宇宙历史的新三维图谱

中科院物理所

2024-12-15 12:40发布于北京中科院物理所官方账号

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划重点

01暗能量光谱仪巡天项目是一个为期五年的巡天项目，旨在绘制宇宙三维图谱，提供关于宇宙历史的最清晰图像。

02该项目利用位于美国亚利桑那州基特峰的尼古拉斯·U·梅奥尔望远镜，其4米主镜排名不进前20位。

03通过观测70万个天体的三维分布图，项目填补了星系束之间的空白区域，测量了重子声学振荡。

04目前，暗能量光谱仪巡天项目已获取超过2600万个星系和类星体的红移，比以往所有的光谱红移巡天观测到的数量都要多。

05项目团队期待通过五年运行期满后的数据，更清楚地了解暗能量在宇宙历史中的作用。

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1973年，当位于美国亚利桑那州基特峰的尼古拉斯·U·梅奥尔望远镜建成启用时，它是世界上第二大的光学望远镜。如今，它的4米主镜已经排名不进前20位。但这不重要：它被赋予了新的生命，成为了一个雄心勃勃的项目的基地，这个项目就是暗能量光谱仪（Dark Energy Spectroscopic-Instrument，简称DESI）巡天。这是一项为期五年的巡天项目，旨在绘制宇宙三维图谱，并提供关于宇宙历史的最清晰图像。

星系束 这幅图的高亮部分展示了暗能量光谱仪巡天项目发布的早期数据。在天空20个不同方向观测的70万个天体的三维分布图。暗能量光谱仪巡天项目目前正在填补这些星系束之间的空白区域。

暗能量光谱仪是该巡天项目的核心设备，它的名字源自25年前发现的一种神秘力量，似乎是该力量导致了宇宙的加速膨胀。像一种“占位符”，科学家称这种力量为暗能量；现在没有人知道它是什么，或者它在宇宙近140亿年的历史中扮演了什么角色。“我们知道宇宙在加速膨胀，”暗能量光谱仪巡天项目合作组的成员斯蒂芬妮·朱诺说道，“但它到底是如何加速的？需要我们通过测量来找到正确答案。”

自暗能量光谱仪于2019年进行初光观测开始，至今已经取得了令人瞩目的宇宙学测量。基于在2020年底和2021年初的巡天验证阶段收集到的数据，天文学家对重子声学振荡进行了有史以来最精确的测量。

重子声学振荡是早期宇宙中的声波（该声波仅在早期宇宙冷却到足以形成第一批原子之前，在宇宙中传播）在星系分布中留下的印记。宇宙的命运取决于引力和暗能量，前者使万物聚集，后者使万物分离。预计在暗能量光谱仪五年运行期满时，我们将会获得更多的数据，宇宙的命运或将变得更加清晰。

/暗能量：

天外惊喜

1998年，暗能量的发现震惊了世界。在宇宙大爆炸模型中，宇宙被认为形成于约140亿年前的时空暴胀。星系形成之后，随着时空的膨胀，星系也在相互远离。但我们知道，引力会让物质相互吸引，这应该会减慢星系彼此远离的速度。在宇宙最初的几十亿年里，情况确实如此。

但是，随后，膨胀开始加速。

恒星大迁移 图中的每个圆圈代表仙女座星系的恒星晕中的一颗恒星。根据暗能量光谱仪的观测数据可以计算每颗恒星相对于星系的运动，图中恒星的运动方向从蓝色（朝向我们）到红色（远离我们）做了标注。

那么，来自暗能量的推力是一直恒定的，还是可能会有所变化？天文学家对宇宙的起源有着较清晰的认识，对它的现状也有很好的理解——但是对中间的故事却知之甚少。“这中间有138亿年，我们还不够了解，” 暗能量光谱仪巡天项目主任迈克尔·莱维说，“所以这是一段需要填补的历史。”

暗能量光谱仪作为一种光谱仪器，它不仅能告诉我们星系在天空中的位置，还能告诉我们星系相对于我们的运动方向。如果一个星系远离我们，它的光谱会变得更长、更红（该现象称为红移）。红移的程度与星系的距离成正比。正因为这种相关性，暗能量光谱仪巡天项目的天文学家们才可以绘制宇宙在不同历史时期的大尺度结构图。

事实上，除了引力和暗能量，还有第三个因素使得宇宙演化图像变得复杂：这就是暗物质，一种未知的物质，同样会产生引力；星系的形成即得益于它的存在，大量的暗物质可以使星系成团，并扭曲背景星系的光。因此，为了理解宇宙的历史，科学家们需要区分暗能量产生的推力和引力产生的拉力，同时要考虑到看不见的暗物质也贡献了一部分拉力。暗能量光谱仪巡天项目的观测数据将帮助研究人员理清这些不同组分的影响。

“暗能量光谱仪的优势在于，我们能基于它观测到的大量数据进行‘时间切片’，进而研究宇宙几十亿年的历史”，莱维说，“所以我们可以问：10亿年前的宇宙是什么样子的？50亿年前的宇宙是什么样子的？100亿年前的宇宙是什么样子的？”

