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在哈勃望遠(yuǎn)鏡的鏡頭中：星系的舞蹈，像小丑拋球一樣的黑洞噴流，引力的魔鏡——這一幕幕盛大的宇宙馬戲表演，讓觀眾興致勃勃。但人們不免要發(fā)出終極的疑問：在茫茫宇宙中，我們能看到的、能理解的，到底有多少呢?
時(shí)間有盡頭嗎?宇宙的開始和結(jié)束是什么樣的?古往今來，無數(shù)人試圖進(jìn)行完美的解釋；而哈勃太空望遠(yuǎn)鏡20年對(duì)宇宙的觀測有哪些新發(fā)現(xiàn)?對(duì)這些時(shí)空的終極問題又做出了怎樣的回答? 具空中光速傳播最快，但光速是有限的，意味著光線在太空中旅行也需要時(shí)間。光穿越太空的速度為每秒約30萬公里，幾乎等于地球到月球的距離。光從月球到地球只要一秒多，我們看到的月亮是一秒多鐘以前的樣子，這是空間轉(zhuǎn)化成時(shí)間的結(jié)果。有限的光速使我們能夠“回到過去”，將目光投向太空，等待遙遠(yuǎn)地方的光線到達(dá)眼球，看到的是光出發(fā)時(shí)的景象。天文學(xué)家依靠功能強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡，不斷追尋著宇宙開始時(shí)的景象。 哈勃望遠(yuǎn)鏡從深空中收集資料，就像地質(zhì)學(xué)家刨開地表去尋找古老的化石，以定位地質(zhì)年代一樣；天文學(xué)家通過尋找發(fā)自遙遠(yuǎn)暗淡天體的光，不斷地向時(shí)間的盡頭“挖掘”。 無數(shù)天文學(xué)家都?jí)粝雽ふ业阶罟爬系挠钪妫h(yuǎn)鏡在1995年圣誕節(jié)做了一次奇怪的嘗試，它連續(xù)10天把鏡頭指向同一塊天空。以前，有許多天文學(xué)家想這么做，然而第一次嘗試卻是由哈勃望遠(yuǎn)鏡做的。 哈勃這項(xiàng)工作拍攝了所謂的哈勃深場。哈勃望遠(yuǎn)鏡建成后，太空望遠(yuǎn)鏡研究所專門負(fù)責(zé)哈勃的運(yùn)行，在管理上也留了一部分時(shí)間作為機(jī)動(dòng)時(shí)間，并由所長負(fù)責(zé)分配。這位所長產(chǎn)生了一個(gè)很好的想法，他要找一塊沒有任何特殊之處的地方，然后長時(shí)間地曝光，目的在于通過長時(shí)間拍攝，盡可能多地收集暗淡天體的光。 開始，大家對(duì)他的決定有異議。一些天文學(xué)家說，還有很多已知道的有意思的天體沒有排上時(shí)間去觀測，反而找一塊看上去沒有任何特殊之處的天區(qū)去觀測。但當(dāng)看到這個(gè)天區(qū)的第一張照片時(shí)，天文學(xué)家都驚呆了，在這塊平淡無奇的小區(qū)域里竟有3000多個(gè)星系。這張照片被命名為“哈勃深場”，照片上的幾千個(gè)星系處于不同的形成階段，分布在長達(dá)數(shù)十億光年的太空走廊中，使天文學(xué)家能通過觀察這些星系，研究它們隨時(shí)間進(jìn)化的過程。(圖1) “哈勃深場”照片的問世，立即在天文界掀起熱潮，之后，幾乎所有地面望遠(yuǎn)鏡和太空望遠(yuǎn)鏡都用相當(dāng)長的時(shí)間指向同一區(qū)域。天文學(xué)界一些最引人注目的成果在這次大協(xié)作中產(chǎn)生了。 不同大小、處于不同環(huán)境、有不同敏感度與不同波長的各種望遠(yuǎn)鏡共同協(xié)作，提供了第一張宇宙恒星出生率的清晰照片。  令人驚訝的是，恒星的出生高峰期是在宇宙形成后的幾十億年中，那時(shí)的恒星出生率比今天高出10倍。
