宇宙边缘是什么 宇宙外面是什么

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楼主 2021-01-12 10:14:43
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宇宙边缘是什么?如果把人类观测到的130多亿光年当成宇宙边缘,那似乎有点看不清宇宙了! 望远镜改变了人类认识自己和认识自然的方式。随着一架比一架更先进的望远镜的问世,人类看得更远,知道的也更多。现在,就让我们来回顾一下充满趣味的望天历程,并且在此过程中——八层楼高的巨型门滑开,一双巨大的“眼睛”将它的“目光”投向太空最深处——这就是大名鼎鼎的“大型双筒望远镜”。作为地球上最强大的望远镜之一,位于美国亚利桑那州的这架大型双筒望远镜价值超过1.2亿美元,它那直径超过8米的镜子能搜集到只有人眼可见光强度的百万分之一甚至千万分之一的光线。这架600吨重的机械望远镜的能见距离超过130亿光年,也就是我们所在宇宙的最边缘。


宇宙的边缘是什么

像大型双筒望远镜这样的超级望远镜能拍摄到天空中哪怕最黑暗角落的实时图像。从这些图像上我们可以看到。如巨浪翻滚的气体和尘埃云正在与超音速风搏斗,其搏斗场景被成千上万颗充满活力的新生恒星点亮。这些高达92万亿千米的巨型云团其实正是“恒星产房”,它们是恒星群诞生的地方。


突然,一颗恒星的爆发性死亡发出的超热气体以每秒上千千米的速度撕裂太空;与此同时,在遥远星系中,一个超大质量黑洞——宇宙中最神秘的物体之——正在发出不可见的能量射流。借助高科技的望远镜,无论是对恒星爆发产生的超热气体,还是对超大质量黑洞发出的能量射流,天文学家都能为其拍摄照片。


自第—架望远镜于17世纪诞生以来,短短几百年间望远镜已经改变了人类认识自己和认识自然的方式。随着一架比一架更先进的望远镜的问世,人类看得更远,知道的也更多。


认识太阳系


关键角色:伽利略


1609年夏天,意大利数学教授伽利略·加里雷正在完成自己的一项发明,那是一架被叫做“望远镜”的东西。在古希腊文中,这个名词的意思是“能看见远处的东西”。很快,他的新发明像野火燎原一样蔓延整个欧洲。


当时,在荷兰的一个小镇,眼镜制造者在制作精确的透镜时发现,假如把两类不同的透镜以相隔合适的距离放置,就能产生令人吃惊的光学效果——这两面透镜起着放大远处物体的作用。伽利略立即意识到了这一发现的潜在意义。他利用这个原理制作出了可见距离为人眼可见距离8倍的望远镜。很快,成尼斯军队买下这架望远镜,用来监视敌人的船队。接着,伽利略又将望远镜对准太空,从而开始了一场革命。在伽利略之前,所有天文学家都认为天宇就是他们裸眼能看见的一切——星星和月亮。他们用肉眼看到,天空中有5颗星有时比其他星星都亮,如果连续数夜观察,这5颗星在其他群星的背景上移动,并且这5颗星时而可见时而不可见。


他们称这5颗星为“行星”,这个名字在希腊文中是“流浪者”之意。其中,金星被称为晚星,它总是在日落时分掠过地平线;火星亮得有些发红;木星和土星比周围的星星都亮。我们现在已经知道这些“流浪”的星星实际上都是像地球一样的行星,但在伽利略时代,每个人都相信这5颗星只不过是一般的星星。宇宙中只有一个世界,那就是地球,地球是宇宙的中心,白天太阳围着地球转,月球和其他星星则在漫漫长夜里以巨大的勒轨道绕地球打转。


然而,伽利略向人们证明:这不过是错觉而已。当伽利略开始用望远镜观察月球时,人们已知的世界秩序也就开始被打破。在旧的宇宙学中,所有的天体都是完美无缺的,月球是一个天体,因而它在人们眼中也是完美的。但是,穿越40万千米的太空,伽利略所看到的月球远不如他所期望的那样平滑——月球表面实际上布满疮痍,到处是陨击坑和峡谷。


既然在月球上并不鲜见地球地貌,那么地球在宇宙中自然也就算不上独一无二了。这还只是一个开端。接下来,伽利略将望远镜瞄准了木星——“流浪的星星”之一。裸眼看去,木星是一颗明亮的星,确切说是一个光点。透过伽利略的望远镜看去,所有其他星星都只是光点,而木星突然变成了一个大得多的圆盘。尽管望远镜的镜头质量不佳,无法看清木星的真面目,但根据透过望远镜所看到的模糊不清且摇晃厉害的木星图像,伽利略做出了一个伟大的结论:木星一定是球形的另一个世界(也就是我们今天所说的另一颗行星)。


在木星周围,伽利略有了更惊人的发现。他透过望远镜看见,木星旁边还有两到四颗星,它们就像小鸭跟在木星这个“大鸭”的后面。夜复一夜,伽利略注意到这些新星的位置不断变动。在观察这些“小鸭”一两周之后,伽利略意识到它们其实是环绕木星的卫星(木卫)。伽利略知道自己获得了重大发现,并且把这些发现写在了他出版的《星之信使》一书中。


然而,更大的发现还在后面——伽利略的观察记录将永远改变人类的宇宙观。伽利略当时观察到,金星在一个月里不断地改变其形状和大小。具体而言,伽利略发现,金星每个星期都在改变,从一个大新月形变成一个小圆盘,接着阴影再次爬上金星,让它又回复到大新月形。伽利略认为,他在金星上看到的阴影只可能意味着一件事:金星在围绕太阳运行。这就是说,与当时人们的信仰—每个天体都围绕地球转不同,地球不再是宇宙的中心。


对于伽利略的这些发现,当时的罗马天主教会非常不满,因为教会向人们灌输的观点是:上帝把人类放在地球上,也就是放在了创世的正中心。以太阳为中心的宇宙挑战了教会的权威,教会对此当然不能容忍。然而,伽利略对太阳系的认识是完全正确的,他的发现永久性地改变了世界。


探索土星环


关键角色:“卡西尼号”


今天,望远镜以当年伽利略只能梦想的细节向我们展示了太阳系:太阳表面的爆发威力高达1000万亿吨梯恩梯;木星表面的大红斑实际上是一个超巨型风暴涡旋,它大得足以吞没三个地球;在木星的卫星伊娥(木卫一)表面,火山将气体和尘埃喷进太空;在火星上,有一个比地球上著名的大峡谷(位于美国西部亚利桑那州西北部的凯巴布高原上。全长446千米,平均谷深1600米)深6倍的峡谷,有一座比珠穆朗玛峰高3倍的火山;在金星大气汹涌起伏的硫酸云之下,山脉自金星的岩石表面崛起;在太阳系的边缘,由岩石和冰构成的矮行星正环绕太阳运行。


