（温馨提示：本文9233个字，阅读完需要约25分钟）【作者建议：如果您没时间看完所有文字，可以先快速看完每张图。】从1995年开始被陆续执行的哈勃深场、哈勃南深场、哈勃超级深场，以前所未有的深度为人类打开了认识星系演化与早期宇宙性质的窗口。其次，他们要对比不同区域的宇宙的差异。的确，宇宙在整体上是均匀的，但这是针对那些“空”的区域。除“空”区域外，宇宙中还有结团区域，里面包含的星系比“空”区域里的星系多得多。比较这两类区域，可以了解星系团之类的“宇宙结构”如何形成。
图：宇宙结构的艺术想象图。根据理论模型，宇宙中的暗物质会促使星系与星系团聚集，从而形成网状结构，网状结构由节点与空白区构成。如何观测出这些网状结构并确定它的形成原理，是天文学家、物理学家与宇宙学家的一大目标。Credit: Volker Springel (Max Planck Institute for Astrophysics) et al.https://esahubble.org/images/heic2003b/ 此外，根据所谓的“冷暗物质”模型，宇宙中存在大量暗物质，它们广泛分布于星系与星系团之中。通过引力透镜现象，天文学家可以计算出星系与星系团内的暗物质分布情况。为了实现上述的目标，天文学家们执行了多个深场观测项目，其中一些是哈勃参与其中的深场项目。这些深场项目的观测深度虽然没有达到哈勃超级深场那么深，但它们的观测视野都比哈勃超级深场的视野宽广得多。凝视更广的宇宙：大型天文台宇宙起源深度巡天 (GOODS)2002年，在ACS被装上哈勃之后，哈勃参与了多个望远镜联合的“大型天文台宇宙起源深度巡天 (The Great Observatories Origins Deep Survey, GOODS) ”项目。这个项目的目的是结合多个波段的数据，探究星系形成与演化的规律。参与这个项目的望远镜有：哈勃、甚大望远镜 (VLT) 、基特峰4米望远镜、斯皮泽空间望远镜、赫歇尔空间望远镜、钱德拉X射线天文台、XMM-牛顿望远镜、2.2米宽场成像望远镜、新技术望远镜。其中有些望远镜在此前就已经有数据，处理后直接接入项目。GOODS分别观测南、北天空两块区域，其中北天区域以1995年的哈勃深场的观测区域为中心，南天区域以钱德拉X射线深场的观测区域为中心。两个天区视角的长与宽都分别为16角分与10角分，观测面积都是都是哈勃深场的28倍。 图：图中黄线包围区域为GOODS-南的观测区域。其中，红线包围区域为哈勃超级深场 (HUDF) 观测的区域，蓝绿色线包围的更小的区域为哈勃极端深场 (XDF) 采样区域，白色线包围的更大的区域为哈勃遗珍场 (Hubble Legacy Field) 数据汇集项目覆盖的区域。
Credit: NASA, ESA, G. Illingworth and D. Magee (University of California, Santa Cruz), K. Whitaker (University of Connecticut), R. Bouwens (Leiden University), P. Oesch (University of Geneva), and the Hubble Legacy Field team
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Hubble_Legacy_Field#/media/File%3AHubble_Legacy_Field_Compass_Image.png 在GOODS项目中，哈勃的ACS承担了哈勃的成像任务。哈勃在执行任务期间共环绕地球398圈，分摊到两个天区，每个天区分别被观测199圈。通过GOODS项目，哈勃确定了6万多个星系的“测光红移”，从而得到它们的距离与年龄。哈勃在GOODS的视场拍摄的图像中，还显示出众多极其遥远的“矮星系”，其中有一些是星暴星系。它们发出的光是在宇宙大爆炸之后20亿到60亿年后发出的，这个时期是宇宙中形成恒星的重要时期。研究这些矮星系，可以揭示出星系形成恒星的规律。
