宇宙邊緣是什麼 宇宙外面是什麼

宇宙邊緣是什麼？如果把人類觀測到的130多億光年當成宇宙邊緣，那似乎有點看不清宇宙了！ 望遠鏡改變了人類認識自己和認識自然的方式。隨著一架比一架更先進的望遠鏡的問世，人類看得更遠，知道的也更多。現在，就讓我們來回顧一下充滿趣味的望天曆程，並且在此過程中——八層樓高的巨型門滑開，一雙巨大的「眼睛」將它的「目光」投向太空最深處——這就是大名鼎鼎的「大型雙筒望遠鏡」。作為地球上最強大的望遠鏡之一，位於美國亞利桑那州的這架大型雙筒望遠鏡價值超過1.2億美元，它那直徑超過8米的鏡子能搜集到只有人眼可見光強度的百萬分之一甚至千萬分之一的光線。這架600噸重的機械望遠鏡的能見距離超過130億光年，也就是我們所在宇宙的最邊緣。

宇宙的邊緣是什麼

像大型雙筒望遠鏡這樣的超級望遠鏡能拍攝到天空中哪怕最黑暗角落的實時圖像。從這些圖像上我們可以看到。如巨浪翻滾的氣體和塵埃雲正在與超音速風搏鬥，其搏鬥場景被成千上萬顆充滿活力的新生恆星點亮。這些高達92萬億千米的巨型雲團其實正是「恆星產房」，它們是恆星群誕生的地方。

突然，一顆恆星的爆發性死亡發出的超熱氣體以每秒上千千米的速度撕裂太空；與此同時，在遙遠星系中，一個超大質量黑洞——宇宙中最神秘的物體之——正在發出不可見的能量射流。藉助高科技的望遠鏡，無論是對恆星爆發產生的超熱氣體，還是對超大質量黑洞發出的能量射流，天文學家都能為其拍攝照片。

自第—架望遠鏡於17世紀誕生以來，短短几百年間望遠鏡已經改變了人類認識自己和認識自然的方式。隨著一架比一架更先進的望遠鏡的問世，人類看得更遠，知道的也更多。

認識太陽系

關鍵角色：伽利略

1609年夏天，義大利數學教授伽利略·加里雷正在完成自己的一項發明，那是一架被叫做「望遠鏡」的東西。在古希臘文中，這個名詞的意思是「能看見遠處的東西」。很快，他的新發明像野火燎原一樣蔓延整個歐洲。

當時，在荷蘭的一個小鎮，眼鏡製造者在製作精確的透鏡時發現，假如把兩類不同的透鏡以相隔合適的距離放置，就能產生令人吃驚的光學效果——這兩面透鏡起著放大遠處物體的作用。伽利略立即意識到了這一發現的潛在意義。他利用這個原理製作出了可見距離為人眼可見距離8倍的望遠鏡。很快，成尼斯軍隊買下這架望遠鏡，用來監視敵人的船隊。接著，伽利略又將望遠鏡對準太空，從而開始了一場革命。在伽利略之前，所有天文學家都認為天宇就是他們裸眼能看見的一切——星星和月亮。他們用肉眼看到，天空中有5顆星有時比其他星星都亮，如果連續數夜觀察，這5顆星在其他群星的背景上移動，並且這5顆星時而可見時而不可見。

他們稱這5顆星為「行星」，這個名字在希臘文中是「流浪者」之意。其中，金星被稱為晚星，它總是在日落時分掠過地平線；火星亮得有些發紅；木星和土星比周圍的星星都亮。我們現在已經知道這些「流浪」的星星實際上都是像地球一樣的行星，但在伽利略時代，每個人都相信這5顆星只不過是一般的星星。宇宙中只有一個世界，那就是地球，地球是宇宙的中心，白天太陽圍著地球轉，月球和其他星星則在漫漫長夜裡以巨大的勒軌道繞地球打轉。

然而，伽利略向人們證明：這不過是錯覺而已。當伽利略開始用望遠鏡觀察月球時，人們已知的世界秩序也就開始被打破。在舊的宇宙學中，所有的天體都是完美無缺的，月球是一個天體，因而它在人們眼中也是完美的。但是，穿越40萬千米的太空，伽利略所看到的月球遠不如他所期望的那樣平滑——月球表面實際上布滿瘡痍，到處是隕擊坑和峽谷。

既然在月球上並不鮮見地球地貌，那麼地球在宇宙中自然也就算不上獨一無二了。這還只是一個開端。接下來，伽利略將望遠鏡瞄準了木星——「流浪的星星」之一。裸眼看去，木星是一顆明亮的星，確切說是一個光點。透過伽利略的望遠鏡看去，所有其他星星都只是光點，而木星突然變成了一個大得多的圓盤。儘管望遠鏡的鏡頭質量不佳，無法看清木星的真面目，但根據透過望遠鏡所看到的模糊不清且搖晃厲害的木星圖像，伽利略做出了一個偉大的結論：木星一定是球形的另一個世界(也就是我們今天所說的另一顆行星)。

在木星周圍，伽利略有了更驚人的發現。他透過望遠鏡看見，木星旁邊還有兩到四顆星，它們就像小鴨跟在木星這個「大鴨」的後面。夜復一夜，伽利略注意到這些新星的位置不斷變動。在觀察這些「小鴨」一兩周之後，伽利略意識到它們其實是環繞木星的衛星(木衛)。伽利略知道自己獲得了重大發現，並且把這些發現寫在了他出版的《星之信使》一書中。

然而，更大的發現還在後面——伽利略的觀察記錄將永遠改變人類的宇宙觀。伽利略當時觀察到，金星在一個月里不斷地改變其形狀和大小。具體而言，伽利略發現，金星每個星期都在改變，從一個大新月形變成一個小圓盤，接著陰影再次爬上金星，讓它又回復到大新月形。伽利略認為，他在金星上看到的陰影只可能意味著一件事：金星在圍繞太陽運行。這就是說，與當時人們的信仰—每個天體都圍繞地球轉不同，地球不再是宇宙的中心。

對於伽利略的這些發現，當時的羅馬天主教會非常不滿，因為教會向人們灌輸的觀點是：上帝把人類放在地球上，也就是放在了創世的正中心。以太陽為中心的宇宙挑戰了教會的權威，教會對此當然不能容忍。然而，伽利略對太陽系的認識是完全正確的，他的發現永久性地改變了世界。

探索土星環

關鍵角色：「卡西尼號」

今天，望遠鏡以當年伽利略只能夢想的細節向我們展示了太陽系：太陽表面的爆發威力高達1000萬億噸梯恩梯；木星表面的大紅斑實際上是一個超巨型風暴渦旋，它大得足以吞沒三個地球；在木星的衛星伊娥(木衛一)表面，火山將氣體和塵埃噴進太空；在火星上，有一個比地球上著名的大峽谷(位於美國西部亞利桑那州西北部的凱巴布高原上。全長446千米，平均谷深1600米)深6倍的峽谷，有一座比珠穆朗瑪峰高3倍的火山；在金星大氣洶湧起伏的硫酸雲之下，山脈自金星的岩石表面崛起；在太陽系的邊緣，由岩石和冰構成的矮行星正環繞太陽運行。

