哈勃的宇宙

宇宙微波背景辐射、星际有机分子、类星体、脉冲星这四项重大天文发现，都是在二十世纪60年代借助射电天文望远镜发现的，它们对天文学的发展意义重大，并称为二十世纪射电天文学四大发现。从光学望远镜到射电望远镜是人类观测手段上的一次质变，这种观测手段的质变带给我们对宇宙认识上的质变。而望远镜的又一次质变马上就要到来。

自从二十世纪50年代人类的火箭把卫星送上天之后，天文学家们就在梦想着能不能把望远镜也送上太空，在太空中一睹宇宙的风采。地面上的望远镜无法避免地会受到地球大气的影响，就好像从水下望向水面之外的景物，所有的影像都扭曲了，因为光线会被水折射。同样的道理，地球大气也会折射光线，使地面上的望远镜拍摄的照片失真。于是从1978年开始，美国宇航局联合欧空局一起开始建造一台太空望远镜，并以传奇的美国天文学家哈勃的名字命名。这台长12.8米、口径4.27米、重8吨的庞然大物从外型上看就像一个“长了翅膀的可乐罐”，总共耗资15亿美元。可是没想到，哈勃建成后就遇上了1986年美国挑战者号航天飞机的失事，美国宇航局停飞了所有航天飞机，哈勃只得耐心地在仓库中待命，一直等到1990年的4月24日。美国宇航局经过四年多的休整，终于迎来了挑战者号之后的首次发射，这次发射的航天飞机是奋进号，任务就是送哈勃上天。

哈勃太空望远镜被成功送入地球上空600千米的轨道上，然而，当哈勃拍摄的第一张照片传回来后，在场的科学家们几乎要崩溃了，这台被寄予厚望的太空望远镜拍出来的照片居然是糊的！效果还不如地面上的望远镜。经诊断后确认，哈勃有严重的质量问题，镜片在磨制的过程中有误差，这个误差是1.3毫米，就是这么一点点误差导致哈勃患上了极为严重的“近视”。这个事件在美国民众中引起了轩然大波，人们纷纷指责美国宇航局用纳税人的血汗钱制造了一个史上最贵的太空垃圾，甚至有媒体把哈勃与泰坦尼克号悲剧并列，可见这次事故在当时的影响有多大。有一家媒体的评论是这样的：“如果埃德温·哈勃知道这个以他的名字命名的望远镜竟是这副德性，恐怕会在坟墓里气得打滚吧？”好在美国宇航局化悲痛为力量，忍辱负重，在三年之后居然神奇地给哈勃装了一副眼镜——增加了一组“矫正镜片”。视力恢复后的哈勃开始显示出它无与伦比的强大力量，它将颠覆整整一代天文学家的观念，把人类对宇宙的认识再次往前推进了一大步。

1995年12月18日，看上去是平凡的一天，一个来自美国的天文研究小组租用了哈勃望远镜，他们要选择一个颇受争议的天区进行观测。大家要知道，全世界的天文学家都在争相排队租用哈勃，每个人都认为自己要观测的那个位置是最重要的。可这次的观测区域却让许多人大跌眼镜，因为这次要观测的区域是一块“黑区”，并且还是全天中最黑的“黑区”。这是什么意思呢？顾名思义，就是天空中一块看似什么也没有的黑黑的区域。这次观测选择的是全天中最黑最黑的一个点，大小仅仅只有144弧秒，只占整个天区的2400万分之一。这相当于你站在100米开外看一个网球的大小，不仅如此，而且一下子就租用了整整11天。不少天文学家就吐槽，NASA怎么能批准这样一次不靠谱的观测计划呢？他们中有很多人预言，11天看下来，那个黑点中啥也看不到，最后会成为一个笑柄，浪费哈勃宝贵的工作时间。

在一片质疑声中，哈勃太空望远镜把镜头聚焦到了那片位于大熊座的黑区上，从12月18日一直观测到了12月28日。这11天中哈勃绕着地球转了150圈，在四个不同的波段上整整曝光了342次。在宇宙中穿行了100多亿年的光子一颗一颗落在了哈勃极为灵敏的感光元件上。谁也没想到，这些光子组成的图像将让全世界的天文学家接受到一次革命式的洗礼。

