马里奥·里维奥评论哈勃25年

A.在我们生命中的某个时刻，我们会面临一些比我们自身更可怕的事情，我们无处可去，只能仰望天空。在我们当中也有一些人，他们会第一个看到那里，并将这种凝视持续一生。

天体物理学家马里奥·里维奥就是这样一个人。利维奥是太空望远镜科学研究所的高级理论天体物理学家，是超新星及其成像方面的专家。他的工作有助于确定宇宙的膨胀率，并有助于理解暗物质和黑洞。

1990年，我在美国国家航空航天局肯尼迪航天中心，当时哈勃成为第一个被发射到太空的主要光学望远镜。我们所谓的“天空之眼”让我们能够回顾过去，照亮我们的起源。尽管一开始很艰难，需要进行修复任务，但哈勃很快发现了巨大黑洞的证据，接着是冥王星的卫星，然后是宇宙早期的星系。

今年，在庆祝哈勃望远镜25周年之际，我与研究所的利维奥谈论了这项任务的非凡成就及其对科学、艺术和社会的影响。利维奥带我参观了遥远的超新星、暗能量、暗物质、哈勃常数和星系演化，展示了他标志性的能力，让复杂的科学变得可以理解。

他认为人类面临的最具革命性的问题是什么?我们在宇宙中是否孤独。

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哈勃太空望远镜是如何改变我们观察宇宙的方式的?

哈勃拍摄的图像M16和深空尤为著名。还有什么画面同样令人着迷?

哈勃的宇宙起源光谱仪是如何向我们展示宇宙的结构的?

地面望远镜可以提供与太空望远镜不同的信息。你能解释一下吗?

什么是暗能量？

暗能量会对我们的宇宙产生什么影响?

什么是暗物质？

哈勃发现了什么黑洞？

哈勃有能力深入观察宇宙。哈勃深场显示了什么?

对发现其他可居住的行星来说，这种能看到宇宙如此之远的能力意味着什么？

哈勃完全退役的前景对你有什么影响?

采访记录

哈勃太空望远镜是如何改变我们观察宇宙的方式的?

自20世纪20年代以来，我们就知道宇宙在膨胀;但我们认为，也许由于宇宙中所有质量的引力，膨胀正在放缓。1998年，我们发现——哈勃在这个发现中扮演了非常重要的角色——膨胀不仅没有减速，实际上还在加速;这是加速。这个加速度是由斥力引起的，而不是引力，我们称之为暗能量。

这是怎么发现的呢?基本上，我们观察的是非常遥远的恒星爆炸，我们称之为1a型超新星。这里你可以看到一些。这里，你看到一个星系。看到那边出现的光点了吗?这是超新星。或者，这是一个星系。看到那边出现的光点了吗?这是超新星。这些是非常遥远的超新星。 They are distances of maybe 7, 8 billion light-years away. What that means is that the light left those supernovae 8 billion years ago. So we get a picture, if you like, of our universe as it was 8 billion years ago. So we can compare the expansion that [existed] then to the expansion that is now—and that’s how we found basically, that the expansion is accelerating, speeding up.

哈勃做的另一件很重要的事是改进了哈勃常数的测量。哈勃常数实际上是测量宇宙当前膨胀速率的一个指标，它是决定宇宙年龄的最重要参数。年龄基本上是哈勃常数的一倍。

在哈勃太空望远镜发射之前，有两组天文学家一直在为哈勃常数的值争吵不休。他们有两个不同的值，一个和另一个，完全不同。在适当的单位中，一个的值大约是50，一个的值大约是100，这当然是不可能的。哈勃太空望远镜所做的是通过很多很多的测量，很多遥远的指示器，比如在这个星系中，这些绿色的圆圈，它们标记了我们称为造父变星(这些是有脉动的恒星)的位置，结果是，脉动的周期(恒星脉动的时间)和恒星的实际亮度(恒星的固有亮度)之间的关系非常紧密。因为我们可以相当精确地测量脉动的周期，我们就可以知道恒星的真正亮度是多少。然后，通过比较恒星的实际亮度和我们看到的亮度，我们就能知道这颗恒星离我们有多远。它是这样的:如果我在这里拿着蜡烛，并且以两倍的距离举着它，它的亮度就会减少四倍。它就像距离的平方——物体的亮度——这也适用于这些物体。

然后我们可以确定距离，这一直是主要问题:高精度地确定距离。但现在我们做到了。目前，我们已经设法改进了哈勃常数的值。我们知道误差不超过3%。记住，从只知道到2倍以内，到3%以内。这就是我们现在对宇宙年龄的了解程度。我们的宇宙的年龄非常接近138亿年，我们现在知道它的精确度非常非常高。

哈勃拍摄的图像M16和深空尤为出名。还有什么画面同样令人着迷?

