近日，發表於《自然》（Nature）的一項研究，報告了哈勃太空望遠鏡（Hubble Space Telescope，縮寫HST）對一個極為遙遠的恆星的觀測情況，該恆星可能為單星或處於恆星系中，約在大爆炸後9億年形成，這是迄今發現的最遠的一顆恆星，反映了宇宙演化早期的狀態。
而幾天後發表於《自然·天文學》（Nature Astronomy）的另一項工作中，研究人員則藉助於HST發現了一顆特別的類木行星御夫座AB，可能顛覆了傳統的類木行星形成模型。
HST於1990年發射，取得了眾多突破性的成果，迄今仍在擴充著人類對宇宙的認知。
在其30多年的生涯中，HST已經進行了140多萬次觀測，科學家依據其觀測資料，撰寫了超過18000篇論文。
它的後期目標定位於遙遠的漩渦星系，並幫助繪製了暗物質的區域圖。對HST影象的分析，甚至幫助科學家們獲得了2011年的諾貝爾獎——發現宇宙的膨脹速度正在加快。
也因此，人們如此評價HST：當地球上有問題時，哈勃會回答。
HST拍攝的蝴蝶狀星雲
HST的“十大發現”
在HST其後的工作時間裡，天文觀測取得了巨大成功，天文學領域據此發表了大量觀測、分析、研究性論文，且引用率很高。
HST拍攝了大量宇宙空間、星系和恆星的照片；在不同波段對宇宙進行了長期觀測；觀測到距地球130億光年的原始星系，發出的光芒來自大爆炸後剛形成的宇宙早期；發現了5顆太陽系行星。
此外，它還在黑洞、類星體、恆星誕生與死亡、宇宙年齡、暗物質等方面的觀測研究中取得了突出成果。
HST在2013年拍攝的船底星雲的恆星託兒所
截止到2006年，HST在軌運行了15年，得到了許多激動人心的發現，拍攝了45億張精美的天文照片。人們對它的發現進行了總結，評出了最重大的“十大發現”：
<01>
HST的主要任務之一就是幫助天文學家測定宇宙的準確年齡。
天文學家用HST觀測到仙女星座和其它星群中的造父變星，以確定宇宙的膨脹速度和年齡。HST將宇宙的年齡精確到130億至140億年之間。目前，最新的研究結果將宇宙年齡精確到了137億歲。
<02>
HST在對暗能量的研究工作中扮演了重要角色。
暗能量是一種神秘形態的力，起到宇宙氣體“踏板”的作用，加快了宇宙膨脹的速度。
HST關於超新星的資料，幫助研究者揭示這種神秘力量在宇宙中持續存在。
<03>
HST完成了對太陽系外一顆行星大氣層化學構成的直接測量。
在一顆木星大小的行星大氣中，它發現了鈉、氫、碳和氧元素。
這一觀測結果證明，HST和其它望遠鏡可以從一些天體的大氣中進行化學構成的取樣工作。
<04>
HST給天文學家提供了遙遠的星系照片，反映了宇宙誕生之初的景象，為科學家進一步瞭解宇宙的起源和演變提供了寶貴的資料。
<05>
HST拍攝了M87橢圓星系的影象，觀測資料證實大多數星系的中心都具有一個巨大的黑洞。
HST拍攝的M84中央黑洞
<06>
1999年1月23日HST捕捉到了伽馬射線暴的景象，這是當時紀錄過的最大規模的一次伽馬射線暴。
拍攝的影象顯示，這些放射線的短暫閃光來自於遙遠的星系，這些星系以非常快的速度形成眾多恆星。
影象還確定了這些爆炸來源於一些巨大星體的瓦解。
<07>
天文學家使用HST追蹤到一些類星體的“家”（宿主星系），並且證明它們位於這些星系的中心區域。
HST拍攝的類星體與星系合併影象
<08>
HST拍攝到了獵戶星雲中的原行星盤，資料證明，烤盤形狀的塵埃盤圍繞著年輕恆星的現象很平常。
HST拍攝的獵戶座星雲
<09>
HST拍攝到了1994年7月名為蘇梅克·列維9號的彗星斷裂成21個碎塊撞擊木星的情景，撞擊所產生的蘑菇形火球衝擊到了木星上空。
HST在1994年7月拍攝的彗星撞擊木星的照片
<10>
HST拍攝到的一組在跳躍的顏色中爍爍發光的行星狀星雲，向人們描繪了垂死恆星的最後色彩。
行星狀星雲是一些即將消亡的恆星所拋射出的氣體外殼，HST拍到的影象顯示，行星狀星雲就像雪花一樣，沒有任何兩個是完全一樣的。
HST拍攝的超新星爆發
HST拍攝的超新星SN 1993J
HST在第二次維修前的巨大成就
到1997年4月，HST已工作了7年，這期間它取得了豐碩的科學成果。
來自全世界20多個國家的2000多名科學家，利用HST進行了11萬多次科學觀測，並在分析的基礎上撰寫了1346篇論文。
HST在2004年拍攝的土星照片
這期間HST取得的主要成就包括：增進了人類對宇宙年齡和大小的瞭解；證明某些星系中央存在超高質量的黑洞；觀察了數千個星系和星系團，探測到了宇宙誕生早期的“原始星系”，使科學家有可能跟蹤研究宇宙發展的歷史；對神秘的類星體和其存在的環境進行了深入觀測；更深入揭示了恆星的不同形成過程；對宇宙誕生早期恆星形成過程中重元素的組成進行了研究；揭示了已死亡的恆星周圍氣體殼的複雜組成；對獵戶座星雲中年輕恆星周圍的塵埃環進行了觀測，揭示出銀河系中存在其他行星系統；對蘇梅克彗星與木星相撞進行了詳細觀測；對火星等行星進行了觀測；發現木星的兩顆衛星——木衛二和木衛三的大氣層中存在氧。
