什么是暗能源？
宇宙学中，暗能量是某些人的猜想，指一种充溢空间的、具有负压强的能量。按照相对论，这种负压强在长距离类似于一种反引力。如今，这个猜想是解释宇宙加速膨胀和宇宙中失落物质等问题的一个最流行的方案。
暗能量主要有两种模型：宇宙学常数（即一种均匀充满空间的常能量密度）和quintessence（即一个能量密度随时空变化的动力学场）。区分这两种可能需要对宇宙膨胀的高精度测量和对膨胀速度随时间变化更深入的理解。因为宇宙膨胀速度由宇宙学物态方程来描写，所以测量暗物质的物态方程是当今观测宇宙学的最主要问题之一。
暗能量它是一种不可见的、能推动宇宙运动的能量，宇宙中所有的恒星和行星的运动皆是由暗能量来推动的。之所以暗能量具有如此大的力量，是因为它在宇宙的结构中约占73%，占绝对统治地位。暗能量是近年宇宙学研究的一个里程碑性的重大成果。支持暗能量的主要证据有两个。一是对遥远的超新星所进行的大量观测表明，宇宙在加速膨胀。按照爱因斯坦引力场方程，加速膨胀的现象推论出宇宙中存在着压强为负的"暗能量"。另一个证据来自于近年对微波背景辐射的研究精确地测量出宇宙中物质的总密度。我们知道所有的普通物质与暗物质加起来大约只占其1/3左右，所以仍有约2/3的短缺。这一短缺的物质称为暗能量，其基本特征是具有负压，在宇宙空间中几乎均匀分布或完全不结团。最近WMAP数据显示，暗能量在宇宙中占总物质的73％。值得注意的是，对于通常的能量（辐射）、重子和冷暗物质，压强都是非负的，所以必定存在着一种未知的负压物质主导今天的宇宙。
宇宙的运动都是旋涡型的，所以暗能量总是以一种旋涡运动的形式出现。所以，在暗能量的旋转范围内能形成一种旋涡场,我们称之为暗能量旋涡场，简称为旋涡场。我们用En来表示太阳系的暗能量，用Ep来表示物质绕太阳系中心运动的总动能。当En=Ep时，太阳系旋涡场处于平衡状态，它既不会膨胀也不会收缩。但当En衰退时，太阳系旋涡场就会收缩，太阳系中所有的行星就会向太阳靠近。
要提及暗能量，我们不得不先提及另外一个和它密切相关的概念——暗物质，之所以将其称之为暗物质而不是物质就是因为它与一般的普通物质有着根本性的区别。普通物质就是那些在一般情况下能用眼睛或借助工具看的见、摸得着的东西，小到原子、大到宇宙星体，近到身边的各种物体远到宇宙深处的各种星系。普通物质总是能与光或者部分波发生相互作用或者在一定的条件下自身就能发光、或者折射光线，从而被人们可以感知、看见、摸到或者借助仪器可以测量得到，但是暗物质恰恰相反，它根本不与光发生作用更不会发光，因为不发光又与光不发生任何作用，所以不会反射、折散或散射光即对各种波和光它们都是百分之百的透明体！所以在天文上用光的手段绝对看不到暗物质，不管是电磁波、无线电还是红外射线、伽马射线、X射线这些统统都毫无用处，故尔不被人们的感知所感觉也不被目前的仪器所观测，故此为了区分普通物质和这种特殊的物质而将这种特殊的物质称之为“暗物质”。
这一年，宇宙“面目”愈发清晰（整合）
深邃的星空，埋藏着无数奥秘，叩问2020年的宇宙苍穹，阵阵回响唤起惊奇与敬畏无数：人类首次在银河系外发现氧气、绘制迄今最大宇宙三维地图、发现“不可能存在”的中等质量黑洞……宇宙的秘密，正在一点点被揭开。或是身边的天文奇观，或是地外的生命迹象，我们总在追问的路上，渴望收获更多。
宇宙还我们以新知，并以更多未知引领我们遥望未来。银河系边界探清后，“身边”的星系究竟有多少？借助引力波首次探测到中等质量黑洞后，人类是否能破解超大质量黑洞形成的谜团？
回望2020，我们以一趟时光穿越之旅，再次与宇宙对话。
氧气现身河外星系
氧在宇宙中的丰度仅次于氢和氦。此前，天文学家曾认为氧分子在恒星间的空间内应普遍存在，但一直未有证据表明银河系外也有氧气。
这一“悬疑”今年2月1日《天体物理学》杂志刊发的一篇文章被解开。在距地球5.6亿光年的“马卡良231”（Markarian 231）星系内，中外科学家联手发现了氧气。据悉，这是人类首次在银河系外发现氧气，也是迄今为止在太阳系外探测到氧气最多的一次。
“马卡良231”位于大熊 星座 。此前，天文学家在银河系内的猎户座星云和蛇夫座星云都探测到过氧气。据推算，“马卡良231”的氧气比重是猎户座星云内氧气比重的100倍。科学家推测，“马卡良231”内经历了比猎户座星云更强烈的氧气形成过程。
天文学家表示，在地外物质的光谱中发现氧气、水等存在的条件，不能就此断言其所处的环境中一定存在着生命；看不到这些“标志物”，也未必没有存在生命的可能性。
上述研究论文第一作者、中国科学院上海天文台研究员王均智表示，这次在银河系外发现氧气，有助于进一步加深对宇宙物质组成的认识，对于星际介质中氧气的形成和消耗等相关理论提出了挑战。
“此次研究是科学家首次在银河系外发现氧气，但氧气在星际空间的含量为何普遍远低于预期，仍是未解之谜。”500米口径球面射电望远镜（FAST）首席科学家李菂表示。
首次揭示月背地下结构
月球背面的冯·卡门撞击坑所在地——南极—艾特肯盆地，是太阳系中最古老的撞击坑之一，形成于40亿年以前，保留了原始月球的岩石，这里也是月球上已知最深的盆地。
2019年1月3日，嫦娥四号探测器在冯·卡门撞击坑底部成功着陆。之后，“玉兔二号”月球车利用全景相机、红外线光谱仪、测月雷达等先进仪器，对月球背面展开科学 探索 研究。
2020年2月27日凌晨，国际科学期刊《科学·进展》在线刊载了中国“玉兔二号”月球车为冯·卡门撞击坑做的“CT”结果。
由中国科学院国家天文台研究员李春来、苏彦领导的科研团队，利用“玉兔二号”月球车上的测月雷达，首次揭示出月球背面着陆区域地下40米的分层结构，发现地下物质由低损耗的月壤物质和大小不同的大量石块组成。这是人类首次揭开月球背面地下结构的神秘面纱。
具体来说，研究团队沿“玉兔二号”行走的106米路径，在深度40米的范围内，识别出3个地层单元。
其中，第一单元为月表到地下12米的细粒月壤，内嵌有少量石块，这一层形成于多个撞击坑互叠的溅射物之上；第二单元为地下12米到24米的溅射物沉积层，其内部存在大量石块，甚至形成了碎石层和碎石堆；第三单元为地下24米到40米，是更古老的溅射物在不同时期沉积和风化的产物。
研究人员表示，该研究可帮助人们了解月球撞击和火山活动 历史 ，有望为月球背面的地质演化研究带来新的启示。
探明银河系边界
天文学家早就知道，银河系中最亮的部分是呈薄煎饼状的恒星盘，太阳便身处其中，其宽约12万光年（1光年约为94600亿千米），恒星盘之外是气体盘。一块巨大的暗物质光晕包裹着这两个圆盘，并延伸到远远超出它们的范围之外。但由于这个暗晕不发光，因此科学家很难测量银河系的直径。
3月23日，美国《科学新闻》网站报道了一项来自英国科学家的研究，英国达勒姆大学天体物理学家艾丽丝·迪森及其同事利用银河系附近星系计算得出结论：银河系的精确直径为190万光年，误差不超过40万光年。
为找到银河系的边界，迪森团队利用计算机模拟了银河系和其附近大星系——仙女座星系并排出现的情况。结果表明，位于巨大星系暗晕边缘之外的附近小星系的速度会显著下降。
