搜寻宇宙的第一盏星光

三联生活周刊：你如何用通俗的语言解释观测宇宙学（observational cosmology）这个学科？

艾利斯：我会说这是一场冒险，一场为了理解我们所居住的宇宙的科学冒险。当我通过一个望远镜，或是一个空间望远镜观测宇宙的时候，我并不知道自己会发现些什么。我会去测量宇宙的一些基本特征，比如说宇宙膨胀的速度，宇宙各处的膨胀是否保持一致，预测宇宙的未来会是如何等。所以说这是一场冒险。假设一个人生活在一个小镇里从来没有离开过，那么观测宇宙学就有点像是这个人第一次对小镇之外的世界进行探索。对我来说，进行观测是一个发现的过程，而且有的时候会有意外。比如说我们发现了这个宇宙的膨胀并没有因为物质的引力作用而减慢，而是在加快——这在当时对我们来说完全是一个意外。而当你做出这些发现的时候会非常兴奋，因为这需要科学解释。

三联生活周刊：你的研究领域主要在于宇宙的“黎明时期”。为什么寻找宇宙中最早的恒星非常重要，又非常困难？

艾利斯：我的研究主要在于寻找宇宙中最早诞生的恒星和星系——在这个时期宇宙中第一次出现了星光。从某种意义上来说，这也相当于寻找我们自身的来源——恒星发光是因为在其中发生了核反应，通过这些核反应也产生出了构成你我的各种元素，比如我们骨头中所含的钙、血液中的铁等，这些元素都是在恒星内部形成的。这项工作难度很大，因为我们需要向前回溯很长的一段时间。

我们使用大型望远镜观测宇宙，可以看到很遥远的地方。因为光速是恒定的，我们观测远方，就等于在回溯时间。比如说当我们观测太阳，我们看到的实际上是8分钟之前的太阳。如果太阳忽然消失了，我们要到8分钟之后才会发现。当我们使用非常强大的望远镜，比如哈勃空间望远镜，我们可以观测到数十亿年前的宇宙。这让我感觉自己是一个时间旅行者，可以看到宇宙在非常早期的形态。最终我们会到达黑暗，但我们无法观测黑暗。

要判断最早期的恒星，标准就是在其中没有重元素。在宇宙诞生初期，绝大部分元素是氢，还是少量的氦。所以最早期的恒星应该不含有氧、氮、碳等元素。我们希望通过最近发射升空的詹姆斯·韦伯太空望远镜，可以发现最早的恒星和星系。这项工作之所以很困难，是因为在这之后的星系可能会被超新星爆炸产生的重元素所污染。所以我们认为存在没有被重元素所污染的星系的窗口期非常短，可能只有2000万年到5000万年左右的时间。这与宇宙的年龄相比是一段非常短的时间。

三联生活周刊：现在是否已经发现了最早期恒星的信号？

艾利斯：还没有。现在我们还没法回溯到我们认为最初的星系形成的时间，因为目前我们最强大的望远镜也无法追踪到那么久之前的红外线。而詹姆斯·韦伯太空望远镜正是为了追踪更久远的红外线而设计的。我们把这个时期称作宇宙的黎明时期——大约是在宇宙大爆炸之后2亿到3亿年之间。

三联生活周刊：你把星系团（cluster of galaxies）当作透镜来观察宇宙深处，那么目前你发现的最早的星系是在什么时候形成的？

艾利斯：目前我们可以看到宇宙大爆炸之后大约5亿年的宇宙景象。这大约是目前宇宙年龄的3%。在这些遥远的星系中，我们已经可以看到一些老去的恒星。即便目前我们没法观测到更久之前的宇宙，根据这个事实，我们至少知道这些恒星在更早的时期就已经形成了。就比如你看到一个小男孩，虽然你没有看到他出生，但是你可以推测这个小男孩在过去几年时间里就已经存在了。我们通过这个方法来估计最早的星系形成的时间，利用星系团的引力透镜效果来增强望远镜的放大功能，可以推测这些星系是在宇宙大爆炸大约2.5亿年之后形成的。

