1995年，哈勃望遠鏡在執(zhí)行繁忙觀測任務(wù)之際，抽空指向了一個不應(yīng)該瞄準的方位。那里是漆黑一片的宇宙荒漠，除了零星幾顆星之外，沒有值得動用哈勃望遠鏡的觀察目標(biāo)。
但這一別出心裁之舉給天文學(xué)家?guī)砹四篌@喜。哈勃花10天連續(xù)采集那塊荒漠中稀有的光，卻傳回地球一張群星璀璨的照片。當(dāng)然，照片上的亮點不是恒星，而是巨大的星系。這些星系離地球非常遙遠，以往從來沒有在地球上任何強大望遠鏡中出現(xiàn)過。只有在突破大氣層之后，人類才偷得這驚鴻一瞥。
這一片“新天地”被命名為“哈勃深空”（Hubble Deep Field），那些光點在100億光年之外，是迄今人類看到最遠的星系。哈勃望遠鏡視角有限，哈勃深空不過是天幕上極小的一個斑點，那里卻也有著3000來個星系。
兩年后，哈勃視角故地重游，再一次給哈勃深空拍了照。這次發(fā)現(xiàn)了兩個新的亮點，他們認為這是那里出現(xiàn)的超新星，即被命名的SN1997ff和SN1997fg。
在那么遙遠的哈勃深空，超新星爆發(fā)因為相對論效應(yīng)會在時間上拉得很長，相對容易碰巧遇到。但由于哈勃深空的視角范圍非常小，3000個星系中隨時發(fā)現(xiàn)超新星依然是很小幾率的事件。
里斯這時已經(jīng)在哈勃望遠鏡研究所工作，他糾結(jié)哈勃深空的超新星足足四年之后的某一天，突然腦洞大開——哈勃望遠鏡是共享資源，無數(shù)團隊用它執(zhí)行各種觀測任務(wù)，或許有人無意中拍攝到哈勃深空的照片，說不定其中就有哈勃深空的超新星。里斯在存檔的數(shù)據(jù)庫中一番查找，發(fā)現(xiàn)哈勃望遠鏡在1997年裝配新成像設(shè)備，正是用哈勃深空那片沒什么動靜的地方做基準進行調(diào)試，并拍了一系列照片。他打開一看，SN1977ff赫然就在其中。里斯如獲至寶，立即發(fā)揮他的專長進行數(shù)據(jù)分析。
在2001年的一次學(xué)術(shù)會議上，里斯對近年超新星研究的進展做了系統(tǒng)回顧。他再一次拿出哈勃圖上的那條象征宇宙恒速膨脹的直線，然后一個又一個地展示哈佛和伯克利兩個團隊相繼發(fā)現(xiàn)的超新星。這些超新星都規(guī)規(guī)矩矩地坐落在直線的一側(cè)，形成一條光滑曲線——這是1998年發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹的證據(jù)。里斯在學(xué)術(shù)會議的最后，他把遮住圖像最右端的紙片拉開，向世界第一次公開了他的最新發(fā)現(xiàn)：SN1977ff——110億光年之外，人類所知最遙遠的超新星。
這顆星孤零零地出現(xiàn)在圖中的一個角落，它既不在哈勃直線上，也不在宇宙加速膨脹的曲線上，而是單獨坐落在哈勃直線的另一側(cè)。在里斯看來，這意味著宇宙的膨脹在減慢。此前，珀爾馬特因為一顆更新、更可靠的超新星數(shù)據(jù)否定了以前幾顆星的既成結(jié)論，難道這一顆星又是烏龍再現(xiàn)？然而在場的天文學(xué)家并不驚異，相反，他們卻不約而同露出了欣喜、會心的笑容，因為這正是他們所期望的結(jié)果。
1990年代是哈勃望遠鏡大放光彩的年代，天文學(xué)中曾爭議幾十年的一些老問題在它那強有力的鏡片背后迎刃而解。1994年，桑德奇的同事芙莉德曼（Wendy Freedman。通用譯名是“弗里德曼”，為區(qū)分前面的Alexander Friedmann，這里采用不同譯法）宣布了又一個重大突破：她的團隊用哈勃望遠鏡系統(tǒng)地測量了星系的距離和速度，再度證明了哈勃定律。
