让子弹再飞一会-宇宙暗物质存在与否待韦伯望远镜观测论证-国家天文台巩岩

《思想大爆炸——对话科学家》栏目第73期邀请中国科学院国家天文台研究员、宇宙学巡天研究团组首席科学家巩岩进行对话。巩岩的研究领域包括暗能量、暗物质理论模型、宇宙大尺度结构、发射线强度映射巡天以及宇宙红外背景等。此次对话主要围绕暗物质的存在性展开，包括对于加拿大渥太华大学教授Rajendra Gupta提出的暗物质不存在的理论进行讨论。

在对话中，巩岩指出Gupta的理论提出是一次勇敢的尝试，但对于暗物质是否存在这个问题还需要更多观察和验证。他提到Gupta通过结合共变耦合常数和老化光理论提出宇宙可能没有暗物质的观点，并将宇宙年龄预测为267亿岁，以符合JWST的高红移星系观测数据。目前JWST的观测数据仍需进一步论证，因光谱观测样本数量较少，而测光观测虽然样本丰富但精确度不够。

巩岩认为子弹星系团是暗物质存在的直接证据之一，而暗物质是解释宇宙多种现象的简单有效手段。尽管目前实验尚未直接探测到暗物质粒子，但从天文观测现象中判断可能存在暗物质。根据当前天文学观测，95%的宇宙成分仍未被揭示，其中包括25%暗物质和70%暗能量，这些理论都是基于目前观测的猜想，尚未得到证实。

对于Gupta的研究意义，巩岩表示其理论对ΛCDM模型提出了挑战，但仍需更多观测数据验证。关于Gupta预言宇宙年龄为267亿岁，巩岩认为这种设想主要是为了解释JWST观测数据，使早期星系演化有足够的时间，但这仍需更多观测数据支持。巩岩强调探索宇宙需要更多努力和精密的探测器，以便更好地理解宇宙奥秘。

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宇宙有多大，宇宙外面是什么

宇宙外面是什么？宇宙到底有多大？相信很多人都曾经试图找到这个问题的答案，事实上物理学家们研究宇宙已经很久了。宇宙之外是什么样子还是未知数。相信看完下面的内容，或许对于您找到答案有所帮助。

首先我们要知道什么是宇宙，宇宙是万物的总称，是时间和空间的统一。宇宙是物质世界，不依赖于人的意志而客观存在，并处于不断运动和发展中，在时间上没有开始没有结束，在空间上没有边界没有尽头。宇宙是多样又统一的；多样在物质表现状态的多样性；统一在于其物质性。宇宙是由空间、时间、物质和能量，所构成的统一体。

宇宙起源是一个极其复杂的问题。 宇宙是物质世界，它处于不断的运动和发展中。千百年来，科学家们一直在探寻宇宙是什么时候、如何形成的。直到今天，许多科学家认为，宇宙是由大约137亿年前发生的一次大爆炸形成的。宇宙内的所存物质和能量都聚集到了一起，并浓缩成很小的体积，温度极高，密度极大，瞬间产生巨大压力，之后发生了大爆炸，这次大爆炸的反应原理被物理学家们称为量子物理。大爆炸使物质四散出去，宇宙空间不断膨胀，温度也相应下降，后来相继出现在宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命。

哈勃体积之外

我们可以在某些方面肯定的说宇宙之外是更多的宇宙。天文学家认为太空是无限的，宇宙之外的空间也和可观测到的宇宙一样充满了能量、星系等等存在。如果真的是这样，那么宇宙之外的存在些什么变成了一个非常奇怪的问题。

在哈勃体积之外，你不仅仅会发现更多不重样的行星——看见任何东西都有可能(小编：看到42)。没错，任何东西。如果你看的够远你会看见另一个宇宙的你，他今天早饭没有吃鸡蛋而是吃的燕麦粥，你会看见另一个不吃早饭的你，你会看见一个天没亮就爬起来抢银行的你。实际上，宇宙论者认为如果你观测地足够远，你会进入另一个哈勃体积——一个完美复刻版的我们生活的宇宙。在米之外的另一个宇宙里有一个和你完全相同的人做着和你完全相同的事情。听上去不太可能，但是无限这个概念比无限本身还要更加无限。[page]

暗流星系团

2008年天文学家发现宇宙中成团的物质好像正在以极高的速度朝着同一个方向运动，这个现象用可见宇宙中的任何引力模式都无法进行解释。速度达到每小时2百万英里(321.8万公里)。2010年的新进观测结果确认了这种现象——暗流。这种物质的运动过程挑战了所有对大爆炸后宇宙整体物质分布的预测。可能的原因之一：哈勃体积之外的巨大质量结构产生的引力对本宇宙的影响结果。这意味着在我们观测范围之外的无限宇宙中存在着不可确定的构造。这些构造可能以任何形态出现，有可能是一大块物质和能量的结合体，其体量之大超乎人类想象，也有可能是其他宇宙来的奇怪弯曲漏斗状引力。

宇宙是无限多的泡泡

说到底哈勃体积之外的宇宙还是宇宙，只是我们看不到。这些地方和我们观测到的宇宙遵循同样的物理规律和各种常量。宇宙大爆炸后，宇宙就在不断膨胀，膨胀中会导致太空中产生泡泡。每个泡泡里面都是停止膨胀的宇宙，每个泡泡里面都有各自的物理法则。这种理论认为宇宙无限，泡沫本身也是无限(你可以在某个无穷集合中挑一个无穷数，还是包含于这个无穷集合)。即便你能逃出泡泡的边界，泡泡外的宇宙空间依然在膨胀，无论你以多块的速度追赶你都无法探索到其它的泡泡。[page]

黑洞产卵宇宙论

物理学家Lee Smolin提出过一种新的理论，他认为我们宇宙中的每个黑洞都会创造一个新的宇宙。而每一个新的宇宙的物理定律又和之前的宇宙有些许不同。Smolin提出了一种自然选择的宇宙论，如果某些物理法则可更频繁地生成黑洞，就能创造更多宇宙。同时没有黑洞形成的宇宙只能等死。

