哈勃升空30年︱宇宙中星系数量的下限是多少

“宇宙就像一个巨大的图书馆，里面堆满了用各种符号和语言书写的书籍，而我们人类就像是一个刚走进这座图书馆的小孩。”——阿尔伯特·爱因斯坦

1990年4月24日哈勃太空望远镜升空，成为了人类历史上最昂贵、最强大，目前为止贡献最大、最多的深空轨道光学天文台。时至今日，哈勃已升空30周年，为我们发回了大量的深空宇宙图景，为人类探索宇宙，了解宇宙早期演化做出了不可磨灭的贡献。

由于哈勃望远镜主要在可见光波段下进行观测，因此哈勃已经达到了它所能观测到的极限，而宇宙中那些更加遥远、更加古老、光线红移更高的星系已经远远超出了哈勃的观测能力之外，并且目前NASA已经停止了对哈勃的维护工作，所以我们目前急需哈勃的继任者詹姆斯·韦伯红外望远镜升空来接替哈勃的工作，为我们寻找宇宙中第一批恒星和星系。

虽说哈勃太空望远镜已经临近退役，因为韦伯空间望远镜预计将在2021年3月升空，但是我们在创造新极限的同时，还是要感谢哈勃30年来的贡献和成就，其中我认为最最重要的是，哈勃让我们认识到了宇宙的广阔和宇宙中星系的数量。

曾几何时，我们人类认为的宇宙范围只是我们所生活的银河系，天空中那些暗淡的螺旋状星云不过是一些原恒星。直到1922年，埃德温·哈勃将威尔逊山天文台的254厘米反射望远镜对准了当时人们认为的仙女座大星云（其实是仙女座星系），通过对星云里变星的测量，哈勃发现仙女座大星云距离我们足足有254万光年，这个数字足以说明所谓的仙女座大星云并不是银河系内的原恒星，而是宇宙中类似于银河系的独立的星星岛屿。

哈勃不仅发现了河外星系，为我们人类首次打开了宇宙星系的视野，开创了河外星系天文学，还通过距离与红移的关系发现了遥远的星系正在远离我们，宇宙膨胀的发现直接导致了现代宇宙学的发现，为人类了解宇宙的起源提供了重要的思路。

虽说我们知道了宇宙中大量充斥着各种星系，但是我们一直没有对可观测宇宙中所包含的星系数量做一次普查。我们在观察天空时，除了能看到明亮的光点（星系）外，在这些光点之间还存在着大片的黑暗区域，那里看起来什么也没有，没有已知的星系、恒星、绚丽的星云，在我们看来那里没有任何发光的东西，可以说空无一物。

难道这个些区域真的什么都没有吗？上图中黄色框内所标记的区域就是20世纪90年代人们在天空中选择的一块空无一物的黑暗区域，科学家做了一个史上最伟大、也是最大胆的决定，让哈勃望远镜对准这个区域进行观测、持续曝光几分钟、几个小时、甚至是一天的时间，哈勃望远镜尽自己最大的可能，捕捉能够捕捉到的所有光线，虽然有些照片看起来是一片黑暗，什么也没有，有些照片只能看到少量的暗淡星系，但是我们可以在同一区域拍摄大量的单张照片进行叠加。

科学家在上图中的区域使用哈勃望远镜总过观测了10天的时间，获得了342张照片，然后把所有捕捉到的光线叠加起来，发现了惊人的画面，看似空无一物的空间背后，隐藏着另外一片天地。

哈勃深场

上图就是哈勃在那一小片黄色区域内通过持续曝光发现的大量星系，它们中有些距离我们数百万光年，有些距离我们甚至超过了100亿光年，这说明在宇宙的早期已经形成了大量的星系，而且宇宙中的星系要比我们之前认为的多得多，它们无处不在，更加重要的是，如果我们观察的足够远，在同一区域捕捉到的星系足够多，我们就能大致测算出可观测宇宙中的星系数量是多少。

从上图就能看出，只要我们看的够远，我们就能在同一区域看到更多的星系，那么根据这一区域占全天空的比例，那么我们就能算出整个宇宙中的星系数量，就是这么简单。在往后的十年间，科学家为了让哈勃望远镜超越第一次所观察到的哈勃深场，为其更换了比WF/PC2更加强大的高级勘测相机，对同一片空间区域，进行了更长时间的曝光，获得了下图中的哈勃超深场。

哈勃超深场中最古老的星系可以追溯到130亿年前！这片空间区域只有3平方角分，只有全天空1/12700000的面积，约为满月的1/10大小，通过哈勃超深场我们可以得知可观测宇宙中至少存在1000亿个星系。但是这是宇宙星系的最低下限吗？肯定不是，哈勃望远镜可以为我们提供可见光下最远的视野，但由于其它红外波段下观测能力的欠缺，这是设计时候的缺陷，虽然我们后来在维护期间为哈勃增加了近红外线照相机，但依然解决不了这个短板。这就是为什么我们需要韦伯望远镜升空的原因。

不过我们还是可以持续的增加哈勃望远镜的曝光时间，来捕捉更多微弱的光子。于是我们就创造了哈勃极深场，所拍摄的距离比哈勃超深长远两倍还多，并把哈勃的视角延伸到了近红外区域。下图：

哈勃极深场所包含的最古老的星系可以追溯到132亿年前，其中的大部分星系看起来比较原始、而且个头都很小，因为在宇宙的早期这些星系刚刚诞生，正在经历碰撞合并的阶段，而且这些星系中包含大量的蓝色巨星，因此哈勃极深场就是“宇宙过去的时光隧道”，可以让我们看到早期宇宙的图景。

如果你仔细对比极深场和超深场就会发现这两张图片十分相似，因为极深场实际上是超深场的一部分，只不过是曝光时间更久，捕捉到了超深场没有捕捉到的星系。下面我们将两张图片进行对比。

上图可以明显的看到，极深场不仅在单个星系的细节上显示的更加清晰，而且比超深场捕捉到了更多的星系。

光学望远镜增加两倍的曝光时间，就能比之前1倍的曝光时间多看41%的观测距离，所以极深场比超深场能多捕捉41%的星系。但是极深场并不是宇宙的观测极限，因为我们发现在极深场中，90亿光年远的星系明显少于50亿光年远的星系，这并不是说宇宙中90光年处，或者90亿光年以外的空间星系更少，而是因为在更远的距离上，很多的星系所发出的光线已经红移到了非常微弱的红外线波段。哈勃已经无法捕捉这些星系的光线了，未来韦伯望远镜的升空可以继续刷新我们人类的视野极限。

但是目前我们可以根据哈勃极深场的观测来估计出可观测宇宙中星系数量的下限。极深场的范围只是天空中极小的一片区域，把它和满月放到1°的方框内，可以看出这个区域非常小，但是在这篇区域内包含了5500个星系。而全天空大约有3200万个极深场，因此我们得知宇宙中的星系数量至少有2000亿个。

2000亿个星系，这只是一个粗略的下限值，在宇宙大尺度结构上分布着密密麻麻的星系，未来韦伯望远镜升空，我们宇宙中的星系数量的下限值可以飙升到1万亿个，但这个数字我们一点也不惊讶。因为我们甚至宇宙的广阔和物质的丰富程度。