作者:刘霞 来源:科技日报 发布时间:2019/8/14 9:56:40 选择字号:小 中 大
暗能量绘图仪将还原宇宙110亿年历史

科技日报北京8月13日电
(记者刘霞)天文学家即将开始一项迄今最雄心勃勃的星系测绘计划。据《自然》杂志网站12日报道,在接下来的5年内,他们将进行迄今最大的星系光谱调查——捕捉3500万个星系的光谱,重建宇宙膨胀的历史,以阐明暗能量的本质。暗能量是一种推动宇宙加速膨胀的神秘力量。

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科技日报北京8月13日电
天文学家即将开始一项迄今最雄心勃勃的星系测绘计划。据《自然》杂志网站12日报道,在接下来的5年内,他们将进行迄今最大的星系光谱调查捕捉3500万个星系的光谱,重建宇宙膨胀的历史,以阐明暗能量的本质。暗能量是一种推动宇宙加速膨胀的神秘力量。

这款名为“暗能量光谱仪”(DESI)的设备预计将于今年9月看到“第一束光”,调试期后,最早2020年1月,它将使用基特峰国家天文台的梅奥尔4米望远镜对北方天空进行观测。DESI的预算为7500万美元,约3/4来自美国能源部,其余来自英国和法国。

宇宙三维图像切片图 观测者到星系和类星体的距离以回溯时间 (lookback time)
标注。回溯时间表示从遥远天体发出的光到达观测者所经历的时间。右边缘对应可观测宇宙的极限,从中可以看到大爆炸之后留下的宇宙微波背景
(Cosmic Microwave Background, CMB)。 图片来源:作者提供

这款名为暗能量光谱仪的设备预计将于今年9月看到第一束光,调试期后,最早2020年1月,它将使用基特峰国家天文台的梅奥尔4米望远镜对北方天空进行观测。DESI的预算为7500万美元,约3/4来自美国能源部,其余来自英国和法国。

1998年,科学家首次发现暗能量的有力证据。20年后,新一代实验开始,DESI则是新一代研究宇宙膨胀历史系列实验中的第一个,此外还包括将于本世纪20年代“上岗”的地面和太空天文台。

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1998年,科学家首次发现暗能量的有力证据。20年后,新一代实验开始,DESI则是新一代研究宇宙膨胀历史系列实验中的第一个,此外还包括将于本世纪20年代上岗的地面和太空天文台。

这次调查将重建宇宙110亿年的历史,有望回答关于暗能量的最基本问题:它是一种遍及时空的统一的力,还是它的力量已经过了亿万年的进化?

位于美国阿帕奇天文台的斯隆望远镜
依托该望远镜,科学家成功完成了重子声波振荡巡天,并正在使用它对宇宙更深处的天体进行拓展重子声波振荡巡天。照片来源:斯隆数字巡天官方网站

这次调查将重建宇宙110亿年的历史,有望回答关于暗能量的最基本问题:它是一种遍及时空的统一的力,还是它的力量已经过了亿万年的进化?

调查将通过测量早期宇宙的特征——重子声波振荡(BAOs)来追踪宇宙膨胀的变化情况。这些振荡是物质密度的波动,会在星系聚集的空间周围留下球形印记。星系最集中分布于这一印记的中心名为“超星系团”的区域及其边缘,这些区域之间有巨大的空隙。

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调查将通过测量早期宇宙的特征重子声波振荡来追踪宇宙膨胀的变化情况。这些振荡是物质密度的波动,会在星系聚集的空间周围留下球形印记。星系最集中分布于这一印记的中心名为超星系团的区域及其边缘,这些区域之间有巨大的空隙。

“超星系团”形成于暗物质在自身引力作用下聚集的区域。自宇宙大爆炸后约100万年以来,这种原始的星系聚集模式一直保持不变。随着宇宙不断膨胀,BAOs一直在追踪它的膨胀——现在,它们约有320百万秒差距(10亿光年)宽。宇宙学家用这个距离作为标尺,通过追踪BAOs的大小,来重建宇宙本身是如何膨胀的。