/步入深空

——回到过去

虽然现在许多新型望远镜比梅奥尔望远镜更大——例如，夏威夷的凯克望远镜的主镜直径是梅奥尔望远镜的两倍多——但这台有半个世纪之久的老机器却非常适合暗能量光谱仪巡天。首先，它的视场比较宽，通过加装一组专门设计好的改正镜，其视场得到了进一步扩大。改正镜组件共包含六个改正镜，每个改正镜的直径都有一米左右。整个组件重达9吨，被安放在了一个距离天文台地面约15米的金属架上。不用担心，梅奥尔望远镜“就像战舰一样坚固”，美国国家光学红外天文研究实验室的阿琼·德伊说，“它是少数几个有足够结构强度的望远镜之一，能够承受一辆巨大的校车置于镜面上方，而不会倒塌。”改正镜使望远镜的有效视场达到了约3°——相当于满月张角的六倍大小。这样的宽视场有利于望远镜更高效地巡视更大的天区。暗能量光谱仪巡天最终将覆盖天球的三分之一——约14000平方度。

设备大修 为了安装暗能量光谱仪，梅奥尔望远镜的整个上半部分（如图所示）都被更换了。

凭借其宽视场，暗能量光谱仪单次可以观测数千个星系，每晚收集约10万条光谱。这正是暗能量光谱仪最引人注目的创新之处：它有一个由5000个微型自动定位器组成的“机器人军队”和10个相同的光谱仪。每个定位器跟踪一个星系，并将星系发出的光通过光纤传送到光谱仪中，单根光纤对应单个星系。当望远镜从一个特定天区获取到所有星系的光谱之后，将转向下一个天区。5000个小机器人会迅速行动，重新定位，使光纤指向新的目标源。它们像跳着早就排练好的舞蹈一样，定位精准。整个过程只需要几分钟。

机器人助手 暗能量光谱仪的焦面设备位于梅奥尔望远镜的顶部，安装有5000个自动定位器，平均分布在10个楔形构件中，每个构件包含500个定位器（这里展示的是单个楔形构件的一部分）。每个机器人（即定位器）引导一根光纤，每次观测指向一个目标。为了避免碰撞，每个机器人的动作都是提前编排好的。

暗能量光谱仪的技术创新，与其前辈斯隆数字化巡天（Sloan Digital Sky Survey，简称SDSS）相比，显得更加突出。自2000年开始，斯隆数字化巡天使用了位于新墨西哥州的一台望远镜测绘了天图。虽然斯隆数字化巡天望远镜现在也采用机器人来定位光纤，但在过去很多年里，这些光纤都是手工放置的。根据星系的方位，工程师们需要提前在一个铝制板上钻大约1000个小孔，然后将这个板子放在望远镜的焦面上。然后，要有专人将缆线手动连接到每个小孔上。当望远镜指向一块新天区时，就必须插入一块新的铝板（带有一组完全不同的钻孔），并重新连接光纤。而有了暗能量光谱仪巡天项目的“机器人军队”，就不需要板子和钻孔了；机器人会很轻松地将光纤调整到它应该指向的位置。朱诺在她的办公室里收藏了一块使用过的斯隆数字化巡天铝制板，靠在墙上——用以纪念不久前还在采用的天文学巡天方式。

截至目前，DESI已经获取了超过2600万个星系和类星体的红移——比以往所有的光谱红移巡天观测到的数量都要多。

/最初的结果

与未解的谜团

暗能量光谱仪巡天项目的第一批科学成果让项目团队喜出望外，也让团队迫切地希望看到项目运行五年后的完整结果。早期的结果来自于对2480次曝光数据的分析，包含了近200万个天体。暗能量光谱仪详细地展示了仙女座星系中的恒星运动情况，为探究星系的演化提供了重要观测数据。另外，它还发现了很多在宇宙年龄不到20亿年时形成的遥远类星体。

最令人兴奋的是，它精确测量了重子声学振荡信号。我们认为空间是平静的，但是如果回到宇宙年龄只有几千年的时候，宇宙中则充斥着（由压力引起的）声波。当时的宇宙是由电子、重子（像质子和中子一样的重粒子）和光子组成的“浓汤”，其中的主要成分是光子，光子数超过了其他粒子数的总和。但是，光子并不能自由流动，行进不了多远就会与重子和电子发生撞击。这种浓汤又称为等离子汤，基本上是均匀的，但不完全均匀：由量子涨落引发的微小起伏，在宇宙诞生后远不到一秒的时间就因宇宙暴胀放大至宏观尺度。光子的辐射压将物质从高密度区推向低密度区，引力则相反，结果导致一种振荡现象。

原初声波 早期宇宙的声波，如同石头丢进了池塘在水面上所激起的波纹，从内（上图）向外（中图）扩散。每个区域产生的波纹会叠加在一起（下图），看似混乱，但平均的印记仍在。

