有任何物体的区域。Williams说道：“我们在尝试做的事情恰恰相反，我们要把望远镜对准从来没有被观测过的天区。”

Williams和他的团队想要知道的是，哈勃太空望远镜究竟能够观测到多遥远的星系。至于观测结果将会是什么，他们完全无法预期。而且那个时候并不是一个尝试新事物的好时机。在经历了12年的准备，耗资20亿美元，他们犯了个重大错误。

在发射升空的数星期后，哈勃太空望远镜传回来的图片有严重的问题，画质全都是模糊的。而问题来源于主镜的形状被磨错了，虽然这是个看起来微不足道的差异，却造成了灾难性的球面像差。
在那个期间，他们成了各大媒体取笑的对象。

NASA为了挽回声誉，很快就派宇航员前往执行5天的任务，对望远镜进行维修。幸运的是，他们成功了！

因此，William的团队在1995年准备进行深空观测。
首先，他们需要决定的是望远镜要对准哪个方向。他们的目标是要观测远远超过银河系的深处，因此瞄准的方向必须远离银河盘面以及任何已知的大型星系团。不能够让任何明亮的物体阻碍了哈勃的视线。而且为了能够进行连续观测，每当哈勃太空望远镜绕行地球时（转一圈大约96分钟），它需要位于一个不会被地球或月球遮挡的位置。
他们最后选择的位置是在北斗七星的上方：

天文学家用角度来测量天空中物体的视大小，一度可以分为60弧分。举个例子，在地球上，月球的大小为半度，即30弧分。

而哈勃太空望远镜对准的区域大小只有2.6弧分。这个大小要比你举过头的针头要大一点，这简直就是天空中的一个微小补丁。

观测从1995年12月18日开始，在连续10天内，收集了4个不同波长的光。

由于拍摄目标太过暗淡，整张影像是由第二代广域和行星照相机进行342次曝光叠加而成。当然，拍摄的结果就是这张照片：

虽然在图片中有一些是银河系中的恒星，但在图片中的大多数物体，包括那些蓝色小点，都是星系。

每个星系发出的光都经历了不同的旅行时间，最远的星系约为122亿光年，那是宇宙大爆炸后的十多亿年后。

遵循着哈勃深空的经验，三年后，哈勃团队瞄准了位于南天的杜鹃座。两张影像非常相似，使天文学家更加坚定地相信宇宙的星系的分布并非是随机的，而是有统一的结构。

△ 哈勃超深空，这张照片包含了1万个星系。（ NASA/ESA）
通过对这些的数据分析，天文学家得以估算在宇宙中星系的数量。它们也帮助研究人员追踪宇宙中的恒星诞生历史。通过揭示星系在演化早期时处于又小又不规则，他们也可以确定星系形成的自下而上的理论。

但是哈勃深空最重要的遗产之一是它改变了天文学的文化。在那之前，当天文学家通过观测获取数据后他们会一直保留着这些数据，直到自己完全分析，毕竟这些事他们个人的知识产权。而Williams和他的团队在获取数据后，把这些数据格式化，并向科学界公开他们的发现，这使他们的文章很快被大量的引用。现在，科学家会把一些有趣的观测数据发表，并让别人可以获取这些数据重复试验。

在多次维修后，哈勃被装备上了更高级的照相机，因此哈勃可以观测更深更远的区域。2004年，哈勃超深空影像是人类以可见光观察宇宙得到最远的影像，直到2012年哈勃极深空的发布。
正是有了1995的那次大胆决定和尝试，我们才慢慢地理解宇宙中恒星的形成比率，星系的形成和演化，以及宇宙的历史。

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