哈勃望远镜究竟能看多远？

　　哈勃发现的最遥远星系正在接近它的能力极限，这台史上最强大的望远镜可能永远也看不到宇宙中最遥远的星系。
　　图片来源：NASA哈勃小组
　　“那些基于相同价值观的友谊，是距离和时间无法损害的。”罗伯特索西
　　图片来源：NASA、ESA、G。Illingworth、D。Magee以及P。Oesch（圣克鲁兹加州大学）、R。Bouwens（莱顿大学）以及HUDF09小组
　　整个天空可能布满了数千亿个星系。但实际上，这些星系中的一部分由于太黯淡太遥远，哈勃只能勉强看到它们。
　　限制望远镜能力的原因有两个，一个比较明显，一个比较微妙。
　　明显的原因是：虽然哈勃的主反射镜直径达到了2。4米，但它收集光子的能力仍然会受限制。因此即使长时间曝光23天，也只能看到最遥远距离上那些非常明亮的星系。
　　微妙的原因是：我们看得越远，天体光的红移就会越明显。而这一点非常有意思。
　　图片来源：NASA、ESA、R。Bouwens以及G。Illingworth（加州大学）
　　大部分最年轻、最炽热、最明亮恒星发出的光线，人眼是看不到的，因为它们实际上是紫外线。
　　但宇宙在膨胀，星系在远离。这意味着来自遥远恒星和星系的光子，在到达地球的过程中会发生红移，它们的波长会被拉伸。
　　当我们看到一个明亮、遥远的红色星系时，可以通过比较它在蓝、绿、红和（近）红外光上的相对亮度，来估算它的红移程度，但这也只能估算。如果想知道它真正的红移值，并通过哈勃定律来获知它的距离，就需要测量一些更为确定的东西。
　　幸好宇宙各处原子的物理特性、原子跃迁的特点是一样的。假如我们能够测量来自天体的发射线光谱（取决于星系的类型，也可以是吸收线光谱），确定元素的成份，就能够以一种非常直接的方式进行计算：
　　它的红移，
　　它的距离，
　　它发光时宇宙的年龄。
　　在原子跃迁过程中，最强、最易见的恒星或星系发射线来自氢，它在紫外（莱曼系）、可见光（巴尔莫系）或红外（帕邢系）波段上都能够进行跃迁。
　　但是这些谱线以及它们的波长是在这些星系的静止坐标中进行计算的。随着宇宙的膨胀，这些波长会产生极大的红移。最强烈也最容易辨识的跃迁，也就是通常发生在121。567纳米波段上的莱曼阿尔法跃迁，也会产生不可思议的偏移。在一个例子中，红移后的莱曼阿尔法谱线波长接近了540纳米。
　　哈勃上最新、最强大的相机3号广域相机使用的滤镜可以观测到1700纳米的波长。因此理论上我们可以看到红移值达12或13，即相当于宇宙年龄只有当前3时的天体。但不幸的是，我们在进行深空观测时并没有使用这些红外滤镜。为了捕捉到更多的光，我们使用了广域波段滤镜。在这个波段上，我们可以达到的最长波长约为850（上限为900）纳米。
　　因此事实上如果我们想看得更远，即便达不到与哈勃相同的分辨率，或者像哈勃那样能够看到更暗的星系，也会经常使用专业的红外太空望远镜，比如斯皮策望远镜来进行观测。
　　图片来源：NASA、JPLCaltech、STScIESA、Y。Ono（东京大学）以及B。Weiner（亚里桑那大学）
　　我们随后也需要用地基8至10米级望远镜来确认这些候选者的光谱。长久以来UDFj39546284这个星系是红移记录的保持者，它的红移值达到了惊人的11。9！但是你可能已经猜到，这样的星系是哈勃根本看不到的。而且随后的观测也显示，之前的结果受了低红移天体欺骗性发射线的干扰。
　　不过现在，我们已经有了一个经确认的新记录保持者！
　　图片来源：NASA、ESA、P。Oesch（耶鲁大学）、CANDELS小组这个编号为EGSzs81的星系红移值是7。7，是此类星系中经确认红移值最高的一个。
　　这个数字代表的意思，是光线从这个星系出发时，宇宙的年龄只有6。6亿岁。这个星系距离我们大约290亿光年，是目前发现的最遥远星系。
　　要观测这样的星系已接近哈勃能力的极限。哈勃最多只能探测到红移值不超过8或9的天体，而宇宙中可能存在着红移值达15甚至20的星系！
　　虽然哈勃要观测大于1微米的波长已经相当吃力，但是詹姆斯韦伯太空望远镜的观测能力达到了30微米左右，它拥有前所未有的灵敏性和更高的分辨率，收集光的能力也是哈勃的六倍左右！
　　现在只需一点点运气，我们就能发现宇宙中最遥远的星系。虽然哈勃很伟大，但是它也有局限。在超长波段射电天文学出现之前，詹姆斯韦伯太空望远镜将是我们发现最遥远星系的希望。
　　图片来源：NASA、JWST小组
　　我已经迫不急待。人类终将揭开遮盖在可见宇宙未知领域上的最后面纱，而这只是时间问题。
　　文EthanSiege