這是2009年最后一次太空檢修之后，宇航員在同“哈勃”太空望遠鏡道別時所見到的望遠鏡的模樣。（圖片來源：NASA; 背景圖片是NGC 265：NASA / ESA）
沒有幾個天文儀器能像哈勃太空望遠鏡那樣，連續25年不眠不休地工作，并且不斷帶來新發現。然而，這還只是“哈勃”取得的非凡成就的一部分。它的觀測改變了我們對天文學和天體物理學領域里幾乎每一項研究內容的看法。不僅如此，宇航員搭乘航天飛機飛入太空對它進行檢修，以及它在吸引公眾關注科學方面發揮的作用也使它成為科學史上無可替代的科學儀器。
“哈勃”取得的成果數不勝數，想要從中擇出最重要的成果并不容易。因此，下文列出的幾項“哈勃”最重要的成就僅代表我個人觀點。
我還需在此強調一下，在天文學研究中，我們很難把某個發現歸功于一次特定的觀測或者特定的儀器。更加常見的情況是，對一個現象的深入理解有賴于不同的望遠鏡在不同波長進行的一系列觀測。所以，我并不是說以下七大發現完全是“哈勃”的貢獻，而是想說，我之所以選擇這些發現是因為“哈勃”在其中扮演了重要的角色。
形如渦狀星系（M51）這樣的美 麗星系，在“哈勃”取得的許多科學大發現中占了重要的一席之地。這些“島宇宙”被暗物質束縛著，其中心還潛伏著超大質量黑洞。它們幫助我們精確測定哈勃常 數，并在暗能量的驅使下，越來越快地相對背馳而去。（圖片來源：NASA / ESA / S. BECKWITH (STScI) / THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STScI/AURA)）
在評選“哈勃”取得的最重要的突破性進展時，我主要依據兩個原則：要么這個發現對我們理解整個宇宙意義重大；要么這個發現在地外生命的搜尋中邁出了重要的一步。可以說，第二點是當今科學家最感興趣的內容之一。
暗能量
宇宙中物質的引力拉扯應該會使宇宙的膨脹速度慢下來。但在1998年，兩組天文學家卻發現事實正好相反：宇宙正在加速膨脹。這個結論得自于Ia型超新星的觀測結果。當白矮星的質量增長到臨界質量（1.4倍太陽質量），便會爆發形成Ia型超新星。只有“哈勃”能夠看到最遙遠的Ia型超新星，由此證實了宇宙正在加速膨脹。
星系NGC 4526中的超新星1994D（圖中左下）幫助天文學家確定了宇宙正在加速膨脹的事實。科學家認為，可能是反引力作用力——暗能量促使宇宙加速膨脹。（圖 片來源：NASA / ESA / THE HUBBLE KEY PROJECT TEAM / THE HIGH-Z SUPERNOVA SEARCH TEAM）
當前的所有研究都認為是一種名為暗能量的神秘能量促使宇宙加速膨脹。雖然科學家至今還不知道它到底是什么，但他們還是推斷出它的一些性質。有研究指出，暗能量與虛空（科學家稱之為物理真空）有關。
真空有能量，這沒什么好奇怪的。量子力學（描述微觀世界的物理學理論）指出，物理真空并不是真的空無一物。相反，真空里充滿了粒子-反粒子對。這些粒子在極短的時間內出現，又迅即消失。尚未解決的問題是，各種理論計算出的真空能量密度都偏離目標值好幾個數量級。
由于加速膨脹，宇宙的最終命運將會是什么樣的呢？如果暗能量真的是虛空的能量——能量密度恒定，那么宇宙將會膨脹得越來越快。從今天算起1萬億年后，銀河系與仙女座星系將合并成一個更大的星系——兩者將在40億年后發生碰撞（順便提一句，這也是“哈勃”的觀測成果），身處其中的天文學家將再也看不到其它星系。宇宙將無可挽回地在冷寂中走向死亡。
哈勃常數和宇宙年齡
從上世紀20年代開始，由于天文學家維斯托·斯里弗（Vesto Slipher），喬治·勒梅特（Georges Lema?tre）和埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）的開創性工作，科學家已經知道宇宙正在膨脹。他們引入哈勃常數來描述宇宙當前的膨脹速度，這個數值與宇宙年齡呈反比關系。在“哈勃”上天前，發表的哈勃常數值彼此相差2倍之多。一群天文學家稱哈勃常數值為50公里每秒每兆秒差距，另一群則說這個值接近100公里每秒每兆秒差距。并且，爭論雙方都堅稱自己數據的測量誤差不超過10%——這似乎不大可能。
