哈勃极深场有多深？宇宙中的星系数量是怎样估算出来的？

100年前，我们认为银河系是宇宙的全部，包含了一切。现在，我们知道它只是浩瀚宇宙中的一员，那么我们的宇宙中有多少个星系？我们是怎样计算的？哈勃极深场到底有多深？我们今天就讨论下这几个问题！

“人类的头脑无法掌握宇宙。我们就像一个小孩子走进了一个巨大的图书馆。墙上堆满了各种语言的书籍。小孩子知道一定是有人写了这些书。但他不知道是谁写的，也不知道它是如何做到的。孩子不理解书中所使用的语言。但是孩子在书的排列中注意到一个明显的规律，一个神秘的顺序，孩子不理解这预示着什么，只是隐隐约约的怀疑着。”——阿尔伯特·爱因斯坦

找一片完全没有任何物体的天空，没有明亮的恒星，没有绚丽的星云，也没有已知的星系。然后我们观察这片区域，持续几分钟，一个小时，甚至是一天。哈勃望远镜在很长一段时间里，凝视着空无一物的空间，记录下了一张张纯粹黑暗的图像。

上图中所标记的区域是90年代早期到中期人们选定的位置，人类有史以来最强大也是最贵的望远镜哈勃指向这片区域，收集我们能够收集到的所有光线，持续曝光几分钟，然后创造出第一幅图像。

在第一张照片中虽然我们只能看到一些暗淡的红矮星。但是我们可以在同一个地方持续积累更多的图像。在总共10天的观测时间里，哈勃拍摄了342张照片。然后把所有图像所捕捉到的光叠加起来。我们将会看到什么?

我们发现了成千上万的新星系。这幅图中的每一个光点都是一个星系，有些距离我们几百万光年，有些距离我们超过了100亿光年。我们从观测结果中学到了什么:

1. 在宇宙的早期就已经形成了大量的星系。
2. 宇宙中存在着大量的分布不均匀的星系，它们无处不在。
3. 也许最重要的一点是，我们学会了如何估计宇宙中到底有多少个星系!

在这张图片中，原始的哈勃深场捕捉到了成千上万的星系!如果我们能计算出捕捉天空的比例以及捕捉区域内星系的数量，并且我们捕捉的区域是一个没有已知恒星，星系和星云的区域，它就能代表普遍、典型的空间，那么我们就可以推断出整个宇宙中有多少个星系!

但是我们是不会满足第一次观测发现的星系!我们总感觉不靠谱，不够准确。在这之后的近十年，科学家在哈勃望远镜上安装了一个比旧WFPC2相机更好的相机，叫做高级勘测相机。为了超越原始哈勃深场，科学家选择了一片不同的空白区域，观察了更长的时间(11天)，创造了下图的哈勃超深场。

通过在整个天空中推断这些结果，我们能够算出整个宇宙中有多少个星系。

你这时可能会想，这也太简单了吧，就这样能算整个宇宙的星系？骗人，一点都不好玩！稍等，不要慌！这不是故事的结局，绝对不是！你看，根据我们所观察到的，宇宙中可能至少有1000亿个星系，但是可能还有更多。其中有些由于太暗而无法用哈勃11天的数据观测到的星系。红移太远，即使是哈勃望远镜最远的红外滤镜也无法捕捉到的星系。如果我们超有耐心去寻找更长的时间，也许会出现更多的星系。

这正是我们需要解决的问题，所以在过去的十年里，我们在一个更小的空白空间区域里总共寻找了23天，创造了比超深场的两倍还要远的图像。各位小伙伴，让我们看一下哈勃极深场!

你平时可能看到最多的是超深场图片，从未见过这张照片，但是有没有一种似曾相识的感觉。这是因为极深场(或XDF)实际上是超深场的一部分，如果我们对两个图像进行缩放并将它们相对旋转4.7度，我们就可以看到它们的相似之处了!看下图，你可以自己比较下!

我们可以明显的看到，极深场（XDF）不仅比曝光较差的超深场（HUDF）更清楚地揭示了星系的细节，而且极深场还捕捉到了新的星系。

收集光线的工作原理是，当观察的时间增加两倍时，我们就可以多看41%的深度。所以我们假设我们的观测只受能看到光线微弱程度的限制，那么XDF将比HUDF多看到41%的星系。

事实证明，我们的假设与我们观察到的结果非常接近，这就告诉我们，我们的观测还没有达到极限！为什么这么说呢？因为哈勃所看到的星系中，大于90亿光年的星系比50亿到90亿光年的星系少，这一事实告诉我们，不是90光年外没有星系，而是我们没有达到观测极限。理想情况下，詹姆斯·韦伯太空望远镜能够看到比哈勃更远的星系，希望在的未来十年它能让我们更接近真相。

但这不是说哈勃的观测没有用，我们可以利用极深场，说我们宇宙中至少应该有多少个星系。这有没有很熟悉，我们平时看到的都是这种口吻，至少有2000亿个星系。

哈勃极深场包含了天空的一小块区域，如图所示，把它跟满月，放在一个1°方框内对比一下。可以看出是这个区域很小，然而，仅仅在这一小块XDF区域，哈勃望远镜就发现了5500个星系，可以说比我们整个局部超级星系团所包含的星系还要多。

如果我们假设XDF是太空中一个普遍的典型区域，我们就可以计算出填满整个夜空大约需要3200万个XDF。然后再乘以我们在XDF中找到的星系数量，这就是根据我们目前的能力所观察到的:宇宙中大约至少有2000亿个星系。

2000亿个星系，我知道你看到这个数字一点都不惊讶，因为我们已经被宇宙的浩瀚整麻木了。不过这个数字也是一个最保守的估计。韦伯望远镜的观测可能会告诉我们宇宙中至少有1万亿个星系！这时我们依然不会惊讶，已经习惯了。哈哈！

目前科学家就是这样计算宇宙中有多少个星系的!