宇宙论或被改写！64亿公里外的太空，出现远超人类想象的景象

2024-07-26科学

人类不断对宇宙进行着探索，越来越多的人类航天器被发射进入宇宙，太空的面貌终于在我们面前呈现出了冰山一角。但随之而来的还有更多和宇宙相关的谜团，目前我们没有足够的能力去解答。尤其是宇宙的组成和起源，这是人类科学家一直以来都在研究的问题。

在这个过程中，由于很多数据都无法探测，所以科学家们只能采取假设和推算的方式，比如奥特星云、虫洞、戴森球等等，这都是无法证实或证伪的理论假设。

Tips：1950 年，科学家简·奥特经过精密计算发现，在冥王星轨道后约 30000 天文单位至1光年处，可能存在着一个巨大的球形星云（奥特星云），存在着一万亿颗围绕太阳运行的彗星。

现在把视线转向我们曾经为了探索宇宙而做出的努力，其中有一台相当著名的探测器，它先后飞越了木星和冥王星，为天文学家的研究提供了重要数据，这就是NASA在2006年发射的「新视野号」。新视野号在经过木星和冥王星之后，来到了宇宙更深处，让科学家们看到了几乎颠覆他们认知的景象。

新视野号的探测过程

新视野号探测器是第五个达到了离开太阳所需逃逸速度的探测器，它的主要任务其实只有一个，那就是探测冥王星和它的卫星「卡戎」共同组成的系统。在到达冥王星之前，它的轨迹会飞越木星，同时在这里收集一些木星的数据。

Tips：新视野号探测器一般指新地平线号探测器。新地平线号探测器是美国国家航空航天局NASA于2006年1月19日在肯尼迪航天中心发射升空的冥王星探测器。

2006年9月4日，新视野号拍摄了第一张木星的照片，当时两者距离大约2.91亿公里。新视野号飞越木星花费了4个月，在这段时间里，新视野号对木星进行了相当频繁的观察记录。新视野号上搭载的仪器都是使用最新技术制造的，尤其是它的摄像头，这能保证照片上呈现出的画面足够清晰。

新视野号观测木星的主要任务之一就是观察木星的大气状况、分析大气中的元素和物质构成。新视野号还观测和测量了木星上极地地区的热致雷击，以及能够代表暴风雨活动的「波浪」。同时，新视野号还在不同角度和光照条件下拍摄了木星环系统的详细图像，并且在环内发现了由于碰撞或其他无法解释的原因而留下的碎片。在木星又小又微弱的环系统中，新视野号并没有探测到卫星的存在。

Tips：木星Jupiter是距离太阳第五近的行星，也是太阳系中体积最大的行星，截至2019年已知有79颗卫星。

当新视野号从木星附近飞越时，会获得木星的重力作为辅助动力，让自身能够加速飞向终点——冥王星。在飞向冥王星的过程中，新视野号基本上都会自动调节成休眠模式。为了执行其他任务，新视野号关闭了冗余组件以及控制系统，从而减少能耗、延长自己的生命周期、降低运营成本，并且释放出深空网络信号传回地球。

早在新视野号飞越木星的过程中，它就已经拍摄到了冥王星。那是在2006年9月21日到24日，新视野号向地球传回了第一张冥王星的照片，当时和冥王星的距离大约有42亿公里。这展现了航天器追踪遥远目标的能力，对于飞越冥王星后观测其他柯伊伯带天体具有重要意义。

Tips：冥卫一Charon，常译为卡戎，也称为(134340)Pluto I，是矮行星冥王星中五颗已知天然卫星中最大的一颗。它的平均半径为606千米。

2013年7月1日到3日，新视野号拍下了第一张冥王星和卡戎同框出现的照片并传回地球。此后，它又拍摄了很多张卡戎围绕着冥王星旋转的照片，通过观察，科学家认为，卡戎旋转的轨道是一个完整的圈。2015年7月14日，在经历了漫长的宇宙旅程之后，新视野号和冥王星相遇了。在这一天，新视野号和冥王星达到了彼此之间最近的距离，大约1.25万公里。除了拍摄冥王星的近距离照片、记录它的形态和地面特征之外，新视野号还肩负着探测冥王星大气层化学成分、计算冥王星非电离大气逃逸速度的任务。

