内容来源丨中国国家地理BOOK文丨武治宇  宇宙学头顶的两朵乌云——暗物质与暗能量 图/NASA ” “我们都是由星尘组成的” ——卡尔·萨根 “你眼前的手机屏幕就是如此，组成它的原子可能最早诞生于某个恒星，并且经历了几次宏大的宇宙循环，而你呼吸的空气、你坐的椅子，包括你身体里的每一个分子都是如此。” ” 你身体里的铁，来自璀璨的超新星爆炸； 血液里的锌，源自两次中子星对撞后喷射向宇宙的尘埃； 微量的铜，更是需要见证一颗白矮星的死亡； 即使是最微不足道的钴，也源自几十亿光年外的星云。 某种意义上讲，人类对星空怀有好奇，渴望探寻星辰大海的尽头，是正常的，因为是我们都是星辰之子。 1968年12月24日平安夜， 阿波罗8号太空船传回了地球照片《地出》，人类第一次从宇宙中看到我们脚下蓝色星球最真实的模样。  《地出》 图/NASA 1990年2月14日，旅行者1号快要结束自己的使命时，转过身为太阳系拍下了最后一张照片《暗淡蓝点》，照片中最迷人的地方，就是一个毫不出奇、暗淡不清的小点：地球。  《暗淡蓝点》 图/NASA 2012年9月25日，哈勃望远镜对准南边的一小片深空，拍摄合成出了这张《哈勃极端深场》，这张照片中有近1万个星系，是有史以来最深远、最古老的宇宙图像。  《哈勃极端深场》 图/NASA 从人类第一次仰望星空开始，天文学历经千万年的时间来到今天，我们终于能够把恒星演化的故事片段拼凑起来，能够绘制宇宙大爆炸的余波、理解恒星诞生和消亡背后的过程，甚至一窥宇宙中最黑暗的真相。 但我们的征途远远不止如此，在宇宙这个人类追求的最终极目标面前，我们仍像一个孩子。 2021年12月25日，詹姆斯·韦布（James Webb Space Telecope，JWST）太空望远镜发射升空，代表着一段全新旅程的开始。 01 詹姆斯·韦布 人类挥向宇宙的究极利剑  詹姆斯·韦布空间望远镜 图/NASA 詹姆斯·韦布，号称为人类有史以来最伟大，也是最贵的空间望远镜，从它立项的那一刻起，就曾因多次超出预算而延期，因此也被称为“鸽王”。 1989年，科学家们在建造完成哈勃望远镜后，立马便提出了要建造更强性能的空间望远镜的想法，并在7年后正式立项。   哈勃望远镜，带来了无数的伟大发现，比如图下 这幅可见光和红外分别拍摄的卡利纳星云。 图/NASA 韦布在立项时的预算为5亿美元，预计2007年发射，然而由于其技术难点，让这个本该在2007年完成的项目，历经了20多次推迟，一直拖延到了2个月前的2021年末，而此时的预算已经达到了惊人的100亿美元。由于一加再加的预算，韦布经历了数次险些夭折，也被nature杂志评价为“吞噬天文学的望远镜”。  韦布早期设计图 图/NASA 韦布究竟有什么样的技术难点和魔力，能让NASA经历如此曲折的建造过程，又狠心投入如此之大？ 从目标来说，韦布虽然几乎带不来任何实际的经济效益，却有望实现人类的终极命题：寻找宇宙的真相。  金光闪闪的韦布望远镜，俨然已成为一幅艺术品。图/NASA 拿韦布的前辈哈勃望远镜来说，技术能力可能远远不及韦布的百分之一，却为我们带来了宇宙的真实年龄（大小）、宇宙膨胀速度、恒星诞生过程、星系演化与黑洞、暗能量与宇宙加速膨胀的关系以及无数令人叹为观止的深空影像等等伟大的成就（后文会详解）。  哈勃望远镜发现的星系碰撞，再过数10亿年后， 我们的银河系将与仙女座大星云发生碰撞。 图/NASA 而韦布，它将看到更远的星系、宇宙的边界、宇宙的过去，有希望解开暗物质、暗能量等宇宙深处最黑暗的谜团以及更多未知的秘密。韦布，是人类劈向宇宙的一把究极利剑。  韦布望远镜，将看到宇宙的幼年。图/吟游诗人基德 拿技术难点来说，韦布望远镜的运行轨道为距离地球150万公里的日地拉格朗日L2点，如此遥远的距离一旦出现故障将无法修复，也就是说，韦布是一个没有退路的望远镜（而哈勃则运行于距离地球600公里的近地轨道，出现故障可人为抢修）。