【未解之謎】920億光年漆黑太空背後的宇宙祕密

北京時間：2021-11-26 09:00

大家好，我是扶搖，歡迎和我一起探索未解之謎。今天我們來探討一下「漆黑太空背後的祕密」。

相信大家都曾在夜間仰望星空，看著滿天繁星。中國古人還由此發展出了星象學，通過夜觀天象，來判斷人世間的吉凶。很多人也想當然地認為，如果人們來到太空，沒有大氣層的遮擋，那星空應該是更加璀璨的。然而事實卻不是這樣的。

當年美國阿波羅號宇宙飛船登上月球之後，人們看到宇航員們傳送回來的照片，都呆住了。嗯？怎麼宇宙背景一片漆黑？星星們都哪裡去了？也正因為這個原因，曾經有人質疑，阿波羅號到底有沒有登上月球啊。然而隨著越來越多的國家進行了太空之旅，拍到了外太空的照片之後，人們發現，真是冤枉「阿波羅號」了，外太空真的是很黑的。

奇特的大氣層

為什麼反而在地球上可以看到無數的繁星呢？因為地球有大氣層。大氣層是圍繞著地球的一層混合氣體，隨著高度不同，大氣層所含有的元素不同，也表現出不同的特點。目前認為，大氣層可大致分為對流層、平流層等多個層次。我們乘坐的飛機就是飛在平流層，因為這層大氣流動較為平穩。而人類也利用增溫層實現短波無線電通信，使遠隔重洋的人們可以相互溝通。而散逸層之外，雖然仍有稀薄的氣體和基本粒子，但一般就把它算作外太空了。

大氣層是人類的保護傘，它幫助人類抵擋了有害的宇宙射線，免於地球變成火星那樣荒涼的世界。這個大氣層如同一個巨大的透鏡，或者說一個巨大的遙視場，能夠將遙遠的恆星發出的光反映過來。說到這裡，有些愛思考的觀眾就要問了，那漂浮在太空中的哈勃天文望遠鏡，還有那些國際空間站上的宇航員，不是也可以拍攝到布滿繁星的星圖嗎？

那是因為，它們還沒有真正離開地球的大氣層呢。哈勃天文望遠鏡距離地面559公里，國際空間站距離地面大多在400公里左右，都沒有超過散逸層。真超過散逸層了，除了太陽系的星體，就拍不到其它星星了。科學家就表示，太空飛船從外太空傳回的原始照片，如果不經過後期處理，看上去就是一片漆黑。相信大家這個時候腦子裡會浮現出大大的問號——這是為什麼呢？星星們都去哪兒了？在回答這個問題之前，讓我們先來談一談「奧爾伯斯悖論」。

奧爾伯斯悖論

「奧爾伯斯悖論」是由德國天文學家海因里希‧奧爾伯斯（Heinrich Wilhelm Matthäus Olbers）在1823年提出來的。他當時思考的問題是，為什麼夜空不是明亮的？當時人們普遍認為，我們可以觀測以及感知的這個宇宙是靜止不動的、無限大的，而且時間也是無限的。基於這點，奧爾伯斯就推斷出，那麼天空應該是明亮的，因為從數學上可以證明，將有無數的恆星覆蓋天空的每個點，無論望向天上哪一位置都應該見到一顆恆星，星與星之間便不應有黑暗的位置，黑夜時整個天都會是光亮的。

然而事實告訴我們，外太空不是明亮的，而是漆黑的。這又該如何解釋呢？奧爾伯斯自己提出了一種假說。就是說宇宙不是透明的，裡面有著黑暗的星體，比如不會發光的行星、宇宙塵埃、宇宙氣體，由於它們的阻擋，極遠處傳來的光線就只能傳播一段有限的距離，而不能到達地球。人眼睛能看到東西，是因為人眼感受到了可見光，如果光線都沒到地球，當然也就看不見，就是黑的啦。

這個理論聽起來似乎有些道理，但是物理學家出來抗議了。他們表示，根據熱力學第一定律——能量守恆定律，這些所謂的阻擋物，就是行星、塵埃等等物質，最終會被加熱，然後自己也變成了發光體。這樣就又回到悖論的結論了：天空應該是明亮的。

在「奧爾伯斯悖論」提出後的一百多年內，人們一直在為之頭疼，想找出合理的解釋，但是總是四處碰壁。直到一位美國天文學家觀測到了一種非常特別的宇宙現象，這個悖論才找到至少可以說得通的解釋。這位天文學家就是大名鼎鼎的愛德溫‧鮑威爾‧哈勃（Edwin Powell Hubble），哈勃天文望遠鏡就是以他的名字命名的，以向他表達敬意。

哈勃定律

哈勃最偉大的成就之一，就是發現了「哈勃定律」。他通過觀測星系發現，星體遠離地球的速度，與它們和地球之間的距離成正比。簡而言之，就是一個星體離地球越遠，那麼它遠離地球的速度越快。

那麼哈勃是怎麼發現的呢？這裡就又得提到一個概念「多普勒效應」。多普勒是奧地利的一位數學家、物理學家。一次，他路過鐵路交叉處時，恰逢一列火車從他身旁馳過，他發現火車從遠而近時汽笛聲變大，但音調變纖細，而火車從近而遠時汽笛聲變小，但音調變雄渾。他對這個物理現象感到極大興趣，並進行了研究，最終發現，當聲源離觀測者而去時，聲波的波長增加，頻率變低，而當聲源接近觀測者時，聲波的波長減小，頻率變高。

不僅僅是聲音，「多普勒效應」也可應用在光的運動中。這張圖就是一張光譜，由上而下，波長由小變大。圖中彩色的那麼一小段，就是可見光，波長在這個範圍的光，人才可以看見。這裡不得不感嘆一下，相比整個光譜，可見光的範圍真是太小了，人眼能看到的東西實在是太有限了。這個宇宙中人眼看不到卻真實存在的物質，比起人們能看到的，要多得多呢。

咱們繼續說光的「多普勒效應」。當一個星體快速遠離地球時，它發出的光波波長就會增加，而光譜就會向紅色的一邊移動，天文學上說叫做紅移。反之就是藍移。大家可以在網上找出天文望遠鏡拍攝並經過後期處理的星系圖，會發現越是遠離地球的星系，看起來顏色越偏紅。再打個比方，我們現在看太陽，看到它發出的光是黃白色的，但是如果太陽一直遠離我們而去，我們就會發現它的光變成了橙紅，再遠，就變成了紅、深紅、暗紅……直到看不見。

哈勃通過觀測星體運行的速度和方向，發現星星們都在遠離我們而去，他判斷出這個宇宙不是靜止的，而是在不斷膨脹的。

漆黑太空的原因

哈勃關於「宇宙膨脹」的觀測結果，讓科學家們為「奧爾伯斯悖論」找到了一個解答。按照當前科學界的說法，宇宙是在138.2億年的大爆炸中形成的，然後不斷膨脹，不斷膨脹。如果大爆炸的那一刻，宇宙中一片光明，像恆星表面一樣亮。隨著宇宙的不斷膨脹，星體之間的距離也就越來越大。現在有研究表明，宇宙在以超過光速的速度膨脹，那麼，很多古老而遙遠的星系，它們發出的光根本就沒機會抵達地球了。還有很多星系，宇宙的膨脹導致來自它們的星光不斷加快紅移、紅移。超過一定的距離，這些光都會轉移到人眼可見光譜之外，從而使這些恆星都不可見了。

當然了，這些都是基於「宇宙大爆炸理論」而做的推理和解釋。關於宇宙的誕生，其實還有不少有趣的理論與推想，以後有機會再和大家分享。