图：哈勃的ACS在GOODS项目中拍摄的一小片区域的可见光与近红外图像的合成图。这片区域位于天炉座，以钱德拉X射线深场观测的区域为中心。图中红色圆圈标出的是一些矮星系。图中区域的长与宽分别为2.09角分与1.65角分，面积为3.45平方角分，比哈勃深场图小一些。Credit: Image credit: NASA, ESA, the GOODS Team and M. Giavalisco (STScI/University of Massachusetts)https://esahubble.org/images/heic1412b/
图：天文学家在GOODS-北拍出的区域中发现的一个致密的星系的核心。这个星系被命名为“GOODS-N-774”，它位于图中小方框的区域内，被放大到大方框之中。这个星系发出的光在宇宙中传播了110亿年才到达地球。Credit: NASA, ESA, and E. Nelson (Yale University, USA)https://esahubble.org/images/heic1418b/ 2004年到2005年，哈勃执行了拓展Groth 狭带 (The Extended Groth Strip, EGS) 深场项目。哈勃执行的EGS项目自身是一个更大的项目的一部分，这个项目名为“全波段EGS国际巡天” (the All-Wavelength Extended Groth Strip International Survey) 。EGS项目观测的区域也在北斗七星附近，处于牧夫座与大熊座之间。它的观测面积为70.5角分（1.1度）乘10.1角分（0.15度），即712平方角分，约等于满月所占据的天区的面积，是哈勃深场观测区域的大约120倍，是ACS执行的哈勃超级深场的视场面积的大约60倍。
图：EGS项目观测的区域位于北斗七星勺子尾巴附近的狭长的小长方形区域内。Credit: NASA, ESA, M. Davis (University of California, Berkeley), S. Faber (University of California, Santa Cruz), and A. Koekemoer (STScI)https://esahubble.org/images/opo0706a/ 奇怪的知识：“拓展Groth狭带”中的Groth为普林斯顿大学物理学家Edward Groth，他曾经是哈勃上面的宽场与行星照相机 (WFPC) 的首席科学家。WFPC是一个性能优越的巨大的照相机，它有钢琴那么大，是哈勃上面的旗舰级设备。但因为哈勃主镜面的错误，使它的性能受到很大影响。1993年，NASA的宇航员首次维修哈勃，用第二代WFPC (WFPC2) 替代了WFPC。WFPC2内部设置了矫正系统，用以抵消主镜面的错误，这就像隐形眼镜矫正了近视眼。另外一个仪器 (COSTAR) 用来矫正哈勃上面的其他三个仪器的近视眼，它就像一副巨大的普通眼镜。高速测光器被取出，为COSTAR腾位置。经过这次维修，哈勃上面的观测仪器少了一个，但剩下的仪器的性能都达到了此前设计的性能。
图：EGS项目观测的一半区域与月亮所占的区域的一部分的对比。图中右下方标尺给出了5角分的宽度。Credit: HST Credit: NASA, ESA, and M. Davis (University of California, Berkeley)Moon Image Credit: T.A.Rector, I.P.Dell'Antonio/NOAO/AURA/NSFhttps://esahubble.org/images/opo0706g/ 从2004年6月到2005年3月，哈勃的ACS扫描观测了拍摄了大约63块区域500多次。研究人员将同一天区的图像叠加后，再将不同天区的图像拼接，最终得到了这个和满月差不多大、但比满月狭长的天区的图像，它的像素高达2.5亿。在这片区域内，EGS图拍出了大约5万个星系。EGS项目的完整图太长，为不影响阅读，我们将其放在本文最后面的附录。我们在下面给出这张图的局部区域的图。
