以色列天体物理学家马里奥·利维奥谈哈勃空间望远镜25年史

在人生的很多时候，我们会遭遇到瓶颈，由于无路可走，便把视线转向天空。也有一些人先我们一步，一生都在凝视着天空。

以色列天体物理学家马里奥・利维奥就是这样一个人。他是空间望远镜科学研究所的资深理论天体物理学家，超新星及其成像专家。他的研究帮助天文学界确定了宇宙膨胀的速度，理解了暗物质和黑洞。

1990年，哈勃空间望远镜搭乘火箭发射升空时，我就在美国航空航天局的肯尼迪航天中心。“哈勃”让我们看到了自己的过去，说明了我们的来源。在庆祝哈勃空间望远镜25周年之际，我与利维奥在研究所谈起了“哈勃”的辉煌成就及其对科学、艺术和社会的影响。利维奥带着我畅游遥远的超新星、暗能量、暗物质、哈勃常数以及星系演变，展示他将复杂科学简单化这一拿手好戏。

人类面对的最具革命性的问题是什么？他认为是：宇宙中是否只有地球人。

哈勃空间望远镜怎样改变了我们认识宇宙的方式？

19世纪20年代，我们认识到宇宙在膨胀。但是我们想，这种膨胀可能正在减速，因为宇宙里的所有物质都有引力。1998年我们发现，宇宙膨胀不但没有减速，反而在加速，“哈勃”在发现中起到了非常关键的作用。宇宙膨胀的加速是与引力相对的斥力所致，这种斥力我们就称其为暗能量。

那么，这是怎么发现的？从根本上讲，我们看到的是极其遥远的恒星爆炸，即超新星Ia型爆发。在“哈勃”拍摄的图片上，你可以看到一个光点，那就是超新星，或者是一个星系。它们的距离非常遥远，可以在七八十亿光年以外。这意味着什么呢？这就是说这个光点在80亿年以前离开那些超新星，所以这张图片显示的是宇宙80亿年以前的情况。因此，我们可以拿当时的膨胀与现在的膨胀相比，发现宇宙的膨胀在加快。

“哈勃”所做的另一件重要事情是提高哈勃常数的精度。哈勃常数实际上是宇宙目前测定的膨胀速度，有了这个重要参数，就能确定宇宙的年龄：宇宙年龄大约是1除以哈勃常数的值。

发射哈勃空间望远镜之前，有两个天文学家小组一直在围绕哈勃常数值进行争吵。他们的看法不同，一个比另一个整整大2倍，这当然不可能。现在，我们利用“哈勃”能够精确地测量脉冲星的周期，所以可以知道该恒星的实际亮度是多少，然后将该恒星的实际亮度和我们看到的亮度进行比较，就能知道这颗恒星距离我们有多远。目前，哈勃常数值的误差在3%之内。请记住，原来的误差是2倍，而现在是3%。我们现在得到的值非常非常精确，据此我们知道宇宙的年龄基本上就是138亿年。 这是“哈勃”发现的有史以来最远的超新星，编号是UDS10Wil。

?这颗超新星被称为Ia型超新星，比之前最远的超新星还远4%。

哈勃空间望远镜拍摄的M16和深空照片尤其著名，还有没有其他图像具有如此魅力呢？

首先，我得说那两幅图像仍然魅力非凡。M16已经成为一种形象，这毫无疑问。人们称其为创世之柱等等，那两个诞生着新恒星的气尘巨柱真是不可思议。在它之后拍摄到的哈勃深空、哈勃超深空、哈勃极深空等，也一直非常鼓舞人心，实在令人惊叹不已。当然，自此之后，还有更多更奇妙的图像。 M16

有一张图像被称为神秘山，就是因为它看上去像一座山。这是另一个正在产生新恒星的气尘巨柱。这里面不但诞生着新的恒星，而且正在诞生恒星的周围圆盘上还有喷射发生。经过维修的哈勃空间望远镜，相机的分辨率更高、成像质量更好，所以提供了更多细节，这是以前办不到的。神秘山真是一幅令人惊讶的图像。

