外面到底有什么？| 《发现》杂志

当已知宇宙中最遥远的天体首次出现在新墨西哥州阿帕奇角斯隆数字巡天望远镜拍摄的照片上时，值班天文学家们对他们偶然发现的东西一无所知。这个暗淡的光点在极端放大下几乎不可见，在散布在北部天空的一大片区域上的数千个光点中显得毫不起眼。直到数字照片在芝加哥附近的费米国家加速器实验室，由一群配备了先进图像处理软件的强大计算机仔细检查后，星场中的宝藏才得以显现。该软件能够记录每个光点的颜色和形状。

凝视天空： 斯隆数字巡天望远镜坐落在新墨西哥州中南部萨克拉门托山脉9200英尺高的山顶上，远离任何大城市，它凝视着美国最黑暗的夜空之一。该地的空气中几乎没有水蒸气或污染物，这些物质会降低天体图像的质量。

通常，一个光斑代表一个星系，一个光点代表一颗恒星。但计算机显示，这个光点太红，不可能是普通的恒星。于是，巡天项目的天文学家们利用夏威夷莫纳克亚山顶强大的凯克望远镜进行了仔细观察。他们制作了一张光谱图，更精确地分解了光的组成颜色，揭示了它的构成以及在空间中的实际位置。“当光谱出现在屏幕上时，”普林斯顿天体物理学家迈克尔·施特劳斯回忆道，“控制室里的每个人都清楚我们发现了什么。”这个光点是一个遥远的类星体——一个宇宙动力源，其中心有一个巨大的黑洞，吸入原始物质并将其加热到超过万亿颗恒星的白炽程度。这个类星体的光在宇宙大爆炸后不到10亿年，便开始了从宇宙最外缘到地球的120亿年旅程，使其成为人类所见最古老的天体。“我们，”施特劳斯带着一丝漫不经心地说，“非常兴奋。”

难怪。发现创纪录的类星体——巡天项目现在已经捕获了离地球最远的四个类星体——已经为天文学家提供了关于第一批类星体和星系出现并穿透大爆炸后充满宇宙的不透明气体迷雾时代的宝贵信息。该项目由费米实验室、普林斯顿大学、芝加哥大学和约翰霍普金斯大学等实验室和大学组成的联盟运营，还发现了我们太阳系中数千颗新的小行星，并定位了20多颗褐矮星——这些天体比行星大但比恒星小，可能是理解行星形成过程的关键。

而这些发现仅仅是个开始。大约四年后，当该项目完成时，巡天项目的天文学家将绘制出有史以来最宏伟的地图。它将覆盖已知宇宙的四分之一——所有未被地球下方的大量物质或上方银河系宽广、布满尘埃的区域遮挡的部分——精确地标绘出一百万个星系、十万个类星体以及无数其他天体的位置。更重要的是，它将以三维方式进行。与自古美索不达米亚时代以来天文学家所绘制的平面星图不同，这张地图不仅会显示星系或类星体在天空中的位置，还会显示它们的距离。巡天项目将是一个动态模型，可以更好地了解宇宙的整体结构以及深空的轮廓和地形。该模型将包含约15兆兆字节的天文数据，其数据量将与美国国会图书馆存储的信息量相当。

宇宙盘： NGC 4437，一个距离地球7500万光年的壮观侧向螺旋星系，是早期巡天项目包含的天体之一。暗色区域是星系外臂中的气体和尘埃云。背景天体是恒星和其他星系的混合物。照片由斯隆数字巡天提供。

这个庞大的虚拟宇宙将以电子形式提供。天文学家们可以坐在办公桌前，飞越数十亿光年的太空。而且，由于费米实验室的计算机不仅会追踪每个物体的位置，还会追踪它的颜色、形状以及与其他所有物体的关系，研究人员将能够查看他们选择的任何物体子集。例如，他们可以专注于正在形成大量新恒星的蓝色星系，或者专注于恒星已老的红色星系。或者他们可以查看这两种星系的星系团。

