哈勃边疆场

早在1995年,哈勃望远镜曾将其镜头指向大熊座的一小片天空区域,使用其WFPC2相机进行了连续10天的拍摄,342次的曝光,最终叠加得到了一张深度曝光的照片。这就是著名的哈勃深场HDF)。哈勃深场可以说是早期宇宙研究里的一张里程碑式的照片。随后在2003至2004年,哈勃又拍摄了哈勃超深场HUDF),2012年再次发布了哈勃极深场XDF)。这一系列超深曝光的照片大大推动了我们对早期宇宙的认识。

最近,天文学家又开始把哈勃望远镜的能力推向新的极限——拍摄哈勃边疆场Hubble Frontier Fields)。不同于之前的深场照片只是针对天空中的一片“空白”区域,新的哈勃边疆场对准的是六个巨大的星系团。大质量星系团会产生较强的引力透镜效应,这相当于为我们提供了一个天然的折射望远镜。借助这些“星系团望远镜”,我们将可以看到这些星系团后方的一些极其遥远的星系!

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2013年年底至2014年初,哈勃边疆场的首批数据已经陆续放出。在2014年一月的第223届美国天文学会大会上,团队也召开了新闻发布会。上图就是其中的一张——阿贝尔2744Abell 2744)。

从这些图片里到底能看到什么呢?FrontierFields.org上由Tracy Vogel撰写的一篇博客以阿贝尔2744边疆场为例,给出了很好的解释。我在此简单翻译一下。


边疆场的图像里到底有什么?

当我们看某一张哈勃边疆场的图像时,我们到底在看什么?我们观察宇宙时会看到,发光的星系之间还有着光亮的条纹和斑点。这些奇异的有艺术感的引力透镜效应引人注目,往往超出我们的预期。

让我们以上面的星系团阿贝尔2744(昵称为潘多拉星系团)为例来分解分析一下。图中,包含数百个星系的四个星系团正碰撞在一起,为我们提供了产生引力透镜的大量物质——包括了常规物质和更为重要的暗物质。这些物质弯曲了时空,扭曲并放大了其后方远处的近3000个星系。

简单起见,我们在这里只标记出了一些有代表性的例子,而不是每一个天体。

恒星

下图中,白色圆圈里的是我们银河系内的恒星。这些恒星有着独特的十字星芒,这是由望远镜中的支架造成的,称之为衍射十字星。只有明亮的点状光源可以产生衍射十字星,比如那些相对邻近的恒星。
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前景星系

绿圈中的星系是位于我们和阿贝尔2744星系团之间的星系。这些星系不会被星系团的引力透镜所影响——只有位于星系团之后的星系才会产生形变和增强效应。总体来说,这些星系看起来形状锐利,易于区分和识别。这样的星系并不多,因为边疆场项目特地选取了较少有前景星系干扰的星系团。
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星系团星系

黄圈内的星系是属于阿贝尔2744星系团的星系。这些星系大小不一,小至只有银河系千分之一质量的矮星系,大到百倍于银河系质量的庞大中央星系。由于星系团是有碰撞的,这些星系之间通过引力作用互相影响。有些星系集中了更多的质量,从而有着更强的引力,使之成为更强的引力透镜。
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接下去,你会看到图中的一些受到了引力透镜效应影响的星系,这些星系扭曲的程度并不相同。这是因为星系团的物质分布不是均匀的,因此时空的弯曲也不是均匀的。想象你从湖底往上看东西,由于湖面不是完全平整的,所以有些东西看起来会更显扭曲。

顺便提一句,实际上天文学家也可以根据这些由引力透镜效应造成的扭曲来推断阿贝尔2744星系团中的物质是如何分布的,包括可见的常规物质和不可见的暗物质。

受强引力透镜效应的星系

现在你看到的是位于阿贝尔2744后方的星系,这些星系受到了星系团的引力透镜效应的影响。这些蓝圈内的星系的光穿过星系团后,很多都显著地被扭曲了。实际上,很多星系看起来就像是线段、条纹、圆弧。星系的光线被集中于一线,它们中的很多都呈现出带红色斑点的蓝色。
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这其中的有些天体其实是同一个星系形成的多个像,引力透镜使星系的像变得支离破碎。这就像我们戴上了一副异型镜片的眼镜来看东西。

受弱引力透镜效应的星系

紫色圈出的星系也在引力透镜之后,但是它们的形变不强。你可以分辨出星系的形状,如旋涡星系。这些星系的光也有被引力透镜所增强,但其程度不如受强引力透镜效应的星系。用我们之前的眼镜类比来说,它们透过的是较为平整的镜片。
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遥远星系

这些圈出的小红点看起来毫不起眼,然而它们才是这个图里最吸引人的一些天体。这些是被引力透镜增强的最远最暗的星系。它们是如此地远,以致我们看到的是它们在宇宙很早期时的样子——早至大爆炸后的仅仅几百万年。(对于年龄为138亿年的宇宙来说,这真的是非常地早。)其中的一个天体——Abell2744_Y1——有可能是迄今发现的最遥远的星系。
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原文和图片来自FrontierFields.org,作者Tracy Vogel。

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