其他不可思议的图像还有马头星云，是“哈勃”的第三代广域照相机用红外光拍摄的。宇宙尘埃是可见光穿不透的，但红外光大都可以。用红外线我们能够穿过星云，看见马头星云内部那些不可思议的细节，简直太奇妙了。

还有一幅我们称之为宇宙玫瑰花，实际上是两个互动的星系，因为引力的作用，两个星系都有点被拉伸，形成了一个看上去有点像玫瑰花的结构，因此得名。在这朵“玫瑰花”的茎部可以看到一簇簇蓝色，那是恒星，这都是两个星系交互作用所致。这样的图像有几千幅，都令人叹为观止。

“哈勃”的宇宙起源频谱仪怎样显示宇宙的结构？

宇宙的结构实际上是暗物质形成的。早期宇宙的诞生首先是暗物质的塌缩形成一些引力势阱，然后普通物质流入其中，最终宇宙就这样开始形成，出现了一团团的星系。 马头星云及其内部细节 宇宙玫瑰花

我们现在能够用计算机模拟暗物质形成的结构，但是在模拟的时候，我们发现暗物质似乎有一个细纹网络，有点像海绵，细丝之间是空间，普通物质就集中在宇宙网的密集处。

那么，我们是如何发现有这样的宇宙网存在的呢？是星际气尘最终形成了这类东西。我们看不到，是因为它发出的光不足以让我们看到。可是，如果我们观察更为遥远的类星体（它们是星系中很远很远的黑洞，看上去只是一个个的光点），它们发出的光到达我们的望远镜之前，中途会穿过很多那样的细丝，在这个过程中，原子会设法吸收一些那个光源的光，然后我们就能在光谱中看到。“哈勃”的宇宙起源频谱仪便能捕捉到这些信息，让我们得以绘制宇宙网的三维结构。

地面望远镜提供的信息与空间望远镜提供的信息不同，这是为什么？

每台望远镜都有其优点和缺点。地面上的望远镜都很大，像凯克望远镜、甚大望远镜等，有较大的采光面，因此能够追踪非常暗弱的天体。如果需要观测非常暗弱的天体，就得靠这个。不过，即使利用自适应光学想办法去除部分红外图像中地球大气的影响，在像素方面也无法跟“哈勃”媲美，而且近期也没有别的望远镜能超越它。

所以，如果需要高像素，想看清细节，仍然得用“哈勃”拍摄的图像。很快我们会有詹姆斯・韦伯空间望远镜，镜片更大（哈勃只有2.4米，而詹姆斯・韦伯有6.5米），而且基本上全部使用红外光，因此会有更强的优势。电位敏感扫描设计（LSSD）会发挥其优点，这一步迈得不小，可以用一个天文台观测到的数据补充另一个天文台观测到的数据，通过这些不同波长、不同敏感度的数据，我们得到的画面会更完美。 詹姆斯・韦伯空间望远镜的镜片

暗能量是什么？

我们不晓得暗能量是什么，只知道它在干什么：它在加速宇宙的膨胀。我们还知道这是一种非常流畅的能量，充满整个太空。暗能量可能是什么，我们倒是有些线索。我们认为，它是一种与虚空相关的能量，在物理上呈真空状态。物理上的真空并非什么也没有，反而有非常活跃的内容。事实上，它里面充满了成对的虚粒子和反粒子，忽隐忽现，反复无常。所以，我们认为就是那个真空里的那个能量在起作用。问题是，当我们计算真空中的能量应该有多少时，得到的数字与实际看到的差很多数量级，因此我们还是无法确定暗能量到底是什么。目前最好的猜测是，它是虚空的能量，是它在推动我们的宇宙加速膨胀。