“哈勃”的“核心課題”之一便是解決這一爭端。憑借超高的光學分辨率，核心課題組成員檢查了許多距離指示天體，包括造父變星、塔利-費希爾關系（描述了旋渦星系的旋轉速度與自身光度的相關性）及Ia型超新星。2001年，工作組得到的哈勃常數精確值為72公里每秒每兆秒差距，測量精度為10%。
這個新哈勃常數值，連同宇宙加速膨脹和新測定的球狀星團年齡，一起解開了另一個謎團——宇宙確實比已知最年老的恒星還要老。對于那些相信哈勃常數值為100公里每秒每兆秒差距的天文學家來說，簡單的計算表明宇宙年齡僅為100億年，而球狀星團里的年老恒星似乎至少有120億年老了。根據歐洲空間局“普朗克”衛星最新測定的宇宙學參數值，宇宙年齡為138億年，測量誤差僅為4千萬年。
科學家們并不滿足于已經取得的成就。在過去10年里，天文學家在精確測定哈勃常數方面取得了令人矚目的進展，這多虧了“哈勃”的后續觀測。通過對幾種距離指示天體——例如造父變星、Ia型超新星和星系M106的巨脈澤信號（圍繞星系中心黑洞運動的水分子在微波波段發出的受激輻射）——進行交叉定標，哈勃常數值的測量誤差在2009年已經降低到5%，并在2011年進一步降低到3%。
漩渦星系M106中心的超大質量黑洞周圍的水巨脈澤信號——水分子在微波波段的受激輻射——有助于科學家測量天體的距離。“哈勃”校準距離指示物——星系中的造父變星，對哈勃常數的測量至關重要。（圖片來源：NASA / ESA / THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STScI/AURA) / R. GENDLER (FOR THE HUBBLE HERITAGE TEAM)）
現在，科學家把新的掃描技術應用到“哈勃”的第三代廣域相機（簡稱WFC3）身上，以便更加精確地測定銀河系里距離我們3千至1萬光年范圍內的造父變星的距離。這些距離測量能把哈勃常數的測量誤差降低到只有2%。歐洲空間局正在進行的Gaia項目將測量遠至3萬3千光年的造父變星，應該能夠給出精度更高的哈勃常數值。
把近鄰宇宙的哈勃常數值精度減小到1%，對緩解最近出現的、因不同的觀測結果而造成的緊張、對立情形可能會有所助益。目前，近鄰宇宙的哈勃常數值為73公里每秒每兆秒差距。觀測遙遠宇宙的“普朗克”衛星給出的哈勃常數值則為68公里每秒每兆秒差距。這個差異或許只表明了系統誤差遠超過預計。但如果差異真的存在，則暗示了我們需要新的物理學理論來解釋它。
宇宙的恒星形成率
對乍看上去似乎平淡乏味的天區進行延時曝光，可以算得上是“哈勃”最出彩的觀測活動了。1995年12月，“哈勃”對大熊座內一塊極小的天區進行了為期10天的觀測。這就是最初的深場觀測。自那以后，“哈勃”又對其它幾塊小天區進行了深度觀測。這些觀測向我們揭示出，同廣袤無垠的宇宙相比，我們生活的世界是多么的微不足道。
上圖是“哈勃”南天深場觀測的天區。天文學家用“哈勃”進行了一系列深場觀測，測量了宇宙的恒星形成率。（圖片來源：R. WILLIAMS (STScI) / THE HDF-S TEAM / NASA / ESA）
深場觀測就好比你通過一根吸管去看一塊有幾千個星系的天區。考慮到宇宙看上去總是均勻的和各向同性的——即無論在任何位置、向任何方向上看，你看到的都是相似的景象，這些發現暗示我們，在可觀測的宇宙里存在著幾千億個星系。
深場觀測為天文學家提供了有關星系演化的珍貴數據。其中一個重要的成果就是掌握了宇宙的恒星形成率——宇宙，作為一個整體，在各個時期產生新恒星的速度。了解星系如何快速地累積恒星質量，可以為星系形成與演化理論提供基本的限制條件。
宇宙的恒星形成率在紅移2左右達到峰值（對應的回溯時間為100億年）。今天的宇宙在每立方兆秒差距（約等于3千5百萬立方光年）內，每年新生成的恒星總質 量僅為太陽的0.01倍。（圖片來源：ASTRONOMY: ROEN KELLY, AFTER P. S. BEHROOZI, R. H. WECHSLER, AND C. CONROY (APJ, 770, 57)）
星系中心的黑洞
早在“哈勃”睜開眼睛看宇宙之前，其它觀測就已指出星系中心藏匿著超大質量黑洞，至少一部分星系是如此。活躍星系和類星體（釋放出巨大能量的遙遠點源）的理論模型指出，這些黑洞通過吸積周圍的物質獲得能量、發出輻射。“哈勃”的觀測證實了這些暗示和猜想。