图：EGS观测的天区的图像的一部分。图中区域的宽与高分别为9.32角分与 14.99角分，面积约为140平方角分，是EGS观测总面积的大约5分之1。Credit: NASA, ESA, M. Davis (University of California, Berkeley), S. Faber (University of California, Santa Cruz), and A. Koekemoer (STScI)https://esahubble.org/images/opo0706e/ EGS深场图也分布着众多小的光点，它们大多数为非常遥远的星系，带有四角芒的亮点则为银河系内的恒星。这个特征很像哈勃深场图。但EGS深场图中还包含更多近距离星系（见下图中那些较大的星系），而在哈勃深场系列中，天文学家会尽量避免图中包含过多这样的“前景星系”。
图：EGS项目观测的更小的一部分区域的图像，这个区域的宽与高分别为3.78角分与 5.29 角分，对应的面积是20平方角分，约为EGS观测面积的36分之1，但依旧是哈勃深场区域的3倍多。Credit: NASA, ESA, and M. Davis (University of California, Berkeley)https://esahubble.org/images/opo0706d/ 与哈勃深场项目一样，EGS图既包含一些宇宙中很年轻时的星系，也包含宇宙年纪更大时的星系，对比这些不同的星系，可以让天文学家对星系演化模式有更透彻的理解。更重要的是，EGS观测的总面积比哈勃深场的观测面积大得多，这有利于天文学家分析不同方向上的结构差异，推断出结构形成的基本机制。从2007年开始，哈勃参与了“宇宙演化巡天” (the Cosmic Evolution Survey) 项目，这个项目的英文缩写为COSMOS，也是“宇宙”的意思。COSMOS是一个多望远镜联合观测项目，除了哈勃之外，还有VLA阵列负责射电观测、XMM-牛顿空间望远镜负责X射线观测、昴星团望远镜也提供可见光与近红外观测。甚大望远镜 (VLT) 、昴星团望远镜、加拿大-法国-夏威夷望远镜 (CFHT) 与麦哲伦望远镜则被用来确定这个项目探测到的那些星系。COSMOS项目致力于研究星系演化、恒星形成、活动星系核与暗物质。COSMOS观测的天区位于六分仪座，视场面积达到约2平方度，即7200角分，大约是满月面积的10倍、 “哈勃深场”项目观测面积的1200倍。这是哈勃执行过的观测面积最大的深场巡天项目。
图：COSMOS观测天区（右侧）与GEMS, GOODS-南、哈勃超级深场 (HUDF) 观测的天区、满月占据的天区的比较。GEMS是“从形态与谱能分布得到的星系演化” (Galaxy Evolution from Morphology and Spectral Energy Distributions) 的英文缩写，其观测面积为900平方角分，观测深度极限为24等，因此不算一个真正的深场项目，深场项目最浅的也达到大约28等。Credit: NASA, ESA and Z. Levay (STScI)https://esahubble.org/images/heic0701f/ 哈勃使用ACS来参与COSMOS的观测。下图为ACS观测575个天区后拼接出的COSMOS观测的天区的图像，这张图包含的数据共消耗了哈勃大约1000小时的观测时间。
图：哈勃的ACS经过几百次观测后拼接处的COSMOS观测天区图的I波段近红外图像。图中区域的边长为84.07角分，面积为7068平方角分，是哈勃深场区域的1221倍。Credit: NASA, ESA and A. Koekemoer (STScI)https://esahubble.org/images/heic0701g/ 对2平方度的天区的观测可以让天文学家对宇宙大范围的结构有更可靠的理解。根据这个项目，天文学家确定了宇宙结构随着时间的变化，还确定出暗物质分布的基本情况。