有许多平行宇宙

关于平行宇宙的理论就太多了，目前接受程度最高的几种理论中，有一种是弦理论的进化版本：认为有几层膜在其它维度震动。简单的说这些涟漪一样的在11维度震动的膜就是我们的宇宙之外的其它宇宙。涟漪运动效应可以帮助解释已观测宇宙的物质分布。这种理论认为重力之所以特殊的原因是重力是从其它维度中的其它宇宙泄露到我们这个维度的这个宇宙的。(这也能解释为什么重力相较其它基本力如此微弱)。宇宙有多大？

想要了解宇宙究竟有多大，请你试着将一枚硬币放在你的面前。假设这枚小小的硬币就是我们的太阳，那么另一颗代表距离太阳最近的恒星：比邻星的硬币就应当放在大约563公里之外。对于生活在中国的读者而言，比如上海的读者，这第二枚硬币几乎要摆放到山东或安徽省境内，而对于一些小国的居民而言，这颗硬币可能都已经放到外国去了。[page]

而这仅仅是太阳和距离它最近的一颗恒星而已。当你试图模拟更大范围内的宇宙空间时，就会麻烦的多了。比方说，相对于你的那颗硬币太阳，银河系的直径将是大约1200万公里，这相当于地月距离的30倍。正如你所看到的，宇宙的尺度是惊人的，几乎没有办法用我们生活中所熟知的距离尺度加以衡量。

但这并不意味着人类丈量宇宙的梦想是遥不可及的。天文学家在长期的工作研究中已经找到一些行之有效的方法去测量宇宙的尺度。以下我们将向你呈现有关的内容：

1 宇宙的尺度

宇宙的尺度我们并非居于宇宙的中心，但是我们确实居于可观测宇宙的中心，这是一个直径约为930亿光年的球体

这个星球上没有人知道宇宙究竟有多大。它或许是无限的，也或许它确实拥有某种边界，也就是说如果你旅行的时间足够长，你最终将回到你出发的地方，就像在地球上那样，类似在一个球体的表面旅行。

科学家们对于宇宙具体的形状和大小数据存在分歧，但是至少对于一点他们可以进行非常精确的计算，那就是我们可以看得多远。真空中的光速是一个定值，那么由于宇宙自诞生以来大约为137亿年，这是否就意味着我们最远只能看到137亿光年远的地方呢？

答案是错误的。有关这个宇宙的最奇特性质之一便是：它是不断膨胀的。并且这种膨胀几乎可以以任何速度进行——甚至超过光速。这就意味着我们所能观测到的最远的天体事实上远比它们实际来的近。随着时间流逝，由于宇宙的整体膨胀，所有的星系将离我们越来越远，直到最终留给我们一个一片空寂的空间。

奇异的是，这样的结果是我们的观测能力事实上被“强化”了，事实上我们所能观察到最遥远的星系距离我们的距离达到了460亿光年。我们并非居于宇宙的中心，但是我们确实居于可观测宇宙的中心，这是一个直径约为930亿光年的球体。[page]

2 充斥着星系

这张照片是美国宇航局哈勃空间望远镜获得的最深邃的影像之一这是美国宇航局哈勃空间望远镜获得的最深邃的影像之一

这张照片是美国宇航局哈勃空间望远镜获得的最深邃的影像之一。科学家们让哈勃望远镜对准天空中的一小块区域进行长时间的曝光——长达数月，尽可能地捕获每一个暗弱的光点。文中上图是局部的放大，完整的图像是下面这幅图，其中包含有1万个星系，从局部放大图中，你可以看到一些星系的细节。

完整的图像完整的图像

当你看着这些遥远的星系，你可能没有意识到自己正在遥望遥远的过去，你所看到的这些星系都是它们在130亿年前的样子，那几乎是时间的尽头。如果你更喜欢空间的描述，那么这些星系离开我们的距离是300亿光年。

宇宙处于不断的膨胀之中，但与此同时科学家们对于宇宙尺度的测量精度也在不断提高。他们很快找到了一种绝佳的描述宇宙中遥远天体距离的方法。由于宇宙在膨胀，在宇宙中传播的光线的波长将被拉伸，就像橡皮筋被拉长一样。光是一种电磁波，对于它而言，波长变长意味着向波谱中的红光波段靠近。于是天文学家们使用“红移”一词来描述天体的距离，简单的说，就是描述光束从天体发出之后在空间中经历了多大程度的膨胀拉伸。一个天体的距离越远，当然它在传播的过程中光波波长被拉伸的幅度越大，光线也就越红。

如果使用这种描述方法，那么你可以说这些遥远的星系的距离大约是红移值Z=7.9，天文学家们立刻就会明白你所说的距离尺度。[page]

3 最遥远的天体

最遥远的天体最遥远的天体

这张图像中间部位那个不太显眼的红色模糊光点事实上是一个星系，这是人类迄今所观测到的最遥远天体。美国宇航局哈勃空间望远镜拍摄了这张照片，这一星系存在的时期距离宇宙大爆炸仅有4.8亿年。

这一星系的红移值约为10，这相当于距离地球315亿光年。看起来这一星系似乎非常孤单，在它的周围没有发现与它同时期的星系存在。这和大爆炸之后大约6.5亿年时的情景形成鲜明对比，在那一时期，天文学家们已经找到大约60个星系。这说明尽管这短短2亿年对于宇宙而言仅仅是一眨眼的功夫，但是正是在这一短暂的时期内，小型星系大量聚合形成了大型的星系。

但是这里需要指出的是，天文学家们目前尚未能完全确认这一天体的距离数值，这也就意味着其实际距离可能要比现在所认为的更近。在美国宇航局的下一代詹姆斯·韦伯空间望远镜发射升空以替代哈勃望远镜之前，科学家们都将不得不在数据不足的情况下进行估算。[page]

4 最遥远的距离

最遥远的距离最遥远的距离

天文学家能够观测到的最遥远的光线名为“宇宙微波背景辐射”(CMB)。这是抵达地球的最古老的光子，它们几乎诞生于宇宙大爆炸发生的时刻。在大爆炸发生后的短时间内，宇宙非常小，因此相当拥挤，物质太过稠密，以至于光线无法长距离传播。

