以色列天體物理學(xué)家馬里奧·利維奧談哈勃空間望遠(yuǎn)鏡25年史

文/蓋伊爾·諾爾斯 譯/晨飛

在人生的很多時(shí)候，我們會(huì)遭遇到瓶頸，由于無(wú)路可走，便把視線轉(zhuǎn)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(xué)家馬里奧·利維奧就是這樣一個(gè)人。他是空間望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所的資深理論天體物理學(xué)家，超新星及其成像專家。他的研究幫助天文學(xué)界確定了宇宙膨脹的速度，理解了暗物質(zhì)和黑洞。

1990年，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡搭乘火箭發(fā)射升空時(shí)，我就在美國(guó)航空航天局的肯尼迪航天中心?！肮弊屛覀兛吹搅俗约旱倪^(guò)去，說(shuō)明了我們的來(lái)源。在慶祝哈勃空間望遠(yuǎn)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(duì)科學(xué)、藝術(shù)和社會(huì)的影響。利維奧帶著我暢游遙遠(yuǎn)的超新星、暗能量、暗物質(zhì)、哈勃常數(shù)以及星系演變，展示他將復(fù)雜科學(xué)簡(jiǎn)單化這一拿手好戲。

人類面對(duì)的最具革命性的問(wèn)題是什么？他認(rèn)為是：宇宙中是否只有地球人。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡怎樣改變了我們認(rèn)識(shí)宇宙的方式？

19世紀(jì)20年代，我們認(rèn)識(shí)到宇宙在膨脹。但是我們想，這種膨脹可能正在減速，因?yàn)橛钪胬锏乃形镔|(zhì)都有引力。1998年我們發(fā)現(xiàn)，宇宙膨脹不但沒(méi)有減速，反而在加速，“哈勃”在發(fā)現(xiàn)中起到了非常關(guān)鍵的作用。宇宙膨脹的加速是與引力相對(duì)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(fā)現(xiàn)的？從根本上講，我們看到的是極其遙遠(yuǎn)的恒星爆炸，即超新星Ia型爆發(fā)。在“哈勃”拍攝的圖片上，你可以看到一個(gè)光點(diǎn)，那就是超新星，或者是一個(gè)星系。它們的距離非常遙遠(yuǎn)，可以在七八十億光年以外。這意味著什么呢？這就是說(shuō)這個(gè)光點(diǎn)在80億年以前離開(kāi)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(dāng)時(shí)的膨脹與現(xiàn)在的膨脹相比，發(fā)現(xiàn)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(shù)的精度。哈勃常數(shù)實(shí)際上是宇宙目前測(cè)定的膨脹速度，有了這個(gè)重要參數(shù)，就能確定宇宙的年齡：宇宙年齡大約是1除以哈勃常數(shù)的值。

發(fā)射哈勃空間望遠(yuǎn)鏡之前，有兩個(gè)天文學(xué)家小組一直在圍繞哈勃常數(shù)值進(jìn)行爭(zhēng)吵。他們的看法不同，一個(gè)比另一個(gè)整整大2倍，這當(dāng)然不可能?，F(xiàn)在，我們利用“哈勃”能夠精確地測(cè)量脈沖星的周期，所以可以知道該恒星的實(shí)際亮度是多少，然后將該恒星的實(shí)際亮度和我們看到的亮度進(jìn)行比較，就能知道這顆恒星距離我們有多遠(yuǎn)。目前，哈勃常數(shù)值的誤差在3%之內(nèi)。請(qǐng)記住，原來(lái)的誤差是2倍，而現(xiàn)在是3%。我們現(xiàn)在得到的值非常非常精確，據(jù)此我們知道宇宙的年齡基本上就是138億年。

這是“哈勃”發(fā)現(xiàn)的有史以來(lái)最遠(yuǎn)的超新星，編號(hào)是UDS10Wil。?這顆超新星被稱為Ia型超新星，比之前最遠(yuǎn)的超新星還遠(yuǎn)4%。

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

首先，我得說(shuō)那兩幅圖像仍然魅力非凡。M16已經(jīng)成為一種形象，這毫無(wú)疑問(wèn)。人們稱其為創(chuàng)世之柱等等，那兩個(gè)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(shí)在令人驚嘆不已。當(dāng)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?yàn)樗瓷先ハ褚蛔?。這是另一個(gè)正在產(chǎn)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(fā)生。經(jīng)過(guò)維修的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡，相機(jī)的分辨率更高、成像質(zhì)量更好，所以提供了更多細(xì)節(jié)，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(jī)用紅外光拍攝的。宇宙塵埃是可見(jiàn)光穿不透的，但紅外光大都可以。用紅外線我們能夠穿過(guò)星云，看見(jiàn)馬頭星云內(nèi)部那些不可思議的細(xì)節(jié)，簡(jiǎn)直太奇妙了。

