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宇宙膨胀背后的故事(31):神秘可测的浩瀚宇宙

1995年,哈勃望远镜在执行繁忙观测任务之际,抽空指向了一个不应该瞄准的方位。那里是漆黑一片的宇宙荒漠,除了零星几颗星之外,没有值得动用哈勃望远镜的观察目标。

但这一别出心裁之举给天文学家带来了莫大惊喜。哈勃花10天连续采集那块荒漠中稀有的光,却传回地球一张群星璀璨的照片。当然,照片上的亮点不是恒星,而是巨大的星系。这些星系离地球非常遥远,以往从来没有在地球上任何强大望远镜中出现过。只有在突破大气层之后,人类才偷得这惊鸿一瞥。

这一片“新天地”被命名为“哈勃深空”(Hubble Deep Field),那些光点在100亿光年之外,是迄今人类看到最远的星系。哈勃望远镜视角有限,哈勃深空不过是天幕上极小的一个斑点,那里却也有着3000来个星系。

两年后,哈勃视角故地重游,再一次给哈勃深空拍了照。这次发现了两个新的亮点,他们认为这是那里出现的超新星,即被命名的SN1997ff和SN1997fg。

在那么遥远的哈勃深空,超新星爆发因为相对论效应会在时间上拉得很长,相对容易碰巧遇到。但由于哈勃深空的视角范围非常小,3000个星系中随时发现超新星依然是很小几率的事件。

里斯这时已经在哈勃望远镜研究所工作,他纠结哈勃深空的超新星足足四年之后的某一天,突然脑洞大开——哈勃望远镜是共享资源,无数团队用它执行各种观测任务,或许有人无意中拍摄到哈勃深空的照片,说不定其中就有哈勃深空的超新星。里斯在存档的数据库中一番查找,发现哈勃望远镜在1997年装配新成像设备,正是用哈勃深空那片没什么动静的地方做基准进行调试,并拍了一系列照片。他打开一看,SN1977ff赫然就在其中。里斯如获至宝,立即发挥他的专长进行数据分析。

在2001年的一次学术会议上,里斯对近年超新星研究的进展做了系统回顾。他再一次拿出哈勃图上的那条象征宇宙恒速膨胀的直线,然后一个又一个地展示哈佛和伯克利两个团队相继发现的超新星。这些超新星都规规矩矩地坐落在直线的一侧,形成一条光滑曲线——这是1998年发现宇宙加速膨胀的证据。里斯在学术会议的最后,他把遮住图像最右端的纸片拉开,向世界第一次公开了他的最新发现:SN1977ff——110亿光年之外,人类所知最遥远的超新星。

这颗星孤零零地出现在图中的一个角落,它既不在哈勃直线上,也不在宇宙加速膨胀的曲线上,而是单独坐落在哈勃直线的另一侧。在里斯看来,这意味着宇宙的膨胀在减慢。此前,珀尔马特因为一颗更新、更可靠的超新星数据否定了以前几颗星的既成结论,难道这一颗星又是乌龙再现?然而在场的天文学家并不惊异,相反,他们却不约而同露出了欣喜、会心的笑容,因为这正是他们所期望的结果。

1990年代是哈勃望远镜大放光彩的年代,天文学中曾争议几十年的一些老问题在它那强有力的镜片背后迎刃而解。1994年,桑德奇的同事芙莉德曼(Wendy Freedman。通用译名是“弗里德曼”,为区分前面的Alexander Friedmann,这里采用不同译法)宣布了又一个重大突破:她的团队用哈勃望远镜系统地测量了星系的距离和速度,再度证明了哈勃定律。

让媒体轰动的是她发表的、所谓的历史上最精确的哈勃常数数值。从勒梅特、哈勃、胡马森到桑德奇等,哈勃常数是天文学界横贯半个世纪的永恒争议。芙莉德曼公布的结果介于桑德奇和他的宿敌德沃库勒尔相差两倍的两个数值之间,不是桑德奇坚持的那么小。这样一来,哈勃常数的倒数表明宇宙的年龄又一次“只有”120亿年,比宇宙中最古老的恒星年轻。舆论正是因之大哗。

但仅几年后,这个曾经让三代天文学家困惑的难题就自我消失了:宇宙年龄是哈勃常数的倒数,这只是在假设宇宙匀速膨胀的前提下倒推的结果。加速膨胀宇宙的年龄不再是简单的倒数,宇宙年龄会更大一些,要比其中的恒星更古老。