但在宇宙诞生之后大约38万年之后，宇宙已经变得足够大，光线第一次可以自由地传播。这时发出的光是我们今天所能观测到的最古老的光线，是宇宙的第一缕曙光；它存在于宇宙的每一个方向，无论你把望远镜指向哪个方向，都可以观测到它的存在。宇宙微波背景辐射就像一堵墙，我们最远也只能看到墙这一侧的风景，但是却绝无办法穿墙而过。

那么这些最初的宇宙之光怎么变成微波了呢？这还是因为宇宙的膨胀。随着宇宙的膨胀，当时发出的光波波长被逐渐拉长，经历如此久远的时间(137亿年)，它们的波长已经被拉伸到了不可思议的程度。随着宇宙膨胀冷却，现在这一辐射的剩余温度大约仅有-270摄氏度，也就是著名的3K背景辐射。这种辐射的分布显示出惊人地各向同性，各处的差异小于10万分之一。

而如果有朝一日人类终于能够制造出高灵敏度的中微子探测器，那么我们将终于可以突破宇宙微波背景辐射设置的那堵墙，而看到其背后中微子出现时的情景，即所谓的“宇宙中微子背景”。和光子不同，对中微子而言，一般意义上的物质几乎是透明的，它们可以轻而易举地穿过地球，穿过太阳，甚至穿过整个宇宙。正是因为这一特征，一旦我们能够解码中微子中携带的信息，我们将能回溯到宇宙大爆炸之后仅数秒时的情景。[page]

5 星系蝴蝶图

星系蝴蝶图星系蝴蝶图

天文学家们向宇宙张望，他们注意到宇宙中的星系分布并非呈现随机状态，由于引力的作用，星系倾向于相互接近，从而形成规模巨大的聚合体，如星系团，超星系团，大尺度片状结构乃至所谓的巨壁。

天文学家们开始着手纪录这些星系在三维空间中的位置，他们很快成功地制作出较近距离范围内星系的三维分布图，这是一项令人惊叹的成就。大部分此类巡天观察都将注意力集中在距离地球70亿光年之内的范围，但他们在此过程中也发现了许多类星体，这是宇宙中亮度惊人的奇特天体，来自早期宇宙，其距离可能是70亿光年范围的4倍以上。

在全部这些努力中，斯隆数字巡天(SDSS)可能算是规模最大的一个。参与这一项目的天文学家们目前已经基本完成对1/3天空的巡天观察，并在此过程中记录下超过5亿个天体的精确位置信息。而本文此处的配图则来自另一项巡天计划：6dF星系巡天，这是目前规模位居第三的巡天项目。这张图像中之所以会缺失很多地方，是因为银河系的阻挡，很多天区我们都无法进行观测。[page]

6 邻近的超星系团

邻近的超星系团邻近的超星系团

在距离地球比较近的空间内，天文学家们的了解相对而言就会多一些。我们现在知道在距离地球约10亿光年的距离内存在一个超星系团的海洋。这些是被引力作用聚集在一起的大量成员星系。

我们的银河系本身是室女座超星系团的成员，这个超星系团正位于这张图像中中央位置。在这个巨大的超星系团结构中，我们的银河系毫无特别之处，它只是位于一隅之地的普通成员星系而已。在这一宏伟结构中占据统治地位的是室女座星系团，这是一个由超过1300个成员星系组成的庞大集团，其直径超过5400万光年。

另一个超星系团很值得关注，那就是后发座超星系团，因为它的位置恰好位于北方巨壁(Northern Great Wall)的中心位置。北方巨壁是一个大到令人难以想象的巨型结构，其直径约有5亿光年，宽度约3亿光年。我们星系“附近”最大的超星系团是时钟座超星系团，其直径超过5亿光年。[page]

7 暗物质和暗能量

暗物质和暗能量暗物质和暗能量

这个宇宙另外一件令人吃惊的事实是：占据宇宙大部分的成分我们却完全看不到。暗物质是一种神秘的存在，科学家们认为它们遍布宇宙各处，但是我们却看不到也摸不着。它们和光以及任何种类的电磁波都不发生作用，而这正是人类赖以探测宇宙的基础工具。不过它会产生引力，通过它对周遭空间施加的引力效应，科学家们能够感受到它们的存在。

是的，我们能够感觉到暗物质确实存在。比如我们所在的室女座超星系团大约拥有10的15次方倍太阳质量，但是整个超星系团的光度却仅有太阳的3万亿倍。这就意味着室女座超星系团的光度相比其质量所应当拥有的光度小了约300倍。这样的事实是难以解释的，但是如果考虑到这其中遍布大量拥有质量但却不发光的暗物质，一切也就不奇怪了。

事实上，根据计算结果，宇宙中的暗物质含量是我们平常所见的普通物质的5倍。但是暗物质尽管强大，却仍然不足以统治宇宙。真正支配着我们这个宇宙的力量来自另一种神秘物质：暗能量。普通物质和暗物质有一个共同点，那就是它们都拥有质量，并向周围空间施加引力影响，换句话说，它们的作用是让物质聚拢，让宇宙减速膨胀甚至最终收缩。然而，当科学家们观测宇宙，试图分辨出宇宙究竟是在减速膨胀还是在收缩时，他们惊骇地发现事实完全出乎他们的预料——宇宙根本没有收缩或减速，它正在加速膨胀！毫无疑问，存在一种未知的强大到异乎寻常的力量，它不但独力抵抗了整个宇宙中所有普通物质和暗物质产生的引力作用，甚至还推动整个宇宙加速膨胀。对于暗能量的发现最近刚刚被授予了今年的诺贝尔物理学奖，但是尽管有了这样的巨大进展，科学家们对于究竟什么是暗能量却依旧毫无头绪，一无所知。现在有关这一课题的理论几乎就相当于“虚位以待”，等待着未来出现一个更加完美的理论能摘取成功解释暗能量本质的桂冠。[page]

8 宇宙之网

宇宙之网宇宙之网

星系巡天的结果显示我们的宇宙似乎显示一种“泡沫网状”结构。几乎所有的星系都分布在狭窄的“纤维带”上，而在它们的中间则是巨大的空洞，天文学上称为“巨洞”。这些巨洞的体积巨大，有些直径可达3亿光年，其中几乎空无一物。但是这样说并不正确，因为尽管我们看上去那里确实是什么也没有，但实际上这里充斥着暗物质。

