烟尘斗乱的宇宙

黑色天空为幕，点点银河是宇宙的奇观之一。看到银河系在头顶延伸总是能让我产生一种巨大的眩晕感和渺小感——管窥宇宙规模诚然感到难以置信，但是，任何看过银河的人都会知道，它不是跨越天空的光道，而是光与暗交织在一起，有一条将银河系纵向劈开的阴影深渊。银河仿佛断成了两块锯齿状的区域，中间隔着一段墨黑隔阂。历史常为天文研究提供宝贵材料，让我们了解古人是如何通过诗意想象和神话来解释这一现象的。中美洲的玛雅人相信，我们银河系中的黑暗是通往“恐怖之地”（Xibalba，玛雅人的地狱）的入口。古希腊神话略微乐观一些，讲述了赫利俄斯（Helios）的儿子法厄同（Phaethon）乘着太阳神战车在天空中兜风，横冲直撞出一片黑暗。

随着望远镜的问世与改良，天文学家逐渐在天空中发现了更多这样显而易见的孔洞。图2.7就是典型案例。这片“暗星云”，只是横跨银河系的巨大裂缝的一小部分，在普通光学望远镜中即是一片虚无，恰好与恒星形成鲜明对比。天文学家首次发现这些黑斑时，各执己见。有些人认为这是银河系中真正存在的孔洞，是恒星的隧道，我们通过这些孔洞可无阻地观看非常遥远的宇宙。还有人则认为，这些黑斑是太空中的云层，阻挡了我们对后面恒星的观察。历经几十年的争论，答案依旧尚未明朗。

在可见光下看到的巴纳德59暗星云，天空中的这个洞实际上是一个巨大的星际尘埃网络，挡住了我们对背景恒星的视线。

天文学家罗伯特·特朗普勒（Robert Trumpler）最终找到了答案——但答案的来源却出乎意料。特朗普勒当时正在研究银河系中的星团，并试图计算出它们离地球有多远。作为一名优秀的科学家，他设计了两种完全不同的方案计算星团的距离（他想通过交叉检验这两种方法确定距离，这样可以对冲不确定性）。两种方法理论上都很简单：恒星数量大致相同的两个星团，大小和亮度也理应相差无几，因此可通过测量星团的大小估算其距离（不用说，星团越小意味着距离越远），也可测量星团的亮度推出距离。特朗普勒用数百个星团进行了这项实验，希望通过比较两种方法能得到更逼真的结果。然而，他很快就意识到了不对劲：两种方法似乎相悖。对于某个特定星团，用“亮度法”计算出来的距离都大于“大小法”。大小上看似约在6000光年外的星团，光亮与9000光年外的星团一样微弱。

这种情况本不该出现：导致远距离事物变小和变暗的物理定律是非常基础的。因此对此观察只有两种解释：一种解释是，可能星团恰好按照大小排列，小的靠前，大的靠后。但这不太现实，因为这需要把太阳系准确地放置在一个精心排列好的星团中心（任何要求人类在宇宙中占据独特和特殊位置的天文理论都可能是错误的：这就是众所周知的哥白尼原理）。另一种解释是，星光在穿越银河系时变暗了。这也正是特朗普勒的解释，如今我们知道他是完全正确的。当代的理解是，银河系并不是“斑驳的”，银河系中的黑色空隙实际上是由黑暗的前景云质造成的，这些云质阻挡了银河系的明亮的光芒。遮挡物就是“宇宙尘埃”。

实际上，宇宙尘埃更贴切的描述应该是“烟雾”：由碳、铁和氧等重元素组成的微小颗粒形成的海洋（其中最大的颗粒直径不到0.1毫米）。这些尘埃是数以百万计的超新星积累而成的。迭代恒星诞生、燃烧然后爆炸，将晚年形成的重原子散布到银河系。理解尘埃对现代天文学家来说至关重要：因为所有穿过银河系的光线都必须穿过尘埃。有些尘埃云非常密集，阻挡了所有的可见光，让天文学家不得不用红外波长揭开迷雾。但是即使在这些污浊的暗星云之外，尘埃也无处不在，悄悄地使来自恒星的光线变暗和变红（这种变红是由瑞利散射导致的，和前文提到的“夕阳红”原理一样）。如果你无视灰尘的滤镜影响，基本上所有短波长的天文观测都会出错。

利用我们对宇宙尘埃的理解，我们可以解读本章伊始的图2.1。图1的顶部是我们所熟悉的银河系光学图像，滚滚尘埃掩盖了后面的恒星。

图2是近红外景象，由两微米全天巡天拍摄。在两微米的波段下，我们基本上可以顺利地穿透些许尘埃看到银河的部分面貌。中红外波长下（仍然接近可见波段），可以看到的仍旧是恒星（虽然比光学望远镜能看到的要稍老一些，冷一些）。长波长的红外光可完全穿透尘埃的遮蔽面纱，于是我们终于能够看到银河系中的恒星的本来面貌。

图3呈现的是中红外观测到的银河系，是第一颗红外天文卫星IRAS拍摄的12和25微米波长的混合图。在此波段，我们已经真正开始揭秘隐形的宇宙。恒星在这些波长下不再发亮。反之，我们看到的是尘埃本身：在这些波长下，尘埃不再充当阻碍视线的云，而是开始成为光源，发出不可见的热辐射。这些波长观察到的是银河系平面上的温暖尘埃，即围绕原恒星的圃田。在中红外线图像的中点，可以看到被恒星微微加热的尘埃。这张图片还揭示了一些新的现象：一个起伏的“S”形的淡蓝色光芒，与银河系的橙色“腰带”相互叠加。这个淡蓝色的光芒实际上是图片中离我们最近的天体：它是太阳系表面的尘埃，受到太阳热量的烘烤而发光。之所以出现对角线条纹（而不是银河周围的弥漫性光芒），是因为太阳系呈角度倾斜，未与银河平面完全对齐。从这张红外图像中，你甚至可以测量出倾斜的角度——约60度。

图4呈现的是远红外线下100微米的天空。这张图片是由COBE即“宇宙背景探测者”（我们将在下一章谈到更多相关内容）拍摄的。深入远红外波段，银河系变得几乎完全陌生了。我们无法再观测到恒星，甚至看不到被恒星加热的尘埃。远红外线展示了一个寒冷的宇宙：图中银河系周围蓬松的尘埃云，比冰点低200多度。而且尘埃云数量巨大：银河系中的尘埃重量相当于1000万个太阳。

这些银河系红外图基本上是我们熟悉的可见天空的倒“负”成像。人眼所见的银河系充满了黑暗的裂缝和无星孔洞：切换到红外线后，可以看到填充这些“孔洞”的不可见云质，而恒星反倒隐藏了起来。

通过红外线观测宇宙的能力完全颠覆了我们熟知的宇宙观。熟悉的星光逐渐褪去，变得无足轻重，取而代之的是一个更加陌生却同样真实的宇宙。我总是幻想，如果能够回到过去，同那些花了大量时间绘制天体图的古玛雅和古希腊天文学家畅谈，分享我们透过不可见光观察到的视野，对方会有什么反应？如果能向他们展示隐藏在熟悉的天空背后的宇宙，那将多么浪漫。在那里，黑暗和令人不安的“恐怖之地”转变为一个被相当于10亿个隐藏的太阳照亮的空间。 YHJHrcjZ7ADqqKON/fAxsol0wtC2dZgjb1XBWPcbCgRGxYEzfI6d7mIdtWAAvuGl