What Can We Actually See in the Universe?

夏夜的露台飘着刚烤好的巧克力饼干香，12岁的天文爱好者莉拉把小型折射望远镜架在栏杆上，指尖刚碰到目镜，她的机器狗搭档Cosmo就伸出冰凉的金属机械爪碰了碰她的胳膊——它的蓝色指示灯闪了闪，内置天文数据库已经跳出了今天的核心问题：“我们到底能看到多少宇宙的东西呀？” 莉拉笑着揉了揉Cosmo的合金脑袋：“先让我们从最近的地方开始数吧，就从我们头顶上那个亮得晃眼的家伙开始——太阳。” 你肯定见过太阳：白天它挂在天空中央，把光洒在大地上，让你能看清路边的小花、手里的冰淇淋、还有Cosmo的银色外壳。可你 rarely 意识到，太阳根本不是什么“小灯泡”：它的直径有139万公里，能装下130个地球——如果你把地球捏成一颗普通的玻璃弹珠，太阳就是一个直径1.4米的大瑜伽球，放在小学操场的正中间，水星、金星、地球、火星就是围着它转的小石子，木星和土星是两颗更大的橡皮球，天王星和海王星则是两颗玻璃弹珠。太阳的温度高到能直接把铁变成气，它每秒能烧掉600万吨氢，就像一口永远烧着火的大锅，已经烧了46亿年，还能再烧50亿年。哦对了，千万别用望远镜直接看太阳，不然你的眼睛会和烤融化的巧克力一样，留下永远的伤疤——这是宇宙侦探社的第一条安全守则。 “那月亮呢？”Cosmo的电子音突然响起，“我们晚上看到的最亮的东西，算不算？” 当然算！月亮是地球的“跟屁虫”，已经围着地球转了45亿年。你看到的月亮上的暗色斑块不是海洋，是几十亿年前火山喷发留下的平原，而那些亮晶晶的坑是陨石砸出来的“伤疤”。阿波罗号的宇航员1969年第一次登上月亮的时候，留在上面的脚印到现在都没有消失——月亮上没有风、没有雨、没有会跑的小狗，除非有新的陨石砸过来，不然那些脚印能留到宇宙毁灭的那天。有时候月亮会刚好挡在太阳和地球中间，给地球盖上一层阴影被子，这就是日食；如果月亮跑到地球的影子里，就会变成“红月亮”，也就是月食。如果你在日食阴影的正中间，就能看到太阳被咬掉一口的奇观，连小鸟都会以为是突然到了晚上，叽叽喳喳地回窝睡觉。 “再远一点呢？”Cosmo的摄像头对准了冬天的星空，天狼星的亮光在夜空中闪得像一颗钻石。 比月亮远的是行星：太阳系里有八大行星，除了地球之外，木星的大红斑已经刮了300年，是个比地球还大的超级风暴，要是把地球扔进去，连个水花都溅不起来；土星的光环是碎冰块和岩石组成的“呼啦圈”，如果你站在土星环上轻轻跳一下，能飘好久好久，因为土星的引力比地球小得多。再远一点是恒星：除了我们的太阳之外，宇宙里有上千亿颗恒星，天狼星是地球夜空中最亮的恒星，比太阳亮25倍；而北极星其实不是最亮的，但它刚好站在地球自转轴的“延长线”上，所以古代的水手出海的时候，只要找到北极星，就不会迷路。 “那更远的地方呢？”莉拉把望远镜对准了银河的方向。 比恒星更远的是星系：我们的太阳系就住在银河系里，银河系是个中间厚、边缘薄的“飞碟”，有10万光年宽，里面有1000亿到4000亿颗恒星——如果你把银河系压成一片薯片，太阳系的位置就是薯片边缘的一粒盐。我们用韦伯太空望远镜能看到的最远的星系叫JADES-GS-z14-0，它离我们有134亿光年远，它发出的光跑了134亿年才到我们的眼睛里，所以我们看到的不是它现在的样子，而是它134亿年前的样子——那时候宇宙才刚刚诞生4亿年，就像你看到你太奶奶3岁时候的照片，你看到的是她100年前扎羊角辫的样子，不是现在她坐在摇椅上摸着你头的模样。 