光年之外｜宇宙无垠，你我何在

【编者按】

自古至今，一个永恒的“天问”是，宇宙无垠，你我何在。历经数个世纪的假设与探索，天文学家试图弄清，宇宙从何而来，何以演化。

值“基础科学促进可持续发展国际年”（IYBSSD）之际，中国科学院上海天文台与澎湃新闻共同推出“光年之外”系列专题。我们特邀普林斯顿大学天体物理学家杰瑞·奥斯特里克（Jeremiah Ostriker）撰文，为中国读者梳理这段跨越数个世纪的天文简史。

哈勃望远镜探测到的暗物质  资料图

很高兴与中国读者见面！中国人对宇宙的关注和探索一度远超西方。如今，我们仍无法确定宇宙中是否存在其他文明，但对于宇宙起源和演化，我们的认识却逐渐清晰。

最初，人们对宇宙的了解仅限于光辉灿烂、人见人爱的太阳，时圆时缺、爱变脸的月亮，行踪莫测的行星，以及位置几乎恒定、排布成形的恒星。形状各异的星图被称为“星座”，拥有各种颇具趣味的名称。人们相信天体运动和各种“天象”预示着人间的吉凶祸福。

直至16世纪，人们才普遍接受月球围着地球转，地球围着太阳转。开普勒认为，行星的轨道是椭圆形，太阳就位于椭圆轨道的其中一个焦点上。他还发现行星轨道的周期与轨道的半径存在着简单的正比关系。

伽利略可能是第一位真正意义上的天体物理学家。牛顿则在伽利略的理论之上，构建出普适性的运动学定律。对行星的运动、天体的掩食以及长久以来令人费解的各种运动，牛顿定律都能做出解释并能给出精确的预测。

伽利略

这一认识用时很久——肉眼所见的点点繁星是和太阳一样的天体，只不过距离我们更远。另一认识耗时更久，类似仙女座星云那样身影模糊的旋涡状天体实际上是体量巨大的恒星集合，后被称为“星系”。

20世纪，科学家对宇宙有了更深入的了解，借助天文望远镜，人们发现，坐拥数十亿颗恒星的星系在宇宙中随处可见，且姿态各异。

20世纪20年代，维斯托·斯莱弗发现，这些星系都在彼此“逃离”。十年后，埃德温·哈勃发现，星系的逃逸速度和它们距离我们的远近成正比：无论朝哪个方向看，宇宙似乎都在膨胀。它也引出了之后的“大爆炸理论”：宇宙肇始于密度极高的状态，且一直膨胀至今（要知道，“大爆炸”这一说法最初带有讽刺意味）。

当然，它未能解释宇宙初始的高密状态从何而来。

当彭齐亚斯和威尔逊偶然发现了宇宙中弥漫的微波背景辐射，詹姆斯·皮伯斯和雅可夫·泽尔多维奇等一众科学家提出了如下的宇宙演化图景：

约在140亿年前，一团气体和辐射混合物发生巨大的爆炸，爆炸造成的高温足以“烹制”一些元素，形成如今常见的“轻元素”，这场爆炸使宇宙猛烈膨胀。在引力的拖曳下，宇宙逐渐放慢了膨胀的脚步；宇宙物质密度的微小起伏逐步形成了恒星、星系和行星。

图2：宇宙微波背景辐射  ESA和普朗克合作组 供图

这些演算过程很复杂，结论却很直接，且与实际观测相符。从假设的初始条件出发，按照这一理论可以精确计算出宇宙如今的模样。这真是神乎其技！无论宇宙的膨胀，还是后续的膨胀放缓，爱因斯坦的相对论都可以做出相应预测（但爱因斯坦本人没这么做过，他对“大爆炸”理论心存疑虑）。

当然，一些现象仍令人费解。

20世纪30年代，瑞士天文学家弗里茨·兹维基观测发现，在好几个星系团中，星系做着无法解释的高速运动。它们的运动速度大得惊人，以每秒几百公里的速度互相绕转。星系团的引力似乎不够大，根本“拉不住”它们。这就好比，没有太阳，行星却能“公转”——它们为什么不“跑掉”，而是乖乖打转呢？

科学家们假定，在星系团中有一个“看不见的太阳”，靠引力束缚着这些星系。兹维基颇有预见性地提出，星系团中存在着一种所谓“暗物质”的东西。可惜，当时绝大多数天文学家认为，兹维基是个怪咖，他的假设也被忽略了。

直到80年代，薇拉·鲁宾和莫特·罗伯茨发现了暗物质存在的重要证据。暗物质无处不在，虽来历不明，却主宰着宇宙中大尺度上的物质分布。

但新的谜题仍然存在，不同于已有的科学预测，引力并未导致宇宙膨胀减缓，反而加速膨胀。这就好比，我们向上抛出一个球，它本应先减速后向下坠落，但它却加速上升，然后“飞走”了。

种种谜题之下，科学家又构建出一个“平坦”宇宙模型（Flat Universe）。在该模型中，宇宙学常数（暗能量的别名）扮演了促使宇宙加速膨胀的最后一种神秘物质。

接下来的挑战在于，弄清“暗物质”和“暗能量”究竟为何物。科学家为此付出了巨大努力，但目前，种种尝试均告失败。

宇宙大爆炸模型的示意图（作者提供）

历经数个世纪垒起的这座“宇宙学大厦”也开始出现裂缝。

例如，在利用各种观测数据预测哈勃常数当前的取值方面，模型本身还存在不完善的地方——这被称为“哈勃常数危机”。此外，现有模型似乎无法正确描述小质量星系的许多性质。

对研究大尺度宇宙的科学家来说，这些似乎是微不足道的小问题，除了可能存在的观测误差，这一模型仍堪当标准宇宙模型的基准。

但在大尺度宇宙研究领域，暗物质和暗能量的本质仍是谜！窘境正在于此：我们有了一个极其详细的宇宙物理模型，可以成功预测几乎所有的宇宙现象，但它却建立在一个看不见、摸不着的神秘物质基础之上。更不用说，对于宇宙在大爆炸之前的情况，我们也一无所知。

直至今日，我们无法确定，宇宙中是否存在其他文明，但历经多个世纪，人类对宇宙的起源和演化，有了某些认知。至于它们是对是错，人类试图认识宇宙、认清自己的尝试，究竟是成功，还是失败，我想交由读者来评判。

作者：杰瑞·奥斯特里克，天体物理学家，曾长期任教于普林斯顿大学和剑桥大学。

译者：屈艳，国家天文台助理研究员。

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“光年之外”专题，由“共话天文与人·赋能未来发展”天文论坛特别邀约国内外顶尖天文科研工作者撰文，该论坛由中国天文学会主办，中国科学院上海天文台和国际天文学联合会天文促发展办公室东亚区域办公室承办，它是IYBSSD2022基础科学促进可持续发展国际年系列活动之一。