哈勃的功绩之宇宙学

梁晓鹏

给宇宙拍摄婴儿照

瞭望太空，我们可以看到过去。从宇宙中最远的天体来到地球的光，在几百亿年前就离开了其所属的天体，我们看到的只是该天体很久以前的样子。

这些极其遥远的星系看上去是那么奇怪：小小的，不规则，缺乏可形容的确切形状。

在哈勃空间望远镜工作之前，没有望远镜能看到这些遥远的星系。天文学家把哈勃空间望远镜转向一片看上去几乎空空如也的天空时，只是抱着一种姑且一试的心态。因为他们正在寻找的天体可能太暗或太小，即便是哈勃也未必能够看得见。

结果，他们发现了一个巨大的宝藏：大大小小一万多个星系，或规则，或不规则，在遥远的太空中燃烧着。

在随后的几年里，哈勃和其他天文台一起以高分辨率、长时间曝光、多波长观察了天空的小片区域。类似哈勃超深空场（HUDF）和大天文台宇宙起源深空巡天（GOODS）这样的考察活动，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。

这些图像能够让我们追踪宇宙的发展史。在可见宇宙最古老的地方到处散落的微小红点，就像是早期无形状的星系建筑材料，它们的光被膨胀的宇宙拉伸为红外光；稍近一点儿的地方能够看到许多星系互动、碰撞、融合和成长；再近一些，就可以看见我们今天所知的巨大星系。

宇宙的生日

来自天空的光向我们昭示着宇宙的年龄。我们知道，宇宙自大爆炸以来一直都在膨胀，所以，如果我们能够测量到它的大小和膨胀速度，就能够推测出宇宙的年龄。

说起来容易做起来难。既然无法把一把标尺伸向宇宙进行测量，那么我们只能通过研究天体的亮度进行估算。造父变星是一种特殊类型的脉冲星，它的光变周期与它的光度成正比，因此可用于测量星际和星系际的距离。天文学家发现星系中的造父变星时，便通过视差法确定那些星系到地球的距离，就像根据车大灯的亮度判断处于黑暗处的车辆的距离一样。

在哈勃空间望远镜工作之前，天文学家只能将宇宙的年龄精确到100亿年至200亿年。但即便在宇宙这个尺度上，100亿年也不是一个很准确的测量结果。

哈勃空间望远镜对31个造父变星进行了针对性观测，帮助科学家确定宇宙现今的膨胀速度，以此将宇宙年龄测算到最精确的程度。通过对NGC4603这类星系中的造父变星的观察，哈勃最终将宇宙年龄确定在137亿年，误差只有几亿年。了解宇宙年龄不只是好奇不好奇的问题，如果我们能够了解恒星和行星发展的时间阶段，就能更准确地认识宇宙，以及宇宙中的所有一切是如何形成的。

潜伏的黑洞

当天文学家首次将望远镜转向天空时，他们追踪到源于某些典型宇宙物体的无线电波，包括超新星的残骸、遥远的星系以及产生恒星的高能区域。有一种特定类型的物体看上去只不过是一个小小的光点，也许只是一颗星；进一步观察就会发现，这些天体极其遥远，它们是遥远的星系。这些天体被称为类星体，科学家认为它是那些遥远星系极其明亮的中心。

类星体距离地球非常远，其实际尺寸又非常小，相当于太阳系的规模。我们通过望远镜能够看到的类星体就是至今在宇宙中发现的最明亮的天体。事实上，哈勃空间望远镜对类星体的贡献，就是以其高分辨率的图片证实了在它明亮的光线里隐藏着一个星系！

同时，哈勃的观测也帮助天文学家确定，这些明亮的星系中心的能量是由巨大的黑洞提供的。物质坠入超巨大的黑洞时，周围区域升温，释放出大量的能和光，形成类星体。那些被认为是多重星系合并形成的椭圆星系中也有类星体。哈勃空间望远镜发现，星系中心的类星体相互摩擦、碰撞，这些交互作用可以给黑洞提供能量并点亮类星体。

哈勃空间望远镜的发现远不止于此。它还发现几乎所有的星系都有超大黑洞，吞食各自星系中的物质，而且黑洞的质量与星系中心周围的恒星的质量相关，说明星系的形成与其黑洞的形成有着紧密的联系。

发现暗能量

宇宙始于大爆炸，然后就一直在膨胀。随着时间的推移，星系间的距离一直在增大。许多年以来，天文学家在思考宇宙的死亡时，都想过这样两个可能性：其一是宇宙永远膨胀下去，星系渐渐彼此远离；其二是宇宙会停止膨胀，然后来个“大坍缩”，再回到原状。

直到20世纪晚期，天文学家都很有信心地认为，宇宙会永远膨胀下去，速度会不断降低，就像汽车耗尽燃料后继续滑行那样，动量永远都不会为零。他们开始研究，试图确定膨胀的速度。

超新星爆发可以用来确定星系的距离，以便测量宇宙膨胀的速度。哈勃敏锐的视觉使得天文学家能够找到极其遥远的超新星。然而，哈勃的观测结果却将标准的假设搅得一团糟：宇宙的膨胀根本没有减速。通过研究哈勃拍摄到的超新星的特性，天文学家发现宇宙反而在加速膨胀，似乎有一种力量在驱使着它，使其膨胀速度越来越快。

这会是什么？科学家仍然不知道。有些科学家认为是一种未知的“暗能”在作祟。哈勃仍然在研究超新星，这可能是解开这个谜的那把钥匙。

哈勃空间望远镜拍摄到宇宙膨胀的有力证据。

超新星爆发怎么证明宇宙膨胀加速？

有些类型的恒星爆炸被称为超新星1a型，总是放射相同量的光，使得其亮度几乎相等。

因此，当许多超新星1a型爆炸的亮度表现出不同时，一定是因为有些距离我们较近，有些离我们较远。天文学家可以比较这些超新星的真实亮度和视亮度，计算出超新星的距离，并由此计算出超新星所在星系的距离。

天文学家原以为宇宙的膨胀应当在减缓，但哈勃空间望远镜发现，最远的超新星比预想的昏暗得多，这就意味着这些超新星及其所在的星系比科学家预期的遥远得多。如此遥远的距离与宇宙膨胀减速或恒速的理论相矛盾，只有认为宇宙在加速膨胀才能解释得通。endprint