4分鐘了解人類探索宇宙的震撼歷程！常識就是這樣不斷被顛覆的！
註：本文節選自《宇宙：從地球到宇宙邊緣的旅行》一書，為該書序言的一部分。
作者：尼古拉斯·奇塔姆 譯者：劉博洋
在一個遙遠星系的邊緣，一顆巨星度過了它生命的最後一周——它已經如此衰老，以至於中心都蛻變為鐵核。
對一顆恆星來說，擁有一個鐵核無異於被判處了死刑。一旦擁有了金屬內核，恆星就再也沒有可以燃燒的東西了。聚變會停止，這顆超巨星只能任由重力擺布。
不過，重力能夠做到恆星無力去完成的事：將鐵聚合。十分之一秒之內，這顆恆星的那個約莫太陽大小的內核將坍縮成奇異的中子星物質——直徑只有幾十千米的一團中子。這一劇變會釋放以每小時2.1×10^10m 的高速爆發的激波，以及高達數十億攝氏度的輻射烈焰。恆星的殘存部分會被撕扯粉碎，亮度相當於100 億顆太陽的光芒將充斥天空。
▲白矮星爆炸殘留
來自這團明亮光芒的光子以每秒3×10^8m的速度向著宇宙深處奔騰而去。年復一年，日復一日，它就這樣不知疲倦地向我們奔來。
遙遠的距離讓這明亮的光芒衰弱了很多。這顆超新星的光芒，並不足以幫我們看清書本，因為它只是裸眼不可見的暗弱微光。
當然，並不是所有抵達地球的光子都具有這樣非凡的起源，也不是所有光子都能穿越數百萬光年進入我們眼中。但所有的光子都扮演著信使的角色，因為它們攜帶著宇宙成分及其能級的信息。光是我們感受宇宙的媒介，沒有光的宇宙將是黑暗且不可理解的。只有我們看到了什麼東西，我們才有可能試著去理解它：我們剛才對那顆假想恆星的毀滅過程的描述，正是根據對數百顆超新星的觀測研究才拼湊出的圖景。
光一年可以走大約9.5×10^12km，沒什麼比光走得更快的信使了。但光速與宇宙的浩瀚相比也算是小巫見大巫了，這使得宇宙中所有的事件跟我們之間都會有通信延遲。當一個河外超新星的光進入我們的視覺範圍時，那個星系中整一代的恆星都已經消亡了，它們遺留的塵埃也已經被整合到了一顆新的恆星中——最初的那次超新星爆髮根本不會留下什麼紀念。光的有限速度意味著，所有通往空間的路也同時通往過去。以永遠無法獲知整個宇宙現在的模樣為代價，我們得以直接地探索宇宙深邃的過去。只需向宇宙深處看去，我們就能親眼目擊它的進化並重建它的歷史。最終，對我們理解宇宙而言，這樣一種超越時間的觀察比能夠完整地看到宇宙現在的樣子更寶貴。
雖然充滿著光子，但讓人驚訝的是，宇宙只有很小的一部分是肉眼可見的。在沒有器材輔助的情況下，我們在地球上只能看到宇宙中大約7×10^22 顆恆星中的6000 顆左右——即使在其他地方看也差不多。宇宙中的塵埃、遙遠的距離、城市的光污染和厚重的大氣層都在阻止我們看到更多的恆星，但其實更本質的原因是，大多數其他波長的光對我們來說都是不可見的，因而我們無法看到天球上的大部分居民。
我們很熟悉可見光中的赤、橙、黃、綠、青、藍、紫，除此以外，其實還有一個更加豐富多彩的世界——因為宇宙以一個廣闊的能量譜而閃耀著，它遠遠大於人類的能見範圍: 黑洞被明亮的X 射線圍繞，那是物質旋轉著掉進去時所發出來的；恆星「胚胎」像藏寶箱一樣在紅外波段中熠熠生輝，那是被周圍雲團嚴實包裹的結果；星雲沐浴在超巨星的紫外光中；大爆炸的尾聲以微波波段迴響著。
直到20 世紀，我們才意識到光的多面性，從而才得以走進這個不可見的王國——並不意外，我們對宇宙的探索和我們對電磁波段的探索攜手前行。沒有現代技術提供捕捉這些不可見波段的「超感」能力——以及加強我們對可見光的感知——我們對宇宙的認識將會非常貧瘠和局限。
我們對宇宙的想像總是被觀測的限制所制約：在我們從太陽系望向銀河系、從銀河系望向星系際空間的過程中，我們實際上也逐個看過了歷史上的一系列「宇宙」。對古代天文學家來說，太陽系就是整個宇宙。他們的宇宙以地球為中心，周圍圍繞著的是鑲嵌著固定恆星的水晶天球。1543 年，尼古拉斯·哥白尼重新整理並擴大了這幅微縮的宇宙圖景，但他沒能拋棄宇宙的「水晶穹壁」。1672 年，喬瓦尼·多梅尼科·卡西尼測量了地球和太陽之間的距離，由此，太陽系的真實圖景開始形成。
▲機遇號火星探測器
那時的天文學家們開始猜想，宇宙的大小遠在太陽系的邊界之外。但他們需要證明這個猜想。1761年和1769 年的兩次金星凌日讓地球軌道得以被精確測定，這給我們進一步測量其他恆星距離提供了所需的地球公轉基線長度。最早測出的恆星視差（10 光年外的天鵝座61）是在1838 年測定的，這讓我們對宇宙的認識走向了星系尺度。