而2018年的一份报告显示，韦布望远镜可能会出现344种不同的故障——这足以让任何人能够想象出韦布的建造之难。  日地轨道与5个拉格朗日点 图/Wikipedia 除此之外，韦布被设计为超越哈勃观测极限的望远镜，哈勃最大的局限就是其观测范围主要是可见光，但是宇宙是在膨胀的，银河系外的星系一直在远离我们，这就导致星光抵达我们的波长会拉长（即多普勒现象：比如当救护车远离我们时，声音的波长变长，我们听到的音调会发生变化）。因此想要看到更遥远的宇宙，韦布必须观测波长更长的红外线。而观测红外波段需要韦布实现大量的黑科技。  光的红移与蓝移，蓝移位靠近我们， 波长短，红移为远离，波长长。图/ESA 早在韦布之前，科学家已经发射过一系列红外空间望远镜，它们的观测目标和波长范围各不相同，但主镜直径总是越来越大，使用的材料越来越先进，数据获取、处理与通信能力越来越高效，从而实现越来越精细的角分辨率，呈现出前所未有的细节。 而韦布则是这一切技术进布的集大成者：主镜直径达6.5米，采光面积达到哈勃的5倍以上；  普通人、哈勃与韦布的大小对比 图/NASA 主镜、次镜和三级镜镜片的制造材料均选用密度低、硬度相对较高、低温下不易变形的金属铍，镜片表面喷涂了一层厚度仅100纳米的黄金来优化镜面反射红外线的性能；  韦布的4块镜面 图/NASA 包含近红外相机、近红外光谱仪、近红外成像仪和无缝隙光谱仪、中红外仪等设备的集成科学仪器模块将对韦布收集到的光线进行分析成像；  韦布的近红外相机 图/NASA 面积接近网球场大小的巨幅遮阳板位于主镜下方，为韦布抵挡来自太阳、地球和月球的辐射，将望远镜分隔成分别朝向深空和朝向太阳的冷热两侧，其温差极限超过300摄氏度；  2020年12月17日，韦布的遮阳伞展开测试。 图/NASA 在众多黑科技的加持下，韦布的探测波段为600纳米至28.8微米的近红外波段（而哈勃的观测波长在200纳米到2.4微米之间）。 2022年1月24日，韦布已成功抵达拉格朗日L2点，目前，航天器的控制人员已经开始给韦布的四个尖端设备充电，为第一次观测目标恒星——HD84406做准备。5-6个月后，第一批观测图像将被传回。  整装待发的韦布望远镜 图/NASA 在韦布的发现结果出来之前，我们来回顾一下我们到底知道了宇宙的多少深层真相？宇宙膨胀到底是怎么回事？暗物质暗能量为什么是宇宙最黑暗的秘密？ 02 超新星与宇宙膨胀  铅笔星云与超新星冲击波，这道超新星冲击波， 以每小时超过500,000公里的速度犁过星际空间。 图/NASA 公元1054年7月4日凌晨，北宋仁宗皇帝的天文学家杨惟德注意到天空中有些不同寻常。在一弯残月与即将升起的太阳之间，闪耀着一颗新的星星——它太亮了，甚至超过了金星。在接下来的23天内，这颗星甚至在白天都能看到。之后便慢慢暗淡下去，只在夜晚能看到，整个过程持续长达20个月之久。 今天的天文学家给这次宇宙奇观起了个乏味的名字SN1054，但我们可以叫它金牛座超新星。这是历史上有记载的最明亮的超新星爆发事件之一，保守估计最亮时达到-6等，它留下了一个膨胀的、破碎的高温气体星云，直到今天我们仍然能够看到。  哈勃望远镜拍摄的蟹状星云， 蟹状星云是公元元1054年超新星的遗迹。 图/NASA 超新星是宇宙中最激烈的能量释放过程之一。而现在，科学家们认为，正是这次超新星，导致了金牛座的著名的蟹状星云的形成。 超新星爆发是大质量恒星演化的一个阶段，在恒星的寿命快要结束的时候，其内核燃料燃尽，如果恒星质量过大，则会坍缩释放出大量的能量。 超新星可以分为I型和II型两大类，其中I型超新星又分为Ia、Ib、Ic三类。其中，Ia型超新星在理论上都具有相同的性质，它们彻底毁灭时的质量总是1.4倍太阳质量，每一次爆发都释放出相同的能量，因此其视亮度就反映了它们离我们的距离，可以作为测量遥远星系距离的“标准烛光”，为研究宇宙膨胀速率和暗物质分布提供证据。