尽管在2016年9月已经收获了一大批数据，天文学家仍在热切盼望着“盖亚号”的后续的观测数据（还会发布4批数据）。美国纽约大学的天文学家戴维·霍格（David W. Hogg）称，尽管用第一批数据就已经有很多内容供研究人员研究了，但当该任务结束时，需要研究的将远不止于此。所有的数据将于2022年发布，届时研究人员将能实现此次任务的主要科学目标：揭示银河系的结构和演变，从而理解银河系狂暴的历史。比如，银河系中有些恒星原本诞生在其附近的小星系内，但后来庞大的银河系吞并了它们所在的小星系。如今，那些小星系的残骸还能以贯穿星空的微弱恒星流的形式被看到，为我们提供周边星系演化的时间线索。约翰斯顿说：“你能够发现曾经存在的星系，它们曾经的轨道，以及与它们有关系的恒星。因此，你能还原银河系吞并其他星系的历史。”
恒星是宇宙的地标。
——约翰·赫舍尔（John Herschel）
我们现在还无法确定“盖亚号”将书写怎样的传奇。除了完成主要科学目标，它还会观测银河系中数千个非恒星物体，或许还能绘制出银河系中的暗物质分布，确定数十万个类星体（古代星系仍在燃烧的内核）的位置。普鲁斯蒂说，从长远看，由于提供了准确的观测位置，“盖亚号”还能改善其他望远镜的观测结果。同时，霍格还在美国纽约和德国海德堡组织了名为“盖亚冲刺”的活动，让天文学家们有机会共聚一堂，共同探索如何更好地利用这些数据。霍格说：“‘盖亚号’打开了发现的大门，我认为这是它的意义所在，同时这也是每个人都很兴奋的真正原因。它将带给我们一个新的世界，而首批数据的发布只是这个新世界的精彩预告片。”
“盖亚号”的分辨率比哈勃空间望远镜高数十倍。
Virgo引力波探测器重新上线
撰文｜凯瑟琳·赖特（Katherine Wright）
翻译｜李想
Virgo引力波探测器于2017年重新上线，与LIGO一起帮助科学家搜寻引力波源，锁定波源区域。
2016年初，人类第一次探测到了拂过地球的引力波。激光干涉引力波天文台（LIGO）的两台具有极高灵敏度的探测器（分别位于美国华盛顿州和路易斯安那州）探测到了两个黑洞合并所引起的时空扭曲。5个月后，科学家宣布了这一消息。世界为之轰动，这一发现成为了2016年最重要的一则物理学新闻。自1916年爱因斯坦首次预言引力波以来，物理学家已经努力了近百年的时间，希望能找到引力波存在的直接证据。
与突破相伴而来的是不少亟待解答的疑问。首要问题是这些引力波从何而来。如果一切进展顺利，科学家很快就能追踪到引力波源，开始进一步探测。
2017年春天，物理学家们一直忙着让第三台引力波探测器Virgo（位于意大利比萨附近）重新上线运行。2015年9月，也就是LIGO收到两个引力波信号的时候，Virgo正处于线下升级中。科学家希望三台大型探测设备能有效地提高寻找引力波源的工作效率。如果“一击三中”（即三个探测器都探测到了同一个引力波），那么陆基望远镜就能瞄准探测器锁定的三角区域，也就有可能找到激发引力波的碰撞地点。
引力波探测器的外形就像一个大写字母“L”，张开的双臂长达数千米。探测器能探测到引力波引发的比质子直径还小的臂长变化。但如果只有一台超灵敏探测器，科学家就无法区分引力波导致的时空扭曲所引起的臂长变化和环境中其他振动引起的臂长变化。此外，每台探测器还要负责一片不小的星空范围，视野需要覆盖地球周围40％的星空——大致相当于你站在一片沙漠里抬起头原地转圈所看到的星空范围——然后试图从这片星空中找到一颗暗弱的恒星。这就好比一个人身处广袤的沙漠，一边打转一边还要找到一颗晦暗不明的星星。
