宇宙传奇

 

　　在哈勃望远镜的镜头中：星系的舞蹈，像小丑抛球一样的黑洞喷流，引力的魔镜——这一幕幕盛大的宇宙马戏表演，让观众兴致勃勃。但人们不免要发出终极的疑问：在茫茫宇宙中，我们能看到的、能理解的，到底有多少呢? 
　　时间有尽头吗?宇宙的开始和结束是什么样的?古往今来，无数人试图进行完美的解释；而哈勃太空望远镜20年对宇宙的观测有哪些新发现?对这些时空的终极问题又做出了怎样的回答? 
　　具空中光速传播最快，但光速是有限的，意味着光线在太空中旅行也需要时间。光穿越太空的速度为每秒约30万公里，几乎等于地球到月球的距离。光从月球到地球只要一秒多，我们看到的月亮是一秒多钟以前的样子，这是空间转化成时间的结果。有限的光速使我们能够“回到过去”，将目光投向太空，等待遥远地方的光线到达眼球，看到的是光出发时的景象。天文学家依靠功能强大的望远镜，不断追寻着宇宙开始时的景象。 
　　哈勃望远镜从深空中收集资料，就像地质学家刨开地表去寻找古老的化石，以定位地质年代一样；天文学家通过寻找发自遥远暗淡天体的光，不断地向时间的尽头“挖掘”。 
　　无数天文学家都梦想寻找到最古老的宇宙，而哈勃望远镜在1995年圣诞节做了一次奇怪的尝试，它连续10天把镜头指向同一块天空。以前，有许多天文学家想这么做，然而第一次尝试却是由哈勃望远镜做的。 
　　哈勃这项工作拍摄了所谓的哈勃深场。哈勃望远镜建成后，太空望远镜研究所专门负责哈勃的运行，在管理上也留了一部分时间作为机动时间，并由所长负责分配。这位所长产生了一个很好的想法，他要找一块没有任何特殊之处的地方，然后长时间地曝光，目的在于通过长时间拍摄，尽可能多地收集暗淡天体的光。 
　　开始，大家对他的决定有异议。一些天文学家说，还有很多已知道的有意思的天体没有排上时间去观测，反而找一块看上去没有任何特殊之处的天区去观测。但当看到这个天区的第一张照片时，天文学家都惊呆了，在这块平淡无奇的小区域里竟有3000多个星系。这张照片被命名为“哈勃深场”，照片上的几千个星系处于不同的形成阶段，分布在长达数十亿光年的太空走廊中，使天文学家能通过观察这些星系，研究它们随时间进化的过程。(图1) 
　　“哈勃深场”照片的问世，立即在天文界掀起热潮，之后，几乎所有地面望远镜和太空望远镜都用相当长的时间指向同一区域。天文学界一些最引人注目的成果在这次大协作中产生了。 
　　不同大小、处于不同环境、有不同敏感度与不同波长的各种望远镜共同协作，提供了第一张宇宙恒星出生率的清晰照片。 

 

 

 

　　令人惊讶的是，恒星的出生高峰期是在宇宙形成后的几十亿年中，那时的恒星出生率比今天高出10倍。 
　　一旦天文学家发现了从未见过的遥远宇宙，就会努力地将他们的观测、记录时间推得更久远。2003年至2004年，哈勃望远镜上演了有史以来最长时间的曝光。这张著名的照片被称为“哈勃超深场”。 
　　实际上它是由几个不同颜色的照片组合起来的，从中可以看到非常暗弱的一些天体。除了其他波段，微波背景辐射可能来自更古老的宇宙。在光学波段或光学近红外波段，最古老的宇宙照片就是哈勃超深场，照片上布满了大量形状、大小、颜色各异的星系。天文学家希望通过研究照片上的这些星系，揭开大爆炸以来宇宙形成与进化的秘密。同经典的螺旋星系和椭圆星系相比，哈勃超深场这张照片景象简直像个星系动物园，星系杂乱分布，有的像牙签，有些像手镯，还有的像是在打架。 
　　这些古怪的星系产生于宇宙的混乱时期，就像远古地球上低级的单细胞生物构成了生命世界一样，这些星系是构成宇宙的原始细胞。 
　　哈勃超深场是在光学近红外波段揭示的最古老的宇宙，按照科学家今天的理解，宇宙演化是这样的过程：首先，在很早时发生了宇宙大爆炸，这时宇宙处在非常高温的状态；大爆炸后，宇宙温度逐渐下降，在下降约40万年左右后，宇宙进入了新的状态，科学家称之为宇宙的“黑暗时期”。(图2) 
　　在大爆炸刚结束时，新生的宇宙迅速膨胀。在恒星和星系时代开始之前，物质的分配相当平和、均匀。 
　　从大爆炸到星系群的形成，这是整个宇宙发展演化最初的情况。对于宇宙的演化史，有一个问题争论了几十年，那就是宇宙大爆炸发生在什么时候?即宇宙有多大年龄?最终，哈勃望远镜以锐利的视力，帮助天文学家准确地知道了问题的答案。这听起来有些不可思议：科学家是怎么知道的?难道哈勃望远镜真正看到了宇宙的尽头? 
　　在讲述测量宇宙年龄的故事之前，我们必须先认识一位活跃于20世纪初的天文学家，是他提出了测量宇宙年龄的巧妙方法，也是他把人类对宇宙的认识提升到一个新阶段。 
　　他身材高大，擅长打篮球、排球、网球；他是芝加哥大学三铁的学校记录保持者；他还是能跟职业拳击手对决的拳击能手；这个离不开烟斗的天文学家，就是埃德温·哈勃。哈勃望远镜正是为了纪念他而得名，他被称为20世纪最闪亮的明星天文学家。(图3) 

