哈勃的功績之宇宙學

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。

這些極其遙遠的星系看上去是那么奇怪：小小的，不規則，缺乏可形容的確切形狀。

在哈勃空間望遠鏡工作之前，沒有望遠鏡能看到這些遙遠的星系。天文學家把哈勃空間望遠鏡轉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。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。

結果，他們發現了一個巨大的寶藏：大大小小一萬多個星系，或規則，或不規則，在遙遠的太空中燃燒著。

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。既然無法把一把標尺伸向宇宙進行測量，那么我們只能通過研究天體的亮度進行估算。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。天文學家發現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。

在哈勃空間望遠鏡工作之前，天文學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確的測量結果。

哈勃空間望遠鏡對31個造父變星進行了針對性觀測，幫助科學家確定宇宙現今的膨脹速度，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展的時間階段，就能更準確地認識宇宙，以及宇宙中的所有一切是如何形成的。

潛伏的黑洞

當天文學家首次將望遠鏡轉向天空時，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、遙遠的星系以及產生恒星的高能區域。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；進一步觀察就會發現，這些天體極其遙遠，它們是遙遠的星系。這些天體被稱為類星體，科學家認為它是那些遙遠星系極其明亮的中心。

類星體距離地球非常遠，其實際尺寸又非常小，相當于太陽系的規模。我們通過望遠鏡能夠看到的類星體就是至今在宇宙中發現的最明亮的天體。事實上，哈勃空間望遠鏡對類星體的貢獻，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。物質墜入超巨大的黑洞時，周圍區域升溫，釋放出大量的能和光，形成類星體。那些被認為是多重星系合并形成的橢圓星系中也有類星體。哈勃空間望遠鏡發現，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。

哈勃空間望遠鏡的發現遠不止于此。它還發現幾乎所有的星系都有超大黑洞，吞食各自星系中的物質，而且黑洞的質量與星系中心周圍的恒星的質量相關，說明星系的形成與其黑洞的形成有著緊密的聯系。

發現暗能量

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：其一是宇宙永遠膨脹下去，星系漸漸彼此遠離；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世紀晚期，天文學家都很有信心地認為，宇宙會永遠膨脹下去，速度會不斷降低，就像汽車耗盡燃料后繼續滑行那樣，動量永遠都不會為零。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家能夠找到極其遙遠的超新星。然而，哈勃的觀測結果卻將標準的假設攪得一團糟：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，天文學家發現宇宙反而在加速膨脹，似乎有一種力量在驅使著它，使其膨脹速度越來越快。

這會是什么？科學家仍然不知道。有些科學家認為是一種未知的“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。

哈勃空間望遠鏡拍攝到宇宙膨脹的有力證據。

超新星爆發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，當許多超新星1a型爆炸的亮度表現出不同時，一定是因為有些距離我們較近，有些離我們較遠。天文學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。

天文學家原以為宇宙的膨脹應當在減緩，但哈勃空間望遠鏡發現，最遠的超新星比預想的昏暗得多，這就意味著這些超新星及其所在的星系比科學家預期的遙遠得多。如此遙遠的距離與宇宙膨脹減速或恒速的理論相矛盾，只有認為宇宙在加速膨脹才能解釋得通。endprint