讓媒體轟動的是她發(fā)表的、所謂的歷史上最精確的哈勃常數(shù)數(shù)值。從勒梅特、哈勃、胡馬森到桑德奇等，哈勃常數(shù)是天文學(xué)界橫貫半個世紀的永恒爭議。芙莉德曼公布的結(jié)果介于桑德奇和他的宿敵德沃庫勒爾相差兩倍的兩個數(shù)值之間，不是桑德奇堅持的那么小。這樣一來，哈勃常數(shù)的倒數(shù)表明宇宙的年齡又一次“只有”120億年，比宇宙中最古老的恒星年輕。輿論正是因之大嘩。
但僅幾年后，這個曾經(jīng)讓三代天文學(xué)家困惑的難題就自我消失了：宇宙年齡是哈勃常數(shù)的倒數(shù)，這只是在假設(shè)宇宙勻速膨脹的前提下倒推的結(jié)果。加速膨脹宇宙的年齡不再是簡單的倒數(shù)，宇宙年齡會更大一些，要比其中的恒星更古老。
當(dāng)然，天文學(xué)是否成為精確科學(xué)，最引人注目的是如何為那神秘的暗物質(zhì)、暗能量做出精確定量。21世紀初，150多位天文學(xué)家合作對天空一個區(qū)域進行了一次規(guī)模龐大的“普查”，即“宇宙演化普查”項目（Cosmic Evolution Survey，簡稱“宇宙”：COSMOS）。該項目以哈勃望遠鏡為主，輔以地面上各個大型天文望遠鏡，為星系編撰詳細的地圖。同時還注重于尋找星系之間構(gòu)成引力透鏡的機遇，連續(xù)發(fā)現(xiàn)了500多個實例。研究作為透鏡的星系或星系團——通過光強測量星系中發(fā)光體的多少；通過透鏡折射的程度推算星系的總質(zhì)量；再將二者相比較，便可計算出星系中暗物質(zhì)的質(zhì)量。這樣，他們對宇宙中尋常物質(zhì)和暗物質(zhì)的總量及其分布就有了相當(dāng)準確的把握。
普查還帶來意外的驚喜。在一個引力透鏡的實例中，作為透鏡的不是一個尋常的星系團，而是兩個正在碰撞的星系，其中較小的星系像子彈般穿過較大的星系，正在另一端露出彈頭。這個被命名為“子彈星系團”（Bullet Cluster）的特例為天文學(xué)家提供了研究星系碰撞動態(tài)性質(zhì)的寶貴機會。綜合不同觀測方式的數(shù)據(jù)，他們發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)與尋常物質(zhì)的分布不再大致重合，而是有相當(dāng)程度的分離，似乎二者有著不同的動力學(xué)表現(xiàn)。因此，子彈星系團照片引人注目，隨即成為暗物質(zhì)的最直觀的證據(jù)。
兩個星系碰撞所組成的子彈星系團的假彩色合成照片。其中粉紅色和藍色分別是尋常物質(zhì)和暗物質(zhì)所在的區(qū)域
2001年6月30日，美國航天局又一顆科學(xué)衛(wèi)星升空（“微波各向異性探測器”：Microwave Anisotropy Probe；簡稱“測繪”：MAP），接替十多年前的“科比”以更高精度探測宇宙微波背景輻射。MAP的主要倡導(dǎo)者之一是狄克的學(xué)生、皮布爾斯的同學(xué)威爾金森。當(dāng)年如果不是被彭齊亞斯和威爾遜意外搶先，威爾金森和狄克、皮布爾斯一起應(yīng)該成為宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)者。MAP上天一年后，威爾金森因病去世。作為紀念，這個衛(wèi)星正式改名為“威爾金森微波各向異性探測器”（WMAP）。
WMAP并不是一般的地球衛(wèi)星，它不在繞地球的衛(wèi)星軌道上運行。它被送到距離地球150萬公里的特殊所在，與地球一起繞太陽運行。那里是太陽和地球的引力“合作”點——“拉格朗日點”（Lagrangian point），能夠保持探測器與太陽、地球步調(diào)一致，其相對位置恒定不變，WMAP可以永遠地躲在地球的陰影里，不受太陽光影響。