Virgo相互垂直的双臂（图中仅显示了其中一支），每臂长逾3千米。Virgo在真空环境下运行，以保证其中的光学系统不受干扰。这套系统对引力波造成的时空扭曲极为敏感。
LIGO需要两台探测器一起工作还有另一个原因。引力波以光速传播，但除非引力波同时正对着两个探测器，否则两个探测器检测到的扭曲信号总会有毫秒级的时差。科学家就可以利用这个时间延迟计算出碰撞所在的方向，这样便可以缩小寻找引力波源的范围。根据2015年的观测数据，该范围已经缩减到星空的2％，但对于目标搜寻而言这个范围还是太大了。
升级后的Virgo将加入探测工作。升级之前，以Virgo的灵敏度，它连能量最高的引力波也无法探测到。而现在，能提高灵敏度的新反射镜、真空泵还有激光器（皆用于探测设备臂长的微小变化）都一一安装，电路设备也一再检修。新的硬件设施安装完毕，可能干扰引力波信号的普通振动也将被滤除。科学家夜以继日地工作，让Virgo在2017年尽早投入使用，此后LIGO的探测器就能停机检修了。
罗马大学物理学家、Virgo发言人富尔维奥·里奇（Fulvio Ricci）说，完成升级的Virgo运行后，引力波源在星空中的范围应该能再缩小5倍。埃多·伯杰（Edo Berger）是美国哈佛大学的一位天体物理学家，他用望远镜研究了LIGO和Virgo发现的引力波，并进行了修正分析。伯杰认为：“第三个探测器加入探测网络后，引力波源的位置应该会更清楚，波源的寻找将从一项不可能完成的任务变成一项艰巨的任务。”
意大利比萨附近的Virgo引力波探测器于2017年重新上线。由此，3个坐落在世界不同角落的探测器实现了联合探测。
不过事情并不是毫无希望。黑洞碰撞并不是唯一一种能扭曲时空的天文事件。与黑洞碰撞不同，一些天文事件会辐射可见光或者其他能被望远镜观测到的电磁波。比如超新星爆发的余波，或者从正在合并的黑洞视界边缘发出的高能射线，又或者两颗中子星相撞时及中子星被黑洞俘获时发出的可观测信号。目前引力波探测器还没有探测到这类事件导致的时空涟漪，但只要一发现，伯杰和其他天体物理学家便会将他们早已准备好的望远镜，转向那片由3个而非2个探测器锁定的星空。更小的搜索范围意味着更小的天文望远镜也能加入寻找任务，记录下这些事件可能发出的令人眼花缭乱的电磁波。
如果让3个探测器共同运行1个月的时间，那么即便没有罕见的天文事件发生，这段时间也足以观测到来自黑洞合并发出的引力波了。
合作观测可能会让LIGO和Virgo的运营团队考虑延长设备的运转时间，LIGO团队的成员、宾夕法尼亚州立大学物理学家萨蒂亚普拉卡什（B. S. Sathyaprakash）说：“如果结果令人兴奋，计划就可能会改变。”这将是天体物理学翻开新篇章的一个好兆头。
宇宙向南？
撰文｜迈克尔·莫耶（Michael Moyer）
翻译｜王栋
一直以来科学家都认为宇宙在各个方向上是一样的，然而目前的一些研究证据却有可能动摇这种传统观点——微波背景辐射的分布和超新星的移动似乎都在暗示宇宙是有方向的。而普朗克卫星传回的数据或许能帮助科学家找到答案。
宇宙既无中心也无边界，在遍布天穹的点点星光中，没有任何区域显得与众不同。无论从什么地方看，宇宙都是一样的（或者说，物理学家们是这样认为的）。但这个堪称宇宙学一大基石的理论已经开始动摇了，因为天文学家发现，宇宙空间具有一个特殊方向——尽管目前的证据还不足，但新证据在不断增加。
第一批证据，也是最完备的数据来自宇宙微波背景（CMB）——宇宙大爆炸后的“余温”。这种残留辐射在宇宙空间的分布是不均匀的，有些区域热，有些区域冷。但近些年来科学家发现，这些或冷或热的区域并不像我们想象的那样随机分布，而是以某种方式排列起来，指向宇宙中的一个特殊方向。宇宙学家给这个特殊方向赋予了一个足够吸引眼球的名字——“邪恶轴心”。
