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暗能量巡天 :窥探宇宙最深的秘密

[摘要]暗能量巡天项目(DES)致力于寻找宇宙加速膨胀的幕后推手。它将以前所未有的精度,记录宇宙在过去140亿年里的膨胀历史和大尺度结构的构建过程。

暗能量巡天 :窥探宇宙最深的秘密

近期安装到智利的维克多· 布兰科望远镜上的暗能量相机(DARK ENERGY CAMERA),可供天文学家巡视正在加速膨胀的宇宙

撰文:乔舒亚·弗里曼 (Joshua Frieman)

翻译:张圆圆 李婷

约100年前,埃德温·哈勃(Edwin Hubble)发现宇宙是在膨胀的:几乎所有的星系都在飞速远离我们的银河系,越远的星系退行的速度越快。这是一个意义重大的发现,然而事情还没结束,到了1998年,天文学家发现了一个更令人震惊的事实:这种膨胀正变得越来越快。在此之前,科学家一直理所当然地推测,随着时间推移,星系之间通过万有引力相互吸引,会令宇宙膨胀减缓。但是,两个研究超新星(一种可以用来测量宇宙距离的爆发恒星)的天文学家团队发现,宇宙的膨胀速度实际上是越来越快的。这个发现影响深远,在得到其他观测的验证之后,于 2011年获得了诺贝尔物理学奖。但是,宇宙的膨胀为什么会加速?这是当今科学界的一大未解之谜。

宇宙学家有两个理论可以解释这个现象,每一个理论都会促使我们对基本自然规律的认识发生重大变革。第一个理论认为,牛顿和他之后的爱因斯坦对引力的认识还不够准确:虽然万有引力在地球以及太阳系的范围内起

吸引作用,但是当范围扩大到星系际空间,这种力会转变成排斥性的。也许我们需要对万有引力在宇宙学尺度上的运作方式进行修正。

另外一个理论认为,宇宙中充斥着一种不可见的东西能抵消引力的吸引作用,令物体相互排斥,这种东西现在被称作暗能量。宇宙学观测发现,如果暗能量真实存在,那么它现在占了宇宙物质(或能量,爱因斯坦的质能方程E = mc2表明物质和能量是等价的)总量的70%。暗物质,一种和暗能量没有关系的不可见物质,占据了另外25%。而普通物质,即所有由原子构成的物质,包括恒星、行星以及人类,仅占5%。这个图景比引力在大尺度上作用方式不同的理论更受人关注,因为它漂亮地解释了星系和宇宙大尺度结构的形成,并符合迄今为止所有的观测结果。

但我们怎样才能确认到底是不是暗能量导致了宇宙的加速膨胀?如果真的是暗能量,这种能量的本质又是什么?为了更好地理解宇宙为何看起来正被“撕裂”,我们启动了一项雄心勃勃的研究项目,暗能量巡天(Dark Energy Survey ,DES)。

这个巡天项目将以前所未有的精度,记录宇宙在过去140亿年里的膨胀历史和大尺度结构(星系在宇宙中的大规模聚集)的构建过程,借此来寻找上述问题的答案。我们有希望通过观察宇宙结构的形成历史,查明这些结构在当前阶段分崩离析的原因。

我在费米国家加速器实验室以及芝加哥大学的同事们,还有其他来自美国、西班牙、英国、巴西、德国和瑞士的300多名物理学家和天文学家一起组建了现在的暗能量巡天合作项目。我们一起建造、运行暗能量相机——整个项目的核心硬件,并对采集到的数据进行分析。

暗能量巡天 :窥探宇宙最深的秘密

暗能量相机的成像仪,由74 个名为电荷耦合组件(CCD,charge-coupled device)的光传感器组成,拥有极大的视场以勘测宇宙

暗能量相机于2012年正式安装到了托罗罗山美洲洲际天文台的一台4米口径的望远镜上。这个天文台地处智利北部的安第斯山脉,由美国运行。暗能量相机于当年9月拍摄了夜空的第一张照片,并在随后的几个月中进行了试运行。2013年8月31日,暗能量巡天正式开始拍摄南半球天空。巡天观测在每年8月至次年2月间进行,计划共进行5年,现在正运行到第三年。最终,暗能量巡天将对天空1/8区域内的2亿个星系进行高清成像,另外还要记录可用于追踪宇宙膨胀的超新星爆发。目前该巡天项目已经收集了大量的新数据,我们正在分析处理,破解宇宙膨胀的秘密指日可待。