利用现有的望远镜观测结果，迪森团队发现，银河系附近的小星系也出现了同样的速度下降情况。这种情况发生在距银河系中心约95万光年的地方，此处应该就是银河系的边界。由此他们得出结论，银河系宽约190万光年。
美国约翰斯·霍普金斯大学天文学家罗斯玛丽·怀斯指出，最新测量结果可以帮助天文学家厘清银河系其他性质。例如，银河系越大，其“体重”也越重，与它“共舞”的星系应该也会越多。科学家迄今已为银河系找到约60颗“舞伴”，未来应该可以找到更多。
夏至巧遇“金边日食”
6月21日，当太阳几乎直射北回归线时，北半球迎来白昼最长的一天，这一天正是夏至日。同一天，天幕剧场也上演了本年度最精彩的天象演出之一——“金边日食”。
据中国科学院紫金山天文台工程师胡方浩介绍，这也是本世纪唯一一次在中国可见且恰逢夏至日的日食。
日食食分大小取决于日、地、月三者的位置关系。中国天文学会会员、天津市天文学会理事史志成解释说，被遮挡的太阳离地球愈远则其视直径愈小，而遮挡太阳的月球离地球愈近则其本影愈大，所以当太阳处于远地点而月球处于近地点时，食分最大。
两千多年前，日食就启发人类认识宇宙，发现地球公转的规律。当太阳被月亮遮挡时，人们更容易观测到太阳日冕活动情况，从而有助于对其未来活动趋势进行预测。日食作为一种天文现象，对星地通信中起到关键作用的电离层有一定影响。
与以往日环食不同的是，此次日环食非常接近全食。太阳整个圆面超过99%的面积被遮住，剩下的一圈金边儿非常细。
有专家表示，在21世纪剩余的80年里，发生在我国范围内的日环食仅剩10次，其中5次将发生在极北或极南地区，环食带范围小、月球地影过境时间短，不便观测。
迄今最大宇宙三维地图出炉
宇宙诞生于约138亿年前的大爆炸。对于宇宙的早期和近期，科学家都有所了解，但其间110亿年宇宙究竟经历了怎样的变化，一直是未解之谜。
7月20日，据外媒报道，在对400多万个星系和蕴含巨大能量的超亮类星体进行分析后，国际斯隆数字巡天调查项目（SDSS）发布了迄今最大的宇宙三维地图，讲述了宇宙在110亿年间的膨胀“故事”，填补了人类在宇宙史 探索 中的空白。
绘出这份地图的是多国科研人员组成的“扩展重子振荡光谱巡天”项目（eBOSS），它是SDSS的一部分。这一成果的获得，建立在世界各地数十家机构的数百名科研人员超过20年合作的基础上。
研究显示，构成宇宙结构的细丝和空隙始于宇宙诞生仅30万年时。此外，宇宙在大约60亿年前开始加速膨胀，且此后一直持续膨胀。这种加速膨胀似乎是由暗能量所驱动，这一点与爱因斯坦广义相对论所预言的一致。
此外，研究人员指出，天体物理学家早在多年前就知道宇宙在膨胀，但一直无法精确测量宇宙膨胀的速度——哈勃常数。eBOSS和SDSS的调查结果表明，宇宙目前的膨胀速度和早期由其他研究得出的膨胀速度不匹配，仍需科学家进一步的研究调查。
找到“不可能存在”的中等质量黑洞
9月2日，据美国激光干涉引力波天文台官网报道，该天文台与位于意大利的室女座引力波天文台携手，探测到了一个142倍太阳质量的黑洞，这是科学家首次探测到此类中等质量黑洞。
研究人员指出，此前所观测到的黑洞大致分两类：恒星质量黑洞和超大质量黑洞，前者质量为太阳质量的数倍到数十倍不等，被认为是大质量恒星死亡后形成的；后者质量约为太阳的数十万倍到数十亿倍。中等质量黑洞介于两者之间，质量为太阳质量的100到1000倍。在收到这次信号前，科学家没有发现任何证据证明它们的存在。
这个黑洞由两个分别约85倍太阳质量和65倍太阳质量的黑洞并合而成，并合释放出的8倍太阳质量的能量以引力波形式弥漫于宇宙中，被两大探测器携手“逮个正着”。
研究人员在2019年5月21日探测到引力波信号GW190521，该信号持续时间不到0.1秒。科学家推测，GW190521最有可能是拥有特殊性质的双黑洞并合产生的信号。
迄今为止，几乎所有被“验明正身”的引力波信号均来自于双星并合，包括双黑洞并合以及双中子星并合等。
水分子现身月球光照区
月球究竟有没有水？科学家从未停下 探索 的脚步。此前科学家推测，月球背面常年阴暗的陨石坑里可能藏有冰。如今，最新研究证实，月球光照面也可能存在水。
10月26日，《自然·天文学》发表文章称，美国国家航空航天局依靠平流层红外天文台“索菲亚”，在月球光照区——月球南半球的克拉维斯环形山表面，首次探测到了水分子。
这一发现表明，水可能分布在整个月球表面，而不仅限于阴暗的月背。换句话说，即使在太阳辐射下，水也能在月球表面存在。
在阳光照射的月表，水分子想保留下来非常不易。此次的探测数据显示，水被“困在”月球表面的土壤中，浓度为百万分之100—400，相当于每千克月壤中含有100—400毫升水，这比撒哈拉沙漠还要干燥100倍，不过精确的水含量需要进一步验证。
另据论文介绍，探测到的水可能储存在月球表面的玻璃般物质中或是晶粒之间，这些玻璃般物质或晶粒能在恶劣环境中对水起到保护作用。
没有大气层保护，月表太阳照射面的水源是否可以利用？“这还需要弄清楚水在月表的分布范围、埋藏深度、是否能长期保存等。”南京大学天文与空间科学学院教授周礼勇认为，这需要搞清楚水含量是否足够高，在哪些地区富集，是否能达到开采的级别，水在月表储存的机制是什么，需要用什么样的技术才能把水有效地收集起来。
“这些发现确实令人兴奋，很有研究和应用的前景，但成本目前还无法预料。”周礼勇说。
“中国天眼”看见快速射电暴源头
快速射电暴，宇宙中一种神秘的射电波暴发现象。它的持续时间短到只有几毫秒，但在这“灵光乍现”的几毫秒中，却蕴藏着巨大的能量，它可以把地球上几百亿年的发电量，完全以射电波的形式释放掉。
过去十几年，天文学家一直在探寻它的来源，又包含了哪些信息？
科学家在《自然》杂志上分别发表了3篇关于快速射电暴的研究成果，利用500米口径球面射电望远镜（FAST），他们捕捉到快速射电暴起源的一些蛛丝马迹。
北京大学教授、中国科学院国家天文台研究员李柯伽研究团队，在12小时的观测时间里，利用FAST探测到了快速射电暴爆发源FRB 180301的15次暴发，每次暴发的强度曲线各不相同。这是国际上首次发现该爆发源的辐射具有非常丰富的偏振特征。FAST观测到的偏振变化多样性明确说明：宇宙中快速射电暴的爆发源可能来自致密天体磁层中的物理过程。
“类似于地球，磁星也会形成磁层。我们这次的观测结果是快速射电暴来源于磁层的一个最直接证据。”李柯伽说。
此外，包括北京师范大学林琳博士、北京大学张春风博士、中国科学院国家天文台王培博士在内的联合研究团队，利用FAST对银河系磁星软伽马重复暴源SGR 1935+2145进行多波段联合观测。观测结果表明，快速射电暴与软伽马射线重复暴发具有较弱的相关性，磁星暴发产生快速射电暴必须依赖于极其特殊的物理条件。
金星大气首现磷化氢
9月14日，《自然·天文学》杂志发表文章称，包括英国卡迪夫大学科学家简·格里弗斯在内的研究团队，于2017年和2019年，分别利用麦克斯韦望远镜（JCMT）和阿塔卡玛毫米/亚毫米波阵列望远镜（ALMA），在金星上探测到只属于磷化氢的光谱特征，并估算出了金星云层中的磷化氢丰度。