第三代宽场照相机 (WFC3) 于2009年被安装到哈勃上面之后，天文学家们开始了另一个气势恢宏的项目：宇宙近红外深度系外集体遗珍巡天 (The Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey) ，英文缩写为CANDELS, CANDEL的英文原意之一是“烛台”。这个项目挑选那些红移从1.5到8的星系，它们发出的光传播了大约100亿年到130亿年，才到达地球。当然，这个项目也可以研究更近的星系。CANDELS项目共观测800平方角分的天区，其观测模式被分为“宽”与“深”两大类模式。“宽”观看更大的天区，共观测4个天区，其中一个是哈勃超级深场观测区域，每个图像的拍摄需要消耗哈勃的2圈时间。“深”模式观测的是GOODS南和GOODS北观测的区域，每个图像消耗使用10圈时间，因此可以看到更暗的星系。下图中紫色方框表示CANDELS项目“深”模式观测区域。这两个区域都位于GOODS观测区域内，但比后者小一些。
图：CANDELS项目“深”模式观测区域的南北观测区域。图中，粉红色区域是哈勃超级深场紫外覆盖 (UVUDF) 项目观测的天区（见上一章）。后来执行的哈勃紫外遗珍巡天的观测区域则位于图中紫色方框区域。Credit: Oesch, P. A., et al. 2018, ApJS, 237, 12https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4365/aacb30 CANDELS是哈勃执行的最大规模的深场项目。它从2010年开始，到2013年结束，累计使用了哈勃的902圈的观测时间，折合1450小时，即 60个日夜。它以哈勃的WFC3 为主力，观测众多星系的紫外、可见光与红外辐射，也使用ACS观测这些星系的可见光辐射，共覆盖9个波段。
图：CANDELS项目中由哈勃的ACS与WFC3拍摄的北天的一片区域的深场图的可见光与近红外线合成图像。这片区域位于大熊座，以此前的哈勃深场观测的区域为中心。图中视场的长与宽分别为9.80与 7.52角分，面积为73.7平方角分，是1995年的哈勃深场观测面积的13倍。Credit: NASA, ESA, G. Illingworth (University of California, Santa Cruz), P. Oesch (University of California, Santa Cruz; Yale University), R. Bouwens and I. Labbé (Leiden University), and the Science Teamhttps://esahubble.org/images/opo1405b/
图：2013年被公布的CANDELS超级深场巡天 (CANDELS Ultra Deep Survey) 的图像。此图由WFC3的可见光与近红外数据合成而来。图中区域的长与宽分别为5角分与4角分。Credit:NASA, ESA, A. Riess (STScI and JHU), D. Jones and S. Rodney (JHU), S. Faber (University of California, Santa Cruz), H. Ferguson (STScI), and the CANDELS team.https://esahubble.org/images/heic1306c/ 探秘“不那么远”的星系：哈勃深紫外遗珍巡天 (HDUV)为了探测那些红移为1到3、对应宇宙年龄为60到20亿年之间的星系，CANDELS小组中由耶鲁大学天文学家领衔的团队执行了“哈勃深紫外遗珍巡天 (Hubble Deep UV Legacy Survey, HDUV) ”项目。执行这个任务的是哈勃的WFC3。HDUV观测的区域位于GOODS的南北两片区域之内，如上面的天图中紫色方块区域所示。这两片区域的面积分别为43.4平方角分与56.5平方角分。HDUV对北部天区的观测采用持续观测模式。这个项目共使用哈勃132圈的观测时间，极限星等约为28等，与最早的哈勃深场的深度差不多。CANDELS小组将获得的紫外数据与GOODS项目、CANDELS在此前获得的这两片天区内的可见光与近红外观测数据结合，得到了“哈勃深紫外遗珍巡天”图像，并于2018年公布了北部区域的图像。图像中的区域以1995年的哈勃深场区域为中心，但面积为哈勃深场区域拍摄面积的8倍。