不過，有一顆行星一直充滿謎團，就連最先進的望遠鏡也不能破解它的秘密，這就是土星和它的環系統。伽利略是首先看出土星與眾不同的人，他觀察到土星有兩隻奇異的「耳朵」，並推測它們是土星的衛星。後來的天文學家看出，這兩隻「耳朵」實際上是一條環繞土星的巨大扁平環。再後來，有一個人發現，這個大環其實是由多個同心環組成的。此人就是在義大利出生的法國天文學家喬凡尼·卡西尼。

現在，一項以卡西尼的名字命名的探測計劃——美國宇航局的「卡西尼任務」正在實施中，其目的是查明為什麼土星會有環，以及土星環是由什麼構成的。在「卡西尼號」飛船前往伽利略時代太陽系中最遠的衛星——土星的過程中，飛船藉助木星巨大的引力拉動使自己朝著目的地方向彈射出數百萬千米。藉助木星的引力，「卡西尼號」的速度高達每小時11萬千米以上，即使這樣。這艘飛船還是花了7年時間才抵達距離地球遠達15億千米的土星。接著，它下潛穿過土星的外環，進入環繞土星的軌道。

從「卡西尼號」拍攝的土星環照片上看，土星環好像是完整的固體，但實際上土星環是由數十億塊冰和岩石構成的，這些冰和岩石的大小從一粒沙到一幢房子都有，它們散落在寬達數十萬千米的範圍內。問題是，這些東西是從哪裡來的呢?「卡西尼號」攜帶的望遠鏡的觀測結果證實，土星環的內環是由隕星碰撞土星的衛星(土衛)，從土衛表面彈射出的材料構成的。不過，土星最外環的來源一直還是謎。

由「卡西尼號」拍攝的圖像顯示，土星最外環與最內環不同，是由微粒構成的，看上去就像是鬼魅的霧。天文學家懷疑冰質的土衛二——恩克拉多斯可能是這團霧的來源，但這中間的具體機制卻無人知曉。不過，他們通過「卡西尼號」的望遠鏡看到了一個前所未見的現象：巨大的蒸氣柱自恩克拉多斯表面的裂縫噴涌而出，高度達數百千米。這些蒸氣柱會不會正是土星外環的來源呢?為找到答案， 「卡西尼號」做了一件很了不起的事：直接飛到蒸氣柱中，用它搭載的探測器「品嘗」了蒸氣柱的「味道」。在地球上的任務控制中心裡，天文學家緊張地分析「卡西尼號」發回的數據。結果顯示，恩克拉多斯噴出的蒸氣是由冰、鹽和氨組成的，同土星外環的成分完全一致。這就確鑿地證明了恩克拉多斯噴出的蒸氣柱正是土星外層霧環的來源。

這真是—個重大發現。「卡西尼號」搭載的空間望遠鏡正在破解困擾了天文學家幾個世紀的土星環之謎。今天的望遠鏡正望向越來越深的太空，以發現伽利略或許從未想見的秘密。但是，為了捕捉到清晰的太空圖像，望遠鏡不得不經過了深刻的變革才發展到今天的地步。

革新望遠鏡

關鍵角色：牛頓

這場變革的第一步是盡量增加望遠鏡的長度。讓我們回到17世紀50年代。早期望遠鏡的一個主要問題是影像模糊，原因在於透鏡的形狀。當用一個強彎曲度的鏡頭來折射光線時，光線不能全部彙集到一個點，因而影像模糊；此外，一些光線的顏色可能出現分色——彩虹色，這也會扭曲圖像。

盡量避免模糊與彩虹色的唯一方法就是使用更薄的透鏡，透鏡的彎曲度也應更小，但這樣一來光線的聚焦點就遠離了透鏡，結果是折射望遠鏡的放大倍數越大則望遠鏡的長度也就越長。到了大約1660年，望遠鏡的放大倍數已增加到50—100倍，與此同時，望遠鏡的長度也達到了荒謬的程度：最長竟超過45米，也就是相當於一個橄欖球場的—半長度了。

如此笨重的望遠鏡的確效果更好，但天文學家希望看到更多的細節，而這些望遠鏡依然無法消除彩虹色。接著，最偉大的科學巨匠之一伊薩克·牛頓開始著手解決這個難題。他關注的是光線本身。牛頓發現，白光其實是由所有不同顏色的光組成的，這些顏色共同構成了彩虹色。當白光透過一面玻璃稜鏡時它會折射分解成彩虹色，這就是天文學家碰到的透鏡望遠鏡難題的根源。於是牛頓想到：好了，我們必須全盤拋棄折射望遠鏡，因為它已到窮途末路，我要設計出新型望遠鏡，它不能使用透鏡。

牛頓在他的新型望遠鏡上使用的是鏡子，他堅信鏡子照樣能達到並超過折射望遠鏡的效果，這是因為當鏡面彎曲時一樣能讓光線聚焦。實際上，用這樣的鏡子聚焦陽光的確能點燃紙張。但鏡子和透鏡有一個本質的區別：光線從鏡子表面反射，而不是穿越鏡子，因而就避免了彩虹色。牛頓製作了一架小小的鏡面望遠鏡，其長度不到20厘米。他將一面直徑僅為3.8厘米的彎曲的鏡子安裝於望遠鏡鏡筒的底端，來自天宇的光線進入鏡筒，到達彎曲的鏡面並反射，接著再到達一個不彎曲的鏡面並反射，最終聚焦於目鏡。這麼一架小小的鏡面望遠鏡，同長度超過120厘米的透鏡望遠鏡效果一樣好。

牛頓運用鏡子製作望遠鏡，一舉消除了彩虹色這個自伽利略時代以來一直困擾著望遠鏡的難題。今天，望遠鏡從分布於世界各地的天文台望向太空。不斷擴展人類的宇宙視野，捕捉髮射於幾十億年前並穿越我們所在宇宙的光線。所有這些望遠鏡都依賴於形狀完美的大型鏡子，而製造出這些鏡子是精密工程學的豐功偉績。

在美國亞利桑那大學的足球場的地面下深處，是一個高科技鏡子實驗室。在那裡，玻璃塊在巨大的熔爐中於1100℃以上的高溫下被熔化，這一溫度相當於火山熔岩的溫度。接著，熾熱的玻璃液被旋進超光滑的彎曲碟子中。20噸重的碟形冷卻玻璃接下來被用直徑不到人髮絲的粉末進行打磨，以製作精確的形狀。

最終，覆上一層厚度僅為100納米的極薄的鋁膜，玻璃碟就變成了鏡子。亞利桑那大型雙筒望遠鏡的鏡面就是這樣製成的。其中每個鏡面的直徑超過8.5米，面積是牛頓製作的第一面鏡子的64000倍，能夠捕捉來自數十億光年距離以外的光線。

回溯到牛頓時代，要想製造形狀正好的大型鏡子真是難上加難。在牛頓之後100年，一個新的先驅重拾起牛頓的革命性設計，並將它加以革新。這個人就是英國單簧管演奏家兼業餘天文學家威廉·赫歇爾。雖然身為音樂家和作曲家，赫歇爾的真正興趣卻在天文學，他有一個雄心壯志，就是使用大型的牛頓式鏡面望遠鏡望向更深的太空，要比所有前人都望得更遠。