上圖是室女星系團內巨橢圓星系 M84中心區域的光譜。它展示了氣體云速度的快速變化，從高速靠近（藍色）到快速退行（紅色），說明在星系的中心潛伏著一個超大質量黑洞。（圖片來 源：GARY BOWER AND RICHARD GREEN (NOAO)/ THE STIS INSTRUMENT DEFINITION TEAM / NASA）
“哈勃”告訴我們，實際上，星系中心只要有恒星構成的核球存在，就一定有一個超大質量黑洞蟄伏在其中。這些黑洞質量不一。矮星系中心的黑洞可能只有幾萬倍太陽質量。而大質量星系中心的黑洞可能擁有幾十億倍太陽質量。“哈勃”還為幾個類星體的宿主星系拍照，明白無疑地顯示出這些能量引擎確實盤踞在星系的中心。
在星系M87中心，從圍繞黑洞的吸積盤中心噴涌出一束高速粒子流。這個黑洞的質量大約是太陽質量的35億倍。（圖片來源：NASA / ESA / THE HUBBLE HNERITAGE TEAM (STScI/AURA)）
不過，最重要的是，“哈勃”揭示出星系中心核球內恒星的相對運動速度（天文學家稱之為速度彌散）與黑洞質量十分緊密地關聯著。另一方面，恒星的速度彌散也與核球質量有關。
這個關聯暗示了有關星系演化的重要信息。它表明了星系與其中心黑洞并非互不干擾，各自獨立地演化著。與此相反，核球的質量與黑洞的增長密切相關。這幅圖景提示我們，只要有氣體流入星系中心，黑洞吸積了其中一部分氣體時，核球就會繼續形成新恒星。一旦黑洞發出的輻射和超新星爆發把氣體吹走，黑洞和核球的增長便都停止了。
暗物質
如其名所示，暗物質既不發出、也不吸收電磁輻射。天文學家只能通過它的引力效果推測它的存在。星系中的恒星與氣體云運動速度非常快，僅靠可見物質的引力尚不足以把它們約束在星系之中。在星系團中運動的星系也是如此。如果沒有暗物質的束縛，它們很快就會四散而去。暗物質占了宇宙物質總量的85%，為我們看到的宇宙大尺度結構提供了基礎框架。
宇宙學家一直懷疑暗物質為普通物質提供了基本框架，塑造出宇宙網狀結構。 2007年，科學家結合了“哈勃”和其它大型地面望遠鏡的觀測結果，繪制出首張大尺度暗物質三維分布圖（圖片來源：NASA / ESA / R. MASSEY (CALTECH)）
“哈勃”的科學家們利用引力透鏡現象（星系團周圍的暗物質的引力場扭曲了遙遠的背景天體發出的光）繪制出有史以來最大的暗物質三維分布圖。不僅如此，“哈勃”還針對個別星系團——例如阿貝爾1689展開研究，幫助科學家詳盡地繪制它們周圍的暗物質分布情況。這些分布圖能夠限定星系團形成理論模型。
或許，最重要的發現莫過于由“哈勃”與錢德拉X射線天文臺、地面望遠鏡共同展示出的，在發生合并的星系團里，暗物質與熾熱氣體彼此分離的景象。天文學家對此并不感到奇怪。畢竟，兩個星團的氣體會撞擊在一起并形成激波，它們的暗物質卻徑直穿過對方，不發生任何電磁相互作用。
上圖是“哈勃”眼中的子彈星系團。藍色標示了由引力透鏡推算得到暗物質分布；根據錢德拉X射線觀測數據繪制的星系團內熾熱氣體的分布則用紅色標示。（圖片來源：X射線：NASA / CXC / M. MARKEVITCH, ET AL; 光學圖像：NASA / STScI; MAGELLAN / U. ARIZONA / D. CLOWE, ET AL; 引力透鏡圖: NASA / STScI; ESO WFI; MAGELLAN / U. ARIZONA / D. CLOWE, ET AL.）
“哈勃”在不只一個星系團——例如子彈星系團（1E 0657-56）、潘多拉星系團（阿貝爾2744）和MACSJ0025.4-1222中看到同樣的景象。科學家認為，這是截至目前表明暗物質幾乎不與任何物質發生相互作用的最佳例證。
早期宇宙的再電離
宇宙大爆炸之后的最初幾分鐘里，宇宙到處充斥著主要由質子和自由電子組成的熾熱等離子體。隨著膨脹，宇宙慢慢冷卻。大約過了38萬年，宇宙開始變透明——質子和電子復合生成中性氫原子。由于電子被束縛在原子里，光子得以在宇宙中自由穿行。在那之后又過了138億年，光子隨著宇宙膨脹移動到波長更長的微波波段。
