尋找宇宙邊緣(下篇)

撰文 徐永煊

尋找宇宙邊緣(下篇)

撰文 徐永煊

有一種東西很奇怪，它至大至深，至高無上，籠罩在人們頭頂上方，人們卻不知道它為何物。早在兩三千年前，古希臘科學家和哲學家就開始對它進行探索，但時至今日，人們對于它依然知之不多。因為它，愛因斯坦做過深刻檢討，布魯諾被燒死在火刑柱上；也是因為它，埃德溫·哈勃成為世界著名

哈勃太空望遠鏡在探測太空

科學家。為了研究它，人類研制了一大批最新最精良的觀測工具；也是為了研究它，人們上高山、飛太空不懼辛勞。那么它是什么呢？它就是宇宙。如今，科學家對宇宙的研究已有重大突破，然而研究得越深入，它的神奇性就越顯現，越令人神往，這是因為它的前世、今生與未來都充滿神奇。

宇宙”一詞最早出現在戰國時代的《尸子》中：“上下四方曰宇，往古來今曰宙。”我們祖先早在2500年前就把“宇宙”同“時-空”結合在一起了，這是非常正確的。然而宇宙到底有多大，它的邊緣在哪里，人類卻久久沒有弄清楚。直到20世紀初期，人們還認為銀河系就是我們已知的整個宇宙。是望遠鏡提高了我們的眼力，讓我們目擊了土星上空美麗的光環、木星表面滾動的風暴云、百萬光年外爆炸的超新星、正在誕生的“嬰兒恒星”、137億年前的早期宇宙、神秘的暗物質和神奇的暗能。那么，望遠鏡對于宇宙還能揭示什么呢？它能看到宇宙很遙遠的邊緣嗎？

威爾遜山上的革命

20年前，美國“發現號”航天飛機將著名的“哈勃空間望遠鏡”（簡稱“哈勃”）放進了軌道，這個用高技術裝備起來的第一部新一代空間望遠鏡正在探索宇宙邊緣。它給了我們許多發現，許多驚奇。它是當代最精良的天文觀測設備，能夠同時拍攝百萬顆恒星照片，它拍攝的照片比地面天文望遠鏡拍攝的清晰十多倍。通過在軌道上的四次大修，它成功地進行了長達19年、總共88萬多次的宇宙觀測，對2.9萬個宇宙天體拍攝了57萬多張照片，傳回地球5萬張高質量的精美圖片，它取得的數據足以堆滿兩個美國國會圖書館。“哈勃”創造了許多太空觀測奇跡，例如，發現了黑洞存在的證據，探測到恒星和星系的早期形成過程，觀測到目前人類所能觸及的最遙遠（距離地球130億光年）的古老星系，探明宇宙年齡為137億年。這些觀測對世俗文化有著極大的沖擊力，對人類建立新的宇宙觀有著極為重要的影響。

今天，用高技術裝備起來的其他越來越多的望遠鏡正加入到“哈勃”的行列，共同揭示宇宙中那些令人難以理解的奧秘：宇宙的大小、年齡和激烈的程度。20世紀伊始，開始了一場天文學革命，其標志就是建造新的望遠鏡。這是一場持續改變我們對宇宙的感性知識、擴張我們感知的宇宙邊緣和讓我們永遠在發現之旅上奔馳的革命，今天我們仍在這條革命道路上向前跑。