图：CANDELS项目贡献的哈勃深紫外遗珍巡天 (Hubble Deep UV Legacy Survey) 图像。图中结合了ACS与WFC3的可见光、红外线与紫外线的数据。Credit: ESA/Hubble & NASAhttps://esahubble.org/images/potw1834a/ 作为哈勃执行的最长时间的深度观测项目，CANDELS全面更新了人类对星系演化的认识。它不仅发现了一批古老的矮星系，还得到了不同时期星系形态的差异，并确认了至今为止最古老的星系。研究这些处于不同红移处的星系，可以让人们了解不同阶段的宇宙中的星系的数目、分布、大小、亮度、并合、增长等重要特征，进而了解星系随着时间的演化规律。CANDELS的这些成就显著深化了人类对星系演化的理解。矮星系的质量比普通星系低得多，总亮度也远低于普通星系。它们广泛存在于宇宙中，我们银河系附近就有大量矮星系，它们围绕着银河系旋转，是银河系的“卫星星系”。其中，最著名的自然是“大麦哲伦云” (LMC) 星系与“大麦哲伦云” (SMC) 星系。人们对于比较近的矮星系比较了解，但对非常远的、古老的矮星系却一直认识不多。2011年，CANDELS团队公布了一项新的研究成果，他们在CANDELS项目得到的近红外与可见光图像中发现了69个红移大约为1.7的矮星系，这些星系同时是“星暴星系”，它们正在快速形成恒星。下图为其中的18个矮星系所在的某个CANDELS图像以及这些星系在这个图像中的位置。这些星系发出的光经过大约100亿年才到达地球。
图：CANDELS团队在得到的图像中发现的矮星系中的18个。此图由WFC3的紫外、可见光、红外观测数据合成而来。Credit: NASA, ESA, A. van der Wel (Max Planck Institute for Astronomy), H. Ferguson and A. Koekemoer (Space Telescope Science Institute), and the CANDELS teamhttps://esahubble.org/images/heic1117a/ 2013年，CANDELS小组公布了三张对比图，这些图分别给出了现在、40亿年前与110亿年前的星系的模样。其中，后两者的星系的图像都是CANDELS项目得到的。下图为三个时期的星系图的组合图。
图：现在、40亿年前与110亿年前的星系的模样的对比图。Credit: NASA, ESA, M. Kornmesser; the CANDELS team (H. Ferguson)https://esahubble.org/images/heic1315e/ 以下分别是三个时期的星系的图。必须说明的是，所谓的“现在”是过去一亿年左右的星系，近似为现在。
图：CANDELS项目得到的110亿年前的星系的图像。Credit: NASA, ESA, M. Kornmesserhttps://esahubble.org/images/heic1315d/
图：CANDELS项目得到的40亿年前的星系的图像。Credit: NASA, ESA, M. Kornmesserhttps://esahubble.org/images/heic1315c/
Credit: NASA, ESA, M. Kornmesserhttps://esahubble.org/images/heic1315b/2016年，耶鲁大学的天文学家领衔的团队宣布，他们联合分析了哈勃拍摄的CANDELS的图像与斯皮泽望远镜拍摄的“GOODS北”的图像之后，发现了一个非常远的星系，他们用WFC3确定出这个星系的红移大约为11，这是至今为止为探测到的距离地球最远的星系，它所在的宇宙的年龄约为4亿年，距今已经134亿年。这个星系被命名为GNz-11，z代表红移，11代表红移的值。2020年，北京大学的天文学家领衔的小组利用Keck望远镜得到的光谱重新测量了这个星系的红移，得到的值略低于此前的值，但还是接近11。
