在这篇特别报道中，我们特邀顶级天文学家精选哈勃望远镜的最具科学价值的经典之作。虽然这些代表作并不都像网上泛滥的“最佳之作”那样绚丽多彩，但它们在天文学发展中起到了至关重要的作用。我最钟爱的天体是猎户座星云（Orion Nebula）。它距离地球不远，是一团正在积极制造恒星的美丽气体。在我还是个高中生时，当我第一次将那小小的望远镜成功对准猎户座星云的那刻，我特别有成就感！
因为，那时的望远镜还没有自动寻星功能，为了在茫茫天际中找到目标，要一点一点地手动调整。当然，在那个夜晚我看到的那团精致而稀薄的气体是黑白的。哈勃望远镜却能让我们看到一个彩色的宇宙。有了这张猎户星云的彩图，我们似乎就能身临其境般仔细观察它了！正因如此，许多哈勃望远镜的照片都成了传世之作。对我来说，这些照片是科学与艺术的完美融合，雅俗共赏。
我把这张照片打印成了一张4米宽2.5米高的海报，贴在了我办公室的门口！我可以告诉你，这是个让人精神抖擞地开始每天工作的好方法。1994年6月，苏梅克－列维9号彗星（Comet Shoemaker Levy 9）的碎片与木星撞击是天文学家第一次事先成功预测到的天体撞击事件。当时，全世界许多天文望远镜，包括刚维修完的哈勃望远镜，都对准了木星。那次的彗星撞击事件是我第一次进行专业的天文观测。
在斯特朗罗山冰冷的穹顶下我们希望能观测到木星卫星反射出的彗星碎片撞击木星背面时发出的光。可惜未能如愿。但是，哈勃望远镜却看到了出人意料的景象。在木星背面发生的撞击溅出了羽状的喷流，这些喷流冲出木星大气层，所以能短暂地出现在地球的视野中。此外，随着木星的自转，我们还看到了巨大的黑色“伤疤”。这些伤疤都是由彗星碎片撞击造成的，有些伤疤的直径甚至比月亮还大！全世界的天文学家都为之大吃一惊。
这两副图展示了2013年土星北极的极光（主要是紫外线）。虽然两幅图仅间隔18小时，但极光的亮度和外形已经改变了。借此，我们可以进一步研究太阳风对极光的影响。我们用同事通过哈勃望远镜拍摄的这类图像来监控极光，同时，我们利用土星附近的“卡西尼号”飞船（Cassini spacecraft）测量伴随极光出现的射电辐射的强度。我们发现，极光的亮度与射电辐射的强度是正相关的。
因此，即使在没有这类图像的情况下，我们仍可以用卡西尼号持续进行射电观测，来判断极光是否活跃。许多卡西尼号研究组的成员与利用地基望远镜进行观测的天文学家都参与到了这个研究中。这张木星北极的远紫外波段照片展示，哈勃望远镜科学仪器的能力一直在稳步提升。由空间望远镜成像摄谱仪（STIS）拍摄的一系列照片，首次展示了极光的全貌。我们对木星极光的认识也还刚刚起步。
此前，哈勃的第二代广域行星照相机（WFPC2）已经证实木星的极光会随着它转动，并不像地球的极光那样固定在太阳的方向。我们已经知道，兆安培量级的电流自木卫一（Io）沿着磁场流向木星，从而产生极光。但我们当时还不确定其他卫星是否也会导致这样的现象。在STIS拍摄的众多木星紫外波段照片中，我最喜欢这张，因为它清晰地显示了木卫一、木卫二（Europa）和木卫三（Ganymede）的磁场产生的极光。
而且，我们还可从图像中明显地看到木卫一产生的极光的高度。在我看来，这张图是立体的。仔细看看矮行星冥王星的照片吧。它们将哈勃望远镜的能力发挥到极限。但不久之后，这些也会成为明日黄花，无人问津。为什么？因为，“新视野”号飞船（New Horizons spacecraft）即将探访冥王星，它预定在今年7月14日到达最接近冥王星的位置。
