以色列天體物理學家馬里奧·利維奧談哈勃空間望遠鏡25年史

文/蓋伊爾·諾爾斯 譯/晨飛

在人生的很多時候，我們會遭遇到瓶頸，由于無路可走，便把視線轉向天空。也有一些人先我們一步，一生都在凝視著天空。

以色列天體物理學家馬里奧·利維奧就是這樣一個人。他是空間望遠鏡科學研究所的資深理論天體物理學家，超新星及其成像專家。他的研究幫助天文學界確定了宇宙膨脹的速度，理解了暗物質和黑洞。

1990年，哈勃空間望遠鏡搭乘火箭發射升空時，我就在美國航空航天局的肯尼迪航天中心。“哈勃”讓我們看到了自己的過去，說明了我們的來源。在慶祝哈勃空間望遠鏡25周年之際，我與利維奧在研究所談起了“哈勃”的輝煌成就及其對科學、藝術和社會的影響。利維奧帶著我暢游遙遠的超新星、暗能量、暗物質、哈勃常數以及星系演變，展示他將復雜科學簡單化這一拿手好戲。

人類面對的最具革命性的問題是什么？他認為是：宇宙中是否只有地球人。

哈勃空間望遠鏡怎樣改變了我們認識宇宙的方式？

19世紀20年代，我們認識到宇宙在膨脹。但是我們想，這種膨脹可能正在減速，因為宇宙里的所有物質都有引力。1998年我們發現，宇宙膨脹不但沒有減速，反而在加速，“哈勃”在發現中起到了非常關鍵的作用。宇宙膨脹的加速是與引力相對的斥力所致，這種斥力我們就稱其為暗能量。

那么，這是怎么發現的？從根本上講，我們看到的是極其遙遠的恒星爆炸，即超新星Ia型爆發。在“哈勃”拍攝的圖片上，你可以看到一個光點，那就是超新星，或者是一個星系。它們的距離非常遙遠，可以在七八十億光年以外。這意味著什么呢？這就是說這個光點在80億年以前離開那些超新星，所以這張圖片顯示的是宇宙80億年以前的情況。因此，我們可以拿當時的膨脹與現在的膨脹相比，發現宇宙的膨脹在加快。

“哈勃”所做的另一件重要事情是提高哈勃常數的精度。哈勃常數實際上是宇宙目前測定的膨脹速度，有了這個重要參數，就能確定宇宙的年齡：宇宙年齡大約是1除以哈勃常數的值。

發射哈勃空間望遠鏡之前，有兩個天文學家小組一直在圍繞哈勃常數值進行爭吵。他們的看法不同，一個比另一個整整大2倍，這當然不可能。現在，我們利用“哈勃”能夠精確地測量脈沖星的周期，所以可以知道該恒星的實際亮度是多少，然后將該恒星的實際亮度和我們看到的亮度進行比較，就能知道這顆恒星距離我們有多遠。目前，哈勃常數值的誤差在3%之內。請記住，原來的誤差是2倍，而現在是3%。我們現在得到的值非常非常精確，據此我們知道宇宙的年齡基本上就是138億年。

這是“哈勃”發現的有史以來最遠的超新星，編號是UDS10Wil。?這顆超新星被稱為Ia型超新星，比之前最遠的超新星還遠4%。

哈勃空間望遠鏡拍攝的M16和深空照片尤其著名，還有沒有其他圖像具有如此魅力呢？

首先，我得說那兩幅圖像仍然魅力非凡。M16已經成為一種形象，這毫無疑問。人們稱其為創世之柱等等，那兩個誕生著新恒星的氣塵巨柱真是不可思議。在它之后拍攝到的哈勃深空、哈勃超深空、哈勃極深空等，也一直非常鼓舞人心，實在令人驚嘆不已。當然，自此之后，還有更多更奇妙的圖像。

有一張圖像被稱為神秘山，就是因為它看上去像一座山。這是另一個正在產生新恒星的氣塵巨柱。這里面不但誕生著新的恒星，而且正在誕生恒星的周圍圓盤上還有噴射發生。經過維修的哈勃空間望遠鏡，相機的分辨率更高、成像質量更好，所以提供了更多細節，這是以前辦不到的。神秘山真是一幅令人驚訝的圖像。