暗能量会把我们的宇宙怎么样？

因为我们目前还不能准确地知道暗能量是什么，我的确不能回答这个问题。然而，如果暗能量的确是与虚空关联的能量，我们就知道它的密度是恒定不变的。如果是这样的话，那就意味着宇宙的膨胀会保持同样的加速方式，永远加速下去。大约再过一万亿年，如果银河系周围还有天文学家的话，他们就无法在夜空中看到其他星系，不管他们使用的望远镜功能有多么强大。他们会以为宇宙中只有一个星系。如果真是这样，宇宙将来会走向极度冰冷的死亡。

现在我们还不能确定暗能量就是这个虚空的能量，所以事情实际上有可能会极其不同。另一种可能的情况是大坍缩，整个膨胀还原然后再次塌缩;或者是大撕裂，即膨胀的力量最终会把哪怕最小的结构也撕裂，甚至原子和原子核也不放过，也就是说，所有一切。可是，如我所说，迄今的大多数观察结果与持续加速膨胀一致，将来你看不到其他任何星系的可能性更大，就是这样。

什么是暗物质？

我们的宇宙非常奇怪，大约70%是我们称之为暗能量的这种能量，就是它在推动宇宙的加速;大约25%是我们称之为暗物质的东西，我们看不到，因为它不发光，也不与电磁发生作用;只有不足5%是我们叫作重子物质的东西。我们就是由这种重子物质组成的，恒星也是，星系也是，可是它只占宇宙能量的5%。

所以说，暗物质非常重要，它大约是宇宙能量密度的25%，而且在建筑我们看到的所有宇宙结构（如星系、星系团，等等）方面发挥作用。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？我们通过它的引力作用发现它。起初是观察单个星系，我们发现了远离星系中心的天体，如果宇宙的所有质量就是我们看到的星系的总质量，那里就不会有围绕星系中心旋转的天体，因为没有足够的质量将其留住。所以我们推断，那里可能有我们看不到的各种质量。事情就是这样的。

另一方面，暗物质虽然发生相互作用，但非常微弱，不会产生热的互动，而是穿越。但是因为引力透镜的作用，我们也能发现暗物质的存在。这是爱因斯坦广义相对论的一种效应。

这些都是“哈勃”观测的结果。我们可以通过“哈勃”找到暗物质的分布，甚至能够绘制一幅三维地图，标示出更大范围的暗物质布局。

“哈勃”发现了黑洞的什么？

哈勃空间望远镜最重要的发现之一，便是在几乎每个星系的中心都有一个黑洞，一个超巨大的黑洞。顺便说一句，银河系的中心也有一个黑洞，其质量大约是太阳质量的400万倍。“哈勃”还发现星系中央的黑洞质量与黑洞周围的波速频散有着非常紧密的关系，它也是对黑洞周围星系的中心恒星膨胀质量的测量。

这一点非常重要，因为你也许认为星系与其中央的黑洞相互不知道彼此，以为它们完全独立发展。事实上，黑洞质量与波速频散的关系非常密切，这意味着星系和黑洞实际上共同演变。我们以为自己理解它如何作用，因为只要黑洞中心创造质量，就会进一步膨胀，黑洞也随之增大。在一定的点上，你会开始得到这样的反馈，即辐射开始推动那里的气体，这样黑洞和膨胀就会停止增大，其质量也继续缚在一起。星系M87中有个黑洞，其中心质量大约是太阳质量的30亿倍，从“哈勃”拍摄的图像中我们还能看到奇特的喷射景观。 这幅由哈勃空间望远镜合成的图像显示了暗物质呈现的

一个幽灵般的“环”，“ 环” 中是星系CL0024+17 。

这幅图像中，未知物质弥漫在宇宙中，是迄今

有关暗物质存在的最强证据。

“哈勃”能够看见极深空，这些空域中有什么呢？

选择天空的一个微小区域，对其进行极深度的观察，这就是哈勃超深空。令人惊异的是，这些图像里你能看见的每一个光点都是一个星系，一幅图里往往有上万个这样的光点。

“哈勃”现在看到的比以前深得多。因为宇宙在膨胀，所以光也在朝向光谱红色的一边移动，即红移。我们现在能够看到的是宇宙诞生后不到5000万年时的情况，而它的年龄是138亿岁，所以我们看到的是宇宙的婴儿期。

