平方公里阵列射电望远镜的第一个雏形接收盘 图源：Mu Yo Alamy
在《等待戈多》中，塞缪尔·贝克特（Samuel Beckett）写道：“问题恰恰就出在我们到底要在这里做什么？幸运的是我们碰巧知道答案。是的，在这巨大的混乱中，只有一件事是清楚的，那就是我们在等待戈多的到来。”
贝克特所说“戈多”的含义带有争议。在我作为一名天文学家的职业生涯中，我曾经等待过许多“戈多”，包括对我的理论预测的观测测试，其中最难以捉摸的就是实时观察宇宙的演化。
我们经常认为30年前COBE卫星第一次观测到的来自早期宇宙的残余辐射，即宇宙微波背景，和最近普朗克卫星观察到的，几乎是一样的。只要我们的测量精度不足到以注意到差异，这就是一个有效的简化。但事实是宇宙一直在变化，所以微波背景的原始来源，即宇宙光球的性质也在不断变化。这样的宇宙变化非常缓慢，以至于要在一个比人类生命长一亿倍的时间尺度上才能观察到。我们能注意到几十年来所监视的天空的微小变化吗？
宇宙就像一个以我们为中心的球形考古发掘现场。我们对太空的观察越深入，我们发现的图层就越古老。由于光速有限，我们看到遥远光源曾经的图像，这些图像显示出它们旅行前的样子。如果我们现在加快时间的流逝，我们会看到这些光源（时间上）更近一点的样子。但是另外，当光向我们传播时，它的波长会被宇宙的膨胀所拉长。可见光转移到红色，经历所谓的红移。正如哈勃在大约一个世纪前意识到的那样，更远的天体衰退的速度更快，因此红移提供了远离我们的宇宙源退行速度的一种度量。
我们通常认为遥远的星系和其他天体的红移是宇宙在特定时间膨胀的快照。但事实上，它们像慢动作电影中一帧帧画面，理论上我们可以通过等待足够长的时间来观看这部电影。我们真的能实时检测到特定源头的宇宙退行速度的变化吗？Allan Sandage在1962年推断，在天文学家几十年的职业生涯中，测量遥远星系的这种变化是很有挑战性的。
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1998年，我写了一篇论文，提出了一种测量天体在宇宙学距离上膨胀速率变化的新方法。我们观测遥远的类星体的视线穿过了巨量的氢云。每一片氢云都在我们观察到的类星体光谱上留下了吸收特征。比起沿着每条视线的星系数目，在这些吸收特征中有更多的红移。这为测量每个宇宙时代的微小红移漂移提供了一个更好的统计样本。
通过观测数十年具有不同吸收特征的红移的轻微漂移，人们有可能实时监测宇宙膨胀速率的变化。通过宿主恒星的微小反射运动来探测行星时，速度变化量略低于我们的最佳灵敏度。在几十年的观测中，吸收系统退行速度的下降意味着宇宙减速，而退行速度的增加则意味着宇宙加速。在宇宙历史的早期，由于辐射和物质的引力作用，宇宙膨胀速度减慢。但在后期，辐射和物质被稀释，以至于真空中的“暗能量”占据主导地位，真空的排斥力加速了宇宙膨胀。通过实时监测宇宙膨胀，我们可以观察到高红移时的早期减速和低红移时的后期加速。这两个阶段之间的转换将根据暗物质（早期占主导地位）和暗能量（后期主导）的相对比例确定宇宙质量。总之，与前面提到的Sandage-Loeb效应相关的红移漂移可以让我们直接看到宇宙是如何膨胀的，就像我们在电影院里观看一样。在下一代超大型地面望远镜上装载的高分辨率光谱仪的帮助下，这一设想有可能成为现实。
氢原子在类星体观测路径上留下的吸收特征基于两个事实：氢是宇宙中最丰富的元素，它可以通过吸收波长为毫米的紫外线光子，在所谓的莱曼-α（Lyman-alpha）跃迁之后，从基态激发到第一能级。来自遥远氢云的吸收特征出现在一个波长上，从吸收时间开始，宇宙膨胀就延伸了这个波长。因此，沿着视线的多层云产生了不同波长的吸收特征群，这看起来就像类星体光谱中一个风化的栅栏，一直到源红移处的Lyman-alpha波长。从氢的基态到更高的标记为Lyman-beta, gamma, delta 等能级的跃迁则不那么明显。
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巧合的是，上述几个关于氢的事实是在哈佛大学发现的。Lymen系列是以Theodore Lyman IV的名字命名的，他在一个世纪前领导杰斐逊物理实验室，并在实验中发现了这些氢跃迁。随后，Cecilia Payne-Gaposchkin在其博士论文的研究中发现，太阳主要是由氢构成的。她曾担任哈佛天文学系主任。后来，哈佛大学物理学教授、诺贝尔奖得主Edward Purcell通过探测银河系的21厘米跃迁，发现了贯穿银河系的大量氢气。这一概念被George Field扩展到星系际介质，他是哈佛大学天体物理中心的第一任主任。
我们很幸运地站在了这些先锋性研究的肩膀上，莱曼α森林可以告诉我们宇宙的实时演化。可能在十年或二十年后，我们就可以用上现在已经在建设中的望远镜，如平方公里阵列射电望远镜和欧洲极大望远镜，来探测红移偏移。这体现了生活中最基本的道理：我们周围的一切都在变化，包括整个宇宙，我们应该无休止地适应新的环境，包括加速扩张带来的宇宙孤独感。宇宙尺度上的永久变化是天文学家有充分理由等待的最缓慢的“戈多”。
撰文：Avi Loeb，于2011至2020年任哈佛大学天文学系主任，哈佛黑洞计划创始主任，哈佛-史密森天体物理中心理论与计算研究所所长。
翻译：陈思航
审校：曾小欢
引进来源：科学美国人
本文来自：中国数字科技馆
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