HST在2003年拍攝的愛斯吉莫人星雲
HST第二次維修安裝的近紅外相機及多目標分光計和影象攝譜儀，使望遠鏡能夠跟蹤宇宙大爆炸後10億年左右形成的古老星系，並能詳細觀測黑洞、膨脹的星系、爆炸後的恆星以及眾多天體。
宇航員正拆下戈達德高解析度攝譜儀
第二次維修工作使HST的壽命得到提高，觀測能力進一步增強，觀測光波段延伸到近紅外範圍。
創造早期宇宙成像的黃金時代
HST在多次維修過程中，更換了所有的原裝觀測儀器。
其中有兩件新儀器非常重要，分別是第三次維修時安裝的高階巡天相機（ACS）和第五次維修時安裝的寬視場相機3號（WFC3）。
ACS在可見光到紅外光中能穿越宇宙級的距離，非常適合測量紅移星系和中等到大型星系團。
ACS
WFC3用於觀測研究各演化階段的星系，從極遙遠的年輕星系到較近的恆星系統，也包括太陽系內的行星系統和系外行星。
它的主要特點是跨越電磁頻譜的能力，從紫外線到可見光，並進入近紅外（NIR）波段，其在近紅外源獲得的全新高畫質晰影象，使之成為後繼者韋伯望遠鏡的重要先驅。
WFC3
WFC3的廣譜“全色”覆蓋範圍與ACS是極好的補充，兩者協同工作，被認為創造了一個新的早期宇宙成像的黃金時代，為天文學家提供了當時最佳觀測功能，在寬波長範圍內提供了極好的寬視場成像質量。
探索早期宇宙和星系
HST在早期宇宙和星系觀測方面的重要成果，可追溯到宇宙大爆炸數億年後的情形，對認識早期宇宙、早期星系具有重要意義。
HST在2013年拍攝的環狀星雲
這些成果大都採用HST的超深場模式（Ultra Deep Field）拍攝，採用的儀器前期主要是ACS，2009年後則以高ACS與WFC3的組合為主。
這種觀測模式一般在極小的天區範圍進行，約為滿月直徑的十分之一，視場範圍內包含約5500個星系，最暗星系的亮度是人眼所能看到的亮度的百億分之一，即使用先進的觀測儀器也非常難以“看到”，因此經常採用“引力透鏡”原理將觀測源發出的光線進行聚焦、放大。另外，拍攝這樣一張極遠的宇宙影象，往往需要多次、長時間曝光。
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2003年9月24日至2004年1月16日間，HST對南天區鯨魚座和波江座附近的天爐座一小片天區，進行了800次曝光，總曝光時間達11.3天，最終拍攝了一張照片。
HST在2004年拍攝的早期宇宙
照片中最小、最紅的小點顯示的遙遠星系，約有100個，可能是當時已知最遙遠的星系，存在於宇宙大爆炸後8億年的時候。
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2009年，HST在近紅外光下拍攝了更遠、更深的宇宙影象。
當年8月，HUDF09團隊利用新安裝的WFC3紅外通道，對前述同一天區進行觀測，拍攝過程共4天，總曝光時間173000秒。
HST在2009年拍攝的早期宇宙
照片顯示的星系紅移量Z達到8～8.5，推算出這是宇宙大爆炸後6億年的情景。
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2012年11月16日，HST在大熊星座附近的一個小天區進行了極深場拍攝，並且利用了周圍巨大的星系團產生的引力透鏡放大效應，獲得了一個名為MACS0647-JD的星系照片。
HST在2012年拍攝的MACS0647-JD，圖片左邊的插圖為該星系特寫
MACS0647-JD只在紅色波長下發光，是一個非常年輕的星系，估計形成於宇宙大爆炸後4.2億年，其直徑約600光年，比銀河系（直徑150000光年）小約250倍。
早期的星系一般都極不穩定，在此後的數十億年間將發生無數次碰撞，然後逐漸形成我們能看到的巨大宇宙結構。
在接下來的130億年中，MACS0647-JD可能會與其他星系和星系碎片發生數十、數百甚至數千次合併事件，這一觀測成果將有助於科學家瞭解宇宙在第一批恆星和星系出現時如何形成。
沒有最遠，只有更遠！
HST和宇航局另一個重要的紅外天文衛星（運行於地球跟隨日心軌道）斯皮策太空望遠鏡（SpitzerSpace Telescope，縮寫為SST）單獨或共同作出的發現，不斷改寫著觀測最遠星系的歷史。
正應了那句話“沒有最遠，只有更遠！”
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2015年5月和9月，發現了兩個最遠星系候選者，前者被命名為EGS-zs8-1星系，距離地球約131億光年；後者被命名為EGS8p7星系，距離地球約132億光年。
