宇宙中有多少个星系？——哈勃深场带来的震撼
从张衡数星星到现代的数星星
张衡的故事相信很多人在小时候都听父母长辈或老师讲过。张衡天资聪慧，从小就表现出对自然问题的浓厚兴趣。有一天晚上，张衡不去睡觉，一直盯着天空“发呆”，大家都很奇怪，以为张衡傻了，而张衡说自己在数星星。这时，爷爷说：别数了，天上的星星那么多，还一闪一闪的乱动，哪里数的清。张衡回答说：不对，星星虽然一闪一闪的，但它们并不会乱动，它们之间的位置一直不变。而且星星也是能数清的，我已经数完了这一片，我只要坚持数，就会弄明白天空中有多少颗星星。
张衡。图片来源：网络
张衡数星星的故事非常久远，我们现在也无法确定是否确有其事。不过，数星星确实是天文学家要做的一件事情，我们确实要弄清楚天上有多少颗星星。
到了现代，星座的严格划分，星等等概念的严格确立，可以明确的告诉我们，在一定的标准下，天上有多少颗星星。
在最佳的观测条件下（完全没有光污染以及云雾等干扰，并且没有月光），一个正常视力的人，仅用肉眼大约可以看到最暗为6.5等的星。按照这个标准，根据耶鲁大学亮星表，全天能看到的恒星有9096颗。
夏季银河与繁星。图片来源：作者
除了恒星，我们一般还能看到数颗行星，有时候还能看到彗星或其他天体。肉眼能看到的数个朦朦胧胧的弥漫目标，属于深空天体，包括M13、M44等星团，M42等星云，M31、M33等星系。
醉后不知天在水，满船清梦压星河，照片左上的亮斑为M31. 图片来源：张颖超
另外，大部分时间，我们还能看到一条光带横跨整个天空，尤其是夏季特别明显，这是银河，它是我们所在的银河系的星系盘，在天空中的表现。前面所说的，我们能看到的9096颗恒星，以及星云、星团，都属于银河系的一部分。根据最新的研究，银河系中包含了大约1000亿到3000亿颗恒星。而在银河系之外，还存在着大量的河外星系，有些河外星系比银河系还要大。比如前面所说的M31，因为位于仙女座，又被称为仙女座星系，M31中就包含了两倍于我们银河系的恒星。
那么，宇宙中有多少个星系呢？要解决这个问题，现代天文学家要学习张衡，也要数一数。不过，这个可比张衡数星星困难多了。但再难的事情，只要努力，总是有方法的。当前这个问题的答案，哈勃太空望远镜给了最靠谱的回答。
哈勃太空望远镜及哈勃深场
1946年，天文学家莱曼·斯皮策（Lyman Spitzer, Jr.）发表了一篇名为《在地球之外的天文观测优势》的论文，提出空间望远镜相对于地面望远镜的巨大优势，美国便开始空间望远镜的规划。但是好事多磨，直到20世纪70年代末，空间望远镜计划才得到美国国会的正式拨款，并于80年代初被命名为哈勃太空望远镜（Hubble space telescope，HST），一般也直接称呼为哈勃望远镜，以纪念伟大的美国天文学家艾德温·哈勃。
天文学家艾德温·哈勃。图片来源：维基百科（Johan Hagemeyer）
经过漫长的研发、等待，原定1983年发生的哈勃望远镜，终于在1990年4月24日由发现号航天飞机发射升空。而截至发射时，哈勃望远镜计划的总预算，已经由4亿美元，膨胀到25亿美元。雪上加霜的是，哈勃望远镜发射升空后，科学家们才发现，哈勃望远镜是一个“近视眼”，望远镜主镜存在球面像差，无法达到预定的观测精度。
哈勃望远镜发射升空。图片来源：NASA
哈勃望远镜。图片来源：NASA
经过复杂的论证，天文学家最终选择了为哈勃望远镜“配一副眼睛”的方案解决哈勃望远镜的“近视”问题。终于在1993年12月，7位宇航员参加的太空任务，成功的修正了哈勃望远镜的成像问题。哈勃望远镜终于可以以最佳的效果，开始其科学探索任务。
修复哈勃望远镜。图片来源：NASA
在哈勃望远镜的观测计划中，有所谓的“主任裁量时间”，即项目主任可以自行安排10%的观测任务。在哈勃望远镜成功修复后，时任空间望远镜科学研究所主任罗伯特·威廉斯决定把1995年主任裁量时间中的一大部分都用于研究遥远星系。经过反复论证，项目组最终决定选取位于大熊座的一小片天区，中心坐标赤经12h 36m 49.4s，赤纬+62° 12′ 58″，宽度大约2.6角分。这片天区的面积仅有全天面积的2400万分之一，或者月球视面积的大约1/110. 特别选取的这部分天区，基本上不包含任何银河系内的恒星，也没有任何已知的河外星系。
哈勃深场观测位置。图片来源：NASA
1995年12月18日至28日，哈勃望远镜执行了这一项拍摄计划，期间，哈勃望远镜环绕地球了大约150圈，拍摄了342张照片，累积曝光140.8小时。哈勃深场图像（Hubble Deep Field image，HDF image）随后于1996年1月在美国天文学会的会议上公布。
哈勃深场照片。图片来源：NASA
HFD图像最直接的科学结果，让我们认识到，宇宙中的星系比之前认识到的多的多。在这一小片天区，仅有不到20个亮斑是属于我们银河系的前景恒星（最明显的6颗有十字星芒），却含有大约3000个遥远的暗淡星系。这些星系中有很多距离我们非常遥远，甚至包含距离我们超过100亿光年，红移高达6的星系。在这些星系中，有的能明显分辨出属于旋涡星系或者不规则星系，而大部分星系都非常小，甚至仅占几个像素。
