我們現在已經達到了哈勃太空望遠鏡的極限
哈勃太空望遠鏡，在其最後和最後的維修任務中成像。它可以指向的唯一方式是內部旋轉裝置，它允許它改變方向並保持穩定的位置。但它能看到的是它的儀器，鏡子和設計限制。它達到了極限; 要超越它們，我們需要更好的望遠鏡。哈勃太空望遠鏡為人類提供了我們對宇宙最深刻的看法。它比任何其他天文臺都顯示出更微弱，更年輕，更少進化，更遙遠的恆星，星系和星系團。哈勃在推出29年後仍然是我們探索宇宙最遠處的最佳工具。在天體物理學物體發射星光的地方，沒有一個天文臺比哈勃望遠鏡更適合研究它們。
但是，任何天文臺都可以看到，即使哈勃也是如此。它受到鏡子尺寸，儀器質量，溫度和波長範圍以及任何天文觀測所固有的最普遍限制因素的限制：時間。在過去的幾年裡，哈勃已經發布了人類所見過的一些最偉大的影象。但它不可能做得更好; 它已達到絕對限制。這是故事。
哈勃太空望遠鏡（左）是我們天體物理學歷史上最偉大的旗艦天文臺，但比即將到來的詹姆斯韋伯（中心）小得多且不那麼強大。在為2030年代提出的四個旗艦任務中，LUVOIR（右）是迄今為止最雄心勃勃的。透過探測宇宙中較暗的物體，更高的解析度以及更廣泛的波長範圍，我們可以以前所未有的方式提高我們對宇宙的理解。哈勃太空望遠鏡位於太空中，距離大約540公里（336英里），與地面望遠鏡相比具有巨大的優勢：它不必與地球大氣相抗衡。構成地球大氣層的運動粒子提供了一種湍流介質，可以扭曲任何入射光的路徑，同時包含阻止某些波長的光線完全穿過它的分子。
雖然當時的地基望遠鏡可以達到不超過0.5-1.0弧秒的實際解析度，其中1弧秒是1/3600度，哈勃 - 一旦其主鏡的缺陷得到糾正 - 立即將解析度提供到理論值尺寸為0.05弧秒的望遠鏡的衍射極限。幾乎立刻，我們對宇宙的看法比以往任何時候都更加尖銳。
這個遙遠宇宙區域（左上）的合成影象使用來自哈勃的光學（右上）和近紅外（左下）資料，以及來自斯皮策的遠紅外（右下）資料。斯皮策太空望遠鏡幾乎和哈勃望遠鏡一樣大：直徑超過三分之一，但它探測的波長太長，解析度更差。適合主鏡直徑的波長數決定了解析度。銳度或解析度是發現遙遠宇宙中存在的東西的最重要因素之一。但是還有其他三個同樣重要：
你擁有的聚光能力，可以看到最微弱的物體，你的望遠鏡的視野，使你能夠觀察到更多的物體，以及你能夠探測的波長範圍，因為觀察到的光的波長取決於物體與你的距離。哈勃可能在所有這些方面都很出色，但它也擁有所有四個方面的基本限制。
當你用像哈勃太空望遠鏡這樣的儀器觀察天空的區域時，你不僅可以看到來自遠處物體的光線，就像發出光線時的光線一樣，而且當光線受到所有介入材料和它在旅程中經歷的空間擴充套件。儘管到目前為止哈勃望遠遠超過其他任何天文臺，但它有一些根本的限制，以及為什麼它無法走得更遠的原因。任何望遠鏡的解析度取決於可以穿過其主鏡的光的波長數。哈勃望遠鏡的2.4米（7.9英尺）鏡子使其能夠獲得0.05弧度的衍射限制解析度。這是非常好的，只有在過去的幾年裡，地球上最強大的望遠鏡，通常是四倍大，並配備了最先進的自適應光學系統，能夠競爭。
為了提高哈勃的解析度，實際上只有兩種選擇：
使用較短波長的光線，以便更大數量的波長可以適合相同大小的鏡子，或者構建一個更大的望遠鏡，它還可以使更多的波長適合您的鏡子。哈勃望遠鏡的光學系統設計用於觀察紫外線，可見光和近紅外光，其靈敏度範圍從大約100奈米到1.8微米波長。它現有的儀器在2009年的最後維修任務中安裝，它的表現無可挑剔。
這張照片顯示了哈勃望遠鏡服務任務4宇航員在休斯敦中立浮力實驗室的哈勃模型水下練習，在美國宇航局工程師和安全潛水員的監視下。哈勃的最後服務任務於10年前成功完成; 哈勃自那時起就沒有對其裝置或儀器進行升級，現在正在克服其基本限制。聚光能力只是在更長的時間內收集越來越多的光線，哈勃在這方面一直令人興奮。如果沒有可以應對的大氣層或地球的旋轉擔心，哈勃可以簡單地指向天空中的一個有趣位置，應用所需的任何顏色/波長濾波器，並進行觀察。然後可以將這些觀察結果堆疊 - 或加在一起 - 以產生深度，長曝光影象。
使用這種技術，我們可以看到遙遠的宇宙到前所未有的深度和暈眩。哈勃深場是這種技術的第一次演示，揭示了以前知道零空間的數千個星系。目前，極光深場（XDF）是最深的紫外 - 可見 - 紅外複合材料，在一個僅佔全天空的1/32,000,000的區域內顯示約5500個星系。
