晴朗的夜晚，在燈光比較少的鄉村或野外，抬頭便可看到滿天繁星。如果相機拍攝的星空美得如同壓成書籤的花瓣，那真實的星空就如同一朵正在盛開的花，有著深邃的空間和生命力。此時我們常會情不自禁地感受到自己往日的煩惱是如此微不足道，內心會在星空下忽然平靜。然而，此時我們卻只是窺見了宇宙的一角。
圖1. 星空 (攝影：於海童)
什麼是宇宙？
很多人認為宇宙就是無邊無際的空間，實際上宇宙並不僅是空間的概念。距今1800多年我國古籍中已給出了今天看來依然比較準確的定義，即「四方上下曰宇，往古來今曰宙」。「宇」是無邊無際的空間，「宙」是有始無終的時間。隨著物理學的發展，在大約100年前，人類發現空間、時間、物質和能量之間有著密不可分的關係，因此宇宙更準確的定義是空間、時間、物質和能量的總和。
宇宙從何而來？現在比較廣泛被接受的是由美國物理學家伽莫夫於1948年提出的大爆炸理論。這個理論認為宇宙開始於一個質量無限大、體積無限小的奇點，之後經過幾個階段，形成我們現在的宇宙，並在繼續加速膨脹。
圖2. 宇宙大爆炸（圖片來源：NASA/Cherkash，稍作修改）
什麼是可觀測宇宙？
可觀測宇宙是我們通過電磁波和引力波等方式能探測到的宇宙範圍，是一個以探測者為中心的球形區域內的宇宙。基於愛因斯坦廣義相對論，宇宙中最快的速度是真空中的光速。基於大爆炸理論和目前測得的宇宙參數值，宇宙的年齡約為138億年[1]。因此，地面和空間望遠鏡能接收到的光最早來自約138億年前。如果考慮到這138億年間宇宙的膨脹，基於天文學家計算，我們接收到的這束光的光源已距我們約470億光年[2] [3] [4]（見圖3-4）。
圖3. 可觀測宇宙模擬圖。中心為銀河系所在的室女座超星系團，圖中的白點表示超星系團。（圖片來源：Andrew Z. Colvin，稍作修改）
圖4. 可觀測宇宙的對數示意圖，已標示出一些著名天體（圖片來源：Pablo Carlos Budassi，稍作修改）
在宇宙早期高溫高壓的環境中，光子受到電離狀態的質子和電子的阻攔而無法有效向外傳播，直到大爆炸後38萬年左右，宇宙冷卻到質子和電子大量結合在一起，背景輻射光子才比較暢通地向各處傳播，形成了現在的幾乎均勻分布於各個方向，只有很小溫度起伏的宇宙微波背景輻射（CMB）（見圖5）。這一輻射的峰值溫度約為-270℃，位於微波波段，因此稱為宇宙微波背景輻射。
圖5. 歐洲航空局（ESA）的Planck衛星觀測到的宇宙微波背景溫度、平滑後的溫度、偏振情況。溫度起伏只有十萬分之一。（圖片來源：ESA/Planck合作團隊）
基於Planck衛星觀測結果，天文學家發現宇宙由68.3%的暗能量、26.8%的暗物質和4.9%的恆星和星系等普通物質組成（見圖6）。
圖6. 基於Planck衛星觀測數據得到的宇宙組成情況。（圖片來源：ESA/Planck 合作團隊，稍作修改）
夜空中全黑的區域裡有什麼？
在理想條件下，我們夜間裸眼能看到全天約6000多顆亮於6.5星等的天體，這些天體散布在黑色的天幕上。人們藉助望遠鏡觀測裸眼看上去全黑的天區，發現那裡隱藏著一些看起來更暗弱的天體，且隨著望遠鏡口徑的增大，人們探測到了隱藏在小望遠鏡視場中黑暗區域中的更暗弱的天體。這些天體雖然看上去暗弱，但研究表明，它們大部分是質量在千億顆太陽質量的星系和類星體。不過，即使用目前地球上最大的10米口徑光學望遠鏡去觀察夜空，並且進行長時間曝光疊加，依然有一些區域中並未探測到任何天體。那些夜空中最黑暗的區域真的什麼都沒有麼？還是存在更暗弱、更遙遠的天體呢？
要回答這個問題，目前地球上的光學設備已無用武之地。這是因為：地球的大氣層因輝光和散射等會有一定亮度，來自非常暗弱的天體的輻射會淹沒在夜間天光背景中而無法分辨。天文學家使用哈勃太空望遠鏡對這樣一片全黑區域進行了長達100多天的觀測，累積曝光時間達約11天。當這些數據被疊加到一起時，就得到了圖7這幅哈勃超級深場圖。這幅圖中，除了幾顆來自銀河系的前景恆星以外，其他都為遙遠的星系和類星體。從這幅圖我們能看到宇宙很久以前的樣子。相當於我們做了一次時空穿越（見圖8）。
圖7. 哈勃超級深場圖。左下角紅色小方塊為此圖視場大小與月面的比較。（圖片來源：NASA/ESA）
圖8. 哈勃超級深場圖與哈勃16年觀測天區拼圖的縮放展示動畫（圖片來源：NASA/ESA/G. Illingworth/G. Bacon）
迄今發現的最遙遠星系是位於大熊座的紅移約為11.1的不規則星系GN-z11[5]（見圖9）。它的大小只有銀河系的1/25，質量也只是銀河系的1%，形成恆星的速度卻是銀河系的20倍。我們看到的是它約134億年前的樣子（見圖10），對應宇宙大爆炸後4億年。如果如今的宇宙是一位百歲老人，那當宇宙還是一位3歲稚童的時候GN-z11就已經存在了。
圖9. 光譜證認的迄今最遙遠的星系GN-z11 （圖片來源：NASA, ESA, P. Oesch and B. Robertson,A. Field，稍作修改）
圖10. GN-z11位於大熊座。動畫中先標出了北鬥七星，然後標出了大熊星座。（圖片來源：NASA, ESA, G. Bacon; science - NASA,ESA, P. Oesch, G. Brammer, P. van Dokkum, G. Illingworth）
藍天是一幅層次最豐富的畫卷，夜空中的全黑區域可能是宇宙中最深邃的深淵，那裡藏著我們誕生以來最基本的好奇和答案。更多精彩，請關注觀天者說。
參考文獻：
[1] Collaboration Planck et al., Planck 2015 results. XIII. Cosmological parameters, 2016, A&A, 594A, 13P
[2] 陳學雷，宇宙是唯一的嗎，科學通報，2017，62，11，P1103-1110
[3] 李然，漫步到宇宙盡頭，湖南科學技術出版社，2017.5，P113
[4] Itzhak Bars et al., Extra Dimensions in Space and Time, Springer, 2009.11, P27
[5] P. A. Oesch et al., A Remarkably Luminous Galaxy at z=11.1 Measured with Hubble Space Telescope Grism Spectroscopy, 2016, ApJ, 819, 129O