首先，我想说，这两幅画面仍然让人着迷，对吧?M16已经成为标志性建筑;这是毫无疑问的。它被称为“创造之柱”，等等。我的意思是，这些由气体和尘埃组成的柱状物是新恒星诞生的地方，它们真的很神奇。哈勃深空和它的继任者，哈勃超深空，超深空等等，继续非常鼓舞人心，向我们展示了我们的宇宙是由数千亿个星系组成的，如此等等，所以当然很神奇。当然，从那以后，还有更多。这里有一些。

这座山，我们称之为神秘山，只是因为它看起来像一座山！它是另一个气体柱和尘埃柱，新的恒星在里面诞生。不仅新的恒星在里面诞生，而且在这里，你甚至可以看到围绕在里面诞生的年轻恒星周围的盘状喷流。在这里，你可以看到看到另一个喷流，它是从另一颗诞生在这里的恒星发出的，并且当然，因为我们在哈勃望远镜上安装的照相机，从那时起，通过维修任务，具有更高的分辨率和更好的图像质量，当然，这些图像提供了比我们以前能够看到的更多的细节。我认为这只是一个令人震惊的图像，神秘的山。

还有其他奇妙的画面。像这样。这是马头星云，之所以叫它马头星云是因为在地面图像中，等等，这看起来有点像马的头。但我们现在用红外光拍摄了这张照片因为哈勃有广角相机3，它有红外功能。灰尘对可见光是完全不透明的，但对红外光却是透明的。红外线能够穿透星云的部分区域，因此能够看到马头星云中所有令人难以置信的细节。我相信这是一张令人惊叹的照片。

另一幅我认为很棒的图片是这个。我们有时称之为“玫瑰”。这实际上是两个相互作用的星系，由于它们的引力相互作用，由于潮汐力，每一个星系都相互伸展它们形成了这个结构看起来有点像玫瑰，所以我们叫它玫瑰。再一次，你可以在这些尾巴中看到，在那些潮汐的尾巴中，所有那些蓝色的星团，新恒星的诞生等等。所有这些都是这种相互作用的结果。所以我们真的有成千上万的新图像，其中很多都是非常惊人的。

哈勃的宇宙起源光谱仪是如何向我们展示宇宙的结构的?

暗物质是结构形成的真正原因。在早期宇宙中发生的事情是暗物质首先坍缩形成某些引力势阱，然后普通物质就会流入这些势阱。最终，星系开始形成，星系团开始形成。

但是当我们模拟暗物质形成的结构时——现在有非常非常大的计算机模拟来做这个——我们发现它形成了一个丝状网络，一个暗物质丝状的宇宙网。它有点像海绵，但它实际上是纤维的地方，在它们之间，有这些空隙等等。所以我们有了这样的结构，然后普通的物质聚集在那些宇宙网络类型的最密集的点上。

现在，我们怎样才能发现这个宇宙网的存在呢?最终，所有的星系间气体都会形成这种东西。我们看不见它是因为它发出的光不足以让我们看到它。但我们看更遥远的类星体，比如这些星系中心非常遥远的黑洞，它们看起来像光点。这些类星体发出的光，在到达我们和我们的望远镜的路上，会穿过许多细丝。当它穿过细丝时，原子设法吸收进来的光中的一部分，我们实际上在光谱中看到了这些吸收。比如哈勃，有这个神奇的摄谱仪现在叫做COS，宇宙起源摄谱仪，它能看到所有的这些东西因此它能让我们绘制出宇宙网络的三维结构。

地面望远镜可以提供与太空望远镜不同的信息。你能解释一下吗?

