宇宙論或被覆寫！64億公裏外的太空，出現遠超人類想象的景象

2024-07-26科學

人類不斷對宇宙進行著探索，越來越多的人類航天器被發射進入宇宙，太空的面貌終於在我們面前呈現出了冰山一角。但隨之而來的還有更多和宇宙相關的謎團，目前我們沒有足夠的能力去解答。尤其是宇宙的組成和起源，這是人類科學家一直以來都在研究的問題。

在這個過程中，由於很多數據都無法探測，所以科學家們只能采取假設和推算的方式，比如奧特星雲、蟲洞、戴森球等等，這都是無法證實或證偽的理論假設。

Tips：1950 年，科學家簡·奧特經過精密計算發現，在冥王星軌域後約 30000 天文單位至1光年處，可能存在著一個巨大的球形星雲（奧特星雲），存在著一萬億顆圍繞太陽執行的彗星。

現在把視線轉向我們曾經為了探索宇宙而做出的努力，其中有一台相當著名的探測器，它先後飛越了木星和冥王星，為天文學家的研究提供了重要數據，這就是NASA在2006年發射的「新視野號」。新視野號在經過木星和冥王星之後，來到了宇宙更深處，讓科學家們看到了幾乎顛覆他們認知的景象。

新視野號的探測過程

新視野號探測器是第五個達到了離開太陽所需逃逸速度的探測器，它的主要任務其實只有一個，那就是探測冥王星和它的衛星「卡戎」共同組成的系統。在到達冥王星之前，它的軌跡會飛越木星，同時在這裏收集一些木星的數據。

Tips：新視野號探測器一般指新地平線號探測器。新地平線號探測器是美國太空總署NASA於2006年1月19日在堅尼地航天中心發射升空的冥王星探測器。

2006年9月4日，新視野號拍攝了第一張木星的照片，當時兩者距離大約2.91億公裏。新視野號飛越木星花費了4個月，在這段時間裏，新視野號對木星進行了相當頻繁的觀察記錄。新視野號上搭載的儀器都是使用最新技術制造的，尤其是它的網絡攝影機，這能保證照片上呈現出的畫面足夠清晰。

新視野號觀測木星的主要任務之一就是觀察木星的大氣狀況、分析大氣中的元素和物質構成。新視野號還觀測和測量了木星上極地地區的熱致雷擊，以及能夠代表暴風雨活動的「波浪」。同時，新視野號還在不同角度和光照條件下拍攝了木星環系統的詳細影像，並且在環內發現了由於碰撞或其他無法解釋的原因而留下的碎片。在木星又小又微弱的環系統中，新視野號並沒有探測到衛星的存在。

Tips：木星Jupiter是距離太陽第五近的行星，也是太陽系中體積最大的行星，截至2019年已知有79顆衛星。

當新視野號從木星附近飛越時，會獲得木星的重力作為輔助動力，讓自身能夠加速飛向終點——冥王星。在飛向冥王星的過程中，新視野號基本上都會自動調節成休眠模式。為了執行其他任務，新視野號關閉了冗余元件以及控制系統，從而減少能耗、延長自己的生命周期、降低營運成本，並且釋放出深空網絡訊號傳回地球。

早在新視野號飛越木星的過程中，它就已經拍攝到了冥王星。那是在2006年9月21日到24日，新視野號向地球傳回了第一張冥王星的照片，當時和冥王星的距離大約有42億公裏。這展現了航天器追蹤遙遠目標的能力，對於飛越冥王星後觀測其他凱伯帶天體具有重要意義。

Tips：冥衛一Charon，常譯為卡戎，也稱為(134340)Pluto I，是矮行星冥王星中五顆已知天然衛星中最大的一顆。它的平均半徑為606千米。

2013年7月1日到3日，新視野號拍下了第一張冥王星和卡戎同框出現的照片並傳回地球。此後，它又拍攝了很多張卡戎圍繞著冥王星旋轉的照片，透過觀察，科學家認為，卡戎旋轉的軌域是一個完整的圈。2015年7月14日，在經歷了漫長的宇宙旅程之後，新視野號和冥王星相遇了。在這一天，新視野號和冥王星達到了彼此之間最近的距離，大約1.25萬公裏。除了拍攝冥王星的近距離照片、記錄它的形態和地面特征之外，新視野號還肩負著探測冥王星大氣層化學成分、計算冥王星非電離大氣逃逸速度的任務。