一旦天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了從未見過的遙遠(yuǎn)宇宙，就會(huì)努力地將他們的觀測、記錄時(shí)間推得更久遠(yuǎn)。2003年至2004年，哈勃望遠(yuǎn)鏡上演了有史以來最長時(shí)間的曝光。這張著名的照片被稱為“哈勃超深場”。 實(shí)際上它是由幾個(gè)不同顏色的照片組合起來的，從中可以看到非常暗弱的一些天體。除了其他波段，微波背景輻射可能來自更古老的宇宙。在光學(xué)波段或光學(xué)近紅外波段，最古老的宇宙照片就是哈勃超深場，照片上布滿了大量形狀、大小、顏色各異的星系。天文學(xué)家希望通過研究照片上的這些星系，揭開大爆炸以來宇宙形成與進(jìn)化的秘密。同經(jīng)典的螺旋星系和橢圓星系相比，哈勃超深場這張照片景象簡直像個(gè)星系動(dòng)物園，星系雜亂分布，有的像牙簽，有些像手鐲，還有的像是在打架。 這些古怪的星系產(chǎn)生于宇宙的混亂時(shí)期，就像遠(yuǎn)古地球上低級(jí)的單細(xì)胞生物構(gòu)成了生命世界一樣，這些星系是構(gòu)成宇宙的原始細(xì)胞。 哈勃超深場是在光學(xué)近紅外波段揭示的最古老的宇宙，按照科學(xué)家今天的理解，宇宙演化是這樣的過程：首先，在很早時(shí)發(fā)生了宇宙大爆炸，這時(shí)宇宙處在非常高溫的狀態(tài)；大爆炸后，宇宙溫度逐漸下降，在下降約40萬年左右后，宇宙進(jìn)入了新的狀態(tài)，科學(xué)家稱之為宇宙的“黑暗時(shí)期”。(圖2) 在大爆炸剛結(jié)束時(shí)，新生的宇宙迅速膨脹。在恒星和星系時(shí)代開始之前，物質(zhì)的分配相當(dāng)平和、均勻。 從大爆炸到星系群的形成，這是整個(gè)宇宙發(fā)展演化最初的情況。對(duì)于宇宙的演化史，有一個(gè)問題爭論了幾十年，那就是宇宙大爆炸發(fā)生在什么時(shí)候?即宇宙有多大年齡?最終，哈勃望遠(yuǎn)鏡以銳利的視力，幫助天文學(xué)家準(zhǔn)確地知道了問題的答案。這聽起來有些不可思議：科學(xué)家是怎么知道的?難道哈勃望遠(yuǎn)鏡真正看到了宇宙的盡頭? 在講述測量宇宙年齡的故事之前，我們必須先認(rèn)識(shí)一位活躍于20世紀(jì)初的天文學(xué)家，是他提出了測量宇宙年齡的巧妙方法，也是他把人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)提升到一個(gè)新階段。 他身材高大，擅長打籃球、排球、網(wǎng)球；他是芝加哥大學(xué)三鐵的學(xué)校記錄保持者；他還是能跟職業(yè)拳擊手對(duì)決的拳擊能手；這個(gè)離不開煙斗的天文學(xué)家，就是埃德溫·哈勃。哈勃望遠(yuǎn)鏡正是為了紀(jì)念他而得名，他被稱為20世紀(jì)最閃亮的明星天文學(xué)家。(圖3)  20世紀(jì)20年代，埃德溫·哈勃對(duì)宇宙的發(fā)現(xiàn)，顛覆了人們千百年來對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)。他發(fā)現(xiàn)：離我們越遠(yuǎn)的星系，遠(yuǎn)離的速度越快；大多數(shù)星系也以一定的比率，離我們遠(yuǎn)去；這是宇宙不斷膨脹的結(jié)果。埃德溫·哈勃提出了測量宇宙膨脹速度的一套方法，被稱為“哈勃常數(shù)”。
