今年 7 月，使用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 (JWST) 的天文學家釋出了有史以來最深的 астрономический изображение，令世界驚歎。在名為 SMACS 0723 的星系團背景下，這個星系團呈現出 46 億年前的樣子，無數形狀和大小各異的星系像宇宙黑暗中的明亮寶石一樣顯現出來。其中一些燈塔在宇宙只有幾億年曆史時就已經閃耀。為了理解我們如何取得這一非凡成就——天文學家如何航行到太空中和時間上如此遙遠的星系島嶼，收集那些在宇宙大爆炸後不久就開始旅程的光子——瞭解深場觀測是如何產生的會有所幫助。
韋伯第一張深場的起源最好追溯到 1990 年代初期，JWST 的前身哈勃太空望遠鏡發射之時。深場觀測的概念在當時仍處於起步階段。哈勃的主要設計目的是進行目標觀測。天文學家會將望遠鏡指向天空特定位置的某個源，並根據源的亮度進行必要的曝光（或“積分”）。但是哈勃也可以用於深場成像，這與目標觀測相反：天文學家會將望遠鏡指向天空區域，該區域沒有任何可見光源，並使用非常長的曝光時間來觀測儘可能多的微弱光源，從而“深入”宇宙。哈勃從其在近地軌道上的位置，在我們地球散射星光的大氣層之上，是天文學家所知的用於深場成像的最佳平臺。
並非所有人都認為這種方法會被證明是革命性的。在 1990 年發表在科學雜誌上的著名文章中，普林斯頓高等研究院的約翰·巴卡爾和他的同事認為，哈勃的深場影像不會比地面望遠鏡揭示出更多星系。巴卡爾是天體物理學界的巨擘，他因其在太陽中微子問題上的工作以及他對大質量黑洞周圍恆星分佈的計算而廣為人知。他從 1970 年代的最初概念到發射，為哈勃太空望遠鏡的發展做出了根本性的貢獻。巴卡爾認為哈勃深場影像可以用來研究微弱星系的大小和形狀，並對類星體（吸積超大質量黑洞的一個相當過時的詞）進行普查，但他不相信它們會揭示新的星系群。這種不溫不火的期望抑制了使用哈勃進行深場成像的任何緊迫性。
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第一次嘗試發生在 1995 年的冬季假期前後，在一次急需的光學修復之後。望遠鏡花費了 10 天的曝光時間指向大熊座，凝視著天空中的一小塊區域，只有月球角直徑的十三分之一。幾周後，當天文學家看到由此產生的影像——被稱為深場北——他們立即意識到這是給時代的聖誕禮物。由於銀河系的恆星在目標區域很稀疏，哈勃能夠像透過貓眼一樣探測宇宙深淵。望遠鏡看到了近 3000 個形狀和大小各異的微弱星系——比預期的要多得多，其中一些遠達 120 億光年之外。哈勃不僅在探索空間，它還在探測時間，收集億萬年前宇宙早期發出的星光。這張影像很快成為標誌性的。
一個關鍵問題出現了：深場北揭示的星系豐富的區域是整個宇宙的常態，還是天文學家只是碰巧將望遠鏡指向了星系的龐大擁擠處？ 1998 年，哈勃獲得了深場南。曝光時間相似，但望遠鏡指向了南天半球，儘可能遠離第一個點。這張新影像證實，宇宙包含的星系比以前認為的要多得多，尤其是在遙遠的距離上。除了它們的科學和啟發價值外，這些以及其他哈勃深場巡天在技術上也是一次巨大的勝利，在天文學的第一次“大資料”挑戰中捕獲了超過 10,000 個星系。
深場成像並不侷限於光譜的可見光領域。在千禧年之交，錢德拉 X 射線天文臺，這是一個革命性的 NASA 任務，於 1999 年 7 月發射，至今仍在執行，捕獲了第一個高能深場。錢德拉深場南是透過在一個天空區域積分約一百萬秒獲得的，該區域沒有來自銀河系的氫雲和塵埃。錢德拉深場南揭示了極端宇宙，揭示了數百個黑洞，其中一些非常遙遠。這張影像在視覺上不如哈勃照片那樣壯觀，但它充滿了科學意義。錢德拉後來對同一區域成像，總曝光時間約為七百萬秒，捕獲了有史以來最深的場之一，以 X 射線拍攝。 2003 年，釋出了一張名為錢德拉深場北的新影像，其中包含來自 500 多個 X 射線源的資料。
2006 年，科學家釋出了哈勃超深場，它是使用一種名為高階巡天照相機的儀器拍攝的，該儀器在 2002 年的維修任務期間新增到望遠鏡中。這張歷史性的照片包含了數千個星系，我們現在知道其中一些星系在宇宙不到十億年時就已經在發光。超深場以前所未有的細節展示了星系形成的歷程。遙遠的星系最終看起來比近處的星系更小且形狀更不規則，這為支援星系演化理論提供了有力的證據。
用於超深場的技術本質上提供了可以在光學波長中獲得的最深影像。如果一個星系太遠，它的光學光會被移出可見範圍並進入紅外區域；這是宇宙學紅移的結果，宇宙的膨脹拉伸了穿過廣闊星系際空間的光波長。需要一臺紅外相機才能看得更遠的時空。隨著新的近紅外相機新增到哈勃，紅外超深場於 2009 年獲得，揭示了宇宙大爆炸後僅 6 億年就發光的星系。十年後，在 2019 年，NASA 的斯皮策紅外太空望遠鏡產生的深場影像被髮布。這兩張影像都富含宇宙黎明時的星系。
哈勃的前沿場運動於 2017 年完成，是 JWST 第一張深場影像的真正序幕。在這次觀測運動中，哈勃指向了六個大型星系團。根據愛因斯坦的廣義相對論，沿視線方向的大量質量密度可以彎曲並因此放大來自背景源的光，這種效應稱為引力透鏡。前沿場運動使用這些星系團作為放大鏡，以便看得更遠。除了充滿成群的星系外，前沿場影像還裝飾著奇怪的光弧，代表著比星系團更遙遠的背景星系的拉伸和放大影像，這些星系可能太微弱而無法用哈勃直接觀測到。這些照片揭示了一些最遙遠的星系和第一個引力透鏡超新星。
自攝影術問世以來已經將近 200 年了，當時人類首次成功地直接捕捉和記錄光子以製作影像。今天，搭載在距地球一百萬英里的太空望遠鏡上的高度複雜的相機正在撼動我們對宇宙的認識，為空間和時間開啟新的視窗。這兩個事件之間的時間間隔相對較短，但它們透過相同的目標聯絡在一起：透過觀察我們的眼睛看不到的東西來更深入地理解自然。