WMAP常年巡天，不間斷地收集微波輻射信號，繪制宇宙背景的詳細地圖。僅兩年后，WMAP便開始傳回寶貴的數(shù)據(jù)。2003年，《科學(xué)》雜志又將其年度“科學(xué)突破”授予宇宙學(xué)領(lǐng)域，表彰WMAP的發(fā)現(xiàn)。
它驗證了芙莉德曼對哈勃常數(shù)的測量，并很精確地得出宇宙的年齡為137.72億年，誤差不到百分之一。但它的主要任務(wù)——正如它的名字，是要拍攝宇宙微波背景中的“各向異性”。十年前的科比已經(jīng)為宇宙背景輻射拍下第一張全景，證實了微波背景不是光滑的一片，而是分隔成區(qū)域，其間有著微小的溫度差異。這些差異是宇宙暴脹之后來自量子力學(xué)所謂的量子隨機漲落。但科比所拍攝的照片還只是粗線條，區(qū)域邊界模糊不清。WMAP的任務(wù)就是要拍一張更清晰的、能辨識各向異性區(qū)域的邊界的照片，因為這對于了解宇宙的幾何性質(zhì)和暗能量有著非同小可的重要性。
19世紀初，德國大數(shù)學(xué)家高斯（Carl Gauss）負責(zé)他所在的漢諾威公國的地圖測繪，他有一個宏大的構(gòu)思，要在當(dāng)?shù)氐娜呱巾斏蠝y量它們構(gòu)成的三角形的夾角。按照歐幾里德幾何，三角形三個內(nèi)角之和是180度，高斯想實際地驗證一下。但那時的儀器不可能有足夠的精度，結(jié)果只能不了了之。后來高斯的學(xué)生黎曼（Bernhard Riemann）發(fā)展出一套非歐幾里德幾何學(xué)，為后來愛因斯坦建立廣義相對論提供了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。將近200年后的今天，天文學(xué)家已經(jīng)不再認同愛因斯坦那個“有限無邊”的球形宇宙模型。越來越多的證據(jù)表明，宇宙其實“只”是平坦的歐幾里德空間。要確證這一點，最好的方法就是像高斯那樣，在宇宙中畫一個巨大的、宇宙尺度的三角形，測量其內(nèi)角。當(dāng)然，三角形的一個點只能在地球上或附近，另外兩個點可以坐落在地球上能看到的最遙遠的所在：宇宙微波背景。
宇宙微波背景來自大爆炸之后30萬年。那時，宇宙中以光速傳播的粒子最多只走了30萬光年的距離。因此，在那個背景上，同樣溫度的區(qū)域的大小應(yīng)該不會超過30萬光年，否則它們互相之間無法取得聯(lián)系而達到熱平衡。也就是說，背景上那些不同溫度的區(qū)域邊界可以用來作為三角形的一個邊，而邊長已經(jīng)知道——30萬光年，另兩條邊的邊長也很固定——都是地球到背景的距離。當(dāng)WMAP以其比科比更強的精度拍攝出不同區(qū)域鮮明的邊界時，就提供了無數(shù)這樣的三角形，也就可以在宇宙尺度上實現(xiàn)高斯設(shè)想，驗證歐幾里德的原理。
其實，在WMAP之前，科學(xué)家就已經(jīng)通過高空氣球?qū)τ钪姹尘白隽藴y量。WMAP在太空的拍攝能把這一測量提高到幾乎毋庸置疑的精度。得到的結(jié)果是，在不到百分之一的誤差下，宇宙尺度三角形的內(nèi)角之和是180度，的確是一個平坦的歐幾里德空間。
科比、WMAP和普朗克衛(wèi)星（自上而下）分別拍攝的宇宙微波背景圖
WMAP在太空延續(xù)了近十年，在2010年結(jié)束。但測量宇宙微波背景的使命并沒有結(jié)束，歐洲航天局于2009年發(fā)射了“普朗克”衛(wèi)星，以更高的精度接替WMAP。彭齊亞斯和威爾遜在1960年代初無意中發(fā)現(xiàn)的這個微波背景，在新的世紀持續(xù)并越來越清晰地為人類展現(xiàn)宇宙的秘密。