在埃德溫·哈勃之后，天文學(xué)家經(jīng)研究進(jìn)一步認(rèn)為：上百億年前，在一場大爆炸后，宇宙開始膨脹；根據(jù)膨脹的比例能夠推算出宇宙的年齡與大小，或者說可以通過“向回收縮”直到將宇宙的一切都?jí)嚎s回最初那個(gè)無窮小的能量點(diǎn)而估算出來。 1990年，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡升空后，因?yàn)樗咔逦姆直媛?，科學(xué)家給哈勃望遠(yuǎn)鏡定下的最重要的科學(xué)目標(biāo)，是精確測定宇宙膨脹的速度，最終確定宇宙的年齡。 這項(xiàng)工作由一個(gè)“關(guān)鍵項(xiàng)目小組”完成，他們需要哈勃望遠(yuǎn)鏡精確地尋找出一些宇宙的“界碑”。這些“界碑”是一種特殊的恒星，被稱為“造父變星”。由于它具有非常穩(wěn)定的光度變換周期，且嚴(yán)格遵循恒星的物理屬性，所以它是測定星體距離的重要標(biāo)尺。 比如我們要找出一個(gè)天體，假如已知道它是個(gè)100瓦燈泡，之后還要知道它的光度是多少；拿望遠(yuǎn)鏡看時(shí)，看到的不是它的光度而是其亮度；100瓦燈泡擱在距離1米的地方，與擱在100米的地方，所看到的亮度是不一樣的；亮度是天文學(xué)家觀察到的，而光度是它自身的；知道了光度和亮度，也就知道了距離，因?yàn)榫嚯x是亮度的平方成反比。天文學(xué)家就是用這個(gè)方法測定天體的距離。造父變星正是這種光度已知的恒星，所以被稱為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”，它是測量超新星實(shí)際距離的可靠基石。 因?yàn)槌滦潜仍旄缸冃橇恋枚?，從很遠(yuǎn)的地方就能看見。從地面看去，造父變星和超新星的圖像，通常和它所在星系的圖像摻合在一起。而哈勃望遠(yuǎn)鏡卻能清楚地區(qū)分這兩種光源，于是造父變星和超新星為我們提供了一個(gè)宇宙刻度表，可以精確測得哈勃常數(shù)及宇宙膨脹速度的演化規(guī)律，再反推至宇宙縮成為一個(gè)點(diǎn)，就像回放一部電影。這段回放時(shí)間就是宇宙現(xiàn)在的年齡。(圖4) 2009年5月7日，是個(gè)值得紀(jì)念的日子，哈勃望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)站公布了天文學(xué)家通過對(duì)漩渦星系NGC4258中的造父變星和超新星的研究，得到了迄今最精確的哈勃常數(shù)，根據(jù)它推斷出宇宙的年齡約為137億年。  生命只有短短幾十年的人類，竟能知道宇宙年齡，這的確令人驚訝，但這還不是最大膽的探索，真正的挑戰(zhàn)在于預(yù)測宇宙的未來。天文學(xué)家一直在探討宇宙是否會(huì)在遙遠(yuǎn)的未來停止膨脹，并在一次激烈的大坍縮中滅亡；還是繼續(xù)膨脹，速度越來越慢?