在对超新星的研究中，科学家发现了更多线索。超新星意味着恒星的末日到来，是一种能够在短时间内照亮整个星系的恒星爆发。宇宙学家一直在利用超新星来标示宇宙加速膨胀（相关成果获得了2011年诺贝尔物理学奖），而细致的统计研究显示，在稍微偏离“邪恶轴心”的一个方向上，超新星甚至移动得更快。与此类似，天文学家测量发现，星系团正在以每小时100万英里（约每小时160万千米）的速度穿过宇宙空间，朝着南方的一个区域鱼贯而行。
星系在某些方向上移动得更快一些。
这些意味着什么？可能什么都不是。“这些或许只是一个巧合。”美国密歇根大学安阿伯分校的宇宙学家德拉甘·哈特勒（Dragan Huterer）说。也许是测量上的一些小误差（尽管已经尽可能排除）在不经意间影响了数据。还有可能，哈特勒说，也许我们所看到的确实是“某种令人震惊的事”的初步迹象。宇宙最初的爆炸式膨胀所持续的时间可能比我们先前所认为的长了那么一点点，造成宇宙有些许倾斜，直到今天仍是那样。美国凯斯西保留地大学的宇宙学家格伦·斯塔克曼（Glenn D. Starkman）认为，还有一种可能是在大尺度上，宇宙或许像管子一样卷了起来，在一个方向上是卷曲的，而在其他方向上都是平直的。当然，也可能是使宇宙加速膨胀的暗能量在不同地方起着不同的作用。
宇宙加速膨胀
宇宙加速膨胀是指宇宙的膨胀速度越来越快的现象。1929年天文学家哈勃（E. P. Hubble）提出的哈勃定律就是宇宙膨胀理论的基础。1998年三位科学家通过观测遥远超新星获得的数据表明，宇宙正在加速膨胀。这三位科学家由于为宇宙的加速膨胀提供了关键证据，而获得了2011年诺贝尔物理学奖。
当前，所有数据都只是初步结果，只能轻微地暗示，我们对宇宙的传统认识可能有偏差。科学家正在迫切期待着普朗克卫星传回的数据，该卫星目前待在绕地轨道上的一个安静地方，测量宇宙微波背景辐射。它要么会确认先前的有关“邪恶轴心”的测量结果，要么会证明这只是一个错误。在那之前，谁也不知道宇宙到底有没有方向。
宇宙不均衡？
撰文｜蔡宙（Charles Q. Choi）
翻译｜郭凯声
科学家发现宇宙可能是不对称的，而且普朗克卫星传回的数据也证明了这一点。科学家期待获得更多的探测数据来解释宇宙的失衡。
10多年前，宇宙学家们开始猜测，宇宙的模样可能有点古怪，呈一种两边不对称的形状。
宇宙失衡的线索来源于大爆炸的余波，即宇宙微波背景（CMB）。在CMB中，分布着许多冷热不均的“斑块”，对应于物质密度的起伏。从2003年开始，美国国家航空航天局威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）的数据显示，宇宙的一侧比另一侧要热。但是，此发现与宇宙学中的一个流行观点相冲突。该观点认为，宇宙是在早期的一次急速扩张期间（称为暴胀）以迅猛之势膨胀开来的，而此过程本应使CMB呈现一种基本均匀的分布形态。
2013年，支持失衡说的论据骤然变得有力了。欧洲空间局的普朗克卫星（比WMAP更新、更灵敏）传回了证明宇宙不对称的证据，其可靠性与WMAP的数据相当。于是，现在我们面临的问题是，这个谜团的出现究竟是要我们对宇宙学来一番反思，还是此种失衡只是与某种可能性极小，但最终依然能够得到解释的现象有关。
美国国家航空航天局喷气推进实验室的宇宙学家克日什托夫·戈尔斯基（Krzysztof M. Gorski）说：“几年前，根据一些科学家对公开发布的WMAP数据进行的分析，人们就提出了宇宙失衡的说法。而现在，我们又从普朗克卫星获得了同样的数据，为这些说法提供了令人信服的证据。”