到1920 年，實際觀測已經將我們的宇宙邊界推向了30 萬光年之遠，這包括了銀河系和麥哲倫雲星系，但並不包括其他星系。星系際尺度的突破發生於1924 年，哈勃用當時最先進的威爾遜山天文台口徑為2.5m 的胡克望遠鏡成功分辨出了「仙女座大星雲」M31 中的單個恆星。根據他的觀測，這些恆星所處的位置遠在銀河系的邊界之外。因此很明顯，「仙女座大星雲」自己就是一個星系，繼而我們也有理由認為，其他的「旋渦星雲」也是自成一體的旋渦星系。
將這些「星雲」逐出銀河系之後，哈勃揭秘了一個橫跨數十億光年的夜空，但他最重要的發現尚未到來。1929 年，通過對這些「新」星系的分析發現，幾乎所有的星系都在遠去，而且速度和距離剛好成正比。這個關係說明宇宙在膨脹：在過去的某個時刻，宇宙起源於一個具有有限體積的一點——這一觀測符合愛因斯坦廣義相對論的預言。正是在這一基石上，後人提出了現今公認的宇宙大爆炸模型。
20 世紀中葉，太陽系中的行星和衛星「在水晶天球上」的迷思已經被破除了，它們在更宏偉宇宙中的位置也被精確地確定了下來。但是想要看到這些近鄰的更多細節，地球上的觀測總顯得力不從心。那時，太陽系的地圖上還有大量未經探索的地域。
▲土星
在過去的50 多年中，太陽系所有的行星都已經被造訪，雖然其中有些只是路過。
因此，在21 世紀初葉，隨著人類積累了越來越多的天文觀測結果、理論和專業技術，我們發現自己已經沐浴在一個宏大宇宙的光輝中了。近些年新揭示的宇宙畫面仍然充滿著無數的不解之謎，但現在我們完全可以先把這些困惑擱置一邊，僅僅享受這風光：我們走向宇宙的旅程會從這裡開始。
千里之行，始於足下。我們的旅行也不例外。我們將首先一腳跨過地月之間3.85×10^5km 的距離。這段花費阿波羅號飛船宇航員4 天的航程，在我們以光速前行的旅程中，只花費了1.3 秒。在這樣的速度下，去往水星、金星、火星和太陽都只需要幾分鐘的時間，而我們離太陽系邊緣的冰封小天體地帶也僅有數小時之遙。
繼續去往下一個地標——半人馬座比鄰星。我們必須把步子邁得稍微大些，然後在繼續向銀河系深處前進的路上邁得更大些。現在，距離以幾百甚至數千光年來衡量。在這個尺度上，恆星生命的節律在我們眼前順次展開：我們穿過孕育新恆星的暗星雲；我們目睹死亡恆星的爆發和隱去，看它們留下一團塵埃雲作為超新星的遺迹。在走近銀河系核心的路上，我們穿越恆星間距離彼此僅數光周的緻密星場。在這裡，以一個有著300 萬個太陽質量的特大質量黑洞為中心，大量白矮星、中子星和超巨星密集地圍攏在其周圍。
▲昂星團
要跨出我們銀河系的邊界，我們必須再次邁開步伐。如果我們要去到銀河系的伴星系大麥哲倫雲和小麥哲倫雲，那需要走上十幾萬光年的路程；而如果要確保跨越真正的星系際空間，我們要再走上百萬光年之遠。雖然星系之間距離遙遠，但星系際空間遠不算空曠。事實上，相比於星系中恆星之間的空曠，星系與星系之間要緊密得多。星系們並非一個個獨自閃耀的孤島，它們不斷地相互作用、併合和演化。宇宙深處飄蕩著它們相撞的迴響。
繼續向前推進視野，我們來到數十億光年之大的廣袤王國。在這裡，我們能看到宇宙景觀的大尺度結構。龐大的星系團在宇宙的蛛網上變得仿若微塵，它們的重力將空間彎曲，如萬花筒一般，把宇宙原初的光線投射向我們。通過超靈敏的紅外探測器的慧眼，我們如今已經能夠清楚分辨這曾經荒蕪的「紅移沙漠」，發現一個奇怪的初生宇宙的「伯吉斯頁岩」：它們詭異的造型乃是宇宙秩序剛剛從混亂中成型時鴻蒙初開的標誌。
再跨一步，我們就走向了無盡的黑暗：我們進入了宇宙的黑暗時期，那裡沒有恆星，沒有星光。最後，在134 億光年之遙、僅僅距大爆炸379000 光年的地方，不期而遇的一陣輻射印刻著大爆炸的遺痕。這是我們最後的地平線——我們抵達了光的天涯海角。再往前走，光線的傳播將被一團緻密的超熱等離子體雲霧所阻斷，我們無法再隨著光線繼續向前了。
在黑暗中，剛才先放置一旁的一些問題再次困擾我們：宇宙灼灼其華，卻似乎少了什麼。只有當星系具有十倍於它們所示的質量時，其形狀、分布和運動才能為我們所研究與解釋——我們穿越了137 億光年的時空，卻沒看到這些遺失質量的跡象。如果我們的計算沒錯，這些「暗」物質佔據整個宇宙的87%——包括行星、恆星、星系等——我們在旅程中似乎見識了一切，但依然迷失在這黑暗之洋中。原來最終，暗物質才是宇宙中真正的主角：它把星系聯結在一起，將星系團編織成網。不過我們最終有能力揭示它的存在，也恰恰證明了：宇宙雖然有一大部分是看不見摸不著的，但它絕不是不可理解的。
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