看不见的宇宙

我们看到的宇宙不过是其真身的1%，马修·博思韦尔博士将带我们探索剩余的99%！暗物质、暗能量、黑洞……这些看不见的物质到底有哪些存在的证据，科学家又是如何感知到他们的存在？

本书介绍了天文学的最新发现，生动有趣，通俗易懂，学术性与科普性兼备，可供天文学研究者、爱好者阅读，亦可作为天文学入门读物，值得一读！

 

自从人类诞生以来，我们一直怀着敬畏之心凝视着夜空，观赏它、研究它、探索它。但是，当我们用眼睛去看那美妙无比的星空时，我们见到的不过是宇宙的沧海一粟。事实是——宇宙的99%都是我们看不见的！从黑洞到超新星，在人眼不可见之处，宇宙还为我们隐藏了哪些奥秘和惊喜？看不见的宇宙与我们自以为熟悉的家园有何联系？马修·博思韦尔博士将带我们踏上一段穿越全光谱的旅程，探索我们可见的1%宇宙之外的无尽奥秘，而那些我们看不见的部分，可能更重要。

作者

马修·博思韦尔（Matthew Bothwell），剑桥大学公共天文学博士，天文科普作家，长期从事天文学各分支领域的授课和讲座，目前在剑桥大学天文学院负责天文交流项目。不做外展时，他从事天文观测工作，使用一系列世界最先进的观测设备研究星系在宇宙历史中的演化。

主审

苏晨，北京天文馆《天文爱好者》杂志编委，西华师范大学物理与天文学院天文系客座教授，资深天文摄影师。长期从事天文观测及天文科普工作，担任多届全国天文爱好者星空大会总策划，曾于“中国天文日”在国家图书馆举办天文摄影专场展，多次组织公益类社会活动。

译者

刘斌，北京外国语大学高级翻译学院同声传译硕士、美国宾夕凡尼亚州立大学植物学硕士。现任华北电力大学翻译教研室副主任。翻译科普作品多部，如《故事魔力》和“核心概念：生物”系列。

第一章 光是什么？

光的工作原理

光速

光色

不可见光

光谱的量级

光究竟是什么？

不可不知的大数字问题

第二章 隐匿的红外线宇宙

大气窗口

看不见的微光

星际之云

恒星诞生

创造之界

何时此星非彼星？

恒星之存与逝

烟尘斗乱的宇宙

第三章 微波和宇宙起源

大辩论

宇宙膨胀

起点？

微波和宇宙起源

大爆炸理论面临压力

星系之种

精确时代

第四章 隐藏星系：黑暗中的怪物

最小的星系

仙女座星系

红色星系和死亡星系

新发明

黑暗中的怪物

遥远的星系

恒星工厂

黑暗中的影子

屠杀“怪物”

寻找答案

第五章 黑洞：毁灭与创造的原动力

暗星和时空针点

不可能的星体

初瞥

源于引力的能量

超大质量黑洞

凝视深渊：拍摄黑洞

黑洞的未来

第六章 最长波长下的天文学

寻日

央斯基发现了什么

世界上唯一的射电天文学家

宇宙钟

宇宙的本质

神秘的“快速无线电暴”

世界上最大的射电望远镜

第七章 暗物质：宇宙幽灵

宇宙天平

第一条线索

打破银河“限速”

越来越多的暗物质证据

暗物质真的存在吗？

暗物质是什么？

“影子”宇宙

捕捉黑暗幽灵

第八章 时空的涟漪

空波时动

怀疑论者爱因斯坦

空欢喜一场

引力的痕迹

引力波的探测

引力之眼观看宇宙

下一步与警告

第九章 暗物质及宇宙的未来

宇宙加速膨胀

爱因斯坦最大的错误？

暗能量是什么？

宇宙级巧合

结语 宏观全貌：可见与不可见

致谢

拓展阅读

前言

我相信，你一定曾在夜晚漫步于澄澈的星空之下。如果你也和我一样，此时一定会有股原始的冲动袭来，使你不禁抬头惊叹。凝望一片星海银河，再理性的人也会满怀敬畏，深陷其中。自人类诞生以来，世界各地的人们就开始仰望星空——这并不是巧合。

最古老的科学——天文学，就诞生于这样的敬畏之中。随着人类历史的进步，我们开始用眼睛、大脑以及各种工具来理解宇宙的星罗棋布及其运转机制。望远镜问世后，我们能看得更远，发现宇宙间隐藏的珠宝盒，其中满是古人无法想象的神秘星团、星云和各种天马行空般的模式。