目前，随着与冥王星的距离不断缩短，它已经可以拍摄到更清晰的冥王星照片。但是，哈勃从2000年初起拍摄的这系列图像让行星学家对冥王星有了迄今为止最深入的认识。那些斑驳陆离的颜色揭示了冥王星表面化学成分细微的变化。比如，图中心显著的黄色区域就表示有过量的一氧化碳。至于其形成原因，目前仍不清楚。要知道，冥王星的直径只有月亮的2/3，距离则约为地月距离的13000倍！
这样你能理解哈勃拍摄的照片有多了不起了吗？我曾经拽着我的妻子到我办公室，自豪地向她展示用英澳望远镜（Anglo-Australian Telescope）上当时最新最先进的成像仪（8192 x 8192像素）拍的图像。这些图像很大，要用多张A4纸打印。如果把它们拼接在一起，可以制作出一面墙大小的巨幅星系团黑白地图。当她瞄了一眼说：“看起来像霉菌”的时候，我当时就崩溃了。
这只能说明最好的科学并不总是最漂亮的。我选的最伟大的哈勃望远镜拍图像是也是一张“看上去像霉菌”的黑白照片（摄于2012年）。在图片中心隐匿着一个不起眼的小点。而它正是那时发现的最冷的褐矮星（编者注：褐矮星是比行星大比恒星小的天体。质量小于核反应所需临界质量）。它到太阳的距离不到10秒差距（32.6光年），温度却只有350开尔文（77℃），比一杯茶还低！
目前，它仍是我们所探测过的太阳系外最冷的致密天体之一。2004年，我所在的小组在45天内的12个时段，用哈勃望远镜上新装的先进巡天照相机（ACS）观测旋涡星系Messier 106星系盘上的一小块区域。通过这次观测，我们发现了超过200个造父变星。造父变星可用来测量星系距离并且最终测定宇宙膨胀的速度，即哈勃常数。
但这个方法需要对造父变星的光度进行适当的校准，而Messier106星系就是非常适合进行这个工作的地方。因为通过观测围绕星系中心超大质量黑洞运动（上图未包含）的水分子云所发出的射电辐射，我们可以精确地测量出这个星系到地球的距离（2480万光年，误差±3%）。几年后，我参与了另一项研究：用这些观测数据作为基础，建立可靠的宇宙距离体系，并确定了哈勃常数，误差为±3%。
虽然这张图并不有名，但一看到它我仍然心潮澎湃。它是我们第一次捕捉到曾发生诡异爆发的恒星——麒麟座V838（V838 Monocerotis）周围的“光回声”。2002年1月，地表小型望远镜观测到该恒星发生爆发，一个月后发现了光回声现象。恒星爆发产生的光部分直射到地球，部分射向其他方向，经周围灰尘反射后再到达地球。光一前一后到达，就好像回声一样。
2002年3月，宇航员为哈勃望远镜安装了先进巡天照相机（ACS）。同年4月我们拍摄了这张照片，我们是首批用它做科学观测的天文学家。NASA就好像早就知道来自V838的光正从2万光年远的地方向我们飞驰而来，ACS安装好的时间刚刚好。随后的十几年里我们用哈勃望远镜观测到了更多的光回声现象。虽然不乏鼎鼎大名之作，但我仍然记得当我第一次看见光回声的激动之情。星系是由恒星组成的。
有一些恒星会塌缩成黑洞，结束“正常”的生命，然后却又通过吸收伴星物质发出X射线而重获新生。通过哈勃望远镜拍摄的美杜莎星系（红色表示）的图片，我可以进一步研究由黑洞组成的X射线双星与恒星形成间的关系。两个星系的碰撞让美杜莎星系获得了令人惊艳的外表──那一头“秀发”是其中一个星系被另一个星系撕碎后留下的残骸。