發現天王星

關鍵角色：赫歇爾

為了看見當時其他望遠鏡都看不見的最微弱的星星，赫歇爾需要更大的望遠鏡。然而，在赫歇爾時代，製作大型曲面鏡仍是一大技術挑戰。當時玻璃鏡子尚未問世，鏡子仍然使用金屬來製作。赫歇爾在他的地窖里用熔化的錫和銅來鑄造金屬碟，這是製造金屬反射鏡的第一步。為了將冷卻後的平面金屬碟變成閃光的曲面，赫歇爾不厭其煩、不辭辛苦地純手工打磨金屬碟，直到其形狀恰好能形成圖像。這就是反射鏡面，是鏡面望遠鏡最寶貴的部件。

運用這樣的望遠鏡，赫歇爾在200多年前取得了一個革命性的發現。1781年。赫歇爾透過自己製作的鏡面望遠鏡夜復一夜地望向蒼穹，在他身旁是他的妹妹卡洛琳，她記錄他們觀測到的所有結果，最終自己也成了著名天文學家。那一年的3月13日，赫歇爾透過望遠鏡看到一個他們此前從未記錄過的天體——一顆看似在群星背景上移動的非常暗弱的星，這顆「流浪之星」就是天王星。

自有一整套環的天王星，大小是地球的63倍，但人用裸眼幾乎看不見它，在赫歇爾之前無人記錄過顆行星。天王星距離太陽30億千米(這是土星與太陽之間距離的兩倍)，也是當時所知最遠的行星。可以說，一夜之間，赫歇爾就把太陽系擴大了一倍。這一發現激發了人們尋找行星的狂熱潮流，也使全球望遠鏡越來越先進，這一趨勢持續至今也不停歇。

在美國夏威夷的死火山莫納克亞山巔，黃昏的太陽正在降下。凱克天文台的巨型圓頂開啟，10米直徑的望遠鏡望向太空。喬夫·馬西是全球最頂尖的「行星獵人」之一，他正運用凱克望遠鏡尋找太陽系中除地球之外的行星。仰望夜空，你會看見成千上萬個閃爍的光點，它們是像太陽一樣的恆星，像馬西一樣的「行星獵人」相信，其中許多恆星都可能像太陽一樣擁有自己的行星。

然而，要想尋找太陽系以外的行星就像大海撈針一樣難。尋星望遠鏡直到1995年才在這方面有了突破：它們觀察到一顆很平常的恆星正在輕微晃動，這意味著某種引力正在拉動恆星，而這正是一顆不可見的行星存在的證據。環繞這顆恆星的行星就是飛馬座51b星。這顆太陽系外的行星的發現，在人類歷史上真是一個重大事件，因為它向我們首次證明太陽系之外照樣存在行星，其中說不定還有像地球一樣的生命之星。

從那以來，全球天文學家已經發現了超過400顆太陽系以外的行星存在的證據。不過，其中大多是像木星那樣的氣態巨行星，它們在過於靠近母恆星的軌道上運行，因而不可能支持生命。而找到另一顆支持生命的行星，才是「行星獵人」的真正目標。生命之星必須溫度適宜，有液態水或其他液態物質，還必須滿足其他一些基本條件。而要有像人一樣的智慧生命，則條件更為苛刻。

尋找像地球這樣個頭較小的岩石行星絕非易事。現在讓我們來看美國宇航局的一類全新的空間望遠鏡——「開普勒號」。發射「開普勒號」的目的，正是為了尋找在某些方面同地球相似的行星一類地行星。具體而言，在「開普勒號」的3年任務期里，它要尋找和地球一般大小、環繞其他恆星運行的行星。「開普勒號」計劃搜集來自銀河系中10萬顆恆星的光線，在其中查找其他行星世界的線索。

測量星光的一個重要思路，就是當行星從正面經過其母恆星時，會遮擋恆星的很小一部分光線，因此恆星會略微變暗一點。也就是說，只要觀測到這種變化，就可間接證明行星的存在。運用這一思路，「開普勒號」已經發現了多顆太陽系之外的行星。雖然它至今未找到一顆類地行星。但天文學家相信這只是時間問題，也許再過幾年就會找到另一個像地球一樣的生命家園。

儘管「開普勒號」要觀望多達10萬顆星，但那仍只是天空的微小一隅，仍有數千億顆恆星等待我們去搜尋。「行星獵人」們還有別的辦法，就是利用地面望遠鏡來研究距離我們最近的那些恆星。運用小型機器人望遠鏡，一次可以掃描2000顆亮度遠比太陽小的恆星，也更易於觀測從正面經過母恆星的較小個頭的行星。

通過這種辦法，天文學家發現了一顆大小只有地球2.7倍的行星。這是一顆「超級地球」，它很可能擁有水和大氣層，但表面200℃的溫度還是太高，因而不能支持生命存在。不過，它向我們發出了一個信號：太陽系以外應該還有更誘人的行星存在。

為了發現可居住的行星，專業天文學家還借力於業餘天文學家。全球各地都有業餘天文學家，他們所擁有的望遠鏡也能進行天文調查。專業天文學家不可能花太多時間夜復一夜地凝視同一顆恆星，但業餘天文學家卻像當年赫歇爾發現天王星那樣能做到這一點。運用這種辦法，業餘天文學家迄今已發現了多顆太陽系外的行星。遺憾的是它們都太靠近自己的母恆星，因而無法支持生命存在。不過，同所有已知的太陽系外的行星一樣，它們都在我們所在的星系——銀河系內環繞各自的母恆星運行。

認識星雲

關鍵角色：赫歇爾

今天我們已經知道，銀河系中有很多很多的恆星，太陽只不過是其中的一顆而已。而短短200年前，人們還根本不知道自己生活在一個星系中。直到1781年，威廉·赫歇爾建造了一架長6米多的反射式望遠鏡(鏡面望遠鏡)，運用它，他看到了比當時地球上任何其他望遠鏡看到的數目都多的星星。他對夜空中的一部分觀察得尤其仔細，這個由群星組成的條狀地帶就是我們今天所稱的銀河系。

在能見度高的夜晚，銀河系簡直就是一大景觀，是我們頭頂上一條明亮的星光帶。對古人來說，它就像牛奶潑在了天幕上，這是古希臘人稱之為「牛奶圈」的原因所在，也是今天的「銀河系」(「銀白或乳白色的星系」)一詞的來源。天文學家們至今對銀河系十分著迷。從地平線到地平線，銀河系跨越天空，彷彿一條巨大的帶子環繞著我們。於是，從地球上看去，我們就像是坐在輪轂上，而銀河系就是環繞著我們的一個巨大輪胎。

伽利略是第一個透過望遠鏡發現銀河系由群星組成的人，但當時無人知道它是一個星系，甚至也不知道它的形狀。而這正是赫歇爾當年最著迷的一點：「銀河系究竟是什麼形狀?我們應該是置身於銀河系中央吧?從它外面看它是什麼樣子呢?」他不知疲倦地夜夜望天，為群星的位置畫圖。就這樣，對於他能看見的那個劃破天空的大圓圈內的所有星星，他都畫出了它們的位置，還數出了它們的數量，從而開創了天文學中的星星計數法。