那么，我们从中发现了什么呢？首先，我们看见星系演变和合并的整个历史。就像现在的大公司一样，一开始是小型建筑群，然后合并变大，继续兼并，越来越大，一直到形成我们现在看到的巨大星系。

这种能够看到深空的能力在发现其他可居住行星方面意味着什么？

1992年以前，我们没有在太阳系外发现过哪怕一颗行星。1992年，我们首次发现围绕另一个太阳旋转的几颗行星，但是那个恒星很奇怪，是一颗脉冲星，是非常致密的天体，不是生命能够在其中演变的那种东西。一直到1995年我们才发现第一颗围绕更像太阳的恒星运行的行星。自此之后，我们发现了许多行星，“开普勒”发现的尤其多。

现在有几千个候选行星和1000来个得到确认的太阳系外行星。不但如此，“开普勒”的观测显示，从统计学的角度来说，大约20%的恒星周围的宜居带都有一颗地球大小的行星。按照这种情况计算，只银河系的宜居带内就有几十亿颗行星。

“哈勃”做了一件相当独特的事，即利用凌日现象确定其中一些行星的大气成分。行星从其母恒星前面经过时，恒星的光亮会稍许变暗，有些光可以穿过行星大气照射到我们这里。然后，我们就可以看到行星大气从恒星光里吸收了什么，据此知道这颗行星的大气成分。

截至目前，我们已经发现了许多这类巨大行星的大气成分，如在木星的大气层中，我们发现了水、甲烷、钠等。现在可以说，在未来的数年里我们会做得更好，因为2017年可能要发射卫星TESS，它将在宜居带发现几个这样的行星。然后到2018年，詹姆斯・韦伯空间望远镜将发射升空，届时就能描绘TESS找到的那些行星的大气。一般而言，如果生命无处不在，那么我们也许能够在那些大气里识别出一些生命信号，比如说氧、臭氧、热化学平衡失衡的大气等。 2014年，天文学家使用NuSTAR发现了一颗有史以来最明亮的脉冲星，

它的输出能量相当于1000万个太阳。也就是说，它拥有匹敌黑洞的能量，但质量要少得多。

即便我们发现一些生命信号，如水、氧、臭氧等，千万记住还不能说“噢，我们发现了生命！这就是生命”，因为其他一些过程通常也会发生这样的现象。一种生命信号不足以说明人们已经发现了某种生命形式。可是如果我们发现了一大群元素，也找到了一颗地球大小的行星，而且位于宜居带，有水、氧和臭氧，按理我们甚至能够尝试确定叶绿素发挥的作用，一般也能看到“红边”现象。如果我们能够发现所有这些，也许就能确认那里存在某种生命形式。

“哈勃”完全退役会对您有怎样的影响？

“哈勃”当然是我科学生涯的一大部分，这一点毫无疑问。每次维修任务对我来说都有很大的压力，我的心一直悬着。我曾说这就有点像你的孩子要出生时的心情。我知道这有点夸张，但不为过。

我一直明白，“哈勃”总有一天要完成它的使命。事实上，没人指望“哈勃”能工作25年或更长时间。现在，我们已经庆祝了哈勃25周年，可它还没有玩完，还在执行不可思议的科学使命。我们当然希望它能够继续工作，至少坚持到2020年左右，给詹姆斯・韦伯空间望远镜一两年的过渡时间，让它能够接上茬。现在已经有了接替它的技术，这很令人欣慰。

科学在继续，我们不能把自己绑在某一个具体的实验上，或者这个实验要被更大更好的实验替代时，我们不能对原来那个念念不忘。所以，向詹姆斯・韦伯空间望远镜的过渡是渐进的、自然的，而且我现在巴不得它马上就发射升空呢。