图中蓝色部分是X射线波段的图像，由钱德拉X射线天文台（Chandra X-ray Observatory）拍摄。蓝色的点就代表含有黑洞的双星。之前的研究表明，X射线双星的数目与宿主星系的恒星形成率成正比。美杜莎星系的照片证明，即使在星系碰撞时，这一规律仍然成立。
哈勃望远镜所拍摄的图片之所以吸引我是因为其显示了星系间的相互作用和合并，比如触须星系(NGC 4038 and NGC 4039)、双鼠星系(NGC 4676)、车轮星系 (ESO 350-40)，以及许多没有昵称的星系。上图中都是星系演化中常见的剧烈事件的精彩例子。它们向我们详细展示了星系相互作用时发生的变化：星系性状的扭曲、向中心传输气体的通道和恒星的形成。
当我向大众介绍我的研究——星系中心超大质量黑洞的气体吸积时，这张图非常有用。空间望远镜研究所(STScI)的Frank Summers利用这些图片制作了一个视频，非常简洁地阐述了通过对比这些图片和星系碰撞模型我们可以得到什么。我们最好的计算机模拟告诉我们：星系是通过相互碰撞和合并成长的。相似地，我们的理论也已经告诉我们两个旋涡星系碰撞后会形成一个巨大的椭圆星系。
但亲眼看到星系的碰撞则完全是另一码事了。这张哈勃望远镜拍摄的美丽照片捕捉到了星系碰撞的情景。这不仅验证了我们的假设，更引导我们深入研究星系碰撞的细节，因为我们可以从图中直接观测到正在发生的事情。当旋涡星系的旋臂分解时，大量气体的碰撞和扭曲变形触发了如焰火般绚丽的大规模恒星形成过程。虽然要完全搞清楚大型星系是如何形成的仍要走很长一段路，但类似的图像给我们指明了方向。
M87星系（距离我们5 500万光年远的室女座星系团中最大的星系）中心的超大质量黑洞会发出笔直的喷流，这是它分辨率最高的一张图片。此喷流源于黑洞（图中左上方）周围的热等离子区，它穿透星系，延伸的距离超过了6000光年。喷流中白色或紫色 的光是由以98%光速的超高速度绕磁场螺旋运动的电子流产生的。黑洞的能量是如何支出的，是天体物理中一个极富挑战但又令人着迷的问题。
当气体被黑洞吸入，大量能量以可见光、X射线和接近光速运动的电子流和正电子流的形式释放出来。有了哈勃望远镜，我们可以测量黑洞的尺寸（可以是我们星系中心黑洞的几千倍大）、能量、喷流速度还有与之相关的磁场。当我的哈勃望远镜使用申请在1998获得批准时，那是我人生中最激动的时刻之一。我计划用它捕捉致密星系群—史蒂芬五重星系（ Stephan’s Quintet）的倩影！
未来的十亿年内，史蒂芬五重星系仍然会在引力作用下跳着雄伟的华尔兹。最终，它们会合并、改变形状并且合而为一。后来我们用哈勃望远镜观测了其他几个致密星系群，但史蒂芬五重星仍然是独一无二的，因为其中的气体已经从星系中释放出来并且触发了爆发式的星系际恒星形成过程。我很庆幸能生活在这个时代，看到我们建造哈勃望远镜，并且借助它深入研究宇宙。感谢那些建造维护哈勃望远镜的幕后英雄们。
1990年，当哈勃望远镜发射升空时，我刚开始读博士。我研究的是引力透镜效应，即当光穿过宇宙时，光路被沿途经过的物质扭曲的现象。这张大质量星系团Abell 2218向我们清晰地展示了引力透镜效应，揭示了星系团中质量巨大的暗物质（dark matter）——正是它们把数百个星系束缚在一起——是怎样把遥远的星光放大了好多倍的。