這場革命的第一步是一位名叫喬治·埃勒里·海耳的天文學家攀登加利福尼亞帕薩迪納海拔2000米高的威爾遜山。天文學家早就認識到，要想得到真正好的天文觀測資料，就要選擇好的觀測地址，因此天文學家往往不遠萬里選擇天文臺臺址（例如中國科學院紫金山天文臺曾經到荒涼的青海省德令哈建立毫米波觀測站，而不是在原來的老天文臺安裝新的望遠鏡）。作為天文學家，海耳清楚地知道地球大氣對天文觀測的重要性。在天文學教科書里，“大氣折射”、“蒙氣差”對天文觀測的不利影響有充分的描述：地球大氣能改變天體光線的入射方向，在觀測的天體位置上造成誤差；濃密的大氣層還有消光作用，導致從天體來的光線大大減弱。在威爾遜山上建立天文臺，把歪曲和減弱望遠鏡成像能力的低層大氣中的云和霧統統“踩”在腳下，是提高天文觀測質量的重要舉措。因此海耳要看看在這座山的山峰上能否建造一個天文臺，讓稀薄的大氣變得清澈透明，更有利于天文觀測。

在空間快速移動的黑洞（想象圖）

喬治·埃勒里·海耳

100年前，在山頂上建天文臺的想法是具有革命性的，也是一個巨大的挑戰。把幾百噸重的鋼鐵和混凝土一點一點地沿狹窄的山路拉上山是不容易的，但為了換取清澈明凈的天空，花點功夫也是值得的。威爾遜天文臺建成后將是當時地球上最高的天文臺，并為全球天文臺勾畫出藍圖。

這個天文臺是海耳的夢想，他要在這樣的天文臺上解決最大的宇宙之謎：找出我們的銀河系之外是否還有其他世界。對海耳來說，解決天文臺的高度僅僅是第一步，為了觀測使人目眩的深空宇宙，他需要在天文臺上安裝當時世界最大的新望遠鏡。

望遠鏡是光線的“收集桶”,較大的望遠鏡可以收集較多的光線，可以聚焦較暗的星。在海耳時代，大多數望遠鏡是用玻璃透鏡聚焦光線的，當玻璃透鏡被做得很大時，其自身重力也會變得很大，使望遠鏡彎曲變形，造成星像失真。這里的“變形”，術語稱為“畸變”。因此，玻璃透鏡不能做得很大。海耳需要一種新設計的望遠鏡，要求望遠鏡能收集大量光線，但不能用玻璃透鏡。經過周密思索、比較，海耳決定采用伊薩克·牛頓在1688年創造的反射望遠鏡。這種望遠鏡用彎曲的鏡面代替玻璃透鏡，把光線反射到一點來聚焦。海耳采用這種結構，用11年時間把反射望遠鏡制作出來。這部望遠鏡的曲面鏡直徑2.54米，重400千克，安置在12.2米鑄鐵管底座上，整個裝置安置在30米直徑的圓頂內。1917年，公眾見到這架當時世界上最大的望遠鏡時一片嘩然。

埃德溫·哈勃

美麗的安德羅美達

威爾遜山上新建成的望遠鏡成為當時美國的科學眼睛，也是世界的科學眼睛，它的出類拔萃贏得了各國天文學家的青睞，他們飄洋過海，從世界各地聚集到威爾遜山，輪流守候在它身旁，用它觀測星空。在天文望遠鏡殿堂里，威爾遜山的望遠鏡當之無愧地贏得了“宇宙歷史上最重要望遠鏡”的美譽。

這架望遠鏡很快被用來揭示天文學上一個久未破解的奧秘：星云。星云是一種讓人費解的天體。憑視覺看，它們是恒星之間云霧狀的巨大發光體，渾然一體，千變萬化，互相涉及，互為因果。有些星云是卵形漩渦，有些是由恒星組成的纖細漩渦，還有一些有著分岔的“觸須”。根據它們的輻射和形狀，星云被分為發射星云、反射星云、暗星云、超新星遺跡、彌漫星云和行星狀星云。人們通過望遠鏡見到了幾百個星云，卻一直無人知道它們是什么，也不知道它們離我們有多遠。后來，經過觀測研究，人們才知道星云有兩類，一類在銀河系內，一類在銀河系外。銀河系內的星云才是真正的星云，它們是氣體和塵埃形成的云霧狀物質，而銀河系外的“星云”則是由幾千億顆太陽一樣的恒星組成的河外星系。