不过,有一颗行星一直充满谜团,就连最先进的望远镜也不能破解它的秘密,这就是土星和它的环系统。伽利略是首先看出土星与众不同的人,他观察到土星有两只奇异的“耳朵”,并推测它们是土星的卫星。后来的天文学家看出,这两只“耳朵”实际上是一条环绕土星的巨大扁平环。再后来,有一个人发现,这个大环其实是由多个同心环组成的。此人就是在意大利出生的法国天文学家乔凡尼·卡西尼。


现在,一项以卡西尼的名字命名的探测计划——美国宇航局的“卡西尼任务”正在实施中,其目的是查明为什么土星会有环,以及土星环是由什么构成的。在“卡西尼号”飞船前往伽利略时代太阳系中最远的卫星——土星的过程中,飞船借助木星巨大的引力拉动使自己朝着目的地方向弹射出数百万千米。借助木星的引力,“卡西尼号”的速度高达每小时11万千米以上,即使这样。这艘飞船还是花了7年时间才抵达距离地球远达15亿千米的土星。接着,它下潜穿过土星的外环,进入环绕土星的轨道。


从“卡西尼号”拍摄的土星环照片上看,土星环好像是完整的固体,但实际上土星环是由数十亿块冰和岩石构成的,这些冰和岩石的大小从一粒沙到一幢房子都有,它们散落在宽达数十万千米的范围内。问题是,这些东西是从哪里来的呢?“卡西尼号”携带的望远镜的观测结果证实,土星环的内环是由陨星碰撞土星的卫星(土卫),从土卫表面弹射出的材料构成的。不过,土星最外环的来源一直还是谜。


由“卡西尼号”拍摄的图像显示,土星最外环与最内环不同,是由微粒构成的,看上去就像是鬼魅的雾。天文学家怀疑冰质的土卫二——恩克拉多斯可能是这团雾的来源,但这中间的具体机制却无人知晓。不过,他们通过“卡西尼号”的望远镜看到了一个前所未见的现象:巨大的蒸气柱自恩克拉多斯表面的裂缝喷涌而出,高度达数百千米。这些蒸气柱会不会正是土星外环的来源呢?为找到答案, “卡西尼号”做了一件很了不起的事:直接飞到蒸气柱中,用它搭载的探测器“品尝”了蒸气柱的“味道”。在地球上的任务控制中心里,天文学家紧张地分析“卡西尼号”发回的数据。结果显示,恩克拉多斯喷出的蒸气是由冰、盐和氨组成的,同土星外环的成分完全一致。这就确凿地证明了恩克拉多斯喷出的蒸气柱正是土星外层雾环的来源。


这真是—个重大发现。“卡西尼号”搭载的空间望远镜正在破解困扰了天文学家几个世纪的土星环之谜。今天的望远镜正望向越来越深的太空,以发现伽利略或许从未想见的秘密。但是,为了捕捉到清晰的太空图像,望远镜不得不经过了深刻的变革才发展到今天的地步。


革新望远镜


关键角色:牛顿


这场变革的第一步是尽量增加望远镜的长度。让我们回到17世纪50年代。早期望远镜的一个主要问题是影像模糊,原因在于透镜的形状。当用一个强弯曲度的镜头来折射光线时,光线不能全部汇集到一个点,因而影像模糊;此外,一些光线的颜色可能出现分色——彩虹色,这也会扭曲图像。


尽量避免模糊与彩虹色的唯一方法就是使用更薄的透镜,透镜的弯曲度也应更小,但这样一来光线的聚焦点就远离了透镜,结果是折射望远镜的放大倍数越大则望远镜的长度也就越长。到了大约1660年,望远镜的放大倍数已增加到50—100倍,与此同时,望远镜的长度也达到了荒谬的程度:最长竟超过45米,也就是相当于一个橄榄球场的—半长度了。


如此笨重的望远镜的确效果更好,但天文学家希望看到更多的细节,而这些望远镜依然无法消除彩虹色。接着,最伟大的科学巨匠之一伊萨克·牛顿开始着手解决这个难题。他关注的是光线本身。牛顿发现,白光其实是由所有不同颜色的光组成的,这些颜色共同构成了彩虹色。当白光透过一面玻璃棱镜时它会折射分解成彩虹色,这就是天文学家碰到的透镜望远镜难题的根源。于是牛顿想到:好了,我们必须全盘抛弃折射望远镜,因为它已到穷途末路,我要设计出新型望远镜,它不能使用透镜。


牛顿在他的新型望远镜上使用的是镜子,他坚信镜子照样能达到并超过折射望远镜的效果,这是因为当镜面弯曲时一样能让光线聚焦。实际上,用这样的镜子聚焦阳光的确能点燃纸张。但镜子和透镜有一个本质的区别:光线从镜子表面反射,而不是穿越镜子,因而就避免了彩虹色。牛顿制作了一架小小的镜面望远镜,其长度不到20厘米。他将一面直径仅为3.8厘米的弯曲的镜子安装于望远镜镜筒的底端,来自天宇的光线进入镜筒,到达弯曲的镜面并反射,接着再到达一个不弯曲的镜面并反射,最终聚焦于目镜。这么一架小小的镜面望远镜,同长度超过120厘米的透镜望远镜效果一样好。


牛顿运用镜子制作望远镜,一举消除了彩虹色这个自伽利略时代以来一直困扰着望远镜的难题。今天,望远镜从分布于世界各地的天文台望向太空。不断扩展人类的宇宙视野,捕捉发射于几十亿年前并穿越我们所在宇宙的光线。所有这些望远镜都依赖于形状完美的大型镜子,而制造出这些镜子是精密工程学的丰功伟绩。


在美国亚利桑那大学的足球场的地面下深处,是一个高科技镜子实验室。在那里,玻璃块在巨大的熔炉中于1100℃以上的高温下被熔化,这一温度相当于火山熔岩的温度。接着,炽热的玻璃液被旋进超光滑的弯曲碟子中。20吨重的碟形冷却玻璃接下来被用直径不到人发丝的粉末进行打磨,以制作精确的形状。

最终,覆上一层厚度仅为100纳米的极薄的铝膜,玻璃碟就变成了镜子。亚利桑那大型双筒望远镜的镜面就是这样制成的。其中每个镜面的直径超过8.5米,面积是牛顿制作的第一面镜子的64000倍,能够捕捉来自数十亿光年距离以外的光线。


回溯到牛顿时代,要想制造形状正好的大型镜子真是难上加难。在牛顿之后100年,一个新的先驱重拾起牛顿的革命性设计,并将它加以革新。这个人就是英国单簧管演奏家兼业余天文学家威廉·赫歇尔。虽然身为音乐家和作曲家,赫歇尔的真正兴趣却在天文学,他有一个雄心壮志,就是使用大型的牛顿式镜面望远镜望向更深的太空,要比所有前人都望得更远。