這項精準的繪圖和計數調查花了赫歇爾一年多的時間。最終，他根據他的觀測結果繪製了一張「磨石」圖。在人類歷史上，赫歇爾率先看出銀河系並不僅僅是天空中的一條星帶，而且還是很大很大的一塊星盤。赫歇爾相信，這便是整個宇宙了。也就是說，這個星盤的邊緣也就是宇宙的邊緣，太陽系就躺在星盤內部。令人驚訝的是，赫歇爾在200多年前的認識竟然有大部分是正確的。現在，最強大的地面和太空望遠鏡已經揭示，地球和整個太陽系位於銀河郊區的一條旋臂上，而整個巨型銀盤中竟有2000億顆恆星。

銀河系實在是太大了，哪怕以光速(每秒30萬千米)從銀河系一端跑到另一端也要花10萬年時間。為了更深入地了解銀河系，科學家設計了一架新型望遠鏡，計劃最廣泛、最深入地觀察銀河系，它就是「赫歇爾太空天文台」(簡稱「赫歇爾」)。「赫歇爾」要為整個銀河系繪製地圖，包括恆星的形成與死亡，以及星系是怎樣成為一體的。

經過多年細心準備，調製好的「赫歇爾」終於發射升空。在離地160萬千米的太空，這架迄今最大的太空望遠鏡在人眼無法看見的可見光波段以外的遠紅外光波段觀測太空，這意味著它能測量溫度的細微改變，從而看穿宇宙塵埃雲，以空前的清晰度拍攝宇宙的圖像。

「赫歇爾」果然不負眾望，從它傳回的圖像十分驚人。通過它，天文學家一直看到了恆星的誕生地。如果用可見光觀察恆星誕生地，你會看見，那裡到處都是恆星；而用紅外光觀測，你會發現銀河系的絕大部分其實是由塵埃和氣體構成的，而恆星正是從塵埃和氣體中孕育的。

沒有其他任何望遠鏡能看清銀河系的如此多的細節。200多年前，赫歇爾根本無法看見銀河系一些區域中的群星。雖然他在夜空中看到的星星比當時其他任何人看到的都多，而且他還通過望遠鏡觀測為星星們畫出了地圖，但仍有一個未解之謎困惑著他：夜空中有成千上萬個奇奇怪怪的東西，也就是被天文學家稱之為「星雲」的東西。

夜空中有一些模糊的塊狀地帶，它們看上去就像是被撕裂的銀河碎片。你甚至用肉眼也能看見幾個這樣的「碎片」，例如仙女座。但透過望遠鏡，你能看見上萬個這樣的塊狀地帶，它們形狀大小各異，美麗而又神秘，如仙女座，它從邊緣到中心越來越亮。赫歇爾記錄了超過2300個星雲，並且對它們進行了分類，但他無法看出這些神秘物體究竟是什麼，也不知道它們具體是在哪裡。

在赫歇爾之後，星雲之謎又繼續困擾了天文學家60年，直到古怪的羅斯爵士在愛爾蘭的比爾堡製造了當時世界上最大的望遠鏡。六層樓高的牆支撐著羅斯爵士的20米長的望遠鏡鏡筒，鏡面直徑竟相當於一個成年人的身高。他將望遠鏡對準星雲，繪出自己看見的一切。這樣一來，模糊的星雲被首次聚焦。在一些星雲內部，羅斯爵士看見了恆星和旋臂結構。但有一個問題，羅斯爵士的望遠鏡只能上下移動，因而圖像容易變得晦暗，這讓他很失望。

星雲之謎的最終破解是在80年之後。到了這個時候，望遠鏡已變得如此先進和巨大，是200年前的伽利略所無法想像的。破解這一奧秘的望遠鏡位於美國加利福尼亞州高高的威爾遜山山頂上，它揭示出當初由羅斯爵士所畫的螺旋狀星雲實際上是獨立於銀河系之外的其他星系。這樣一來，宇宙的範圍就大大拓寬了，銀河系不再是宇宙中唯一的星系。迄今我們已發現數千億個星系，它們在一個大得我們無法想像的宇宙內旋轉。

望遠鏡為我們認識宇宙打開了一扇全新的窗戶。建造更大更先進望遠鏡的競賽至今也未終止。如今我們不僅能製造巨型地面望遠鏡，而且能發射空間望遠鏡，從而能觀測宇宙中最遙遠的東西。可是，數十億光年外那些碰撞的星系會告訴我們有關銀河系的什麼呢?在宇宙的邊緣，大爆炸的餘輝究竟會告訴我們有關我們宇宙起源的什麼呢?每一次嘗試探索宇宙的一個新的部分，天文學家都會有新的發現、新的驚奇。而望遠鏡迄今為止所揭示的最大一個驚奇就是：直到現在，我們只能看見宇宙的5％。換句話說，我們只能看見構成宇宙的物質中的很小一部分。問題接踵而來：剩下的宇宙是由什麼構成的呢?

望遠鏡將指向一種令人難以捉摸而又強大無比的力量，這種正在決定我們宇宙的力量就是暗能量，它也被天文學家稱為迄今為止所發現的最神秘物。望遠鏡正處在一個新的發現和探索時代的邊緣，越來越大型、越來越複雜的望遠鏡永無止境地探尋太空的邊緣。新一代望遠鏡將讓我們看見一個點上的10000個星系，讓我們回到更遙遠的從前，讓我們推測宇宙起源的情景。

有一種東西很奇怪，它至大至深，至高無上，籠罩在^們頭頂上方，人們卻不知道它為何物，早在兩三千年前，古希臘科學家和哲學家就開始對它進行探索，但時至今日，人們對於它依然知之不多，因為它，愛因斯坦做過深刻檢討，布魯諾被燒死在火刑柱上；也是因為它，埃德溫·哈勃成為世界著名科學家，為了研究它，人類研製了一大批最新最精良的觀測工具；也是為了研究它，人們上高山、飛太空不懼辛勞。那麼它是什麼呢?它就是宇宙如今，科學家對宇宙的研究已有重大突破，然而研究得越深入，它的神奇性就越顯現，越令人神往，這是因為它的前世、今生與未來都充滿神奇。

「宇宙」一詞最早出現在戰國時代的《屍子》中：「上下四方曰字，往古來今曰宙。」我們祖先早在2500年前就把「宇宙」同「時－空」結合在一起了，這是非常正確的。然而宇宙到底有多大，它的邊緣在哪裡，人類卻久久沒有弄清楚。直到20世紀初期，人們還認為銀河系就是我們已知的整個宇宙。是望遠鏡提高了我們的眼力，讓我們目擊了土星上空美麗的光環、木星表面滾動的風暴雲、百萬光年外爆炸的超新星、正在誕生的「嬰兒恆星」、137億年前的早期宇宙、神秘的暗物質和神奇的暗能。那麼，望遠鏡對於宇宙還能揭示什麼呢?它能看到宇宙很遙遠的邊緣嗎?

