宇宙之謎藏在這10個(gè)地方 （二）

自138億年前的那一場(chǎng)大爆炸中誕生以來(lái)，我們的宇宙經(jīng)歷了一個(gè)波瀾壯闊、異彩紛呈的演化歷史。雖然許多細(xì)節(jié)已為我們掌握，但正如蘇格拉底所說(shuō)“你知道得越多，你不知道的也就越多?！庇钪嬷幸廊挥性S多事情謎一樣讓人困惑，讓人抓癢……

從本期開(kāi)始，我們將以連載的方式介紹宇宙中10個(gè)最大、最激動(dòng)人心的謎團(tuán)，它們涉及行星、恒星、星系、黑洞以及其他奇怪而有趣的話題。讓我們現(xiàn)在就開(kāi)始吧。

3、超新星SN 2017CBV

它是什么？

死亡恒星的爆炸

它在哪里？

距離我們550萬(wàn)光年的NGC 5643星系

涉及的謎團(tuán)

宇宙會(huì)有什么樣的結(jié)局？

當(dāng)天文學(xué)家的目光穿越浩瀚的宇宙，看到一顆星星死掉了，他會(huì)例行公事把它從恒星名單中除去。因?yàn)檫@類事情并不稀罕，在宇宙中每天都發(fā)生數(shù)百萬(wàn)次。但慢慢地，他們才意識(shí)到有些事情并不那么簡(jiǎn)單。

2017年3月，在例行的夜空巡視中，美國(guó)亞利桑那大學(xué)的大衛(wèi)·桑德發(fā)現(xiàn)了一個(gè)異?，F(xiàn)象。乍一看，它只是另一種類型的Ia超新星——白矮星過(guò)度膨脹之后，接近尾聲的一次爆發(fā)。

白矮星是一種非常致密的天體，是恒星燃燒殆盡后剩下的殘骸，主要由碳構(gòu)成。作為恒星的殘骸，白矮星內(nèi)部的物質(zhì)已經(jīng)不再進(jìn)行核聚變。但它通常有個(gè)質(zhì)量極限，超過(guò)這個(gè)極限，在更強(qiáng)的引力作用下，聚變又會(huì)重新點(diǎn)燃，將其內(nèi)部的碳聚變成更重的元素。

白矮星通常是雙星系統(tǒng)，成對(duì)出現(xiàn)，一顆從另一顆上吸食物質(zhì)。如果吃得太多，那顆“吸血星”就會(huì)超過(guò)其質(zhì)量極限，于是相當(dāng)于一顆失控的熱核炸彈，在幾秒鐘內(nèi)驟然變得非常耀眼，這就是Ia型超新星爆發(fā)。

正因?yàn)槌^(guò)質(zhì)量極限才會(huì)爆發(fā)，而質(zhì)量極限又是固定的，所以天文學(xué)家可以預(yù)測(cè)出Ia型超新星爆發(fā)產(chǎn)生的輻射能量，然后跟它看起來(lái)的亮度作對(duì)比，就能計(jì)算出它和我們的實(shí)際距離。這樣，Ia型超新星在茫茫宇宙中就充當(dāng)了一座座“里程碑”，一把把“量天尺”。

那天夜晚，桑德觀察到的SN 2017CBV正是一顆Ia型超新星。但蹊蹺的是，隨后對(duì)它的廣泛觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，那顆爆炸的白矮星，它的同伴不是另一顆白矮星，而是一顆更大的恒星！當(dāng)同伴是一顆白矮星時(shí)，超新星爆發(fā)所發(fā)出的光全部來(lái)自爆炸的白矮星（另一顆沒(méi)爆發(fā)的白矮星不發(fā)光），而其亮度是一個(gè)固定值，我們根據(jù)地球上測(cè)到的亮度，就可以知道它離我們有多遠(yuǎn)了。但如果同伴是一顆恒星，那么因?yàn)榫嚯x遙遠(yuǎn)，爆炸的白矮星（即超新星）的光與恒星的光根本區(qū)別不開(kāi)，我們就無(wú)從知道超新星的真實(shí)亮度了。這樣，它也就無(wú)法充當(dāng)“量天尺”了。