发现天王星


关键角色:赫歇尔


为了看见当时其他望远镜都看不见的最微弱的星星,赫歇尔需要更大的望远镜。然而,在赫歇尔时代,制作大型曲面镜仍是一大技术挑战。当时玻璃镜子尚未问世,镜子仍然使用金属来制作。赫歇尔在他的地窖里用熔化的锡和铜来铸造金属碟,这是制造金属反射镜的第一步。为了将冷却后的平面金属碟变成闪光的曲面,赫歇尔不厌其烦、不辞辛苦地纯手工打磨金属碟,直到其形状恰好能形成图像。这就是反射镜面,是镜面望远镜最宝贵的部件。


运用这样的望远镜,赫歇尔在200多年前取得了一个革命性的发现。1781年。赫歇尔透过自己制作的镜面望远镜夜复一夜地望向苍穹,在他身旁是他的妹妹卡洛琳,她记录他们观测到的所有结果,最终自己也成了著名天文学家。那一年的3月13日,赫歇尔透过望远镜看到一个他们此前从未记录过的天体——一颗看似在群星背景上移动的非常暗弱的星,这颗“流浪之星”就是天王星。


自有一整套环的天王星,大小是地球的63倍,但人用裸眼几乎看不见它,在赫歇尔之前无人记录过颗行星。天王星距离太阳30亿千米(这是土星与太阳之间距离的两倍),也是当时所知最远的行星。可以说,一夜之间,赫歇尔就把太阳系扩大了一倍。这一发现激发了人们寻找行星的狂热潮流,也使全球望远镜越来越先进,这一趋势持续至今也不停歇。


在美国夏威夷的死火山莫纳克亚山巅,黄昏的太阳正在降下。凯克天文台的巨型圆顶开启,10米直径的望远镜望向太空。乔夫·马西是全球最顶尖的“行星猎人”之一,他正运用凯克望远镜寻找太阳系中除地球之外的行星。仰望夜空,你会看见成千上万个闪烁的光点,它们是像太阳一样的恒星,像马西一样的“行星猎人”相信,其中许多恒星都可能像太阳一样拥有自己的行星。


然而,要想寻找太阳系以外的行星就像大海捞针一样难。寻星望远镜直到1995年才在这方面有了突破:它们观察到一颗很平常的恒星正在轻微晃动,这意味着某种引力正在拉动恒星,而这正是一颗不可见的行星存在的证据。环绕这颗恒星的行星就是飞马座51b星。这颗太阳系外的行星的发现,在人类历史上真是一个重大事件,因为它向我们首次证明太阳系之外照样存在行星,其中说不定还有像地球一样的生命之星。


从那以来,全球天文学家已经发现了超过400颗太阳系以外的行星存在的证据。不过,其中大多是像木星那样的气态巨行星,它们在过于靠近母恒星的轨道上运行,因而不可能支持生命。而找到另一颗支持生命的行星,才是“行星猎人”的真正目标。生命之星必须温度适宜,有液态水或其他液态物质,还必须满足其他一些基本条件。而要有像人一样的智慧生命,则条件更为苛刻。


寻找像地球这样个头较小的岩石行星绝非易事。现在让我们来看美国宇航局的一类全新的空间望远镜——“开普勒号”。发射“开普勒号”的目的,正是为了寻找在某些方面同地球相似的行星一类地行星。具体而言,在“开普勒号”的3年任务期里,它要寻找和地球一般大小、环绕其他恒星运行的行星。“开普勒号”计划搜集来自银河系中10万颗恒星的光线,在其中查找其他行星世界的线索。


测量星光的一个重要思路,就是当行星从正面经过其母恒星时,会遮挡恒星的很小一部分光线,因此恒星会略微变暗一点。也就是说,只要观测到这种变化,就可间接证明行星的存在。运用这一思路,“开普勒号”已经发现了多颗太阳系之外的行星。虽然它至今未找到一颗类地行星。但天文学家相信这只是时间问题,也许再过几年就会找到另一个像地球一样的生命家园。


尽管“开普勒号”要观望多达10万颗星,但那仍只是天空的微小一隅,仍有数千亿颗恒星等待我们去搜寻。“行星猎人”们还有别的办法,就是利用地面望远镜来研究距离我们最近的那些恒星。运用小型机器人望远镜,一次可以扫描2000颗亮度远比太阳小的恒星,也更易于观测从正面经过母恒星的较小个头的行星。

通过这种办法,天文学家发现了一颗大小只有地球2.7倍的行星。这是一颗“超级地球”,它很可能拥有水和大气层,但表面200℃的温度还是太高,因而不能支持生命存在。不过,它向我们发出了一个信号:太阳系以外应该还有更诱人的行星存在。


为了发现可居住的行星,专业天文学家还借力于业余天文学家。全球各地都有业余天文学家,他们所拥有的望远镜也能进行天文调查。专业天文学家不可能花太多时间夜复一夜地凝视同一颗恒星,但业余天文学家却像当年赫歇尔发现天王星那样能做到这一点。运用这种办法,业余天文学家迄今已发现了多颗太阳系外的行星。遗憾的是它们都太靠近自己的母恒星,因而无法支持生命存在。不过,同所有已知的太阳系外的行星一样,它们都在我们所在的星系——银河系内环绕各自的母恒星运行。


认识星云


关键角色:赫歇尔


今天我们已经知道,银河系中有很多很多的恒星,太阳只不过是其中的一颗而已。而短短200年前,人们还根本不知道自己生活在一个星系中。直到1781年,威廉·赫歇尔建造了一架长6米多的反射式望远镜(镜面望远镜),运用它,他看到了比当时地球上任何其他望远镜看到的数目都多的星星。他对夜空中的一部分观察得尤其仔细,这个由群星组成的条状地带就是我们今天所称的银河系。


在能见度高的夜晚,银河系简直就是一大景观,是我们头顶上一条明亮的星光带。对古人来说,它就像牛奶泼在了天幕上,这是古希腊人称之为“牛奶圈”的原因所在,也是今天的“银河系”(“银白或乳白色的星系”)一词的来源。天文学家们至今对银河系十分着迷。从地平线到地平线,银河系跨越天空,仿佛一条巨大的带子环绕着我们。于是,从地球上看去,我们就像是坐在轮毂上,而银河系就是环绕着我们的一个巨大轮胎。