这是科学家首次在金星大气中探测到磷化氢。研究人员认为，探测到磷化氢尚无法作为微生物生命存在的有力证据，但可以表明金星上可能发生着未知的地质或化学过程。
环境恶劣的金星，因为磷化氢的蛛丝马迹，让人看到生命的希望，但好消息没有持续多久，便遭遇质疑。
10月26日，一项发表在《自然·天文学》杂志上的最新研究指出，此前被认为是磷化氢的光谱数据，实际上非常接近二氧化硫，后者在金星大气中很常见。
另一项由荷兰莱顿大学主导的研究显示，ALMA获得的光谱数据可以用磷气体以外的化合物来解释。据此，他们得出结论：在金星大气层中“没有检测到具有统计学意义的磷化氢”。
不过金星上的生命“希望”并未就此终结。格里弗斯团队重新检验最初数据后，再次发布结论称，ALMA的数据显示了一种光谱特征，这种特征只能用磷化氢化合物来解释，根据最新数据，磷化氢的含量只有最初发布结果的1/7。
金星大气层中是否真的存在磷化氢？磷化氢究竟来自何处？它们是否带有生命的印记？这些都值得我们期待。
GECAM引力波探测器升空
12月10日4时14分，西昌卫星发射中心，长征十号运载火箭搭载“引力波暴高能电磁对应体全天监测器”（GECAM）成功发射并将其送入预定轨道。
该卫星载荷总师李新乔介绍，GECAM将是几年之内在轨运行的伽马暴探测灵敏度最高的天文卫星，也是对磁星暴发、快速射电暴、地球伽马闪等暴发事件综合探测能力最强的卫星。它将对引力波伽马暴、快速射电暴高能辐射、特殊伽马暴和磁星暴发等高能天体暴发现象进行全天监测，研究中子星、黑洞等致密天体及其并合过程。此外，GECAM还将探测太阳耀斑、地球伽马闪和地球电子束等空间高能辐射现象，为进一步揭示其物理机制提供科学观测数据。
引力波伽马暴是GECAM最重要的科学探测目标。对于引力波的探测，地面设备的空间定位精度不高。因此，科学家需要一台能够以较高精度及时给出引力波暴发方位的卫星——GECAM应运而生。
李新乔介绍：“GECAM可以对和引力波伽马暴几乎同时发生的同源伽马暴的能谱和光变，进行连续高精度观测，同时可以给出精度较高的引力波事件的方位信息，把地面引力波探测设备定位的几十到上百平方度范围缩小。这将有助于空间及地面其他波段的观测设备更好地确定其对应天体源，并开展后续观测。”
哈勃大发现总是叫人叹为观止
哈勃30周年系列之一：为啥NASA一定要拍「哈勃雪耻照」？这架太空望远镜花掉多少银子？
哈勃30周年系列之二：哈勃拍到的宇宙极限照什么样？
在地球人眼里，宇宙无疑是浩瀚无垠、无远弗届，永远充满着神秘与未知。
幸好，我们拥有「宇宙巨眼」」，哈勃太空望远镜在这三十年间为人类窥探的宇宙奥妙，绝不仅仅是千万张宇宙神图、数百TB探测数据、千万篇论文所能表述的。
每一次哈勃重大发现，只会更加激发人类的好奇心， 探索 欲，智慧力……
2017年9月21日，通过哈勃太空望远镜持续观测，一组德国天文学家宣布，在太阳系内发现一个独一无二的奇异天体：由两颗小行星构成的双星系统，一边互相绕行，演艺二人转，一边显现彗星特征，拖着长长的尾巴，散发着明亮的光晕……
▲这组照片是哈勃在2016年8～9月期间拍摄的。处于最接近太阳时的轨道。这个奇异天体被命名为小行星288P。来自火星与木星之间的小行星带。
根据观测数据，288P是由两颗质量、大小几乎相同的小行星组成，彼此环绕运行，相距大约100公里。这种双星系统大约形成在5000年前。
这在小行星带是极其罕见的。
我们知道，小行星带是由无法形成正常行星（比如地球）和矮行星（冥王星）的残留物构成的，构成数量极为惊人：
直径为2000米多达10亿颗
直径20公里的也有10万颗以上
直径大于200公里约有100颗
但它们都有一个共性：只在自己的地盘小行星带里晃悠，不会乱窜。
所以呢，像288p这种小行星，相互绕行构成双星系统，大唱二人转的现象，还是头一次发现。
▲这是根据哈勃观测数据，艺术构想出来的288P——这个双星系统彼此绕行的轨道，标记为蓝色椭圆。
更为奇异的是，小行星288P明显具有彗星特性：拖着长长的尾巴，靠近太阳时，散发着明亮的光晕。
要知道，太阳系里的彗星故乡，可是都在遥远的柯伊伯带以及奥尔特云，光行时间也得数个小时。
只有那些飞进火星轨道以内的彗星，在太阳光的强烈照射下，彗星体内冻结的二氧化碳和一氧化碳才会升华，由固态变成气态，这样凭借肉眼／天文望远镜，我们才能目睹彗星的风姿。
所以说，来自小行星带的288P，却具有彗星长长的尾巴，难道不是灰常奇异的天文现象？！关键问题来了，到底是什么原因呢？
说实话，目前天文学家还没有给出明确的答案。需要深入跟踪观测，才可能找到答案。不过，毕竟这是一次独一无二的天文大发现，该成果同期发布在全球顶级科学期刊《自然》上。让我们期待新知新发现吧！
作为宇宙巨眼，哈勃既能发现家门口的新奇特，又能捕获最遥远的新玩意。
同样是在2017年，同样是在《自然》，12月7日刊发美国卡内基科学研究所天文学家的最新研究成果——透过哈勃太空望远镜发现了已知最遥远、最古老一个超级类星体，年龄高达131.3亿年。
要知道宇宙年龄也不过138.2亿年，也就是说宇宙诞生仅仅6.9亿后，这个类星体就有了。换句话说，如果将宇宙年龄比作100岁的话，那么这个类星体足足有95岁。
所谓类星体，是人类已知最明亮、最遥远、能量最大的一类天体。
看上去就好像是恒星，其实又不是恒星；观测光谱好像是星云，但又不是星云；发出的无线电波就像星系，但又不是星系……类星体与宇宙微波背景辐射、脉冲星、星际有机分子一起，并称为1960年代天文学四大发现！
最新发现的这个类星体，天文编号ULAS J1342+0928，距离我们131.3亿光年。
对于这类极其遥远的天体，测定具体位置，一般采用红移来测量，由于宇宙加速膨胀，使得遥远天体发出的光波被拉长了，光谱分析时看起来变红现象。
在发现这个类星体之前，天文学家只发现一个红移量＞7的类星体，天文编号ULAS J1120+0641，距离我们130.4亿光年，比宇宙年轻7.5亿年。
相比之下，最新发现的类星体刷了年龄、距离的新纪录。
①ULAS J1342+0928，距离我们131.3亿光年，年龄131.3亿年，比宇宙年轻6.9亿年。
②ULAS J1120+0641，距离我们130.4亿光年，年龄130.4亿年，比宇宙年轻7.5亿年。
不仅如此，美国天文学家可谓一举两得，研究团队通过计算，得出结论——该类星体中心存在一个超级黑洞，质量大到足足有太阳质量的8亿倍！
天文学家认为，在宇宙初期存在这样一个超重黑洞，为人类已建立的【原生黑洞理论】提供了极其重要的信息。
顺便说一下，足足有太阳质量8亿倍的黑洞，其实并非是人类发现的最大黑洞。
看看人类已知最大黑洞质量部分排名吧，最大两个黑洞分别是：
位于猎犬座的TON618，660亿倍太阳质量
位于仙王座的S5 0014+81，400亿倍太阳质量
看出来了吧，宇宙之大，无奇不有。就算再大，还有比你更大的。
