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，里面装满了各种符号和语言写成的书籍，而我们人类就像一个孩子谁刚刚走进这个图书馆。”——阿尔伯特·爱因斯坦

1990年4月24日，哈勃太空望远镜发射升空，成为人类历史上最昂贵、最强大、迄今为止对深空的最大贡献轨道光学天文台。今天，哈勃登上太空30周年，他为我们传回了大量深空宇宙图像，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。

因为哈勃望远镜主要在可见光波段进行观测，所以哈勃已经达到了它所能观测到的极限，宇宙中那些更遥远、更古老、光红移更高的星系已经远远超过哈勃了除了哈勃的观测能力，目前美国宇航局已经停止对哈勃的维护工作，所以我们迫切需要哈勃的继任者詹姆斯·韦伯红外望远镜接替哈勃的工作，寻找宇宙中第一批恒星和星系我们。

虽然哈勃太空望远镜即将退役，因为孔夫子太空望远镜预计2021年3月发射，但我们在创造新极限的同时，还是要感谢哈勃30年来的贡献和成就几年，其中我认为最重要的是，哈勃让我们意识到宇宙的浩瀚和其中的星系数量。

曾几何时，我们人类所认为的宇宙范围只有我们生活的银河系，而天空中那些微弱的旋涡星云只是一些原恒星。直到1922年，埃德温哈勃将威尔逊山天文台的254厘米反射望远镜瞄准了当时认为的仙女座星云（实际上是仙女座星系）。通过对星云内变星的测量，哈勃发现仙女座星系星云距离我们有254万光年。这个数字足以说明，所谓的仙女座星云并不是银河系中的一颗原恒星，而是宇宙中一个类似银河系的独立星岛。

哈勃不仅发现了河外星系，首次为我们人类打开了宇宙中星系的视野，开创了河外天文学，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近代宇宙学的发现，为人类认识宇宙的起源提供了重要的思路。

虽然我们知道宇宙中充满了各种各样的星系，但我们从来没有对可观测宇宙中包含的星系数量进行过统计。当我们仰望天空时，除了能看到明亮的光点（星系），在这些光点之间还有大片的黑暗区域，那里似乎什么都没有，没有已知的星系、恒星、灿烂的星云，我们在那里看到没有任何发光的东西，可以说是空的。

这些地方真的什么都没有吗？上图中黄色方框内标记的区域是90年代人们在天空中选择的空暗区域。科学家们做出了历史上最伟大、最大胆的决定，让哈勃的望远镜瞄准这一地区。观察该区域，持续曝光几分钟、几小时，甚至一天，哈勃望远镜尽最大努力捕捉它能捕捉到的所有光线。虽然有些照片看起来黑乎乎的什么都没有，有些照片只能看到少数昏暗的星系，但我们可以将同一区域的大量单个图像叠加在一起。

科学家们用哈勃望远镜对上图中的区域进行了总共10天的观察，获得了342张照片，然后将拍摄到的所有光线叠加在一起，发现了一幅惊人的画面，看似空旷的空间背后，却有着隐藏的另一个世界。

哈勃深空

上图是哈勃在那片黄色小区域通过连续曝光发现的大量星系，有的距离我们有几百万光年，有的甚至超过10光年离我们十亿光年。这表明在宇宙早期已经形成了大量的星系，而且宇宙中的星系比我们之前想象的要多得多，它们无处不在，更重要的是，如果我们观察得足够远，我们可以在宇宙中捕捉到它们。同一区域有足够多的星系，我们可以大致估算出可观测宇宙中有多少个星系。

从上图我们可以看出，只要我们看得足够远，我们可以在同一个区域看到更多的星系，那么根据这个区域占整个天空的比例，我们就可以计算出整个宇宙的星系数量，就这么简单。在接下来的十年里，为了让哈勃望远镜首次超越哈勃深视场观测，科学家们换上了比WF/PC2更强大的先进巡天相机，对哈勃望远镜进行了更长时间的观测。相同的空间面积。曝光，得到了下图中的哈勃超深视野。

哈勃超深场中最古老的星系可追溯到130亿年前！这个空间面积只有3方弧分，只有全天面积的1/12700000，大约是满月大小的1/10。通过哈勃的超深场，我们可以知道可观测宇宙中至少有1000亿个星系。但这就是宇宙星系的下限吗？当然不是，哈勃望远镜可以为我们提供可见光下最远的视野，但由于缺乏其他红外波段的观测能力，这属于设计缺陷。虽然我们在维修期间给哈勃加装了近红外摄像头，但还是无法解决这个缺点。这就是为什么我们需要天上的韦伯望远镜。

不过，我们可以继续增加哈勃望远镜的曝光时间，捕捉到更多微弱的光子。所以我们打造了哈勃极深视场，它的拍摄距离是哈勃超深远摄的两倍多，将哈勃的视角延伸到近红外区域。下图：

哈勃极深视场中包含的最古老的星系可以追溯到132亿年前。大多数星系看起来都比较原始，体积也比较小，因为这些星系刚刚诞生于宇宙的早期。它们正处于碰撞合并阶段，这些星系中包含着大量的蓝色巨星，因此哈勃的极深视场是一条“宇宙过去的时光隧道”，让我们看到了早期宇宙。

如果你仔细比较极深场和超深场，你会发现这两张图很像，因为极深场其实也是超深场的一部分，只是曝光时间比较长捕获未捕获的超深场星系。让我们比较下面的两个图像。

从上图可以清楚地看到，极深场不仅可以更清楚地显示单个星系的细节，而且比超深场捕获的星系更多。

光学望远镜曝光时间的两倍，你可以看到比以前曝光时间多41%的观测距离，所以超深场比超深场多捕捉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，90亿光年外的星系明显少于50亿光年外的星系。这并不是说宇宙在90光年之外，或者说90亿光年以外的太空星系就更少了，而是因为在更远的距离上，许多星系发出的光已经红移到了非常微弱的红外波段。哈勃已经无法捕捉到这些星系的光芒，而未来韦伯望远镜的发射，可以不断刷新我们人类视觉的极限。

但是目前，我们可以根据哈勃极深视场的观测，估算出可观测宇宙中星系数量的下限。极深域的范围，只是天空中极小的一片区域。如果把它和满月放在一个1°的盒子里，可以看出这个区域很小，但是这个区域却包含了5500个星系。而全天大约有3200万个极深场，所以我们知道宇宙中至少有2000亿个星系。

2000亿个星系，这只是一个粗略的下限。宇宙大尺度结构上存在着密密麻麻的星系。未来，当韦伯望远镜发射升空，我们宇宙中的星系数量下限可以飙升到一万一亿，但我们对这个数字并不感到意外。因为我们的宇宙浩瀚无边，物质丰富。