測定一個星云是銀河系天體還是河外星系，就需要測出它到地球的距離，而測定星云的距離是不容易的，在廣袤的太空中確定天體距離是對天文學家最大的挑戰之一。天體的距離是靠觀測其光線來確定的，天體的光線猶如汽車的頭燈，距離越近，看起來越亮。但是，星星并不是我們想象的那樣分布在與我們距離相同的球面上。這種“相同”是投影產生的錯覺。實際上，不同的天體到我們的距離千差萬別，各不相同。我們有這樣的常識：在較遠距離上，汽車頭燈可能與距離近的自行車頭燈有著同樣的亮度；而當汽車越來越近時，汽車頭燈就比自行車頭燈亮多了。天體的情況也是一樣。因此，測量天體的距離需要有一盞標準的“天燈”做“量天尺”，這把“量天尺”通常用符合條件的恒星（遙遠星系內特別明亮的恒星）來做，并且有一個專用名稱——“標準燭光”。

美國天文學家哈勃測量了仙女座星云，這個星云有一個凄美的神話故事。“仙女座”譯成中文是“安德羅美達”。在希臘神話中，安德羅美達是依索比亞國王克甫斯和王后卡西奧佩婭的女兒。卡西奧佩婭因不斷炫耀自己的美麗而得罪了海神波塞冬的妻子安菲特里忒，后者要波塞冬替她報仇。波塞冬遂派海怪蹂躪依索比亞。克甫斯得知此事后非常害怕，請求神諭解救。神諭暗示，唯一的辦法是獻上安德羅美達，用鐵索把她鎖在海怪（鯨魚座）必經之路的巨石上，任由海怪蹂躪。克甫斯夫婦按照神諭的話做了，可憐的安德羅美達受盡折磨。后來，英雄帕修斯路過這里，看見安德羅美達的慘痛，立即拿出腰間懸掛的蛇發魔女墨杜莎的人頭對著海怪，海怪頓時化為巖石，原來這是由于墨杜莎有一對閃閃發光的特殊眼睛（現在稱墨杜莎的“眼睛”為“大陵五”，是一對互相繞著轉的食變雙星）。帕修斯殺死了海怪，救出了仙女安德羅美達，演繹了一段英雄救美的佳話。

說完故事，再談哈勃的觀測。哈勃先在仙女座星云中尋找造父變星，因為他選擇造父變星作為“標準燭光”。他仔細地對仙女座星云的照片分析了幾個月，1923年10月6日，他終于在仙女座邊緣上找到了一顆造父變星。哈勃喜出望外，在照片上畫了兩條黑線，并在黑線之間標出造父變星的位置，寫上“變！”作為標記。

利用造父變星，哈勃測量出仙女座星云到地球的距離約為80萬光年，比銀河系內已知最遠的恒星還遠8倍多。這個數據無可辯駁地表明，仙女座星云是銀河系邊緣外的星系。這次測量是改變歷史的測量，哈勃非常激動地提起筆，在“仙女座到我們地球的距離比我們銀河系遠8倍多”這句話后面打了一個大大的驚嘆號。

哈勃是幸運的，因為他有機會接受海耳的邀請，參與了星云距離的測量。哈勃的成功也是意料之中的。作為當時最著名的觀測天文學家之一，每到夜幕降臨、華燈初上的時候，哈勃便打開天窗，守候在2.54米望遠鏡旁。哈勃用辛勤的勞動獲得了仙女座星云的前所未有的細節，他的發現徹底改變了我們對宇宙的認識，大大延伸了宇宙的前沿，從此銀河系不再是宇宙的全部，仙女座星云也不是獨一無二的河外星系，僅哈勃一人就觀測到了好幾十個河外星系。位于銀河系外面的星云就像遼闊海洋中的島嶼，星羅棋布地散布在廣袤的宇宙中。天文學家形象地稱它們為“宇宙島”，把密布“島嶼”的宇宙叫做“島宇宙”