这342张图像最后合成的照片被称为“哈勃深空场”，这恐怕是人类天文学史上到目前为止最为重要的一张天文照片，没有之一。下面我就把这张照片贴出来让你看看：

图20-1　哈勃深空场

如果你完全没有看明白这张照片的震撼之处，其实很正常，如果不解释，非专业人士谁也看不出这张照片有多牛。让我来为你解释一下这张照片的奥秘：在这张照片中，每一个光点，哪怕是最暗弱的一个光点，都不是一颗星星，而是一个星系，一个像银河系这样包含了上千亿颗恒星的星系！在这么一个全天2400万分之一的区域中，哈勃就拍摄到了超过3000个星系，这真是令人“细思恐极”。

宇宙中星系的分布密度是均匀的，这早已被证实了。那么根据哈勃深空场拍摄到的星系数量就可以推测出，宇宙中可观测到的星系总数将超过1000亿个，这实在是多到了“恐怖”的程度。如果我们的银河系在宇宙中是一个中等大小的星系的话，而宇宙中平均每个星系包含1000亿到2000亿颗恒星，则宇宙中恒星的总数量就相当于地球上所有沙子的数量，包括所有沙漠和海滩上的沙子。虽然令人难以置信，但这确实是观测事实。

海量的星系照片让天文学家对银河系的演化研究找到了第一手资料。为什么我会说其他星系的照片是研究银河系的第一手资料？因为宇宙学原理。我们先来讲讲这个宇宙学原理，这是现代天文学家研究宇宙天体演化所依据的基本原理，它的核心概念就是俩字——平庸，就是说我们在宇宙中所处的位置和演化的阶段都是平庸而无任何特殊之处的。

用我的话来解释，这个原理隐含着一个推论：同一个星系的多个时间断面，与多个星系的同一个时间断面是等价的。这句话说的可能有点儿不够通俗，我得解释一下。比如说我们要研究某个细菌的一生，不需要盯着一个细菌连续不断地拍摄，只需要对着一片细菌拍一张照片，那么这张照片中就会包含细菌们在各个年龄阶段的形态，因为我们知道所有的细菌演化过程都是差不多的。如果外星人要研究人类从出生到死亡全过程的身体形态变化，也不需要跟踪一个人的一生，他们只需在同一时刻给大量的人类拍张照片，只要样本数量足够，就能够看到从婴儿到老人的所有形态。

这里隐含的一个假设前提，就是每个人的演化过程基本上是一样的，因为从形态的角度来说，每个人都是平庸的，并不会有本质上的差异。于是，我们研究星系的演化，也可以应用这个原理，只要在同一时刻拍到的星系数量足够多，就能分析出一个典型星系的演化过程。

因此，通过观察众多别的星系的不同形态，就能了解自身银河系的过去与未来。据最新的观测数据表明，我们的银河系正在与仙女座大星系互相接近，几十亿年以后，会与仙女座大星系“相撞”，那么相撞之后会发生什么？除了可以用计算机模拟以外，还可以通过研究其他宇宙中星系相撞后的形态，与我们的模拟结果互相验证。这样得出的结论是：最终两个星系会结合成一个棒旋星系。

图20-2　哈勃拍摄到的一个棒旋星系NGC1300　　图片来源：NASA官网

因哈勃太空望远镜的上天，人类对宇宙的研究提升了一个层次，在此之前，基本上是以研究恒星来认识宇宙，而在此之后，则得以通过研究星系来认识宇宙。这种研究方法上的本质飞跃，必将带来认识上的飞跃。但是接下去的两个新发现，给自信满满的天文学家们迎头浇了一大盆凉水。原以为基本上了解了宇宙的人类突然发现，我们对宇宙的了解其实只是宇宙的一小部分，神秘的宇宙只不过是向好奇的人类稍稍敞开了大幕的一小角而已。