2018年4月，来自哈勃太空望远镜官网、自然杂志子刊《天文学》、NASA等最新消息：天文学家通过哈勃太空望远镜发现——迄今为止已知最遥远的恒星，距离我们地球93亿光年！
要知道，以往天文学界观测到的遥远天体，基本都是古老的星系或者星系团，很难辨认出其中的单个恒星。但这次天文大发现改写了 历史 。目前已知最遥远的星系是GN-z11，133.9亿光年。
这颗最遥远的恒星，位于一个旋涡星系（MACS J1149-2223）当中，根据光谱分析，它的亮度比太阳高100万倍，属于蓝超巨星。表面温度是太阳2倍多，11000～14000°C。
除了那些超新星爆发——已死亡的恒星之外，这颗恒星要比天文学家以往观测到的任何恒星，至少远100倍。
这颗最遥远的恒星，有个通俗名字：伊卡洛斯（Icarus）。熟悉希腊神话的都知道，这是一个用蜡制成翅膀，飞近太阳最终融化、坠海的神话人物。
其实，它的正式天文编号为：MACS J1149 + 2223 Lensed Star 1——
MACS J1149 + 2223 是它所在的旋涡星系名称；Lensed 代表天文学家利用引力透镜效应发现了它；Star 1 寓意第一颗恒星。
引力透镜效应（Gravitational Lensing）是目前天文学家观测遥远天体甚至是暗物质的最好方法。
简单来说，就是光线在经过大质量天体时，因为引力效应而弯曲，形成星光偏折的现象，会像凸透镜那样，放大更遥远的天体成像，使得遥远、昏暗的天体变得清晰。通常情况下，这种透镜效应可以将遥远天体放大50倍，
而这次由美国明尼苏达大学、南卡罗莱纳大学、西班牙坎塔布利亚物理研究所（Instituto de Física de Cantabria, Spain）组成的国际天文研究小组，
透过哈勃太空望远镜观测，利用引力透镜效应，不断优化和提升透镜效应，放大2000倍后，发现了这颗最遥远恒星。
▲这段概念视频，看起来更壮观也更直观。
正如这项研究参与者、明尼苏达大学天文学家帕特里克·凯利所说：「我们能够看到的恒星，其实在整个可观测宇宙中比例非常小，但这种自然奇观让我们看到了宇宙更大的体积。」
我们知道，哈勃本人最大贡献之一就是哈勃常数（即宇宙膨胀速率），而哈勃太空望远镜日常探测任务之一，就是测量哈勃常数，这是比之前测量造父变星距离更准确的测量值。
2018年，一组科学家根据最新哈勃常数测量结果显示：宇宙膨胀速度比原先估算的更快！这意味着什么？意味着星系间彼此远离速度比此前计算的更快！
这组科学家是由2011年诺贝尔物理奖得主、也是暗能量发现者之一的亚当·里斯（Adam G Riess）所领导的宇宙学研究团队，经过6年分析哈勃太空望远镜观测数据后研究发现的。
在此之前，学术界普遍公认和采用的数值，即宇宙膨胀速率（天文学家用哈勃常数来表示），来自欧洲空间局发射的普朗克探测卫星，2015年测量宇宙微波背景辐射，结果得出：哈勃常数为67.74 ± 0.46公里/秒·百万秒差距（67.74 ± 0.46 km/s/Mpc）。
这表示，相距3百万光年的两个星体，在以大约每秒67公里的速度，彼此远离。这一速度是地球围绕太阳公转的两倍多！
如今，诺奖得主研究团队最新研究成果显示，哈勃常数要比这一数值高出9%！具体为：73.45 ± 1.66公里/秒·百万秒差距（73.45 ± 1.66 km/s/Mpc）。
还是拿两个天体为例：距330万光年的两个天体，彼此远离的速度高达每秒73公里。这一速度比太阳神号探测器（迄今为止最快的人造飞行物）创造的飞行纪录还要快！
导致这两组数据差异的原因，到底是什么？
事实上，并不是哈勃太空望远镜比普朗克卫星探测得更精确，原因不在硬件，而按照诺奖得主亚当·里斯的解释——
第一：以前采用的哈勃常数是根据普朗克探测卫星，测量宇宙微波背景辐射得到的结果。
也就是说，透过来自宇宙诞生后38万年的第一束光，经过漫长的138亿光年后被人类测得的大爆炸余波（宇宙背景辐射），由此估算出来的哈勃常数。这好像根据孩子每年长高的速度，来推算长大成人后的身高一样，并不是很准确。而通过直接观测远距离星系之间的距离变化，由此测量宇宙空间的膨胀速率，则更为客观、准确。
第二：哈勃常数增大，既可能是暗能量的加速膨胀作用，这比爱因斯坦宇宙常数的影响还大！也可能是暗物质与普通物质之间的作用力，比原先估计的还要强！只是目前人类对这两种暗货（暗物质、暗能量），知道得太少了。
根据最新观测数据——2013年普朗克卫星给出的结果：暗能量占68.3%，暗物质占26.8%，普通物质只占4.9%。这就是说，暗能量是暗物质的三倍多，是普通物质的15倍！讲真，这两种暗货才是整个宇宙的主宰者！
顺便说一下，宇宙加速膨胀，尽管是指整个宇宙空间的膨胀，不过别担心，这一现象只显现在宇宙大尺度上，比如遥远星系之间彼此加速远离，不会也不可能显现在太阳系或者我们地球上，更别瞎想成——有朝一日会出现「手撕鬼子」的荒诞世界。
至于原因，其实很简单，人类实在太渺小了。如果把整个宇宙看成一个正在吹胀的气球，那么我们所在的地球，就连一个原子都算不上，你我怎么可能亲眼目睹气球被吹爆呢？
既然人类如此渺小，还有什么必要仰望星空、 探索 宇宙呢？
当然必要也必须。除了满足人类的好奇心， 探索 欲，拥有智慧力，科学构建理想国以外，还能够拥有更大的收获，这就是改写自己狭窄的世界观/宇宙观。
正如著名宇宙学家尼尔·泰森所说——
宇宙视角让我们变得谦逊、理性、自重。
宇宙视角告诉我们，地球是一颗星尘，但它是一颗珍贵的宇宙星尘，毕竟它是我们目前唯一的家园。
宇宙视角，让我们在行星、恒星、星云、星系的宇宙图景中发现无可比拟的美，也颂扬着塑造它们的物理定律。
宇宙视角源自基础知识，但又不仅仅是你所知道的知识。
宇宙视角不仅包含了我们与地球上所有生命的遗传亲缘关系，而且也珍视我们与在宇宙中任何尚未发现的生命之间的化学亲缘关系，以及我们与宇宙本身的原子亲缘关系。
宇宙视角让我们的眼界能够超越人类的眼前，让我们有机会超越现实生活的引力场，去满足最本源的好奇心。
宇宙视角来自科学的前沿，但不仅仅是科学家独享的，属于每一个地球人。
什么是暗物质（dark energy）
暗物质 Dark material
【Jeremiah P. Ostriker和Paul Steinhardt 著 Shea 译】几十年前，暗物质(dark matter)刚被提出来时仅仅是理论的产物，但是现在我们知道暗物质已经成为了宇宙的重要组成部分。暗物质的总质量是普通物质的6倍，在宇宙能量密度中占了1/4，同时更重要的是，暗物质主导了宇宙结构的形成。暗物质的本质现在还是个谜，但是如果假设它是一种弱相互作用亚原子粒子的话，那么由此形成的宇宙大尺度结构与观测相一致。不过，最近对星系以及亚星系结构的分析显示，这一假设和观测结果之间存在着差异，这同时为多种可能的暗物质理论提供了用武之地。通过对小尺度结构密度、分布、演化以及其环境的研究可以区分这些潜在的暗物质模型，为暗物质本性的研究带来新的曙光。