尽管数十位科学家帮助创建和完善了“天空调查”，但该项目主要由普林斯顿大学天体物理学家吉姆·冈恩构思。近年来，冈恩赢得了天文学界伟大仪器制造商之一的声誉：他领导了为南加州帕洛玛山200英寸海尔望远镜建造数字相机的团队，并负责设计哈勃太空望远镜的广角相机。他一直梦想着利用最先进的数字技术为天文学家提供对整个天空的调查。

当他十多年前的项目愿景开始成形时，当时最好的现有天空调查是帕洛玛调查，这是一组摄于1950年代的非数字照片。帕洛玛调查覆盖了北部天空，天文学家至今仍将其作为标准参考。然而，尽管照相底片在1950年代是顶尖技术，但其技术缺陷此后使其彻底过时。其中一个原因是，照相底片最多只能捕捉到落在它们上面的1%的光线。它们也不一致；一块底片可能比另一块更灵敏或不那么灵敏，同一块底片上的不同区域也可能有所不同。另一个缺点是底片上的信息必须手动处理。要测量星系或恒星之间的距离，天文学家必须拿出尺子。

150,000个光点： 为了理解“天空调查”望远镜收集到的海量原始数据，科学家们创建了一个视觉模型——一种三维天象仪——允许他们穿越宇宙，从任何有利位置观察星系的分布。这张由芝加哥大学的马克·苏巴拉奥生成的特定图像，展示了从5亿光年外猎户座方向看回银河系的景象。这里显示的150,000个星系被描绘得比实际大得多。各种形状和颜色代表了10种不同类型的星系，这些星系根据它们的光谱特征定义。最遥远的星系显示为单个、颜色编码的点。通过这种建模，天文学家首次可以自由探索宇宙的大尺度结构。照片由马克·苏巴拉奥/芝加哥大学/斯隆数字巡天提供。

冈恩和他的同事着手更新帕洛玛巡天，他们使用带电耦合器件（CCD）拍摄的望远镜照片，这种数字光传感器生成了一个天体数据库，可以进行更精确的探测和研究。团队还决定，他们需要一台能够覆盖异常广阔天区的望远镜。大多数望远镜的视场极其狭窄，一次只能捕捉几弧分的天空（作为参考，满月是半度，或30弧分）。以这种速度拍摄整个天空需要数十年，因此巡天团队设计了一台适度的2.5米宽（最强大的望远镜跨度为8或10米）但一次可以捕捉七平方度——相当于36个满月——天空的广角望远镜。

天空掩膜： 数十个铝盘堆放在架子上，等待轮到它们在望远镜上使用。在计算机分析了最初的天空条带图像后，机械师会在一个圆盘上钻640个孔，每个孔对应一个选定星系、类星体或恒星的位置。最终，每个单独的天空条带将再次被拍照，并用一个相应的圆盘夹在望远镜上，以隔离选定的光点，进行精细的光谱分析。

这台广角望远镜配备了一台拥有30个CCD阵列的相机，每个CCD约两英寸见方，大部分由冈恩本人在普林斯顿天体物理科学系总部佩顿堂地下室建造的洁净室中组装。这项工作耗时五年，耗资约400万美元。当冈恩完成这台极其精密的仪器建造后，他面临着如何将其完整运到阿帕奇点天文台的问题。“有段时间，我考虑亲自把它开过去，”他说，“但我们最终找到了一家名为罗伯特白手套快递的搬家公司，他们专门运输超易碎物品。我们当然投保了，但那只是徒劳；我们可以挽回400万美元，但挽回不了那五年。”相机安全地抵达山上，斯隆数字巡天项目大约在一年前正式投入运营。