“島宇宙”的出現打破了銀河系是宇宙邊緣的舊觀念，“河外有河，天外有天”，辯證法在這里得到了很好的詮釋。哈勃用當時望遠鏡的觀測資料深刻地改變了人類的宇宙觀。今天，最大的望遠鏡仍在觀測宇宙，而且比哈勃時代觀測的范圍更加廣闊。今天望遠鏡穿越了100多億光年，“看”到了數千億個星系位于我們的銀河系外面，每一個星系都由數千億星組成。天空中的星星數比地球上所有海濱和沙漠的沙粒的總和還要多！

哈勃使用過的2.54米望遠鏡

破譯星光密碼

19世紀初，英國物理學家渥拉斯頓制造了一架分光鏡，用來分析太陽光。這是一架破譯光線密碼的儀器，它能像雨后彩虹那樣把白色太陽光分離成五彩繽紛的光譜，讓隱藏在光譜里的宇宙奧秘暴露在天文學家面前。分光鏡之所以具有奇妙的功能，源于光線是一種電磁波，每一種顏色都有自己的波長。紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種顏色的波長依次變短，頻率依次變高，紅光波長較長，頻率較低，紫光波長較短，頻率較高；白光是紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種顏色的光線混合而成的。因此，利用分光鏡可以分析出天體發射的光線里含有哪些成分。換句話說，利用分光鏡可以破譯天體光線的密碼，獲取天體的信息。

1842年，奧地利物理學家和數學家克里斯琴·約翰·多普勒提出一條原理，被稱為“多普勒原理”。該原理指出，當發射光線的物體相對于觀測者運動時，觀測到光線的波長要發生變化——光源向觀測者運動時，光被壓縮，波長變短，頻率變高，出現藍移（也稱紫移）；相反，當光源背離觀測者運動時，光被拉伸，波長變長，頻率變低，出現紅移。光源運動的速度越高，這種效應越顯著。因此，根據光線是紅移還是藍移，可以計算出光源在視線方向的運動方向，根據紅移或藍移的大小，可以計算出光源在視線方向的運動速度。根據多普勒原理，恒星光譜線的位移既能顯示恒星是向著還是背著觀測者運動，也能據此計算出恒星的運動速度大小。

1928年，哈勃利用多普勒原理研究新發現的星系的紅移，借以找出星系的移動速度。他分析了許多星系的速度，并按照星系的遠近列成表，觀察它們的速度同星系距離的關系，結果得出了一個令人震驚的結論：離我們越遠的星系紅移越大，遠離的速度越快。1929年，他在星系速度與距離之間建立了一個有趣的關系：離開越遠的星系紅移越大，遠離的速度也越大。這就是著名的哈勃定律。由這條定律得出結論：宇宙在膨脹。

哈勃的發現引出一個問題：如果宇宙在膨脹，那么是什么促使它膨脹的呢？天文學家從哈勃的發現中尋找出答案。哈勃發現，宇宙中的星系在相互移開，用天文學上的術語，叫做“退行”，而且是自然“移開”的。所謂宇宙在膨脹，并非星系在離開我們，而是空間本身在伸展。也就是說，宇宙和星系就像練球房和球一樣，球是星系，練球房就是宇宙，練球房“膨脹”了，球與球之間的空間自然就增大了。科學家由此想到：在過去某些時間，“練球房”和“球”不都在一個中心點嗎？追溯到過去，中心點——宇宙的爆發點溫度比現在高，密度比現在大，而且越早期溫度越高，密度也越大。宇宙是從一個高溫、高密狀態膨脹演化而來的。因此，蘇聯著名天文學家伽莫夫在20世紀50年代提出了大爆炸宇宙學理論。

