1990年4月24日，一个从此开启了天文新时代的望远镜——哈勃空间望远镜乘坐探索号航天飞机升空。
哈勃望远镜(资料图片)
哈勃望远镜长13.3米，直径4.3米，大小相当于一辆公交车，重11.6吨，当时造价近30亿美元。它在距离地面大约550千米的轨道上以2.8万公里的时速沿太空轨道绕地球运行。由于身处太空，没有地球大气湍流的干扰，它所获得的图像和光谱具有极高的稳定性和可重复性，清晰度可以达到没有大气纠正的地面天文望远镜的10倍以上。
从哈勃开始，我们真正发现，最美的星空，触手可及。那么，这一带我们拓展视野边界的望远镜究竟能看多远?
哈勃太空望远镜拍摄到邻近星系爆发后发散的星际碎片(资料图片)
哈勃望远镜拍到银河系奇特行星状星云(资料图片)
哈勃望远镜拍到罕见蓝恒星(资料图片)
至今，27年间，哈勃望远镜已经执行了超120万次观测任务，观察了近四万个天体，平均每个月，哈勃都会产生829G观测数据，累计已超过100T。它上面的广角行星照相机可拍摄上百个恒星的照片， 1.6万公里以外的一只萤火虫都难逃它的“法眼”。
哈勃超深空(HUDF)照片，由可探测到近红外线的第三代哈勃广角相机拍摄(资料图片)
与此同时，它创造了一个个太空观测奇迹，包括发现黑洞存在的证据，探测到恒星和星系的早期形成过程，观测到的最远目标是距地球130亿光年的原始星系，这些星系发出的光芒来自大爆炸后刚刚形成的宇宙早期。
最左侧图像为仅捕捉可见光的相机拍摄，最右侧为红外线敏感相机拍摄。图中随着可捕捉波长增大而逐渐出现的小黑点是目前所知最遥远的星系之一。(图片来源：NASA)
但不可否认的是，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。
哈勃望远镜或永看不到宇宙中最遥远的星系(图片来源：NASA)
究其原因，主要有以下两点：
第一，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。宇宙中星系可能有数千亿个，但这些星系中的一部分由于太暗淡太遥远，因此哈勃即使长时间曝光 23 天，也只能看到最遥远距离上那些非常明亮的星系。
第二，我们看得越远，天体光谱的红移现象就会越明显，原本光学波段的光子会被拉长变成近红外甚至远红外光子，而哈勃只能探测到近红外的光线，所以哈勃只能探测到一定红移之内或者一定距离之内的天体。据估计，哈勃应该能够探测到红移值在13左右的天体。
哈勃探测图(图片来源：NASA、ESA、R. Bouwens 以及 G. Illingworth)
具体来说，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。
氢是宇宙中最富有的元素，所以在实际的宇宙观测中，最强、最易见的恒星或星系发射线就是来自于氢，它能够通过电子跃迁产生在紫外(莱曼系)、可见光(巴尔莫系)或红外(帕邢系)波段上的光子。
随着宇宙的膨胀，这些光子的波长会产生极大的红移。 由氢原子产生的、波长为121.567 纳米的莱曼-阿尔法跃迁，它是最强也最容易辨识的跃迁，也因为宇宙膨胀，其对应光子的能量而被不可思议的拉长。
哈勃探测图(图片来源：NASA、JPL-Caltech、STScI-ESA、Y. Ono (东京大学) 以及 B. Weiner)
哈勃上最强大的相机，第三代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13左右，即可以观测到宇宙年龄只有当前 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。
哈勃探测图(图片来源：NASA、ESA、P. Oesch(耶鲁大学)、CANDELS 小组)
因此，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来进行观测。
哈勃最多只能探测到红移值不超过13 的天体，而宇宙中可能存在着红移值达 15 甚至 20 的星系!
哈勃要观测大于 1 微米的波长已经相当吃力，但是它为我们发现最遥远星系带来了希望。而那遮盖在可见宇宙未知领域上的最后面纱，也只是时间的问题。(郑然)
本文由中国科学院国家天文台苟利军研究员进行科学性把关
京公网安备11010502039775号