冈恩珍贵的相机——天空调查望远镜的核心——此后被证明是一种前所未有的灵敏集光装置。30个CCD中的每一个都由超过400万个像素组成，当光被吸收时会释放电子。这些电子又被放大成电子信号并数字化。相机每次八分钟的曝光所产生的图像清晰度是帕洛玛天空调查所拍摄图像的两倍；相机还能揭示光线亮度仅为十分之一的天体。

更重要的是，冈恩相机拍摄的图像是彩色的。CCD按五行排列，每行都配备了不同的滤色器。因此，相机以五种基本颜色记录光的亮度：紫外线、绿色、红色、近红外和远红外。天体的颜色携带着关于其温度和成分的重要信息。一般来说，最热的物体发出蓝紫色光；最冷的物体发出红色光。这就是为什么恒星形成星系往往呈现蓝色；年轻的恒星往往燃烧得很热，而老化的恒星通常会逐渐变红。红色也可能意味着物体发出的光被部分遮蔽——例如，被星际尘埃遮蔽，或者，在创纪录的类星体的情况下，被星系间氢气云遮蔽。

装配线： 在一个好天气里，天文学家将迅速连续地在望远镜上安装六七个铝盘。这些板被放入卡匣中，每个640个孔都插入了连接到光谱仪的光纤电缆。最右边的卡匣已打开，显示了圆盘（上方）和电缆。

这些基本的彩色图像对于清点不同类型的天体很有用，但它们缺少一个基本要素：深度。一颗恒星可能看起来比另一颗亮，但这并不意味着它更近；它可能只是本来就更亮。星系也是如此。幸运的是，有一种方便的方法可以计算这些距离。在一个普遍膨胀的宇宙中，一个物体离我们银河系越远，它似乎离我们退行的速度就越快。

事实证明，速度很容易测量：远离我们的物体的光在传播过程中被拉伸，因此看起来比实际更红（接近的物体会显得更蓝）。这种效应类似于警笛在接近时音调较高，然后通过时突然下降的声音。事实上，正是通过注意到遥远星光的这种红移，埃德温·哈勃在20世纪20年代发现了膨胀的宇宙。但是五色图像只能暗示这种红移模式。精确测量红移需要光谱学，即将特定天体的光分解成其完整的光谱颜色。

为了进行这些测量，巡天项目切换到第二种操作模式。当阿帕奇望远镜的夜间运行完成后，多达十二盘磁带（载有约150千兆字节的数据）被送往费米实验室，并使用定制的图像分析软件进行处理。如果物体像恒星，但其颜色超出了恒星的正常范围——就像创纪录的类星体那样——计算机就会将其标记出来以供进一步研究。在每个视野中，计算机还会挑出600个最亮的天体——可能包括星系、恒星和偶尔出现的类星体——并将它们标识为光谱学目标。

计算机完成对一夜图像的分析后，600个目标天体以及30或40个参考天体的位置信息将通过电子邮件发送到华盛顿大学。在那里，机械师们会取出30英寸直径的铝盘，并在上面钻孔，这些孔与天空中天体的位置相对应。最后，这些板材被运回阿帕奇点，在那里等待那些不太清澈的夜晚——这些夜晚不适合用冈恩的CCD相机进行成像，但非常适合更专注的光谱学任务。在这样的夜晚，冈恩的相机从望远镜上卸下，板材被夹紧。工作人员天文学家随后将光纤电缆插入预钻孔中，让目标天体的光线流入两台光谱仪之一。平均而言，每次曝光需要大约45分钟，之后天文学家必须从大约100码外的控制大楼下到望远镜处更换板材。“我们已经很擅长快速完成这项工作了，”现场资深天文学家斯科特·克莱因曼说。“我们使用滑板车快速滑到望远镜处以节省时间。我们的记录——一个世界纪录——是一晚七块板材。”每个天体与地球的距离，通过其光线的红移量计算得出，被反馈到天空调查数据库中，并与该天体的天体坐标关联起来。奇妙之处在于，它将二维地图变成了三维：每个天文学家的桌面上的一个宇宙。