 

 

　　20世纪20年代，埃德温·哈勃对宇宙的发现，颠覆了人们千百年来对宇宙的认识。他发现：离我们越远的星系，远离的速度越快；大多数星系也以一定的比率，离我们远去；这是宇宙不断膨胀的结果。埃德温·哈勃提出了测量宇宙膨胀速度的一套方法，被称为“哈勃常数”。 
　　在埃德温·哈勃之后，天文学家经研究进一步认为：上百亿年前，在一场大爆炸后，宇宙开始膨胀；根据膨胀的比例能够推算出宇宙的年龄与大小，或者说可以通过“向回收缩”直到将宇宙的一切都压缩回最初那个无穷小的能量点而估算出来。 
　　1990年，哈勃空间望远镜升空后，因为它高清晰的分辨率，科学家给哈勃望远镜定下的最重要的科学目标，是精确测定宇宙膨胀的速度，最终确定宇宙的年龄。 
　　这项工作由一个“关键项目小组”完成，他们需要哈勃望远镜精确地寻找出一些宇宙的“界碑”。这些“界碑”是一种特殊的恒星，被称为“造父变星”。由于它具有非常稳定的光度变换周期，且严格遵循恒星的物理属性，所以它是测定星体距离的重要标尺。 
　　比如我们要找出一个天体，假如已知道它是个100瓦灯泡，之后还要知道它的光度是多少；拿望远镜看时，看到的不是它的光度而是其亮度；100瓦灯泡搁在距离1米的地方，与搁在100米的地方，所看到的亮度是不一样的；亮度是天文学家观察到的，而光度是它自身的；知道了光度和亮度，也就知道了距离，因为距离是亮度的平方成反比。天文学家就是用这个方法测定天体的距离。造父变星正是这种光度已知的恒星，所以被称为“标准烛光”，它是测量超新星实际距离的可靠基石。 
　　因为超新星比造父变星亮得多，从很远的地方就能看见。从地面看去，造父变星和超新星的图像，通常和它所在星系的图像掺合在一起。而哈勃望远镜却能清楚地区分这两种光源，于是造父变星和超新星为我们提供了一个宇宙刻度表，可以精确测得哈勃常数及宇宙膨胀速度的演化规律，再反推至宇宙缩成为一个点，就像回放一部电影。这段回放时间就是宇宙现在的年龄。(图4) 
　　2009年5月7日，是个值得纪念的日子，哈勃望远镜网站公布了天文学家通过对漩涡星系NGC4258中的造父变星和超新星的研究，得到了迄今最精确的哈勃常数，根据它推断出宇宙的年龄约为137亿年。 

 

 

　　生命只有短短几十年的人类，竟能知道宇宙年龄，这的确令人惊讶，但这还不是最大胆的探索，真正的挑战在于预测宇宙的未来。天文学家一直在探讨宇宙是否会在遥远的未来停止膨胀，并在一次激烈的大坍缩中灭亡；还是继续膨胀，速度越来越慢? 
　　天文学家将哈勃望远镜与其他望远镜的观测数据结合，测量那些较远的超新星的距离。结果似乎是宇宙并没有放慢膨胀的脚步，反而还在不断地加速。对于宇宙，这暗示着不同寻常的命运，因为那意味着有一股反引力力量在不断地变强。这股力量来自何方呢? 
　　当哈勃望远镜在度量宇宙如何膨胀时，发现情况起了突然的变化：宇宙演进史的前半程和后半程发生了变化，宇宙膨胀的速率实际上在引力的作用下放慢了，但一种反引力的神秘力量，又使宇宙加大了油门，造成了今天宇宙加速的境况。 
　　如果这种情况继续下去，反引力的力量最终会战胜物质的引力，宇宙将以超快的速度膨胀，并使万物被撕裂成基本的原子。宇宙学家把想象中的这个梦魇称之为大解体。 
　　宇宙大解体，听起来令人恐怖，宇宙的终结真的会这样吗?如果宇宙一直以超快的速度扩张，宇宙最后的结局可能就是大解体。(图5) 
　　宇宙早期，在空间膨胀和物质引力的争斗中，在引力赢的地方，物质坍缩形成星系；引力输的地方，空间膨胀。科学家发现，如今的宇宙膨胀在不断地加速。如果宇宙只是由普通物质组成，物质的引力效果将使宇宙的膨胀减速，但现在宇宙不断膨胀表明，宇宙中应该还有一种反引力的东西。 
　　初中学物理时，我们都知道万有引力。有的学生问老师，既然有万有引力，有没有万有斥力呢?老师回答，宇宙只有万有引力没有万有斥力。既然有正电就有负电，有阴就有阳，为什么宇宙只有引力没有斥力呢? 
　　现在看来，这个结论下早了。原来，当时空大到一定范围，才能显现出宇宙还有另外一种力，一种跟引力相反的斥力性质的能量。现在，由于对它的了解并不多，它被叫作暗能量。(图6) 
　　哈勃在探测暗能量上也起到很重要的作用，暗能量是通过超星距离的测量，而被准确发现的。 
　　2004年，哈勃望远镜又发现了16颗遥远的超新星，它们爆发的时间横跨宇宙膨胀从减速到加速的转折点，因而得知转折点大约在50亿年前。 
　　在宇宙年龄大概50亿至60亿年的宇宙早期，物质是普通物质加上更多的暗物质占主导地位。因此，其引力作用使宇宙膨胀减速。但当宇宙年龄大概是60亿年左右时，有新的成分开始逐步占主导地位，这就是暗能量。它使宇宙开始加速膨胀，这是一个转折过程。 
　　天文学家将哈勃望远镜、地面望远镜和微波背景辐射的观测数据结合在一起，发现暗能量大约占据宇宙总能量的3／4。 
　　有如此庞大的暗能量，我们却一无所知，最主要的问题在于我们根本无法看到它；还有一个与暗能量常常一起提到的神秘的“暗物质”，我们也无法看到。 
　　天文学家知道，我们在宇宙中所见到的事物仅仅是冰山一角，虽然物质有引力，但将星系和星系群整合在一起的，不仅是可见的东西，更重要的是那些看不见的物质。(图7) 