大约65年前，第一次发现了暗物质存在的证据。当时，弗里兹·扎维奇（Fritz Zwicky）发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上，否则星系团根本无法束缚住这些星系。之后几十年的观测分析证实了这一点。尽管对暗物质的性质仍然一无所知，但是到了80年代，占宇宙能量密度大约20%的暗物质以被广为接受了。
在引入宇宙暴涨理论之后，许多宇宙学家相信我们的宇宙是平直的，而且宇宙总能量密度必定是等于临界值的（这一临界值用于区分宇宙是封闭的还是开放的）。与此同时，宇宙学家们也倾向于一个简单的宇宙，其中能量密度都以物质的形式出现，包括4%的普通物质和96%的暗物质。但事实上，观测从来就没有与此相符合过。虽然在总物质密度的估计上存在着比较大的误差，但是这一误差还没有大到使物质的总量达到临界值，而且这一观测和理论模型之间的不一致也随着时间变得越来越尖锐。
当意识到没有足够的物质能来解释宇宙的结构及其特性时，暗能量出现了。暗能量和暗物质的唯一共同点是它们既不发光也不吸收光。从微观上讲，它们的组成是完全不同的。更重要的是，象普通的物质一样，暗物质是引力自吸引的，而且与普通物质成团并形成星系。而暗能量是引力自相斥的，并且在宇宙中几乎均匀的分布。所以，在统计星系的能量时会遗漏暗能量。因此，暗能量可以解释观测到的物质密度和由暴涨理论预言的临界密度之间70-80%的差异。之后，两个独立的天文学家小组通过对超新星的观测发现，宇宙正在加速膨胀。由此，暗能量占主导的宇宙模型成为了一个和谐的宇宙模型。最近威尔金森宇宙微波背景辐射各向异性探测器（Wilkinson Microwave Anisotrope Probe，WMAP）的观测也独立的证实了暗能量的存在，并且使它成为了标准模型的一部分。
暗能量同时也改变了我们对暗物质在宇宙中所起作用的认识。按照爱因斯坦的广义相对论，在一个仅含有物质的宇宙中，物质密度决定了宇宙的几何，以及宇宙的过去和未来。加上暗能量的话，情况就完全不同了。首先，总能量密度（物质能量密度与暗能量密度之和）决定着宇宙的几何特性。其次，宇宙已经从物质占主导的时期过渡到了暗能量占主导的时期。大约在"大爆炸"之后的几十亿年中暗物质占了总能量密度的主导地位，但是这已成为了过去。现在我们宇宙的未来将由暗能量的特性所决定，它目前正时宇宙加速膨胀，而且除非暗能量会随时间衰减或者改变状态，否则这种加速膨胀态势将持续下去。
不过，我们忽略了极为重要的一点，那就是正是暗物质促成了宇宙结构的形成，如果没有暗物质就不会形成星系、恒星和行星，也就更谈不上今天的人类了。宇宙尽管在极大的尺度上表现出均匀和各向同性，但是在小一些的尺度上则存在着恒星、星系、星系团、巨洞以及星系长城。而在大尺度上能过促使物质运动的力就只有引力了。但是均匀分布的物质不会产生引力，因此今天所有的宇宙结构必然源自于宇宙极早期物质分布的微小涨落，而这些涨落会在宇宙微波背景辐射（CMB）中留下痕迹。然而普通物质不可能通过其自身的涨落形成实质上的结构而又不在宇宙微波背景辐射中留下痕迹，因为那时普通物质还没有从辐射中脱耦出来。
另一方面，不与辐射耦合的暗物质，其微小的涨落在普通物质脱耦之前就放大了许多倍。在普通物质脱耦之后，已经成团的暗物质就开始吸引普通物质，进而形成了我们现在观测到的结构。因此这需要一个初始的涨落，但是它的振幅非常非常的小。这里需要的物质就是冷暗物质，由于它是无热运动的非相对论性粒子因此得名。
在开始阐述这一模型的有效性之前，必须先交待一下其中最后一件重要的事情。对于先前提到的小扰动（涨落），为了预言其在不同波长上的引力效应，小扰动谱必须具有特殊的形态。为此，最初的密度涨落应该是标度无关的。也就是说，如果我们把能量分布分解成一系列不同波长的正弦波之和，那么所有正弦波的振幅都应该是相同的。暴涨理论的成功之处就在于它提供了很好的动力学出发机制来形成这样一个标度无关的小扰动谱（其谱指数n=1）。WMAP的观测结果证实了这一预言，其观测到的结果为n=0.99±0.04。
但是如果我们不了解暗物质的性质，就不能说我们已经了解了宇宙。现在已经知道了两种暗物质--中微子和黑洞。但是它们对暗物质总量的贡献是非常微小的，暗物质中的绝大部分现在还不清楚。这里我们将讨论暗物质可能的候选者，由其导致的结构形成，以及我们如何综合粒子探测器和天文观测来揭示暗物质的性质。
最被看好的暗物质候选者
长久以来，最被看好的暗物质仅仅是假说中的基本粒子，它具有寿命长、温度低、无碰撞的特性。寿命长意味着它的寿命必须与现今宇宙年龄相当，甚至更长。温度低意味着在脱耦时它们是非相对论性粒子，只有这样它们才能在引力作用下迅速成团。由于成团过程发生在比哈勃视界（宇宙年龄与光速的乘积）小的范围内，而且这一视界相对现在的宇宙而言非常的小，因此最先形成的暗物质团块或者暗物质晕比银河系的尺度要小得多，质量也要小得多。随着宇宙的膨胀和哈勃视界的增大，这些最先形成的小暗物质晕会合并形成较大尺度的结构，而这些较大尺度的结构之后又会合并形成更大尺度的结构。其结果就是形成不同体积和质量的结构体系，定性上这是与观测相一致的。相反的，对于相对论性粒子，例如中微子，在物质引力成团的时期由于其运动速度过快而无法形成我们观测到的结构。因此中微子对暗物质质量密度的贡献是可以忽略的。在太阳中微子实验中对中微子质量的测量结果也支持了这一点。无碰撞指的是暗物质粒子（与暗物质和普通物质）的相互作用截面在暗物质晕中小的可以忽略不计。这些粒子仅仅依靠引力来束缚住对方，并且在暗物质晕中以一个较宽的轨道偏心律谱无阻碍的作轨道运动。
低温无碰撞暗物质（CCDM）被看好有几方面的原因。第一，CCDM的结构形成数值模拟结果与观测相一致。第二，作为一个特殊的亚类，弱相互作用大质量粒子（WIMP）可以很好的解释其在宇宙中的丰度。如果粒子间相互作用很弱，那么在宇宙最初的万亿分之一秒它们是处于热平衡的。之后，由于湮灭它们开始脱离平衡。根据其相互作用截面估计，这些物质的能量密度大约占了宇宙总能量密度的20-30%。这与观测相符。CCDM被看好的第三个原因是，在一些理论模型中预言了一些非常有吸引力的候选粒子。
其中一个候选者就是中性子（neutralino），一种超对称模型中提出的粒子。超对称理论是超引力和超弦理论的基础，它要求每一个已知的费米子都要有一个伴随的玻色子（尚未观测到），同时每一个玻色子也要有一个伴随的费米子。如果超对称依然保持到今天，伴随粒子将都具有相同的质量。但是由于在宇宙的早期超对称出现了自发的破缺，于是今天伴随粒子的质量也出现了变化。而且，大部分超对称伴随粒子是不稳定的，在超对称出现破缺之后不久就发生了衰变。但是，有一种最轻的伴随粒子（质量在100GeV的数量级）由于其自身的对称性避免了衰变的发生。在最简单模型中，这些粒子是呈电中性且弱相互作用的--是WIMP的理想候选者。如果暗物质是由中性子组成的，那么当地球穿过太阳附近的暗物质时，地下的探测器就能探测到这些粒子。另外有一点必须注意，这一探测并不能说明暗物质主要就是由WIMP构成的。现在的实验还无法确定WIMP究竟是占了暗物质的大部分还是仅仅只占一小部分。