還有一幅我們稱之為宇宙玫瑰花，實(shí)際上是兩個(gè)互動(dòng)的星系，因?yàn)橐Φ淖饔?，兩個(gè)星系都有點(diǎn)被拉伸，形成了一個(gè)看上去有點(diǎn)像玫瑰花的結(jié)構(gòu)，因此得名。在這朵“玫瑰花”的莖部可以看到一簇簇藍(lán)色，那是恒星，這都是兩個(gè)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(jié)構(gòu)？

宇宙的結(jié)構(gòu)實(shí)際上是暗物質(zhì)形成的。早期宇宙的誕生首先是暗物質(zhì)的塌縮形成一些引力勢(shì)阱，然后普通物質(zhì)流入其中，最終宇宙就這樣開(kāi)始形成，出現(xiàn)了一團(tuán)團(tuán)的星系。

馬頭星云及其內(nèi)部細(xì)節(jié)

宇宙玫瑰花

我們現(xiàn)在能夠用計(jì)算機(jī)模擬暗物質(zhì)形成的結(jié)構(gòu)，但是在模擬的時(shí)候，我們發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)似乎有一個(gè)細(xì)紋網(wǎng)絡(luò)，有點(diǎn)像海綿，細(xì)絲之間是空間，普通物質(zhì)就集中在宇宙網(wǎng)的密集處。

那么，我們是如何發(fā)現(xiàn)有這樣的宇宙網(wǎng)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?yàn)樗l(fā)出的光不足以讓我們看到?？墒?，如果我們觀察更為遙遠(yuǎn)的類星體（它們是星系中很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)的黑洞，看上去只是一個(gè)個(gè)的光點(diǎn)），它們發(fā)出的光到達(dá)我們的望遠(yuǎn)鏡之前，中途會(huì)穿過(guò)很多那樣的細(xì)絲，在這個(gè)過(guò)程中，原子會(huì)設(shè)法吸收一些那個(gè)光源的光，然后我們就能在光譜中看到?！肮钡挠钪嫫鹪搭l譜儀便能捕捉到這些信息，讓我們得以繪制宇宙網(wǎng)的三維結(jié)構(gòu)。

地面望遠(yuǎn)鏡提供的信息與空間望遠(yuǎn)鏡提供的信息不同，這是為什么？

每臺(tái)望遠(yuǎn)鏡都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。地面上的望遠(yuǎn)鏡都很大，像凱克望遠(yuǎn)鏡、甚大望遠(yuǎn)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(cè)非常暗弱的天體，就得靠這個(gè)。不過(guò)，即使利用自適應(yīng)光學(xué)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(wú)法跟“哈勃”媲美，而且近期也沒(méi)有別的望遠(yuǎn)鏡能超越它。

所以，如果需要高像素，想看清細(xì)節(jié)，仍然得用“哈勃”拍攝的圖像。很快我們會(huì)有詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)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(huì)有更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。電位敏感掃描設(shè)計(jì)（LSSD）會(huì)發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，這一步邁得不小，可以用一個(gè)天文臺(tái)觀測(cè)到的數(shù)據(jù)補(bǔ)充另一個(gè)天文臺(tái)觀測(cè)到的數(shù)據(jù)，通過(guò)這些不同波長(zhǎng)、不同敏感度的數(shù)據(jù)，我們得到的畫(huà)面會(huì)更完美。

詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)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(gè)太空。暗能量可能是什么，我們倒是有些線索。我們認(rèn)為，它是一種與虛空相關(guān)的能量，在物理上呈真空狀態(tài)。物理上的真空并非什么也沒(méi)有，反而有非常活躍的內(nèi)容。事實(shí)上，它里面充滿了成對(duì)的虛粒子和反粒子，忽隱忽現(xiàn)，反復(fù)無(wú)常。所以，我們認(rèn)為就是那個(gè)真空里的那個(gè)能量在起作用。問(wèn)題是，當(dāng)我們計(jì)算真空中的能量應(yīng)該有多少時(shí)，得到的數(shù)字與實(shí)際看到的差很多數(shù)量級(jí)，因此我們還是無(wú)法確定暗能量到底是什么。目前最好的猜測(cè)是，它是虛空的能量，是它在推動(dòng)我們的宇宙加速膨脹。

暗能量會(huì)把我們的宇宙怎么樣？

因?yàn)槲覀兡壳斑€不能準(zhǔn)確地知道暗能量是什么，我的確不能回答這個(gè)問(wèn)題。然而，如果暗能量的確是與虛空關(guān)聯(lián)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(huì)保持同樣的加速方式，永遠(yuǎn)加速下去。大約再過(guò)一萬(wàn)億年，如果銀河系周圍還有天文學(xué)家的話，他們就無(wú)法在夜空中看到其他星系，不管他們使用的望遠(yuǎn)鏡功能有多么強(qiáng)大。他們會(huì)以為宇宙中只有一個(gè)星系。如果真是這樣，宇宙將來(lái)會(huì)走向極度冰冷的死亡。

