1995年12月18日,这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。这是一块“黑区”,并且还是全天中最黑的“黑区”。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,这相当于你站在100米开外看一个网球的大小,只占整个天区的2400万分之一。

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,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。

342张图像最后合成的照片被称之为“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。

图 哈勃深空场

图 哈勃深空场

 

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,这早已被证实过了,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。如果我们的银河系在宇宙中是一个中等大小的星系的话,那么宇宙中平均每个星系就包含了1000亿到2000亿颗恒星,则宇宙中恒星的总数量相当于地球上所有的沙子的数量,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。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,我们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 哈勃拍摄到的一个棒旋星系NGC 1300 图片来源:NASA官网

图 哈勃拍摄到的一个棒旋星系NGC 1300 图片来源:NASA官网

 

人类对宇宙的研究因哈勃太空望远镜的上天而提升了一个层次。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。

暗物质

写《三体》的刘慈欣写过一篇科幻短篇小说叫《朝闻道》,在这篇小说中,他写了一个普通人几乎很难理解的故事。有一天,外星文明降临地球,当然,文明程度远远胜过人类文明,外星文明给地球人一个机会,每个人都可以去问他们一个科学上的问题,并且保证地球人一定能得到正确的答案,只有一个条件:得到答案以后马上去死!我说到这里,估计你马上就明白了小说标题的含义,子曰:朝闻道,夕死可矣!小说里面还不是夕死,是立即就死。

我设想,如果刘慈欣小说中的场景真的出现在了地球上,我可以保证会有很大一批天文学家、物理学家会为了一个问题而放弃生命,这个问题就是:暗物质到底是什么?

暗物质这事还得从1932年开始说起。荷兰有一位著名的天文学家叫做奥尔特(Oort,1900年 – 1992年),他在极其有限的观测条件下,隐约发现一个事情不怎么对头,就是银河系的自转似乎不太符合牛顿力学。奥尔特隐约发现,银河系外侧的恒星运动速度似乎与靠近银心的恒星运动速度没有什么大的差别。这事就很奇怪了,难道对于整个银河系而言,牛顿的万有引力不适用了?

又过了一年,1933年,在美国加州理工学院有一位叫做兹威基(Zwicky,1898年 – 1974年)的年轻天文学家,正在着迷地研究后发座星系团,他居然遇到了与奥尔特几乎相同的困惑。兹威基试图测算出这个星系团中星系的平均质量,有两种方法可以测算,一种称之为“动力学质量”,还有一种方法称之为“光度学质量”。按理说,用这两种方法测算出来的星系平均质量应该是差不多在同一个数量级上,但兹威基计算的结果是“动力学质量”居然比“光度学质量”整整大了160多倍。虽然我们今天知道,兹威基低估了后发座星系团离我们的距离,从而低估了星系的质量,但是即便是按照今天的数据,两种质量的比值依然大得离谱。

兹威基看到自己的计算结果后,呆呆地出神,他也冒出了和奥尔特同样的一个念头:难道牛顿定理在后发座星系团失效了?但他很快就想到,也许还有一个更合理的解释:会不会是在后发座星系团中存在着大量不发光的物质呢?这个解释听上去合理多了,而且后发座星系团距离地球足足有3.5亿光年之遥,有一些物质不发光,或者发光很微弱,在地球上根本观测不到,这也是很好理解的。于是,兹威基就在论文中猜测,在后发座星系团中包含大量暗物质,也就是不发光或者相对很暗的物质,而且这种物质占到了该星系团中物质总量的99%。这是暗物质这个词第一次出现在学术论文中。但兹威基并没有觉得这个猜测有多么了不起,或者根本就没有意识到,他无意中触碰到了一个宇宙的惊世之谜。只过了一年,兹威基的注意力就完全被宇宙中的另外一种迷人天体“超新星”吸引过去了,这个词supernova也是他和别人一起发明的。暗物质是宇宙中最暗的东西,而超新星则是宇宙中最亮的东西,在直觉上当然是研究亮的比暗的更有趣,于是兹威基就把暗物质丢在了一边,转头去研究最亮的东西去了。这一搁置,就是50多年没人理会,兹威基也在1974年去世,他没有等到自己提出的暗物质惊动全世界的那一天。后面又发生了什么呢?