在飞越冥王星之后，新视野号已经记录下了冥王星-卡戎系统的完整科学数据，这些数据一共有6.25GB。由于受宇宙环境影响，新视野号只能以每秒1-2kb的速度传输数据。一直到大约15个月之后，这些数据才被全部下载完毕。

Tips：柯伊伯带Kuiper belt，另译柯伊伯带、古柏带，是位于太阳系的海王星轨道（距离太阳约30天文单位）外侧，在黄道面附近的天体密集圆盘状区域。

此时的新视野号依然保持着健康的运行状态，于是获得了另外一项任务，那就是在2021年之前对其他的柯伊伯带天体进行探索。在这个过程中，新视野号不断通过无线信号跟地球上的人类交流着，为我们呈现出一个未知而神秘的宇宙世界。

64亿公里外的太空有什么

当我们平时抬头仰望夜空时，也许会面对无边无际的黑暗发出惊叹。这还是我们在地面灯光和大气层的共同干扰下看到的夜空，甚至会有「夜色如墨」的说法。在大气层之外、甚至更深远的宇宙，又能够黑到什么程度呢？新视野号为我们提供了答案。

Tips：加法三原色以英文的Red,Green,Blue表示，减法三原色则为英文的青、品红、黄的缩写CMY表示，多用于美术及各种涂覆颜料和色素，称为「三原色」。

新视野号团队的托德·劳尔和他的同事使用新视野号远程侦察成像仪相机观察宇宙，以30秒的曝光在遍布恒星的银河系中的七个区域拍摄了195次。收集到的数据显示，在新视野号上观察到的天空比地球上的天空要暗10倍。与外太阳系不同，地球的表面有很多尘埃，它会将太阳光向各个方向散射，甚至向后散射。这种被灰尘散射的太阳光被称为黄道光，由于黄道光的影响，之前宇宙光学背景的相关测量都很容易出现误差。

Tips：黄道光是一些不断环绕太阳的尘埃微粒反射太阳的光而成。黄道光因行星际尘埃对太阳光的散射而在黄道面上而形成的银白色光锥，一般都呈三角形，大致与黄道面对称并朝太阳方向增强。

当科学家要测量宇宙光学背景时，他们会从测得的图像里减去所有其他已知光源的光，比如行星和星系本身的光，以及不在视野之内的恒星和星系的光。还有一些黯淡到相机无法分辨的恒星和星系发出的光，我们需要借助计算机来移除。由于新视野号身处一个无尘环境，所以这个过程能够省略一步。

但是，即使天文学家考虑了目前已知的所有产生和散射可见光的因素，在数据中仍然留下了无法解释的其他光线。实际上，我们并不清楚这些被剩下的光线是否来自未知的星系，现在所有的天文学家都认为，可能有一种我们无法观测到的光源存在。这与此前建立的宇宙模型是存在冲突的，难道说，这个发现要改写宇宙论了吗？

Tips：光源是一个物理学名词，宇宙间的物体有的是发光的，有的是不发光的，我们把能自行发光且正在发光的物体叫做光源。光源可以分为自然光源和人造光源。

随着天文学家对细节进行深入研究，日本关西学院大学的一位学者称，他在进行宇宙红外背景实验的时候也发现了这种不明来源的光，这也有可能是散射的银河光。除了这种可能之外，其他科学家还提出了多种可能来解释，比如有可能是一些没有被我们发现的恒星正在发光，或者有的恒星太过微弱，只能散发极浅的光。

Tips：恒星是由发光等离子体——主要是氢、氦和微量的较重元素——构成的巨型球体。太阳是离地球最近的恒星，而夜晚能看到的恒星，几乎都处于银河系内。

还有人提出了一种令人震惊的假设：宇宙空间之所以会比我们此前认为的要更明亮，是因为暗物质的存在。他们认为，暗物质的衰变产生了光线，而我们目前是无法探测到暗物质的，自然也就找不到这些光线的来源。

宇宙中的暗物质

宇宙物质又称为重子物质，由质子、中子和电子组成，暗物质可能由重子或非重子物质构成。科学家通过计算表明，如果宇宙中不包含大量看不见的物质，那么许多星系和天体都会飞散，或者它们根本就不会形成。根据我们目前的观测结果，宇宙中的可见物质太少，无法满足理论中观测所需的比例，只有假设暗物质存在，且在宇宙中占到了80%左右，才能够解释宇宙现在的状态。

