天空并不黑！哈勃揭示宇宙隐藏的微光奇迹

明明是我

你以为夜空是黑的对吧？宇宙看起来一片漆黑，星星只是零星点点？但真相可能比你想象得还要震撼，天文学家最近通过对哈勃望远镜的深空图像重新分析，发现天空其实比我们以为的还要明亮得多！
尽管天文学领域如今已正式进入詹姆斯·韦伯太空望远镜时代，但我们对最暗淡天体最深邃的观测，仍然要归功于哈勃太空望远镜。哈勃望远镜自发射以来已服役35年，它观测特定天体区域的时间比以往任何天文台都要长，达到了前所未有的深度。迄今为止，对宇宙最深邃的观测仍然是哈勃超深场，累计观测时间长达11天，以及超深场中一部分累计成像时间约为哈勃超深场两倍的哈勃极深场。




尽管詹姆斯·韦伯太空望远镜也观测过这个区域，但更短的观测时间意味着，在很多方面，哈勃望远镜的图像对微弱信号更敏感，尤其是在可见光波长下。然而，哈勃图像中出现的明亮大质量星系却有些奇怪：它们的光似乎在每个星系的特定边缘突然停止，而不是像我们在大多数邻近延伸星系物体中看到的光那样漫射地延续。2018年对这些区域的原始数据的重新分析表明，这些星系边缘的延伸弥散光是真实存在的，而用于制作那些更著名的常见图像的方法实际上是在人为地去除非常真实的星光。
这些图像展现了迄今为止拍摄到的极远宇宙中最深邃的图像，其中许多星系距离我们数十亿甚至数百亿光年，其中最远的星系距离我们约320亿光年。这是由于以下因素共同作用的结果：
自热大爆炸以来已过去138亿年，宇宙正在膨胀，并且一直在膨胀，包括过去的膨胀速度比现在更快；而我们现在观测到的光，正是在此刻才到达，它从被遥远星系发射的那一刻起，就一直在穿越不断膨胀的宇宙，直到抵达地球。该区域内最年轻的星系距离我们最远，约320亿光年的距离对应的是传播了约134亿年的光：是在宇宙还很年轻、进化程度较低时发射的。
这些星系，无论近在咫尺、中等距离还是极远，似乎都有一个共同点：它们看起来清晰锐利，清晰可见，而在发光区域之外，似乎直接消失在深邃空旷的漆黑深渊中。但这真的反映了这些星系的真实面貌吗？还是仅仅是这些图像生成过程中的产物？
首先，让我们来看看附近星系的特性。例如，上图显示的是一个俗称“向日葵星系”的星系：梅西耶63，或NGC 5055。这是一个邻近的螺旋星系，在很多方面都与银河系相似，例如大小，但没有中央棒，只有定义模糊的旋臂。然而，你会注意到，这个星系被制作成动画，在星系盘主要恒星范围的光学视图和星系倒置的延伸视图之间“闪烁”，后者展示了星系周围恒星晕和恒星流的全部范围。正如你所看到的，即使在视觉上，这个星系的恒星数量也比你仅仅通过观察恒星盘推断出的要多得多。
这很常见：事实证明，许多、或许是大多数，甚至所有大型大质量螺旋星系和椭圆星系都具有：
巨大而延伸的恒星晕，其范围远远超出了主明亮星系盘的范围；环绕它们的恒星流，可能来自星系相互作用和较小星系的相互吞噬；以及一个椭圆形的恒星核球，其弥散地延伸到主星系明亮边缘以外的所有三维空间。换句话说，我们在近距离宇宙星系中观察到的现象，也应该适用于远距离宇宙星系。
那么，让我们问一个关键问题：当我们获取这些遥远宇宙的图像时，例如使用哈勃太空望远镜，我们怎么做呢？
起点是一片“空白”的天空，就像您在上面看到的一样。事实上，早在20世纪90年代中期，这片天空就被选为哈勃深空观测的目标。之所以选择这片天空，是因为它拥有许多重要的特性。
这片天空远离银道平面，远离会干扰深空观测的气体、尘埃和恒星。这片天空中没有已知的明亮恒星或星云；银河系内唯一的恒星是暗淡、寒冷且遥远的红矮星，即使近距离也难以发现。而且，在这片视野范围内没有任何大型河外天体，例如星系或星系团。
它是原始的，这意味着在这片天空中根本没有明亮的光源（或遮光的尘埃光源）。如果你想曝光一片天空并收集大量光子，那么像这样一片“安静”的天空就是你应该去的地方。这些标准也适用于哈勃等旗舰望远镜拍摄的所有后续深场图像。
然而，你不可能简单地随着时间的推移获取所有数据，然后将所有出现在探测器中的已记录光子加起来。如果你这样做，你的图像中最终会呈现出各种不真实的伪影。
宇宙射线会随机撞击探测器，产生“热像素”，使产生的光源与实际光源并不对应。杂散光通常会经过多次反射进入望远镜，这会污染仪器记录的图像。
热噪声会产生光，由于望远镜及其仪器的温度并非极低，这意味着额外的信号会被探测器记录下来。此外，天空中还有来自微弱、未解析光源的背景光，这些光也会影响最终图像的像素强度。还有其他噪声源：例如，小行星或其他太阳系天体在一帧曝光时间内穿过。
我们通常采用图像缩减技术来应对这些问题，这些技术通常在观测者使用望远镜数据看到图像之前就已应用。这些技术包括：平场校正（有助于校准所有数字图像）；后效应减除（有助于消除由热像素、宇宙射线或凌日小行星或卫星造成的误差，这些误差会在探测器上留下“条纹”或持续的后像）；背景天空减除（有助于消除未解析光源的背景光）；以及由于必须叠加不同波长的滤光片而产生的额外影响，即使这些图像的分辨率和探测器响应各不相同。
当你看到上面这样的图像时——也就是哈勃深空原始图像——你看到的已经应用了所有这些减法技术。将这些数据用于科学研究的科学家也是如此，他们包括：计数星系，估算这些星系的质量和角大小，计算这些星系内的恒星质量，并基于这些图像得出星系在宇宙时间中的演化结论。
只要所有这些都完美地完成，我们就无需担心。我们将对所有星系进行计数，直至望远镜所能观测到的极限。我们将估算每个星系的总质量、角大小和恒星质量，这些数值将准确反映望远镜在观测这些星系的时间段内所能观测到的范围。而且，如果这些深场图像中的每个星系都能同样出色地完成这项工作，我们就可以根据对成像物体的观察，得出关于星系演化的准确、可靠且稳健的结论。