根據這一理論，大爆炸發生在一瞬間，而宇宙就是在這個瞬間誕生的。宇宙誕生以后，曾有一段從熱到冷的演化史。在這個時期，宇宙體系并不是靜止的，而是在不斷膨脹，使物質密度從密到稀演化。根據大爆炸宇宙學，大爆炸的整個過程是：在宇宙早期，溫度極高，在100億K（開氏度）以上，物質密度也相當大，整個宇宙體系達到平衡，那時宇宙間只有中子、質子、電子、光子和中微子等一些基本粒子形態的物質；由于整個宇宙體系在不斷膨脹，結果溫度很快下降，當溫度下降到10億K左右時，中子開始失去自由存在的條件，或者發生衰變，或者與質子結合成重氫和氦等元素，開始形成化學元素；當溫度進一步下降到100萬K后，早期形成化學元素的過程結束，宇宙間的物質主要是質子、電子、光子和一些比較輕的原子核；當溫度下降到幾千攝氏度時，輻射減退，宇宙間的物質主要是氣態物質，氣體逐漸凝聚成氣體云，再進一步演化形成各種各樣的恒星、星系和星系團，成為我們今天看到的宇宙。

彭齊亞斯和威爾遜借以發現宇宙微波背景輻射的巨型天線

“無意”獲得諾貝爾獎

今天的人們無法回到宇宙初期目睹宇宙演化的真實畫面，只能依據觀測資料，運用物理理論進行分析，推斷出大爆炸的大致過程。所謂觀測資料，是指散落在宇宙空間的大爆炸余燼——微波背景輻射。

1964年，美國貝爾實驗室的阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜兩位研究人員為了檢驗一臺巨型天線的低噪聲性能，把天線對準了沒有明顯天體的天空區域進行測量，無意間收到一個相當大的微波噪聲，波長7.35厘米。精確測量顯示，這種輻射的溫度相當于絕對溫度為3K的黑體輻射。而且無論天線指向何方，它們都存在。彭齊亞斯和威爾遜最初懷疑設備出了問題，產生了干擾，于是他們對儀器的各個部件進行試驗，甚至掃去了天線內的鴿子糞便。他們從冬到夏，夜以繼日地做試驗，觀測了天空每一個可能的方向，甚至就連對兩年前夏季發生的一次高空核爆炸是否產生了帶電粒子都做了考慮。但是各種考慮都徒勞無功，找不到信號來源。這種既不是來自天體輻射、也不是儀器干擾產生的微波噪聲，看來只可能是廣闊宇宙空間產生的了。難道虛無縹緲的宇宙空間存在背景輻射嗎？兩位研究人員找不出答案。由于無法解釋這個溫度的來源，盡管他們對自己的結果確信無疑，卻沒有公布測量結果。

1965年，彭齊亞斯和威爾遜獲悉，以迪克為首的普林斯頓大學研究小組正在研究宇宙背景輻射，他們立即與迪克教授取得了聯系。經過雙方深入討論，彭齊亞斯和威爾遜初步斷定，他們發現的正是普林斯頓大學研究的宇宙背景輻射。他們估計，迪克等人之所以沒有探測到這種輻射，乃是因為他們的天線靈敏度不夠。于是，彭齊亞斯和威爾遜撰寫了一篇600字的論文——《在4080兆赫處天線附加溫度的測量》，宣布了他們的成果。

就這樣，彭齊亞斯和威爾遜“意外”地發現了宇宙微波背景輻射（簡稱CMB），看到了大爆炸的余輝，聽到了“開天辟地”的聲響。他們是幸運的，而更幸運的是，他們的發現為大爆炸理論提供了證據，對科學發展做出了巨大貢獻。為了彰顯他們在科學上的貢獻，瑞典諾貝爾委員會1978年授予他們諾貝爾物理學獎。