威爾遜山上的革命

20年前，美國「發現號」太空梭將著名的「哈勃空間望遠鏡」(簡稱「哈勃」)放進了軌道，這個用高技術裝備起來的第一部新一代空間望遠鏡正在探索宇宙邊緣。它給了我們許多發現，許多驚奇。它是當代最精良的天文觀測設備，能夠同時拍攝百萬顆恆星照片，它拍攝的照片比地面天文望遠鏡拍攝的清晰十多倍。通過在軌道上的四次大修，它成功地進行了長達19年、總共88萬多次的宇宙觀測，對2.9萬個宇宙天體拍攝了57萬多張照片，傳回地球5萬張高質量的精美圖片，它取得的數據足以堆滿兩個美國國會圖書館。「哈勃」創造了許多太空觀測奇蹟，例如，發現了黑洞存在的證據，探測到恆星和星系的早期形成過程，觀測到目前人類所能觸及的最遙遠(距離地球130億光年)的古老星系，探明宇宙年齡為137億年。這些觀測對世俗文化有著極大的衝擊力，對人類建立新的宇宙觀有著極為重要的影響。

今天，用高技術裝備起來的其他越來越多的望遠鏡正加入到「哈勃」的行列，共同揭示宇宙中那些令人難以理解的奧秘：宇宙的大小、年齡和激烈的程度。20世紀伊始，開始了一場天文學革命，其標誌就是建造新的望遠鏡。這是一場持續改變我們對宇宙的感性知識、擴張我們感知的宇宙邊緣和讓我們永遠在發現之旅上賓士的革命，今天我們仍在這條革命道路上向前跑。

這場革命的第一步是一位名叫喬治·埃勒里·海耳的天文學家攀登加利福尼亞帕薩迪納海拔2000米高的威爾遜山。天文學家早就認識到，要想得到真正好的天文觀測資料，就要選擇好的觀測地址，因此天文學家往往不遠萬里選擇天文台台址(例如中國科學院紫金山天文台曾經到荒涼的青海省德令哈建立毫米波觀測站，而不是在原來的老天文台安裝新的望遠鏡)。作為天文學家，海耳清楚地知道地球大氣對天文觀測的重要性。在天文學教科書里，「大氣折射」、「蒙氣差」對天文觀測的不利影響有充分的描述：地球大氣能改變天體光線的入射方向，在觀測的天體位置上造成誤差；濃密的大氣層還有消光作用，導致從天體來的光線大大減弱。在威爾遜山上建立天文台，把歪曲和減弱望遠鏡成像能力的低層大氣中的雲和霧統統「踩」在腳下，是提高天文觀測質量的重要舉措。因此海耳要看看在這座山的山峰上能否建造一個天文台，讓稀薄的大氣變得清澈透明，更有利於天文觀測。

100年前，在山頂上建天文台的想法是具有革命性的，也是一個巨大的挑戰。把幾百噸重的鋼鐵和混凝土一點一點地沿狹窄的山路拉上山是不容易的，但為了換取清澈明凈的天空，花點功夫也是值得的。威爾遜天文台建成後將是當時地球上最高的天文台，並為全球天文台勾畫出藍圖。

這個天文台是海耳的夢想，他要在這樣的天文台上解決最大的宇宙之謎：找出我們的銀河系之外是否還有其他世界。對海耳來說，解決天文台的高度僅僅是第一步，為了觀測使人目眩的深空宇宙，他需要在天文台上安裝當時世界最大的新望遠鏡。

望遠鏡是光線的「收集桶」，較大的望遠鏡可以收集較多的光線，可以聚焦較暗的星。在海耳時代，大多數望遠鏡是用玻璃透鏡聚焦光線的，當玻璃透鏡被做得很大時，其自身重力也會變得很大，使望遠鏡彎曲變形，造成星像失真。這裡的「變形」，術語稱為「畸變」。因此，玻璃透鏡不能做得很大。海耳需要一種新設計的望遠鏡，要求望遠鏡能收集大量光線，但不能用玻璃透鏡。經過周密思索、比較，海耳決定採用伊薩克·牛頓在1688年創造的反射望遠鏡。這種望遠鏡用彎曲的鏡面代替玻璃透鏡，把光線反射到一點來聚焦。海耳採用這種結構，用n年時間把反射望遠鏡製作出來。這部望遠鏡的曲面鏡直徑2.54米，重400千克，安置在12.2米鑄鐵管底座上，整個裝置安置在30米直徑的圓頂內。1917年，公眾見到這架當時世界上最大的望遠鏡時一片嘩然。

美麗的安德羅美達

威爾遜山上新建成的望遠鏡成為當時美國的科學眼睛，也是世界的科學眼睛，它的出類拔萃贏得了各國天文學家的青睞，他們飄洋過海，從世界各地聚集到威爾遜山，輪流守候在它身旁，用它觀測星空。在天文望遠鏡殿堂里，威爾遜山的望遠鏡當之無隗地贏得了「宇宙歷史上最重要望遠鏡」的美譽。

這架望遠鏡很快被用來揭示天文學上一個久未破解的奧秘：星雲。星雲是一種讓人費解的天體。憑視覺看，它們是恆星之間雲霧狀的巨大發光體，渾然一體，千變萬化，互相涉及，互為因果。有些星雲是卵形漩渦，有些是由恆星組成的纖細漩渦，還有一些有著分岔的「觸鬚」。根據它們的輻射和形狀，星雲被分為發射星雲、反射星雲、暗星雲、超新星遺迹、瀰漫星雲和行星狀星雲。人們通過望遠鏡見到了幾百個星雲，卻一直無人知道它們是什麼，也不知道它們離我們有多遠。後來，經過觀測研究，人們才知道星雲有兩類，一類在銀河系內，一類在銀河系外。銀河系內的星雲才是真正的星雲，它們是氣體和塵埃形成的雲霧狀物質，而銀河系外的「星雲」則是由幾千億顆太陽一樣的恆星組成的河外星系。

測定一個星雲是銀河系天體還是河外星系，就需要測出它到地球的距離，而測定星雲的距離是不容易的，在廣袤的太空中確定天體距離是對天文學家最大的挑戰之一。天體的距離是靠觀測其光線來確定的，天體的光線猶如汽車的頭燈，距離越近，看起來越亮。但是，星星並不是我們想像的那樣分布在與我們距離相同的球面上。這種「相同」是投影產生的錯覺。實際上，不同的天體到我們的距離千差萬別，各不相同。我們有這樣的常識：在較遠距離上，汽車頭燈可能與距離近的自行車頭燈有著同樣的亮度；而當汽車越來越近時，汽車頭燈就比自行車頭燈亮多了。

天體的情況也是一樣。因此，測量天體的距離需要有一盞標準的「天燈」做「量天尺」，這把「量天尺」通常用符合條件的恆星(遙遠星系內特別明亮的恆星)來做，並且有一個專用名稱一「標準燭光」。