（注：根据相对论，光线在经过大质量物质的附近时会发生偏转，因此光线在经过星系团时会发生偏转，在地球上进行观测，这个效果与凸透镜的放大效果类似。天文学家利用这个现象进行宇宙观测，把它称为“引力透镜”。）

三联生活周刊：利用星系团的引力透镜效应进行宇宙观测有哪些优点和缺点？

艾利斯：首先，当你透过星系团之类的引力透镜进行观测，你必须理解它的聚焦性质。如果我给你一个透镜，你会在实验室里进行实验来检验它的聚焦性质。同样的，对待星系团我们也需要先建立一个模型，理解多大质量的星系团可以对多么远的目标进行聚焦。幸运的是，目前关于这方面的数学理论已经非常完备。只要你观测到了被放大的目标，就可以测量出它们与地球的距离。你可以建立起关于引力透镜性质的数学模型。这样当你观测到另外一个遥远的目标，就可以通过几何学准确地计算出它的距离，同样也可以计算出它被放大了多少。我们利用引力透镜的原理和利用凸透镜的原理在很大程度上是一样的。

关于引力透镜方法的优点和缺点，优点是通过引力透镜，如同在你的望远镜前面加上了一个免费的长焦镜头，你完全不需要为它争取科研资金——这是自然界为你提供的一个望远镜。另一方面，理解它的性能需要花费很多的努力，而且这样的透镜并不是在天空中到处都有的。你必须用望远镜对准这种非常罕见的透镜。在天空中这样我们非常理解的引力透镜大约总共有20～30个。所以说我们只能在一些特殊的方位使用这样的技术。暗物质是星系演化的路径

三联生活周刊：你的研究还涉及暗物质在宇宙中的分布。那么暗物质在星系形成的过程中起到了什么作用？

艾利斯：暗物质的作用非常重要。首先，什么是暗物质？简单地说，我们不知道。我们已经研究暗物质有90年的时间，仍然不知道它是什么。但我们知道它的分布和普通物质相似。从名字就可以看出来，暗物质不发光，不可见，但是它有质量，遵守引力定律。

暗物质自身会聚集到一起，而且暗物质要比普通物质更多，它在宇宙中的引力作用更大。我们认为人体中并不含有暗物质，它也不是类似于含有质子和电子的原子，而是一种我们尚未认识的基本粒子，在宇宙膨胀过程中与普通物质相分离，然后在氢元素和氦元素等形成之前，自身就聚集在了一起。因为有非常多的暗物质，因此氢气被吸引到了暗物质附近。现在我们认识到，在每个星系的周围，包括银河系在内，都围绕着一个巨大的暗物质晕（halo）。星系只可能在暗物质聚集的区域才会形成。如果两团暗物质聚集到一起，那么连带着两个星系也会聚集到一起。可以说暗物质是星系演化的路径。

根据电脑模拟，如果宇宙中没有暗物质而只有氢和氦等普通物质，宇宙就不会有足够的时间演化出现有的结构。银河系的存在，以及你我的存在，暗物质都起到了关键作用。作为一个天文学家，我可以做两方面的工作：第一是我们可以测量暗物质的总量有多少，因为我们可以观测到暗物质的引力影响；第二就是我们可以描述出暗物质的分布。

三联生活周刊：就像你所说，人们至今都不了解暗物质的本质。所以有些物理学家提出我们描述宇宙的理论有错误，打算建立一个不含有暗物质的宇宙学新理论。

艾利斯：有一种观点认为我们之所以认为存在暗物质，是因为我们对引力作用存在误解。从牛顿开始，我们就观测太阳系中行星的运动。牛顿定律对此的描述非常准确，它预测了天体距离太阳越远，运动的速度也就越慢。我们可以估算出天体的质量，还可以通过其他方法对此进行验证。在物质集中的区域，爱因斯坦的理论预测了时空会发生扭曲，而我们可以通过引力透镜测量这种扭曲。所有的这些实验都证明了广义相对论是正确的。牛顿曾经困惑，这些天体是如何感受到引力的？现在我们理解了是因为时空的扭曲。