（标准烛光：宇宙中光度已知的星体，在测量遥远天体距离的时候，可以起到尺标的作用，只要测量一下在地球上看到的它有多亮，结合它原本应该的亮度，就能算出它到地球的距离。）  NGC7814：有超新星的小宽边帽星系，这例编录号为SN2021rhu的恒星爆炸事件，分类为可用来宇宙距离尺标（标准烛光）的Ia型超新星。 宇宙膨胀，最早由天文学家埃德温·哈勃（哈勃望远镜取自其名）提出，1924年，他用造父变星法（造父变星是亮度变化具有周期规律的天体，因而可以通过其光变周期与视亮度推算其距离）测得仙女座大星云和M33距离我们的距离达到93万光年，远超银河系的范围，从而证明它们是银河系之外的其他星系。随后哈勃通过观测来自河外星系的光的波长变化（即前文提到的多普勒频移），发现所有的河外星系似乎都在远离我们（也就是“红移”）。  星系的红移和蓝移示意图，当星系向观测者运动， 光谱会向蓝色移动，反之向红。 是因为地球或银河系不受欢迎吗？当然不是，而是一个更广阔的宇宙扩张的证据，在这个宇宙中，所有东西都在远离其他的一切。星系就像正在烘烤的面包上的葡萄干，任何两颗都在互相远离，即“宇宙在膨胀”。 通过更多的观测，哈勃发现，这些河外星系的运动与距离存在一定的规律： 离我们越远的星系，它远离我们的速度就越大。因为单位空间的膨胀速率是一样的，但天体之间分离得越远，它们之间就有更多的空间参与膨胀，因此就具有更高的速度。 哈勃再次出场，将这一原理反向演绎，既然更远的距离意味着更高的速度，那么更高的速度当然也代表着更远的距离。他计算出每百万光年的平均膨胀速率（现在被称为哈勃常数），并向人们展示如何根据星系退行的速度估算它的距离。  正在望远镜前工作的哈勃 图/Wikipedia 不过在最初，哈勃常数并不能精确到具体的数值，而有一个相当广的近似范围，人们无法精确计算出宇宙膨胀的到底有多快，是加速膨胀还是减速膨胀？要知道，不同的膨胀速度可能会导致截然不同的宇宙结局。宇宙的膨胀速度，很可能和宇宙的最终命运有着直接的关系。 那么如何计算出宇宙的膨胀速度？该前文提到的Ia型超新星开始发挥作用了（还有其它诸如造父变星的方法）。相较于同样作为“标准烛光”的造父变星，Ia型超新星释放出的能量要大得多，因此在遥远得多的距离上仍然能被我们看到，也更容易校准。通过它们，我们可以测量那些无法观测到造父变星的遥远星系的距离。  三种方式验证哈勃常数：Ia型超新星、造父变星和视差法，左边虚线框利用视差法校准造父变星法，中间邻近星系中造父变星校准Ia超新星。 20世纪90年代，有两个团队开始寻找遥远星系中的Ia型超新星，通过它们的峰值亮度推算出距离，然后用红移和哈勃常数计算的结果作对比。研究人员认为，如果幸运的话，他们可以通过Ia型超新星找到宇宙自大爆炸以来正在减速膨胀的证据（理论上，随着可见物质和暗物质的引力将所有东西向彼此拉拢，这些引力应该会逐渐压倒大爆炸的初始动力而导致宇宙膨胀减速）。 那些最遥远的超新星看上去应该会比用红移计算的距离更亮，因为宇宙膨胀的速度随着时间推移而减慢，那些超新星实际上要近一些，因此会更亮。  哈勃望远镜传回的新数据进一步证明了宇宙膨胀。 图/NASA 然而，经过多年的超新星观测交叉验证，最终他们得到了完全相反的结果，并在1998年公布了他们的发现： 宇宙并没有减速，相反，它在加速膨胀——一定有什么东西将宇宙的边界加速推离我们。 而这种东西，可能就是我们常在科幻片中听到，却对其了解极少的——暗能量。 03 暗能量与宇宙的命运  宇宙学家迈克尔·特纳创造了暗能量一词来描述将宇宙加速推离的东西，这个名词现在已经被广泛接受，但我们仍不知道它具体到底是个什么东西。然而可以明确的是，暗能量占据了整个宇宙的70%，并将引领宇宙走向它的终极结局。 