解释加速膨胀

值得庆幸的是,这些观测证据不仅有助于判断引力修正和暗能量哪个才是解释加速膨胀的正确理论,同样也会揭示暗能量的本质——如果它真的存在的话。暗能量巡天可以检验暗能量的两个主流解释。最简单的那个解释听起来有些违反直觉:暗能量就是真空的能量。假设你拿出一个盒子,清空了盒子里所有的东西(包括原子、辐射、暗物质等),并杜绝任何物质渗入盒子,那么盒子内部就构成了完美的真空。经典物理学认为真空是没有能量的。但量子物理理论认为,即使真空也是蕴含了能量的。这种能量源于虚粒子:一个粒子和它的反粒子同时短暂出现,继而湮灭回归于真空。虚粒子携带能量的形式与暗能量完全相符,同样会引起宇宙的加速膨胀。

但这个理论有一个很大的问题。如果暗能量真的是真空能的话,量子物理学预言的真空能比我们检测到的高出了120个数量级。这么大的差异不像是数学计算导致的误差,所以宇宙学家开始寻找真空能之外的其他暗能量解释。

另外一个解释——也是暗能量巡天要验证的第二个理论——认为暗能量是一种尚未被探测到的粒子,是最近被发现的希格斯粒子的远房亲戚:它的一些性质和希格斯粒子相似,质量却要小44个数量级。这种可能存在的粒子有时候被称作精质(quintessence)。你可以把这种精质粒子想象成在空间每一点都存在,正沿着山坡向下滚的球。这个滚动的球既有动能(因为滚动)也有势能(因为山坡的高度);球的位置越高,势能也就越大。球的动能会在向下滚动的过程中增加,势能则降低。如果精质粒子很轻,轻到质量小于10-33电子伏特(电子的质量是511 000电子伏特),它现在滚动的速度就会很慢,动能远远低于势能。在这种情况下,它也会导致宇宙膨胀的加速,作用与真空能相似但不完全等同。大多数精质理论预测的加速膨胀在宇宙历史中的开始时间比真空能理论要晚。

探索暗能量

暗能量巡天项目得到了美国能源部、美国国家自然基金委员会以及参与该项目的研究机构和各国基金机构的经费支持。该项目会分析四种对宇宙加速膨胀的原因格外敏感的现象来甄别这几种候选理论。这四种现象涉及到的观测量各不相同,因而可以避免被同一观测误差所影响。

这四种现象分别是超新星、宇宙原初声波印记、引力透镜(引力改变光传播路径)以及星系团。合在一起,这四种现象可以告诉我们宇宙膨胀的速度,以及物质在宇宙历史不同阶段聚集成大尺度结构的情况。在宇宙形成的早期,大爆炸之后的几十亿年间,万有引力对抗宇宙膨胀,使得大尺度结构得以形成。但大约在宇宙诞生70亿年后,物质的分布变得足够稀疏,宇宙加速膨胀的幕后推手——不管是暗能量还是引力修正,开始居于主导地位,使得膨胀加速,逐渐导致宇宙无法形成更大的结构。真空能、精质或引力修正会在宇宙膨胀的历史上以及宇宙结构的形成过程中各自留下独特的印记。暗能量巡天可以通过那四种观测途径找出这些印记。

1)超新星

暗能量巡天 :窥探宇宙最深的秘密

Ia型超新星是一种比较独特的,由白矮星到达特定质量极限所导致的恒星爆炸。这些超新星有一个特殊的性质——它们的峰值亮度几乎一致。我们所看到的亮度不同只与距离远近相关——亮度越低的超新星距离我们越远。因此,它们可以被用作标准烛光,或者说是良好的宇宙标尺。打个比方,如果一个Ia型超新星看起来亮度只有另一个超新星的百分之一,那么这个超新星到我们的距离就相当于后者的10倍。