虽然CMB中出人意料的温度差异似乎已经变得可信，但这种差异依然难以解释。挪威奥斯陆大学的宇宙学家亚别巴尔·凡塔耶（Yabebal Fantaye）与戈尔斯基及其他一些研究人员合作，根据宇宙演化的标准模型，对CMB应该呈现何种模样进行了一万次模拟。这些研究人员在《天体物理学杂志通讯》上发表文章称，其中仅有7次模拟的结果与WMAP数据显示的情景相似。换言之，标准的宇宙学模式可以容得下失衡的宇宙，但仅仅是勉强容得下。“它肯定是有可能发生的，但可能性并不很大。”凡塔耶说。
研究人员已经在探索这样一个前景：宇宙的不对称性或许揭示了某种新的可能性，也许是某种能量场使初生的宇宙发生了扭曲，也许是我们这个宇宙在与另外一个宇宙碰撞时受伤了。普朗克卫星的研究团队公布的有关CMB的偏振数据有助于解答这个问题。偏振是一种用来描述CMB光子振动方式的物理概念；有关偏振的数据或许有助于我们辨别，宇宙失衡是需要用上述这些宇宙学中的新构想来加以解释的现象，还是一种依然可被塞进流行理论框架内的意外现象。
普朗克卫星已经退役。它在2009到2013年间对CMB进行了探测。
缺失的宇宙纪元
撰文｜戴维·卡斯泰尔维基（David Castelvecchi）
翻译｜王栋
新的理论计算能将爱因斯坦广义相对论的适用范围，推进到宇宙诞生的最初那一瞬。
宇宙大爆炸后的那一瞬，宇宙经历了被称为“暴胀”的爆炸性快速膨胀。根据标准宇宙学理论，这一阶段中能量微小波动的“涟漪”，就是我们今天看到的星系及其他大尺度结构的“种子”。然而，没有人能解释这种“涟漪”自身究竟是如何产生的。
2013年，三位物理学家宣布，产生这种波动的关键在于“量子引力”——一个仍处于假想中的理论，其中的引力也具有在亚原子物理学中典型的、模棱两可的“不确定性”。
基于爱因斯坦广义相对论的标准宇宙学理论，无法解释能量涟漪的产生，因为该理论在极小的尺度上就失效了。在宇宙刚刚开始膨胀前的几乎无限短的一瞬间（普朗克时间）内，整个已知宇宙局限在比一个原子还要小几个量级的区域里。如果一直回溯到那个时段，相对论就会给出不合理的结论，比如说能量密度无穷大。
为了将爱因斯坦理论的适用范围扩展到这种极端区域内，研究人员发展出了一个名为“圈量子引力”的理论。从上世纪80年代起，阿布海·阿什特卡（Abhay Ashtekar，后来任职于美国宾夕法尼亚州立大学）对爱因斯坦的方程式进行修正，以使它们同量子理论相容。这样做的结果之一是，空间本身不再如同一块平滑的幕布一般，而是由离散的、被称为“圈”的单元构成；并且，这些“圈”的微观结构还能在同时共存的多种“态”之间振荡。近年来，物理学家还发现，如果圈量子引力理论正确的话（仅仅是如果，因为到目前为止还没有丝毫的实验证据支持它），那么大爆炸其实是我们以前另一个坍缩宇宙的“大反弹”。
现在，阿什特卡的研究组表示，将圈量子引力理论进一步扩展，它就能填补处于大反弹（普朗克时间内）和目前宇宙膨胀之间那段缺失的空当。此外，它还能解释那些极其重要的，决定我们人类最终得以出现的涟漪的产生。经过计算，研究人员发现，这些涟漪是大反弹时期量子波动的自然产物。
不过，该研究组的预测同那些“气球膨胀模型”有些许不同。这种不同所导致的宇宙演化结果的差异，可由将来对宇宙结构的探测来检验，阿什特卡解释。
在《物理评论快报》上发表的这一结果，提供了一种“能将宇宙膨胀过程回溯到普朗克尺度之内的自洽理论”，阿什特卡总结。