天文學(xué)家將哈勃望遠(yuǎn)鏡與其他望遠(yuǎn)鏡的觀測數(shù)據(jù)結(jié)合，測量那些較遠(yuǎn)的超新星的距離。結(jié)果似乎是宇宙并沒有放慢膨脹的腳步，反而還在不斷地加速。對(duì)于宇宙，這暗示著不同尋常的命運(yùn)，因?yàn)槟且馕吨幸还煞匆αα吭诓粩嗟刈儚?qiáng)。這股力量來自何方呢? 當(dāng)哈勃望遠(yuǎn)鏡在度量宇宙如何膨脹時(shí)，發(fā)現(xiàn)情況起了突然的變化：宇宙演進(jìn)史的前半程和后半程發(fā)生了變化，宇宙膨脹的速率實(shí)際上在引力的作用下放慢了，但一種反引力的神秘力量，又使宇宙加大了油門，造成了今天宇宙加速的境況。 如果這種情況繼續(xù)下去，反引力的力量最終會(huì)戰(zhàn)勝物質(zhì)的引力，宇宙將以超快的速度膨脹，并使萬物被撕裂成基本的原子。宇宙學(xué)家把想象中的這個(gè)夢魘稱之為大解體。 宇宙大解體，聽起來令人恐怖，宇宙的終結(jié)真的會(huì)這樣嗎?如果宇宙一直以超快的速度擴(kuò)張，宇宙最后的結(jié)局可能就是大解體。(圖5) 宇宙早期，在空間膨脹和物質(zhì)引力的爭斗中，在引力贏的地方，物質(zhì)坍縮形成星系；引力輸?shù)牡胤?，空間膨脹?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，如今的宇宙膨脹在不斷地加速。如果宇宙只是由普通物質(zhì)組成，物質(zhì)的引力效果將使宇宙的膨脹減速，但現(xiàn)在宇宙不斷膨脹表明，宇宙中應(yīng)該還有一種反引力的東西。 初中學(xué)物理時(shí)，我們都知道萬有引力。有的學(xué)生問老師，既然有萬有引力，有沒有萬有斥力呢?老師回答，宇宙只有萬有引力沒有萬有斥力。既然有正電就有負(fù)電，有陰就有陽，為什么宇宙只有引力沒有斥力呢? 現(xiàn)在看來，這個(gè)結(jié)論下早了。原來，當(dāng)時(shí)空大到一定范圍，才能顯現(xiàn)出宇宙還有另外一種力，一種跟引力相反的斥力性質(zhì)的能量。現(xiàn)在，由于對(duì)它的了解并不多，它被叫作暗能量。(圖6) 哈勃在探測暗能量上也起到很重要的作用，暗能量是通過超星距離的測量，而被準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)的。 2004年，哈勃望遠(yuǎn)鏡又發(fā)現(xiàn)了16顆遙遠(yuǎn)的超新星，它們爆發(fā)的時(shí)間橫跨宇宙膨脹從減速到加速的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，因而得知轉(zhuǎn)折點(diǎn)大約在50億年前。 在宇宙年齡大概50億至60億年的宇宙早期，物質(zhì)是普通物質(zhì)加上更多的暗物質(zhì)占主導(dǎo)地位。因此，其引力作用使宇宙膨脹減速。但當(dāng)宇宙年齡大概是60億年左右時(shí)，有新的成分開始逐步占主導(dǎo)地位，這就是暗能量。它使宇宙開始加速膨脹，這是一個(gè)轉(zhuǎn)折過程。 天文學(xué)家將哈勃望遠(yuǎn)鏡、地面望遠(yuǎn)鏡和微波背景輻射的觀測數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，發(fā)現(xiàn)暗能量大約占據(jù)宇宙總能量的3／4。 有如此龐大的暗能量，我們卻一無所知，最主要的問題在于我們根本無法看到它；還有一個(gè)與暗能量常常一起提到的神秘的“暗物質(zhì)”，我們也無法看到。 天文學(xué)家知道，我們在宇宙中所見到的事物僅僅是冰山一角，雖然物質(zhì)有引力，但將星系和星系群整合在一起的，不僅是可見的東西，更重要的是那些看不見的物質(zhì)。(圖7)  由于大星系的引力作用，星體光線經(jīng)過它時(shí)會(huì)改變路徑，就像天空中安放了一面透鏡一樣，科學(xué)家根據(jù)引力透鏡效應(yīng)稱量星團(tuán)的質(zhì)量，并推測出了隱藏的暗物質(zhì)的分布情況。
