宇宙学，新进程

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用艺术的表现形式从左往右以时间线的方式展示了宇宙在大尺度上的演化过程。图片来源：ESA

天文学家也清楚地知道，我们看到的宇宙网仅仅是宇宙物质组成的一小部分。每一个星系实际上都被超过其质量5~10倍的看不见的物质包裹着。在整个宇宙尺度，看不见的物质是原子物质的4~5倍，这些物质的分布可以利用引力透镜方法测量。同时，天文学家还知道宇宙中存在暗能量。这种看不见的能量占据了宇宙能量构成的70%左右。暗能量可以推动宇宙的加速膨胀，对宇宙膨胀速率的测量是人们唯一可以认识暗能量的途径。1999年，澳大利亚和美国的两个独立的超新星巡天研究组都发现宇宙目前的膨胀速率是随着时间增加的。

图1  宇宙演化示意图。图片来源：维基，处理：《天文爱好者》

到了2016年，通过普朗克卫星（Planck）对宇宙微波背景辐射的观测，研究者已经可以将宇宙的膨胀速率，也就是哈勃常数定准在66.93km/s/Mpc，即每百万秒差距（一秒差距约等于3光年）的空间，每秒钟膨胀66.93千米，测量误差为0.62km/s。但人们还是没有看到任何偏离标准宇宙学模型的迹象，对暗能量的本质究竟是什么也仍然没有明确的证据。但在2018年，亚当·瑞斯（Adam Riess）领导的研究组，在结合了超新星和造父变星的观测数据后重新测定了哈勃常数，得到的数值却是73.53km/s/Mpc，测量误差只有2.2%。这一数值和之前Planck的结果虽然只有10%的差距，但是由于测量误差的缩小，已经对于标准模型提出了挑战。由于亚当·瑞斯研究组测定的哈勃常数完全来自对临近宇宙空间的观测，这个差距可以被解读为观测要求宇宙今天膨胀得比标准模型预期的更快。

图2  宇宙距离阶梯。Ia型超新星一般被称作标准烛光。这些超新星具有几乎相同的起源和初始条件，因此被认为具有类似的真实亮度，所以天文学家可以通过它们的相对明暗计算出它们的距离。通过与遥远处受宇宙膨胀影响波长已被拉伸的星系进行比较，可以进一步得出宇宙随时间膨胀的速度，即哈勃常数。图片来源：cdn.spacetelescope.org

需要指出的是，虽然两个不同的测量都宣称自己的测量误差很低，但有可能结果里仍然存在此前没有发现的测量误差，或者测量方法中的系统误差。例如，亚当·瑞斯研究组的方法是基于Ia型超新星距离的准确测定。Ia型超新星一般被称作“标准烛光”。这些超新星具有几乎相同的起源和初始条件，因此被认为具有类似的真实亮度。它们就好像是出厂时被校准的灯泡。当校准的灯泡被安装在路灯上，远处的人可以通过路灯的相对明暗知道它们的远近，也可以计算出它们的距离。但在宇宙学研究中，人们需要知道超新星的“出厂亮度”，必须用其他的标准烛光——造父变星——来校准它，而这些造父变星的出厂亮度，则需要通过三角视差法来校准。这种逐级校准的方法，有时候被称作“宇宙距离阶梯”（图2），任何一级距离阶梯的校准出现误差，都可能会传导到最终的宇宙膨胀率测量中。虽然，亚当·瑞斯的研究组已经尽可能地对这个过程中存在的各种测量误差进行了细致的研究，但仍然无法完全排除出现错误的可能。

亚当·瑞斯认为在未来的几年里，他们有可能进一步提高哈勃常数的测量精度，达到0.5%。到那时，人们可能不得不正视标准宇宙学模型进行修正的可能性。人们已经发现，如果允许暗能量随着宇宙时间演化，可能会部分地缓解哈勃常数测量的裂痕。另一种可能的解释则来自对中微子理论的扩充。允许宇宙中出现更多的中微子种类，将增加宇宙早期辐射能，改变宇宙膨胀历史，缓解这个裂痕。无论如何，在未来的数年里，哈勃常数的测量将再一次成为整个宇宙学界的焦点。