假设在关于整个宇宙这种极大的尺度上引力规律有所变化，那么即使是在太阳系，甚至是银河系的尺度也会非常难以验证。银河系自身在旋转，我们可以通过它的旋转预测出它的质量，这与我们的估算是一致的。但是在更大的尺度上，如果引力作用发生了变化，就可能排除掉暗物质的存在。有一些物理学家认为，如果我们修改物理学定律，就可以解决暗物质之谜。

但是有两个问题。首先，这是一个特定的理论，它没有任何的基础，只是为了解决暗物质难题而出现的。其次，当我们说到引力透镜，我们所观测的是非常大的尺度。比如我们有两种方法可以估算星系团的质量：我们可以估算它聚焦光线的能力，同时还可以通过其内部星系的运动来估算它的质量。这两种方法都得出了一致的结论。如果存在一种被修改的引力理论，它起码要能够适用于星系团这样大的尺度——这已经是我们可以做的最大尺度的试验了。

所以对我来说，这种（没有暗物质的）引力理论有点牵强。另外，通过研究宇宙微波背景辐射，我们可以得知整个宇宙时空基本上是平直的，这也说明宇宙中物质和能量的总量。如果没有暗物质的话，这就很难解释了。因此我认为没有暗物质的引力理论是很牵强的错误理论。

三联生活周刊：你也是暗能量的发现者之一。你之前预想到会做出这样的发现吗？

艾利斯：在20多年前，我和同事们完成了一个用时超过10年的实验。当时有两个小组在同时进行。我们观测一种发生爆炸的恒星，叫作超新星。有一种特殊的超新星是白矮星爆炸形成的。白矮星是一种非常致密的天体，它是一些恒星演化的最终形态。它的质量相当于太阳，直径却和地球相似。当有物质落在它上面，比如说它有一个伴星，它就有可能发生爆炸，在整整一个月时间里爆炸亮度相当于整个星系的亮度。这种超新星爆炸的亮度总是一致的，所以我们把它称为“标准烛光”（standard candle）。如果我们测量它在地球看上去的亮度，就能够计算出它与地球之间的距离。我们可以通过它来计算宇宙膨胀的速度，也可以计算出宇宙膨胀的历史。

首先你需要找到这样的超新星。如果你每个夜晚都搜索上千个星系，一般来说每天可以发现大约两三个正在爆发的超新星，只不过我们没法预测爆发会发生在哪里。你需要测量超新星在最亮时期的亮度，这只会持续一个月的时间，所以需要行动迅速。还需要测量这些星光的红移（red shift）。在20世纪90年代，我们都相信宇宙膨胀的速度在逐渐变慢，我们希望测量出宇宙膨胀减慢的具体速度。就像我们在地球表面，向上扔出一个球一样。地球的引力作用会让球的速度越来越慢，最终会停止，而后回到地球的表面。宇宙膨胀也是类似，所有这些物质的引力作用、普通物质、暗物质等，都会让宇宙的膨胀减速。

我们当时希望测量出宇宙中物质的总质量。我们也完全相信宇宙膨胀是在减速的。但让我们吃惊的是，我们发现宇宙在过去膨胀的速度要比现在慢。也就是说，宇宙是在加速膨胀。随着时间流逝，星系距离我们越来越远。而在当时没有任何的宇宙模型能够解释这一点。这也就是宇宙学家所说的“暗能量”（dark energy）。就像是你在宇宙空间里，用一个吸尘器把其中一个区域的所有物质全都移除掉，让它变成完全的真空。你会发现这个区域还会有向外的压力。

当我们发现这个现象，我们觉得除非有另外一个小组也做了同样的发现，否则没有人会相信我们（这个发现随后被证实）。理论学家们听到这个结果时非常兴奋，他们希望能够解释这个现象，但是失败了。这看上去是空间的一个新性质。而且回到关于空间的几何性质上，在暗物质和暗能量的共同作用下，可以让宇宙空间变得平直。这和我们对于宇宙微波背景辐射的测量结果是一致的。