每一个望远镜都有它的优点和缺点。地面上的望远镜非常大。凯克望远镜，非常大的望远镜，它们有很大的收集区域，因此，它们可以追踪非常微弱的东西。如果你需要一个非常微弱的物体的光谱，这就是你要做的方法。另一方面,在可见光…即使自适应光学已经设法取出一些模糊的影响红外地球大气层,在可见光下,还有什么相比之下,哈勃望远镜的分辨率可以达到的可见光。而且在不久的将来也没有什么能与之相比。

所以，如果你需要这种难以置信的高分辨率，在精确的细节等方面，像哈勃这样的东西仍然是[使用]的东西。现在，我们将有詹姆斯·韦伯太空望远镜，它是一个更大的镜子——哈勃只有2.4米;詹姆斯·韦伯是6.5英寸——这是一个大得多的望远镜。但它基本上只在红外线中工作，而不是像哈勃那样在可见光中工作。所以它有自己的优势。LSSD将有它的优势，等等。所以我认为这确实是一个很大的努力，一个天文台的观测将补充另一个天文台的观测。因为只有通过这些不同的观察模式——不同的波长，不同的灵敏度等等——我们才能得到更完整的图像。

什么是暗能量？

我们不知道暗能量是什么。我们知道它的作用:它加速宇宙的膨胀。我们也知道它是一种非常平滑的能量形式，充满了整个空间。我们对它可能是什么有一些想法。我们认为它是与真空有关的能量，与物理真空有关。在物理学中，真空不是什么都没有的东西;它非常非常活跃。事实上，它充满了虚粒子和反粒子出现和消失，出现和消失，等等。所以我们认为这是真空的能量造成的。问题是，当我们试图计算真空中应该有多少能量时，我们得到的数字与实际观测到的数字相差好几个数量级。 So we still don’t know exactly what this dark energy is, but the current best guess is that it is this energy of empty space, and that’s pushing the expansion of our universe to accelerate.

暗能量会对我们的宇宙产生什么影响?

好吧，因为我们还不知道暗能量将如何表现，我无法真正回答这个问题。然而，如果暗能量确实是与空空间相关联的能量，那么我们实际上知道它的密度保持不变，这意味着我们宇宙的膨胀将继续以与它相同的方式加速现在加速。它将永远继续加速。大约一万亿年后，如果我们附近还有天文学家的话，我们就不可能了。我的意思是，在这个星系中，他们将无法看到夜空中的任何其他星系，即使他们有最强大的望远镜。他们会认为他们是宇宙中唯一的星系从现在起大约一万亿年后的宇宙。因此，如果事情是这样的话，宇宙将走向一个非常寒冷的死亡。

现在，就像我说的，我们仍然不确定暗能量确实是空虚空间的能量，所以事情会以非常不同的方式结束。在一种情况下，这一切都可能以一个大的收缩而告终，在那里整个膨胀会倒退并开始重新坍塌。或者，它可能会以我们所说的“大撕裂”告终，这意味着即使是最小的结构也会在膨胀的力量下最终被撕裂，甚至原子和原子核，等等。但就像我说的，到目前为止的大多数观察都与持续加速膨胀相一致，就像现在。你不会看到任何其他星系，就这样了。

什么是暗物质？

我们的宇宙很奇怪。大约70%的能量是我们现在所说的暗能量，这种能量推动宇宙加速。大约百分之二十左右的物质是我们所说的暗物质。暗物质是我们看不见的物质，因为它不发出任何光，也不通过电磁相互作用相互作用。不到5%是我们所说的重子物质。这是构成我们的物质，构成恒星的物质，构成星系的物质。这还不到宇宙能量预算的5%。

所以暗物质非常重要。它占宇宙能量密度的20%左右。特别是，它在构建我们在宇宙中看到的所有结构——星系和星系团等等——方面发挥了重要作用。现在，因为它相互作用很弱而且不发出任何光，问题是你如何发现它的存在?我们通过它的引力相互作用找到它，因为它确实有引力相互作用。它从观察单个星系开始。你看那些离星系中心很远的物体如果宇宙的所有质量都是我们看到的星系的质量，那里的东西就不可能一直在绕着星系中心运动的轨道上;没有足够的质量把它固定在那里。所以我们推断一定有我们看不到的各种质量。事情就是这样开始的。

然后它进入星系团，我们发现在所有尺度上，都有我们实际上看不到的物质。现在，在一些特殊情况下，比如在这里所示的例子中，两个星系团碰撞。每个星系团周围都有一个暗物质晕；但它内部也有一些热气体，只是普通气体，重子气体，在它里面。现在，当两个星系团碰撞时发生的是，热气体实际上碰撞，它电磁相互作用，然后碰撞。因为它是热的，所以可以在X射线中看到。所以在这个特殊的例子中，这是用红色显示的，这些是钱德拉X射线天文台在X射线中观察到的。

