科學觀測：實時觀測宇宙的擴張


平方公裏陣列射電望遠鏡的第一個雛形接收盤 圖源：Mu Yo Alamy
在《等待戈多》中，塞繆爾·貝克特（Samuel Beckett）寫道：“問題恰恰就出在我們到底要在這裏做什麽？幸運的是我們碰巧知道答案。是的，在這巨大的混亂中，隻有一件事是清楚的，那就是我們在等待戈多的到來。”
貝克特所說“戈多”的含義帶有爭議。在我作為一名天文學家的職業生涯中，我曾經等待過許多“戈多”，包括對我的理論預測的觀測測試，其中最難以捉摸的就是實時觀察宇宙的演化。
我們經常認為30年前COBE衛星第一次觀測到的來自早期宇宙的殘餘輻射，即宇宙微波背景，和最近普朗克衛星觀察到的，幾乎是一樣的。隻要我們的測量精度不足到以注意到差異，這就是一個有效的簡化。但事實是宇宙一直在變化，所以微波背景的原始來源，即宇宙光球的性質也在不斷變化。這樣的宇宙變化非常緩慢，以至於要在一個比人類生命長一億倍的時間尺度上才能觀察到。我們能注意到幾十年來所監視的天空的微小變化嗎？
宇宙就像一個以我們為中心的球形考古發掘現場。我們對太空的觀察越深入，我們發現的圖層就越古老。由於光速有限，我們看到遙遠光源曾經的圖像，這些圖像顯示出它們旅行前的樣子。如果我們現在加快時間的流逝，我們會看到這些光源（時間上）更近一點的樣子。但是另外，當光向我們傳播時，它的波長會被宇宙的膨脹所拉長。可見光轉移到紅色，經曆所謂的紅移。正如哈勃在大約一個世紀前意識到的那樣，更遠的天體衰退的速度更快，因此紅移提供了遠離我們的宇宙源退行速度的一種度量。
我們通常認為遙遠的星係和其他天體的紅移是宇宙在特定時間膨脹的快照。但事實上，它們像慢動作電影中一幀幀畫麵，理論上我們可以通過等待足夠長的時間來觀看這部電影。我們真的能實時檢測到特定源頭的宇宙退行速度的變化嗎？Allan Sandage在1962年推斷，在天文學家幾十年的職業生涯中，測量遙遠星係的這種變化是很有挑戰性的。


圖源：pixabay
1998年，我寫了一篇論文，提出了一種測量天體在宇宙學距離上膨脹速率變化的新方法。我們觀測遙遠的類星體的視線穿過了巨量的氫雲。每一片氫雲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係數目，在這些吸收特征中有更多的紅移。這為測量每個宇宙時代的微小紅移漂移提供了一個更好的統計樣本。
通過觀測數十年具有不同吸收特征的紅移的輕微漂移，人們有可能實時監測宇宙膨脹速率的變化。通過宿主恒星的微小反射運動來探測行星時，速度變化量略低於我們的最佳靈敏度。在幾十年的觀測中，吸收係統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。在宇宙曆史的早期，由於輻射和物質的引力作用，宇宙膨脹速度減慢。但在後期，輻射和物質被稀釋，以至於真空中的“暗能量”占據主導地位，真空的排斥力加速了宇宙膨脹。通過實時監測宇宙膨脹，我們可以觀察到高紅移時的早期減速和低紅移時的後期加速。這兩個階段之間的轉換將根據暗物質（早期占主導地位）和暗能量（後期主導）的相對比例確定宇宙質量。總之，與前麵提到的Sandage-Loeb效應相關的紅移漂移可以讓我們直接看到宇宙是如何膨脹的，就像我們在電影院裏觀看一樣。在下一代超大型地麵望遠鏡上裝載的高分辨率光譜儀的幫助下，這一設想有可能成為現實。
氫原子在類星體觀測路徑上留下的吸收特征基於兩個事實：氫是宇宙中最豐富的元素，它可以通過吸收波長為毫米的紫外線光子，在所謂的萊曼-α（Lyman-alpha）躍遷之後，從基態激發到第一能級。來自遙遠氫雲的吸收特征出現在一個波長上，從吸收時間開始，宇宙膨脹就延伸了這個波長。因此，沿著視線的多層雲產生了不同波長的吸收特征群，這看起來就像類星體光譜中一個風化的柵欄，一直到源紅移處的Lyman-alpha波長。從氫的基態到更高的標記為Lyman-beta, gamma, delta 等能級的躍遷則不那麽明顯。


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巧合的是，上述幾個關於氫的事實是在哈佛大學發現的。Lymen係列是以Theodore Lyman IV的名字命名的，他在一個世紀前領導傑斐遜物理實驗室，並在實驗中發現了這些氫躍遷。隨後，Cecilia Payne-Gaposchkin在其博士論文的研究中發現，太陽主要是由氫構成的。她曾擔任哈佛天文學係主任。後來，哈佛大學物理學教授、諾貝爾獎得主Edward Purcell通過探測銀河係的21厘米躍遷，發現了貫穿銀河係的大量氫氣。這一概念被George Field擴展到星係際介質，他是哈佛大學天體物理中心的第一任主任。
我們很幸運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時演化。可能在十年或二十年後，我們就可以用上現在已經在建設中的望遠鏡，如平方公裏陣列射電望遠鏡和歐洲極大望遠鏡，來探測紅移偏移。這體現了生活中最基本的道理：我們周圍的一切都在變化，包括整個宇宙，我們應該無休止地適應新的環境，包括加速擴張帶來的宇宙孤獨感。宇宙尺度上的永久變化是天文學家有充分理由等待的最緩慢的“戈多”。
撰文：Avi Loeb，於2011至2020年任哈佛大學天文學係主任，哈佛黑洞計劃創始主任，哈佛-史密森天體物理中心理論與計算研究所所長。
翻譯：陳思航
審校：曾小歡
引進來源：科學美國人


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