其他不可思議的圖像還有馬頭星云，是“哈勃”的第三代廣域照相機用紅外光拍攝的。宇宙塵埃是可見光穿不透的，但紅外光大都可以。用紅外線我們能夠穿過星云，看見馬頭星云內部那些不可思議的細節，簡直太奇妙了。

還有一幅我們稱之為宇宙玫瑰花，實際上是兩個互動的星系，因為引力的作用，兩個星系都有點被拉伸，形成了一個看上去有點像玫瑰花的結構，因此得名。在這朵“玫瑰花”的莖部可以看到一簇簇藍色，那是恒星，這都是兩個星系交互作用所致。這樣的圖像有幾千幅，都令人嘆為觀止。

“哈勃”的宇宙起源頻譜儀怎樣顯示宇宙的結構？

宇宙的結構實際上是暗物質形成的。早期宇宙的誕生首先是暗物質的塌縮形成一些引力勢阱，然后普通物質流入其中，最終宇宙就這樣開始形成，出現了一團團的星系。

馬頭星云及其內部細節

宇宙玫瑰花

我們現在能夠用計算機模擬暗物質形成的結構，但是在模擬的時候，我們發現暗物質似乎有一個細紋網絡，有點像海綿，細絲之間是空間，普通物質就集中在宇宙網的密集處。

那么，我們是如何發現有這樣的宇宙網存在的呢？是星際氣塵最終形成了這類東西。我們看不到，是因為它發出的光不足以讓我們看到。可是，如果我們觀察更為遙遠的類星體（它們是星系中很遠很遠的黑洞，看上去只是一個個的光點），它們發出的光到達我們的望遠鏡之前，中途會穿過很多那樣的細絲，在這個過程中，原子會設法吸收一些那個光源的光，然后我們就能在光譜中看到。“哈勃”的宇宙起源頻譜儀便能捕捉到這些信息，讓我們得以繪制宇宙網的三維結構。

地面望遠鏡提供的信息與空間望遠鏡提供的信息不同，這是為什么？

每臺望遠鏡都有其優點和缺點。地面上的望遠鏡都很大，像凱克望遠鏡、甚大望遠鏡等，有較大的采光面，因此能夠追蹤非常暗弱的天體。如果需要觀測非常暗弱的天體，就得靠這個。不過，即使利用自適應光學想辦法去除部分紅外圖像中地球大氣的影響，在像素方面也無法跟“哈勃”媲美，而且近期也沒有別的望遠鏡能超越它。

所以，如果需要高像素，想看清細節，仍然得用“哈勃”拍攝的圖像。很快我們會有詹姆斯·韋伯空間望遠鏡，鏡片更大（哈勃只有2.4米，而詹姆斯·韋伯有6.5米），而且基本上全部使用紅外光，因此會有更強的優勢。電位敏感掃描設計（LSSD）會發揮其優點，這一步邁得不小，可以用一個天文臺觀測到的數據補充另一個天文臺觀測到的數據，通過這些不同波長、不同敏感度的數據，我們得到的畫面會更完美。

詹姆斯·韋伯空間望遠鏡的鏡片

暗能量是什么？

我們不曉得暗能量是什么，只知道它在干什么：它在加速宇宙的膨脹。我們還知道這是一種非常流暢的能量，充滿整個太空。暗能量可能是什么，我們倒是有些線索。我們認為，它是一種與虛空相關的能量，在物理上呈真空狀態。物理上的真空并非什么也沒有，反而有非常活躍的內容。事實上，它里面充滿了成對的虛粒子和反粒子，忽隱忽現，反復無常。所以，我們認為就是那個真空里的那個能量在起作用。問題是，當我們計算真空中的能量應該有多少時，得到的數字與實際看到的差很多數量級，因此我們還是無法確定暗能量到底是什么。目前最好的猜測是，它是虛空的能量，是它在推動我們的宇宙加速膨脹。

