科學(xué)觀測(cè)：實(shí)時(shí)觀測(cè)宇宙的擴(kuò)張


平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡的第一個(gè)雛形接收盤 圖源：Mu Yo Alamy
在《等待戈多》中，塞繆爾·貝克特（Samuel Beckett）寫道：“問(wèn)題恰恰就出在我們到底要在這里做什么？幸運(yùn)的是我們碰巧知道答案。是的，在這巨大的混亂中，只有一件事是清楚的，那就是我們?cè)诘却甓嗟牡絹?lái)?！?br> 貝克特所說(shuō)“戈多”的含義帶有爭(zhēng)議。在我作為一名天文學(xué)家的職業(yè)生涯中，我曾經(jīng)等待過(guò)許多“戈多”，包括對(duì)我的理論預(yù)測(cè)的觀測(cè)測(cè)試，其中最難以捉摸的就是實(shí)時(shí)觀察宇宙的演化。
我們經(jīng)常認(rèn)為30年前COBE衛(wèi)星第一次觀測(cè)到的來(lái)自早期宇宙的殘余輻射，即宇宙微波背景，和最近普朗克衛(wèi)星觀察到的，幾乎是一樣的。只要我們的測(cè)量精度不足到以注意到差異，這就是一個(gè)有效的簡(jiǎn)化。但事實(shí)是宇宙一直在變化，所以微波背景的原始來(lái)源，即宇宙光球的性質(zhì)也在不斷變化。這樣的宇宙變化非常緩慢，以至于要在一個(gè)比人類生命長(zhǎng)一億倍的時(shí)間尺度上才能觀察到。我們能注意到幾十年來(lái)所監(jiān)視的天空的微小變化嗎？
宇宙就像一個(gè)以我們?yōu)橹行牡那蛐慰脊虐l(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)。我們對(duì)太空的觀察越深入，我們發(fā)現(xiàn)的圖層就越古老。由于光速有限，我們看到遙遠(yuǎn)光源曾經(jīng)的圖像，這些圖像顯示出它們旅行前的樣子。如果我們現(xiàn)在加快時(shí)間的流逝，我們會(huì)看到這些光源（時(shí)間上）更近一點(diǎn)的樣子。但是另外，當(dāng)光向我們傳播時(shí)，它的波長(zhǎng)會(huì)被宇宙的膨脹所拉長(zhǎng)?？梢?jiàn)光轉(zhuǎn)移到紅色，經(jīng)歷所謂的紅移。正如哈勃在大約一個(gè)世紀(jì)前意識(shí)到的那樣，更遠(yuǎn)的天體衰退的速度更快，因此紅移提供了遠(yuǎn)離我們的宇宙源退行速度的一種度量。
我們通常認(rèn)為遙遠(yuǎn)的星系和其他天體的紅移是宇宙在特定時(shí)間膨脹的快照。但事實(shí)上，它們像慢動(dòng)作電影中一幀幀畫(huà)面，理論上我們可以通過(guò)等待足夠長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)觀看這部電影。我們真的能實(shí)時(shí)檢測(cè)到特定源頭的宇宙退行速度的變化嗎？Allan Sandage在1962年推斷，在天文學(xué)家?guī)资甑穆殬I(yè)生涯中，測(cè)量遙遠(yuǎn)星系的這種變化是很有挑戰(zhàn)性的。


