Question

哈勃望远镜如何看到遥远的宇宙？

Answer 1

哈勃太空望远镜可以观测到遥远宇宙中的星系，但宇宙中充满各种天体，难道星球或者星系不会挡到哈勃的观测视线吗？

宇宙中的天体非常多，一个星系中会包含数以亿计的恒星和行星。星球或者星系确实会阻挡遥远星系发出的光，这样哈勃就无法接收到这些光，所以也就无法观测到这些遥远的星系。

然而，宇宙空间非常的空旷，尤其是星系际空间更是极度空旷。整个宇宙的平均密度仅为1×10^-29克/立方厘米，相当于普通水的密度的10万亿亿亿分之一。另外，可观测宇宙中的星系数量可能多达上万亿个。在如此空旷的宇宙空间中，光线刚好被挡住的星系占比很少，大部分星系发出的光最终都能到达地球，所以哈勃可以观测到大量的遥远星系。

质量较小的星系会阻挡背景星系发出的光，但由大量星系聚集成的星系团却不会挡住背景星系。由于质量巨大的星系团会强烈弯曲周围的空间，背景星系发出的光抵达星系团时将会沿着弯曲的空间运动，从而可以绕过星系团继续向前传播，最终到达地球，这就是广义相对论所预言的引力透镜效应。

通过引力透镜效应，哈勃望远镜可以观测到星系团后面的星系。例如，位于22亿光年之外的阿贝尔1689星系团拥有巨大的质量，它扭曲了背景星系的图像。

如果星系的排列恰到好处，有时还会产生非常特殊的现象——爱因斯坦环：

上图中，那个明亮的红色前景星系（LRG 3-757）刚好与蓝色的背景星系和地球排成一条直线，前景星系的引力扭曲了背景星系发出的光，形成了爱因斯坦环。

除了爱因斯坦环之外，还有更为罕见的爱因斯坦十字：

上图中，处在十字中心的是位于4亿光年外的前景星系，而周围的四个亮点则是位于80亿光年外的类星体（活跃的超大质量黑洞）。类星体只有一个，但由于引力透镜效应，它呈现出了四重图像，形成了爱因斯坦十字。

甚至，星系团的引力透镜效应还能起到放大镜的作用，使得极为遥远的恒星也能被直接观测到。MACS J1149.5+223是一个位于50亿光年外的大型星系团，其强大的引力透镜效应放大了背后的遥远恒星，使得哈勃可以观测到位于94亿光年之外的单颗恒星。而在正常情况下，以哈勃的极限分辨率，最远只能观测到1亿光年外的单颗恒星。

此前，哈勃太空望远镜对着天空中一块非常小的黑暗区域进行长曝光拍摄，累计时间长达二十几天。结果观测到了5500个的遥远星系，它们发出的光用了132亿年才来到地球上被哈勃接收到，这就是著名的哈勃极深场（XDF）。

哈勃极深场中的星系非常年轻，因为那时距离宇宙形成才6亿年。经过漫长时间之后，这些星系如今已经演化成类似银河系的大型星系。不过，由于光速的限制和宇宙空间的膨胀，我们无法观测到这些星系的目前景象。