莉拉放下望远镜，转头看向Cosmo：“现在问题来了：我们刚才数的所有东西——太阳、月亮、行星、恒星、星系，还有我们自己，所有你能看到、摸到、测到的东西，加起来只占宇宙总内容的多少？” Cosmo的数据库闪了闪，跳出了一个数字：5%。 “什么？只有5%？”机器狗的声音都提高了八度，“那剩下的95%是什么？” “就是我们要找的两个隐形嫌疑人。”莉拉从口袋里掏出一张画着巧克力冰淇淋的卡片，那是她上周去天文馆领的纪念品，“我们来玩个游戏，把这碗宇宙冰淇淋当成整个宇宙，总共有1000克重，我们刚才数的所有能看见的东西，就是上面撒的巧克力豆，一共只有50克，刚好是5%。剩下的950克都是看不见的，其中大概270克是第一个嫌疑人——暗物质，我们叫它‘隐形大力士’；剩下的680克是第二个嫌疑人——暗能量，我们叫它‘宇宙膨胀推手’。” `<!-- 纸书插画提示（第8页）：此处配一碗巧克力冰淇淋的大图，上面撒了5颗巧克力豆，标注“可见物质：5%”，剩下的冰淇淋部分标注“暗物质：27%”“暗能量：68%”，旁边站着莉拉和Cosmo，莉拉举着卡片，Cosmo的指示灯亮着 -->` ```mermaid pie title 宇宙成分占比（和冰淇淋重量对应） "暗能量 (680克/68%)" : 68 "暗物质 (270克/27%)" : 27 "可见物质 (50克/5%)" : 5 ``` “等等，我有个问题！”Cosmo突然叫起来，“既然剩下95%的东西看不见，我们怎么知道它们存在？会不会是你算错了？” 这个问题问得太好了！天文学家一开始也不相信，直到他们发现了好几个“宇宙破绽”，才不得不承认这两个隐形嫌疑人真的存在。 先来说说第一个嫌疑人：暗物质，外号“隐形大力士”。天文学家最早发现它的线索是在1933年，一个叫兹威基的天文学家在看一个叫“后发座星系团”的大星系群的时候，发现了一个奇怪的事：这个星系团里的星系转得特别快，按照我们能看见的恒星、气体的质量算，这些星系早就应该像甩出去的溜溜球一样，飞得没影了——就像你转溜溜球的时候，如果绳子不够长，溜溜球肯定会飞出去，不会老老实实转在你手里。 `<!-- 纸书插画提示（第11页）：一个小孩转溜溜球的图，溜溜球快飞出去了，旁边标注“如果只有可见物质，星系早就飞散了！”，另一边是星系转的图，暗物质晕是灰色的隐形圈，把星系裹在里面，标注“暗物质像隐形绳子，拉着星系不让飞” -->` 可是这些星系不仅没飞，还安安稳稳地转了几十亿年。兹威基算了半天，发现除非有10倍于可见物质质量的“看不见的东西”拉着这些星系，不然根本解释不通。后来天文学家又看了好多星系，发现每个星系都有这个问题：银河系里的可见物质只有1000亿颗太阳那么重，但是整个星系的质量至少有2万亿个太阳那么重，多出来的1万亿个太阳质量的“看不见的东西”，就是暗物质。 你可能会问：会不会是黑洞？黑洞虽然也看不见，但黑洞会吸光，会挡住后面的星星，就像你站在太阳前面，会挡住后面的路灯。可暗物质不会：你就算站在一大团暗物质前面，后面的星星还是亮堂堂的，根本不会被挡住，暗物质只会轻轻“拉”一下周围的东西，就像你穿着隐身衣站在门后面，别人看不到你，但是你推门的时候，门还是会动，别人就知道你在。 还有更直接的证据：引力透镜。你肯定玩过放大镜吧？把放大镜放在蜡烛前面，光线会弯过来，在另一边形成一个倒过来的蜡烛虚像。星系团的质量特别大，就像宇宙里的超级放大镜，会把后面的遥远星系的光弯过来，形成好几个一样的虚像。可天文学家算星系团的质量的时候，发现就算把所有可见的恒星、气体、尘埃的质量都加起来，也不够把这些光弯成那个样子——必须有看不见的暗物质在当“放大镜的镜片”，才能解释我们看到的弯曲的光线。 “那第二个嫌疑人暗能量呢？”