伽利略是第一个透过望远镜发现银河系由群星组成的人,但当时无人知道它是一个星系,甚至也不知道它的形状。而这正是赫歇尔当年最着迷的一点:“银河系究竟是什么形状?我们应该是置身于银河系中央吧?从它外面看它是什么样子呢?”他不知疲倦地夜夜望天,为群星的位置画图。就这样,对于他能看见的那个划破天空的大圆圈内的所有星星,他都画出了它们的位置,还数出了它们的数量,从而开创了天文学中的星星计数法。


这项精准的绘图和计数调查花了赫歇尔一年多的时间。最终,他根据他的观测结果绘制了一张“磨石”图。在人类历史上,赫歇尔率先看出银河系并不仅仅是天空中的一条星带,而且还是很大很大的一块星盘。赫歇尔相信,这便是整个宇宙了。也就是说,这个星盘的边缘也就是宇宙的边缘,太阳系就躺在星盘内部。令人惊讶的是,赫歇尔在200多年前的认识竟然有大部分是正确的。现在,最强大的地面和太空望远镜已经揭示,地球和整个太阳系位于银河郊区的一条旋臂上,而整个巨型银盘中竟有2000亿颗恒星。


银河系实在是太大了,哪怕以光速(每秒30万千米)从银河系一端跑到另一端也要花10万年时间。为了更深入地了解银河系,科学家设计了一架新型望远镜,计划最广泛、最深入地观察银河系,它就是“赫歇尔太空天文台”(简称“赫歇尔”)。“赫歇尔”要为整个银河系绘制地图,包括恒星的形成与死亡,以及星系是怎样成为一体的。


经过多年细心准备,调制好的“赫歇尔”终于发射升空。在离地160万千米的太空,这架迄今最大的太空望远镜在人眼无法看见的可见光波段以外的远红外光波段观测太空,这意味着它能测量温度的细微改变,从而看穿宇宙尘埃云,以空前的清晰度拍摄宇宙的图像。


“赫歇尔”果然不负众望,从它传回的图像十分惊人。通过它,天文学家一直看到了恒星的诞生地。如果用可见光观察恒星诞生地,你会看见,那里到处都是恒星;而用红外光观测,你会发现银河系的绝大部分其实是由尘埃和气体构成的,而恒星正是从尘埃和气体中孕育的。


没有其他任何望远镜能看清银河系的如此多的细节。200多年前,赫歇尔根本无法看见银河系一些区域中的群星。虽然他在夜空中看到的星星比当时其他任何人看到的都多,而且他还通过望远镜观测为星星们画出了地图,但仍有一个未解之谜困惑着他:夜空中有成千上万个奇奇怪怪的东西,也就是被天文学家称之为“星云”的东西。


夜空中有一些模糊的块状地带,它们看上去就像是被撕裂的银河碎片。你甚至用肉眼也能看见几个这样的“碎片”,例如仙女座。但透过望远镜,你能看见上万个这样的块状地带,它们形状大小各异,美丽而又神秘,如仙女座,它从边缘到中心越来越亮。赫歇尔记录了超过2300个星云,并且对它们进行了分类,但他无法看出这些神秘物体究竟是什么,也不知道它们具体是在哪里。


在赫歇尔之后,星云之谜又继续困扰了天文学家60年,直到古怪的罗斯爵士在爱尔兰的比尔堡制造了当时世界上最大的望远镜。六层楼高的墙支撑着罗斯爵士的20米长的望远镜镜筒,镜面直径竟相当于一个成年人的身高。他将望远镜对准星云,绘出自己看见的一切。这样一来,模糊的星云被首次聚焦。在一些星云内部,罗斯爵士看见了恒星和旋臂结构。但有一个问题,罗斯爵士的望远镜只能上下移动,因而图像容易变得晦暗,这让他很失望。


星云之谜的最终破解是在80年之后。到了这个时候,望远镜已变得如此先进和巨大,是200年前的伽利略所无法想象的。破解这一奥秘的望远镜位于美国加利福尼亚州高高的威尔逊山山顶上,它揭示出当初由罗斯爵士所画的螺旋状星云实际上是独立于银河系之外的其他星系。这样一来,宇宙的范围就大大拓宽了,银河系不再是宇宙中唯一的星系。迄今我们已发现数千亿个星系,它们在一个大得我们无法想象的宇宙内旋转。


望远镜为我们认识宇宙打开了一扇全新的窗户。建造更大更先进望远镜的竞赛至今也未终止。如今我们不仅能制造巨型地面望远镜,而且能发射空间望远镜,从而能观测宇宙中最遥远的东西。可是,数十亿光年外那些碰撞的星系会告诉我们有关银河系的什么呢?在宇宙的边缘,大爆炸的余辉究竟会告诉我们有关我们宇宙起源的什么呢?每一次尝试探索宇宙的一个新的部分,天文学家都会有新的发现、新的惊奇。而望远镜迄今为止所揭示的最大一个惊奇就是:直到现在,我们只能看见宇宙的5%。换句话说,我们只能看见构成宇宙的物质中的很小一部分。问题接踵而来:剩下的宇宙是由什么构成的呢?


望远镜将指向一种令人难以捉摸而又强大无比的力量,这种正在决定我们宇宙的力量就是暗能量,它也被天文学家称为迄今为止所发现的最神秘物。望远镜正处在一个新的发现和探索时代的边缘,越来越大型、越来越复杂的望远镜永无止境地探寻太空的边缘。新一代望远镜将让我们看见一个点上的10000个星系,让我们回到更遥远的从前,让我们推测宇宙起源的情景。


有一种东西很奇怪,它至大至深,至高无上,笼罩在^们头顶上方,人们却不知道它为何物,早在两三千年前,古希腊科学家和哲学家就开始对它进行探索,但时至今日,人们对于它依然知之不多,因为它,爱因斯坦做过深刻检讨,布鲁诺被烧死在火刑柱上;也是因为它,埃德温·哈勃成为世界著名科学家,为了研究它,人类研制了一大批最新最精良的观测工具;也是为了研究它,人们上高山、飞太空不惧辛劳。那么它是什么呢?它就是宇宙如今,科学家对宇宙的研究已有重大突破,然而研究得越深入,它的神奇性就越显现,越令人神往,这是因为它的前世、今生与未来都充满神奇。


“宇宙”一词最早出现在战国时代的《尸子》中:“上下四方曰字,往古来今曰宙。”我们祖先早在2500年前就把“宇宙”同“时-空”结合在一起了,这是非常正确的。然而宇宙到底有多大,它的边缘在哪里,人类却久久没有弄清楚。直到20世纪初期,人们还认为银河系就是我们已知的整个宇宙。是望远镜提高了我们的眼力,让我们目击了土星上空美丽的光环、木星表面滚动的风暴云、百万光年外爆炸的超新星、正在诞生的“婴儿恒星”、137亿年前的早期宇宙、神秘的暗物质和神奇的暗能。那么,望远镜对于宇宙还能揭示什么呢?它能看到宇宙很遥远的边缘吗?