图：CANDELS项目在GOODS 北区域获得的图像以及在其中被发现的最古老、最远星系GNz-11的放大图（小图）。这是由哈勃的ACS与WFC3得到的可见光与近红外线数据合成的图。这个星系中已经有众多年轻而明亮的蓝白色恒星，它们发出的紫外线与可见光已经被红移为红外线。Credit: NASA, ESA, and P. Oesch (Yale University) https://esahubble.org/images/heic1604a/ 根据耶鲁大学的天文学家领衔的小组的研究，这个星系的质量达到了我们的银河系质量的大约1%，而它诞生时宇宙的年龄才4亿年，这意味着它在很短的时间内就让自己的质量达到了很大的值，这个事实对传统的星系成长模型是一个挑战。2012年，STScI当时的所长马特·芒汀 (Matt Mountain) 提出一个计划：让哈勃对准一些质量巨大的星系团，持续观测，以利用引力透镜现象同时达到两个目标：观测更远的宇宙中极度暗淡的星系，确定星系团内物质分布的规律。
这个项目被称为“哈勃边疆场” (Hubble Frontier Field, HFF) ，观测的极限星等为29等。斯皮泽望远镜也贡献出1000小时以上的“所长指定时间”，极限星等被设定为26.5等与26等。项目组仔细筛选出6个星系团：Abell 2744, MACS J0416.1-2403, MACS J0717.5+3745, MACS J1149.5+2223, Abell S1063, Abell 370，它们的红移在0.308到0.548之间，对应的距离在40.27到67.39亿光年之间。这些星系团附近都很“空”，项目组从附近找出6个对应的最合适的天区，作为“平行天区”。
图：Abell370（右）与其平行天区（左）在数字巡天 (DSS) 图像中的位置。蓝色方框表示可见光观测区域，红色表示红外观测区域。https://frontierfields.org/ 尽管哈勃边疆场的观测视场并不大，但通过这种巧妙的双区观测对比模式，人们还是可以比较星系团聚集区域之间的差异，从而促进自己对宇宙结构差异与宇宙结构形成的理解。从2013年10月到2016年9月，哈勃边疆场使用哈勃的ACS与WFC3观测了它们与它们的“平行天区”，使用了哈勃840圈的“所长指定时间”。2013年11月，6对目标天区中的3对目标的第一阶段观测就已完成，2014年初NASA释放了第一批图。此后，对哈勃边疆场的其他目标的观测被陆续公布。我们在上一章已经先给出了这6个“空”的“平行天区”的深场图像。它们也不是那么空，只是在一般望远镜看起来显得很空而已，但它们的图像依然比星系团聚集的区域的图像空得多。这里，我们给出哈勃边疆场看到的6个星系团区域的图像。这6个星系团中，Abell 2744是第一个被公布图像的。Abell 2744又被称为“潘多拉星系团”，位于玉夫座，红移为0.308，距离地球40.27亿光年。图中有四个星系团正在相互靠近，它们包含有几百个星系。这些星系团与里面的星系都成为引力透镜，将更遥远的宇宙中的3000多个星系发出的光增强，使它们的亮度提高几倍到几十倍。
图：哈勃边疆场项目得到的Abell 2744，由ACS与WFC3的可见光与近红外数据合成而来。图中较大的星系要么是比Abell 2744更近的星系，要么是Abell 2744里面的星系；那些非常小的亮点就是比Abell 2744远得多的星系，如果不是引力透镜效应提高了这些遥远星系的亮度，哈勃无法看到它们。图中一些明亮的带有四角尖芒的是银河系内的恒星，其余都是星系团内的星系与更远宇宙中的星系的像。Credit: NASA, ESA, and J. Lotz, M. Mountain, A. Koekemoer, and the HFF Team (STScI). https://esahubble.org/images/heic1401a/ MACS J1149.5+2223因为天文学家于其中发现多个重要突破而闻名。它位于狮子座，红移为0.544（或0.543），距离是66.96亿光年。2012年，天文学家在它的图像中发现了一个红移高达9.6的星系，它的亮度被这个星系团的引力放大了15倍。2014年，天文学家在这个星系团的图像中发现了第一个引力透镜超新星。后来，同一小组在图中发现了一颗亮度被引力透镜效应放大2000多倍的恒星的图像。