從此，宇宙微波背景輻射成了天體物理學家和宇宙學家案頭的熱門研究課題，理論家研究它的理論，觀測者則觀測它的細節。美國宇航局的“宇宙背景輻射衛星”（簡稱COBE）在1989年11月應運升空。這個探測器成功地給出世界上第一張微波背景輻射溫度圖，圖上顯示出天空區域的平均能量（或溫度）有萬分之一起伏，冷的區域與熱的區域交替漲落。這些觀測暗示，微波背景輻射是不均勻的。理論家認為，微波背景輻射是大爆炸的余燼，大約產生于大爆炸之后38萬年，較“熱”的光子來自早期宇宙的稠密區域，起伏現象表明恒星和星系是物質分布不均勻的結果。這一結論把宇宙學家的視線引向了宇宙的“嬰兒時期”。

COBE衛星探測宇宙背景輻射（想象圖）

宇宙微波背景輻射溫度圖

研究極早期宇宙，需要高分辨率的探測資料，探測這樣的資料，“宇宙背景輻射衛星”是辦不到的，因為它的傳感器分辨率不夠。于是，在2001年6月30日美國宇航局發射了“威爾金森微波各向異性探測器”（簡稱WMAP），這個探測器的外形與彭齊亞斯和威爾遜的巨大天線相類似，但性能精良得多，并且裝備了兩架反射望遠鏡。整個裝置在距離地球約150萬千米的第二拉格朗日點上飛行，進行復雜的全天掃瞄，全天掃瞄一次需6個月。WMAP的飛行目的是高精度地檢測大爆炸輝光，嘗試尋找星系形成的原因和察看大爆炸之初的狀況。

WMAP在多年飛行中取得許多重要成果，科學家于2003年公布了其第一批觀測結果，隨后又相繼發布了多批觀測資料。根據WMAP的觀測結果繪制的宇宙微波背景溫度圖揭示了大量信息，圖上小紅點是物質開始聚集、最后形成星系團的地方，是揭示恒星和星系最初如何形成的至關重要的證據。

WMAP是比較精確的探測器，它的資料既幫助天文學家推斷出宇宙很早的時期（大爆炸之后約億億億分之一秒）發生的事，也讓天文學家揭示了巨大的宇宙之謎——宇宙的精確年齡。一般認為，自大爆炸以來宇宙的年齡是137.5億年，誤差為正負1.1億年；而根據WMAP的觀測得出的數據是137.3億年，誤差為正負1.2億年。137億歲的宇宙很古老，但卻不是無限大的。根據宇宙的年齡，科學家立刻計算出宇宙的大小——從宇宙誕生點到宇宙邊緣的長度，即宇宙半徑。在地球上看，宇宙半徑等于光速與宇宙年齡的乘積。所以，宇宙年齡是137億年，就意味著宇宙半徑相當于137億光年。光速雖然很大，但卻是有限值，宇宙年齡也是有限的，兩個有限數相乘，其結果一定也是有限大的。因此，宇宙一定是有限的。然而，哲學上認為宇宙是無限的，人的認識也是無限的。WMAP得出的結論與辯證法相悖，這是怎么回事？原來，盡管WMAP觀測的宇宙邊緣比其他望遠鏡遠得多，其測量數據達到最接近真實值，但仍然只能探測有限的宇宙。

觀測工具的進步必定帶來新的認識：根據WMAP測量出的宇宙的物質成分分析，我們的宇宙主要是由看不見的暗能和暗物質組成的，暗能占73%，暗物質占23%，整個宇宙只有4%的物質是看得見的。唉，人類用望遠鏡觀天400年，竟然只看到了4%的宇宙！

獨一無二的“哈勃”

WMAP把我們從地球上帶回到宇宙誕生后億億億分之一秒的時刻，又把前人從未見過的宇宙邊緣的細節展現在我們面前，這是歷史上任何其他望遠鏡所不及的。然而，記錄這些結果的是人眼看不見的微波輻射，那么什么時候我們才能用普通的可見光觀測宇宙中的星系呢？科學家給出的答案是，“等到光學望遠鏡技術獲得巨大飛躍并且用來指向天空的時候。”我們幸運地看到，這一天已在1990年4月25日到來了。這個展示“光學望遠鏡技術獲得巨大飛躍”的“哈勃空間望遠鏡”的發射，打開了宇宙的一個新窗戶。