这里这张图是一份计算机模拟结果，它显示我们的宇宙呈现一种纤维网状结构，其中分布着节点，纤维带和层。这种复杂结构的起源来自宇宙微波背景辐射中微小的涟漪，这是其中密度微小变化的体现。随着宇宙膨胀，这些微小的高密度区去逐渐吸引更多的物质向其聚集，这种效应持续上百亿年，其结果是惊人的——它造就了我们今天所见的宇宙。[page]

9 检验宇宙模型

检验宇宙模型检验宇宙模型

2005年，一个国际天文学家小组试图检验现有的宇宙学理论是否正确。他们进行了一项名为“千年运行”的模拟计划，在计算机中他们模拟100亿个粒子在一个边长为20亿光年的立方体空间中，按照我们现有的理论去作用于它们，是否能得到某种我们所预期的结果。

这项模拟实验中考虑了普通物质，暗物质和暗能量因素，成功地再现出宇宙从混沌逐渐显现类似于我们今天所观察到的宇宙大尺度结构。在模拟运行的过程中，研究人员们目睹了宇宙中大质量黑洞的出现，强大的类星体发出剧烈的辐射，模拟的结果中还出现了大约2000万个星系。正如文中此处展示的那样，研究人员们发现模拟的结果产生出一个和我们所观察到的现实宇宙非常相似的状态。

宇宙有多大，宇宙外面是什么

宇宙外面是什么？宇宙到底有多大？相信很多人都曾经试图找到这个问题的答案，事实上物理学家们研究宇宙已经很久了。宇宙之外是什么样子还是未知数。相信看完下面的内容，或许对于您找到答案有所帮助。

首先我们要知道什么是宇宙，宇宙是万物的总称，是时间和空间的统一。宇宙是物质世界，不依赖于人的意志而客观存在，并处于不断运动和发展中，在时间上没有开始没有结束，在空间上没有边界没有尽头。宇宙是多样又统一的；多样在物质表现状态的多样性；统一在于其物质性。宇宙是由空间、时间、物质和能量，所构成的统一体。

宇宙起源是一个极其复杂的问题。 宇宙是物质世界，它处于不断的运动和发展中。千百年来，科学家们一直在探寻宇宙是什么时候、如何形成的。直到今天，许多科学家认为，宇宙是由大约137亿年前发生的一次大爆炸形成的。宇宙内的所存物质和能量都聚集到了一起，并浓缩成很小的体积，温度极高，密度极大，瞬间产生巨大压力，之后发生了大爆炸，这次大爆炸的反应原理被物理学家们称为量子物理。大爆炸使物质四散出去，宇宙空间不断膨胀，温度也相应下降，后来相继出现在宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命。

哈勃体积之外

我们可以在某些方面肯定的说宇宙之外是更多的宇宙。天文学家认为太空是无限的，宇宙之外的空间也和可观测到的宇宙一样充满了能量、星系等等存在。如果真的是这样，那么宇宙之外的存在些什么变成了一个非常奇怪的问题。

在哈勃体积之外，你不仅仅会发现更多不重样的行星——看见任何东西都有可能(小编：看到42)。没错，任何东西。如果你看的够远你会看见另一个宇宙的你，他今天早饭没有吃鸡蛋而是吃的燕麦粥，你会看见另一个不吃早饭的你，你会看见一个天没亮就爬起来抢银行的你。实际上，宇宙论者认为如果你观测地足够远，你会进入另一个哈勃体积——一个完美复刻版的我们生活的宇宙。在米之外的另一个宇宙里有一个和你完全相同的人做着和你完全相同的事情。听上去不太可能，但是无限这个概念比无限本身还要更加无限。[page]

暗流星系团

2008年天文学家发现宇宙中成团的物质好像正在以极高的速度朝着同一个方向运动，这个现象用可见宇宙中的任何引力模式都无法进行解释。速度达到每小时2百万英里(321.8万公里)。2010年的新进观测结果确认了这种现象——暗流。这种物质的运动过程挑战了所有对大爆炸后宇宙整体物质分布的预测。可能的原因之一：哈勃体积之外的巨大质量结构产生的引力对本宇宙的影响结果。这意味着在我们观测范围之外的无限宇宙中存在着不可确定的构造。这些构造可能以任何形态出现，有可能是一大块物质和能量的结合体，其体量之大超乎人类想象，也有可能是其他宇宙来的奇怪弯曲漏斗状引力。

宇宙是无限多的泡泡

说到底哈勃体积之外的宇宙还是宇宙，只是我们看不到。这些地方和我们观测到的宇宙遵循同样的物理规律和各种常量。宇宙大爆炸后，宇宙就在不断膨胀，膨胀中会导致太空中产生泡泡。每个泡泡里面都是停止膨胀的宇宙，每个泡泡里面都有各自的物理法则。这种理论认为宇宙无限，泡沫本身也是无限(你可以在某个无穷集合中挑一个无穷数，还是包含于这个无穷集合)。即便你能逃出泡泡的边界，泡泡外的宇宙空间依然在膨胀，无论你以多块的速度追赶你都无法探索到其它的泡泡。[page]

黑洞产卵宇宙论

物理学家Lee Smolin提出过一种新的理论，他认为我们宇宙中的每个黑洞都会创造一个新的宇宙。而每一个新的宇宙的物理定律又和之前的宇宙有些许不同。Smolin提出了一种自然选择的宇宙论，如果某些物理法则可更频繁地生成黑洞，就能创造更多宇宙。同时没有黑洞形成的宇宙只能等死。

有许多平行宇宙

关于平行宇宙的理论就太多了，目前接受程度最高的几种理论中，有一种是弦理论的进化版本：认为有几层膜在其它维度震动。简单的说这些涟漪一样的在11维度震动的膜就是我们的宇宙之外的其它宇宙。涟漪运动效应可以帮助解释已观测宇宙的物质分布。这种理论认为重力之所以特殊的原因是重力是从其它维度中的其它宇宙泄露到我们这个维度的这个宇宙的。(这也能解释为什么重力相较其它基本力如此微弱)。宇宙有多大？