暗能量巡天每隔几个晚上就会对同一片天空进行观测,以精准测量我们与远近各异的数千个超新星间的距离。这个数量是1998年那两个团队发现宇宙加速膨胀时用到的超新星的近100倍。我们同时也在使用其他望远镜测量超新星光谱向红光一侧的移动。红移现象发生于正在远离观测者的物体上,显示出光线从发射到被我们接受期间,波长被宇宙膨胀拉伸了多少。遥远超新星的红移可以直接告诉我们,今天的宇宙相对于超新星爆发时的大小。与通过标准烛光方法测到的距离信息相结合,暗能量巡天项目就可以精确重构过去100亿年间宇宙膨胀的历史。

因为各种理论所预言的宇宙膨胀历史略有不同,这种测量可以区分不同的宇宙理论。如果精质理论是正确的,绝大多数的精质理论所预言的加速膨胀的开始时间都会稍晚于真空能理论,发生的过程也会比较缓慢。因此,如果并非真空能导致了宇宙的加速膨胀,宇宙中只是包含了一些类似于希格斯子的精质粒子,那么在同一红移处的超新星看起来就要亮一些,也就是近一点。如果是万有引力的作用机制并非我们所想,遥远超新星的表现也会有所不同,但表现细节取决于不同研究者对经典引力理论做出了哪些修正。

这些不同理论预测的结果只有轻微差别,所以我们的测量必须非常精确才能有效区分它们。超新星距离与红移的关系需要精确到百分之一——有了暗能量相机我们才能首次达到这样的精度。

2)宇宙原始声波印记

暗能量巡天 :窥探宇宙最深的秘密

暗能量巡天还会利用一种宇宙在诞生之初遗留下的痕迹来测量其膨胀历史。在早期宇宙中,电磁辐射(也就是光)所造成的光压足以与万有引力的吸引作用相抗衡。这种竞争关系产生了一系列声波。大爆炸几十万年后,原本炽热的普通物质渐渐冷却到了足够低的温度,电离气体结合成了原子,原子和电磁辐射从此分道扬镳(它们之间不再发生相互作用),光压和引力的竞争也终止了。到这个时间点,声波的传播距离相当于现在宇宙中的4.8亿光年;声波的传播也在星系的空间分布上,留下了自己的印记:星系与星系之间的距离略微倾向于这个尺度。

这种重子声波振荡(baryon acoustic oscillation,BAO)为我们提供了一把测量宇宙距离和膨胀历史的标准尺。如果我们知道一根尺子的物理长度(许多星系之间的距离是4.8 亿光年),并且能够测量这根尺子在天空中所表现出来的长度(星系与星系之间的视角),我们就能算出这根尺子与我们之间的距离。暗能量巡天会测量2亿个星系的重子声波振荡特征,从而得到它们的距离与红移关系,与利用超新星进行的测量类似。如果是精质导致了开始较晚的宇宙加速膨胀,而非真空能导致了开始时间较早的加速,同一红移处的星系看起来就要近一些。当然,如果并不存在暗能量,我们测到的距离与红移的关系就会与上述两种图景都不一样——观测结果到底是什么样子,则取决于引力理论将如何修正。

3)引力透镜

暗能量巡天 :窥探宇宙最深的秘密

这一方法利用的是广义相对论所预言的一个光的特征。光从遥远星系传播到地球所走的路径会被沿途物质的引力场弯折,使得该星系的成像有些扭曲,这种现象被称作引力透镜。当弯折效应比较大的时候,星系的成像结果极其震撼:遥远的星系被拉伸成细长的圆弧,有时我们甚至能看到同一星系的多重像。但大多数时候,光线传播只会发生轻微弯曲,星系成像扭曲的程度肉眼无法分辨,这就属于弱引力透镜的范畴了。

在天空中,位置邻近且与地球距离相同的星系发出的光线弯曲程度几乎相同,因为它们途经的物质基本相同。虽然每个星系的像被扭曲的程度都很小,但通过测量一小块天空上许多星系的形状,我们可以推测星系成像扭曲的程度,进而判断与光线发生作用的物体的质量分布。在不同天空区域重复这些测量就可以得到宇宙中物质的聚集情况。物质聚集度随时间演化反映了引力和暗能量的竞争关系,并且这种演化对引力理论的修改非常敏感,因此这一现象可以帮助我们甄别宇宙加速膨胀的原因。