所以我可以这样总结：我们对于宇宙中的各种成分有非常精确的测量。我们非常清楚在宇宙中有多少暗物质和暗能量，以及构成你我的普通物质。但是在这三种成分之中，我们只理解普通物质。我们知道暗物质总共有多少，我们知道它如何分布，但是我们不知道暗物质粒子是什么。我们知道暗能量存在，知道暗能量有多少，但是我们不知道它是否随时间变化、是否会消失，等等。

现在，同事们和我正在做一个更大胆的实验，希望更精确地测量宇宙膨胀的历史，以及整个宇宙结构随着时间变化的历史。这是我们理解暗能量本质的两个关键因素。欧洲空间局准备发射“欧几里得”卫星，它将精确测量在引力作用下，宇宙结构的发展历史。我们也有在地面上的研究项目，观测更远的超新星。

总体来说，在过去10年时间里，我们的宇宙观测集中在这个方面。我希望通过更精确的实验去理解暗物质和暗能量。

三联生活周刊：现在我们已经意识到了暗能量的存在，那么宇宙的未来将会怎么样？

艾利斯：这取决于暗能量是否保持一致。它究竟是宇宙中的一个常量还是会随着时间变化？我们还不知道。整个宇宙只在它总年龄的大约30%时间里是在加速膨胀的。在这之前，宇宙更年轻的时候，引力作用要比暗能量更强，宇宙的膨胀是在减速。但是随着空间膨胀，物质密度降低，引力作用变弱了。我们认为在大约60亿到70亿年之前，暗能量超过了引力作用，宇宙膨胀逐渐开始加速。如果暗能量是一个常数，那么恐怕宇宙的未来将会非常荒凉。宇宙膨胀越来越快，星系之间的距离越来越远，生命现象也将消失。但如果暗能量会变弱，那么宇宙膨胀最终将会停止。

当然我们仍然不相信有足够的引力作用能够阻止宇宙膨胀，目前也有很多模型试图解释暗能量。但是关于宇宙的未来我们仍然不确定。如果非要我做一个预测，我更希望宇宙最终会停止膨胀。但实际上这是非常久远的未来，不会影响到任何人。

三联生活周刊：我们有没有可能利用引力波来探测宇宙的黎明时期？

艾利斯：可以。引力波是广义相对论预言的一种现象。如果有两个非常致密的天体，比如黑洞或是中子星，当它们相撞或是合并，就会造成时空剧烈的扭曲，并且形成时空中的涟漪。就像是你在水中扔进两个石子，它们会在水中制造出水波。人们即使在很远的地方也可以探测到这种波动。

人们花了20～30年时间建设探测器来探测引力波，因为这种效应在地球上看来是非常微弱的。现在我们已经有了探测引力波的装置。通过引力波探测器和未来卫星在太空中进行探测，可以发现遥远的黑洞合并事件。我们甚至可能探测到在宇宙黎明时期的引力波。

这项探测非常重要，因为这关系到黑洞究竟从何而来。现在关于黑洞有两个主要的图景：很多质量足够大的恒星在生命走向尽头时会通过超新星爆炸变成黑洞，而一个黑洞又可以和另一个黑洞合并变成一个更大的黑洞。现在我们也知道，在银河系的中心有一个超大质量黑洞。另外，当氢气云因为暗物质的引力聚集到一起，理论学家认为它们可能略过成为恒星的阶段，而直接从气体坍塌成黑洞。这样形成的黑洞质量可能达到几百个太阳的质量。

这些超大质量黑洞，例如在银河系中心的黑洞，可能在宇宙形成只有大约7亿年的时间就出现了。人们很奇怪这些超大质量黑洞是如何在宇宙形成早期就出现的。其中的一个假设就是它们都是直接坍塌黑洞。通过引力波探测，我们有可能探测到这些直接坍塌黑洞的合并事件。可惜通过现有的引力波探测器我们还无法探测到那么久远的时间。但是在未来通过太空探测有可能实现这个目标。