Tips：目前，科学家认为不可能是暗物质的天体包括暗褐矮星、白矮星和中子星，还包括那些超大质量黑洞。

通过那些我们能够观察到的物体，我们可以在它们身上看到暗物质发生的作用，从而推断出暗物质存在的一些特性。首先，暗物质不仅仅是我们无法探测到的普通物质，它在诞生之初就不能是由正常物质构成的。然后，暗物质本不能与自身、光或其他正常物质发生太多相互作用。最后，暗物质不是反物质，因为反物质与物质湮灭时不会产生独特的伽马射线。除此之外，暗物质还会产生引力透镜效应，比如两个星系碰撞时，星际气体和等离子体碰撞后升空，如果用引力透镜进行观察，就能看到一条偏折的光线。

Tips：反物质是正常物质的反状态。当正反物质相遇时，双方就会相互湮灭抵消，发生爆炸并产生巨大能量。

上个世纪20年代，天文学家就假设宇宙中真实存在的物质比我们肉眼所见的要多。从那时起，支持暗物质理论的人不断增加，虽然没有发现暗物质的直接证据，但根据近年的研究结果来看，暗物质的存在具有极大可能性。

被认为最有可能是暗物质的一个粒子是弱相互作用大质量粒子，它的质量是质子的10到100倍，但我们非常难检测到这种粒子，因为它与其他物质的相互作用非常微弱，这也是暗物质的特性之一。另一个重要的可能粒子是中轻微子，现在已经有证据证明，尽管中微子比起其他粒子非常微小，但实际上它也是具有质量的。这两种粒子都是只在理论中存在、没有被发现的粒子。

Tips：弱相互作用（又称弱力或弱核力）是自然的四种基本力中的一种，其余三种为强核力、电磁力及万有引力。

提到暗物质就不得不提到暗能量。虽然暗物质在宇宙物质中占据很大一部分，但它只占宇宙总成分的四分之一左右，宇宙中的能量以暗能量为主。在宇宙大爆炸后期，整个宇宙开始向外扩张，科学家们曾经认为它最终会耗尽能量，随着重力作用把内部的物质聚集到一起，之后它的速度就会减慢。但是对遥远的超新星进行研究之后，科学家发现，现在的宇宙比过去膨胀得更快，也就是说，宇宙的膨胀正在加速。只有当宇宙中存在足够的能量来克服重力时，才有可能出现这样的现象，否则，我们无法解释这些让宇宙加速膨胀的能量从何而来。

Tips：暗能量是驱动宇宙运动的一种能量。它和暗物质都不会吸收、反射或者辐射光，所以人类无法直接使用现有的技术进行观测。

目前我们还不知道暗物质到底是由一种什么样的粒子组成的，我们甚至无法确定它是不是由粒子组成的。而且，我们也不知道暗物质是和宇宙同时诞生的，还是在此后的某个时间节点出现的。如果暗物质真的存在，那么它是永恒不变的，还是会发生衰变？这一切的一切都只能留给时间去解答，说不定，连时间都没办法解答。

小结

这次新视野号观测到的宇宙光学背景和宇宙论中的假设不同，宇宙中的亮度比人们预想的要亮得多，这再一次引起了人们对暗物质的热烈讨论。暗物质是宇宙中最神秘、最普遍的物质之一。

Tips：暗物质Dark matter，是理论上提出的可能存在于宇宙中的一种不可见的物质，它可能是宇宙物质的主要组成部分，但又不属于构成可见天体的任何一种已知的物质。

像我们人类、人类生活的地球、为地球带来热量的太阳，还有那些在太空中能够发射或吸收光的一切事物，都是由正常物质构成的，包括质子、中子、电子等极其微小的粒子。这些正常物质在宇宙里只占所有质量的六分之一，剩下的绝大多数是暗物质。

至今为止，我们仍然没能在实验室中检测或是发现暗物质的存在。不过，暗物质是解决宇宙起源和发展的关键，这可以说是天文学界最伟大也最难解的一个谜团，因此，科学家们依然对相关研究保持着高涨的热情，持续不断地对暗物质及其相关内容进行着研究探索。