現(xiàn)在我們還不能確定暗能量就是這個(gè)虛空的能量，所以事情實(shí)際上有可能會(huì)極其不同。另一種可能的情況是大坍縮，整個(gè)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(huì)把哪怕最小的結(jié)構(gòu)也撕裂，甚至原子和原子核也不放過(guò)，也就是說(shuō)，所有一切?？墒?，如我所說(shuō)，迄今的大多數(shù)觀察結(jié)果與持續(xù)加速膨脹一致，將來(lái)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(zhì)？

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(dòng)宇宙的加速;大約25%是我們稱之為暗物質(zhì)的東西，我們看不到，因?yàn)樗话l(fā)光，也不與電磁發(fā)生作用;只有不足5%是我們叫作重子物質(zhì)的東西。我們就是由這種重子物質(zhì)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(shuō)，暗物質(zhì)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(jié)構(gòu)（如星系、星系團(tuán)，等等）方面發(fā)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(guò)它的引力作用發(fā)現(xiàn)它。起初是觀察單個(gè)星系，我們發(fā)現(xiàn)了遠(yuǎn)離星系中心的天體，如果宇宙的所有質(zhì)量就是我們看到的星系的總質(zhì)量，那里就不會(huì)有圍繞星系中心旋轉(zhuǎn)的天體，因?yàn)闆](méi)有足夠的質(zhì)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(zhì)量。事情就是這樣的。

另一方面，暗物質(zhì)雖然發(fā)生相互作用，但非常微弱，不會(huì)產(chǎn)生熱的互動(dòng)，而是穿越。但是因?yàn)橐ν哥R的作用，我們也能發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的存在。這是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的一種效應(yīng)。

這些都是“哈勃”觀測(cè)的結(jié)果。我們可以通過(guò)“哈勃”找到暗物質(zhì)的分布，甚至能夠繪制一幅三維地圖，標(biāo)示出更大范圍的暗物質(zhì)布局。

“哈勃”發(fā)現(xiàn)了黑洞的什么？

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡最重要的發(fā)現(xiàn)之一，便是在幾乎每個(gè)星系的中心都有一個(gè)黑洞，一個(gè)超巨大的黑洞。順便說(shuō)一句，銀河系的中心也有一個(gè)黑洞，其質(zhì)量大約是太陽(yáng)質(zhì)量的400萬(wàn)倍?！肮边€發(fā)現(xiàn)星系中央的黑洞質(zhì)量與黑洞周圍的波速頻散有著非常緊密的關(guān)系，它也是對(duì)黑洞周圍星系的中心恒星膨脹質(zhì)量的測(cè)量。

這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)槟阋苍S認(rèn)為星系與其中央的黑洞相互不知道彼此，以為它們完全獨(dú)立發(fā)展。事實(shí)上，黑洞質(zhì)量與波速頻散的關(guān)系非常密切，這意味著星系和黑洞實(shí)際上共同演變。我們以為自己理解它如何作用，因?yàn)橹灰诙粗行膭?chuàng)造質(zhì)量，就會(huì)進(jìn)一步膨脹，黑洞也隨之增大。在一定的點(diǎn)上，你會(huì)開(kāi)始得到這樣的反饋，即輻射開(kāi)始推動(dòng)那里的氣體，這樣黑洞和膨脹就會(huì)停止增大，其質(zhì)量也繼續(xù)縛在一起。星系M87中有個(gè)黑洞，其中心質(zhì)量大約是太陽(yáng)質(zhì)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(yuǎn)鏡合成的圖像顯示了暗物質(zhì)呈現(xiàn)的一個(gè)幽靈般的“環(huán)”，“ 環(huán)” 中是星系CL0024+17 。這幅圖像中，未知物質(zhì)彌漫在宇宙中，是迄今有關(guān)暗物質(zhì)存在的最強(qiáng)證據(jù)。

“哈勃”能夠看見(jiàn)極深空，這些空域中有什么呢？

選擇天空的一個(gè)微小區(qū)域，對(duì)其進(jìn)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(jiàn)的每一個(gè)光點(diǎn)都是一個(gè)星系，一幅圖里往往有上萬(wàn)個(gè)這樣的光點(diǎn)。

“哈勃”現(xiàn)在看到的比以前深得多。因?yàn)橛钪嬖谂蛎?，所以光也在朝向光譜紅色的一邊移動(dòng)，即紅移。我們現(xiàn)在能夠看到的是宇宙誕生后不到5000萬(wàn)年時(shí)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(fā)現(xiàn)了什么呢？首先，我們看見(jiàn)星系演變和合并的整個(gè)歷史。就像現(xiàn)在的大公司一樣，一開(kāi)始是小型建筑群，然后合并變大，繼續(xù)兼并，越來(lái)越大，一直到形成我們現(xiàn)在看到的巨大星系。