另一方面，暗物质相互作用非常非常弱，没有热相互作用，它可以穿过。这就是我们在这里看到的蓝色的东西，我们并没有真正看到。我们只知道它在那里，因为这些物质的作用，就是我们所说的引力透镜，也就是说，我们观察离这个星团很远的物体。这些物体发出的光会被星团的引力扭曲，就像你在光的路径上放一个透镜，它会扭曲光的路径一样。这是爱因斯坦广义相对论的影响之一。

所以从这个引力透镜，从我们看到的引力透镜的模式，我们可以重建这些星系团的质量分布。这就是这些蓝色物体所在的位置。这些都是哈勃观测的结果，在更远的物体的光线下产生的扭曲。这告诉我们高温气体的位置。你在这里看到的本质上是两者之间清晰的分离，因为一个只是通过，而另一个实际上是碰撞。有了哈勃，我们现在可以，在一些情况下，用这种方法绘制出暗物质的分布。我们甚至可以做一个三维的地图，你知道的，在空间上远距离的暗物质分布。

哈勃发现了什么黑洞？

哈勃发现的一件事是首先，在几乎每个星系的中心都有一个黑洞，一个超大质量的黑洞，一个大黑洞。顺便说一下，有一个发现不是哈勃发现的，在我们银河系的中心，有一个黑洞质量大约是太阳质量的400万倍。但哈勃表明，基本上，几乎你看到的每个星系，中心都有一个黑洞。但更重要的是,哈勃发现之间有一个非常紧密的(关系)的质量黑洞在星系的中心,和速度的弥散,黑的洞周围的速度也是衡量质量的恒星的膨胀在黑洞周围的星系的中心。

现在，这是非常非常重要的，因为你可能认为星系和它中心的黑洞彼此不认识；它们完全独立进化。但黑洞的质量与速度色散或其周围凸起的质量密切相关，这意味着星系和黑洞实际上是共同演化的，它们一起演化。我们认为我们现在已经理解了它是如何工作的，你知道，只要质量在中心产生，凸起就会增大，黑洞也会增大。在某一点上，你开始有这种反馈，辐射开始推动里面的气体，如果你愿意的话，这会阻止黑洞和膨胀的生长。因此，他们的群众仍然团结在一起。这张图片显示的是M87星系，它的中心有一个质量约为太阳质量30亿倍的黑洞，它有一个壮观的喷流，我们在这张哈勃图片中可以看到。

哈勃有能力深入观察宇宙。哈勃深场显示了什么?

你对天空中的一小块区域进行非常非常深入的观察——大致就是你通过吸管在天空中观察的区域——这是哈勃超深视场;这是一个像这样的图像。当然，这些图像中令人惊讶的是，几乎你在这里看到的每一个光点，除了极少数例外，都是一个拥有大约1000亿颗像太阳一样的恒星的整个星系。在这张图中有成千上万个。

我们比原来的哈勃深空深入了很多，特别是因为哈勃太空望远镜现在也有了红外光探测的能力。红外光让我们能看得更深，因为宇宙在膨胀，所以光线会更多地偏向光谱的红色一侧。所以如果你看红外线你可以看到更深的东西，你知道，等等。所以我们做的比这更深入。我们现在看到的是宇宙不到5亿年的时候的样子;而今天它已经138亿年了。所以我们真的看到了宇宙的初期。

那么，我们从中发现了什么呢?首先，我们已经看到了整个历史星系是如何进化的，它们是如何合并在一起的。你知道，基本上就是大公司的兼并和收购。你从小的积木开始，它们合并在一起形成更大的东西，这些合并在一起形成更大的东西，直到你形成我们今天看到的大星系。

对发现其他可居住的行星来说，这种能看到宇宙如此之远的能力意味着什么？

直到1992年，我们才知道太阳系之外还有一颗行星。1992年，我们发现了第一批围绕另一颗恒星的行星，但它们围绕着一颗奇异的恒星，一颗脉冲星，这是一个非常紧凑的物体，而不是生命可能进化的类型，等等。直到1995年，我们才发现了第一颗围绕着一颗更像太阳的恒星的行星。从那时起，许多行星被发现，特别是开普勒卫星。