但这其中存在一个很大的风险。我们一直在使用的一些图像缩减技术可能过于激进：只突出显示每个星系中恒星非常丰富的区域，并过度减去来自星系主恒星盘或星系晕之外的漫射光。
直到最近，也就是2018年，一个研究小组才决定回归哈勃深空场的本质，为这些深邃、超遥远宇宙的图像创建一个新的图像缩减流程。他们创建的这个流程被称为ABYSS，旨在优化对低表面亮度宇宙的成像能力：这正是我们想要研究遥远和超遥远星系的延伸恒星晕所需要的。
上图是标准的“哈勃超深空场”图像，它看起来只突出了高表面亮度的天体，或者这些天体内部的高表面亮度特征。我下载了这张图片，并亲自调整了对比度和亮度设置，即使我把这些参数调整到极限，也无法展现出图片中最亮、最大星系边缘的任何额外细节。
但在开发ABYSS的过程中，这些技术也应该适用于欧空局的欧几里得望远镜、美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜以及未来的南希·罗曼太空望远镜等天文台，研究人员试图创建一种更强大、更谨慎、更温和的背景减法方法。
当他们使用相同的原始数据，但将其放入他们自己的校准流程中观察同一片天空区域时，得到了截然不同的观察结果。具体而言，他们发现几乎所有星系都存在大量的低表面亮度结构，尤其是在占据天空最大角面积的大型星系中。研究人员指出，数据缩减过程中的四个具体环节，比天文学家近三十年来处理哈勃数据所使用的实际技术有所改进：
他们创建了新的绝对天空平场；他们改进了影响天空校正的扩展持久性模型；他们开发了一种新的端到端算法，用于执行专用的天空背景减除，从而能够在将各个帧叠加之前更好地匹配背景水平；他们识别并消除了一些由于将所有相关帧叠加而影响星系最终信噪比的偏差源。
从最初的超深场到重新分析的超深场，有一件事没有改变，那就是发现的星系数量；它们是相同的。然而，每个星系的特征，尤其是角尺寸较大的星系，都显示出相当惊人的差异。
在这里，您可以看到在超深场中发现的数百个星系的放大视图，但使用了ABYSS数据精简流程。您可以清楚地看到，每个星系周围都有一个类似“黑色”晕的区域。这不是图像伪影；这些是恒星晕，类似于我们之前为邻近的M63星系拍摄的恒星晕，它们也存在于这些超远星系中。这意义重大！
当您查看哈勃太空望远镜（以及任何望远镜，包括詹姆斯·韦伯太空望远镜、欧几里得望远镜，甚至是地面望远镜）发布的数据时，您必须认识到，无论望远镜是否揭示了这些恒星晕，它们都是真实存在的，并且在天体物理学中发挥着重要作用。当我们正确地拍摄星系图像时，它们告诉我们：
星系的物理尺寸更大，星系的整体亮度更高，星系的总质量更大，星系内部的恒星质量也更大，这些都比大多数图像所反映的要大。充分利用数据绝对必要，除非你正确地校准图像，否则你可能会丢弃有用的信息，并得出与实际数据不符的结论。
总而言之，在整个哈勃超深场中，如果将这些从最初发布的图像中过度减去的额外光加起来，就会发现相当于1000亿到2000亿颗恒星的额外“恒星质量”。这相当于银河系中现有恒星总质量的两到三倍，相当于数千亿颗，甚至可能是一万亿颗或更多恒星的总质量。虽然这项技术并没有揭示任何“缺失”的星系，但它确实改变了这些图像以及类似的图像所讲述的宇宙演化故事。
关键的进展在于，我们现在知道如何在进行超深星系巡天时，揭示即使是最微弱的河外星系源的延伸、低表面亮度边缘。作为天文学界，我们不仅可以将这些改进的技术应用于当前和未来的深场观测，还可以追溯任何可能因意外过度减去漫射光而受到影响的哈勃图像。长期以来，我们一直在探究恒星、暗物质、银河系晕的范围等等诸多问题。随着对这些新技术的存在及其威力的更深入认识，或许一些宇宙谜团的答案最终将近在咫尺。。