“哈勃”由美國宇航局和歐洲空間局合作研制，由美國“發現號”航天飛機部署進軌道。“哈勃”的發射實現了天文學家萊曼·斯必澤（也譯作斯皮策）在太空建立天文臺的夢想。1946年，斯必澤在《在地球之外的天文觀測優勢》一文中指出，太空中的天文臺有兩項優于地面天文臺的性能。其一，角分辨率不受星光閃爍、大氣湍流的影響；其二，在太空，紅外和紫外觀測沒有大氣層的吸收。“哈勃”的軌道在地面以上600千米的高空，那里既不受地球大氣對天文觀測的影響，也沒有煙、霧、云遮蔽宇宙光線之憂，因而大大提高了望遠鏡觀測天體的能力。

“哈勃”是一架經典光學望遠鏡，長13.3米，直徑4.3米，重11.6噸，造價近30億美元。其望遠鏡主鏡是卡塞格林式反射望遠鏡，口徑2.4米，能在光學、紫外和紅外等多個波長范圍工作。同地面大望遠鏡相比，“哈勃”的口徑不算大，但由于在大氣層上面觀測，擺脫了大氣束縛，因此具有空間分辨率高和天光背景暗的突出優點。此外，“哈勃”帶有廣角行星照相機，可同時拍攝百萬顆恒星照片，拍攝的照片比地面同類天文望遠鏡拍攝的清晰十多倍。所有這些突出優點使得“哈勃”成為當代最精良的天文觀測設備。

萊曼·斯必澤

“哈勃”的基本任務是拍攝天體像，它的“大眼睛”在真空中“注視”兩星期就能得到一張天空像片，這種像片不是計算機制作的，而是數字圖像。“哈勃”拍攝的圖像猶如晶體一樣清晰，它們都反映出很異常的空間事件，如爆炸星的遺跡、空間的流體——正在誕生新恒星的巨大氣體和塵埃云，它們在巨大盤面上渦旋和碰撞以創造出超級星系的遙遠星系等。

望遠鏡是時間機器，我們現在看到的光子實際上是從130多億年前開始旅行的，它們穿過漫長的星際空間來到我們這里。所以，利用“哈勃”不僅能看到光線向外穿越的空間，而且能讓時光“倒流”，看到光線的出發點。1995年，“哈勃”做過一次逆轉時間回頭看光線出發點的試驗。試驗是這樣進行的：先把“哈勃”指向宇宙中一個黑點（即天空中什么也沒有的點），然后對天空中這個黑點觀測10天，猶如它在通過銀河系的一個小鑰匙孔觀測外面的宇宙一樣。據實驗人員描述，“哈勃”在那個黑點上見到了1萬個星系。在像上看到的每一個光點代表一個星系，每一個星系都由數千億顆太陽那樣的星組成。這種像叫做“哈勃深空場”。“哈勃深空場”表明，從星系來的光線比人眼看到的任何光線暗40億倍！而且那些光線在幾十億年前就開始旅行了。“哈勃”的鏡面進行過4次升級，在2009年最后一次飛行中獲得的新“深空場”表明，它見到過大爆炸后近6億年的最遠的星。

“哈勃”創造了許多太空觀測奇跡，發現了黑洞存在的證據，探測到恒星和星系的早期形成過程，觀測到目前人類所能觸及的最遙遠天體——距離地球130多億光年的古老星系。利用這些觀測資料，天文學家提出了7500多份科學研究報告，并且取得12項最重大科學發現，其中與宇宙學相關的發現就有8項，它們分別是：證實了暗物質的存在，探測到類星體明亮的光線，發現宇宙正加速膨脹，揭示星系形成全過程，“稱重”超大質量黑洞，觀測到宇宙中最強烈的爆炸，觀測到恒星壯觀的死亡過程，發現宇宙年齡為130多億年。我們有理由相信，在一定意義上，“哈勃”在科學史上是真正獨一無二的。