三联生活周刊：一些天文学家刚刚为银河系中心的超大质量黑洞拍了一张“照片”。在理论上，想拍这样的照片需要整个地球这么大的望远镜。那么我们是否已经到了探测宇宙能力的极限？毕竟我们无法造出更大的望远镜了。

艾利斯：让我们先想一想大型望远镜的优点。伽利略使用的望远镜很小，直径只有几厘米，而现在的大型望远镜，比如夏威夷的凯克天文台（Keck Observatory）的直径超过了10米。它们有两个优点。第一就是它们可以聚集光线，整个镜片就像是一个收集光线的篮子。对于一些非常黯淡的目标，大型望远镜可以看得更清楚。而越遥远的天体就越黯淡。第二，望远镜越大，观测天空的分辨率也就越高。

对于拍摄银河系中心黑洞的事件视界望远镜（Event Horizon Telescope）来说，它只利用了大型望远镜的第二个优点。它在世界各地都有分布，合在一起就相当于其半径与地球的半径一样大，这让它有个非常高的角分辨率，可以看到银河系的中心黑洞。但是这并没有增强望远镜的灵敏度，因为并不是整个地球的表面都成了望远镜。这些望远镜只是在地球半径的范围里相互配合。

在光学天文学（optical astronomy）领域，人们仍然在建造更大的望远镜。现在欧洲正在建造一个名叫“极大望远镜”（Extremely Large Telescope）的直径39米的望远镜。它收集光线的能力会是凯克天文台的15倍，分辨率会更高。在2027年完成的时候它将成为世界上最大的望远镜。它是由大约800个直径1米的镜子构成的巨大望远镜，我们称之为拼接式望远镜（segmented telescope）。这些镜子作为一个整体在一起工作，每一个都可以单独调节。

对于事件视界望远镜来说，它可以让地面上的望远镜形成一个大约圆形的模式。如果有两个望远镜合作工作，比如说一个在美国，一个在澳大利亚，那么我们只能在某个特定的方向上获得更高的分辨率。我们需要多个望远镜阵列有相互垂直的结构，最好是有一个二维的结构，从而得到黑洞的最佳图像。我想在可预见的未来里，事件视界望远镜已经到了极限，因为它已经达到了地球的直径。我们可能需要很长时间才能建造出更大的望远镜。但是对于传统的单一望远镜来说，我们还没有达到极限。暗能量是最大的宇宙学谜题

三联生活周刊：你对于在月球背面建造天文台的建议有什么看法？

艾利斯：这个想法令人兴奋。在月球上进行射电观测不会有干扰。现在天文学家们也在忧心在地球上进行观测越来越受到卫星的干扰，它们会反射太阳光，影响拍摄。月球上更黑暗，更安静。当然最大的挑战在于经费，以及如何在月球上进行建设。望远镜的动力从哪里来、如何操作？我们还没有一个月球基地。但总体来说这个想法令人激动。如果你去看欧洲极大望远镜，它是一个工程上的巨大挑战，更不要说在月球上进行建造和安装了。

三联生活周刊：你总是对使用新设备充满激情。现在你最期待使用哪些新设备进行观测？

艾利斯：我职业的大多数时间都是进行光谱学研究。当我们得到星系的光线，我们会把它按照颜色分解。如果分辨率足够高，我们就可以发现其中各种化学元素的痕迹、星系的运动，还有其他很多特性。比如说其中是否有气体、恒星、灰尘，等等。光谱学能为天文学家提供相当多的信息。

当我们建造更大的望远镜，相应的仪器也就要更大。我们现在建造的摄谱仪就更有挑战性。这些光学器件，包括探测器、用于收集光线的玻璃，都会越来越大。一些制造公司感到制造这些器件越来越难。如果我们想要同时研究多个目标，就要利用一种现在流行的技术，叫作多目标光谱（multi objects spectroscopy）。我们现在的研究关键在于使用更聪明的技术，制造更便宜的探测器，让光学仪器更容易操作。

当我们把望远镜指向天空，可能同时看到1000个星系。你需要每次测量其中一个星系的红移。现在有技术可以通过机器人移动光纤电缆，同时测量2000个星系的红移。目前有很多关于自动机器人的研究，我对此感到很兴奋，因为我的职业在不断地进步。