答案的彩虹： 左栏中的物体看起来相似，但右侧的光谱——显示它们在每个波长或颜色下的亮度——揭示了它们截然不同的身份。可见宇宙边缘的一个明亮类星体（顶部）显示出被宇宙膨胀大幅拉伸和红移的发射峰。一个中等距离的星系（中间）发出大量恒星的广泛光线。我们银河系中的一颗白矮星（底部）在短、热波长处达到峰值，其氢大气中存在吸收的凹陷。照片和光谱由芝加哥大学/SDSS合作项目Brian Wilhite提供。

完成的“天空调查”将描绘出宇宙结构的具象山谷——星系聚集的地方以及横跨1亿光年的巨大空洞。这些空洞的存在在20世纪80年代对数千个附近星系的调查中首次变得清晰；“天空调查”将揭示超过100万个星系在空间中的位置，让宇宙学家能够看到星系团和空洞是否弥漫在宇宙中。它还将揭示是否存在更大的结构。到目前为止，我们已经掌握了9万个星系，看起来无论你望向何处，网络结构都相似，但天文学家总是为重大的惊喜做好准备。

类星体是人类所见过的最遥远的天体，它们将描绘出大爆炸后最早期的宇宙结构。它们还将提供星系最初如何存在的证据。显然，在原始爆炸之后，气体云需要一段时间才能凝结成足够致密的形式，以点燃恒星和类星体，而“天空调查”已经促使天文学家们重新审视他们对这一过程如何展开的一些假设。即使大多数类星体是在大爆炸后大约30亿年形成的，纯粹的偶然性也可能让你在20亿年时发现一个早期出现者。但是，如果你发现两三个或四个——就像“天空调查”团队现在所发现的——那就不只是偶然性了，而且很难解释。“如果你三年前问我我们是否会发现如此古老的类星体，”宾夕法尼亚州立大学天文学家唐纳德·施耐德说，他是“天空调查”类星体小组的主席，也是“天空调查”之前距离记录的保持者，“我可能会把几率定在不到50%。吉姆·冈恩建造了一台令人惊叹的机器。”

天文学家还可以利用遥远的类星体作为探测位于宇宙遥远边缘和地球之间物质的探针。在大爆炸后大约十亿年——天文学家称之为“黑暗时代”——宇宙中充满了浓密的氢气雾。上世纪60年代，当冈恩在加州理工学院攻读研究生时，他和他的同事布鲁斯·彼得森提出，在黑暗时代可能形成的任何类星体发出的光，都会被那浓密的氢气雾部分遮蔽。最终，来自类星体和新形成星系的紫外线会使氢电离，将其转化为对光透明的带电形式。但在早期，大多数氢仍是中性的，相对不透明。天文学家们从那时起就一直在寻找这种所谓的冈恩-彼得森效应——现在，根据对“天空调查”破纪录类星体的后续观测，他们终于看到了它。有证据表明，氢气雾在持续数千万甚至数亿年的过渡时期消散，在此期间，宇宙中存在不透明区域与光和透明气体的气泡交错存在。

“天空调查”也在揭示时间上和空间上更接近地球的秘密。通过按颜色对大约2000颗新发现的小行星进行分类，“天空调查”天文学家发现火星和木星之间的小行星带实际上是两个并排的带，一个内部带主要由岩石块组成，一个外部带主要由富含碳的小行星组成。“天空调查”极其清晰的CCD相机还揭示了一串恒星，标志着银河系在亿万年前吞噬邻近星系的区域。“我们才刚开始研究普通恒星的性质，”冈恩在普林斯顿的同事迈克尔·施特劳斯说。“我们已经开始发现彗星。而且我们有几个我们目前完全不理解的物体。”

所有这些发现都只发生在一年之内，而“天空调查”的80%绘图工作尚未完成。一旦“天空调查”数据库完成，天文学家开始系统地探索这个虚拟宇宙的每一个角落，谁也说不准会有什么惊喜出现。