這個轉變過程不僅標志著宇宙微波背景輻射的產生，還是所謂“黑暗時代”的開始。在“黑暗時代”，像恒星和星系這樣的光源還不存在。直到宇宙1-2億年老時，恒星才開始形成。天文學家認為，第一批恒星發出的紫外輻射，可能還有X射線雙星發出的X射線，電離了宇宙。在宇宙10億年老時，再電離過程才結束。
現代宇宙學需要解答的一個重要問題就是：究竟是什么天體電離了宇宙。通過回望宇宙5億年老時的模樣，各種“哈勃”深場觀測對生活在宇宙再電離時期的星系進行了探索。
“哈勃”極深場（簡稱XDF）看到了最遙遠的星系。那時，第一批恒星正在開始電離宇宙。（圖片 來源：NASA / ESA / G. ILLINGWORTH, D. MAGEE, AND P. OESCH (UNIVERSITY OF CALIFORNIA, SANTA CRUZ) / R. BOUWENS (LEIDEN UNIVERSITY) / THE HUDF09 TEAM）
借助一些合理假設（比如在年輕星系發出的光子中能夠電離氫原子的光子所占的比例、當時星系際介質的結團情況等等），這些研究指出，正在形成恒星的星系若想完全電離宇宙，必然存在著許多暗弱的星系。這些星系的光如此微弱，連“哈勃”都無法探測到。這是一個值得研究的限定條件，因為即將登場的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（簡稱JWST）可以看到這些暗弱的天體——如果它們真的存在的話。
系外行星的大氣
從1991年開始的一系列地面觀測和“開普勒”的觀測共發現了近2千顆圍繞其它恒星公轉的系外行星。雖然一些天文學家仍在繼續尋找新的系外行星，另一些人已經把注意力轉移到已發現的系外行星身上，開始研究它們的大氣了。科學家希望這些研究最終能夠找到重要的生物特征——植物、進行光合作用的細菌或其它生物過程產生的生命跡象。這些特征包括氧分子、臭氧分子、葉綠素，還有處于非平衡態的類地行星的大氣條件。
“哈勃”和對紅外輻射敏感的斯必澤太空望遠鏡在觀測掩食行星（其軌道面的側面正對著我們的視線方向）時，已經在幾個“熾熱木星”和“熾熱海王星”的大氣中發現了幾種原子和分子。這些巨行星的公轉軌道與母星挨得非常近，因此擁有溫暖、延展的大氣。
根據“哈勃”的觀測，天文學家推測出系外行星HD 209458b的大氣結構：中低層大氣被一個漫延到太空的延展氫氣層包裹著。（圖片來源：ASTRONOMY: ROEN KELLY, AFTER NASA / ESA A. FEILD (STScI)）
在一次所謂的“主食”中，行星從母星前方飛過，一小部分星光必須穿過行星大氣。對星光進行光譜分析能夠揭示行星大氣中是否存在某種元素。“哈勃”正是用這種方法在編號為HD 209458b的系外行星的大氣中發現了鈉。在另一組觀測中，“哈勃”又在它的大氣中發現了氫、碳、氧和水蒸氣。此外，“哈勃”也在編號HD 189733b的系外行星的大氣中看到了水蒸氣。
在次食期間（行星運動到母星身后），斯必澤探測到幾個系外行星的大氣中有水蒸氣。借助這種技術，科學家把母星的光譜（當行星位于母星后方時）從母星和行星的混合光譜（當行星位于母星前方時）中扣除，由此獲得穿過行星大氣的那部分星光的光譜。
“哈勃”和斯必澤已經在幾個系外行星——包括Kelpler-7b, GJ 436b和GJ1214b的大氣中發現了云團。天文學家期望使用JWST（預計2018年發射）研究個頭更小的系外行星的大氣。
上面這張藝術想象圖展示了在母星發出的強烈輻射中，系外行星HD 209458b的大氣揮發的場景。這顆“熾熱木星”每3.5天繞母星（質量比太陽高15%）公轉一周。（圖片來源：ESA / ALFRED VIDAL-MADJAR (INSTITUT D’ASTROPHYSIQUE DE PARIS, CNRS, FRANCE) / NASA）
長達25年的黃金時代
通過上述這些、還有更多的發現，“哈勃”告訴或說完全改變了我們對宇宙及可能存在的地外生命的觀念。“哈勃”一方面向我們展示出，同廣袤無垠的宇宙相比，我們是多么渺小，我們的生命又是多么短暫。在另一方面，它又證明了我們實際上可以理解我們看到的、哪怕是出現在宇宙最遙遠角落里的現象。阿爾伯特·愛因斯坦曾經說過：“世上最不可思議的事，就是世界是可以理解的。。。。這本身就是個奇跡。”毫無疑問，“哈勃”太空望遠鏡在我們理解宇宙的過程中助了我們一臂之力。