图：由哈勃的ACS与WFC3拍摄的MACS J1149.5+2223的可见光与近红外线数据合成的图像。图中区域的边长为1.5角分。Credit: J. M. Lotz et al. 2017, The Astrophysical Journal, 837, 97https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/837/1/97 MACSJ0717.5+3745位于御夫座方向，红移为0.548（或0.545），与地球的距离约为67.39亿光年。在哈勃拍摄图像中，里面的众多星系星星点点分布，就像人们在空中俯视从地上发射上来的两朵烟花。
图：哈勃的ACS与WFC3得到的可见光与近红外数据合成得到的MACSJ0717.5+3745的图像。图中区域的长与宽分别为2.44角分与2.11角分。Credit: NASA, ESA and the HST Frontier Fields team (STScI)https://esahubble.org/images/heic1523b/ 奇怪的知识：玉夫座与御夫座。这是两个不同的星座，前者是“雕刻师”，后者是“马车夫”。Abell 2744位于玉夫座，MACSJ0717.5+3745位于御夫座。
MACS J0416.1-2403位于波江座方向，红移为0.396，与地球的距离约为50.64亿光年。在哈勃拍摄图像中，它中心位置的一串星系与银河系内一颗恒星构成了一个巨大的感叹号。
图：哈勃的ACS得到的可见光与近红外数据合成的星系团MACS J0416.1-2403的图像。图中区域的长与宽分别为3.38角分与3.24角分。Credit: ESA/Hubble, NASA, HST Frontier Fieldshttps://esahubble.org/images/heic1416a/ Abell S1063位于天鹤座，红移为0.348，与地球的距离约为45.04亿光年。这个星系团的显著的引力透镜效应使众多遥远星系的图像成为光弧。图中带有四角芒的亮点为银河系内恒星。
图：哈勃的ACS与WFC3拍摄的星系团Abell S1063的可见光与近红外图像的合成图。图中区域的宽与长分别为2.07角分与2.32角分。Credit: NASA, ESA, and J. Lotz (STScI)https://esahubble.org/images/heic1615a/ Abell 370位于鲸鱼座，红移为0.375，距离地球48.21亿光年。早在1988年，天文学家就在其中发现了一条被拉长的星系的图像，经过分析，他们确认这是一个遥远的星系发出的光经过Abell 370的时候被它的引力透镜效应所变形，这个星系因此成为第一个被直接确认的引力透镜化的星系。Abell 370与其平行天区于2015年7月开始被观测，断断续续持续到2016年9月，是哈勃边疆场拍摄的6对天区中最后一对被执行观测的。2017年，哈勃边疆场团队公布了Abell 370的图像。在哈勃边疆场获得的图像中，那个著名的被引力透镜化的星系仿佛一条龙。
图：哈勃边疆场的收官之作：Abell 370。图中带有四角芒的是银河系内恒星，较大光斑为星系团内与更近的星系，小的光点为遥远宇宙中的星系。其中，最亮的星系是椭圆星系。强烈的引力透镜效应不仅放大了远处星系的亮度，还使远处星系的像被折射成一条条弧线与条纹。图中的一些明亮星系像一串珍珠项链上的珍珠一样分布，异常漂亮；图中还出现大量圆弧。图中区域的边长分别为2.08角分与2.32角分。Credit: NASA, ESA/Hubble, HST Frontier Fieldshttps://esahubble.org/images/opo1733b/ 根据当前流行的宇宙学理论，宇宙中分布着众多暗物质，它们的含量是普通物质的5倍左右。暗物质的微观本质至今未被确定，人们只知道暗物质不参与电磁相互作用与弱相互作用，只参与引力相互作用。尽管暗物质的微观本质尚不明确，但它们的宏观表现却是明显的：它们的巨大引力会导致星系形成、维持，并导致星系之间更快结为星系团，构成宇宙结构。