圖源：pixabay
1998年，我寫了一篇論文，提出了一種測(cè)量天體在宇宙學(xué)距離上膨脹速率變化的新方法。我們觀測(cè)遙遠(yuǎn)的類星體的視線穿過(guò)了巨量的氫云。每一片氫云都在我們觀察到的類星體光譜上留下了吸收特征。比起沿著每條視線的星系數(shù)目，在這些吸收特征中有更多的紅移。這為測(cè)量每個(gè)宇宙時(shí)代的微小紅移漂移提供了一個(gè)更好的統(tǒng)計(jì)樣本。
通過(guò)觀測(cè)數(shù)十年具有不同吸收特征的紅移的輕微漂移，人們有可能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)宇宙膨脹速率的變化。通過(guò)宿主恒星的微小反射運(yùn)動(dòng)來(lái)探測(cè)行星時(shí)，速度變化量略低于我們的最佳靈敏度。在幾十年的觀測(cè)中，吸收系統(tǒng)退行速度的下降意味著宇宙減速，而退行速度的增加則意味著宇宙加速。在宇宙歷史的早期，由于輻射和物質(zhì)的引力作用，宇宙膨脹速度減慢。但在后期，輻射和物質(zhì)被稀釋，以至于真空中的“暗能量”占據(jù)主導(dǎo)地位，真空的排斥力加速了宇宙膨脹。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)宇宙膨脹，我們可以觀察到高紅移時(shí)的早期減速和低紅移時(shí)的后期加速。這兩個(gè)階段之間的轉(zhuǎn)換將根據(jù)暗物質(zhì)（早期占主導(dǎo)地位）和暗能量（后期主導(dǎo)）的相對(duì)比例確定宇宙質(zhì)量?？傊?，與前面提到的Sandage-Loeb效應(yīng)相關(guān)的紅移漂移可以讓我們直接看到宇宙是如何膨脹的，就像我們?cè)陔娪霸豪镉^看一樣。在下一代超大型地面望遠(yuǎn)鏡上裝載的高分辨率光譜儀的幫助下，這一設(shè)想有可能成為現(xiàn)實(shí)。
氫原子在類星體觀測(cè)路徑上留下的吸收特征基于兩個(gè)事實(shí)：氫是宇宙中最豐富的元素，它可以通過(guò)吸收波長(zhǎng)為毫米的紫外線光子，在所謂的萊曼-α（Lyman-alpha）躍遷之后，從基態(tài)激發(fā)到第一能級(jí)。來(lái)自遙遠(yuǎn)氫云的吸收特征出現(xiàn)在一個(gè)波長(zhǎng)上，從吸收時(shí)間開(kāi)始，宇宙膨脹就延伸了這個(gè)波長(zhǎng)。因此，沿著視線的多層云產(chǎn)生了不同波長(zhǎng)的吸收特征群，這看起來(lái)就像類星體光譜中一個(gè)風(fēng)化的柵欄，一直到源紅移處的Lyman-alpha波長(zhǎng)。從氫的基態(tài)到更高的標(biāo)記為L(zhǎng)yman-beta, gamma, delta 等能級(jí)的躍遷則不那么明顯。


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巧合的是，上述幾個(gè)關(guān)于氫的事實(shí)是在哈佛大學(xué)發(fā)現(xiàn)的。Lymen系列是以Theodore Lyman IV的名字命名的，他在一個(gè)世紀(jì)前領(lǐng)導(dǎo)杰斐遜物理實(shí)驗(yàn)室，并在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了這些氫躍遷。隨后，Cecilia Payne-Gaposchkin在其博士論文的研究中發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)主要是由氫構(gòu)成的。她曾擔(dān)任哈佛天文學(xué)系主任。后來(lái)，哈佛大學(xué)物理學(xué)教授、諾貝爾獎(jiǎng)得主Edward Purcell通過(guò)探測(cè)銀河系的21厘米躍遷，發(fā)現(xiàn)了貫穿銀河系的大量氫氣。這一概念被George Field擴(kuò)展到星系際介質(zhì)，他是哈佛大學(xué)天體物理中心的第一任主任。
我們很幸運(yùn)地站在了這些先鋒性研究的肩膀上，萊曼α森林可以告訴我們宇宙的實(shí)時(shí)演化?？赡茉谑昊蚨旰?，我們就可以用上現(xiàn)在已經(jīng)在建設(shè)中的望遠(yuǎn)鏡，如平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡和歐洲極大望遠(yuǎn)鏡，來(lái)探測(cè)紅移偏移。這體現(xiàn)了生活中最基本的道理：我們周圍的一切都在變化，包括整個(gè)宇宙，我們應(yīng)該無(wú)休止地適應(yīng)新的環(huán)境，包括加速擴(kuò)張帶來(lái)的宇宙孤獨(dú)感。宇宙尺度上的永久變化是天文學(xué)家有充分理由等待的最緩慢的“戈多”。
撰文：Avi Loeb，于2011至2020年任哈佛大學(xué)天文學(xué)系主任，哈佛黑洞計(jì)劃創(chuàng)始主任，哈佛-史密森天體物理中心理論與計(jì)算研究所所長(zhǎng)。
翻譯：陳思航
審校：曾小歡
引進(jìn)來(lái)源：科學(xué)美國(guó)人


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