三联生活周刊：你希望詹姆斯·韦伯太空望远镜能带来哪些新的信息？

艾利斯：詹姆斯·韦伯太空望远镜刚刚发射升空，它目前看起来一切正常。它装备有相机和频谱仪。在今年就会发布它的首个观测结果。它比哈勃太空望远镜更强大，有6.5米的镜头，而哈勃望远镜只有2.4米。最重要的是詹姆斯·韦伯太空望远镜可以进行红外探测，它会直接对宇宙的黎明时期进行观测。它有探测宇宙中最早期天体的能力，研究其中的元素构成。在未来3～5年内，这些都会是最令人激动的天文学进展。它还会观测围绕恒星运转的行星。当行星掠过恒星前面，它还会测量行星的大气层，分析其中的成分。我们将首次探测是否有行星可能存在生命。

三联生活周刊：有很多理论物理学家相信多重宇宙理论。作为一个天文学家，你对此有什么看法？

艾利斯：我和马丁·里斯（剑桥大学物理学家和宇宙学家，英国皇家学会前任主席）对此曾经有过多次争论。作为一个观测者，因为我们不可能观测到另外一个宇宙的存在，（多重宇宙对我来说）就只是一个哲学概念而已。马丁·里斯认为，在中世纪，人们都只能看到自己生活的小村庄而不知道大西洋和美洲的存在。因此，即便我们观测不到，就是相信还有其他宇宙存在的概念也是有意义的。

但我认为（思考多重宇宙问题）不利于我们思考我们这个宇宙中真正的问题，比如暗物质和暗能量。所以说我对于多重宇宙理论并不感兴趣，对我来说那只是一种数学抽象。我也同意多重宇宙是一个有趣的想法。如果存在其他的宇宙，就可以解释比如说为什么我们的宇宙恰好适合人类居住？为什么会存在暗物质和暗能量？有一种解释是只有这样的宇宙才可能有生命存在。

我想整个天文学界基本上平均分成了（相信与不相信多重宇宙理论）两派。对于理论物理学家和数学家来说，他们可能已经习惯了抽象的概念，而且多重宇宙理论可以解释我们这个宇宙的一些谜题（因此更倾向于相信）。但是因为这个理论无法被证实，我的看法是，它又有什么意义呢？

三联生活周刊：这又涉及了下一个问题：你对人择原理（anthropic principle）有什么看法？我们的宇宙是为了生命存在而定制的吗？

艾利斯：这（和多重宇宙理论）是一样的。它可能与现实的关系更近一些，因为它涉及我们这个宇宙中的一些常数：为什么光速是这样的？为什么引力常数是这样的？是谁决定了这些基本常数的数值？尽管思考这些问题可能有益处，但我也从来不会为这些问题失眠。

三联生活周刊：对你来说，宇宙最大的谜题是什么？

艾利斯：我会说最大的谜题仍然是暗能量。对于传统宇宙学来说，暗能量非常的怪异。如果我们回到爱因斯坦，从上世纪60年代开始从宇宙大爆炸发展出宇宙学，那时人们绝对不会预测暗能量的存在。直到我们在1999年发现了暗能量，现在已经有很多的观测证实了这个结果。

我要说，现在几乎所有的测量都是把暗能量测量得更加精确，却没有改变我们的认识。我取得了一点微不足道的进展，试图证明暗能量并不随着时间变化。当我看现在的一些观测实验，包括刚刚结束的暗能量巡天（The Dark Energy Survey），我必须诚实地说，我们没取得什么进展。这些实验都只证实了暗能量的存在，却没有增加我们在物理学上的理解。

我有一点担心，欧几里得卫星进行的下一代实验，以及美国航空航天局计划在2028年发射的太空望远镜探测暗能量，都只能做出一些进展，但最后我们仍然无法理解暗能量的本质。我想这就是最大的谜题。当然一些理论学家可能会做出突破，解答暗能量谜题——那就太好了！ 宇宙天文暗能量