暗能量會把我們的宇宙怎么樣？

因為我們目前還不能準確地知道暗能量是什么，我的確不能回答這個問題。然而，如果暗能量的確是與虛空關聯的能量，我們就知道它的密度是恒定不變的。如果是這樣的話，那就意味著宇宙的膨脹會保持同樣的加速方式，永遠加速下去。大約再過一萬億年，如果銀河系周圍還有天文學家的話，他們就無法在夜空中看到其他星系，不管他們使用的望遠鏡功能有多么強大。他們會以為宇宙中只有一個星系。如果真是這樣，宇宙將來會走向極度冰冷的死亡。

現在我們還不能確定暗能量就是這個虛空的能量，所以事情實際上有可能會極其不同。另一種可能的情況是大坍縮，整個膨脹還原然后再次塌縮;或者是大撕裂，即膨脹的力量最終會把哪怕最小的結構也撕裂，甚至原子和原子核也不放過，也就是說，所有一切。可是，如我所說，迄今的大多數觀察結果與持續加速膨脹一致，將來你看不到其他任何星系的可能性更大，就是這樣。

什么是暗物質？

我們的宇宙非常奇怪，大約70%是我們稱之為暗能量的這種能量，就是它在推動宇宙的加速;大約25%是我們稱之為暗物質的東西，我們看不到，因為它不發光，也不與電磁發生作用;只有不足5%是我們叫作重子物質的東西。我們就是由這種重子物質組成的，恒星也是，星系也是，可是它只占宇宙能量的5%。

所以說，暗物質非常重要，它大約是宇宙能量密度的25%，而且在建筑我們看到的所有宇宙結構（如星系、星系團，等等）方面發揮作用。但是，它的交互作用非常微弱，不放射任何光亮，你怎么才能知道它的存在呢？我們通過它的引力作用發現它。起初是觀察單個星系，我們發現了遠離星系中心的天體，如果宇宙的所有質量就是我們看到的星系的總質量，那里就不會有圍繞星系中心旋轉的天體，因為沒有足夠的質量將其留住。所以我們推斷，那里可能有我們看不到的各種質量。事情就是這樣的。

另一方面，暗物質雖然發生相互作用，但非常微弱，不會產生熱的互動，而是穿越。但是因為引力透鏡的作用，我們也能發現暗物質的存在。這是愛因斯坦廣義相對論的一種效應。

這些都是“哈勃”觀測的結果。我們可以通過“哈勃”找到暗物質的分布，甚至能夠繪制一幅三維地圖，標示出更大范圍的暗物質布局。

“哈勃”發現了黑洞的什么？

哈勃空間望遠鏡最重要的發現之一，便是在幾乎每個星系的中心都有一個黑洞，一個超巨大的黑洞。順便說一句，銀河系的中心也有一個黑洞，其質量大約是太陽質量的400萬倍。“哈勃”還發現星系中央的黑洞質量與黑洞周圍的波速頻散有著非常緊密的關系，它也是對黑洞周圍星系的中心恒星膨脹質量的測量。

這一點非常重要，因為你也許認為星系與其中央的黑洞相互不知道彼此，以為它們完全獨立發展。事實上，黑洞質量與波速頻散的關系非常密切，這意味著星系和黑洞實際上共同演變。我們以為自己理解它如何作用，因為只要黑洞中心創造質量，就會進一步膨脹，黑洞也隨之增大。在一定的點上，你會開始得到這樣的反饋，即輻射開始推動那里的氣體，這樣黑洞和膨脹就會停止增大，其質量也繼續縛在一起。星系M87中有個黑洞，其中心質量大約是太陽質量的30億倍，從“哈勃”拍攝的圖像中我們還能看到奇特的噴射景觀。

這幅由哈勃空間望遠鏡合成的圖像顯示了暗物質呈現的一個幽靈般的“環”，“ 環” 中是星系CL0024+17 。這幅圖像中，未知物質彌漫在宇宙中，是迄今有關暗物質存在的最強證據。

“哈勃”能夠看見極深空，這些空域中有什么呢？

選擇天空的一個微小區域，對其進行極深度的觀察，這就是哈勃超深空。令人驚異的是，這些圖像里你能看見的每一個光點都是一個星系，一幅圖里往往有上萬個這樣的光點。

“哈勃”現在看到的比以前深得多。因為宇宙在膨脹，所以光也在朝向光譜紅色的一邊移動，即紅移。我們現在能夠看到的是宇宙誕生后不到5000萬年時的情況，而它的年齡是138億歲，所以我們看到的是宇宙的嬰兒期。