Cosmo的摄像头转向了天空的深处，“它又是怎么被发现的？” 暗能量的发现更神奇，完全是个“破案反转”。1998年的时候，两个天文学家团队分别在夏威夷和智利，比赛找遥远的超新星。超新星是恒星爆炸的时候发出的特别亮的光，亮度是太阳的几十亿倍，就算在134亿光年外也能看到。天文学家本来以为，用超新星当“量天尺”，能测出宇宙膨胀的速度是不是在变慢——毕竟宇宙大爆炸之后，所有的星系都在互相远离，就像你吹气球的时候，气球上的点会离彼此越来越远，按理说膨胀的速度应该会慢慢慢下来，就像你吹气球吹到最大就吹不动了一样。 可结果呢？两个团队测出来的超新星都比他们预想的要暗——也就是说，这些超新星离我们比他们算的要远得多。这意味着什么？意味着宇宙膨胀的速度根本没有变慢，反而在越来越快！就像你吹气球的时候，不光越吹越大，还吹得越来越快，好像有什么东西在气球里面拼命吹气一样。 `<!-- 纸书插画提示（第14页）：一个正在被吹大的气球，气球表面画了很多小点代表星系，有个小标签写着“暗能量：让宇宙膨胀越来越快的隐形推手”，旁边是超新星的图，标注“1998年超新星观测发现宇宙膨胀加速，暗能量被找到！” -->` 这个发现直接把全世界的天文学家都搞懵了：什么力能让宇宙膨胀得越来越快？唯一的解释就是有68%的宇宙内容是暗能量，它不是一种普通的物质，而是空间本身的属性——就像你站在一条自动移动的传送带上，就算你站着不动，传送带也会把你带远，而且传送带还越来越快，暗能量就是这条自动变快的传送带，所有的星系都站在上面，所以就算它们不动，也会离彼此越来越远。 “那我们现在怎么找这两个嫌疑人？”莉拉把望远镜收起来，Cosmo的指示灯闪得特别亮，“总不能一直等着它们自己跳出来认罪吧？” 当然不会！现在全世界的天文学家都在当“宇宙侦探”，用各种工具找它们的线索： 找暗物质的侦探们有的在地下建实验室，比如意大利的格兰萨索实验室，建在地下1400米的地方，把整个实验室包得严严实实，挡住所有来自太空的宇宙射线，就像建了一个超级大的捕鼠笼，等着暗物质撞进原子核里的时候发出一点微弱的闪光。还有的用望远镜找暗物质聚集的地方，比如暗物质会帮气体聚集成恒星，所以如果一片地方有很多新生的恒星，那下面肯定藏着暗物质。 找暗能量的侦探们则在数宇宙里的星系，看它们离我们有多远，膨胀速度有多快，还有的在算宇宙的形状，看暗能量到底能让宇宙膨胀到多大，最后宇宙是会永远膨胀下去，还是会最后坍缩成一个点。 “哦对了！”Cosmo突然叫起来，“韦伯望远镜不是刚拍到了134亿光年远的星系吗？那个是不是和暗物质有关？” 没错！韦伯望远镜拍到的那些早期的星系，比天文学家之前预想的要亮得多、多得多，这说明早期宇宙里的暗物质比我们想的要多，暗物质帮气体更快地聚集成恒星和星系，才让我们能看到那么多古老的星系。如果没有暗物质的话，宇宙里的气体根本聚不起来，不会有星星，不会有星系，也不会有我们人类——暗物质其实是我们的“宇宙摇篮建造师”，帮我们搭好了能住的地方。 `<!-- 纸书插画提示（第17页）：韦伯望远镜拍的遥远星系的图，旁边有个小漫画，暗物质像 invisible 的脚手架，把气体聚集成星系 -->` “那我们要多久才能抓到这两个嫌疑人？”Cosmo有点着急。 莉拉笑了：“别急，破案本来就要花时间。100年前我们还以为银河系就是整个宇宙，50年前我们才知道宇宙大部分是看不见的，现在我们才刚开始找它们的线索。说不定你长大之后，就能亲手找到暗物质的痕迹，或者搞清楚暗能量到底是什么——毕竟我们是宇宙侦探，没有我们解不开的谜题，不是吗？” 她拍了拍Cosmo的合金脑袋，重新把望远镜对准了银河的方向。