美國天文學家哈勃測量了仙女座星雲，這個星雲有一個凄美的神話故事。「仙女座」譯成中文是「安德羅美達」。在希臘神話中，安德羅美達是依索比亞國王克甫斯和王后卡西奧佩婭的女兒。卡西奧佩婭因不斷炫耀自己的美麗而得罪了海神波塞冬的妻子安菲特里忒，後者要波塞冬替她報仇。波塞冬遂派海怪蹂躪依索比亞。克甫斯得知此事後非常害怕，請求神諭解救。神諭暗示，唯一的辦法是獻上安德羅美達，用鐵索把她鎖在海怪(鯨魚座)必經之路的巨石上，任由海怪蹂躪。克甫斯夫婦按照神諭的話做了，可憐的安德羅美達受盡折磨。後來，英雄帕修斯路過這裡，看見安德羅美達的慘痛，立即拿出腰間懸掛的蛇發魔女墨杜莎的人頭對著海怪，海隆頓時化為岩石，原來這是由於墨杜莎有一對閃閃發光的特殊眼睛(現在稱墨杜莎的「眼睛」為「大陵五」，是一對互相繞著轉的食變雙星)。帕修斯殺死了海怪，救出了仙女安德羅美達，演繹了一段英雄救美的佳話。

說完故事，再談哈勃的觀測。哈勃先在仙女座星雲中尋找造父變星，因為他選擇造父變星作為「標準燭光」。他仔細地對仙女座星雲的照片分析了幾個月，1923年10月6日，他終於在仙女座邊緣上找到了一顆造父變星。哈勃喜出望外，在照片上畫了兩條黑線，並在黑線之間標出造父變星的位置，寫上「變!」作為槲己。

利用造父變星，哈勃測量出仙女座星雲到地球的距離約為80萬光年，比銀河系內已知最遠的恆星還遠8倍多。這個數據無可辯駁地表明，仙女座星雲是銀河系邊緣外的星系。這次測量是改變歷史的測量，哈勃非常激動地提起筆，在「仙女座到我們地球的距離比我們銀河系遠8倍多」這句話後面打了一個大大的驚嘆號。

哈勃是幸運的，因為他有機會接受海耳的邀請，參與了星雲距離的測量。哈勃的成功也是意料之中的。作為當時最著名的觀測天文學家之一，每到夜幕降臨、華燈初上的時候，哈勃便打開天窗，守候在2.54米望遠鏡旁。哈勃用辛勤的勞動獲得了仙女座星雲的前所未有的細節，他的發現徹底改變了我們對宇宙的認識，大大延伸了宇宙的前沿，從此銀河系不再是宇宙的全部，仙女座星雲也不是獨一無二的河外星系，僅哈勃一人就觀測到了好幾十個河外星系。位於銀河系外面的星雲就像遼闊海洋中的島嶼，星羅棋布地散布在廣袤的宇宙中。天文學家形象地稱它們為「宇宙島」，把密布「島嶼」的宇宙叫做「島宇宙」

「島宇宙」的出現打破了銀河系是宇宙邊緣的舊觀念，「河外有河，天外有天」，辯證法在這裡得到了很好的詮釋。哈勃用當時望遠鏡的觀測資料深刻地改變了人類的宇宙觀。今天，最大的望遠鏡仍在觀測宇宙，而且比哈勃時代觀測的範圍更加廣闊。今天望遠鏡穿越了100多億光年，「看」到了數千億個星系位於我們的銀河系外面，每一個星系都由數千億星組成。天空中的星星數比地球上所有海濱和沙漠的沙粒的總和還要多!

破譯星光密碼

19世紀初，英國物理學家渥拉斯頓製造了一架分光鏡，用來分析太陽光。這是一架破譯光線密碼的儀器，它能像雨後彩虹那樣把白色太陽光分離成五彩繽紛的光譜，讓隱藏在光譜里的宇宙奧秘暴露在天文學家面前。分光鏡之所以具有奇妙的功能，源於光線是一種電磁波，每一種顏色都有自己的波長。紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種顏色的波長依次變短，頻率依次變高，紅光波長較長，頻率較低，紫光波長較短，頻率較高；白光是紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種顏色的光線混合而成的。因此，利用分光鏡可以分析出天體發射的光線里含有哪些成分。換句話說，利用分光鏡可以破譯天體光線的密碼，獲取天體的信息。

1842年，奧地利物理學家和數學家克里斯琴·約翰·多普勒提出一條原理，被稱為「多普勒原理」。該原理指出，當發射光線的物體相對於觀測者運動時，觀測到光線的波長要發生變化——光源向觀測者運動時，光被壓縮，波長變短，頻率變高，出現藍移(也稱紫移)；相反，當光源背離觀測者運動時，光被拉伸，波長變長，頻率變低，出現紅移。光源運動的速度越高，這種效應越顯著。因此，根據光線是紅移還是藍移，可以計算出光源在視線方向的運動方向，根據紅移或藍移的大小，可以計算出光源在視線方向的運動速度。根據多普勒原理，恆星光譜線的位移既能顯示恆星是向著還是背著觀測者運動，也能據此計算出恆星的運動速度大小。

1928年，哈勃利用多普勒原理研究新發現的星系的紅移，藉以找出星系的移動速度。他分析了許多星系的速度，並按照星系的遠近列成表，觀察它們的速度同星系距離的關係，結果得出了一個令人震驚的結論：離我們越遠的星系紅移越大，遠離的速度越快。1929年，他在星系速度與距離之間建立了一個有趣的關係：離開越遠的星系紅移越大，遠離的速度也越大。這就是著名的哈勃定律。由這條定律得出結論：宇宙在膨脹。

哈勃的發現引出一個問題：如果宇宙在膨脹，那麼是什麼促使它膨脹的呢?天文學家從哈勃的發現中尋找出答案。哈勃發現，宇宙中的星系在相互移開，用天文學上的術語，叫做「退行」，而且是自然「移開」的。所謂宇宙在膨脹，並非星系在離開我們，而是空間本身在伸展。也就是說，宇宙和星系就像練球房和球一樣，球是星系，練球房就是宇宙，練球房「膨脹」了，球與球之間的空間自然就增大了。科學家由此想到：在過去某些時間，「練球房」和「球」不都在一個中心點嗎?追溯到過去，中心點——宇宙的爆發點溫度比現在高，密度比現在大，而且越早期溫度越高，密度也越大。宇宙是從一個高溫、高密狀態膨脹演化而來的。因此，蘇聯著名天文學家伽莫夫在20世紀50年代提出了大爆炸宇宙學理論。

根據這一理論，大爆炸發生在一瞬間，而宇宙就是在這個瞬間誕生的。宇宙誕生以後，曾有一段從熱到冷的演化史。在這個時期，宇宙體系並不是靜止的，而是在不斷膨脹，使物質密度從密到稀演化。根據大爆炸宇宙學，大爆炸的整個過程是：在宇宙早期，溫度極高，在100億K(開氏度)以上，物質密度也相當大，整個宇宙體系達到平衡，那時宇宙間只有中子、質子、電子、光子和中微子等一些基本粒子形態的物質；由於整個宇宙體系在不斷膨脹，結果溫度很快下降，當溫度下降到10億K左右時，中子開始失去自由存在的條件，或者發生衰變，或者與質子結合成重氫和氦等元素，開始形成化學元素；當溫度進一步下降到100萬K後，早期形成化學元素的過程結束，宇宙間的物質主要是質子、電子、光子和一些比較輕的原子核；當溫度下降到幾千攝氏度時，輻射減退，宇宙間的物質主要是氣態物質，氣體逐漸凝聚成氣體雲，再進一步演化形成各種各樣的恆星、星系和星系團，成為我們今天看到的宇宙。

