用艺术的表现形式从左往右以时间线的方式展示了宇宙在大尺度上的演化过程。图片来源：ESA
大约100年以前，埃德温·哈勃的两个发现改变了人们对宇宙的认识。
首先，他第一次测定了仙女星系的距离，这一距离远远超过了银河系恒星分布的边界，人们这才发现拥有上千亿颗恒星的银河系也不过是宇宙众多“星系岛”中的一个。宇宙中存在无数和我们所在的星系一样璀璨巨大的恒星系统。
哈勃发现的第二件事情意义更为深远。他通过测量夜空中星系的距离和速度，发现所有的星系都在远离我们而去，越远的星系远离我们而去的速度越快。今天，这个定律被称作哈勃定律（编者注：在2018年国际天文学联合会成员投票中，哈勃定律被改称为哈勃-勒梅特定律，但这一改名争议较大，此处仍按照中国天文学会天文学名词审定委员会给出的译名“哈勃定律”），它揭示出宇宙空间正在不断膨胀的本质，而这将导致一个不平凡的推论——宇宙的过去必然密度更高，温度也更高，随着时间回溯，宇宙必然存在一个极为高温、高密度的时刻。在那个时刻，宇宙中只存在纯粹的辐射能，宇宙中所有的结构，甚至所有的元素，乃至中子、质子这些基本粒子都是在这个时刻后演化而来的。这个关于宇宙的理论今天被称作大爆炸宇宙学理论。
100年过去，天文学家观测到的星系数目已经超过了哈勃时代的上亿倍，而更为惊人的是这些星系的主要性质和它们的整体演化行为都可以很好地在宇宙大爆炸的理论框架下得到理解。那么，今天的宇宙学家还在研究什么呢？
宇宙膨胀的微小观测裂痕
天文学家也清楚地知道，我们看到的宇宙网仅仅是宇宙物质组成的一小部分。每一个星系实际上都被超过其质量5~10倍的看不见的物质包裹着。在整个宇宙尺度，看不见的物质是原子物质的4~5倍，这些物质的分布可以利用引力透镜方法测量。同时，天文学家还知道宇宙中存在暗能量。这种看不见的能量占据了宇宙能量构成的70%左右。暗能量可以推动宇宙的加速膨胀，对宇宙膨胀速率的测量是人们唯一可以认识暗能量的途径。1999年，澳大利亚和美国的两个独立的超新星巡天研究组都发现宇宙目前的膨胀速率是随着时间增加的。
图1 宇宙演化示意图。图片来源：维基，处理：《天文爱好者》
到了2016年，通过普朗克卫星（Planck）对宇宙微波背景辐射的观测，研究者已经可以将宇宙的膨胀速率，也就是哈勃常数定准在66.93km/s/Mpc，即每百万秒差距（一秒差距约等于3光年）的空间，每秒钟膨胀66.93千米，测量误差为0.62km/s。但人们还是没有看到任何偏离标准宇宙学模型的迹象，对暗能量的本质究竟是什么也仍然没有明确的证据。但在2018年，亚当·瑞斯（Adam Riess）领导的研究组，在结合了超新星和造父变星的观测数据后重新测定了哈勃常数，得到的数值却是73.53km/s/Mpc，测量误差只有2.2%。这一数值和之前Planck的结果虽然只有10%的差距，但是由于测量误差的缩小，已经对于标准模型提出了挑战。由于亚当·瑞斯研究组测定的哈勃常数完全来自对临近宇宙空间的观测，这个差距可以被解读为观测要求宇宙今天膨胀得比标准模型预期的更快。
图2 宇宙距离阶梯。Ia型超新星一般被称作标准烛光。这些超新星具有几乎相同的起源和初始条件，因此被认为具有类似的真实亮度，所以天文学家可以通过它们的相对明暗计算出它们的距离。通过与遥远处受宇宙膨胀影响波长已被拉伸的星系进行比较，可以进一步得出宇宙随时间膨胀的速度，即哈勃常数。图片来源：cdn.spacetelescope.org
需要指出的是，虽然两个不同的测量都宣称自己的测量误差很低，但有可能结果里仍然存在此前没有发现的测量误差，或者测量方法中的系统误差。例如，亚当·瑞斯研究组的方法是基于Ia型超新星距离的准确测定。Ia型超新星一般被称作“标准烛光”。这些超新星具有几乎相同的起源和初始条件，因此被认为具有类似的真实亮度。它们就好像是出厂时被校准的灯泡。当校准的灯泡被安装在路灯上，远处的人可以通过路灯的相对明暗知道它们的远近，也可以计算出它们的距离。但在宇宙学研究中，人们需要知道超新星的“出厂亮度”，必须用其他的标准烛光——造父变星——来校准它，而这些造父变星的出厂亮度，则需要通过三角视差法来校准。这种逐级校准的方法，有时候被称作“宇宙距离阶梯”（图2），任何一级距离阶梯的校准出现误差，都可能会传导到最终的宇宙膨胀率测量中。虽然，亚当·瑞斯的研究组已经尽可能地对这个过程中存在的各种测量误差进行了细致的研究，但仍然无法完全排除出现错误的可能。
亚当·瑞斯认为在未来的几年里，他们有可能进一步提高哈勃常数的测量精度，达到0.5%。到那时，人们可能不得不正视标准宇宙学模型进行修正的可能性。人们已经发现，如果允许暗能量随着宇宙时间演化，可能会部分地缓解哈勃常数测量的裂痕。另一种可能的解释则来自对中微子理论的扩充。允许宇宙中出现更多的中微子种类，将增加宇宙早期辐射能，改变宇宙膨胀历史，缓解这个裂痕。无论如何，在未来的数年里，哈勃常数的测量将再一次成为整个宇宙学界的焦点。