但是，这个时期的振荡并没有持续太久。在大爆炸后约38万年，物质与光子退耦合，光子开始自由流动。宇宙此时对光子是透明的——但对声波是“绝缘”的。那些原初的声波被“冻结”在了原地。随着时间的推移，那些超出的重子堆积将决定星系的密集区出现的位置。换句话说，原初的声波在星系的大尺度分布上留下了印记——这正是天文学家今天观测到的结果。

在今天的宇宙中，任意选择两个星系：它们应该相距多远？你或许认为这个距离是完全随机的，其实不然。重子声学振荡信号显示星系之间存在一个特殊距离。这个距离的最佳估计来自于对宇宙微波背景（cosmic microwavebackground，简称CMB）辐射温度涨落的测量。经计算，这个特征尺度约为4.5亿光年。这意味着，当你随机选择一个星系，相对而言，你更有可能在4.5亿光年的距离上找到另一个星系，而不是3.5亿光年或5.5亿光年。

因为重子声学振荡信号的尺度始于一个特定的物理尺度，它随着宇宙的膨胀而变大，所以重子声学振荡尺度可以用来追踪宇宙在不同历史时期的膨胀速率。通过测量特定红移处的星系分布，可以揭示重子声学振荡信号在相应时刻的表观尺寸，从而告诉我们宇宙在当时的膨胀速度。而这些数据，反过来，可能会让我们更加清楚地了解暗能量在其中所扮演的角色。

/宇宙迷题

暗能量究竟是什么，这仍然是一个问题。关于暗能量，最简单的提议是爱因斯坦在1917年提出的，他认为看似空无一物的空间其实包含了少量的能量。但是，如果暗能量的强度在极长的时间段内发生变化，那会怎么样呢？

“第一步是观察宇宙学常数是否真的是常数，”理论物理学家罗基·科尔布说。“而最好的方法——也许是唯一的方法——是测量宇宙的膨胀历史。”这正是暗能量光谱仪巡天项目设计的初衷。

宇宙团块 如图所示，星系在我们的宇宙中并不是随机分布的，而是具有成团性，其包含重子声学振荡的信号。这幅图显示的是星系三维分布图的一个切片，以地球为中心，展示了大约40万个星系的子集的空间分布，其中最远的星系距离我们有100亿光年。

到目前为止，暗能量光谱仪巡天项目的结果似乎与最广泛接受的宇宙学模型相符，即宇宙包含一个不变的宇宙学常数Λ和冷暗物质（即所谓的ΛCDM模型）。但是，一个固定不变的、具有某个特定值的宇宙学常数会显得相当乏味。如果我们发现暗能量的强度会随着时间的变化而变化，那应该会更具诱惑力——也许本世纪就能发现。但这意味着物理学家们还有很多工作要做。如果暗能量可以变化，“那么我们的理论中就缺少了一些东西，”帕朗克-德拉布鲁伊说，“所以我们真的有必要解放思想，去寻找新的理论，新的方法。”

或许我们也需要仔细审视我们对引力的理解。牛顿告诉我们两个物体之间的引力与它们的质量成正比，与它们之间的距离的平方成反比（即距离平方反比律）。关于这个定律，爱因斯坦的广义相对论给出了一个更复杂巧妙的版本，但它仍然保留了牛顿引力的基础，将引力视为一个与距离平方成反比的力。但是，如果引力的表现形式随着尺度的不同而不同呢？几十年来，研究人员已经提出了各种各样的引力理论，大部分可以归纳在修正引力的框架下，即对平方反比定律做些许调整。如果某个修正引力理论被证明是正确的，那么意味着我们需要对暗能量和暗物质进行重新思考。当然，也有可能这些理论是多余的。到目前为止，还没有证据表明广义相对论需要做出调整。

宇宙的历史可以看作是引力和暗能量之间的拉锯战。如果引力胜出，宇宙最终可能会在一个反向的大爆炸中收缩，这被称为大坍缩。如果暗能量胜出，宇宙会一直加速膨胀，变得越来越黑暗和寒冷。在宇宙的谜题之中，朱诺沉思道，“宇宙的命运是其中一个重大问题。”对于朱诺和她的同事们来说，暗能量研究是宇宙学研究的最前沿。“而基于暗能量光谱仪巡天项目，我们正在推动这个前沿，”她说。

拥有好奇心的人类是宇宙历史故事中的后来者，几十万年前才登上舞台。如今，科学家能够回望过去，清晰地了解造就此时此刻宇宙的过去数十亿年的历史，并为遥远的未来展现一幅更清晰的画面。“我们都在努力地让这个故事变得充实，我们需要解释宇宙的诞生和演化，解释宇宙中结构的形成和演化，以及解释星系和行星的由来，” 莱维说。或者，正如朱诺所说：“人类的天性就是好奇地问‘它是如何运作的？’”即使——或者也许尤其是——当“它”指的是整个宇宙时。

来源：中国国家天文

编辑：姬子隰

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