哈勃的功績之宇宙學(xué)

梁曉鵬

給宇宙拍攝嬰兒照

瞭望太空，我們可以看到過去。從宇宙中最遠(yuǎn)的天體來到地球的光，在幾百億年前就離開了其所屬的天體，我們看到的只是該天體很久以前的樣子。

這些極其遙遠(yuǎn)的星系看上去是那么奇怪：小小的，不規(guī)則，缺乏可形容的確切形狀。

在哈勃空間望遠(yuǎn)鏡工作之前，沒有望遠(yuǎn)鏡能看到這些遙遠(yuǎn)的星系。天文學(xué)家把哈勃空間望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)向一片看上去幾乎空空如也的天空時，只是抱著一種姑且一試的心態(tài)。因為他們正在尋找的天體可能太暗或太小，即便是哈勃也未必能夠看得見。

結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)了一個巨大的寶藏：大大小小一萬多個星系，或規(guī)則，或不規(guī)則，在遙遠(yuǎn)的太空中燃燒著。

在隨后的幾年里，哈勃和其他天文臺一起以高分辨率、長時間曝光、多波長觀察了天空的小片區(qū)域。類似哈勃超深空場（HUDF）和大天文臺宇宙起源深空巡天（GOODS）這樣的考察活動，也提供了深空巨大星系群的照片，包括宇宙早期的一些星系。

這些圖像能夠讓我們追蹤宇宙的發(fā)展史。在可見宇宙最古老的地方到處散落的微小紅點，就像是早期無形狀的星系建筑材料，它們的光被膨脹的宇宙拉伸為紅外光；稍近一點兒的地方能夠看到許多星系互動、碰撞、融合和成長；再近一些，就可以看見我們今天所知的巨大星系。

宇宙的生日

來自天空的光向我們昭示著宇宙的年齡。我們知道，宇宙自大爆炸以來一直都在膨脹，所以，如果我們能夠測量到它的大小和膨脹速度，就能夠推測出宇宙的年齡。

說起來容易做起來難。既然無法把一把標(biāo)尺伸向宇宙進(jìn)行測量，那么我們只能通過研究天體的亮度進(jìn)行估算。造父變星是一種特殊類型的脈沖星，它的光變周期與它的光度成正比，因此可用于測量星際和星系際的距離。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)星系中的造父變星時，便通過視差法確定那些星系到地球的距離，就像根據(jù)車大燈的亮度判斷處于黑暗處的車輛的距離一樣。

在哈勃空間望遠(yuǎn)鏡工作之前，天文學(xué)家只能將宇宙的年齡精確到100億年至200億年。但即便在宇宙這個尺度上，100億年也不是一個很準(zhǔn)確的測量結(jié)果。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡對31個造父變星進(jìn)行了針對性觀測，幫助科學(xué)家確定宇宙現(xiàn)今的膨脹速度，以此將宇宙年齡測算到最精確的程度。通過對NGC4603這類星系中的造父變星的觀察，哈勃最終將宇宙年齡確定在137億年，誤差只有幾億年。了解宇宙年齡不只是好奇不好奇的問題，如果我們能夠了解恒星和行星發(fā)展的時間階段，就能更準(zhǔn)確地認(rèn)識宇宙，以及宇宙中的所有一切是如何形成的。

潛伏的黑洞

當(dāng)天文學(xué)家首次將望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)向天空時，他們追蹤到源于某些典型宇宙物體的無線電波，包括超新星的殘骸、遙遠(yuǎn)的星系以及產(chǎn)生恒星的高能區(qū)域。有一種特定類型的物體看上去只不過是一個小小的光點，也許只是一顆星；進(jìn)一步觀察就會發(fā)現(xiàn)，這些天體極其遙遠(yuǎn)，它們是遙遠(yuǎn)的星系。這些天體被稱為類星體，科學(xué)家認(rèn)為它是那些遙遠(yuǎn)星系極其明亮的中心。

類星體距離地球非常遠(yuǎn)，其實際尺寸又非常小，相當(dāng)于太陽系的規(guī)模。我們通過望遠(yuǎn)鏡能夠看到的類星體就是至今在宇宙中發(fā)現(xiàn)的最明亮的天體。事實上，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡對類星體的貢獻(xiàn)，就是以其高分辨率的圖片證實了在它明亮的光線里隱藏著一個星系！

同時，哈勃的觀測也幫助天文學(xué)家確定，這些明亮的星系中心的能量是由巨大的黑洞提供的。物質(zhì)墜入超巨大的黑洞時，周圍區(qū)域升溫，釋放出大量的能和光，形成類星體。那些被認(rèn)為是多重星系合并形成的橢圓星系中也有類星體。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)，星系中心的類星體相互摩擦、碰撞，這些交互作用可以給黑洞提供能量并點亮類星體。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)不止于此。它還發(fā)現(xiàn)幾乎所有的星系都有超大黑洞，吞食各自星系中的物質(zhì)，而且黑洞的質(zhì)量與星系中心周圍的恒星的質(zhì)量相關(guān)，說明星系的形成與其黑洞的形成有著緊密的聯(lián)系。

發(fā)現(xiàn)暗能量

宇宙始于大爆炸，然后就一直在膨脹。隨著時間的推移，星系間的距離一直在增大。許多年以來，天文學(xué)家在思考宇宙的死亡時，都想過這樣兩個可能性：其一是宇宙永遠(yuǎn)膨脹下去，星系漸漸彼此遠(yuǎn)離；其二是宇宙會停止膨脹，然后來個“大坍縮”，再回到原狀。

直到20世紀(jì)晚期，天文學(xué)家都很有信心地認(rèn)為，宇宙會永遠(yuǎn)膨脹下去，速度會不斷降低，就像汽車耗盡燃料后繼續(xù)滑行那樣，動量永遠(yuǎn)都不會為零。他們開始研究，試圖確定膨脹的速度。

超新星爆發(fā)可以用來確定星系的距離，以便測量宇宙膨脹的速度。哈勃敏銳的視覺使得天文學(xué)家能夠找到極其遙遠(yuǎn)的超新星。然而，哈勃的觀測結(jié)果卻將標(biāo)準(zhǔn)的假設(shè)攪得一團(tuán)糟：宇宙的膨脹根本沒有減速。通過研究哈勃拍攝到的超新星的特性，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙反而在加速膨脹，似乎有一種力量在驅(qū)使著它，使其膨脹速度越來越快。

這會是什么？科學(xué)家仍然不知道。有些科學(xué)家認(rèn)為是一種未知的“暗能”在作祟。哈勃仍然在研究超新星，這可能是解開這個謎的那把鑰匙。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝到宇宙膨脹的有力證據(jù)。

超新星爆發(fā)怎么證明宇宙膨脹加速？

有些類型的恒星爆炸被稱為超新星1a型，總是放射相同量的光，使得其亮度幾乎相等。

因此，當(dāng)許多超新星1a型爆炸的亮度表現(xiàn)出不同時，一定是因為有些距離我們較近，有些離我們較遠(yuǎn)。天文學(xué)家可以比較這些超新星的真實亮度和視亮度，計算出超新星的距離，并由此計算出超新星所在星系的距離。

天文學(xué)家原以為宇宙的膨脹應(yīng)當(dāng)在減緩，但哈勃空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)，最遠(yuǎn)的超新星比預(yù)想的昏暗得多，這就意味著這些超新星及其所在的星系比科學(xué)家預(yù)期的遙遠(yuǎn)得多。如此遙遠(yuǎn)的距離與宇宙膨脹減速或恒速的理論相矛盾，只有認(rèn)為宇宙在加速膨脹才能解釋得通。endprint