想要了解宇宙究竟有多大，请你试着将一枚硬币放在你的面前。假设这枚小小的硬币就是我们的太阳，那么另一颗代表距离太阳最近的恒星：比邻星的硬币就应当放在大约563公里之外。对于生活在中国的读者而言，比如上海的读者，这第二枚硬币几乎要摆放到山东或安徽省境内，而对于一些小国的居民而言，这颗硬币可能都已经放到外国去了。[page]

而这仅仅是太阳和距离它最近的一颗恒星而已。当你试图模拟更大范围内的宇宙空间时，就会麻烦的多了。比方说，相对于你的那颗硬币太阳，银河系的直径将是大约1200万公里，这相当于地月距离的30倍。正如你所看到的，宇宙的尺度是惊人的，几乎没有办法用我们生活中所熟知的距离尺度加以衡量。

但这并不意味着人类丈量宇宙的梦想是遥不可及的。天文学家在长期的工作研究中已经找到一些行之有效的方法去测量宇宙的尺度。以下我们将向你呈现有关的内容：

1 宇宙的尺度

宇宙的尺度我们并非居于宇宙的中心，但是我们确实居于可观测宇宙的中心，这是一个直径约为930亿光年的球体

这个星球上没有人知道宇宙究竟有多大。它或许是无限的，也或许它确实拥有某种边界，也就是说如果你旅行的时间足够长，你最终将回到你出发的地方，就像在地球上那样，类似在一个球体的表面旅行。

科学家们对于宇宙具体的形状和大小数据存在分歧，但是至少对于一点他们可以进行非常精确的计算，那就是我们可以看得多远。真空中的光速是一个定值，那么由于宇宙自诞生以来大约为137亿年，这是否就意味着我们最远只能看到137亿光年远的地方呢？

答案是错误的。有关这个宇宙的最奇特性质之一便是：它是不断膨胀的。并且这种膨胀几乎可以以任何速度进行——甚至超过光速。这就意味着我们所能观测到的最远的天体事实上远比它们实际来的近。随着时间流逝，由于宇宙的整体膨胀，所有的星系将离我们越来越远，直到最终留给我们一个一片空寂的空间。

奇异的是，这样的结果是我们的观测能力事实上被“强化”了，事实上我们所能观察到最遥远的星系距离我们的距离达到了460亿光年。我们并非居于宇宙的中心，但是我们确实居于可观测宇宙的中心，这是一个直径约为930亿光年的球体。[page]

2 充斥着星系

这张照片是美国宇航局哈勃空间望远镜获得的最深邃的影像之一这是美国宇航局哈勃空间望远镜获得的最深邃的影像之一

这张照片是美国宇航局哈勃空间望远镜获得的最深邃的影像之一。科学家们让哈勃望远镜对准天空中的一小块区域进行长时间的曝光——长达数月，尽可能地捕获每一个暗弱的光点。文中上图是局部的放大，完整的图像是下面这幅图，其中包含有1万个星系，从局部放大图中，你可以看到一些星系的细节。

完整的图像完整的图像

当你看着这些遥远的星系，你可能没有意识到自己正在遥望遥远的过去，你所看到的这些星系都是它们在130亿年前的样子，那几乎是时间的尽头。如果你更喜欢空间的描述，那么这些星系离开我们的距离是300亿光年。

宇宙处于不断的膨胀之中，但与此同时科学家们对于宇宙尺度的测量精度也在不断提高。他们很快找到了一种绝佳的描述宇宙中遥远天体距离的方法。由于宇宙在膨胀，在宇宙中传播的光线的波长将被拉伸，就像橡皮筋被拉长一样。光是一种电磁波，对于它而言，波长变长意味着向波谱中的红光波段靠近。于是天文学家们使用“红移”一词来描述天体的距离，简单的说，就是描述光束从天体发出之后在空间中经历了多大程度的膨胀拉伸。一个天体的距离越远，当然它在传播的过程中光波波长被拉伸的幅度越大，光线也就越红。

如果使用这种描述方法，那么你可以说这些遥远的星系的距离大约是红移值Z=7.9，天文学家们立刻就会明白你所说的距离尺度。[page]

3 最遥远的天体

最遥远的天体最遥远的天体

这张图像中间部位那个不太显眼的红色模糊光点事实上是一个星系，这是人类迄今所观测到的最遥远天体。美国宇航局哈勃空间望远镜拍摄了这张照片，这一星系存在的时期距离宇宙大爆炸仅有4.8亿年。

这一星系的红移值约为10，这相当于距离地球315亿光年。看起来这一星系似乎非常孤单，在它的周围没有发现与它同时期的星系存在。这和大爆炸之后大约6.5亿年时的情景形成鲜明对比，在那一时期，天文学家们已经找到大约60个星系。这说明尽管这短短2亿年对于宇宙而言仅仅是一眨眼的功夫，但是正是在这一短暂的时期内，小型星系大量聚合形成了大型的星系。

但是这里需要指出的是，天文学家们目前尚未能完全确认这一天体的距离数值，这也就意味着其实际距离可能要比现在所认为的更近。在美国宇航局的下一代詹姆斯·韦伯空间望远镜发射升空以替代哈勃望远镜之前，科学家们都将不得不在数据不足的情况下进行估算。[page]

4 最遥远的距离

最遥远的距离最遥远的距离

天文学家能够观测到的最遥远的光线名为“宇宙微波背景辐射”(CMB)。这是抵达地球的最古老的光子，它们几乎诞生于宇宙大爆炸发生的时刻。在大爆炸发生后的短时间内，宇宙非常小，因此相当拥挤，物质太过稠密，以至于光线无法长距离传播。

但在宇宙诞生之后大约38万年之后，宇宙已经变得足够大，光线第一次可以自由地传播。这时发出的光是我们今天所能观测到的最古老的光线，是宇宙的第一缕曙光；它存在于宇宙的每一个方向，无论你把望远镜指向哪个方向，都可以观测到它的存在。宇宙微波背景辐射就像一堵墙，我们最远也只能看到墙这一侧的风景，但是却绝无办法穿墙而过。