這種能夠看到深空的能力在發(fā)現(xiàn)其他可居住行星方面意味著什么？

1992年以前，我們沒(méi)有在太陽(yáng)系外發(fā)現(xiàn)過(guò)哪怕一顆行星。1992年，我們首次發(fā)現(xiàn)圍繞另一個(gè)太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的幾顆行星，但是那個(gè)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(fā)現(xiàn)第一顆圍繞更像太陽(yáng)的恒星運(yùn)行的行星。自此之后，我們發(fā)現(xiàn)了許多行星，“開(kāi)普勒”發(fā)現(xiàn)的尤其多。

現(xiàn)在有幾千個(gè)候選行星和1000來(lái)個(gè)得到確認(rèn)的太陽(yáng)系外行星。不但如此，“開(kāi)普勒”的觀測(cè)顯示，從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，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(jì)算，只銀河系的宜居帶內(nèi)就有幾十億顆行星。

“哈勃”做了一件相當(dāng)獨(dú)特的事，即利用凌日現(xiàn)象確定其中一些行星的大氣成分。行星從其母恒星前面經(jīng)過(guò)時(shí)，恒星的光亮?xí)栽S變暗，有些光可以穿過(guò)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(jù)此知道這顆行星的大氣成分。

截至目前，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)了水、甲烷、鈉等?，F(xiàn)在可以說(shuō)，在未來(lái)的數(shù)年里我們會(huì)做得更好，因?yàn)?017年可能要發(fā)射衛(wèi)星TESS，它將在宜居帶發(fā)現(xiàn)幾個(gè)這樣的行星。然后到2018年，詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡將發(fā)射升空，屆時(shí)就能描繪TESS找到的那些行星的大氣。一般而言，如果生命無(wú)處不在，那么我們也許能夠在那些大氣里識(shí)別出一些生命信號(hào)，比如說(shuō)氧、臭氧、熱化學(xué)平衡失衡的大氣等。

2014年，天文學(xué)家使用NuSTAR發(fā)現(xiàn)了一顆有史以來(lái)最明亮的脈沖星，它的輸出能量相當(dāng)于1000萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)。也就是說(shuō)，它擁有匹敵黑洞的能量，但質(zhì)量要少得多。

即便我們發(fā)現(xiàn)一些生命信號(hào)，如水、氧、臭氧等，千萬(wàn)記住還不能說(shuō)“噢，我們發(fā)現(xiàn)了生命！這就是生命”，因?yàn)槠渌恍┻^(guò)程通常也會(huì)發(fā)生這樣的現(xiàn)象。一種生命信號(hào)不足以說(shuō)明人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了某種生命形式?？墒侨绻覀儼l(fā)現(xiàn)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(fā)揮的作用，一般也能看到“紅邊”現(xiàn)象。如果我們能夠發(fā)現(xiàn)所有這些，也許就能確認(rèn)那里存在某種生命形式。

“哈勃”完全退役會(huì)對(duì)您有怎樣的影響？

“哈勃”當(dāng)然是我科學(xué)生涯的一大部分，這一點(diǎn)毫無(wú)疑問(wèn)。每次維修任務(wù)對(duì)我來(lái)說(shuō)都有很大的壓力，我的心一直懸著。我曾說(shuō)這就有點(diǎn)像你的孩子要出生時(shí)的心情。我知道這有點(diǎn)夸張，但不為過(guò)。

我一直明白，“哈勃”總有一天要完成它的使命。事實(shí)上，沒(méi)人指望“哈勃”能工作25年或更長(zhǎng)時(shí)間。現(xiàn)在，我們已經(jīng)慶祝了哈勃25周年，可它還沒(méi)有玩完，還在執(zhí)行不可思議的科學(xué)使命。我們當(dāng)然希望它能夠繼續(xù)工作，至少堅(jiān)持到2020年左右，給詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡一兩年的過(guò)渡時(shí)間，讓它能夠接上茬?，F(xiàn)在已經(jīng)有了接替它的技術(shù)，這很令人欣慰。

科學(xué)在繼續(xù)，我們不能把自己綁在某一個(gè)具體的實(shí)驗(yàn)上，或者這個(gè)實(shí)驗(yàn)要被更大更好的實(shí)驗(yàn)替代時(shí)，我們不能對(duì)原來(lái)那個(gè)念念不忘。所以，向詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的過(guò)渡是漸進(jìn)的、自然的，而且我現(xiàn)在巴不得它馬上就發(fā)射升空呢。