量子引力或许是今天大尺度宇宙结构形成的原因，这一结论“非常漂亮而且令人惊叹”，美国路易斯安那州立大学量子引力理论专家豪尔赫·普林（Jorge Pullin，未参与该项研究）评价。
加拿大安大略的佩里米特理论物理研究所的主任尼尔·图罗克（Neil Turok）说，阿什特卡的研究组仍需要进行“人为的假设”才能将宇宙膨胀的起始推回到更早的时间。
“圈量子引力理论具有许多有趣的想法，”图罗克评价，“但如果当成得出进一步预测的根据，它还不够成熟。”
倾听宇宙大爆炸的回声
撰文｜克拉拉·莫斯科维茨（Clara Moskowitz）
翻译｜王栋
原初引力波遗留的痕迹，向我们透露了初期宇宙暴胀是何时发生的，以及是如何发生的。
宇宙暴胀理论又胜了一局！这个认为宇宙在大爆炸后，经历过一段急剧膨胀过程的理论，有了强有力的证据支持。2014年3月，物理学家证实了宇宙暴胀理论的一个重要预言。在南极进行的“银河系外宇宙偏振背景成像2”（BICEP2）实验，发现了原初引力波（早期宇宙暴胀时期产生的时空交织的涟漪）的证据。物理学家认为，这一发现不仅是宇宙曾经历过暴胀的主要证据，而且还让众多描述暴胀的不实理论由此出局。“这确实大大缩减了那些曾经看似合理的暴胀候选模型的数量。”美国约翰斯·霍普金斯大学的马克·卡明科夫斯基（Marc Kamionkowski）说。卡明科夫斯基虽然没有参与上述实验，但早在1997年，他就和其他科学家一同提出了如何发现引力波“痕迹”的理论——用他的话来说，“这不是在稻草堆里找一根针，而是在满满的一大桶沙子里找一根针”。
从宇宙大爆炸之后不久出现的、残留到现在的“光”（宇宙微波背景辐射）中，BICEP2实验发现了一个所谓的“原初B模式极化”。大致说来，光在极化方向（电磁振荡的取向）上发生了一点点弯曲，这只可能由暴胀产生的引力波导致。“我们发现了暴胀的确凿证据，而且还生成了遍布宇宙的引力波的首幅图像。”美国斯坦福大学的郭兆林（Chao-Lin Kuo）介绍。他是该项研究的领军人之一，并设计了BICEP2的探测器。
在物理研究领域，如此重大的发现还需其他实验证实才能真正被认可。然而目前得到的结果已预示了宇宙学的一个重大成就。“虽然不能说没有出错的可能，但我认为该结果极可能成立。”美国麻省理工学院的艾伦·古思（Alan Guth）说。他于1980年首次预言了宇宙暴胀。
目前，物理学家正在仔细分析这项重大发现，试图理清暴胀的时间线，以找到其他线索。BICEP2的测量结果显示，暴胀发生在宇宙大爆炸之后的一万亿亿亿亿分之一秒。那时，宇宙的能量极高，除了引力之外，当时自然界中所有其他的基本力（电磁力、强相互作用力和弱相互作用力）或许曾经为一种力。此外，这个新的测量结果还能够消除对暴胀理论持怀疑态度者的疑虑。暴胀理论的主要研究者之一、美国斯坦福大学的安德烈·林德（Andrei Linde）说：“如果该发现得到证实，暴胀理论就可以说是这方面唯一的真理了。”
“吹起来”：膨胀的宇宙引发了拉伸、压缩时空的引力波。
宇宙深处的重子声波振荡：暗能量存在的新证据
撰文｜廖红艳
重子声波振荡是一把可靠、理想的“量天尺”。通过测量距离，它可以帮助我们重建宇宙的膨胀历史。
大爆炸发生约38万年后，宇宙中的第一束光挣脱束缚，开始自由飞翔。当这些最古老的光子传播到地球时，我们就观测到了宇宙微波背景辐射。对天文学家来说，这是一个幸运的时刻，因为那时的宇宙不仅给我们送来了二维的宇宙微波背景辐射图，还赐予我们一把可以测量宇宙三维结构的“量天尺”——重子声波振荡。
宇宙诞生之初，由于高温和高密度，物质是完全电离的，存在着很强的相互作用的物质和光统称为重子－光子流体（其中的物质主要是质子、中子等重子）。此时，宇宙原始声波（宇宙创生时留下的原始扰动在重子－光子流体中的传播）接近光速，导致重子－光子流体密度在有的区域大，在有的区域小。