立体精确的银河系模型
图4 Gaia拍摄的由16亿颗恒星的亮度和位置信息组合而成的银河系图景。图片来源：ESA/Gaia/DPAC
盖亚卫星（Gaia）毫无疑问可以跻身历史上最伟大的天文项目行列。在2019年，它进行了令人激动的第二次数据释放。我们可以看到图4，这幅由Gaia拍摄的银河系图景。但实际上这并不是一张通常意义上的照片，而是由Gaia拍摄的16亿颗恒星的亮度和位置组合而成的图像。这些恒星占银河系所有恒星的1%，它们构成了银河系非常详尽的抽样对象。对于那些较近的恒星，Gaia能以0.001%的精度测定它们的距离；对于那些较远的，靠近银河系中心的恒星，Gaia的距离测量精度也可以达到20%左右。当达到这样的精度，望远镜就不仅仅是在记录恒星在天球上的位置，而且可以根据地球在不同时间观察到的恒星视差，确定恒星到我们的精确距离，甚至还可以知道恒星的运动速度。
图3 这幅3D“地图”给出了银河系中最热、最亮、质量最大的恒星——OB型星——的分布情况。这些恒星的寿命较短，大部分都分布在银盘中，离最初的诞生地很近。这幅由Gaia给出的数据绘制出的“恒星地图”以距离太阳10000光年范围内的400000颗OB型星为样本，将帮助天文学家进一步深入研究银河系的旋臂分布。图片来源：ESA/K. Jardine
对于大多数的研究者而言，研究感兴趣的科学问题从未如此的容易，仅仅是用Gaia的数据进行一些简单的绘图工作，人们就可以获得新发现。利用Gaia提供的恒星运动数据，人们第一次看到了银河系最大的两个卫星星系大、小麦哲伦云的内部自转情况，人们可以研究这些小星系中的球状星团是如何运动的。对于一些临近的星团，研究者甚至可以看到它们的内部运动，有的星团表现出明显的扩展。
银河系其他的卫星星系也得到了精确的测量。在过去的数年里，银河系的研究者一直在争论银河系的卫星星系是否都绕着一个盘面运动，因为它们看起来好像分布在一个平面上。如果这样的猜测被观测证实，对于标准宇宙学理论将是一个巨大的挑战。在冷暗物质构成的宇宙中，星系的卫星星系只有很小的几率会形成一个盘状结构。Gaia的数据帮助回答了这个问题：虽然看起来好像有6个星系（大、小麦哲伦云，小熊星系，天龙星系，船底星系和天炉星系）具有相同的运动方向，但整体来看所有卫星星系的轨道并不是像太阳系的行星一样在一个共同的平面上。人们看到的6个星系的共同运动，也许只是因为它们恰好沿着同一个宇宙纤维结构进入到了银河系的引力场中。
图5 银河系与前文提到的6个星系在本星系群中的空间分布示意图。图片来源：维基
Gaia的数据不仅仅对于研究银河系的结构和历史有着重要作用，它还将为双星演化、太阳临近区域的暗物质分布、球状星团的内部结构等广泛的科学领域打开新的视野。这也会在未来的几年里成为全世界天文学家的数据宝库。
出人意料的宇宙黎明
正如我们提到的，宇宙中的结构不是天然有之，所有今天宇宙中璀璨明亮的天体，实际上都是在宇宙演化中形成的。在宇宙大爆炸结束后，宇宙中只形成了最基本的原子（氢原子和氦原子），宇宙各处密度非常均匀，只有一些小的起伏。在那个时代，宇宙是一片黑暗，没有发光的天体。但随着时间的演化，宇宙密度的小起伏因为引力的作用而增长起来，最终引起了由氢和氦构成的气体云的坍缩，形成了宇宙中第一代的恒星，宇宙这才迎来了黎明。
虽然说在恒星形成之前，宇宙一片黑暗，但科学家们还是想出了探测这个黑暗时代的方法——利用氢原子的21厘米辐射。我们知道氢原子带有一个电子。电子和氢原子核的自旋方向可以相同，也可以不同。这两种状态的氢原子能量有一个微小的差别。如果电子和氢原子自旋方向由相同改为相反，会发射一个波长为21cm的光子，反之则需要吸收一个波长为21cm的光子。宇宙中因为存在大量微波背景辐射的光子，这中间有一部分波长也在21cm，所以在黑暗时代，21cm光子的发射和吸收都在不断的发生。可见，如果想要观察黑暗时代，只需要观察黑暗时代21cm光子的发射或者吸收信号就可以了。需要注意到的是，因为宇宙 膨胀引起的红移效应，这些光子今天已经移动到了更长波长的电磁波段。
目前，在全球范围正在建造或已经建成一批目标是黑暗时代的射电望远镜阵列，包括美国的长波阵列（Long Wavelength Array，简称LWA），澳大利亚的默奇森大视场射电阵（Murchison Widefield Array，简称MWA），荷兰的LOFAR低频阵以及中国参与的平方千米射电望远镜阵（Square Kilometer Array，简称 SKA）。这些巨大的天线阵列都期待着能够通过观察黑暗时代发出的21cm光子，来获得黑暗时代的宇宙地图。
图6 位于澳大利亚的天线EDGES，这个射电天线大小和一张桌子差不多。
联系客服