在飛越冥王星之後，新視野號已經記錄下了冥王星-卡戎系統的完整科學數據，這些數據一共有6.25GB。由於受宇宙環境影響，新視野號只能以每秒1-2kb的速度傳輸數據。一直到大約15個月之後，這些數據才被全部下載完畢。

Tips：凱伯帶Kuiper belt，另譯凱伯帶、古柏帶，是位於太陽系的海王星軌域（距離太陽約30天文單位）外側，在黃道面附近的天體密集圓盤狀區域。

此時的新視野號依然保持著健康的執行狀態，於是獲得了另外一項任務，那就是在2021年之前對其他的凱伯帶天體進行探索。在這個過程中，新視野號不斷透過無線訊號跟地球上的人類交流著，為我們呈現出一個未知而神秘的宇宙世界。

64億公裏外的太空有什麽

當我們平時擡頭仰望夜空時，也許會面對無邊無際的黑暗發出驚嘆。這還是我們在地面燈光和大氣層的共同幹擾下看到的夜空，甚至會有「夜色如墨」的說法。在大氣層之外、甚至更深遠的宇宙，又能夠黑到什麽程度呢？新視野號為我們提供了答案。

Tips：加法三原色以英文的Red,Green,Blue表示，減法三原色則為英文的青、品紅、黃的縮寫CMY表示，多用於美術及各種塗覆顏料和色素，稱為「三原色」。

新視野號團隊的托德·勞爾和他的同事使用新視野號遠端偵察成像儀相機觀察宇宙，以30秒的曝光在遍布恒星的銀河系中的七個區域拍攝了195次。收集到的數據顯示，在新視野號上觀察到的天空比地球上的天空要暗10倍。與外太陽系不同，地球的表面有很多塵埃，它會將太陽光向各個方向散射，甚至向後散射。這種被灰塵散射的太陽光被稱為黃道光，由於黃道光的影響，之前宇宙光學背景的相關測量都很容易出現誤差。

Tips：黃道光是一些不斷環繞太陽的塵埃微粒反射太陽的光而成。黃道光因行星際塵埃對太陽光的散射而在黃道面上而形成的銀白色光錐，一般都呈三角形，大致與黃道面對稱並朝太陽方向增強。

當科學家要測量宇宙光學背景時，他們會從測得的影像裏減去所有其他已知光源的光，比如行星和星系本身的光，以及不在視野之內的恒星和星系的光。還有一些黯淡到相機無法分辨的恒星和星系發出的光，我們需要借助電腦來移除。由於新視野號身處一個無塵環境，所以這個過程能夠省略一步。

但是，即使天文學家考慮了目前已知的所有產生和散射可見光的因素，在數據中仍然留下了無法解釋的其他光線。實際上，我們並不清楚這些被剩下的光線是否來自未知的星系，現在所有的天文學家都認為，可能有一種我們無法觀測到的光源存在。這與此前建立的宇宙模型是存在沖突的，難道說，這個發現要覆寫宇宙論了嗎？

Tips：光源是一個物理學名詞，宇宙間的物體有的是發光的，有的是不發光的，我們把能自行發光且正在發光的物體叫做光源。光源可以分為自然光源和人造光源。

隨著天文學家對細節進行深入研究，日本關西學院大學的一位學者稱，他在進行宇宙紅外背景實驗的時候也發現了這種不明來源的光，這也有可能是散射的銀河光。除了這種可能之外，其他科學家還提出了多種可能來解釋，比如有可能是一些沒有被我們發現的恒星正在發光，或者有的恒星太過微弱，只能散發極淺的光。

Tips：恒星是由發光等離子體——主要是氫、氦和微量的較重元素——構成的巨型球體。太陽是離地球最近的恒星，而夜晚能看到的恒星，幾乎都處於銀河系內。

還有人提出了一種令人震驚的假設：宇宙空間之所以會比我們此前認為的要更明亮，是因為暗物質的存在。他們認為，暗物質的衰變產生了光線，而我們目前是無法探測到暗物質的，自然也就找不到這些光線的來源。

宇宙中的暗物質

宇宙物質又稱為重子物質，由質子、中子和電子組成，暗物質可能由重子或非重子物質構成。科學家透過計算表明，如果宇宙中不包含大量看不見的物質，那麽許多星系和天體都會飛散，或者它們根本就不會形成。根據我們目前的觀測結果，宇宙中的可見物質太少，無法滿足理論中觀測所需的比例，只有假設暗物質存在，且在宇宙中占到了80%左右，才能夠解釋宇宙現在的狀態。