大部分暗能量理论遵循以下两种处理方式之一： No.1 精质派 也叫第五元素派，将暗能量视为一种“标量场”（物理学概念，指一种只有强度没有方向的场，会因在宇宙中位置的不同而变化）。在这个模型中，暗能量可能是“反重力”的第五种力（宇宙中已知有四种力：引力、电磁力、弱核力和强核力），这种反重力能奇特地将物质推离彼此。 No.2 宇宙常数派 将暗能量视为一种均匀充满空间的常能量密度，等价于真空能量——通过这种处理，暗能量就能符合构成宇宙结构的时空标准，随着宇宙的膨胀，空间越来越大，就会不可避免地产生更多暗能量。  物质、暗物质、暗能量的占比 图/柚子木字幕组 如果宇宙学常数派是正确的，暗能量会越来越强大，在这种情况下，宇宙会面临令人绝望的命运——大撕裂。目前，暗能量只在几十亿光年内为人所知，但随着空间膨胀和暗能量效应的增强，最终，维系宇宙的力量会渐渐减弱。星系团会首先感受到变化，最终完全解体。接下来，星系也将由于内部引力减弱而解体，恒星在星系空间中孤独地流浪。直到物质在亚原子层面被撕成碎片，一切都将消失殆尽。  大撕裂 幸运的是，如果这样的事情会发生，那也是很久很久以后的事情了。 我们不知道事情究竟会如何发展，暗能量和暗物质作为目前科学界头顶的两朵乌云，当它们的谜题被解开时，将会是物理学再一次大发展之时。而韦布望远镜可能会寻找出另一种截然不同的答案。韦布望远镜最远可以看到宇宙刚诞生时期的情况（138亿年前，宇宙诞生5000万年，刚刚孕育出第一颗恒星）。关于宇宙的真相，可能将会被揭开。 与此同时，2022年1月28日，国务院新闻办公室发布了《2021中国的航天》白皮书，中国航空航天、深空探测等建设将开启新的征程。 下一个重大发现，随时可能发生。 想追寻中国航空航天、深空探测的脚步，探寻更多宇宙深处的秘密？ 虽然宇宙浩瀚无垠，但其中21颗重要的恒星和3个特殊天体，就已经能够很好地解答关于宇宙历史的实质性问题——既可描摹宇宙的过去、也可认识宇宙的现在，还有可能预测宇宙的未来。而这些天体，也一直是科学家们在研究宇宙的过程中所关注的核心。 从我们熟悉的太阳、北斗七星，到“最美星团”昴宿六、“夜空最亮”天狼星……中国国家地理·图书虎年“开年新书”《亲历宇宙史》将带你以一种化繁为简的方式探寻宇宙奥秘！  ▲点击图片购买 北京天文馆研究院朱进推荐、北京天文馆副研究员马劲翻译，为所有热爱星空的人，破译穿梭万年的星光密语。 有一个最简单的办法：在晴朗、黑暗的夜晚抬头仰望，你会看到成千上万颗星星，虽然它们只是宇宙的一部分，但却是我们在夜空中能看到的几乎所有东西。这些看起来都差不多的恒星，恰恰就是人类解开宇宙奥秘的钥匙。 原价78元，新书限时特惠49元 与所有热爱星空的人，一起亲历恢弘宇宙史  ▲点击图片购买 “本书的构思十分精彩，它遴选了21颗恒星和3个曾经被认为是恒星的天体，讲述了发生在它们身上的精彩故事，由此串起了一部宏伟的宇宙史同时也是人类对宇宙的探索史。更难得的是，这些恒星（和天体）大部分用肉眼就可以直接看到，个别天体用望远镜也能看到。于是，读过本书之后，再看这些熟悉的恒星时，它们就不一样了，它们承载起了人与宇宙沟通的桥梁，令我们心怀感恩。如果你也想拥有这样的体验，就来读这本书吧！” ——北京天文馆研究员 朱进  精装装帧，宇宙之美值得永久珍藏  厚达409页，详解宇宙的过去、现在与未来  图文并茂，娓娓道来人类解析恒星密码的恢弘史诗  护封内特绘全天星图，指明本书中提及的 重要天体在天空中的位置 原价78元，新书限时特惠49元 与所有热爱星空的人，一起亲历恢弘宇宙史 -END- 文丨武治宇 封图来源丨NASA 科学审校、支持丨曹紫娟、马劲 参考资料丨NASA、Wikipedia、中科院国家天文台、中国科普博览、《亲历宇宙史》 |
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