另一个候选者是轴子（axion），一种非常轻的中性粒子（其质量在1μeV的数量级上），它在大统一理论中起了重要的作用。轴子间通过极微小的力相互作用，由此它无法处于热平衡状态，因此不能很好的解释它在宇宙中的丰度。在宇宙中，轴子处于低温玻色子凝聚状态，现在已经建造了轴子探测器，探测工作也正在进行。
CCDM存在的问题
由于综合了CCDM，标准模型在数学上是特殊的，尽管其中的一些参数至今还没有被精确的测定，但是我们依然可以在不同的尺度上检验这一理论。现在，能观测到的最大尺度是CMB（上千个Mpc）。CMB的观测显示了原初的能量和物质分布，同时观测也显示这一分布几近均匀而没有结构。下一个尺度是星系的分布，从几个Mpc到近1000个Mpc。在这些尺度上，理论和观测符合的很好，这也使得天文学家有信心将这一模型拓展到所有的尺度上。
然而在小一些的尺度上，从1Mpc到星系的尺度（Kpc），就出现了不一致。几年前这种不一致性就显现出来了，而且它的出现直接导致了"现行的理论是否正确"这一至关重要的问题的提出。在很大程度上，理论工作者相信，不一致性更可能是由于我们对暗物质特性假设不当所造成的，而不太可能是标准模型本身固有的问题。首先，对于大尺度结构，引力是占主导的，因此所有的计算都是基于牛顿和爱因斯坦的引力定律进行的。在小一些的尺度上，高温高密物质的流体力学作用就必须被包括进去了。其次，在大尺度上的涨落是微小的，而且我们有精确的方法可以对此进行量化和计算。但是在星系的尺度上，普通物质和辐射间的相互作用却极为复杂。在小尺度上的以下几个主要问题。亚结构可能并没有CCDM数值模拟预言的那样普遍。暗物质晕的数量基本上和它的质量成反比，因此应该能观测到许多的矮星系以及由小暗物质晕造成的引力透镜效应，但是目前的观测结果并没有证实这一点。而且那些环绕银河系或者其他星系的暗物质，当它们合并入星系之后会使原先较薄的星系盘变得比现在观测到得更厚。
暗物质晕的密度分布应该在核区出现陡增，也就是说随着到中心距离的减小，其密度应该急剧升高，但是这与我们观测到的许多自引力系统的中心区域明显不符。正如在引力透镜研究中观测到的，星系团的核心密度就要低于由大质量暗物质晕模型计算出来的结果。普通旋涡星系其核心区域的暗物质比预期的就更少了，同样的情况也出现在一些低表面亮度星系中。矮星系，例如银河系的伴星系玉夫星系和天龙星系，则具有与理论形成鲜明对比的均匀密度中心。流体动力学模拟出来的星系盘其尺度和角动量都小于观测到的结果。在许多高表面亮度星系中都呈现出旋转的棒状结构，如果这一结构是稳定的，就要求其核心的密度要小于预期的值。
可以想象，解决这些日益增多的问题将取决于一些复杂的但却是普通的天体物理过程。一些常规的解释已经被提出来用以解释先前提到的结构缺失现象。但是，总体上看，现在的观测证据显示，从巨型的星系团（质量大于1015个太阳质量）到最小的矮星系（质量小于109个太阳质量）都存在着理论预言的高密度和观测到的低密度之间的矛盾。
茫茫宇宙中，恒星间相互作用，做着各种各样的规则的轨道运动，而有些运动我们却找不着其作用对应的物质。因此，人们设想，在宇宙中也许存着我们看不见的物质。
20世纪30年代，荷兰天体物理学家奥尔特指出：为了说明恒星的运动，需要假定在太阳附近存在着暗物质；同年代，茨维基从室女星系团诸星系的运动的观测中，也认为在星系团中存在着大量的暗物质；美国天文学家巴柯的理论分析也表明，在太阳附近，存在着与发光物质几乎同等数量看不见的物质。
那么，太阳附近和银道面上的暗物质是些什么东西呢？天文学家认为，它们也许是一般光学望远镜观测不到的极暗弱的褐矮星或质量为木行星30～80倍的大行星。在大视场望远镜所拍摄的天空照片上已发现了暗于14星等，不到半个太阳质量的M型矮星。由于太阳位于银河系中心平面的附近，从探测到的M型矮星的数目可推算出，它们大概能提供银河系应有失踪质量的另一半。且每一颗M型星发光，最多只能有几万年。所以人们认为银河系中一定存在着许许多多的这些小恒星“燃烧”后的“尸体”，足以提供理论计算所需的全部暗物质。
观测结果和理论分析均表明漩涡星系外围存在着大质量的暗晕。那么，暗晕中含有哪些看不见的物质呢？英国天文学家里斯认为可能有三种候选者：第一种就是上面所述的小质量恒星或大行星；第二种是很早以前由超大质量恒星坍缩而成的200万倍太阳质量左右的大质量黑洞；第三种是奇异粒子，如质量可能为20～49电子伏且与电子有联系的中微子，质量为105电子伏的轴子或目前科学家所赞成的各种大统一理论所允许和需求的粒子。
欧洲核子研究中心的粒子物理学家伊里斯认为，星系晕及星系团中最佳的暗物质候选者是超对称理论所要求的S粒子。这种理论认为：每个已知粒子的基本粒子（如光子）必定存在着与其配对的粒子（如具有一定质量的光微子）。伊里斯推荐四种最佳暗物质候选者：光微子、希格斯微子、中微子和引力粒子。科学家还认为，这些粒子也是星系团之间广大宇宙空间中的冷的暗物质候选者。
到现在，已有不少天文学家认为，宇宙中90％以上的物质是以“暗物质”的方式隐藏着。但暗物质到底是些什么东西至今还是一个谜，还待于人们去进一步探索。
2006年1月6日报道，剑桥大学天文研究所的科学家们在历史上第一次成功确定了广泛分布在宇宙间的暗物质的部分物理性质。目前，从事此项研究的科学家们正准备在最近几周内将此项研究结果公开发表。
天文学家们称，根据当前一些统计资料显示，我们平常看不见的暗物质很可能占有宇宙所有物质总量的95%。
在本次这项研究中，科学家们借助强功率天文望远镜(包括架设在智利的甚大天文望远镜VLT --Very Large Telescope)对距离银河系不远的矮星系进行了共达23夜的研究，此后科学家们还通过约7000余次的计算得出结论称：在他们所观测的这些矮星系中，暗物质的含量是其它普通物质的400多倍。此外，这些矮星系中物质粒子的运动速度可达每秒9公里，其温度可达10000摄氏度。
同时科学家们还观测到，暗物质与其它普通物质还有着巨大的差异，如：尽管观测目标的温度是如此之高，但是这样的高温却不会产生任何辐射。据领导此项研究的杰里-吉尔摩教授认为，暗物质微粒很有可能不是由质子和中子构成的。然而在此之前科学家们曾一贯认为，暗物质应该是由一些“冷”粒子构成的，这些粒子的运动速度也不会太高。
暗物质研究专家们还表示，宇宙间最小的连续存在的暗物质片段大小也有1000光年，这样的暗物质片段质量约是太阳的30多倍。科学家们还在此次研究中确定出了暗物质微粒分布的密度，譬如，在地球上每立方厘米的空间如果能够容纳1023个物质粒子，那么对于暗物质来说这么大的空间只能容纳约三分之一的微粒。
早在30年代，瑞士科学家弗里兹-茨维基就设想宇宙间存在着某种不为人所知的暗物质。他还指出，星系群中的发光物质如果只依靠自身的引力将各个星系保持联接在一起，那么它们的量就必须要再增加10倍。而用来弥补这个空缺的就是看不见的重力物质，即我们今天所说的暗物质。尽管暗物质在宇宙间的储藏量比其它普通物质高出许多，但有关暗物质的性质目前科学家们尚不能给予完整的表述。