暗能量巡天将会测量2亿个星系的形状,来研究弱引力透镜效应,我们的数据量比之前的弱引力透镜实验大了20倍。通过精确测量天空中各个位置、远近各异的星系的形状,我们可以准确得出不同距离段的物质分布情况,也就是不同时间段的物质分布——因为物体距离越远,光传播到地球所用的时间就越长。宇宙加速膨胀的原因不同,相应的物质分布情况也不一样。

精质对大尺度结构形成的阻碍作用要比真空能的类似作用出现得更早。因为我们已经知道现阶段宇宙的物质分布情况,如果精质理论是正确的,与真空能理论相比,宇宙早期阶段物质的聚集程度就应该更高一些。这个预测也许听起来不是那么顺理成章,因为暗能量的作用是阻止物质聚集。但是,既然宇宙经历了几十亿年的膨胀还能拥有现在这样的结构,它就必须在早期拥有更高的物质聚集度。如果暗能量不存在,引力修正导致的物质聚集度随时间演化的关系则又是另外一种样子——不过,宇宙早期物质聚集度到底是更高还是更低,最终还是取决于如何修正引力理论。

4)星系团

暗能量巡天 :窥探宇宙最深的秘密

最后,暗能量巡天还会通过寻找星系团来追踪物质聚集度的演化。质量最高可达1015个太阳质量的星系团是宇宙中最大的自引力束缚天体。它们是在与暗能量或者引力修正的撕扯相抗争中成长起来的。之前的星系团巡天项目范围都比较小,但暗能量巡天不同,它的目标是找到几万个星系团,其中最远的星系团距离我们可达几十亿光年。

科学家之后会比较距离地球较近(对应宇宙近期)与距离地球较远(宇宙早期)的星系团的数量。与弱引力透镜研究物质聚集度的原理类似,如果精质理论正确,我们会在宇宙早期观测到比真空能理论预言的更多的星系团(所有其他条件相同);如果引力修正理论是正确的,我们会观测到与暗能量不同的星系团数量变化趋势,而且更复杂。

顶级设备

暗能量巡天项目的秘密武器是我们专门研发的世界上功能最强大的相机。暗能量相机架设在维克多·布兰科望远镜上,设计宗旨是在最短的时间内观察到尽可能多的天体,包括星系、星系团和超新星。这个5.7亿像素、配有5个超大镜头的超灵敏相机拥有极大的视场,因而最适于单次拍摄大片天区。

自2013年8月正式开始以来,我们的巡天计划已经观测了5000平方度的天空,获得了1亿个星系的彩色照片。超新星巡天部分也已经发现了1 000 个超新星。我们正在分析这些数据,以取得超新星的距离信息,并和红移信息作比较。我们也在测量星系的形状,从中得出弱引力透镜信号,以及寻找遥远的星系团、测量它们的性质,还有测绘星系的空间分布以寻找重子声波振荡的痕迹。我们第一阶段的数据分析大概会在一年内完成,届时我们就可以开始寻找解开宇宙加速膨胀之谜的线索。

我们的项目也发现了其他一些很有趣的天体物理现象,例如我们在银河系“后院”找到的16个可能是极暗矮星系的天体。这些与银河系比邻的星系只含有大约几十个恒星,它们是宇宙中已知的暗物质所占比例最高的天体。这些星系亮度极低因而很难被观察到,却是构建类似银河系的更大星系的砖瓦,也有潜力成为探索暗物质本质的重点研究对象。

暗能量巡天项目还在源源不断地采集着新的数据。在你读这篇文章的同时,科学家正分秒必争地处理观测结果、分析暗能量的线索。我们当然还不知道暗能量巡天会带来怎样的答案——是暗能量还是引力修正?是真空能还是精质?但不论如何,这个项目都将迈出寻找暗能量、探索宇宙加速膨胀之谜的一大步。

【“《环球科学》太空站”栏目由《科学美国人》中文版《环球科学》独家授权腾讯太空开设,为读者报道天文学、宇宙学、空间科学等领域的最新进展。未经《环球科学》授权,不得转载,摘编等。】

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[责任编辑:sorazhang]
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