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“ 時間回到100年前，人類眼中的宇宙和現(xiàn)在大不相同。我們認為：銀河系上千光年的遙遠恒星就是宇宙的邊際，天空中的漩渦星系和橢圓星系被認為就在銀河系中。宇宙還被認為是靜態(tài)的，并且牛頓的經(jīng)典力學(xué)仍未被愛因斯坦的新理論所動搖。那時，還沒有大爆炸、暗物質(zhì)和暗能量的概念。隨后的100年，一個個重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)逐漸讓我們更清楚的認識宇宙… 斯隆數(shù)字巡天紅外波段下的銀河系。100年前，銀河系就是我們概念中的整個宇宙。 Credit: ESA 1910s-廣義相對論 愛因斯坦相對論被證實！廣義相對論因能解釋讓牛頓經(jīng)典力學(xué)費解的水星進動而聞名于世，但作為一個科學(xué)理論，僅僅解釋已有現(xiàn)象是不夠的，需要能夠正確的預(yù)測未知，并能夠被進一步驗證。此后的一個世紀里，相對論預(yù)測的時間膨脹、引力透鏡效應(yīng)、慣性系拖曳效應(yīng)和引力紅移等，均被一一驗證。第一個成功預(yù)言而被驗證的是引力場下星光彎曲。1919年，愛丁頓和他的伙伴遠征觀測日全食。經(jīng)測量，星光在太陽附近的彎曲程度與愛因斯坦的測算值相近。從此，我們的宇宙觀發(fā)生了非常大的變化。 1919年倫敦新聞報道這一事件的插圖 1920s-銀河系外的世界 在此之前，人們認為銀河系就是宇宙的全部，哈勃徹底改變了這一認知。他持續(xù)觀測天空中的幾個渦狀星云，通過比對那些“星云”中的和銀河系內(nèi)的造父變星，認為這些昏暗的恒星是在百萬光年以外，遠超過銀河系的范圍。除此之外，哈勃還測量了很多星系的距離和退行速度，揭示了龐大的、膨脹中的宇宙。 哈勃對仙女座星系造父變星的研究 Credit: E. Hubble, NASA, ESA, R. Gendler, Z. Levay and the Hubble Heritage Team. 1930s-暗物質(zhì) 之前，很長時間人們認為測量出恒星的質(zhì)量，還有氣體和塵埃的質(zhì)量，如果把這些加起來基本就是宇宙的質(zhì)量。弗里茨·茲威基通過觀測致密的星系團，發(fā)現(xiàn)僅僅是星系團中的恒星、塵埃和氣體，無法解釋他們的內(nèi)部運動速度。他認為存在我們直接觀測不到的暗物質(zhì)，這一重大發(fā)現(xiàn)一直到七十年代才被重視起來，現(xiàn)在我們認為暗物質(zhì)大量存在于宇宙當中，這些暗物質(zhì)與常規(guī)物質(zhì)的質(zhì)量比大約是5:1。 后發(fā)座星系團中心兩個明亮的大星系NGC4889(左)和NGC4874(右)，他們的直徑都超過100萬光年。但他們外圍的星系正快速分離，說明很有可能存在龐大的暗物質(zhì)環(huán)貫穿整個星系團。 Credit: Adam Block/Mount Lemmon SkyCenter/University of Arizona 1940s-大爆炸 這個年代，雖然大量的實驗和觀測資源投入到火箭和核技術(shù)上，理論物理學(xué)家仍未停止努力工作。1945年，喬治·伽莫夫做出宇宙大爆炸的猜想：如果宇宙在膨脹和冷卻，那在過去它一定是熾熱和致密的。在過去的某個時間，它的熾熱和致密程度足以讓中性原子無法形成，在此之前甚至原子核也無法形成。這樣，在恒星還沒有形成的時候，最初的宇宙會存在特定比例的輕量“元素”，而現(xiàn)在宇宙的各個方向應(yīng)該殘存略高于絕對零度的“余光”。 大爆炸后的可見宇宙 Credit: NASA/WMAP Team 1950s-恒星物質(zhì)演化 霍伊爾等科學(xué)家并不認同大爆炸理論，他們堅守“穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型”，雙方陣營激烈辯論重元素是何時和如何產(chǎn)生的。后來，“穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型”漸漸退出理論物理學(xué)的舞臺，但是霍伊爾為代表的科學(xué)家關(guān)于重元素形成的理論是成功的，宇宙中的重元素并不是在大爆炸時形成的，比如地球上的重元素是太陽系幾代恒星演化的產(chǎn)物。 太陽的結(jié)構(gòu) Credit: Wikimedia 1960s-宇宙微波背景輻射 經(jīng)過20年的爭論，一個重大發(fā)現(xiàn)確立了大爆炸理論！