夜空中，那些我们能看到的光点只是宇宙的一小部分，更多的秘密藏在看不见的黑暗里，等着她们去发现。 --- > 🕵️ 宇宙侦探笔记 第1章核心线索 > 1. 你能看到的所有宇宙东西（太阳、月亮、星星、行星、你自己）加起来，只占宇宙总内容的5%，就像一碗1000克的冰淇淋里只有50克是能看见的巧克力豆 > 2. 剩下95%是两个看不见的“嫌疑人”：27%是暗物质（外号“隐形大力士”，用引力拉着星系不飞散），68%是暗能量（外号“宇宙膨胀推手”，让宇宙膨胀得越来越快） > 3. 我们看不到它们，但能通过它们的影响找到它们：就像你能看到风吹动树叶，知道风在那里，虽然你看不到风 > 4. 接下来的冒险里，我们会先深入调查第一个嫌疑人——暗物质，看看这个“隐形大力士”到底藏在哪里！ > > [📎 电子版侧边栏：点击观看韦伯望远镜拍摄134亿光年远星系的延时视频，看看宇宙诞生初期是什么样子](https://webb.nasa.gov/content/webbTurnaround/jades.html) > > [📎 电子版侧边栏：点击看3分钟动画，看懂引力透镜到底是什么](https://www.youtube.com/watch?v=QlllEbhSEzU) > > 📖 纸书互动小挑战：拿出一个透明的塑料袋，装3颗小石子，封好口放在桌子上，用手轻轻压塑料袋，你能看到塑料袋凹下去，但看不到里面的石子——暗物质就像这些石子，你看不到，但能看到它让空间变形的痕迹。快把你的观察结果画在下面的框里吧！ > > --- > 脚注： > 1. 兹威基1933年的观测结果首次提出了暗物质的存在假设，相关论文发表于《天体物理学杂志》[↩] > 2. 1998年两个超新星观测团队的发现证实了暗能量的存在，相关天文学家因此获得2011年诺贝尔物理学奖[↩]

```mermaid sequenceDiagram participant 可见物质 as 可见物质（恒星、气体、尘埃） participant 暗物质晕 as 暗物质晕（隐形大力士） participant 星系边缘 as 星系边缘的恒星 可见物质->>暗物质晕: 被暗物质的引力完全包裹 暗物质晕->>星系边缘的恒星: 用引力拉着不让飞散 星系边缘的恒星->>可见物质: 以每秒200公里的速度旋转，但永远不会飞出去 ```

```plantuml @startuml class 宇宙侦探社 { + 核心成员 + 莉拉：12岁天文爱好者，侦探队长，擅长用望远镜找线索 + Cosmo：莉拉的机器狗搭档，内置天文数据库，能解答所有基础天文问题 + 核心装备 + 小型折射望远镜：能看清月亮的陨石坑 + 宇宙探测器：能测宇宙射线的强度 + 侦探笔记本：记录所有破案线索 + 当前任务 + 找出暗物质和暗能量的真实身份，解开宇宙95%的谜题 } @enduml ```

现在我们来算一下刚才说的宇宙成分占比，用天文学家常用的符号$\Omega$来表示“某类物质占宇宙总能量的比例”， Visible 物质的比例大概是$\Omega_{\text{visible}} \approx 0.05$，暗物质是$\Omega_{\text{dark matter}} \approx 0.27$，暗能量是$\Omega_{\text{dark energy}} \approx 0.68$，加起来刚好是1，刚好对应那碗1000克的冰淇淋的总重量。 你可能还会问：暗物质和暗能量会不会是同一种东西？现在天文学家也不确定，不过大部分证据显示它们是两种完全不同的东西：暗物质会聚集成团，像隐形的脚手架一样帮气体聚集成星系；而暗能量是均匀