那么，我們從中發現了什么呢？首先，我們看見星系演變和合并的整個歷史。就像現在的大公司一樣，一開始是小型建筑群，然后合并變大，繼續兼并，越來越大，一直到形成我們現在看到的巨大星系。

這種能夠看到深空的能力在發現其他可居住行星方面意味著什么？

1992年以前，我們沒有在太陽系外發現過哪怕一顆行星。1992年，我們首次發現圍繞另一個太陽旋轉的幾顆行星，但是那個恒星很奇怪，是一顆脈沖星，是非常致密的天體，不是生命能夠在其中演變的那種東西。一直到1995年我們才發現第一顆圍繞更像太陽的恒星運行的行星。自此之后，我們發現了許多行星，“開普勒”發現的尤其多。

現在有幾千個候選行星和1000來個得到確認的太陽系外行星。不但如此，“開普勒”的觀測顯示，從統計學的角度來說，大約20%的恒星周圍的宜居帶都有一顆地球大小的行星。按照這種情況計算，只銀河系的宜居帶內就有幾十億顆行星。

“哈勃”做了一件相當獨特的事，即利用凌日現象確定其中一些行星的大氣成分。行星從其母恒星前面經過時，恒星的光亮會稍許變暗，有些光可以穿過行星大氣照射到我們這里。然后，我們就可以看到行星大氣從恒星光里吸收了什么，據此知道這顆行星的大氣成分。

截至目前，我們已經發現了許多這類巨大行星的大氣成分，如在木星的大氣層中，我們發現了水、甲烷、鈉等。現在可以說，在未來的數年里我們會做得更好，因為2017年可能要發射衛星TESS，它將在宜居帶發現幾個這樣的行星。然后到2018年，詹姆斯·韋伯空間望遠鏡將發射升空，屆時就能描繪TESS找到的那些行星的大氣。一般而言，如果生命無處不在，那么我們也許能夠在那些大氣里識別出一些生命信號，比如說氧、臭氧、熱化學平衡失衡的大氣等。

2014年，天文學家使用NuSTAR發現了一顆有史以來最明亮的脈沖星，它的輸出能量相當于1000萬個太陽。也就是說，它擁有匹敵黑洞的能量，但質量要少得多。

即便我們發現一些生命信號，如水、氧、臭氧等，千萬記住還不能說“噢，我們發現了生命！這就是生命”，因為其他一些過程通常也會發生這樣的現象。一種生命信號不足以說明人們已經發現了某種生命形式。可是如果我們發現了一大群元素，也找到了一顆地球大小的行星，而且位于宜居帶，有水、氧和臭氧，按理我們甚至能夠嘗試確定葉綠素發揮的作用，一般也能看到“紅邊”現象。如果我們能夠發現所有這些，也許就能確認那里存在某種生命形式。

“哈勃”完全退役會對您有怎樣的影響？

“哈勃”當然是我科學生涯的一大部分，這一點毫無疑問。每次維修任務對我來說都有很大的壓力，我的心一直懸著。我曾說這就有點像你的孩子要出生時的心情。我知道這有點夸張，但不為過。

我一直明白，“哈勃”總有一天要完成它的使命。事實上，沒人指望“哈勃”能工作25年或更長時間。現在，我們已經慶祝了哈勃25周年，可它還沒有玩完，還在執行不可思議的科學使命。我們當然希望它能夠繼續工作，至少堅持到2020年左右，給詹姆斯·韋伯空間望遠鏡一兩年的過渡時間，讓它能夠接上茬。現在已經有了接替它的技術，這很令人欣慰。

科學在繼續，我們不能把自己綁在某一個具體的實驗上，或者這個實驗要被更大更好的實驗替代時，我們不能對原來那個念念不忘。所以，向詹姆斯·韋伯空間望遠鏡的過渡是漸進的、自然的，而且我現在巴不得它馬上就發射升空呢。