图：从极大尺度上看，宇宙是的任何一个截面都像一张网，整体上像一个海绵。星系团和星系就像海绵物质，星系团之间与星系之间的空间，就像海绵中空的部分。这就是宇宙的结构。星系团之间存在的众多暗物质促进这个结构形成。哈勃执行或参与的一些观测项目要同时观测到宇宙海绵与海绵之间的空间，天文学家从中探索差异性以及这种结构形成的具体细节。Credit: NASA, ESA, and E. Hallman (University of Colorado, Boulder)https://esahubble.org/images/opo0820b/ 哈勃执行的多个观测较大天区或同时观测不同天区的项目，因此在足够远处的宇宙，哈勃观测到足够大的真实面积，使天文学家能够比较宇宙不同方向的结构的差异，发现不同区域的星系的分布并不均匀，从而证实了宇宙结构演化的理论。奇怪的知识：星系不均匀分布意味着什么？宇宙结构形成理论认为：星系在彼此引力的作用下，逐渐靠拢，形成星系团，星系团与星系团之间的星系分布比较稀疏而孤独。这使得宇宙中星系的分布在局部上出现不均匀性。观测到不均匀分布的现象，就证实了这个理论的正确性。对不同区域的结构差异的细节的研究，更让天文学家对宇宙结构形成的细节有了更深刻的理解。
这些宽区域的深场项目还对天文学家理解暗物质的分布作出了重要贡献。根据理论，星系团与星系团之间连成网状结果，星系团自身处于“网”的结点处。根据冷暗物质模型，暗物质对这样的结构的形成有重要的促进作用，暗物质越多的区域，星系结团现象越显著。对宇宙结构的研究，自然促进了天文学家对暗物质分布的了解。
图：由哈勃参与的COSMOS的观测得到的暗物质分布图。上面的三张图分别对应着35亿年前、50亿年前与65亿年前的宇宙。对不同距离处的宇宙的观测，角面积是一样的，因此越久远的地方对应的观测面积越大。VLT等地面望远镜负责测量哈勃发现的众多星系的红移（年龄、距离）。图的下方部分为根据COSMOS项目的结果，得到的针对不同时期的宇宙的暗物质三维分布情况。Credit: NASA, ESA and R. Massey (California Institute of Technology)https://esahubble.org/images/heic0701a/ COSMOS得到的观测表明，越接近现在的宇宙，结团的情况越显著。这就证明了结构演化的理论。此外，相比星系团内的普通物质，其中的暗物质的引力会使星系团产生更显著的引力透镜效应。对一些包含有星系团的天区的观测，使天文学家可以根据引力透镜理论计算出这些其中的所有物质的分布情况。根据星系团的亮度等信息，可计算出其中的普通物质的分布情况。将所有物质的分布扣除普通物质的分布，就可以得到暗物质的分布。奇怪的知识：也有一些理论认为暗物质并不存在，为了能够解释观测的结果，这些理论修正了引力模型。不过，当前相信暗物质存在的人数依然占多数。
下图为哈勃的COSMOS观测的天区内某个距离处的普通物质与暗物质的分布的比较图。其中左图为根据哈勃的观测直接得到的普通物质的分布图，右边为根据哈勃的ACS与其他望远镜利用引力透镜效应推断出的暗物质分布图。
图：根据哈勃的ACS与其他望远镜得到的数据绘制/推断出的普通物质（左）与暗物质（右）分布图。Credit: NASA, ESA and R. Massey (California Institute of Technology)https://esahubble.org/images/heic0701c/
附录： EGS项目得到的全图太长。横着放，看不清任何细节；竖着放，太长，放正文中会影响阅读。因此在此处作为附录贴出。
图: EGS观测的天区的图像，对应上图的中间图。图中区域的宽与高分别为9.33 角分与66.62 角分，面积为621平方角分。Credit: NASA, ESA, and M. Davis (University of California, Berkeley)https://esahubble.org/images/opo0706c/
编辑：王茹茹
文章作者王善钦，2018年于南京大学获得天文学博士学位，2016年至2018年访问加州大学伯克利分校天文系。主要研究超新星、千新星等爆发现象，至今为止在ApJ, MNRAS上发表22篇科研论文。业余也研究天文学史与物理学史。
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