宇宙的总质量是多少？科学家是怎么计算的？
宇宙的总质量是多少？科学家是怎么计算的？
想要知道宇宙空间有多重吗？显而易见，我们不可能找到一个足够大的称。问题的答案，或许阿基米德早就给过我们提醒:“给我一个支点,我就能撬起地球上。”大伙儿无法想象宇宙尺度的概念自然，用杠杆作用那就需要称得宇宙空间的重量的几率也仅仅存在基本知识中。实际上百科辞典上已经记录了专家教授测量的一些信息数据：太阳系中的八颗大行星一片的品质是10^24至10^27Kg，而太阳光保证10^30Kg。它的天体品质大约为10^42Kg，全部可以看出宇宙的品质保证10^53Kg上下。
大伙儿无法想象这般巨大品质是什么界定。但是，专家和专家却一直坚持不懈地再一次健全这一看起来没法考虑到和不容置疑不可想象的精确精确测量。一组科研人员公布对太阳系行星品质的一份新很有可能汇报，汇报可能了包含暗能量在内的银河系的总质量。银河系的品质等同于8900亿次太阳光该资料显示，它的银河系的品质等同于8900亿次太阳光（在这其中大多数是暗能量，有且只有600亿的太阳质量来自于我们能看到的所有行星和汽体），非常大或者为1000亿次太阳光。这种信息数据很有可能看上去无法理解，但都能够上溯到一种品质而引起的作用力上。
但最初，我们应该搞清净重和质量的差别：质量和重量的实质上是两个不同的主要参数，但是它们也有密切关系，他们是由牛顿第二定律计算方法F＝ma建立起来的。依据官网界定，“净重”描述了对物件功效的知名度，它会因为重力场的改变而产生变化，可是品质并不是这样，品质也不会因为重力场的变化而产生变化，品质是稳定不变的。
那你可能会再一次问，即然作用力根本原因是吸引力，那品质是由什么引起的呢？假如我们把化学物质持续进行分割，切出再也不会分的细颗粒物，那样物质的质量应该就是这种粒子质量的结合。爱因斯坦的质能方程但是，在我们真的去这样做的时候才发现，这种品质只占宇宙空间总体质量的不上1%。那99%的品质是从哪儿来呢？进一步科学研究的过程当中，我们就需要了解一下哥白尼广义相对论的质能方程一部分，E=mc2。
这一关系式其实就告诫我们一个事：质能等额本息还款的。换句话说，质量和能量本来就是同一个物品的2个主要参数。因此一定的品质相一致一定的能量，根据E=mc2也可以进行计算。而化学物质99%的品质，来自于拘束夸克的超强力所释放出来的机械能相匹配品质。
哈勃空间望远镜升空三十周年丨宇宙边缘之外有什么？
撰文丨科林·斯图尔特
摘编丨何安安
1990年4月24日，哈勃空间望远镜发射升空，而这意味着，就在今天，它将迎来自己三十岁的生日。为了渡过这个特别的生日，从上月底开始，美国国家航空航天局
（NASA）
上线了一档特别的生日礼物——公开了366张珍贵宇宙图像。也就是说，任何人只要上其官网“生日宇宙”专题页面选择自己的出生日期，就能看到生日当天哈勃空间望远镜所拍下的宇宙图像。
人类对于宇宙的 探索 当然不止于此，在伽利略用望远镜对准天空之前，古人们已经用肉眼观测星空，并由此衍生出了纷繁复杂的 星座 图案。但在地球上观测宇宙，显然会受到大气层的极大限制。因此，在上世纪四十年代，美国天文学家莱曼·斯皮策首次提出了天空望远镜的概念。但“在地球以外进行天文观测”这一梦想，直到半个世纪以后才得以实现。
三十年前，“发现号”航天飞机将哈勃空间望远镜送入轨道，但哈勃空间望远镜回传的第一组照片成像质量远低于预期。直到1994年1月13日，经过光路修正的哈勃空间望远镜回传的一组照片，让人类世界第一次看到了清晰的河外星系，哈勃也由此正式成为天文学家观测宇宙的强有力工具。
即便是并不关心宇宙的人们，也很少有人不知道哈勃。截至目前，以星系天文学之父埃德温·哈勃命名的它，已经拍摄了数百万张最令人惊叹的遥远恒星和星系的图像。在559千米高度的低地球轨道上，这架重达11吨，轨道速度为7.5km/s，只需96分钟就能绕地球飞行一圈的哈勃空间望远镜，已经连续工作了三十年。
去年5月，哈勃太空望远镜科学家公布了最新的宇宙照片——“哈勃遗产场”
(HLF)
，这是迄今最完整最全面的宇宙图谱，由哈勃在16年间拍摄的7500张星空照片拼接而成，包含约265000个星系，其中有些已至少133亿岁“高龄”，对其进行研究有助于科学家深入了解更早的宇宙 历史 。
无论是反物质的谜团，还是偏远的恒星和星球，毫无疑问，宇宙充满了秘密。在阿普丽尔·马登编著的《飞向宇宙深处》一书中，马登邀请了一些世界顶级科学家分享他们的惊人发现和研究理论，以便人们可以进一步了解宇宙的秘密。那么，宇宙边缘之外又有些什么呢？英国皇家天文学会成员、科学及天文学作家科林·斯图尔特
(Colin Stuart)
对此展开了他的论述。
以下内容节选自阿普丽尔·马登编著的《飞向宇宙深处》一书，由科林·斯图尔特撰写，已获得出版社授权刊发。
《飞向宇宙深处》，[英]阿普丽尔·马登编著，李诗聪译，中国画报出版社2019年8月版。
在一个晴朗的夜晚，你可以在夜空中看到宇宙很远的地方。你看到的有些星离地球有超过10000光年远。比那里还要远的地方就是著名的仙女座星系，离我们银河系最近的星城，也可能是你用肉眼可以看见的最遥远的星体。仙女座与我们之间的距离远得令人难以置信，足足有250万光年远。那意味着现在从仙女座来到地球上的光已经在宇宙中长途跋涉了250万年。以光速从离我们最近星系到地球所需的时间，就可以结束整个人类 历史 了。有了双筒望远镜和天文望远镜以后，你还可以看到离家乡更远的星体。
但是这一切在哪里结束呢？甚至，真的存在所谓的终点吗？
一些天文学家相信宇宙是无限且永远存在的
“我们只是不知道。”伦敦大学学院的宇宙学家安德鲁·波岑
(Andrew Pontzen)
说道，“没有证据表明宇宙有边缘，但是我们能够看到的宇宙是有边缘的。”我们在太空中能看见的星体只是有足够时间让光到达地球。对于仙女座来说，这个时间是250万年，但是对更远的星系来说，光需要旅行的时间也会增加。有一些星系离我们非常遥远，所以从大爆炸以来的将近140亿年的时间里，那里的光还没有传到我们这里。这标志着我们可见的宇宙边缘，也就是我们可以看到的那一部分，但并不是宇宙的终点。“这就像你看不见地平线之外的东西，但是地球并不是在那里终结的。”波岑说道。因此，理论上来说，每过一天，就会带来新的光线，让我们将宇宙视界推得更远。但是，事实并不是这么简单。
宇宙边缘
“你等待的时间越长，你能够看到的地方就应该越远。”波岑说道，“然而，由于暗能量的存在，宇宙的膨胀开始明显加速。”这个加速的膨胀将让原本就离我们很遥远的一部分宇宙以更快的速度远离我们。最后，我们会到达一个时间点。在那个时间点上，我们看得见的地方就是我们最终能看见的最远的地方了。但是在可见视界外可能有些什么呢？其实很有很可能和现在看到的部分一样。