那么这些最初的宇宙之光怎么变成微波了呢？这还是因为宇宙的膨胀。随着宇宙的膨胀，当时发出的光波波长被逐渐拉长，经历如此久远的时间(137亿年)，它们的波长已经被拉伸到了不可思议的程度。随着宇宙膨胀冷却，现在这一辐射的剩余温度大约仅有-270摄氏度，也就是著名的3K背景辐射。这种辐射的分布显示出惊人地各向同性，各处的差异小于10万分之一。

而如果有朝一日人类终于能够制造出高灵敏度的中微子探测器，那么我们将终于可以突破宇宙微波背景辐射设置的那堵墙，而看到其背后中微子出现时的情景，即所谓的“宇宙中微子背景”。和光子不同，对中微子而言，一般意义上的物质几乎是透明的，它们可以轻而易举地穿过地球，穿过太阳，甚至穿过整个宇宙。正是因为这一特征，一旦我们能够解码中微子中携带的信息，我们将能回溯到宇宙大爆炸之后仅数秒时的情景。[page]

5 星系蝴蝶图

星系蝴蝶图星系蝴蝶图

天文学家们向宇宙张望，他们注意到宇宙中的星系分布并非呈现随机状态，由于引力的作用，星系倾向于相互接近，从而形成规模巨大的聚合体，如星系团，超星系团，大尺度片状结构乃至所谓的巨壁。

天文学家们开始着手纪录这些星系在三维空间中的位置，他们很快成功地制作出较近距离范围内星系的三维分布图，这是一项令人惊叹的成就。大部分此类巡天观察都将注意力集中在距离地球70亿光年之内的范围，但他们在此过程中也发现了许多类星体，这是宇宙中亮度惊人的奇特天体，来自早期宇宙，其距离可能是70亿光年范围的4倍以上。

在全部这些努力中，斯隆数字巡天(SDSS)可能算是规模最大的一个。参与这一项目的天文学家们目前已经基本完成对1/3天空的巡天观察，并在此过程中记录下超过5亿个天体的精确位置信息。而本文此处的配图则来自另一项巡天计划：6dF星系巡天，这是目前规模位居第三的巡天项目。这张图像中之所以会缺失很多地方，是因为银河系的阻挡，很多天区我们都无法进行观测。[page]

6 邻近的超星系团

邻近的超星系团邻近的超星系团

在距离地球比较近的空间内，天文学家们的了解相对而言就会多一些。我们现在知道在距离地球约10亿光年的距离内存在一个超星系团的海洋。这些是被引力作用聚集在一起的大量成员星系。

我们的银河系本身是室女座超星系团的成员，这个超星系团正位于这张图像中中央位置。在这个巨大的超星系团结构中，我们的银河系毫无特别之处，它只是位于一隅之地的普通成员星系而已。在这一宏伟结构中占据统治地位的是室女座星系团，这是一个由超过1300个成员星系组成的庞大集团，其直径超过5400万光年。

另一个超星系团很值得关注，那就是后发座超星系团，因为它的位置恰好位于北方巨壁(Northern Great Wall)的中心位置。北方巨壁是一个大到令人难以想象的巨型结构，其直径约有5亿光年，宽度约3亿光年。我们星系“附近”最大的超星系团是时钟座超星系团，其直径超过5亿光年。[page]

7 暗物质和暗能量

暗物质和暗能量暗物质和暗能量

这个宇宙另外一件令人吃惊的事实是：占据宇宙大部分的成分我们却完全看不到。暗物质是一种神秘的存在，科学家们认为它们遍布宇宙各处，但是我们却看不到也摸不着。它们和光以及任何种类的电磁波都不发生作用，而这正是人类赖以探测宇宙的基础工具。不过它会产生引力，通过它对周遭空间施加的引力效应，科学家们能够感受到它们的存在。

是的，我们能够感觉到暗物质确实存在。比如我们所在的室女座超星系团大约拥有10的15次方倍太阳质量，但是整个超星系团的光度却仅有太阳的3万亿倍。这就意味着室女座超星系团的光度相比其质量所应当拥有的光度小了约300倍。这样的事实是难以解释的，但是如果考虑到这其中遍布大量拥有质量但却不发光的暗物质，一切也就不奇怪了。

事实上，根据计算结果，宇宙中的暗物质含量是我们平常所见的普通物质的5倍。但是暗物质尽管强大，却仍然不足以统治宇宙。真正支配着我们这个宇宙的力量来自另一种神秘物质：暗能量。普通物质和暗物质有一个共同点，那就是它们都拥有质量，并向周围空间施加引力影响，换句话说，它们的作用是让物质聚拢，让宇宙减速膨胀甚至最终收缩。然而，当科学家们观测宇宙，试图分辨出宇宙究竟是在减速膨胀还是在收缩时，他们惊骇地发现事实完全出乎他们的预料——宇宙根本没有收缩或减速，它正在加速膨胀！毫无疑问，存在一种未知的强大到异乎寻常的力量，它不但独力抵抗了整个宇宙中所有普通物质和暗物质产生的引力作用，甚至还推动整个宇宙加速膨胀。对于暗能量的发现最近刚刚被授予了今年的诺贝尔物理学奖，但是尽管有了这样的巨大进展，科学家们对于究竟什么是暗能量却依旧毫无头绪，一无所知。现在有关这一课题的理论几乎就相当于“虚位以待”，等待着未来出现一个更加完美的理论能摘取成功解释暗能量本质的桂冠。[page]

8 宇宙之网

宇宙之网宇宙之网

星系巡天的结果显示我们的宇宙似乎显示一种“泡沫网状”结构。几乎所有的星系都分布在狭窄的“纤维带”上，而在它们的中间则是巨大的空洞，天文学上称为“巨洞”。这些巨洞的体积巨大，有些直径可达3亿光年，其中几乎空无一物。但是这样说并不正确，因为尽管我们看上去那里确实是什么也没有，但实际上这里充斥着暗物质。

这里这张图是一份计算机模拟结果，它显示我们的宇宙呈现一种纤维网状结构，其中分布着节点，纤维带和层。这种复杂结构的起源来自宇宙微波背景辐射中微小的涟漪，这是其中密度微小变化的体现。随着宇宙膨胀，这些微小的高密度区去逐渐吸引更多的物质向其聚集，这种效应持续上百亿年，其结果是惊人的——它造就了我们今天所见的宇宙。[page]