当然,天文学是否成为精确科学,最引人注目的是如何为那神秘的暗物质、暗能量做出精确定量。21世纪初,150多位天文学家合作对天空一个区域进行了一次规模庞大的“普查”,即“宇宙演化普查”项目(Cosmic Evolution Survey,简称“宇宙”:COSMOS)。该项目以哈勃望远镜为主,辅以地面上各个大型天文望远镜,为星系编撰详细的地图。同时还注重于寻找星系之间构成引力透镜的机遇,连续发现了500多个实例。研究作为透镜的星系或星系团——通过光强测量星系中发光体的多少;通过透镜折射的程度推算星系的总质量;再将二者相比较,便可计算出星系中暗物质的质量。这样,他们对宇宙中寻常物质和暗物质的总量及其分布就有了相当准确的把握。

普查还带来意外的惊喜。在一个引力透镜的实例中,作为透镜的不是一个寻常的星系团,而是两个正在碰撞的星系,其中较小的星系像子弹般穿过较大的星系,正在另一端露出弹头。这个被命名为“子弹星系团”(Bullet Cluster)的特例为天文学家提供了研究星系碰撞动态性质的宝贵机会。综合不同观测方式的数据,他们发现暗物质与寻常物质的分布不再大致重合,而是有相当程度的分离,似乎二者有着不同的动力学表现。因此,子弹星系团照片引人注目,随即成为暗物质的最直观的证据。

两个星系碰撞所组成的子弹星系团的假彩色合成照片。其中粉红色和蓝色分别是寻常物质和暗物质所在的区域

2001年6月30日,美国航天局又一颗科学卫星升空(“微波各向异性探测器”:Microwave Anisotropy Probe;简称“测绘”:MAP),接替十多年前的“科比”以更高精度探测宇宙微波背景辐射。MAP的主要倡导者之一是狄克的学生、皮布尔斯的同学威尔金森。当年如果不是被彭齐亚斯和威尔逊意外抢先,威尔金森和狄克、皮布尔斯一起应该成为宇宙微波背景辐射的发现者。MAP上天一年后,威尔金森因病去世。作为纪念,这个卫星正式改名为“威尔金森微波各向异性探测器”(WMAP)。

WMAP并不是一般的地球卫星,它不在绕地球的卫星轨道上运行。它被送到距离地球150万公里的特殊所在,与地球一起绕太阳运行。那里是太阳和地球的引力“合作”点——“拉格朗日点”(Lagrangian point),能够保持探测器与太阳、地球步调一致,其相对位置恒定不变,WMAP可以永远地躲在地球的阴影里,不受太阳光影响。

WMAP常年巡天,不间断地收集微波辐射信号,绘制宇宙背景的详细地图。仅两年后,WMAP便开始传回宝贵的数据。2003年,《科学》杂志又将其年度“科学突破”授予宇宙学领域,表彰WMAP的发现。

它验证了芙莉德曼对哈勃常数的测量,并很精确地得出宇宙的年龄为137.72亿年,误差不到百分之一。但它的主要任务——正如它的名字,是要拍摄宇宙微波背景中的“各向异性”。十年前的科比已经为宇宙背景辐射拍下第一张全景,证实了微波背景不是光滑的一片,而是分隔成区域,其间有着微小的温度差异。这些差异是宇宙暴胀之后来自量子力学所谓的量子随机涨落。但科比所拍摄的照片还只是粗线条,区域边界模糊不清。WMAP的任务就是要拍一张更清晰的、能辨识各向异性区域的边界的照片,因为这对于了解宇宙的几何性质和暗能量有着非同小可的重要性。

19世纪初,德国大数学家高斯(Carl Gauss)负责他所在的汉诺威公国的地图测绘,他有一个宏大的构思,要在当地的三座高山顶上测量它们构成的三角形的夹角。按照欧几里德几何,三角形三个内角之和是180度,高斯想实际地验证一下。但那时的仪器不可能有足够的精度,结果只能不了了之。后来高斯的学生黎曼(Bernhard Riemann)发展出一套非欧几里德几何学,为后来爱因斯坦建立广义相对论提供了数学基础。将近200年后的今天,天文学家已经不再认同爱因斯坦那个“有限无边”的球形宇宙模型。越来越多的证据表明,宇宙其实“只”是平坦的欧几里德空间。要确证这一点,最好的方法就是像高斯那样,在宇宙中画一个巨大的、宇宙尺度的三角形,测量其内角。当然,三角形的一个点只能在地球上或附近,另外两个点可以坐落在地球上能看到的最遥远的所在:宇宙微波背景。