威尔逊山上的革命


20年前,美国“发现号”航天飞机将著名的“哈勃空间望远镜”(简称“哈勃”)放进了轨道,这个用高技术装备起来的第一部新一代空间望远镜正在探索宇宙边缘。它给了我们许多发现,许多惊奇。它是当代最精良的天文观测设备,能够同时拍摄百万颗恒星照片,它拍摄的照片比地面天文望远镜拍摄的清晰十多倍。通过在轨道上的四次大修,它成功地进行了长达19年、总共88万多次的宇宙观测,对2.9万个宇宙天体拍摄了57万多张照片,传回地球5万张高质量的精美图片,它取得的数据足以堆满两个美国国会图书馆。“哈勃”创造了许多太空观测奇迹,例如,发现了黑洞存在的证据,探测到恒星和星系的早期形成过程,观测到目前人类所能触及的最遥远(距离地球130亿光年)的古老星系,探明宇宙年龄为137亿年。这些观测对世俗文化有着极大的冲击力,对人类建立新的宇宙观有着极为重要的影响。


今天,用高技术装备起来的其他越来越多的望远镜正加入到“哈勃”的行列,共同揭示宇宙中那些令人难以理解的奥秘:宇宙的大小、年龄和激烈的程度。20世纪伊始,开始了一场天文学革命,其标志就是建造新的望远镜。这是一场持续改变我们对宇宙的感性知识、扩张我们感知的宇宙边缘和让我们永远在发现之旅上奔驰的革命,今天我们仍在这条革命道路上向前跑。


这场革命的第一步是一位名叫乔治·埃勒里·海耳的天文学家攀登加利福尼亚帕萨迪纳海拔2000米高的威尔逊山。天文学家早就认识到,要想得到真正好的天文观测资料,就要选择好的观测地址,因此天文学家往往不远万里选择天文台台址(例如中国科学院紫金山天文台曾经到荒凉的青海省德令哈建立毫米波观测站,而不是在原来的老天文台安装新的望远镜)。作为天文学家,海耳清楚地知道地球大气对天文观测的重要性。在天文学教科书里,“大气折射”、“蒙气差”对天文观测的不利影响有充分的描述:地球大气能改变天体光线的入射方向,在观测的天体位置上造成误差;浓密的大气层还有消光作用,导致从天体来的光线大大减弱。在威尔逊山上建立天文台,把歪曲和减弱望远镜成像能力的低层大气中的云和雾统统“踩”在脚下,是提高天文观测质量的重要举措。因此海耳要看看在这座山的山峰上能否建造一个天文台,让稀薄的大气变得清澈透明,更有利于天文观测。


100年前,在山顶上建天文台的想法是具有革命性的,也是一个巨大的挑战。把几百吨重的钢铁和混凝土一点一点地沿狭窄的山路拉上山是不容易的,但为了换取清澈明净的天空,花点功夫也是值得的。威尔逊天文台建成后将是当时地球上最高的天文台,并为全球天文台勾画出蓝图。


这个天文台是海耳的梦想,他要在这样的天文台上解决最大的宇宙之谜:找出我们的银河系之外是否还有其他世界。对海耳来说,解决天文台的高度仅仅是第一步,为了观测使人目眩的深空宇宙,他需要在天文台上安装当时世界最大的新望远镜。


望远镜是光线的“收集桶”,较大的望远镜可以收集较多的光线,可以聚焦较暗的星。在海耳时代,大多数望远镜是用玻璃透镜聚焦光线的,当玻璃透镜被做得很大时,其自身重力也会变得很大,使望远镜弯曲变形,造成星像失真。这里的“变形”,术语称为“畸变”。因此,玻璃透镜不能做得很大。海耳需要一种新设计的望远镜,要求望远镜能收集大量光线,但不能用玻璃透镜。经过周密思索、比较,海耳决定采用伊萨克·牛顿在1688年创造的反射望远镜。这种望远镜用弯曲的镜面代替玻璃透镜,把光线反射到一点来聚焦。海耳采用这种结构,用n年时间把反射望远镜制作出来。这部望远镜的曲面镜直径2.54米,重400千克,安置在12.2米铸铁管底座上,整个装置安置在30米直径的圆顶内。1917年,公众见到这架当时世界上最大的望远镜时一片哗然。


美丽的安德罗美达


威尔逊山上新建成的望远镜成为当时美国的科学眼睛,也是世界的科学眼睛,它的出类拔萃赢得了各国天文学家的青睐,他们飘洋过海,从世界各地聚集到威尔逊山,轮流守候在它身旁,用它观测星空。在天文望远镜殿堂里,威尔逊山的望远镜当之无隗地赢得了“宇宙历史上最重要望远镜”的美誉。


这架望远镜很快被用来揭示天文学上一个久未破解的奥秘:星云。星云是一种让人费解的天体。凭视觉看,它们是恒星之间云雾状的巨大发光体,浑然一体,千变万化,互相涉及,互为因果。有些星云是卵形漩涡,有些是由恒星组成的纤细漩涡,还有一些有着分岔的“触须”。根据它们的辐射和形状,星云被分为发射星云、反射星云、暗星云、超新星遗迹、弥漫星云和行星状星云。人们通过望远镜见到了几百个星云,却一直无人知道它们是什么,也不知道它们离我们有多远。后来,经过观测研究,人们才知道星云有两类,一类在银河系内,一类在银河系外。银河系内的星云才是真正的星云,它们是气体和尘埃形成的云雾状物质,而银河系外的“星云”则是由几千亿颗太阳一样的恒星组成的河外星系。


测定一个星云是银河系天体还是河外星系,就需要测出它到地球的距离,而测定星云的距离是不容易的,在广袤的太空中确定天体距离是对天文学家最大的挑战之一。天体的距离是靠观测其光线来确定的,天体的光线犹如汽车的头灯,距离越近,看起来越亮。但是,星星并不是我们想象的那样分布在与我们距离相同的球面上。这种“相同”是投影产生的错觉。实际上,不同的天体到我们的距离千差万别,各不相同。我们有这样的常识:在较远距离上,汽车头灯可能与距离近的自行车头灯有着同样的亮度;而当汽车越来越近时,汽车头灯就比自行车头灯亮多了。


天体的情况也是一样。因此,测量天体的距离需要有一盏标准的“天灯”做“量天尺”,这把“量天尺”通常用符合条件的恒星(遥远星系内特别明亮的恒星)来做,并且有一个专用名称一“标准烛光”。