不过，究竟有多少宇宙是我们肉眼可见的呢？人是视觉动物，认为世界是由“能见”所组成的。比如我现在看到桌子上的香蕉，大脑会把视觉信号加工成实际的认知，进而告诉我“看起来那里有个切实存在的香蕉”。当然，我们知道世界上许多东西是看不见的，比如暖气片上冒出的热气或笔记本连接的网络信号。然而我们会不可避免地认为，真实世界的大部分事物是“能见”的，而剩下看不见的事物则只是现实“能见”世界微不足道的补充。

不过，这种观点是完全错误的。

事实上，在我们周围，我们所熟知且能看到的光只占了十分微小的一部分，而宇宙的大部分事物完全无法被我们用肉眼观察到。

在可见光的光谱中，位于两端的红光和紫光波长相差仅不到1倍。更确切地说，紫光的波长——人类可见的最短波长约为380纳米（1纳米等于1米的十亿分之一），而红光的波长——人类可见的最长波长——约为740纳米，波长再长的话就变成了不可见的红外线。这相差近1倍的区间，可以被理解为我们用于观看世界的“窗户”。

无独有偶，当我们谈到声音的时候，也会提到相差近1倍的频率。相差一个八度（就像钢琴上的中央C键和高八度的C键）的两个音符频率也正好是近1倍。所以可以做个类比，把我们肉眼所见的光波理解为“可视版音阶”。你可以坐在钢琴前（如果你旁边没有钢琴，你可以想象一架出来），看看刚才那个八度之间的琴键，那就是人类在视觉上能看到的范围。把红光想成中央C，那它左边的B音就是不可见的红外线。高八度的C音就是我们能看到的紫光（更高的C#音就刚好属于紫外线的范围）。

那完整的光谱又是什么样的？和整架钢琴一样宽吗？不不不，实际上，它远比钢琴要宽得多。可见光是电磁波的一小部分，电磁波无所不在，其完整光谱包含65个八度，相当于9架大钢琴排成一条线！相比之下，我们看到的一个八度微不足道。如果这9架钢琴同时奏响，而你只能听到其中一架钢琴的其中一个八度，那么你错过了多少旋律？答案不言自明——几乎全部。

宇宙亦然。与更广袤的看不见的宇宙相比，人类肉眼所见的美景与奇观黯然失色。真实的宇宙包含着无尽的奥秘，今天我们仍然无法完全理解。

本书是有关我们看不到的99%的宇宙的指南，展现的是一个存在于我们眼前、却被悄然隐藏的世界。本书也记载了学术界几千年来的探索，并为这一部宏伟的“侦探小说”画上句号。下面让我们开启探索之旅，一起穿越那“看不见的宇宙”。

 

宇宙的本质

（出自第六章“最长波长下的天文学”）

氢是宇宙中最简单也最丰富的物质。事实上，氢是最简单的常规物质：一个电子绕着一个质子，仅此而已。这种最简单的物质占宇宙中所有常规物质的大约75%【我这里使用的“常规物质”是指“重子”（Baryon），它由质子和中子组成，而不包括暗物质，因为暗物质远超过其他所有物质之和】。相比之下，碳、铁、氧等组成我们身体的重元素都只占个零头。一眼望去，宇宙是由氢气组成的。因此，了解氢的属性对天文学具有重大意义。氢是大爆炸的遗物：自宇宙诞生以来一直保持原有的模样。氢也是恒星诞生的原材料。在许多星系中，氢多于恒星。对于天文学家来说，“多于”在这种语境下指质量更多。如果我们把星系中所有恒星放在宇宙天平的一边，把所有氢气放在天平的另一边，那么恒星一般会翘起来。氢看似稀疏轻薄，飘浮在深空中，组成飘忽不定的星云，但其实重于恒星。

此外，从光学角度来说，氢是完全看不见的。当然，你可以通过局部加热氢气，使其发亮：这就是星云，用双筒望远镜或者小型望远镜观察时它都十分漂亮。但这也仅占宇宙气体的一小部分，可以忽略不计：绝大多数氢是肉眼看不到的，在可见光波下全无踪影。幸运的是，对于天文学家来说，大自然一直都很仁慈：物理学定律使宇宙中最常见的氢在无线电波中闪闪发光。