這一點(diǎn)非常重要。因?yàn)槲覀冎阅馨袸a型超新星當(dāng)作“量天尺”來(lái)用，是因?yàn)橐郧岸颊J(rèn)為Ia型超新星爆炸只有一種爆炸形式?，F(xiàn)在突然又出現(xiàn)另一種迄今未知的爆發(fā)機(jī)制，兩種不同的Ia型超新星混在一起，又不容易辨別，那么這些“量天尺”的準(zhǔn)確性就大打折扣了。

“量天尺”不可靠所帶來(lái)的嚴(yán)重后果是你想象不到的——這撼動(dòng)了宇宙學(xué)的核心！因?yàn)檫@涉及到暗能量是否真實(shí)存在的問(wèn)題。

1998年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一組遙遠(yuǎn)的Ia型超新星，它們比預(yù)期的要暗淡，結(jié)論是它們比預(yù)計(jì)的還要遙遠(yuǎn)。天文學(xué)家將這一結(jié)果歸因于宇宙在加速膨脹。他們將導(dǎo)致宇宙膨脹加速的未知東西，稱作“暗能量”。

迄今沒(méi)有人知道“暗能量”到底是什么，總的來(lái)說(shuō)，它與引力的性質(zhì)截然相反。引力把物質(zhì)聚在一起，暗能量卻把它們拉扯開(kāi)。這意味著，暗能量和引力的較量，決定了宇宙的大小、壽命和最終的結(jié)局。如果暗能量足夠強(qiáng)大，勝過(guò)引力，將導(dǎo)致“大撕裂”的結(jié)局。但如果引力取勝，那又會(huì)導(dǎo)致 “大崩塌”的結(jié)局。

可是，“暗能量”這個(gè)假設(shè)，本身是建立在對(duì)Ia型超新星信任的基礎(chǔ)上的，相信它們可以精確地充當(dāng)宇宙“量天尺”。要是這個(gè)信任基礎(chǔ)不存在了，那大家談了這么多年“暗能量”，都只能算談鬼了。因發(fā)現(xiàn)存在“暗能量”而頒發(fā)的諾貝爾獎(jiǎng)，也該收繳回去。宇宙中根本不存在任何可與引力相抗衡的力量，所以除了“大崩塌”，也不會(huì)有其他結(jié)局……這就怪不得像SN 2017CBV這類反常的超新星，要讓人皺眉了。

4、BOSS星系長(zhǎng)墻

它是什么？

大尺度結(jié)構(gòu)

它在哪里？

它蜿蜒在大范圍的天區(qū)，距離我們平均68億光年

涉及的謎團(tuán)

我們處在宇宙中一個(gè)

特殊的地方嗎？

整個(gè)宇宙學(xué)都是建立在我們沒(méi)有任何特殊之處的觀念基礎(chǔ)上的：就所處的位置來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)系不過(guò)是宇宙中一個(gè)很普通的恒星系統(tǒng)，地球也不過(guò)是一顆普通的行星，造物主并沒(méi)有把人類安置在宇宙中一個(gè)特別的位置。

這個(gè)觀點(diǎn)可以追溯到哥白尼那個(gè)偉大的發(fā)現(xiàn)：并不是太陽(yáng)繞著我們轉(zhuǎn)，而是我們?cè)诶@著太陽(yáng)轉(zhuǎn)。這樣一下子，我們就從造物的中心位置上掉了下來(lái)。

從那時(shí)起，人們?cè)絹?lái)越清楚了，地球、太陽(yáng)都不過(guò)是宇宙中普通的一分子。哥白尼的發(fā)現(xiàn)也已變成了“哥白尼原理”：一般而言，宇宙中沒(méi)有任何地方是特殊的，一切看起來(lái)都一樣。我們當(dāng)前建立在廣義相對(duì)論基礎(chǔ)上的宇宙模型也深深依賴這個(gè)假設(shè)。