美国天文学家哈勃测量了仙女座星云,这个星云有一个凄美的神话故事。“仙女座”译成中文是“安德罗美达”。在希腊神话中,安德罗美达是依索比亚国王克甫斯和王后卡西奥佩娅的女儿。卡西奥佩娅因不断炫耀自己的美丽而得罪了海神波塞冬的妻子安菲特里忒,后者要波塞冬替她报仇。波塞冬遂派海怪蹂躏依索比亚。克甫斯得知此事后非常害怕,请求神谕解救。神谕暗示,唯一的办法是献上安德罗美达,用铁索把她锁在海怪(鲸鱼座)必经之路的巨石上,任由海怪蹂躏。克甫斯夫妇按照神谕的话做了,可怜的安德罗美达受尽折磨。后来,英雄帕修斯路过这里,看见安德罗美达的惨痛,立即拿出腰间悬挂的蛇发魔女墨杜莎的人头对着海怪,海隆顿时化为岩石,原来这是由于墨杜莎有一对闪闪发光的特殊眼睛(现在称墨杜莎的“眼睛”为“大陵五”,是一对互相绕着转的食变双星)。帕修斯杀死了海怪,救出了仙女安德罗美达,演绎了一段英雄救美的佳话。


说完故事,再谈哈勃的观测。哈勃先在仙女座星云中寻找造父变星,因为他选择造父变星作为“标准烛光”。他仔细地对仙女座星云的照片分析了几个月,1923年10月6日,他终于在仙女座边缘上找到了一颗造父变星。哈勃喜出望外,在照片上画了两条黑线,并在黑线之间标出造父变星的位置,写上“变!”作为槲己。


利用造父变星,哈勃测量出仙女座星云到地球的距离约为80万光年,比银河系内已知最远的恒星还远8倍多。这个数据无可辩驳地表明,仙女座星云是银河系边缘外的星系。这次测量是改变历史的测量,哈勃非常激动地提起笔,在“仙女座到我们地球的距离比我们银河系远8倍多”这句话后面打了一个大大的惊叹号。


哈勃是幸运的,因为他有机会接受海耳的邀请,参与了星云距离的测量。哈勃的成功也是意料之中的。作为当时最著名的观测天文学家之一,每到夜幕降临、华灯初上的时候,哈勃便打开天窗,守候在2.54米望远镜旁。哈勃用辛勤的劳动获得了仙女座星云的前所未有的细节,他的发现彻底改变了我们对宇宙的认识,大大延伸了宇宙的前沿,从此银河系不再是宇宙的全部,仙女座星云也不是独一无二的河外星系,仅哈勃一人就观测到了好几十个河外星系。位于银河系外面的星云就像辽阔海洋中的岛屿,星罗棋布地散布在广袤的宇宙中。天文学家形象地称它们为“宇宙岛”,把密布“岛屿”的宇宙叫做“岛宇宙”

“岛宇宙”的出现打破了银河系是宇宙边缘的旧观念,“河外有河,天外有天”,辩证法在这里得到了很好的诠释。哈勃用当时望远镜的观测资料深刻地改变了人类的宇宙观。今天,最大的望远镜仍在观测宇宙,而且比哈勃时代观测的范围更加广阔。今天望远镜穿越了100多亿光年,“看”到了数千亿个星系位于我们的银河系外面,每一个星系都由数千亿星组成。天空中的星星数比地球上所有海滨和沙漠的沙粒的总和还要多!


破译星光密码


19世纪初,英国物理学家渥拉斯顿制造了一架分光镜,用来分析太阳光。这是一架破译光线密码的仪器,它能像雨后彩虹那样把白色太阳光分离成五彩缤纷的光谱,让隐藏在光谱里的宇宙奥秘暴露在天文学家面前。分光镜之所以具有奇妙的功能,源于光线是一种电磁波,每一种颜色都有自己的波长。红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的波长依次变短,频率依次变高,红光波长较长,频率较低,紫光波长较短,频率较高;白光是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的光线混合而成的。因此,利用分光镜可以分析出天体发射的光线里含有哪些成分。换句话说,利用分光镜可以破译天体光线的密码,获取天体的信息。


1842年,奥地利物理学家和数学家克里斯琴·约翰·多普勒提出一条原理,被称为“多普勒原理”。该原理指出,当发射光线的物体相对于观测者运动时,观测到光线的波长要发生变化——光源向观测者运动时,光被压缩,波长变短,频率变高,出现蓝移(也称紫移);相反,当光源背离观测者运动时,光被拉伸,波长变长,频率变低,出现红移。光源运动的速度越高,这种效应越显著。因此,根据光线是红移还是蓝移,可以计算出光源在视线方向的运动方向,根据红移或蓝移的大小,可以计算出光源在视线方向的运动速度。根据多普勒原理,恒星光谱线的位移既能显示恒星是向着还是背着观测者运动,也能据此计算出恒星的运动速度大小。


1928年,哈勃利用多普勒原理研究新发现的星系的红移,借以找出星系的移动速度。他分析了许多星系的速度,并按照星系的远近列成表,观察它们的速度同星系距离的关系,结果得出了一个令人震惊的结论:离我们越远的星系红移越大,远离的速度越快。1929年,他在星系速度与距离之间建立了一个有趣的关系:离开越远的星系红移越大,远离的速度也越大。这就是著名的哈勃定律。由这条定律得出结论:宇宙在膨胀。


哈勃的发现引出一个问题:如果宇宙在膨胀,那么是什么促使它膨胀的呢?天文学家从哈勃的发现中寻找出答案。哈勃发现,宇宙中的星系在相互移开,用天文学上的术语,叫做“退行”,而且是自然“移开”的。所谓宇宙在膨胀,并非星系在离开我们,而是空间本身在伸展。也就是说,宇宙和星系就像练球房和球一样,球是星系,练球房就是宇宙,练球房“膨胀”了,球与球之间的空间自然就增大了。科学家由此想到:在过去某些时间,“练球房”和“球”不都在一个中心点吗?追溯到过去,中心点——宇宙的爆发点温度比现在高,密度比现在大,而且越早期温度越高,密度也越大。宇宙是从一个高温、高密状态膨胀演化而来的。因此,苏联著名天文学家伽莫夫在20世纪50年代提出了大爆炸宇宙学理论。


根据这一理论,大爆炸发生在一瞬间,而宇宙就是在这个瞬间诞生的。宇宙诞生以后,曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期,宇宙体系并不是静止的,而是在不断膨胀,使物质密度从密到稀演化。根据大爆炸宇宙学,大爆炸的整个过程是:在宇宙早期,温度极高,在100亿K(开氏度)以上,物质密度也相当大,整个宇宙体系达到平衡,那时宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质;由于整个宇宙体系在不断膨胀,结果温度很快下降,当温度下降到10亿K左右时,中子开始失去自由存在的条件,或者发生衰变,或者与质子结合成重氢和氦等元素,开始形成化学元素;当温度进一步下降到100万K后,早期形成化学元素的过程结束,宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核;当温度下降到几千摄氏度时,辐射减退,宇宙间的物质主要是气态物质,气体逐渐凝聚成气体云,再进一步演化形成各种各样的恒星、星系和星系团,成为我们今天看到的宇宙。