你可以注意到，照片中有一些看起来是细长条纹的光斑，其实它们是新生星系扭曲的图像，如果没有引力透镜效应，我们是不可能观测到它们的。这张照片发人深省：引力透镜效应就像天然的望远镜一样，通过隐藏物质的引力作用揭示了我们通常无法见到的宇宙的惊人细节。引力透镜效应展示的是物质量对宇宙时空形状的影响。本质上说，只要有质量存在，空间就会被扭曲。如果一个天体的前景上有其他大质量的天体，它的像在我们看来都会被扭曲。
这种现象有点像海市蜃楼，法语中也正是用这个词命名引力透镜效应的。哈勃望远镜早期拍摄的一张图中，显示了大质量星系团的引力透镜效应：微小的背景星系的像被扭曲拉长，就像一双手一样簇拥在星系团周围。这张照片让我震惊。这是运行于地球大气层至上，分辨率极高的哈勃望远镜的杰作。要是在地面上观测的话，这些极为微弱的星系之光就会被淹没在背景噪声中，无法分辨。
我第三年的天体物理课回顾了哈勃望远镜拍摄的100张最佳图片。它们大部分因真实地展现了绚烂多彩的星云而闻名。但我认为这张展现引力对宇宙作用的图像更是意义非凡。爱因斯坦的广义相对论认为物质可以改变时空而且能扭曲光线。这个理论的一个奇妙的结果是，宇宙中大质量的物质可以会聚来自遥远星系的光，实际上它们就相当于宇宙望远镜。有了哈勃望远镜，我们就拥有了利用这些宇宙望远镜使时光倒流、搜寻最初星系的强大能力。
这张图像表明，聚集在一起的星系有足够大的质量把来自遥远星系的光扭曲成一道明亮的弧线。当我还是个研究生时，我第一个研究课题就是它们。现在我仍然在使用哈勃望远镜探索自大爆炸以来漫漫历史长河中星系的性质。肉眼看来，图中的夜空，空无一物。这块区域非常狭小，如果伸直手臂，指尖捏着的一粒米就可以遮住它。哈勃望远镜整整花了12天“盯”着这块天区，让光缓慢地进入探测器。
一个接一个地，星系逐渐显现出来，直到延伸至宇宙深处的一万个星系填满了整张照片。最遥远的星系是一些微小的红点，距离我们数百亿光年，我们看到的是它们在大爆炸之后的几亿年时候的形象。这幅照片在科学上价值连城。它革新了我们关于星系诞生的时间和其成长速度的理论。宇宙的历史和千姿百态的星系都包含在这一张照片中。我认为这张图真正不同寻常的地方是它让我们直观地“看到”了宇宙的尺度。
图像中如此小的区域内包含如此多的星系，而整个夜空中有1000亿个星系。跟银河中的恒星数量一个量级。此图就是哈勃望远镜的最佳“代言人”。单这张雄伟的图就能洞悉宇宙：它遥远的过去、正在进行的结构形成过程和造就了整个宇宙的基本物理定律。我们正端详的是一个密集星系团的核心。图中那些发光的白球是主导星系团中心的巨大星系。如果仔细看，你会看到一些从它们上面撕扯下来的弥散白光“碎片”。
星系团就像一个引力搅拌机，将许许多多独立的星系搅合成一团。但星系团本身还只是这张照片讲述的宇宙故事的第一章。看到那些泛着微弱蓝光的光环和光弧了吗？它们是其他遥远星系的扭曲的像。星系团巨大的质量使时空扭曲。当遥远星系的光经过星系团时，就会被弯曲而形成形状古怪的像，就像放大镜会将微弱的烛光扭曲变亮一样。
凭借我们对爱因斯坦广义相对论的理解，哈勃望远镜把星系团当作引力望远镜，让我们看到此前无法观测到的，更远、发光更微弱的天体。而我们正看着的星系其实是它们130亿年前的样子。作为一个理论天体物理学家，我想要了解星系的整个生命周期──它们是如何诞生的（此时它们比较小、颜色偏蓝、内有新恒星爆发式地诞生）、它们是如何成长地以及最终它们是如何死亡的（此时它们比较大、颜色偏红、因充满了老年恒星而发光暗淡）。
哈勃望远镜将这些不同的阶段联系起来，一些发光最微弱、距离最遥远的星系注定要变成前景中那些闪着白光的“怪物”星系。过去和未来在这张伟大的照片中相遇。