有些天文学家相信宇宙是无限的，而且可以永远存在下去，没有边缘或边界，会有更多的恒星和更多的星系。这个想法引出了一个可能令人十分不安的结论，就是在广袤的宇宙中，可能存在着很多个一模一样的你。想象一下，你有6个骰子，你把它们一起扔了100万次。这6个骰子组成的结果一共有46656种可能性，所以在你扔100万次的过程中，很有可能你可以扔出1、2、3、4、5、6这个顺序的骰子组合好几次。你可以排列组合六颗骰子的方法是有限的，同样，你可以排列组合宇宙中原子的方法也是有限的。
但在无限的宇宙中，你其实就在无限次地扔骰子。1、2、3、4、5、6的组合在100万次扔骰子的过程中很有可能会出现好几次，同样，在无限的宇宙中，你原子在你体内的“独特”组合也一定会重复出现。所以，在一个地球的复制品上，会有一个你的复制品，在读这篇文章的复制品。实际上，在一个无限的宇宙中，就会有无限个你的复制品。而且，几乎可以肯定的是，他们一定在可见的宇宙视界之外，你永远也不会遇见另一个自己。
在无限的宇宙离，有无限个地球的复制品和无限个你的复制品。
这是多元宇宙论的一个版本。其实，只要你在宇宙中走的足够远，远到宇宙自己也开始重复自己的时候，你就会得到同一样东西的好几个复制品。但是，多元宇宙论还有一个版本。它的主要支持者之一劳拉·梅尔西尼-霍顿
(Laura Mersini-Houghton)
认为，这个版本可以告诉我们更多关于宇宙边缘的信息。劳拉是北卡罗莱纳大学教堂山分校的一名理论物理学家。她不仅相信其他宇宙的存在，还认为她找到了一个邻近宇宙的证据，那个宇宙正在干扰我们的宇宙。
大爆炸的那段时期发生了什么？
这一切都和宇宙微波背景有关。宇宙微博背景是大爆炸的余晖，在138亿年前就充满了我们的整个宇宙。它是空旷空间背景的一张温度地图，告诉我们大爆炸的剩余能量是如何持续地给我们的宇宙稍加温的。这张地图包含了一些与背景温度不同的小偏差，也就是一些微小的热点或冷点。只有一个冷点并不是那么小。“它覆盖了天空中大约占了10开氏度的部分。”梅尔西尼-霍顿说道。剩下的热点或者冷点所占部分都不超过1开氏度。所以这个大冷点是哪儿来的呢？
宇宙的组成
关于大爆炸的那段时期发生了什么，有一个主要猜测提到，宇宙在一段极其短暂的时间中，经历了一个成长爆发期。在最初的10-12秒中，宇宙从一个比原子还要小得多的物质长成了一颗弹珠那么大。然后，它继续膨胀，成为了我们今天看见的宇宙。这个过程中的膨胀速度仍然很快，但是比初始阶段要从容多了。在这个起初的阶段中，扩张的速度好像“服用了类固醇”一样快，这个阶段就叫作宇宙暴胀。根据暴胀理论，宇宙微波背景中的微小温度变化就是在暴胀前期产生的微小量子波动的结果。
当宇宙突然膨胀时，这些量子波动就冻在了宇宙里。由于这些量子波动是随机的，而且大小基本相同，所以它们应该也造成了热点和冷点。因此，当出现了一块特别大的冷点时，科学家都不明白发生了什么。“在我们的预期中，宇宙微波背景会是均匀一致的，而这个发现严重地打破了我们的预期。”梅尔西尼-霍顿说道。
她提出的解释是很激进的，也根本没有被大多数科学家所接受，但是这个解释可能会帮助我们回答宇宙在哪里终结这个问题。根据暴胀理论的一个版本，这个过程不只发生了一次。“暴胀过程创造出了很多其他的宇宙，与我们的宇宙很相似。”她说道。在每一个宇宙膨胀之前，它们之间可能共享着一个量子链接。“我们顺着量子链接的这个思路调查，看看这些链接现在看上去会是什么样的。”她说道。
她的计算结果预测出了宇宙微波背景中的一个冷点。重要的是，在天文学家确认这个冷点的发现之前，梅尔西尼-霍顿和她的团队就公开了这个预测。然而，不是所有的宇宙学家都相信这个理论。“宇宙学领域达成的普遍共识是，目前的数据并不支持这个观点。”波岑说道，“在这种类型的案例中，需要非凡的证据来证实这个非凡的想法。”然而，如果梅尔西尼-霍顿是正确的话，她已经可以提出我们宇宙边缘所处的位置了。那么她的回答呢？“宇宙的边缘起码要比我们宇宙视界的边缘要远1000倍。”她说道。
宇宙 历史 时间表，从宇宙微波背景的释放，也就是宇宙中最老的光线(左)到第一批恒星和星系的形成。
她不是唯一的一个在推翻我们宇宙学思想界限的人，她也不是唯一一个对我们居住的宇宙提出可能是革命性的理解的人。康涅狄格州纽黑文大学的尼克德姆·波普罗斯基
(NikodemPoplawski)
是另一个在挑战我们已有智慧的物理学家。“根据广义相对论的说法，大爆炸是从一个奇点开始的。”波普罗斯基说道。
宇宙可能在宇宙视界以外的某个地方终结吗？
一个奇点是一个无限小、无限重的点。这个点可能在暴胀期间变成了一颗弹珠大小，然后再继续膨胀。但是宇宙的诞生不是唯一一个你会遇到奇点的地方。“掉进黑洞中的物质最后都会集中在一个奇点上。”波普罗斯基解释道。黑洞是一个引力怪兽，如果一个物体被拉入了黑洞，它将无法逃脱黑洞。他想知道黑洞最终的奇点是否真的可能变成一个初始奇点，让新的宇宙由此诞生。
奇点面临的问题是，一个无限小、密度无限高的点在物理学上说不通。怎么可能有一个东西没有大小，或者可以无限重？因此，波普罗斯基偶然发现了一种机制。在这种机制里，掉入黑洞的物体就快要形成奇点了，也就是极端小、密度极端高的一点。但是，在物质变得无限小、密度无限高之前，它会开始“弹跳”。它会弹到哪里去呢？物质不能弹出黑洞，因为按照定义，没有东西可以逃出黑洞的魔爪。“它必须去了哪里。”他说道，“在弹跳之后，它发生了爆炸，创造出新的空间，一个新的宇宙。”
黑洞底部的奇点可能是让新的宇宙诞生的种子。
当他向他的学生解释他的想法时，他用了一个从著名科幻电视剧《神秘博士》而来的比喻。“当你进入时间和空间相对维度
(TARDIS)
时，你意识到自己处在比警察电话亭要大的一个空间里。”他说道，“就像时间和空间相对维度的门是飞船的一扇门一样，黑洞就是通往新宇宙的一扇球形的门。”
所以，如果波普罗斯基是正确的话，在另一个宇宙中的一个黑洞创造出了我们的宇宙。这对我们的宇宙边缘来说有什么意义呢？“它不会有边缘。”他说道，“它会像一个球体表面一样。”比如说，地球的表面就没有边缘。如果你走出你的房子，沿着一条直线行走
(即便穿过海洋也要继续走)
，你最后会走到你开始的地方。因此，根据波普罗斯基的想法，如果你从地球开始，旅行足够远的距离，你最终会在宇宙中绕一圈，回到你的家。没有边缘，没有界限。
至今为止，我们都很难知道哪一幅画面才是对宇宙的正确描绘。宇宙可能在宇宙视界以外的某个地方终结。或者，它也可能可以永远继续下去，意味着在太空中一定会有一模一样的你。同样，我们也可能住在一个巨大的多元宇宙中，或者我们是一个黑洞在另一个宇宙中形成而产生的灾难性结果。只有通过更多的调查，更多的观测和更大量的天文数据才能得到更多答案。
然而，可以肯定的是，这个宇宙比我们现在看到的还要大得多。
本文节选自《飞向宇宙深处》，小标题为编者所加，非原文所有。已获得出版社授权刊发。
作者丨[英]科林·斯图尔特
摘编丨何安安
编辑丨张进
校对丨刘军
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