新型巡天设备绘制星系分布图 探寻宇宙膨胀原因【3P】

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查明星系在宇宙中的分布对于理解究竟是什么导致了宇宙的加速膨胀具有关键意义

宇宙演化时间轴

PAUCam相机设备已经于本月在大西洋加纳利群岛上的赫歇尔望远镜（口径4.2米）上安装并进行了首次观测

　　据物理学家组织网站报道，我们已经很清楚，我们生活其中的宇宙正在加速膨胀，但究竟它为何如此却仍然是一个谜。目前对此最主流的解释是认为存在一种被称作“暗能量”的神秘力量在驱动着这一切。而现在，一台名为“加速宇宙物理学相机”（PAUCam）的新型天文设备将通过以全新方式开展的巡天观测来探寻这一问题的答案。这台新型相机将能够一次记录约5万个星系的准确位置，它将帮助科学家们判断暗能量的本质并揭示宇宙的演化历程。

　　在上世纪90年代，对遥远星系中的超新星（恒星衰亡时产生的剧烈爆发现象）开展研究的天文学家们注意到宇宙的膨胀正在加速。这一发现完全出乎天文学家的预料，因为当时所有人都认为宇宙的膨胀应当正在正在减速。由于一时找不到合理的解释，天文学家们便给这种推动整个宇宙加速膨胀的神秘力量取了一个恰当的名字——暗能量。

　　时间已经过去了20多年，时至今日我们仍然不清楚暗能量的本质究竟是什么，但这种神秘能量却占据了整个宇宙总能量的71%以上。有一种观点认为可以用爱因斯坦的理论中此前已经被抛弃的一个版本来对此进行解释，也就是所谓的“宇宙常数”，这是对宇宙真空中能量密度的度量。而另一种观点则认为其与一种神秘的所谓“标量场”（scalar fields）有关，其在时空各处不同。一些科学家甚至认为存在一种诡异的，充斥着整个空间的“能量液”，正是这种能量液驱动了宇宙的膨胀。

　　绘制宇宙

　　毫无疑问，要想最终找到这个问题的答案就必须依赖详尽的天文观测。一个西班牙研究团队在经过长达6年的艰苦设计与建造工作之后，终于在本月对PAUCam相机进行了首次成功测试——安装在位于大西洋加纳利群岛上口径4.2米的赫歇尔望远镜上并进行了首次观测。

　　利用PAUCam相机获得的数据，一个由包括来自英国杜伦大学计算宇宙学研究所的科学家在内的国际研究小组正着手构建一张独特的地图，目的是想探明星系在宇宙中的分布模式。

　　这样一张地图将包含那些决定着宇宙命运的基本参数详细的新信息——宇宙的膨胀，以及这些星系本身的组成。这张地图也将揭示宇宙中星系分布的宏观结构，这些结构的存在和发展是引力作用的结果——如果宇宙的膨胀正在加速，那么引力将所有这些物质聚集一处并形成这些结构的努力将会变得越来越困难。因此，知晓引力的强度并精确测量宇宙中星系分布的宏观结构就可以帮助我们推断宇宙膨胀的历史。

　　天文学家可以通过拍摄图像的方式精确测定各个星系在天空中的位置。这些位置都是星系在天球背景上的投影，并无法从中得到有关这些星系真实距离的信息。如果一个星系看上去非常暗弱，一种可能的情况是它实际上非常巨大，但距离我们很遥远，另一种可能性则是它真的很暗弱，而仅仅是距离地球比较近并且其内部有少量比较明亮的恒星。

　　传统上，天文学家们会使用光谱学手段测定星系距离。这项技术将来自各个星系的光线根据波长分解为光谱。通过这种方法，研究人员将可以根据不同原子的发射或吸收线判定组成这个星系的恒星中存在的不同元素成分。星系距离我们越远，这些光谱中由于宇宙膨胀导致的偏移效应也就越发明显——相比各元素在地球上实验室中测定的标准光谱，遥远星系的光谱会整体出现朝向长波段和低频率方向的偏移。这就是“红移”现象，它能够告诉我们目标星系的距离有多远。

　　在早期的巡天调查中，天文学家们一次只能将望远镜对准一个星系并测定其光谱，进度非常缓慢。而相比之下，现代化的巡天观测一次观测可以同时获得数千个星系的光谱数据。

　　PAUcam将进一步革新巡天天文学的手段，它一次能够测定数以万计星系的距离数据。借助一台特制的设备，它能够将各个星系的光线分隔开来并拍摄40张图像。这样就确保能够迅速构建起每个星系的光谱数据，且成本仅有传统方法的零头。这样的光谱就像是星系的DNA，告诉科学家们每个星系中包含有多少恒星以及这些星系中有多少新生恒星正在形成。

　　寻找答案

　　英国杜伦大学的科学家们将帮助开发一款描述宇宙演化的计算机模型，其目标是描述类似这样的星系大尺度结构是如何在过去的137亿年间演化发展的。科学家们认为宇宙中的物质主要是由一类我们同样尚不清楚其本质的物质，即所谓“暗物质”组成的，而我们能够观察到的全部可见物质，或者说“正常物质”只占到其中很小的一部分。

　　PAUCam相机将通过对宇宙中星系分布情况的测定，让宇宙学家们能够对星系形成的各项模型进行验证。这样做非常重要，因为它将告诉我们宇宙中暗物质的分布情况，这种物质是无法被直接观测到的。

　　通过此前的观测，我们已经知道星系团结构中包含有暗物质。通过测定每个星系团中包含的星系数量，天文学家们可以估算星系团中存在的可见物质的量有多少。而与此同时，通过对星系运动的观察，研究人员发现这些星系的运行速度之快大大超出了星系团的引力可以约束的范围。而这些星系团结构之所以没有发生崩溃的原因正是由于其中存在不可见的暗物质，它们的巨大质量施加了额外的引力影响。如果巡天观测显示宇宙中星系的分布是非常“团块化”或不均匀的，那么根据这一计算机模型，这就意味着这些星系可能存在于一个更加巨大的暗物质结构之中。

　　PAUCam将让我们更好地了解一种名为“引力透镜”的效应，在这种效应中，来自遥远背景星系的光线被前方大质量天体的引力场弯曲，导致其传播路径发生扭曲，形成类似凸透镜的效果。通过对这种光线扭曲效应的仔细观察，天文学家可以计算出导致这种扭曲的前方天体的质量大小——也包括了其中包含的暗物质质量。以上正是欧洲空间局（ESA）正在规划中的“欧几里得”（Euclid）暗物质探测计划的核心思想。按照目前的计划，该空间探测器将于2020年前后发射升空。

　　引力透镜效应会受到暗物质分布均匀性的影响，而这种分布的均匀性又是由宇宙的膨胀速率决定的。如果宇宙以较高的速率膨胀，那么引力将难以将大量物质聚集到一处并形成大尺度结构。PAUCam相机将帮助科学家们对大量引力透镜效应进行分析。

　　此前还从未有像PAUCam这样规模的此类巡天观测计划开展过。这项计划最终获得的巡天地图将会是一项独特的资源，帮助我们了解更多有关星系如何形成以及为何宇宙似乎正在加速膨胀方面的信息。关于这一切，等到2020年前后PAUCam巡天项目最终完成时或许将会给出答案。