哈勃極光深場（XDF）可能觀測到天空區域僅佔總天數的1 / 32,000,000，但卻能夠發現其中的5,500個星系：估計實際包含的星系總數的10％鉛筆束式切片。剩下的90％的星系要麼太微弱，要麼太紅或太模糊，以至於哈勃要顯露出來，觀察更長時間並不能完全解決這個問題。哈勃已達到極限。當然，收集XDF中包含的資訊需要23天的總資料。為了揭示XDF中最微弱物體亮度一半的物體，我們必須繼續觀察總共92天：四倍的時間。如果我們這樣做會有一個嚴重的權衡，因為它會將望遠鏡捆綁幾個月，並且只能教會我們更多關於遠處宇宙的資訊。
相反，學習更多關於遙遠宇宙的另一種策略是調查天空中有針對性的寬視野區域。單個星系和更大的結構，如星系團，可以透過深度但大面積的視角進行探測，揭示出最大距離處存在的物質的巨大細節。我們可以繼續深入，而不是使用我們的觀察時間更深入，而是投入更廣泛的網路。
這也帶來了巨大的成本。該有史以來哈勃組裝最深，最廣的宇宙的看法 接過望遠鏡時間250天，並從近7500個體暴露縫合在一起。雖然這個新的哈勃遺產場非常適合於河外天文學，但它仍然只能顯示出比滿月覆蓋的天空更小的265,000個星系。
哈勃望遠鏡設計得很深，但不是很寬。它的視野非常狹窄，這使得對遙遠宇宙的更大，更全面的調查幾乎令人望而卻步。哈勃在解析度，測量深度和視野方面對我們的影響真的很大，但哈勃在這些方面確實達到了極限。
在左邊的大圖中，稱為MACS J1149 2223的大型星團中的許多星系佔據了整個場景。巨型星團的引力透鏡使來自新發現的星系（稱為MACS 1149-JD）的光亮了約15倍。在右上角，部分放大顯示更詳細的MACS 1149-JD，右下方顯示更深的縮放。這是正確的，與廣義相對論一致，與我們如何視覺化（或是否視覺化）空間無關。最後，還有波長限制。恆星發出各種各樣的光，從紫外線到光學，再到紅外線。這就是哈勃設計的目的並不是巧合：尋找與我們知道恆星發出的相同種類和波長的光。
但這也是根本上的限制。你看，隨著光線穿過宇宙，空間結構本身正在擴充套件。這導致光線，即使它以本質上短的波長髮射，也可以透過空間的擴充套件來拉伸其波長。當它到達我們的眼睛時，它被一個特定的因素紅移，這個因素是由宇宙的膨脹率和物體與我們的距離決定的。
哈勃望遠鏡的波長範圍為我們可以看到的距離設定了一個基本限制：到宇宙大約4億年前，但不是更早。
在已知的宇宙中發現的最遙遠的星系，GN-z11，從134億年前就有了它的光芒：當宇宙只有當前年齡的3％時：4.07億年。但是那裡還有更多遙遠的星系，我們都希望詹姆斯韋伯太空望遠鏡能夠發現它們。哈勃所發現的最遙遠的星系，GN-z11，正好在這個極限。在其中一個深場影象中發現，它具有可想而知的一切。
在哈勃能夠測量的所有不同波長範圍內觀察到，只有其紫外發射的光出現在哈勃可以測量的最長波長紅外濾波器中。它被一個附近的星系引力吸引，放大它的亮度，使其高於哈勃望遠鏡自然限制的暈眩閾值。它恰好位於沿著視線的位置，在早期經歷了高（並且在統計上不太可能）的恆星形成水平，為發射的光線提供了一條清晰的路徑，而不被阻擋。沒有發現任何其他星系，甚至在與該物體相同的距離處也得到證實。
只是因為這個遙遠的星系GN-z11位於星系間媒介主要被去離子化的區域，哈勃望遠鏡才能將它展示給我們。為了進一步瞭解，我們需要一個比哈勃望遠鏡更最佳化的這種探測器的觀測臺。哈勃可能已達到極限，但未來的天文臺將使我們遠遠超出哈勃的極限。詹姆斯韋伯太空望遠鏡不僅更大 - 主鏡直徑為6.5米（與哈勃2.4米相對） - 但在更低的溫度下工作，使其能夠觀察更長的波長。
在這些更長的波長，高達30微米（與哈勃的1.8相反），詹姆斯韋伯將能夠透過阻擋哈勃望遠鏡觀察大部分宇宙的阻擋灰塵。此外，它將能夠看到具有更大紅移和更早回溯時間的物體：在僅僅2億年前看到宇宙。雖然哈勃望遠鏡可能會揭示一些極早期的星系，但詹姆斯韋伯可能會在他們第一次形成的過程中揭示它們。
哈勃的觀察區域（左上角）與WFIRST能夠在相同深度，相同時間內觀察的區域相比較。WFIRST的廣闊視野將使我們能夠捕獲比以往更多的遙遠超新星，並使我們能夠對宇宙尺度上從未探測過的星系進行深入，廣泛的調查。無論發現什麼，它都將帶來科學革命，併為暗能量在宇宙時間的演變提供最佳約束。其他天文臺將把我們帶到其他領域，其中哈勃只是在表面上。美國宇航局提出的2020年旗艦產品WFIRST將與哈勃望遠鏡相似，但其視野將達到50倍，是大型調查的理想選擇。像LSST這樣的望遠鏡將覆蓋幾乎整個天空，其解析度可與哈勃望遠鏡相媲美，儘管觀測時間較短。未來的地面觀測站如GMT或ELT將迎來30米級望遠鏡的時代，在實際解析度方面可能最終超越哈勃望遠鏡。
在哈勃能力的極限，它仍然將我們的觀點擴充套件到遙遠的宇宙，並提供資料，使天文學家能夠推動已知的邊界。但要真正走得更遠，我們需要更好的工具。如果我們真正重視宇宙的秘密，包括它的構成，它是如何形成今天的，以及它的命運是什麼，那麼下一代天文臺就無法替代。