Tips：目前，科學家認為不可能是暗物質的天體包括暗褐矮星、白矮星和中子星，還包括那些超大質素黑洞。

透過那些我們能夠觀察到的物體，我們可以在它們身上看到暗物質發生的作用，從而推斷出暗物質存在的一些特性。首先，暗物質不僅僅是我們無法探測到的普通物質，它在誕生之初就不能是由正常物質構成的。然後，暗物質本不能與自身、光或其他正常物質發生太多相互作用。最後，暗物質不是反物質，因為反物質與物質湮滅時不會產生獨特的Gamma射線。除此之外，暗物質還會產生重力透鏡效應，比如兩個星系碰撞時，星際氣體和等離子體碰撞後升空，如果用重力透鏡進行觀察，就能看到一條偏折的光線。

Tips：反物質是正常物質的反狀態。當正反物質相遇時，雙方就會相互湮滅抵消，發生爆炸並產生巨大能量。

上個世紀20年代，天文學家就假設宇宙中真實存在的物質比我們肉眼所見的要多。從那時起，支持暗物質理論的人不斷增加，雖然沒有發現暗物質的直接證據，但根據近年的研究結果來看，暗物質的存在具有極大可能性。

被認為最有可能是暗物質的一個粒子是弱相互作用大質素粒子，它的質素是質子的10到100倍，但我們非常難檢測到這種粒子，因為它與其他物質的相互作用非常微弱，這也是暗物質的特性之一。另一個重要的可能粒子是中輕微子，現在已經有證據證明，盡管微中子比起其他粒子非常微小，但實際上它也是具有質素的。這兩種粒子都是只在理論中存在、沒有被發現的粒子。

Tips：弱相互作用（又稱弱力或弱核力）是自然的四種基本力中的一種，其余三種為強核力、電磁力及萬有重力。

提到暗物質就不得不提到暗能量。雖然暗物質在宇宙物質中占據很大一部份，但它只占宇宙總成分的四分之一左右，宇宙中的能量以暗能量為主。在宇宙大爆炸後期，整個宇宙開始向外擴張，科學家們曾經認為它最終會耗盡能量，隨著重力作用把內部的物質聚集到一起，之後它的速度就會減慢。但是對遙遠的超新星進行研究之後，科學家發現，現在的宇宙比過去膨脹得更快，也就是說，宇宙的膨脹正在加速。只有當宇宙中存在足夠的能量來克服重力時，才有可能出現這樣的現象，否則，我們無法解釋這些讓宇宙加速膨脹的能量從何而來。

Tips：暗能量是驅動宇宙運動的一種能量。它和暗物質都不會吸收、反射或者輻射光，所以人類無法直接使用現有的技術進行觀測。

目前我們還不知道暗物質到底是由一種什麽樣的粒子組成的，我們甚至無法確定它是不是由粒子組成的。而且，我們也不知道暗物質是和宇宙同時誕生的，還是在此後的某個時間節點出現的。如果暗物質真的存在，那麽它是永恒不變的，還是會發生衰變？這一切的一切都只能留給時間去解答，說不定，連時間都沒辦法解答。

小結

這次新視野號觀測到的宇宙光學背景和宇宙論中的假設不同，宇宙中的亮度比人們預想的要亮得多，這再一次引起了人們對暗物質的熱烈討論。暗物質是宇宙中最神秘、最普遍的物質之一。

Tips：暗物質Dark matter，是理論上提出的可能存在於宇宙中的一種不可見的物質，它可能是宇宙物質的主要組成部份，但又不屬於構成可見天體的任何一種已知的物質。

像我們人類、人類生活的地球、為地球帶來熱量的太陽，還有那些在太空中能夠發射或吸收光的一切事物，都是由正常物質構成的，包括質子、中子、電子等極其微小的粒子。這些正常物質在宇宙裏只占所有質素的六分之一，剩下的絕大多數是暗物質。

至今為止，我們仍然沒能在實驗室中檢測或是發現暗物質的存在。不過，暗物質是解決宇宙起源和發展的關鍵，這可以說是天文學界最偉大也最難解的一個謎團，因此，科學家們依然對相關研究保持著高漲的熱情，持續不斷地對暗物質及其相關內容進行著研究探索。