 

　由于大星系的引力作用，星体光线经过它时会改变路径，就像天空中安放了一面透镜一样，科学家根据引力透镜效应称量星团的质量，并推测出了隐藏的暗物质的分布情况。 
　　我们通过观测星系里和星系团里的引力，根据可以看到的发光的普通物质推算出来的引力很小，但发现实际上引力要大得多。这就说明还存在着我们还没有看到的物质，这就是暗物质。 
　　人们非常想了解这些巨大而又看不见的物质，2006年，在“钱德拉”空间X射线望远镜和哈勃空间望远镜以及地面大型望远镜的通力合作下，天文学家对子弹星系团进行了几个月的观测后，于2006年8月21日宣布，第一次“看”到了暗物质。 
　　原来这个星系团其实是两个星系团正在进行合并、碰撞的过程。天文学家还发现，这两个星系互相穿越了。而一般的物质或这些气体，它们互相会有作用，所以其速度比暗物质要低；x射线望远镜观察到的现象，这些气体是在中间范围；而通过哈勃做引力透镜，发现暗物质分布在外围，或者它们领先了气体。 
　　结果暗物质跑到了发射x光的热气体的前面；于是，这两个星系团各自分成两部分：暗物质在前，x光热气体在后。 
　　这是暗物质在20世纪30年代提出后，第一次显露正身，证实了暗物质并不是气体成分，更像是一种只参与引力作用而不参与电磁过程的“无碰撞”的粒子。(图8) 
　　暗物质是人类在观测中发现的。而我们能直接看到的发光的物质，只占宇宙总物质密度很少的一部分。在星系中，暗物质的成分比可见的恒星、气体要多10倍左右。在整个宇宙中，可能有20％多是暗物质，而普通的物质只占4％或者5％。(图9) 
　　2010年是哈勃望远镜升空20周年，世界上很多著名的科学杂志都制作了纪念专号，总结了哈勃望远镜20年来所做的最重要的科学发现。其中关于宇宙年龄的测量、最古老的宇宙的影像一哈勃深场和超深场的照片，都位列这些最重大的发现之列，但最引人注目的还属于哈勃望远镜对暗物质和暗能量的观测和研究所做出的贡献。(图10) 
　　哈勃太空望远镜在经历了2009年的第五次大维修后，又焕发了生命力。人们期待它能带来更多的发现，不过对于天文学王冠上的明珠——暗能量和暗物质的研究，哈勃望远镜只有最后几年的观测时间了，而摘得这颗明珠的机遇注定只能留给未来更大更好的望远镜。 
　　人类身上的每个细胞，甚至人类造出的所有器物，包括哈勃望远镜，都是来自宇宙洪荒时期的粒子。这些不同的粒子在亿万年后组成了智慧的人类，他们开始理解宇宙，理解这个太过漫长的经历。对此，爱因斯坦感叹地说：宇宙中最不可理解的事情，就是宇宙是可以被理解的。人类智慧的大脑借助望远镜的神奇力量，让宇宙中无数奇怪的事情不再稀奇，许多以前认为不可能了解的事情成为可能。 
　　我们有理由敬畏这种奇迹，敬畏人类智慧和科学的力量。其实宇宙中仍然时时刻刻上演着令人惊艳的奇迹，它不仅仅在宇宙的深处，也在我们身上及日常生活中，它处处存在，没有终结。