按照目前對宇宙年齡的估計，它們分別誕生於大爆炸6億年和5億年後。
EGSY8p7的位置
EGS-zs8-1星系的紅移是此前測量中最高的，最初由HST和SST識別，後來使用夏威夷凱克天文臺10米望遠鏡進行了詳細觀測。
EGS-zs8-1星系的位置
根據這些觀測和分析結果，研究人員認為EGS-zs8-1中的恆星“年齡在1億到3億年之間”，是非常年輕的恆星，也是宇宙誕生後的第一批恆星。因而，EGS-zs8-1在當時被認為是迄今為止被觀測到的最古老星系之一。
觀測結果還表明，EGS-zs8-1形成恆星的速度是銀河系的80倍，非常活躍。
此外，根據SST在該星系和其他早期星系中觀察到的獨特顏色，科學家認為可能是這些星系中的原始氣體相互作用導致大質量年輕恆星快速形成所造成。
對該星系的進一步研究，有可能揭示在早期星系和年輕恆星裡形成重元素的型別和數量。
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2018年，在觀測SPT-CLJ0615-5746星系團時，HST非常幸運地發現了SPT0615-JD星系。
這是一個很小的、處於胚胎期的星系，距離大爆炸僅5億年，HST是藉助引力透鏡原理，拍攝到了這個星系的照片。
SPT0615-JD星系胚胎，照片中嵌入的弧形結構不僅是背景星系的放大影象，而且是一個被塗抹成新月形的影象
天文學家估計，這個小星系的質量不超過30億太陽質量（大約是銀河系質量的1/100），直徑不到2500光年，只有小麥哲倫星雲的一半。該星系被認為是大爆炸後不久即出現的年輕星系的原型。
雖然在早期時代，已經看到了一些其他的原始星系，但由於它們的小尺寸和巨大距離，看起來都像是小小的紅點。
然而，在一個巨大的前景星系團的引力場作用下，不僅放大了背景星系發出的光，而且還將目標星系也放大成了小弧形（約2弧秒長）。
結合HST和SST的資料，該新生星系的紅移值高達10，其時間可回溯到133億年前，即宇宙誕生後4~5億年。
科學家指出，這個星系已經處於HST探測能力的極限，後續工作將由韋伯太空望遠鏡繼續，包括早期宇宙中恆星誕生、演化的細節以及早期星系的子結構問題。
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2014年1月5日-9月28日，HST利用ACS和WFC3的紅外通道，在南天波江座附近，又觀測一個非常遙遠的星系，並將其取名Tayna，意思是“第一個出生”。
Tayna星系
這次觀測和成像也利用了引力透鏡原理，大大增強了星系的光線亮度，使其看起來比正常亮度高20倍。
根據其紅移資料，科學家估計它距離我們約有133億年，相當於宇宙誕生後4億年，是當時發現的最遠天體。
它的大小與大麥哲倫星雲相當，裡面的恆星形成速度為大麥哲倫星雲內恆星形成速度的10倍。
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HST於2015年2月11日和2015年4月3日對北天區進行深入觀測，並於2016年3月3日在大熊星座方向發現了可能是迄今為止已知的最遠星系，但當時並未估計出該星系的紅移量。
2017年4月，北京大學科維理天文與天體物理研究所江林華領銜的國際團隊利用世界上最先進的地基紅外望遠鏡之一——夏威夷山上10米口徑的凱克望遠鏡，對這個星系進行了深度光譜觀測，基於光譜分析和計算得出該星系的準確紅移為10.957，證實其為134億光年之外的星系，即這個星系只有3～4億歲。
由於該星系紅移量高達11，因此將其命名為GN-z11，其中z就代表紅移。
GN-z11星系
研究團隊不僅從光譜中讀出了準確紅移，也讀出了其他資訊。
光譜顯示有三條發射線，由碳和氧的二次電離氣體發出，表明該星系中已有豐富的非氫非氦元素。該資訊暗示，新發現的星系可能並非宇宙中的第一代星系。
這個發現對理解宇宙早期星系和恆星形成有重要意義，為研究宇宙極早期天體打開了一扇視窗。
HST和SST聯合成像顯示，GN-z11比銀河系小25倍，恆星質量僅為銀河系的1%。然而，GN-z11的成長速度非常快，形成恆星的速度大約是銀河系的20倍。
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HST和SST對於宇宙極深處和極早期的觀測和取得的成果已經今科學家萬分激動。
紅外波段更寬、儀器觀測精度更高的韋伯望遠鏡應當能夠觀察到更遙遠、距離大爆炸僅幾億年的早期宇宙和第一批恆星、星系面貌，有可能取得更具突破性的成果。
作者簡介：李成智，北京航空航天大學人文社會科學高等研究院教授、博士生導師。
