今年 7 月，使用詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 的天文学家发布了有史以来最深的 астрономический изображение，令世界惊叹。在名为 SMACS 0723 的星系团背景下，这个星系团呈现出 46 亿年前的样子，无数形状和大小各异的星系像宇宙黑暗中的明亮宝石一样显现出来。其中一些灯塔在宇宙只有几亿年历史时就已经闪耀。为了理解我们如何取得这一非凡成就——天文学家如何航行到太空中和时间上如此遥远的星系岛屿，收集那些在宇宙大爆炸后不久就开始旅程的光子——了解深场观测是如何产生的会有所帮助。
韦伯第一张深场的起源最好追溯到 1990 年代初期，JWST 的前身哈勃太空望远镜发射之时。深场观测的概念在当时仍处于起步阶段。哈勃的主要设计目的是进行目标观测。天文学家会将望远镜指向天空特定位置的某个源，并根据源的亮度进行必要的曝光（或“积分”）。但是哈勃也可以用于深场成像，这与目标观测相反：天文学家会将望远镜指向天空区域，该区域没有任何可见光源，并使用非常长的曝光时间来观测尽可能多的微弱光源，从而“深入”宇宙。哈勃从其在近地轨道上的位置，在我们地球散射星光的大气层之上，是天文学家所知的用于深场成像的最佳平台。
并非所有人都认为这种方法会被证明是革命性的。在 1990 年发表在科学杂志上的著名文章中，普林斯顿高等研究院的约翰·巴卡尔和他的同事认为，哈勃的深场图像不会比地面望远镜揭示出更多星系。巴卡尔是天体物理学界的巨擘，他因其在太阳中微子问题上的工作以及他对大质量黑洞周围恒星分布的计算而广为人知。他从 1970 年代的最初概念到发射，为哈勃太空望远镜的发展做出了根本性的贡献。巴卡尔认为哈勃深场图像可以用来研究微弱星系的大小和形状，并对类星体（吸积超大质量黑洞的一个相当过时的词）进行普查，但他不相信它们会揭示新的星系群。这种不温不火的期望抑制了使用哈勃进行深场成像的任何紧迫性。
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第一次尝试发生在 1995 年的冬季假期前后，在一次急需的光学修复之后。望远镜花费了 10 天的曝光时间指向大熊座，凝视着天空中的一小块区域，只有月球角直径的十三分之一。几周后，当天文学家看到由此产生的图像——被称为深场北——他们立即意识到这是给时代的圣诞礼物。由于银河系的恒星在目标区域很稀疏，哈勃能够像通过猫眼一样探测宇宙深渊。望远镜看到了近 3000 个形状和大小各异的微弱星系——比预期的要多得多，其中一些远达 120 亿光年之外。哈勃不仅在探索空间，它还在探测时间，收集亿万年前宇宙早期发出的星光。这张图像很快成为标志性的。
一个关键问题出现了：深场北揭示的星系丰富的区域是整个宇宙的常态，还是天文学家只是碰巧将望远镜指向了星系的庞大拥挤处？ 1998 年，哈勃获得了深场南。曝光时间相似，但望远镜指向了南天半球，尽可能远离第一个点。这张新图像证实，宇宙包含的星系比以前认为的要多得多，尤其是在遥远的距离上。除了它们的科学和启发价值外，这些以及其他哈勃深场巡天在技术上也是一次巨大的胜利，在天文学的第一次“大数据”挑战中捕获了超过 10,000 个星系。
深场成像并不局限于光谱的可见光领域。在千禧年之交，钱德拉 X 射线天文台，这是一个革命性的 NASA 任务，于 1999 年 7 月发射，至今仍在运行，捕获了第一个高能深场。钱德拉深场南是通过在一个天空区域积分约一百万秒获得的，该区域没有来自银河系的氢云和尘埃。钱德拉深场南揭示了极端宇宙，揭示了数百个黑洞，其中一些非常遥远。这张图像在视觉上不如哈勃照片那样壮观，但它充满了科学意义。钱德拉后来对同一区域成像，总曝光时间约为七百万秒，捕获了有史以来最深的场之一，以 X 射线拍摄。 2003 年，发布了一张名为钱德拉深场北的新图像，其中包含来自 500 多个 X 射线源的数据。
2006 年，科学家发布了哈勃超深场，它是使用一种名为高级巡天照相机的仪器拍摄的，该仪器在 2002 年的维修任务期间添加到望远镜中。这张历史性的照片包含了数千个星系，我们现在知道其中一些星系在宇宙不到十亿年时就已经在发光。超深场以前所未有的细节展示了星系形成的历程。遥远的星系最终看起来比近处的星系更小且形状更不规则，这为支持星系演化理论提供了有力的证据。
用于超深场的技术本质上提供了可以在光学波长中获得的最深图像。如果一个星系太远，它的光学光会被移出可见范围并进入红外区域；这是宇宙学红移的结果，宇宙的膨胀拉伸了穿过广阔星系际空间的光波长。需要一台红外相机才能看得更远的时空。随着新的近红外相机添加到哈勃，红外超深场于 2009 年获得，揭示了宇宙大爆炸后仅 6 亿年就发光的星系。十年后，在 2019 年，NASA 的斯皮策红外太空望远镜产生的深场图像被发布。这两张图像都富含宇宙黎明时的星系。
哈勃的前沿场运动于 2017 年完成，是 JWST 第一张深场图像的真正序幕。在这次观测运动中，哈勃指向了六个大型星系团。根据爱因斯坦的广义相对论，沿视线方向的大量质量密度可以弯曲并因此放大来自背景源的光，这种效应称为引力透镜。前沿场运动使用这些星系团作为放大镜，以便看得更远。除了充满成群的星系外，前沿场图像还装饰着奇怪的光弧，代表着比星系团更遥远的背景星系的拉伸和放大图像，这些星系可能太微弱而无法用哈勃直接观测到。这些照片揭示了一些最遥远的星系和第一个引力透镜超新星。
自摄影术问世以来已经将近 200 年了，当时人类首次成功地直接捕捉和记录光子以制作图像。今天，搭载在距地球一百万英里的太空望远镜上的高度复杂的相机正在撼动我们对宇宙的认识，为空间和时间打开新的窗口。这两个事件之间的时间间隔相对较短，但它们通过相同的目标联系在一起：通过观察我们的眼睛看不到的东西来更深入地理解自然。