哈勃深场细节。图片来源：NASA
大约3年后，哈勃望远镜再次用同样的方式，对南天球位于杜鹃座的一小片天区，拍摄了哈勃南天深场（ Hubble Deep Field South，HDF-S）。HDF-S图像拍摄于1998年9月至10月，拍摄时长及总曝光时间都与HDF-N差不多，最终的结果，也极为相似。不同的天区，完全不同的宇宙区域，得到完全相似的结果，再次表明宇宙中星系的数量非常之多，也证明了宇宙学原理的正确性：在大尺度结构上，宇宙是均匀的。
哈勃南天深场照片。图片来源：NASA
哈勃深场给我们展现了距今100亿年前的宇宙景象，在仅有满月面积约百分之一的天空区域，却包含了数千个星系，如果扩展到整个天空，星系的数量是极为惊人的。这已经让人非常震撼了，但科学的探索是没有止境的，哈勃深空探索也不会仅限于此。5年后，哈勃望远镜再次将目光对准宇宙深处，分为两个阶段，分别在2003年9月23日至10月28日，以及2003年12月4日至2004年1月15日期间，哈勃望远镜针对南天球天炉座的一小片天区，边长2.4角分，整个天空面积的大约2600万分之一的区域，再次执行深空探测任务。
哈勃超深场观测区域。图片来源：NASA
同样是使用了主任裁定时间，哈勃望远镜在总时长大约两个半月的时间里，环绕地球大约400圈，拍摄了大约800张照片，总曝光时长大约280小时。经过对数据进行分析，哈勃超深场图像（Hubble Ultra-Deep Field image，HUDF image）让我们对宇宙的认识再次向前推进了一大截。
HUDF图像包含了超过一万个天体，其中绝大部分是星系，大部分星系的红移都超过了3，部分星系的红移达到6-7，甚至有个别天体的红移达到了惊人的12！这意味着我们观测到了距离我们130亿年前的宇宙景象，或者说是宇宙大爆炸后大约400万年到800万年间的景象。
哈勃超深场照片。图片来源：NASA
HUDF 向我们揭示了在宇宙诞生大约10亿年后，星系中早期恒星的形成过程。天文学家还可以通过HUDF 研究宇宙中星系的分布，包括星系的数量、大小、亮度等信息，以及星系的演化过程。天文学家还在HUDF 中发现了我们银河系中遥远的暗淡的红矮星，比较有名的一颗是距离我们5.9万光年远的一颗红矮星，编号UDF 2457。
哈勃超深场中的红矮星UDF 2457。图片来源：NASA
2012年9月25日，研究团队又一次公布了对哈勃超深场的进一步研究结果。在对哈勃超深场观测的天区中大约占80%，边长2角分×2.3角分的区域，结合了过去10年的观测数据，累积了大约550小时，即大约23天的曝光数据，给出了更加细致的宇宙景象。这一张照片，被称为哈勃极深场（Hubble eXtreme Deep Field，HXDF）。
哈勃极深场照片。图片来源：NASA
HXDF图像包含了大约5500个星系，其中最古老的星系距今132亿年，是迄今可见光波段，宇宙最深处的景象。
哈勃深场“数出”的星系数量
从1998年的哈勃深场，到2012年的哈勃极深场，分别观测了三个完全不同的天空区域，给出了完全相似的宇宙深处图景。我们完全有理由相信宇宙学原理是正确的：在大尺度上，宇宙各处是均匀的。也就是说，宇宙的不同的区域，有着大致相同的星系密度。转化为我们在地球上的观测，就是说整个天空区域，每个方向上都有大致相同的星系密度。
宇宙微波背景辐射。图片来源：NASA
在这个思路下，我们就可以对宇宙中的星系数量进行估计。
按照哈勃超深场的数据，天空面积大约2600万分之一的区域，有大约10000个星系。我们很容易得到，宇宙中有大约2.6×10^11个星系，或者说，有2600亿个星系。
按照哈勃极深场的数据，天空面积大约3250万分之一的区域，有大约5500个星系。我们很容易得到，宇宙中有大约1.8×10^11个星系，或者说，有1800亿个星系。
由于宇宙是膨胀的，光速有限，我们只能看到有限的宇宙。发出的光芒有足够的时间到达地球，可以被我们观测到的宇宙部分，被称为可观测宇宙，直径大约930亿光年。而在可观测宇宙之外，由于它们发出的光还没有到达我们这里，无法被我们观测到。所以，上述计算得到的结果，准确的说，应该是可观测宇宙有大约2000亿个星系。可观测宇宙之外，宇宙还有多大，我们完全是不知道的，也就无法估计有多少个星系。
即使如此，可观测宇宙中星系的数量，已经和银河系中的恒星数量是一个量级。近年来系外行星的发现，已经告诉我们除了我们的太阳系，其他恒星系统中，也有大量恒星有行星围绕，并且一些行星还位于宜居带内。这样算起来，整个宇宙中位于宜居带内的行星数量也是极多的。
所以，我们完全有理由相信：我们在这个宇宙中，绝对不会孤独。只是，苍穹浩瀚，要发现他们，实在是太难了。
最后，通过NASA哈勃深场的视频资料，再来体会一次哈勃深场带给我们的震撼。服役30年，哈勃太空望远镜成就斐然，虽然哈勃望远镜将被韦伯太空望远镜所取代，但哈勃的功绩永存！