立体精确的银河系模型

正如我们提到的，宇宙中的结构不是天然有之，所有今天宇宙中璀璨明亮的天体，实际上都是在宇宙演化中形成的。在宇宙大爆炸结束后，宇宙中只形成了最基本的原子（氢原子和氦原子），宇宙各处密度非常均匀，只有一些小的起伏。在那个时代，宇宙是一片黑暗，没有发光的天体。但随着时间的演化，宇宙密度的小起伏因为引力的作用而增长起来，最终引起了由氢和氦构成的气体云的坍缩，形成了宇宙中第一代的恒星，宇宙这才迎来了黎明。

虽然说在恒星形成之前，宇宙一片黑暗，但科学家们还是想出了探测这个黑暗时代的方法——利用氢原子的21厘米辐射。我们知道氢原子带有一个电子。电子和氢原子核的自旋方向可以相同，也可以不同。这两种状态的氢原子能量有一个微小的差别。如果电子和氢原子自旋方向由相同改为相反，会发射一个波长为21cm的光子，反之则需要吸收一个波长为21cm的光子。宇宙中因为存在大量微波背景辐射的光子，这中间有一部分波长也在21cm，所以在黑暗时代，21cm光子的发射和吸收都在不断的发生。可见，如果想要观察黑暗时代，只需要观察黑暗时代21cm光子的发射或者吸收信号就可以了。需要注意到的是，因为宇宙 膨胀引起的红移效应，这些光子今天已经移动到了更长波长的电磁波段。

目前，在全球范围正在建造或已经建成一批目标是黑暗时代的射电望远镜阵列，包括美国的长波阵列（Long Wavelength Array，简称LWA），澳大利亚的默奇森大视场射电阵（Murchison Widefield Array，简称MWA），荷兰的LOFAR低频阵以及中国参与的平方千米射电望远镜阵（Square Kilometer Array，简称 SKA）。这些巨大的天线阵列都期待着能够通过观察黑暗时代发出的21cm光子，来获得黑暗时代的宇宙地图。

图6  位于澳大利亚的天线EDGES，这个射电天线大小和一张桌子差不多。图片来源：darkmatterdarkenergy.com/Dragonfly Media

但有趣的是，去年发表在《自然》上的一篇文章显示在观察黑暗时代的竞争中，一个更小的天线似乎拔得头筹。这个天线（Experiment to Detect the Global EoR Signature，简称EDGES）由美国麻省理工学院的艾伦·罗杰斯（Alan Rogers）教授领导的研究组建立。和所有的大型计划不同，EDGES只有一个射电天线，大小和一张桌子差不多。为什么这个小天线可以率先测到信号？因为它和其他大型阵列不同，舍弃了测量黑暗时代地图的可能性，代之以测量全天21cm信号的总和，这使得它丢失了空间分辨率，但获得了信噪比的优势。在《自然》上发表的那篇文章中，罗杰斯的研究组宣称测到了来自宇宙黎明时代的21cm光子吸收信号。这个信号看上去十分的显著，但也带来了新的困惑，因为这个吸收信号看上去太强了，这意味 着宇宙黎明时代的气体比理论预期的要冷得多。这样的观测也许意味着暗物质模型或者原初黑洞模型研究上的新物理。但很多科学家仍然担心这样的测量也许是因为测量误差导致。因为在宇宙中有很多的天体物理辐射也会发出/吸收和21cm光子同样频率的信号，细致地扣除这些信号的影响对最终的结果至关重要。目前，人们仍然等待着其他研究组对EDGES结果的验证。但不管怎么说，人们普遍认为黑暗时代的神秘面纱已经被揭开一角，令人兴奋的科学结果将在未来的几年里被发现。

图7  艺术家绘制的平方千米射电望远镜阵（SKA）第一阶段望远镜示意图，包括由近200面碟型天线组成的中频阵以及由13万个低频天线组成的低频阵。图片来源：SKA