大約100年以前，埃德溫·哈勃的兩個(gè)發(fā)現(xiàn)改變了人們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)。

首先，他第一次測(cè)定了仙女星系的距離，這一距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了銀河系恒星分布的邊界，人們這才發(fā)現(xiàn)擁有上千億顆恒星的銀河系也不過(guò)是宇宙眾多“星系島”中的一個(gè)。宇宙中存在無(wú)數(shù)和我們所在的星系一樣璀璨巨大的恒星系統(tǒng)。

哈勃發(fā)現(xiàn)的第二件事情意義更為深遠(yuǎn)。他通過(guò)測(cè)量夜空中星系的距離和速度，發(fā)現(xiàn)所有的星系都在遠(yuǎn)離我們而去，越遠(yuǎn)的星系遠(yuǎn)離我們而去的速度越快。今天，這個(gè)定律被稱(chēng)作哈勃定律（編者注：在2018年國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)成員投票中，哈勃定律被改稱(chēng)為哈勃-勒梅特定律，但這一改名爭(zhēng)議較大，此處仍按照中國(guó)天文學(xué)會(huì)天文學(xué)名詞審定委員會(huì)給出的譯名“哈勃定律”），它揭示出宇宙空間正在不斷膨脹的本質(zhì)，而這將導(dǎo)致一個(gè)不平凡的推論——宇宙的過(guò)去必然密度更高，溫度也更高，隨著時(shí)間回溯，宇宙必然存在一個(gè)極為高溫、高密度的時(shí)刻。在那個(gè)時(shí)刻，宇宙中只存在純粹的輻射能，宇宙中所有的結(jié)構(gòu)，甚至所有的元素，乃至中子、質(zhì)子這些基本粒子都是在這個(gè)時(shí)刻后演化而來(lái)的。這個(gè)關(guān)于宇宙的理論今天被稱(chēng)作大爆炸宇宙學(xué)理論。

100年過(guò)去，天文學(xué)家觀(guān)測(cè)到的星系數(shù)目已經(jīng)超過(guò)了哈勃時(shí)代的上億倍，而更為驚人的是這些星系的主要性質(zhì)和它們的整體演化行為都可以很好地在宇宙大爆炸的理論框架下得到理解。那么，今天的宇宙學(xué)家還在研究什么呢？

宇宙膨脹的微小觀(guān)測(cè)裂痕

天文學(xué)家也清楚地知道，我們看到的宇宙網(wǎng)僅僅是宇宙物質(zhì)組成的一小部分。每一個(gè)星系實(shí)際上都被超過(guò)其質(zhì)量5~10倍的看不見(jiàn)的物質(zhì)包裹著。在整個(gè)宇宙尺度，看不見(jiàn)的物質(zhì)是原子物質(zhì)的4~5倍，這些物質(zhì)的分布可以利用引力透鏡方法測(cè)量。同時(shí)，天文學(xué)家還知道宇宙中存在暗能量。這種看不見(jiàn)的能量占據(jù)了宇宙能量構(gòu)成的70%左右。暗能量可以推動(dòng)宇宙的加速膨脹，對(duì)宇宙膨脹速率的測(cè)量是人們唯一可以認(rèn)識(shí)暗能量的途徑。1999年，澳大利亞和美國(guó)的兩個(gè)獨(dú)立的超新星巡天研究組都發(fā)現(xiàn)宇宙目前的膨脹速率是隨著時(shí)間增加的。

圖1  宇宙演化示意圖。圖片來(lái)源：維基，處理：《天文愛(ài)好者》

到了2016年，通過(guò)普朗克衛(wèi)星（Planck）對(duì)宇宙微波背景輻射的觀(guān)測(cè)，研究者已經(jīng)可以將宇宙的膨脹速率，也就是哈勃常數(shù)定準(zhǔn)在66.93km/s/Mpc，即每百萬(wàn)秒差距（一秒差距約等于3光年）的空間，每秒鐘膨脹66.93千米，測(cè)量誤差為0.62km/s。但人們還是沒(méi)有看到任何偏離標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型的跡象，對(duì)暗能量的本質(zhì)究竟是什么也仍然沒(méi)有明確的證據(jù)。但在2018年，亞當(dāng)·瑞斯（Adam Riess）領(lǐng)導(dǎo)的研究組，在結(jié)合了超新星和造父變星的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)后重新測(cè)定了哈勃常數(shù)，得到的數(shù)值卻是73.53km/s/Mpc，測(cè)量誤差只有2.2%。這一數(shù)值和之前Planck的結(jié)果雖然只有10%的差距，但是由于測(cè)量誤差的縮小，已經(jīng)對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)模型提出了挑戰(zhàn)。由于亞當(dāng)·瑞斯研究組測(cè)定的哈勃常數(shù)完全來(lái)自對(duì)臨近宇宙空間的觀(guān)測(cè)，這個(gè)差距可以被解讀為觀(guān)測(cè)要求宇宙今天膨脹得比標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)期的更快。

圖2  宇宙距離階梯。Ia型超新星一般被稱(chēng)作標(biāo)準(zhǔn)燭光。這些超新星具有幾乎相同的起源和初始條件，因此被認(rèn)為具有類(lèi)似的真實(shí)亮度，所以天文學(xué)家可以通過(guò)它們的相對(duì)明暗計(jì)算出它們的距離。通過(guò)與遙遠(yuǎn)處受宇宙膨脹影響波長(zhǎng)已被拉伸的星系進(jìn)行比較，可以進(jìn)一步得出宇宙隨時(shí)間膨脹的速度，即哈勃常數(shù)。圖片來(lái)源：cdn.spacetelescope.org