9 检验宇宙模型

检验宇宙模型检验宇宙模型

2005年，一个国际天文学家小组试图检验现有的宇宙学理论是否正确。他们进行了一项名为“千年运行”的模拟计划，在计算机中他们模拟100亿个粒子在一个边长为20亿光年的立方体空间中，按照我们现有的理论去作用于它们，是否能得到某种我们所预期的结果。

这项模拟实验中考虑了普通物质，暗物质和暗能量因素，成功地再现出宇宙从混沌逐渐显现类似于我们今天所观察到的宇宙大尺度结构。在模拟运行的过程中，研究人员们目睹了宇宙中大质量黑洞的出现，强大的类星体发出剧烈的辐射，模拟的结果中还出现了大约2000万个星系。正如文中此处展示的那样，研究人员们发现模拟的结果产生出一个和我们所观察到的现实宇宙非常相似的状态。

现在还在太空的太空望远镜还有几架，都叫什么？

目前已有不少太空望远镜在太空中运行，例如：观测可见光波段的哈勃太空望远镜(Hubble)，观测红外波段的史匹哲太空望远镜(Spitzer)，观测X光波段的钱德拉太空望远镜(Chandra)，观察γ射线波段的康普顿太空望远镜(Compton)(已于2000年退役)哈勃空间望远镜 （Hubble Space Telescope，缩写为HST），是以天文学家哈勃为名，在轨道上环绕著地球的望远镜。 他的位置在地球的大气层之上，因此获得了地基望远镜所没有的好处-影像不会受到大气湍流的扰动，视相度绝佳又没有大气散射造成的背景光，还能观测会被臭氧层吸收的紫外线。 于1990年发射之后，已经成为天文史上最重要的仪器。 他已经填补了地面观测的缺口，帮助天文学家解决了许多根本上的问题，对天文物理有更多的认识。 哈勃的哈勃超深空视场是天文学家曾获得的最深入（最敏锐的）的光学影像。 从他于1946年的原始构想开始，直到发射为止，建造太空望远镜的计划不断的被延迟和受到预算问题的困扰。 在他发射之后，立即发现主镜有球面像差，严重的降低了望远镜的观测能力。 幸好在1993年的维修任务之后，望远镜恢复了计划中的品质，并且成为天文学研究和推展公共关系最重要的工具。 哈勃空间望远镜和康普顿伽玛射线天文台、钱德拉X射线天文台、斯必泽空间望远镜都是美国宇航局大型轨道天文台计划的一部分 。 哈勃空间望远镜由NASA和ESO合作共同管理。 哈勃的未来依靠后续的维修任务是否成功，维持稳定的几个陀螺仪已经损坏，目前（2007年），连备用的也已经耗尽，而且另一架用于指向的望远镜功能也在衰减中。 陀螺仪必须要以人工进行维修，在2007年1月30日，主要的先进巡天照相机（ACS）也停止工作，在执行人工维修之前，只有超紫外线的频道能够使用。 另一方面，如果没有再提升来增加轨道高度，阻力会迫使望远镜在2010年重返大气层。 自从2003年航天飞机哥伦比亚不幸事件之后，由于国际太空站和哈勃不在相同的高度上，使得太空人在紧急状况下缺乏安全的避难场所，因而NASA认为以载人太空任务去维修哈柏望远镜是不合情理的危险任务。 NASA在从新检讨之后，执行长麦克格里芬在2006年10月31日决定以亚特兰大进行最后一次的哈柏维修任务，任务的时间安排在2008年9月11日，基于安全上的考量，届时将会让发现号在LC-39B发射台上待命，以便在紧急情况时能提供救援。 计划中的维修将能让哈勃空间望远镜持续工作至2013年。 如果成功了，后继的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）应该已经发射升空，可以衔接得上任务了。 韦伯太空望远镜在许多研究计划上的功能都远超过哈柏，但将只观测红外线，因此在光谱的可见光和紫外线领域内无法取代哈柏的功能。 哈勃(Hubble)（1889～1953） 美国天文学家爱德温·哈勃(Edwin P. Hubble)是研究现代宇宙理论最著名的人物之一，是河外天文学的奠基人。 他发现了银河系外星系存在及宇宙不断膨胀，是银河外天文学的奠基人和提供宇宙膨胀实例证据的第一人。 史匹哲太空望远镜 于2003年8月25日发射升空，是人类史上最大的红外线波段太空望远镜，取代了原来的IRAS望远镜，史匹哲前身名为SIRTF（Space Infrared Telescope Facility）。 它的观测波段为3微米到180微米波长，由于地球大气层会吸收部份的红外线，而且地球本身也会因黑体辐射而发出红外线，所以在地球表面无法获得红外波段的天文资料。 它的总长度约4米，总重量约865公斤，它有1个0.85米的主镜及3个极低温的观测仪器，为了避免望远镜本身因黑体辐射而发出红外线干扰观测结果，所以观测仪器温度必须降低到接近绝对零度，除此之外为了避免太阳热能及地球本身发出的红外线干扰，望远镜本身还包含了1个保护罩，而且望远镜在太空的位置刻意安排在地球绕太阳的公转轨道上，在地球后面远远的跟著地球移动。 由于红外线可以穿透密集的尘埃云气，所以它可以让我们观测到许多可见光无法观察的天文现象。 例如：透过它的观测可以帮助天文学家更进一步的厘清恒星形成、星系的核心及行星系统的形成的机制。 史匹哲太空望远镜是美国太空总署Great Observatories Program计画的最后1座太空望远镜。 詹姆斯·韦伯太空望远镜 （James Webb Space Telescope，缩写JWST）是计划中的红外线观测用太空望远镜。 作为将于2010年结束观测活动的哈勃太空望远镜的后续机，计划于2011年发射升空。 但因哈勃太空望远镜的修补等延命措施的效果，故发射改期为2013年。 