为什么说哈勃太空望远镜已经达到观测极限？

迄今为止，哈勃太空望远镜让人类对宇宙有了最为深刻的了解，它揭示了比任何其他天文望远镜所能观测到的更暗淡、更年轻、进化程度更低、距离更远的恒星、星系和星系团。在1990年，哈勃发射升空，进入半径为540公里的轨道环绕地球飞行。29年后的今天，哈勃仍然是我们探索宇宙最遥远地方的最伟大工具。

不过，任何天文望远镜，即便是强大的哈勃太空望远镜，所能看到的都是有限的。哈勃受到反射镜的尺寸大小、仪器质量、温度和波长范围的限制，以及任何天文观测固有的限制因素：时间。在过去的几年里，哈勃已经发布了一些人类所见过的最为震撼的宇宙照片。但哈勃不太可能做得更好，它已经达到了自身的绝对极限。

哈勃的优势

哈勃太空望远镜距离地面540公里，它相对于地面望远镜有一个巨大的优势——不会受到地球大气的干扰。地球大气层中的运动粒子有时会成为湍流介质，这会扭曲宇宙星光的路径。同时，有些分子还会阻止某些波长的光完全穿过大气层。

当时地面望远镜的极限分辨率为0.5角秒，而哈勃的主镜缺陷修复之后，极限分辨率提高至0.05角秒。自此之后，通过哈勃，人类看到了前所未有的宇宙。

极限分辨率是观测遥远宇宙中存在着什么天体的最重要因素之一，它由主镜的口径以及入射光波长所决定。为了提高分辨率，需要增加望远镜的口径，并且使用较短波长的光。

哈勃望远镜的主镜口径为2.4米，它可以观测紫外光、可见光和近红外光，其灵敏度从100纳米到1.8微米不等。现有仪器也没有比这更好的了，尽管哈勃的最后一次（第五次）维修任务是在2009年进行的。

除了分辨率之外，天文望远镜的收集光线能力也非常重要。因为宇宙中遥远的天体非常暗淡，需要望远镜持续进行聚光，这样才能观测到那些最为暗淡的遥远天体。

在聚光能力方面，哈勃具有无可比拟的优势。由于哈勃身处太空之中，没有大气层的干扰，也不用担心地球的自转，它可以一直指向天空中的某一个区域，进行长时间观测。

通过这种方法，我们可以看到前所未有的遥远宇宙。哈勃极深场（XDF）就是一个例子，它对着天炉座方向的一块区域观测了长达23天的时间，揭示了大约5500个132亿年前的星系，覆盖了整个天空的3200万分之一。

迄今为止，哈勃太空望远镜所拍摄到的宇宙中最深、最宽的图像耗时250多天，由大约7500张独立曝光照片拼接而成，这就是哈勃遗产场（HLF）。在美国宇航局（NASA）于本月初公布的哈勃遗产场中，包含了26.5万个星系，它们都是133亿年前的早期星系，那时宇宙才诞生5亿年。

这些遥远的星系非常暗淡，它们的亮度只有人眼所能看到亮度的100亿分之一。虽然该观测区域包含了大量的星系，但它其实要小于满月所覆盖的区域。

哈勃的极限

哈勃的设计初衷是要看得更加深远，而不是看得更加宽广。哈勃的视野极其狭窄，这使它对遥远宇宙进行更大、更全面的调查几乎是不可能的。哈勃望远镜在分辨率、探测深度和视场方面所取得的成就确实令人瞩目，但它在这些方面已经达到了极限。

另外，哈勃的观测还有波长的限制。恒星发出各种各样的光，从紫外线到可见光再到红外线，这也是哈勃的观测波长范围。这并不是巧合，哈勃望远镜的设计初衷就是为了观测这些光。

然而，宇宙空间本身的结构在不断膨胀，即便光在最初发出时具有很短的波长，它的波长也会被膨胀的空间所拉长，这就是哈勃红移。哈勃望远镜的观测波长范围设定了一个极限，它最多只能看到诞生大约4亿年的宇宙，也就是134亿年前的宇宙，比这更早的宇宙就看不到了。

哈勃所观测到的最远星系是GN-z11，这刚好达到了哈勃的观测极限。哈勃在其中一张深场图像中发现了这个星系，它能被观测到也是出于巧合，因为附近星系的引力透镜效应起到了放大和增亮的作用。除此之外，哈勃再也没有观测到比这更远的星系。

哈勃的继任者

可以说，哈勃太空望远镜已经达到了观测极限，但未来的太空望远镜将把我们带到远远超过哈勃极限的地方。哈勃的继任者——詹姆斯·韦伯太空望远镜不仅更大，它的主镜直径达到6.5米，这是哈勃的2.7倍，而且它还在更低的温度下工作，这使它能够看到更长的波长。按照目前的计划，这架新一代的太空望远镜将于2021年发射升空。

理论上，韦伯的最长观测波长可达30微米（哈勃的为1.8微米），它将能够看穿阻碍哈勃观测宇宙的遮光尘埃。此外，它还能看到红移更大、回溯时间更早的天体，可以追逐到宇宙诞生只有2亿年的时候。哈勃能发现一些非常早期的星系，而韦伯可能会在星系最初形成的过程中发现它们。

如果我们想要观测到更远的天体，了解到更早的宇宙，那么，下一代太空望远镜是无可替代的。哈勃最终也会结束它那史诗般的一生，尽管它已经严重超期服役了。