需要指出的是，雖然兩個(gè)不同的測(cè)量都宣稱(chēng)自己的測(cè)量誤差很低，但有可能結(jié)果里仍然存在此前沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的測(cè)量誤差，或者測(cè)量方法中的系統(tǒng)誤差。例如，亞當(dāng)·瑞斯研究組的方法是基于Ia型超新星距離的準(zhǔn)確測(cè)定。Ia型超新星一般被稱(chēng)作“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。這些超新星具有幾乎相同的起源和初始條件，因此被認(rèn)為具有類(lèi)似的真實(shí)亮度。它們就好像是出廠(chǎng)時(shí)被校準(zhǔn)的燈泡。當(dāng)校準(zhǔn)的燈泡被安裝在路燈上，遠(yuǎn)處的人可以通過(guò)路燈的相對(duì)明暗知道它們的遠(yuǎn)近，也可以計(jì)算出它們的距離。但在宇宙學(xué)研究中，人們需要知道超新星的“出廠(chǎng)亮度”，必須用其他的標(biāo)準(zhǔn)燭光——造父變星——來(lái)校準(zhǔn)它，而這些造父變星的出廠(chǎng)亮度，則需要通過(guò)三角視差法來(lái)校準(zhǔn)。這種逐級(jí)校準(zhǔn)的方法，有時(shí)候被稱(chēng)作“宇宙距離階梯”（圖2），任何一級(jí)距離階梯的校準(zhǔn)出現(xiàn)誤差，都可能會(huì)傳導(dǎo)到最終的宇宙膨脹率測(cè)量中。雖然，亞當(dāng)·瑞斯的研究組已經(jīng)盡可能地對(duì)這個(gè)過(guò)程中存在的各種測(cè)量誤差進(jìn)行了細(xì)致的研究，但仍然無(wú)法完全排除出現(xiàn)錯(cuò)誤的可能。

亞當(dāng)·瑞斯認(rèn)為在未來(lái)的幾年里，他們有可能進(jìn)一步提高哈勃常數(shù)的測(cè)量精度，達(dá)到0.5%。到那時(shí)，人們可能不得不正視標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型進(jìn)行修正的可能性。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果允許暗能量隨著宇宙時(shí)間演化，可能會(huì)部分地緩解哈勃常數(shù)測(cè)量的裂痕。另一種可能的解釋則來(lái)自對(duì)中微子理論的擴(kuò)充。允許宇宙中出現(xiàn)更多的中微子種類(lèi)，將增加宇宙早期輻射能，改變宇宙膨脹歷史，緩解這個(gè)裂痕。無(wú)論如何，在未來(lái)的數(shù)年里，哈勃常數(shù)的測(cè)量將再一次成為整個(gè)宇宙學(xué)界的焦點(diǎn)。

立體精確的銀河系模型

正如我們提到的，宇宙中的結(jié)構(gòu)不是天然有之，所有今天宇宙中璀璨明亮的天體，實(shí)際上都是在宇宙演化中形成的。在宇宙大爆炸結(jié)束后，宇宙中只形成了最基本的原子（氫原子和氦原子），宇宙各處密度非常均勻，只有一些小的起伏。在那個(gè)時(shí)代，宇宙是一片黑暗，沒(méi)有發(fā)光的天體。但隨著時(shí)間的演化，宇宙密度的小起伏因?yàn)橐Φ淖饔枚鲩L(zhǎng)起來(lái)，最終引起了由氫和氦構(gòu)成的氣體云的坍縮，形成了宇宙中第一代的恒星，宇宙這才迎來(lái)了黎明。

雖然說(shuō)在恒星形成之前，宇宙一片黑暗，但科學(xué)家們還是想出了探測(cè)這個(gè)黑暗時(shí)代的方法——利用氫原子的21厘米輻射。我們知道氫原子帶有一個(gè)電子。電子和氫原子核的自旋方向可以相同，也可以不同。這兩種狀態(tài)的氫原子能量有一個(gè)微小的差別。如果電子和氫原子自旋方向由相同改為相反，會(huì)發(fā)射一個(gè)波長(zhǎng)為21cm的光子，反之則需要吸收一個(gè)波長(zhǎng)為21cm的光子。宇宙中因?yàn)榇嬖诖罅课⒉ū尘拜椛涞墓庾?，這中間有一部分波長(zhǎng)也在21cm，所以在黑暗時(shí)代，21cm光子的發(fā)射和吸收都在不斷的發(fā)生。可見(jiàn)，如果想要觀(guān)察黑暗時(shí)代，只需要觀(guān)察黑暗時(shí)代21cm光子的發(fā)射或者吸收信號(hào)就可以了。需要注意到的是，因?yàn)橛钪?膨脹引起的紅移效應(yīng)，這些光子今天已經(jīng)移動(dòng)到了更長(zhǎng)波長(zhǎng)的電磁波段。

目前，在全球范圍正在建造或已經(jīng)建成一批目標(biāo)是黑暗時(shí)代的射電望遠(yuǎn)鏡陣列，包括美國(guó)的長(zhǎng)波陣列（Long Wavelength Array，簡(jiǎn)稱(chēng)LWA），澳大利亞的默奇森大視場(chǎng)射電陣（Murchison Widefield Array，簡(jiǎn)稱(chēng)MWA），荷蘭的LOFAR低頻陣以及中國(guó)參與的平方千米射電望遠(yuǎn)鏡陣（Square Kilometer Array，簡(jiǎn)稱(chēng) SKA）。這些巨大的天線(xiàn)陣列都期待著能夠通過(guò)觀(guān)察黑暗時(shí)代發(fā)出的21cm光子，來(lái)獲得黑暗時(shí)代的宇宙地圖。

圖6  位于澳大利亞的天線(xiàn)EDGES，這個(gè)射電天線(xiàn)大小和一張桌子差不多。