现在有数千颗候选行星和1000多颗确认的太阳系外行星（围绕其母星旋转的行星）。不仅如此，开普勒还表明，从统计上讲，大约20%的恒星，类似太阳的恒星或较小的恒星，都有一颗地球大小的行星，大致位于该恒星周围的可居住区。可居住区是中心恒星周围既不太热也不太冷的区域，因此它可以在表面上容纳液态水，因为我们认为液态水可能是生命的基本成分，所以我们称之为可居住区。因此，大约20%的类太阳恒星或更小的恒星在可居住区内有类似地球大小的行星。实际上，仅在我们银河系的可居住区就有数十亿颗行星。

哈勃做了一件非常独特的事情，那就是确定了其中一些行星大气的组成。它是怎么做到的？它这样做的方式是对凌日行星，这些行星恰好沿着这样一条视线，即行星在其母星前面经过。[这些行星]使它的恒星黯然失色。现在，日食是非常小的，因为行星与恒星相比非常小。因此，它所做的只是当行星在前面移动时，恒星的光线变暗了大约1%到2%。然而，这里有一个诀窍，当行星走在前面时，是的，它使恒星的光线变暗了大约百分之几，但是来自恒星的一些光线在到达我们的途中穿过行星的大气层。然后，我们可以看到大气层从恒星的光线中吸收了什么，这告诉我们太阳系外行星大气层的组成。

这是用哈勃和斯皮策太空望远镜完成的。我们可以确定这些行星的大气成分是什么。我们现在在许多这样的行星上发现了，特别是目前为止，巨大的行星，比如太阳系中的木星，我们发现了水，我们甚至发现了甲烷，一些有机物等等。还有很多其他元素，比如钠，在这个东西里被发现了。现在,我应该说,在即将到来的年,我们将做得更好,因为在2017年,这颗卫星苔丝,应该是启动,就会发现一些这样的行星的宜居区,然后在2018年,詹姆斯·韦伯太空望远镜,哈勃的科学的继任者,将启动,它将能够描述TESS将发现的那些行星的大气特征，那些凌日行星。原则上，如果我们真的非常非常幸运，如果生命无处不在，那么我们甚至可以在这些大气中识别出一些生物特征。我指的是那些我们认为最有可能是由生命形成的特征，例如氧气、臭氧、热化学平衡之外的大气等等。

现在，请注意，即使我们发现了一些生物信号，比如水，氧气，臭氧等等，这也不会是“哦，我们发现了生命！就是这样！”因为原则上还有其他过程可以做到这一切。所以任何一个生物签名都不足以让任何人相信我们已经发现了一些生命形式。但是如果我们发现了这些的全部组合，你知道我们发现了一个地球大小的行星，它在可居住区，我们发现它有水，有氧，原则上有臭氧，我们甚至可以尝试确定是否有叶绿素的作用，你知道，植物的作用，有某种上升，我们称之为“红边”，原则上你可以看到。这很难看到，但原则上是可以看到的。如果我们发现它们的整体组合，并且大气层处于热化学平衡之外，那么也许你可以开始相信那里可能有某种生命形式。

哈勃完全退役的前景对你有什么影响?

哈勃望远镜无疑是我科学生涯的重要组成部分；这是毫无疑问的。每一次服务任务对我来说都是非常悬念和紧张的。我曾经说过，这有点像你的孩子出生的时候或者类似的事情。我没有太夸张；我的意思是，我有点夸张，但我没有夸张太多。

我一直都知道哈勃总有一天会结束工作。事实上，没人指望哈勃能工作25年或更长时间。顺便说一下，哈勃望远镜还没有结束——我们现在正在庆祝它25年的诞生，但是哈勃望远镜正在进行奇妙的科学研究，事实上，它可能拥有有史以来最大的仪器。所以我们肯定希望它能继续工作至少到2020年左右，让它与詹姆斯·韦伯太空望远镜重叠，也许几年左右。但我一直都知道它总有一天会结束，而且哈勃已经有了科学上的继承者是很好的，那就是詹姆斯·韦伯太空望远镜。

这个想法实际上是科学在继续，你不能对一个特定的实验依恋得太深，以至于当这个实验变成更大更好的东西时，你仍然会为失去另一个实验而悲伤。所以我认为我对詹姆斯·韦伯的转变是渐进的，是自然的，我迫不及待地想看到它的启动。