愛因斯坦在廣義相對論中引進宇宙常數(shù)（Λ）是無中生有的人為參數(shù)，無法從物理原理中確定。當(dāng)哈勃的觀測改變了人們對宇宙的理解時，愛因斯坦立即放棄了宇宙常數(shù)，或者說他用新的現(xiàn)實重新擬合了宇宙常數(shù)：Λ = 0。
1990年代初期，特納、皮布爾斯等“無賴宇宙學(xué)家”指出，宇宙中的尋常物質(zhì)、暗物質(zhì)和暗能量對宇宙質(zhì)量密度的總貢獻必須讓它處于臨界密度，亦即：Ω = 1，這樣才能得到一個平坦的宇宙空間。當(dāng)宇宙加速膨脹證明了暗能量的存在，WMAP證實宇宙確實是平坦的之后，他們的無賴已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)樘煳膶W(xué)的新現(xiàn)實。
按照“引力透鏡”和“普查”的結(jié)果分析，尋常物質(zhì)、暗物質(zhì)對Ω的貢獻只有大約0.27，剩下的0.73只能靠暗能量來彌補。暗能量遠遠多于物質(zhì)，它占了Ω的幾乎四分之三。
在1970年代，物理學(xué)家從微觀上建立了完整的“基本粒子標(biāo)準模型”，在20-21世紀之交，天文學(xué)家又為宏觀宇宙建立了標(biāo)準模型：ΛCDM理論（Λ代表暗能量，CDM則是冷暗物質(zhì)的英文縮寫）。這個理論能夠精確定量地描述宇宙年齡、宇宙平坦、膨脹等觀測事實。
在愛因斯坦的場方程中，物質(zhì)——無論是尋常物質(zhì)還是暗物質(zhì)，其質(zhì)量和能量是以密度的形式出現(xiàn)。質(zhì)量和能量可以互相轉(zhuǎn)化，但它們的總量守恒不變。宇宙膨脹則體積變大，密度變小，早期宇宙的質(zhì)量能量密度要比現(xiàn)在大得多。
ΛCDM理論中的宇宙膨脹既不是勻速的，也不是一直都在加速。它取決于暗物質(zhì)和暗能量的此消彼長。早期的宇宙膨脹會減速，但隨著膨脹的繼續(xù)，宇宙膨脹會從減速變?yōu)榧铀佟?/span>
里斯分析的那顆最遙遠的SN1997ff超新星出現(xiàn)在110億年前，那時的宇宙正處于階段。大家之所以對里斯展示的結(jié)果不驚訝，而是期望這個結(jié)果，就在于SN1997ff不僅沒有否定幾年前的結(jié)論，還恰恰又一次證實了ΛCDM理論。而且，SN1997ff與其它星的相反表現(xiàn)在很大程度上證明了超新星的結(jié)果不是來自某種未被認識物質(zhì)或系統(tǒng)誤差。
宇宙的減速膨脹和加速膨脹如同行駛中的列車在剎車變速，里斯把宇宙的那一刻形象地稱作“宇宙搐動”（Cosmic Jerk），他的超新星證明了的確有過那一時刻——在大約50億年前。在英語中，“搐動”做名詞時是“混蛋”的意思。
在ΛCDM標(biāo)準模型中，所有星系的亮光所組成的視覺宇宙不過是宇宙整體的百分之四。在那之外還有不發(fā)光的物質(zhì)，比如黑洞、星際塵埃和氣體等等，它們與看得見的星系一起是宇宙的尋常物質(zhì)部分，總體只是宇宙的百分之四。
宇宙成分圖。從大到小分別為暗能量、暗物質(zhì)、不發(fā)光物體和發(fā)光物體
那百分之九十六的宇宙主體是直到1970和1990年代才分別被科學(xué)界主流所接受的暗物質(zhì)和暗能量，它們才是真正宇宙浩瀚之所在。無怪乎有天文學(xué)家曾戲謔：我們和我們以為的宇宙，不過只是宇宙中的污染，微不足道。
我們依然不知道暗物質(zhì)、暗能量是什么？21世紀初，暗物質(zhì)和暗能量從“未知的未知”（unknown unknowns）進入“已知的未知”（known unknowns），讓我們意識到一個更深邃更隱秘的宇宙。
來源：程鶚 的博客
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