这或许是宇宙最不可思议的一张照片，它被称为“哈勃深场”。20多年前，哈勃空间望远镜发布了最早的深场图，它所展示的画面令所有人震惊——图片中含有的恒星和星系数量多到令人难以置信的地步。图片经过长时间的曝光，从天空中一个极其微小的原本看似空无一物的空间捕捉到了这些天体，其中包含数以千计的星系和数万亿的恒星。在这张图像发布后的20几年里，哈勃空间望远镜的后续观测提供了越来越丰富的信息，一次又一次地刷新着我们对宇宙的认知。
天文学家威廉姆斯将目光锁定在大熊星座附近的针尖般大小的区域，结果却发现那那看起来空无一物的空间里，有着3000多个星系。后来他说：“科学发现需要冒险。”
在哈勃深场图像中，只有少数亮点是相对较近的恒星，更多的其实是遥远的星系，有些星系甚至已经有130多亿年的历史了。在如今的宇宙中，我们周围的星系大多是螺旋星系和椭圆星系。而哈勃深场则揭示了早期宇宙的星系结构，那时星系的结构才刚刚形成，因此具有大量形状奇特的星系。
第二张哈勃深场聚焦于南半球的一片天空。新图像与原始图像有很多相似之处——这正是我们所期待的，因为如果宇宙在任何方向上看起来都大致相同，就会出现这样的画面。
2004年，哈勃空间望远镜用改进后的拍摄仪器，捕捉到了这张哈勃超深场图像。穿越数十亿光年的空间，宛若抵达了宇宙的“核心”处取样，显示了大约10000个星系。图像中那些最小的星系离我们最遥远，其中最早的可以追溯到宇宙约只有8亿岁的时候。这张图片是哈勃空间望远镜在绕地运行400圈的过程中，经过800次左右的曝光拍摄而成的。
哈勃超深场图像揭示的是天炉星座中的一小块区域，这个星座最早由18世纪的法国天文学家尼可拉·路易·拉卡伊首先用法语将其命名为化学炉。
2009年，在一次维修任务中，哈勃空间望远镜使用了一种新的仪器。这次，它能在近红外波段对哈勃超深场图像中所显示的天空区域进行观测。这样的观测几乎只能通过太空中的望远镜来实现，因为地球的大气层会阻止大部分红外线到达地面。在红外波段的天文观测对揭示早期宇宙的秘密至关重要。图像中最暗淡、最红的天体是在宇宙大爆炸后6亿年就已经形成的星系。在这张图像之前，天文学家从来没有观测到如此早期宇宙中的星系。
2012年的“哈勃极深场”展现的是哈勃超深场中心的一小块天空区域，它是哈勃在10年的时间中，总曝光时间超过200万秒，对同一小片区域拍摄的2000多张图像的结合。图像中含有大约5500个星系，其中最黯淡的星系的亮度大约只有肉眼可见亮度的十亿分之一。图像中最年轻的星系尚处于宇宙的“婴儿时期”，大约是宇宙大爆炸后的4.5亿年。
在2019年，ABYSS哈勃超深场项目发布，这是对近红外哈勃超深场图像进行改进处理后得到的ABYSS版本。这种新的观测结果显示，在巨大的星系周围出现了之前从未见过的暗淡微光，其中一些光点的大小是之前测量结果的两倍。
哈勃遗珍场是一幅由哈勃空间望远镜在16年时间里，独立曝光将近7500次而形成的图像。这张图像是宇宙中最大、最全面的星系“历史书”。它展示了遥远宇宙的全景，包含了大约265000个星系，其中每个星系都包含了数十亿颗恒星。它可以跨越133亿年的时间跨度，追溯到宇宙刚刚诞生5亿年的时间。图片中最黯淡、最遥远的星系亮度，仅为肉眼可见亮度的百亿分之一。