「無意」獲得諾貝爾獎

今天的人們無法回到宇宙初期目睹宇宙演化的真實畫面，只能依據觀測資料，運用物理理論進行分析，推斷出大爆炸的大致過程。所謂觀測資料，是指散落在宇宙空間的大爆炸余贐——微波背景輻射。

1964年，美國貝爾實驗室的阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜兩位研究人員為了檢驗一台巨型天線的低雜訊性能，把天線對準了沒有明顯天體的天空區域進行測量，無意間收到一個相當大的微波雜訊，波長7.35厘米。精確測量顯示，這種輻射的溫度相當於絕對溫度為3K的黑體輻射。而且無論天線指向何方，它們都存在。彭齊亞斯和威爾遜最初懷疑設備出了問題，產生了干擾，於是他們對儀器的各個部件進行試驗，甚至掃去了天線內的鴿子糞便。他們從冬到夏，夜以繼日地做試驗，觀測了天空每一個可能的方向，甚至就連對兩年前夏季發生的一次高空核爆炸是否產生了帶電粒子都做了考慮。但是各種考慮都徒勞無功，找不到信號來源。這種既不是來自天體輻射、也不是儀器干擾產生的微波雜訊，看來只可能是廣闊宇宙空間產生的了。難道虛無縹緲的宇宙空間存在背景輻射嗎?兩位研究人員找不出答案。由於無法解釋這個溫度的來源，儘管他們對自己的結果確信無疑，卻沒有公布測量結果。

1965年，彭齊亞斯和威爾遜獲悉，以迪克為首的普林斯頓大學研究小組正在研究宇宙背景輻射，他們立即與迪克教授取得了聯繫。經過雙方深入討論，彭齊亞斯和威爾遜初步斷定，他們發現的正是普林斯頓大學研究的宇宙背景輻射。他們估計，迪克等人之所以沒有探測到這種輻射，乃是因為他們的天線靈敏度不夠。於是，彭齊亞斯和威爾遜撰寫了一篇600字的論文——《在4080兆赫處天線附加溫度的測量》，宣布了他們的成果。

就這樣，彭齊亞斯和威爾遜「意外」地發現了宇宙微波背景輻射(簡稱CMB)，看到了大爆炸的餘輝，聽到了「開天闢地」的聲響。他們是幸運的，而更幸運的是，他們的發現為大爆炸理論提供了證據，對科學發展做出了巨大貢獻。為了彰顯他們在科學上的貢獻，瑞典諾貝爾委員會1978年授予他們諾貝爾物理學獎。

從此，宇宙微波背景輻射成了天體物理學家和宇宙學家案頭的熱門研究課題，理論家研究它的理論，觀測者則觀測它的細節。美國宇航局的「宇宙背景輻射衛星」(簡稱COBE)在1989年11月應運升空。這個探測器成功地給出世界上第一張微波背景輻射溫度圖，圖上顯示出天空區域的平均能量(或溫度)有萬分之一起伏，冷的區域與熱的區域交替漲落。這些觀測暗示，微波背景輻射是不均勻的。理論家認為，微波背景輻射是大爆炸的餘燼，大約產生於大爆炸之後38萬年，較「熱」的光子來自早期宇宙的稠密區域，起伏現象表明恆星和星系是物質分布不均勻的結果。這一結論把宇宙學家的視線引向了宇宙的「嬰兒時期」。

研究極早期宇宙，需要高解析度的探測資料，探測這樣的資料，「宇宙背景輻射衛星」是辦不到的，因為它的感測器解析度不夠。於是，在2001年6月30日美國宇航局發射了「威爾金森微波各向異性探測器」(簡稱WMAP)，這個探測器的外形與彭齊亞斯和威爾遜的巨大天線相類似，但性能精良得多，並且裝備了兩架反射望遠鏡。整個裝置在距離地球約150萬千米的第二拉格朗日點上飛行，進行複雜的全天掃瞄，全天掃瞄一次需6個月。WMAP的飛行目的是高精度地檢測大爆炸輝光，嘗試尋找星系形成的原因和察看大爆炸之初的狀況。

WMAP在多年飛行中取得許多重要成果，科學家於2003年公布了其第一批觀測結果，隨後又相繼發布了多批觀測資料。根據WMAP的觀測結果繪製的宇宙微波背景溫度圖揭示了大量信息，圖上小紅點是物質開始聚集、最後形成星系團的地方，是揭示恆星和星系最初如何形成的至關重要的證據。

WMAP是比較精確的探測器，它的資料既幫助天文學家推斷出宇宙很早的時期(大爆炸之後約億億億分之一秒)發生的事，也讓天文學家揭示了巨大的宇宙之謎——宇宙的精確年齡。一般認為，自大爆炸以來宇宙的年齡是137.5億年，誤差為正負1.1億年；而根據WMAP的觀測得出的數據是137.3億年，誤差為正負1.2億年。137億歲的宇宙很古老，但卻不是無限大的。根據宇宙的年齡，科學家立刻計算出宇宙的大小——從宇宙誕生點到宇宙邊緣的長度，即宇宙半徑。在地球上看，宇宙半徑等於光速與宇宙年齡的乘積。所以，宇宙年齡是137億年，就意味著宇宙半徑相當於137億光年。光速雖然很大，但卻是有限值，宇宙年齡也是有限的，兩個有限數相乘，其結果一定也是有限大的。因此，宇宙一定是有限的。然而，哲學上認為宇宙是無限的，人的認識也是無限的。WMAP得出的結論與辯證法相悖，這是怎麼回事?原來，儘管WMAP觀測的宇宙邊緣比其他望遠鏡遠得多，其測量數據達到最接近真實值，但仍然只能探測有限的宇宙。

觀測工具的進步必定帶來新的認識：根據WMAP測量出的宇宙的物質成分分析，我們的宇宙主要是由看不見的暗能和暗物質組成的，暗能佔73％，暗物質佔23％，整個宇宙只有4％的物質是看得見的。唉，人類用望遠鏡觀天400年，竟然只看到了4％的宇宙!