“无意”获得诺贝尔奖


今天的人们无法回到宇宙初期目睹宇宙演化的真实画面,只能依据观测资料,运用物理理论进行分析,推断出大爆炸的大致过程。所谓观测资料,是指散落在宇宙空间的大爆炸余赆——微波背景辐射。


1964年,美国贝尔实验室的阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊两位研究人员为了检验一台巨型天线的低噪声性能,把天线对准了没有明显天体的天空区域进行测量,无意间收到一个相当大的微波噪声,波长7.35厘米。精确测量显示,这种辐射的温度相当于绝对温度为3K的黑体辐射。而且无论天线指向何方,它们都存在。彭齐亚斯和威尔逊最初怀疑设备出了问题,产生了干扰,于是他们对仪器的各个部件进行试验,甚至扫去了天线内的鸽子粪便。他们从冬到夏,夜以继日地做试验,观测了天空每一个可能的方向,甚至就连对两年前夏季发生的一次高空核爆炸是否产生了带电粒子都做了考虑。但是各种考虑都徒劳无功,找不到信号来源。这种既不是来自天体辐射、也不是仪器干扰产生的微波噪声,看来只可能是广阔宇宙空间产生的了。难道虚无缥缈的宇宙空间存在背景辐射吗?两位研究人员找不出答案。由于无法解释这个温度的来源,尽管他们对自己的结果确信无疑,却没有公布测量结果。


1965年,彭齐亚斯和威尔逊获悉,以迪克为首的普林斯顿大学研究小组正在研究宇宙背景辐射,他们立即与迪克教授取得了联系。经过双方深入讨论,彭齐亚斯和威尔逊初步断定,他们发现的正是普林斯顿大学研究的宇宙背景辐射。他们估计,迪克等人之所以没有探测到这种辐射,乃是因为他们的天线灵敏度不够。于是,彭齐亚斯和威尔逊撰写了一篇600字的论文——《在4080兆赫处天线附加温度的测量》,宣布了他们的成果。


就这样,彭齐亚斯和威尔逊“意外”地发现了宇宙微波背景辐射(简称CMB),看到了大爆炸的余辉,听到了“开天辟地”的声响。他们是幸运的,而更幸运的是,他们的发现为大爆炸理论提供了证据,对科学发展做出了巨大贡献。为了彰显他们在科学上的贡献,瑞典诺贝尔委员会1978年授予他们诺贝尔物理学奖。


从此,宇宙微波背景辐射成了天体物理学家和宇宙学家案头的热门研究课题,理论家研究它的理论,观测者则观测它的细节。美国宇航局的“宇宙背景辐射卫星”(简称COBE)在1989年11月应运升空。这个探测器成功地给出世界上第一张微波背景辐射温度图,图上显示出天空区域的平均能量(或温度)有万分之一起伏,冷的区域与热的区域交替涨落。这些观测暗示,微波背景辐射是不均匀的。理论家认为,微波背景辐射是大爆炸的余烬,大约产生于大爆炸之后38万年,较“热”的光子来自早期宇宙的稠密区域,起伏现象表明恒星和星系是物质分布不均匀的结果。这一结论把宇宙学家的视线引向了宇宙的“婴儿时期”。


研究极早期宇宙,需要高分辨率的探测资料,探测这样的资料,“宇宙背景辐射卫星”是办不到的,因为它的传感器分辨率不够。于是,在2001年6月30日美国宇航局发射了“威尔金森微波各向异性探测器”(简称WMAP),这个探测器的外形与彭齐亚斯和威尔逊的巨大天线相类似,但性能精良得多,并且装备了两架反射望远镜。整个装置在距离地球约150万千米的第二拉格朗日点上飞行,进行复杂的全天扫瞄,全天扫瞄一次需6个月。WMAP的飞行目的是高精度地检测大爆炸辉光,尝试寻找星系形成的原因和察看大爆炸之初的状况。


WMAP在多年飞行中取得许多重要成果,科学家于2003年公布了其第一批观测结果,随后又相继发布了多批观测资料。根据WMAP的观测结果绘制的宇宙微波背景温度图揭示了大量信息,图上小红点是物质开始聚集、最后形成星系团的地方,是揭示恒星和星系最初如何形成的至关重要的证据。


WMAP是比较精确的探测器,它的资料既帮助天文学家推断出宇宙很早的时期(大爆炸之后约亿亿亿分之一秒)发生的事,也让天文学家揭示了巨大的宇宙之谜——宇宙的精确年龄。一般认为,自大爆炸以来宇宙的年龄是137.5亿年,误差为正负1.1亿年;而根据WMAP的观测得出的数据是137.3亿年,误差为正负1.2亿年。137亿岁的宇宙很古老,但却不是无限大的。根据宇宙的年龄,科学家立刻计算出宇宙的大小——从宇宙诞生点到宇宙边缘的长度,即宇宙半径。在地球上看,宇宙半径等于光速与宇宙年龄的乘积。所以,宇宙年龄是137亿年,就意味着宇宙半径相当于137亿光年。光速虽然很大,但却是有限值,宇宙年龄也是有限的,两个有限数相乘,其结果一定也是有限大的。因此,宇宙一定是有限的。然而,哲学上认为宇宙是无限的,人的认识也是无限的。WMAP得出的结论与辩证法相悖,这是怎么回事?原来,尽管WMAP观测的宇宙边缘比其他望远镜远得多,其测量数据达到最接近真实值,但仍然只能探测有限的宇宙。


观测工具的进步必定带来新的认识:根据WMAP测量出的宇宙的物质成分分析,我们的宇宙主要是由看不见的暗能和暗物质组成的,暗能占73%,暗物质占23%,整个宇宙只有4%的物质是看得见的。唉,人类用望远镜观天400年,竟然只看到了4%的宇宙!