系欧洲空间局（ESA）和美国宇航局（NASA）的共同运用计划，放置于太阳-地球的第二拉格朗日点。 不像哈勃空间望远镜那样是围绕地球上空旋转，而是飘荡在从地球到太阳的背面的150万千米的空间。 此项目曾经称为“新一代太空望远镜”（Next Generation Space Telescope），2002年以美国宇航局第二任局长詹姆斯·韦伯的名字命名。 1961年至1968年詹姆斯·韦伯担任局长期间曾领导了阿波罗计划等一系列美国重要的空间探测项目。 詹姆斯韦伯太空望远镜的主要的任务是调查作为大爆炸理论的残余红外线证据（宇宙微波背景辐射），即观测今天可见宇宙的初期状态。 为达成此目的，它配备了高敏度红外线传感器、光谱器等。 为便于观测，机体要能承受极限低温，也要避开太阳和地球的光等等。 为此，詹姆斯韦伯太空望远镜附带了可折叠的遮光板，以屏蔽会成为干扰的光源。 因其处于拉格朗日点，地球和太阳在望远镜的视界总处于一样的相对位置，不用频繁的修正位置也能让遮光板确实的发挥功效。 哈勃太空望远镜位于从地表大约600千米的较低的轨道位置上。 因此，即使光学仪器发生故障也有可以用航天飞机来修理。 詹姆斯韦伯太空望远镜位于离地球150万千米的距离，即使出了故障也不可能频繁派遣修理人员。 与此相反，它位于第二拉格朗日点上，重力相对稳定，故相对于邻近天体来说可以保持不变的位置，不用频繁地进行位置修正，可以更稳定的进行观测，而且还不会受到地球附近灰尘的影响。 计划中的詹姆斯韦伯太空望远镜的质量为6.2吨，约为哈勃空间望远镜（11吨）的一半。 主反射镜由铍制成，口径达到6.5米，面积为哈勃太空望远镜的5倍以上，可以期待它将有远超哈勃空间望远镜非常高的观测性能。 与此同时，相反的光学镜头的重量已经被轻量化了。 现在这面主镜的直径的比发射它用的火箭更大。 主镜被分割成18块六角形的镜片，发射后这些镜片会在高精度的微型马达和波面传感器的控制下展开。 但是，此法不会跟克谷望远镜一样，不必像地面望远镜那样必须根据重力负荷和风力的影响而要按主动光学来时常持续调整镜段，故詹姆斯韦伯太空望远镜除了初期配置之外将不会有太多改变。 主镜的镜面作为全体也形成六角形，聚光部和镜面都露在外面，容易让人联想到射电望远镜的天线。 另外，它的主体也不呈筒状，而是在主镜下展开座席状的遮光板。 钱德拉X射线太空望远镜美国哥伦比亚号航天飞机1999年7月23日升空，把钱德拉X射线太空望远镜(Chandra X-ray Observatory)送到了太空。 这一空间天文望远镜将帮助天文学家搜寻宇宙中的黑洞和暗物质，从而更深入地了解宇宙的起源和演化过程。 钱德拉太空望远镜原称高级X射线天体物理学设施(AXAF)，后改以印裔美籍天体物理学家钱德拉锡卡(Chandrasekhar)的名字来为其命名。 钱德拉锡卡30年代移居美国，1983年因对恒星结构与演化的研究成果而获诺贝尔奖，1995年去世。 “钱德拉”是朋友和同事对他的称呼，梵语有“月亮”和“照耀”的意思。 钱德拉望远镜是美国航宇局NASA“大天文台”系列空间天文观测卫星中的第三颗。 该系列共由4颗卫星组成，其中康普顿(Compton)伽马射线观测台和哈勃太空望远镜(HST)已分别在1990和1991年发射升空，另一颗卫星称为太空红外望远镜设施(SIRTF)，也就是斯皮策太空望远镜，于2003年发射成功。 在轨道上运行的光学望远镜哈勃太空望远镜观测可见光，而在另一轨道上的“钱德拉”则捕捉X射线。 钱德拉X射线太空望远镜是为了观察来自宇宙最热的区域的X射线而设计的。 与可见光的光子相比，X射线更具能量，而且就像子弹一样能够穿透光学望远镜所使用的抛物面镜。 但是当它掠过镜子表面的时候就会像子弹一样改变方向。 为此，钱德拉X射线太空望远镜有4副镜子(4个抛物面镜，4个双曲面镜)，这些镜子像“漏斗”一样把X光集中到高性质照相机内。 镜子的制作精度达到了空前的高度：光学系统的两端间的距离是2.7米，误差为1.3×10-6米(一根头发丝的1/5)。 钱德拉X射线太空望远镜上面的仪器在测量X射线的能量的同时还能够担出高清晰度的照片。 另外，瞄准系统的精度也非常高，能够瞄准1公里以外的鸡蛋大小的物体，误差为3毫米。 钱德拉望远镜的造价高达15.5亿美元之巨，加上航天飞机发射和在轨运行费用，项目总成本高达28亿美元。 它是迄今为止人类建造的最为先进、也最为复杂的太空望远镜，被誉为“X射线领域内的哈勃”。 在此之前，人类曾发射过小一些的X射线望远镜。 与它们相比，钱德拉的灵敏度要高出20～50倍。 除分辨率高外，它还具有集光能力强和成像的能量范围广等特点，并能精确地把光谱分解成不同的能量成分。 它所获得的高能X射线数据将弥补康普顿和哈勃两颗天文观测卫星在电磁频谱的其它区域中获得的数据，加深人类对黑洞、碰撞星系和超新星遗迹的了解。 钱德拉望远镜距地球最远时的距离约为地球到月球的距离的三分之一。 选用这种大椭圆轨道是为了有尽可能多的时间让望远镜保持在地球的辐射带之外，并避开在离地球很近处运行带来的一些观测上的限制。 钱德拉望远镜上装有高分辨率镜面组件(HRMA)和8米长的光具座。 用于观测的主要仪器包括一台用于成像和光谱分析的电荷耦合装置成像光谱仪、一台高分辨率相机以及高能透射光栅和低能透射光栅等。 该望远镜在研制中遇到的最大挑战还是10米焦距X射线望远镜的研制，尤其是反射镜制造、无形变安装系统的研制以及镜面精确准直性的保持，难度极高。

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