1965年，彭齊·亞斯和羅伯特·威爾遜發(fā)現(xiàn)了宇宙大爆炸殘留2.725開爾文的宇宙微波背景輻射。 如果我們可以看到微波，整個夜空都應(yīng)該是像綠色區(qū)域這樣的背景輻射 Credit: NASA/WMAP Team 1970s-宇宙暴漲理論 1979年，美國科學(xué)家阿蘭·古斯提出了“暴漲理論”：宇宙的初期是一個異常熾熱和致密的狀態(tài)，是一個指數(shù)級膨脹的狀態(tài)，所有的能量都束縛在宇宙結(jié)構(gòu)中。也就是在大爆炸前也存在著一個快速演化的狀態(tài)和過程。后來，更多研究讓阿蘭·古斯的理論更加豐滿，逐漸發(fā)展成現(xiàn)在我們的宇宙膨脹理論。 宇宙膨脹示意圖 ESA/Planck and the DoE/NASA/ NSF task on CMB research 1980s-超新星 1987年，位于大麥哲倫云的一個超新星被觀測到，這是自1604年以來有歷史記錄的第一個可以被肉眼觀測到的超新星。因為距離相對較近，這次超新星能夠讓我們捕捉到它帶來的中微子，這次超新星讓全世界多個探測器探測到20多個信號，標志著中微子天文學(xué)的開始，分支研究包括中微子振蕩、中微子質(zhì)量以及百萬光年外超新星的中微子研究。 2011年拍攝的超新星1987A的殘跡，位于16.5萬光年的大麥哲倫云 Credit: ESA/ESO/NASA 1990s-宇宙膨脹的結(jié)局 對宇宙膨脹的未來，之前我們會有幾種猜想：從膨脹到收縮、加速膨脹或趨向于勻速的膨脹。1998年，科學(xué)家通過對大量Ia型超新星的觀測，提出震驚的結(jié)論：宇宙在加速膨脹。這樣，宇宙的結(jié)局不僅將進入冷寂，而且星系之間的距離將越來越遠，1000億年以后，我們很可能看不到其他星系。 猜想中的幾種宇宙膨脹發(fā)展 Credit: E. Siegel 2000s-宇宙的物質(zhì)構(gòu)成 1965年發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射之后，我們繼續(xù)深入研究，逐步了解了宇宙的構(gòu)成。從宇宙背景探測器到威爾金森微波各向異性探測器，再到普朗克衛(wèi)星，獲取了大量宇宙背景輻射的數(shù)據(jù)，再加上諸如斯隆數(shù)字巡天等對宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的研究以及遙遠的超新星數(shù)據(jù)，現(xiàn)代宇宙的構(gòu)成包括： 0.01%光子輻射 0.1%中微子 4.9%通常的物質(zhì)(即由原子構(gòu)成的物質(zhì)) 27%暗物質(zhì) 68%暗能量
普朗克衛(wèi)星數(shù)據(jù)的宇宙微波背景輻射波動 Credit: ESA and the Planck Collaboration 2010s-宜居帶行星、引力波等 這個十年還沒有結(jié)束，但目前為止我們通過開普勒等任務(wù)已經(jīng)從成千上萬的地外行星中發(fā)現(xiàn)了宜居帶類地行星。并且，我們通過激光干涉引力波觀測臺首次直接探測到引力波，這是愛因斯坦1915年基于相對論的一個大膽預(yù)測。
恒星系統(tǒng)開普勒186、開普勒452和太陽系的對比 Credit: NASA/JPL-CalTech/R. Hurt
示意圖展示了計算機模擬中的黑洞合并，即首次探測到的引力波的來源 Credit: black-holes.org 對宇宙的探索還在繼續(xù)，我們還有很多疑惑。這11個重要發(fā)現(xiàn)，讓我們的視野擴大到銀河系外；讓我們認知了暗物質(zhì)和暗能量的存在；讓我們知道138億年前宇宙發(fā)生了大爆炸；讓我們了解了宇宙在加速膨脹。我們窺探到了宇宙的起源還有未來的宿命，今后伴隨著科技進步，還會發(fā)現(xiàn)更多驚天的奧秘！ 本文源自福布斯宇宙大爆炸專欄，作者Ethan Siegel 翻譯：毛明遠 | 校對：李可為 編排：毛明遠 | 配樂：解仁江 責(zé)任編輯：解仁江 本賬號系網(wǎng)易新聞·網(wǎng)易號“各有態(tài)度”簽約賬號 專欄打賞 『天文濕刻』 牧夫出品 微信號：astronomycn
截止2014年7月28日，地外探測車的行進距離 Credit: Lunar Xprize |
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