哥白尼原理的核心是尺度的概念。不妨把宇宙想象成一群人。近距離看，你可以看到每個(gè)人的都擁有不同的個(gè)性、癖好，但把鏡頭拉遠(yuǎn)，個(gè)性特征模糊了，你所看到的只是一群沒(méi)有差別的人。

還可以再做一個(gè)比喻。在房間地面隨機(jī)撒了一碗豌豆。我們知道，每一粒豆都由分子組成，分子又是由原子，原子又由原子核和電子組成……從小于豌豆的尺度看，存在著一層層的等級(jí)結(jié)構(gòu)。但到了豌豆這一尺度，等級(jí)消失了，并沒(méi)有出現(xiàn)比豌豆更大的結(jié)構(gòu)（當(dāng)然，如果把豌豆盛在碗里，然后一口口碗放置在地上，那么與“一粒豌豆”相比，“一碗豌豆”又是更大的結(jié)構(gòu)）。我們看到的是，豌豆均勻分布在地面上。所以從豌豆這個(gè)尺度，可以認(rèn)為物質(zhì)是均勻分布的。

同樣道理，在較小的尺度上，宇宙看起來(lái)非常獨(dú)特，由恒星、星系和星系團(tuán)組成，但到了一定的尺度（一般是大約10億光年），這些差異消失了。物質(zhì)在整個(gè)宇宙看起來(lái)是均勻分布的。

但近年來(lái)，對(duì)這一觀點(diǎn)的各種挑戰(zhàn)不斷出現(xiàn)。也許最大的挑戰(zhàn)是發(fā)現(xiàn)于2016年的BOSS星系長(zhǎng)墻。該“墻”是由成千上萬(wàn)個(gè)星系組成的，綿延長(zhǎng)達(dá)10億光年的一個(gè)巨型絲狀結(jié)構(gòu)。

包括我們銀河系在內(nèi)的室女座超星系團(tuán)，似乎也隸屬于一個(gè)叫“拉尼亞凱亞超星系團(tuán)”的更大型結(jié)構(gòu)。這個(gè)大型超星系團(tuán)是在2014年完成劃界的，它在天空中橫跨5億光年。同一年，我們還在天空中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)巨型空洞，直徑達(dá)20億光年。

總而言之，我們可能占據(jù)了宇宙中一個(gè)相當(dāng)不尋常的位置，處在一個(gè)巨大的超星系團(tuán)和另一個(gè)巨大的宇宙空洞之間。這樣的場(chǎng)景“配置”，在宇宙中可能是比較罕見(jiàn)的。

關(guān)于宇宙物質(zhì)是否分布均勻這一問(wèn)題，目前也還沒(méi)有定論。如果今后不斷有比BOSS星系墻更大的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，那么均勻性假說(shuō)就岌岌可危了。

而且巨型結(jié)構(gòu)的存在，可能迫使我們放棄把時(shí)空設(shè)想成均勻的，這一來(lái)，對(duì)宇宙當(dāng)前年齡的估計(jì)也要改變。目前對(duì)宇宙膨脹速率的測(cè)量，存在兩種相互競(jìng)爭(zhēng)的方法。一種是根據(jù)宇宙微波背景輻射計(jì)算的，因?yàn)檫@種輻射原先是高能光子，波長(zhǎng)很短，后來(lái)隨著宇宙膨脹被拉長(zhǎng)了，所以它的拉長(zhǎng)跟宇宙膨脹速率有關(guān);另一種則根據(jù)超新星亮度隨宇宙膨脹的衰減程度來(lái)計(jì)算的。過(guò)去，因?yàn)閮煞N計(jì)算辦法的精度都不夠高，它們之間的差異似乎還在容許范圍之內(nèi)，但現(xiàn)在，隨著精度的提高，差異已經(jīng)超出了允許范圍。究竟哪一個(gè)算得更準(zhǔn)確，天文學(xué)家根本無(wú)從判斷。也許巨型結(jié)構(gòu)物的存在，是造成這一分歧的原因。如果得到證實(shí)，那么，這將進(jìn)一步肯定了宇宙物質(zhì)分布的非均勻性，從而也更加肯定了我們?cè)谟钪嬷兴幬恢玫奶厥庑浴?/p>