宇宙微波背景来自大爆炸之后30万年。那时,宇宙中以光速传播的粒子最多只走了30万光年的距离。因此,在那个背景上,同样温度的区域的大小应该不会超过30万光年,否则它们互相之间无法取得联系而达到热平衡。也就是说,背景上那些不同温度的区域边界可以用来作为三角形的一个边,而边长已经知道——30万光年,另两条边的边长也很固定——都是地球到背景的距离。当WMAP以其比科比更强的精度拍摄出不同区域鲜明的边界时,就提供了无数这样的三角形,也就可以在宇宙尺度上实现高斯设想,验证欧几里德的原理。

其实,在WMAP之前,科学家就已经通过高空气球对宇宙背景做了测量。WMAP在太空的拍摄能把这一测量提高到几乎毋庸置疑的精度。得到的结果是,在不到百分之一的误差下,宇宙尺度三角形的内角之和是180度,的确是一个平坦的欧几里德空间。

科比、WMAP和普朗克卫星(自上而下)分别拍摄的宇宙微波背景图

WMAP在太空延续了近十年,在2010年结束。但测量宇宙微波背景的使命并没有结束,欧洲航天局于2009年发射了“普朗克”卫星,以更高的精度接替WMAP。彭齐亚斯和威尔逊在1960年代初无意中发现的这个微波背景,在新的世纪持续并越来越清晰地为人类展现宇宙的秘密。

爱因斯坦在广义相对论中引进宇宙常数(Λ)是无中生有的人为参数,无法从物理原理中确定。当哈勃的观测改变了人们对宇宙的理解时,爱因斯坦立即放弃了宇宙常数,或者说他用新的现实重新拟合了宇宙常数:Λ = 0。

1990年代初期,特纳、皮布尔斯等“无赖宇宙学家”指出,宇宙中的寻常物质、暗物质和暗能量对宇宙质量密度的总贡献必须让它处于临界密度,亦即:Ω = 1,这样才能得到一个平坦的宇宙空间。当宇宙加速膨胀证明了暗能量的存在,WMAP证实宇宙确实是平坦的之后,他们的无赖已经转变为天文学的新现实。

按照“引力透镜”和“普查”的结果分析,寻常物质、暗物质对Ω的贡献只有大约0.27,剩下的0.73只能靠暗能量来弥补。暗能量远远多于物质,它占了Ω的几乎四分之三。

在1970年代,物理学家从微观上建立了完整的“基本粒子标准模型”,在20-21世纪之交,天文学家又为宏观宇宙建立了标准模型:ΛCDM理论(Λ代表暗能量,CDM则是冷暗物质的英文缩写)。这个理论能够精确定量地描述宇宙年龄、宇宙平坦、膨胀等观测事实。

在爱因斯坦的场方程中,物质——无论是寻常物质还是暗物质,其质量和能量是以密度的形式出现。质量和能量可以互相转化,但它们的总量守恒不变。宇宙膨胀则体积变大,密度变小,早期宇宙的质量能量密度要比现在大得多。

ΛCDM理论中的宇宙膨胀既不是匀速的,也不是一直都在加速。它取决于暗物质和暗能量的此消彼长。早期的宇宙膨胀会减速,但随着膨胀的继续,宇宙膨胀会从减速变为加速。

里斯分析的那颗最遥远的SN1997ff超新星出现在110亿年前,那时的宇宙正处于阶段。大家之所以对里斯展示的结果不惊讶,而是期望这个结果,就在于SN1997ff不仅没有否定几年前的结论,还恰恰又一次证实了ΛCDM理论。而且,SN1997ff与其它星的相反表现在很大程度上证明了超新星的结果不是来自某种未被认识物质或系统误差。

宇宙的减速膨胀和加速膨胀如同行驶中的列车在刹车变速,里斯把宇宙的那一刻形象地称作“宇宙搐动”(Cosmic Jerk),他的超新星证明了的确有过那一时刻——在大约50亿年前。在英语中,“搐动”做名词时是“混蛋”的意思。

在ΛCDM标准模型中,所有星系的亮光所组成的视觉宇宙不过是宇宙整体的百分之四。在那之外还有不发光的物质,比如黑洞、星际尘埃和气体等等,它们与看得见的星系一起是宇宙的寻常物质部分,总体只是宇宙的百分之四。

宇宙成分图。从大到小分别为暗能量、暗物质、不发光物体和发光物体

那百分之九十六的宇宙主体是直到1970和1990年代才分别被科学界主流所接受的暗物质和暗能量,它们才是真正宇宙浩瀚之所在。无怪乎有天文学家曾戏谑:我们和我们以为的宇宙,不过只是宇宙中的污染,微不足道。

我们依然不知道暗物质、暗能量是什么?21世纪初,暗物质和暗能量从“未知的未知”(unknown unknowns)进入“已知的未知”(known unknowns),让我们意识到一个更深邃更隐秘的宇宙。

来源:程鹗 的博客

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