我們通過觀測星系里和星系團(tuán)里的引力，根據(jù)可以看到的發(fā)光的普通物質(zhì)推算出來的引力很小，但發(fā)現(xiàn)實(shí)際上引力要大得多。這就說明還存在著我們還沒有看到的物質(zhì)，這就是暗物質(zhì)。 人們非常想了解這些巨大而又看不見的物質(zhì)，2006年，在“錢德拉”空間X射線望遠(yuǎn)鏡和哈勃空間望遠(yuǎn)鏡以及地面大型望遠(yuǎn)鏡的通力合作下，天文學(xué)家對(duì)子彈星系團(tuán)進(jìn)行了幾個(gè)月的觀測后，于2006年8月21日宣布，第一次“看”到了暗物質(zhì)。 原來這個(gè)星系團(tuán)其實(shí)是兩個(gè)星系團(tuán)正在進(jìn)行合并、碰撞的過程。天文學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)星系互相穿越了。而一般的物質(zhì)或這些氣體，它們互相會(huì)有作用，所以其速度比暗物質(zhì)要低；x射線望遠(yuǎn)鏡觀察到的現(xiàn)象，這些氣體是在中間范圍；而通過哈勃做引力透鏡，發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)分布在外圍，或者它們領(lǐng)先了氣體。 結(jié)果暗物質(zhì)跑到了發(fā)射x光的熱氣體的前面；于是，這兩個(gè)星系團(tuán)各自分成兩部分：暗物質(zhì)在前，x光熱氣體在后。 這是暗物質(zhì)在20世紀(jì)30年代提出后，第一次顯露正身，證實(shí)了暗物質(zhì)并不是氣體成分，更像是一種只參與引力作用而不參與電磁過程的“無碰撞”的粒子。(圖8) 暗物質(zhì)是人類在觀測中發(fā)現(xiàn)的。而我們能直接看到的發(fā)光的物質(zhì)，只占宇宙總物質(zhì)密度很少的一部分。在星系中，暗物質(zhì)的成分比可見的恒星、氣體要多10倍左右。在整個(gè)宇宙中，可能有20％多是暗物質(zhì)，而普通的物質(zhì)只占4％或者5％。(圖9) 2010年是哈勃望遠(yuǎn)鏡升空20周年，世界上很多著名的科學(xué)雜志都制作了紀(jì)念專號(hào)，總結(jié)了哈勃望遠(yuǎn)鏡20年來所做的最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。其中關(guān)于宇宙年齡的測量、最古老的宇宙的影像一哈勃深場和超深場的照片，都位列這些最重大的發(fā)現(xiàn)之列，但最引人注目的還屬于哈勃望遠(yuǎn)鏡對(duì)暗物質(zhì)和暗能量的觀測和研究所做出的貢獻(xiàn)。(圖10) 哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在經(jīng)歷了2009年的第五次大維修后，又煥發(fā)了生命力。人們期待它能帶來更多的發(fā)現(xiàn)，不過對(duì)于天文學(xué)王冠上的明珠——暗能量和暗物質(zhì)的研究，哈勃望遠(yuǎn)鏡只有最后幾年的觀測時(shí)間了，而摘得這顆明珠的機(jī)遇注定只能留給未來更大更好的望遠(yuǎn)鏡。 人類身上的每個(gè)細(xì)胞，甚至人類造出的所有器物，包括哈勃望遠(yuǎn)鏡，都是來自宇宙洪荒時(shí)期的粒子。這些不同的粒子在億萬年后組成了智慧的人類，他們開始理解宇宙，理解這個(gè)太過漫長的經(jīng)歷。對(duì)此，愛因斯坦感嘆地說：宇宙中最不可理解的事情，就是宇宙是可以被理解的。人類智慧的大腦借助望遠(yuǎn)鏡的神奇力量，讓宇宙中無數(shù)奇怪的事情不再稀奇，許多以前認(rèn)為不可能了解的事情成為可能。 我們有理由敬畏這種奇跡，敬畏人類智慧和科學(xué)的力量。其實(shí)宇宙中仍然時(shí)時(shí)刻刻上演著令人驚艷的奇跡，它不僅僅在宇宙的深處，也在我們身上及日常生活中，它處處存在，沒有終結(jié)。 |
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