直到宇宙诞生约38万年，物质冷却到了足够低的温度，物质和光开始分道扬镳。获得自由的光子，携带着原始宇宙的信息飞身而去。这些信息，我们可以在宇宙微波背景辐射图上看到。而随着光子离去，重子声波也戛然而止，就像布满涟漪的湖面突然冻结。由重子声波振荡导致的物质分布特征，也永久封存在了那一刻的时空中，并随着宇宙的整体膨胀被拉伸，如同气球上的图案随着气球的膨胀而变大。
对宇宙学家来说，重子声波振荡就是宇宙早期那段“热”历史的活化石。“可以用重子声波振荡测量宇宙的几何性质，得到宇宙的膨胀历史，进而对暗能量的物理性质进行观测检验。”中国科学院国家天文台赵公博研究员向《环球科学》记者介绍。赵公博同时也是斯隆数字化巡天四期（SDSS-IV）子项目“扩展的重子声波振荡光谱巡天”（eBOSS）星系成团性工作组的联合组长。
2017年5月，eBOSS发布了最新成果，将这两年来确定的约14.7万个高红移（距地球较远）类星体的空间分布，与前期BOSS（重子声波振荡光谱巡天，SDSS-III子项目）确定的约100万个低红移（距地球较近）星系数据结合，绘制出了宇宙大尺度结构的三维图（见下图），并从星系分布规律中发现了显著的重子声波信号，从而独立证实了暗能量的存在。
这是科学家首次利用遥远的类星体探测宇宙膨胀的历史，重子声波振荡也由此成为继超新星、宇宙微波背景辐射后证明暗能量存在的又一独立证据。
星系图中显露的重子声波振荡信号，可以帮助天文学家重建宇宙的膨胀历史。
“如果说宇宙微波背景辐射测量的是宇宙的二维投影，那我们对重子声波振荡的测量则是对宇宙进行的三维CT（计算机断层成像）扫描。”赵公博这样形容。想象一下，如果你拥有一把宇宙尺度的标准尺，把它垂直于视线方向放置在天球上，测量它张开的角度，你就能得知宇宙中天体的距离；把它沿着视线方向放置，测量它两端的红移差，你就能推断出此时宇宙膨胀的速度。
从宇宙微波背景辐射中，科学家已经观测到早期的重子声波振荡信号；现在从大规模巡天得到的宇宙大尺度结构三维图中，他们又得到了宇宙其他时刻的重子声波振荡信号。两者比较，便能推断出宇宙各个时刻的膨胀速度，进而了解宇宙的膨胀历史，推断暗能量的存在。
从人们提出重子声波振荡理论到实现初步测量，已经过去了40多年。现在，越来越多的科学家开始意识到，重子声波振荡正是他们梦寐以求的，最可靠、最理想的“量天尺”。但要想更精确地测量重子声波振荡信号，科学家还需要借助更广、更深的星系巡天。
“未来5～10年，”赵公博说，“我们将利用下一代更强大的星系巡天，包括暗能量光谱仪项目（DESI）、欧几里得空间望远镜计划（Euclid）、我国与日本、美国合作的大型星系观测项目（PFS）等，以更高的精度提取宇宙更深处的重要信息，对暗能量、引力、中微子质量等宇宙学前沿课题进行深入研究。”
如何拦截可能撞击地球的小行星？蚕宝宝有可能被端上太空餐桌？太阳系中其实到处都有水？霍金的黑洞新理论是什么？爱因斯坦预言的引力波如何被证实？从发现太空中有趣的天体，到探测神秘的暗物质；从聆听来自太空的各种信息，到打造创意无限的太空生活……本书精选《科学美国人》前沿科技资讯，带领读者轻松愉快地概览近年来宇宙科学的研究进展，探索宇宙中的未解之谜。
我很欣赏《科学美国人》，因为它把世界科学更广泛地介绍给了读者。
——阿尔伯特·爱因斯坦
科学和艺术一样，都让我们的世界更加绚丽多彩，愿享誉百年的《科学美国人》传播科学精神，影响更多人。
——钢琴家 理查德·克莱德曼