獨一無二的「哈勃」

WMAP把我們從地球上帶回到宇宙誕生後億億億分之一秒的時刻，又把前人從未見過的宇宙邊緣的細節展現在我們面前，這是歷史上任何其他望遠鏡所不及的。然而，記錄這些結果的是人眼看不見的微波輻射，那麼什麼時候我們才能用普通的可見光觀測宇宙中的星系呢?科學家給出的答案是，「等到光學望遠鏡技術獲得巨大飛躍並且用來指向天空的時候。」我們幸運地看到，這一天已在1990年4月25日到來了。這個展示「光學望遠鏡技術獲得巨大飛躍」的「哈勃空間望遠鏡」的發射，打開了宇宙的一個新窗戶。

「哈勃」由美國宇航局和歐洲空間局合作研製，由美國「發現號」太空梭部署進軌道。「哈勃」的發射實現了天文學家萊曼·斯必澤(也譯作斯皮策)在太空建立天文台的夢想。1946年，斯必澤在《在地球之外的天文觀測優勢》一文中指出，太空中的天文台有兩項優於地面天文台的性能。其一，角解析度不受星光閃爍、大氣湍流的影響；其二，在太空，紅外和紫外觀測沒有大氣層的吸收。「哈勃」的軌道在地面以上600千米的高空，那裡既不受地球大氣對天文觀測的影響，也沒有煙、霧、雲遮蔽宇宙光線之憂，因而大大提高瞭望遠鏡觀測天體的能力。

「哈勃」是一架經典光學望遠鏡，長13.3米，直徑4.3米，重11.6噸，造價近30億美元。其望遠鏡主鏡是卡塞格林式反射望遠鏡，口徑2.4米，能在光學、紫外和紅外等多個波長範圍工作。同地面大望遠鏡相比，「哈勃」的口徑不算大，但由於在大氣層上面觀測，擺脫了大氣束縛，因此具有空間解析度高和天光背景暗的突出優點。此外，「哈勃」帶有廣角行星照相機，可同時拍攝百萬顆恆星照片，拍攝的照片比地面同類天文望遠鏡拍攝的清晰十多倍。所有這些突出優點使得「哈勃」成為當代最精良的天文觀測設備。

「哈勃」的基本任務是拍攝天體像，它的「大眼睛」在真空中「注視」兩星期就能得到一張天空像片，這種像片不是計算機製作的，而是數字圖像。「哈勃」拍攝的圖像猶如晶體一樣清晰，它們都反映出很異常的空間事件，如爆炸星的遺迹、空間的流體——正在誕生新恆星的巨大氣體和塵埃雲，它們在巨大盤面上渦旋和碰撞以創造出超級星系的遙遠星系等。

望遠鏡是時間機器，我們現在看到的光子實際上是從130多億年前開始旅行的，它們穿過漫長的星際空間來到我們這裡。所以，利用「哈勃」不僅能看到光線向外穿越的空間，而且能讓時光「倒流」，看到光線的出發點。1995年，「哈勃」做過一次逆轉時間回頭看光線出發點的試驗。試驗是這樣進行的：先把「哈勃」指向宇宙中一個黑點(即天空中什麼也沒有的點)，然後對天空中這個黑點觀測10天，猶如它在通過銀河系的一個小鑰匙孔觀測外面的宇宙一樣。據實驗人員描述，「哈勃」在那個黑點上見到了1萬個星系。在像上看到的每一個光點代表一個星系，每一個星系都由數千億顆太陽那樣的星組成。這種像叫做「哈勃深空場」。「哈勃深空場」表明，從星系來的光線比人眼看到的任何光線暗40億倍!而且那些光線在幾十億年前就開始旅行了。「哈勃」的鏡面進行過4次升級，在2009年最後一次飛行中獲得的新「深空場」表明，它見到過大爆炸後近6億年的最遠的星。

「哈勃」創造了許多太空觀測奇蹟，發現了黑洞存在的證據，探測到恆星和星系的早期形成過程，觀測到目前人類所能觸及的最遙遠天體——距離地球130多億光年的古老星系。利用這些觀測資料，天文學家提出了7500多份科學研究報告，並且取得12項最重大科學發現，其中與宇宙學相關的發現就有8項，它們分別是：證實了暗物質的存在，探測到類星體明亮的光線，發現宇宙正加速膨脹，揭示星系形成全過程，「稱重」超大質量黑洞，觀測到宇宙中最強烈的爆炸，觀測到恆星壯觀的死亡過程，發現宇宙年齡為130多億年。我們有理由相信，在一定意義上，「哈勃」在科學史上是真正獨一無二的。

超大型望遠鏡揚威

在當代天文界，有兩種設備獲得很高的聲譽，一是「哈勃」，二是地面超級望遠鏡組成的龐大網路系統。前者因揭示了宇宙的許多奧秘而光環閃爍，後者則因調查了一項轟動整個天文學界的發現而備受好評。這項發現就是迫使我們改變對我們頭頂上宇宙的許多看法的神秘力量——「暗能」。美國《科學》雜誌評價說，「發現暗物質和暗能存在的新證據，是2003年所取得的最重大科學突破。」

暗能是迄今發現的最神秘的東西，對於它科學家至今仍無深刻了解。暗能是從無有(或稱真空)中產生的。暗能的發現是偶然與必然相結合的結果。在20世紀90年代中期，一個包括阿列克斯·費利彭科在內的天文學家小隊來到夏威夷莫納克亞山上的凱克天文台觀測遙遠的宇宙。他們知道宇宙是膨脹的，但懷疑宇宙是否能一直膨脹下去。他們有一個理論：宇宙實際上有可能停止膨脹和開始減慢膨脹。他們認為，這如同向空中拋蘋果，地球對蘋果的吸引力使蘋果向上的速度越來越小，最後停止運動並向相反方向運動。所有星系之間都有相互吸引力，這些力都可以使宇宙膨脹變慢、停止，然後變成向相反方向膨脹，成為一次「大收縮」。

宇宙真的能自己往回收縮嗎?要回答這個問題，需要在地球上測量宇宙邊緣的速度。由於距離遙遠，這種測量需要最強大的望遠鏡。這時，直徑10米的凱克望遠鏡吸引了許多觀測者。凱克望遠鏡是由3獻邊形鏡片組合而成的，是一架極其出色的天文望遠鏡，它能使我們對120億光年遠的可見宇宙邊緣的星系逐個進行觀測。但是，就像其他地面望遠鏡一樣。為了找出這些遙遠星系的實際距離，需要有「標準燭光」。哈勃當初是用造父變星作「標準燭光」的，但要測量比哈勃測量的遠得多的星系，造父變星就顯得太暗了。所以，天文學家現在測量遙遠星系時採用的「標準燭光」是Ia型超新星。他們利用Ia型超新星測量了紅移，計算出這些遙遠的星系遠離地球的速度。經過幾年的觀測和計算，他們在1998年得出令人震驚的結論：宇宙膨脹完全不是減慢，而是加速。因此，用扔蘋果類比的想法是錯誤的，這是由於推動宇宙加速膨脹的不是引力，而是一種神秘的力——斥力，天文學家稱為「暗能」。

「暗能」是什麼?它對宇宙運動加速起了什麼作用?目前這些都是謎。暗能是一種假想的物質，很均勻，很稀薄，密度約為每立方厘米10的負29次方克。正因為暗能很稀薄，所以很難在實驗室里探測它，只能通過它造成的宇宙加速膨脹來了解它的存在。根據現代「宇宙學標準模型」，它建立起73％～74％的宇宙能量。有人提出這樣一些疑問：在暗能推動下，宇宙會一直加速膨脹下去嗎?長期加速膨脹下去的宇宙最終會爆裂嗎?這些問題目前都無答案。

望遠鏡不斷地打開宇宙的新窗戶，科學家每次通過望遠鏡考察宇宙新的領域都會發現新的驚奇。

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