“哈勃”經過維修升級后，拍攝照片的精度大大提高（對比左右圖）

“哈勃”拍攝的最著名照片——《創世之柱》，它顯示了老鷹星云中的恒星誕生過程

超大型望遠鏡揚威

在當代天文界，有兩種設備獲得很高的聲譽，一是“哈勃”，二是地面超級望遠鏡組成的龐大網絡系統。前者因揭示了宇宙的許多奧秘而光環閃爍，后者則因調查了一項轟動整個天文學界的發現而備受好評。這項發現就是迫使我們改變對我們頭頂上宇宙的許多看法的神秘力量——“暗能”。美國《科學》雜志評價說，“發現暗物質和暗能存在的新證據，是2003年所取得的最重大科學突破。”

暗能是迄今發現的最神秘的東西，對于它科學家至今仍無深刻了解。暗能是從無有（或稱真空）中產生的。暗能的發現是偶然與必然相結合的結果。在20世紀90年代中期，一個包括阿列克斯·費利彭科在內的天文學家小隊來到夏威夷莫納克亞山上的凱克天文臺觀測遙遠的宇宙。他們知道宇宙是膨脹的，但懷疑宇宙是否能一直膨脹下去。他們有一個理論：宇宙實際上有可能停止膨脹和開始減慢膨脹。他們認為，這如同向空中拋蘋果，地球對蘋果的吸引力使蘋果向上的速度越來越小，最后停止運動并向相反方向運動。所有星系之間都有相互吸引力，這些力都可以使宇宙膨脹變慢、停止，然后變成向相反方向膨脹，成為一次“大收縮”。

宇宙真的能自己往回收縮嗎？要回答這個問題，需要在地球上測量宇宙邊緣的速度。由于距離遙遠，這種測量需要最強大的望遠鏡。這時，直徑10米的凱克望遠鏡吸引了許多觀測者。凱克望遠鏡是由36塊六邊形鏡片組合而成的，是一架極其出色的天文望遠鏡，它能使我們對120億光年遠的可見宇宙邊緣的星系逐個進行觀測。但是，就像其他地面望遠鏡一樣，為了找出這些遙遠星系的實際距離，需要有“標準燭光”。哈勃當初是用造父變星作“標準燭光”的，但要測量比哈勃測量的遠得多的星系，造父變星就顯得太暗了。所以，天文學家現在測量遙遠星系時采用的“標準燭光”是Ia型超新星。他們利用Ia型超新星測量了紅移，計算出這些遙遠的星系遠離地球的速度。經過幾年的觀測和計算，他們在1998年得出令人震驚的結論：宇宙膨脹完全不是減慢，而是加速。因此，用扔蘋果類比的想法是錯誤的，這是由于推動宇宙加速膨脹的不是引力，而是一種神秘的力——斥力，天文學家稱為“暗能”。

“暗能”是什么？它對宇宙運動加速起了什么作用？目前這些都是謎。暗能是一種假想的物質，很均勻，很稀薄，密度約為每立方厘米10的負29次方克。正因為暗能很稀薄，所以很難在實驗室里探測它，只能通過它造成的宇宙加速膨脹來了解它的存在。根據現代“宇宙學標準模型”，它建立起73%～74%的宇宙能量。有人提出這樣一些疑問：在暗能推動下，宇宙會一直加速膨脹下去嗎？長期加速膨脹下去的宇宙最終會爆裂嗎？這些問題目前都無答案。

凱克望遠鏡內景

根據凱克望遠鏡觀測結果創制的宇宙場景（想象圖）

望遠鏡不斷地打開宇宙的新窗戶，科學家每次通過望遠鏡考察宇宙新的領域都會發現新的驚奇。