以下是氢在无线电波中闪闪发光的原理：每个真空飘浮的氢原子都由一个质子和一个电子组成。可以想象一个微型的太阳系，其中小“地球”（电子）围绕着“太阳”（质子）运行（正确地说，量子力学告诉我们现实可能比这个简单模型更抽象、更模糊、更怪异，但为了便于理解，简单模型就够了）。质子和电子都会自动旋转，而自动旋转是“发亮”的重点。氢原子有两种可能的旋转方式：一种是质子和电子自旋同向，另一种则是反方向，物理学家分别称为“平行”和“反平行”。在这两种排列中，第一种——也就是平行——能量多一点。但如果耐心观察高能平行氢原子，不一会儿就会发生奇怪的现象：氢原子将自发地反转到反平行排列的方式。这种反转不需要外力，只要有足够长的时间，就会随机发生（尽管你必须等相当长的时间：一颗原子平均要等1000万年才翻转）。由于反平行模式比最初能量小，剩余的些许能量就会以无线电波的形式发射出来。利用氢原子的知识，我们能以惊人的精度计算出这种无线电波的波长为21厘米。

当我们用21厘米这段神奇波长仰望星空时，就能突然看到宇宙中最为重要的物质，绘制出银河系真正的外貌，观察切实的螺旋，这些都是不可能用普通望远镜看到的景观。银河系的螺旋臂是丰富的氢库（因此恒星大量集中在螺旋臂中）。在此氢库中，每颗氢原子，平均每1000万年就会翻转一次，发出无线电波。这听起来并不多，但要知道氢气的总量比太阳大数十亿倍，即使分布在数千光年，也能使我们银河系螺旋臂变成明亮的无线电信号灯塔。当然，其他星系也是如此，用21厘米波长无线电波“眼”观察邻近的螺旋状星系，就会看到非凡的景象。

读博期间，我大部分时间都花费在研究这冷氢气体上，了解它们在星系中的表现，并试图弄懂它们是如何影响新星形成的。在我开题后不久，甚大天线阵发现了一批新的无线电数据。这些数据可在21厘米波长下精细绘制附近星系的电辐射。我记得第一次打开图像，将21厘米波长图像与正常光线下拍摄的图像进行比较时，如同看见了昼夜之差，无线电所揭示的银河雄伟壮大，相比之下可见光的星系则十分渺小无趣。

我们认为是“星系”的物体——由我们肉眼看到的恒星和尘埃——只是冰山一角。可见光看到的银河螺旋臂，只是由内侧的星系和恒星组成，并非真正的边缘。在此之上，还有许多我们看不见的物体，向外延伸数万光年，大多由氢组成。相比之下，我们所熟悉的银河系有点像海洋中间的孤岛。我们能看到的部分只是巨大水下高山的顶端。这应该是对看不见的宇宙最贴切的描述。

由宇宙中氢云中发出的21厘米无线电波，是我们了解和绘制宇宙最重要的工具之一。在全球范围内，21厘米波长受到国际协议的保护：个人是不允许用这个波长发射无线电信号的，以防止干扰来自遥远宇宙的微弱信号。按照我们对21厘米无线电辐射的了解，我们甚至能通过它与可能存在的外星生命取得联系。“旅行者”和“先驱者”探测器于20世纪70年代发射，是唯二离开太阳系的人造物：如同承载人类信息投向宇宙海洋中的漂流瓶。两组探测器各自携带了我们寄给宇宙的信息，包括雕刻画、人类语言录音和音乐。先驱者牌匾的左上角描绘了两个氢原子：一个平行排列，另一个反平行排列。它们之间的连线代表的就是21厘米无线电波长。更为巧妙的是，这张图下面刻上了如星光一样的放射图案，实际是本地宇宙的地图，告诉解读者“我们在这里”。每条线都指向附近的一颗脉冲星，天文学家认为这是深空中最易识别的“地标”。但是，我们怎么告诉外星生命，让他们能辨别脉冲星的身份？设计师的解决方案是使用氢气的21厘米波长作为标记的尺度。如果有外星生命体存在，他们理所当然不知道人类的标准尺度，如米或秒。但如果他们了解自然，就会清楚氢气发出无线电波波长。连接每颗脉冲星的射线都刻有二进制代码，以氢气无线电波长为单位，告诉读者该脉冲星的旋转速度。这是我们能想象到最接近通用测量系统的概念。只要足够有智慧的外星人阅读，就应该能够破解其中的信息：我们是智慧生物，我们知道宇宙是如何运作的；我们在这里。