爱因斯坦广义相对论预言的时空弯曲示意图。图片来源:NASA

超星系团形成于暗物质在自身引力作用下聚集的区域。自宇宙大爆炸后约100万年以来,这种原始的星系聚集模式一直保持不变。随着宇宙不断膨胀,BAOs一直在追踪它的膨胀现在,它们约有320百万秒差距宽。宇宙学家用这个距离作为标尺,通过追踪BAOs的大小,来重建宇宙本身是如何膨胀的。

跟踪BAOs需要通过测量星系的红移从而绘制出星系的三维图谱。红移测量的是星系远离银河系的速度,这会指明星系与银河系之间的距离。测量的星系红移越多,BAOs跟踪就越精确。此前研究总共绘制了近240万个星系的图谱,最新研究将绘制3500万个星系的光谱。

编者按
不久前,由中国科学院国家天文台参与的世界最大星系巡天eBOSS国际科技计划合作组织利用宇宙深处的类星体测量到了显著的重子声波振荡信号,这也是证明暗能量存在的一个新的独立证据,引起了世界的广泛关注。暗能量到底是什么?暗能量如何观测?宇宙加速膨胀背后的物理机制到底是什么?爱因斯坦建立的广义相对论错了么?特邀eBOSS国际合作组星系成团性工作组联合组长、中科院国家天文台研究员赵公博和中国科学院高能物理研究所研究员张新民从暗能量的发现谈起,深入解读这个正在推动宇宙加速膨胀的神秘力量以及国内外暗能量研究的未来发展态势。

跟踪BAOs需要通过测量星系的红移从而绘制出星系的三维图谱。红移测量的是星系远离银河系的速度,这会指明星系与银河系之间的距离。测量的星系红移越多,BAOs跟踪就越精确。此前研究总共绘制了近240万个星系的图谱,最新研究将绘制3500万个星系的光谱。

1.暗能量确实存在,宇宙正在加速膨胀

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科学家不久前发现显著重子声波振荡信号,这是人类首次利用宇宙深处的类星体进行的重子声波振荡测量,并在超新星、宇宙微波背景辐射观测之后,获得了暗能量存在的又一独立证据,这也再次证实了宇宙在加速膨胀。

重子声波振荡是早期宇宙中声波振荡留下的遗迹,在宇宙爆炸后约38万年,声波振荡信息被“冻结”。如今宇宙中,仍包含着与大爆炸时相同的重子声波振荡信号,所以可将其作为“标准尺”测量宇宙遥远天体间的距离从而确定宇宙的膨胀速度。

在介绍加速膨胀之前,我们先简要回顾膨胀宇宙的发现历史。1929年,美国天文学家哈勃(Edwin
Hubble)在分析了与银河系近邻的24个星系的观测数据后,惊奇地发现大多数星系的光谱存在红移现象。类比于经典物理学中的多普勒现象,星系光谱的红移表明这些天体在逐渐远离我们。哈勃还发现,天体退行速度与它们离我们的距离成正比,这就是著名的哈勃定律,其系数被称作哈勃常数。哈勃发现的是一种时空膨胀效应,这意味着整个宇宙处于膨胀状态之中。这个发现在当时震惊世界,甚至让很多人不安,因为此发现让千百年来认为“宇宙为静态”的观点被打破。

哈勃发现的是一种时空膨胀效应。通常的引力效应只能让宇宙减速膨胀,而科学家假设了一种能推动宇宙加速膨胀的未知神秘力量,称之为暗能量,它具有负压强,能使时空在宇宙学尺度上加速膨胀。

要确定宇宙的膨胀是加速还是减速,就要测量遥远天体的距离和红移关系。天文学上常用的测距方法,是通过测量天体的亮度来推断距离,这要选取具有绝对亮度的天体作为标准。由恒星演化到最后发生爆炸而形成的超新星可以担任这个角色。其爆发时亮度能与整个星系相比拟,从很远的距离外都能观测到。

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