独一无二的“哈勃”

WMAP把我们从地球上带回到宇宙诞生后亿亿亿分之一秒的时刻,又把前人从未见过的宇宙边缘的细节展现在我们面前,这是历史上任何其他望远镜所不及的。然而,记录这些结果的是人眼看不见的微波辐射,那么什么时候我们才能用普通的可见光观测宇宙中的星系呢?科学家给出的答案是,“等到光学望远镜技术获得巨大飞跃并且用来指向天空的时候。”我们幸运地看到,这一天已在1990年4月25日到来了。这个展示“光学望远镜技术获得巨大飞跃”的“哈勃空间望远镜”的发射,打开了宇宙的一个新窗户。


“哈勃”由美国宇航局和欧洲空间局合作研制,由美国“发现号”航天飞机部署进轨道。“哈勃”的发射实现了天文学家莱曼·斯必泽(也译作斯皮策)在太空建立天文台的梦想。1946年,斯必泽在《在地球之外的天文观测优势》一文中指出,太空中的天文台有两项优于地面天文台的性能。其一,角分辨率不受星光闪烁、大气湍流的影响;其二,在太空,红外和紫外观测没有大气层的吸收。“哈勃”的轨道在地面以上600千米的高空,那里既不受地球大气对天文观测的影响,也没有烟、雾、云遮蔽宇宙光线之忧,因而大大提高了望远镜观测天体的能力。


“哈勃”是一架经典光学望远镜,长13.3米,直径4.3米,重11.6吨,造价近30亿美元。其望远镜主镜是卡塞格林式反射望远镜,口径2.4米,能在光学、紫外和红外等多个波长范围工作。同地面大望远镜相比,“哈勃”的口径不算大,但由于在大气层上面观测,摆脱了大气束缚,因此具有空间分辨率高和天光背景暗的突出优点。此外,“哈勃”带有广角行星照相机,可同时拍摄百万颗恒星照片,拍摄的照片比地面同类天文望远镜拍摄的清晰十多倍。所有这些突出优点使得“哈勃”成为当代最精良的天文观测设备。


“哈勃”的基本任务是拍摄天体像,它的“大眼睛”在真空中“注视”两星期就能得到一张天空像片,这种像片不是计算机制作的,而是数字图像。“哈勃”拍摄的图像犹如晶体一样清晰,它们都反映出很异常的空间事件,如爆炸星的遗迹、空间的流体——正在诞生新恒星的巨大气体和尘埃云,它们在巨大盘面上涡旋和碰撞以创造出超级星系的遥远星系等。


望远镜是时间机器,我们现在看到的光子实际上是从130多亿年前开始旅行的,它们穿过漫长的星际空间来到我们这里。所以,利用“哈勃”不仅能看到光线向外穿越的空间,而且能让时光“倒流”,看到光线的出发点。1995年,“哈勃”做过一次逆转时间回头看光线出发点的试验。试验是这样进行的:先把“哈勃”指向宇宙中一个黑点(即天空中什么也没有的点),然后对天空中这个黑点观测10天,犹如它在通过银河系的一个小钥匙孔观测外面的宇宙一样。据实验人员描述,“哈勃”在那个黑点上见到了1万个星系。在像上看到的每一个光点代表一个星系,每一个星系都由数千亿颗太阳那样的星组成。这种像叫做“哈勃深空场”。“哈勃深空场”表明,从星系来的光线比人眼看到的任何光线暗40亿倍!而且那些光线在几十亿年前就开始旅行了。“哈勃”的镜面进行过4次升级,在2009年最后一次飞行中获得的新“深空场”表明,它见到过大爆炸后近6亿年的最远的星。


“哈勃”创造了许多太空观测奇迹,发现了黑洞存在的证据,探测到恒星和星系的早期形成过程,观测到目前人类所能触及的最遥远天体——距离地球130多亿光年的古老星系。利用这些观测资料,天文学家提出了7500多份科学研究报告,并且取得12项最重大科学发现,其中与宇宙学相关的发现就有8项,它们分别是:证实了暗物质的存在,探测到类星体明亮的光线,发现宇宙正加速膨胀,揭示星系形成全过程,“称重”超大质量黑洞,观测到宇宙中最强烈的爆炸,观测到恒星壮观的死亡过程,发现宇宙年龄为130多亿年。我们有理由相信,在一定意义上,“哈勃”在科学史上是真正独一无二的。


超大型望远镜扬威

在当代天文界,有两种设备获得很高的声誉,一是“哈勃”,二是地面超级望远镜组成的庞大网络系统。前者因揭示了宇宙的许多奥秘而光环闪烁,后者则因调查了一项轰动整个天文学界的发现而备受好评。这项发现就是迫使我们改变对我们头顶上宇宙的许多看法的神秘力量——“暗能”。美国《科学》杂志评价说,“发现暗物质和暗能存在的新证据,是2003年所取得的最重大科学突破。”


暗能是迄今发现的最神秘的东西,对于它科学家至今仍无深刻了解。暗能是从无有(或称真空)中产生的。暗能的发现是偶然与必然相结合的结果。在20世纪90年代中期,一个包括阿列克斯·费利彭科在内的天文学家小队来到夏威夷莫纳克亚山上的凯克天文台观测遥远的宇宙。他们知道宇宙是膨胀的,但怀疑宇宙是否能一直膨胀下去。他们有一个理论:宇宙实际上有可能停止膨胀和开始减慢膨胀。他们认为,这如同向空中抛苹果,地球对苹果的吸引力使苹果向上的速度越来越小,最后停止运动并向相反方向运动。所有星系之间都有相互吸引力,这些力都可以使宇宙膨胀变慢、停止,然后变成向相反方向膨胀,成为一次“大收缩”。


宇宙真的能自己往回收缩吗?要回答这个问题,需要在地球上测量宇宙边缘的速度。由于距离遥远,这种测量需要最强大的望远镜。这时,直径10米的凯克望远镜吸引了许多观测者。凯克望远镜是由3献边形镜片组合而成的,是一架极其出色的天文望远镜,它能使我们对120亿光年远的可见宇宙边缘的星系逐个进行观测。但是,就像其他地面望远镜一样。为了找出这些遥远星系的实际距离,需要有“标准烛光”。哈勃当初是用造父变星作“标准烛光”的,但要测量比哈勃测量的远得多的星系,造父变星就显得太暗了。所以,天文学家现在测量遥远星系时采用的“标准烛光”是Ia型超新星。他们利用Ia型超新星测量了红移,计算出这些遥远的星系远离地球的速度。经过几年的观测和计算,他们在1998年得出令人震惊的结论:宇宙膨胀完全不是减慢,而是加速。因此,用扔苹果类比的想法是错误的,这是由于推动宇宙加速膨胀的不是引力,而是一种神秘的力——斥力,天文学家称为“暗能”。


“暗能”是什么?它对宇宙运动加速起了什么作用?目前这些都是谜。暗能是一种假想的物质,很均匀,很稀薄,密度约为每立方厘米10的负29次方克。正因为暗能很稀薄,所以很难在实验室里探测它,只能通过它造成的宇宙加速膨胀来了解它的存在。根据现代“宇宙学标准模型”,它建立起73%~74%的宇宙能量。有人提出这样一些疑问:在暗能推动下,宇宙会一直加速膨胀下去吗?长期加速膨胀下去的宇宙最终会爆裂吗?这些问题目前都无答案。


望远镜不断地打开宇宙的新窗户,科学家每次通过望远镜考察宇宙新的领域都会发现新的惊奇。

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