新型巡天設備繪製星系分佈圖 探尋宇宙膨脹原因

新浪科技訊 北京時間7月2日消息，據物理學家組織網站報導，我們已經很清楚，我們生活其中的宇宙正在加速膨脹，但究竟它為何如此卻仍然是一個謎。目前對此最主流的解釋是認為存在一種被稱作“暗能量”的神秘力量在驅動這一切。而現在，一台名為“加速宇宙物理學相機”（PAUCam）的新型天文設備將通過以全新方式開展的巡天觀測來探尋這一問題的答案。這台新型相機將能夠一次記錄約5萬個星系的準確位置，它將幫助科學家們判斷暗能量的本質並揭示宇宙的演化歷程。

在上世紀90年代，對遙遠星系中的超新星（恆星衰亡時生的劇烈爆發現象）開展研究的天文學家們注意到宇宙的膨脹正在加速。這一發現完全出乎天文學家的預料，因為當時所有人都認為宇宙的膨脹應當正在正在減速。由於一時找不到合理的解釋，天文學家們便給這種推動整個宇宙加速膨脹的神秘力量取了一個恰當的名字——暗能量。

時間已經過去了20多年，時至今日我們仍然不清楚暗能量的本質究竟是什麼，但這種神秘能量卻佔據了整個宇宙總能量的71%以上。有一種觀點認為可以用愛因斯坦的理論中此前已經被拋棄的一個版本來對此進行解釋，也就是所謂的“宇宙常數”，這是對宇宙真空中能量密度的度量。而另一種觀點則認為其與一種神秘的所謂“標量場”（scalar fields）有關，其在時空各處不同。一些科學家甚至認為存在一種詭異的，充斥整個空間的“能量液”，正是這種能量液驅動了宇宙的膨脹。

繪製宇宙

毫無疑問，要想最終找到這個問題的答案就必須依賴詳盡的天文觀測。一個西班牙研究團隊在經過長達6年的艱苦設計與建造工作之后，終於在本月對PAUCam相機進行了首次成功測試——安裝在位於大西洋加納利群島上口徑4.2米的赫歇爾望遠鏡上併進行了首次觀測。

利用PAUCam相機獲得的數據，一個由包括來自英國杜倫大學計算宇宙學研究所的科學家在內的國際研究小組正手構建一張獨特的地圖，目的是想探明星系在宇宙中的分佈模式。

這樣一張地圖將包含那些決定宇宙命運的基本參數詳細的新信息——宇宙的膨脹，以及這些星系本身的組成。這張地圖也將揭示宇宙中星系分佈的宏觀結構，這些結構的存在和發展是引力作用的結果——如果宇宙的膨脹正在加速，那麼引力將所有這些物質聚集一處並形成這些結構的努力將會變得越來越困難。因此，知曉引力的強度並精確測量宇宙中星系分佈的宏觀結構就可以幫助我們推斷宇宙膨脹的歷史。

天文學家可以通過拍攝圖像的方式精確測定各個星系在天空中的位置。這些位置都是星系在天球背景上的投影，並無法從中得到有關這些星系真實距離的信息。如果一個星系看上去非常暗弱，一種可能的情況是它實際上非常巨大，但距離我們很遙遠，另一種可能性則是它真的很暗弱，而僅僅是距離地球比較近並且其內部有少量比較明亮的恆星。

傳統上，天文學家們會使用光譜學手段測定星系距離。這項技術將來自各個星系的光線根據波長分解為光譜。通過這種方法，研究人員將可以根據不同原子的發射或吸收線判定組成這個星系的恆星中存在的不同元素成分。星系距離我們越遠，這些光譜中由於宇宙膨脹導致的偏移效應也就越發明顯——相比各元素在地球上實驗室中測定的標準光譜，遙遠星系的光譜會整體出現朝向長波段和低頻率方向的偏移。這就是“紅移”現象，它能夠告訴我們目標星系的距離有多遠。

在早期的巡天調查中，天文學家們一次只能將望遠鏡對準一個星系並測定其光譜，進度非常緩慢。而相比之下，現代化的巡天觀測一次觀測可以同時獲得數千個星系的光譜數據。

PAUcam將進一步革新巡天天文學的手段，它一次能夠測定數以萬計星系的距離數據。借助一台特製的設備，它能夠將各個星系的光線分隔開來並拍攝40張圖像。這樣就確保能夠迅速構建起每個星系的光譜數據，且成本僅有傳統方法的零頭。這樣的光譜就像是星系的DNA，告訴科學家們每個星系中包含有多少恆星以及這些星系中有多少新生恆星正在形成。

尋找答案

英國杜倫大學的科學家們將幫助開發一款描述宇宙演化的計算機模型，其目標是描述類似這樣的星系大尺度結構是如何在過去的137億年間演化發展的。科學家們認為宇宙中的物質主要是由一類我們同樣尚不清楚其本質的物質，即所謂“暗物質”組成的，而我們能夠觀察到的全部可見物質，或者“正常物質”只占到其中很小的一部分。

PAUCam相機將通過對宇宙中星系分佈情況的測定，讓宇宙學家們能夠對星系形成的各項模型進行驗證。這樣做非常重要，因為它將告訴我們宇宙中暗物質的分佈情況，這種物質是無法被直接觀測到的。

通過此前的觀測，我們已經知道星系團結構中包含有暗物質。通過測定每個星系團中包含的星繫數量，天文學家們可以估算星系團中存在的可見物質的量有多少。而與此同時，通過對星系運動的觀察，研究人員發現這些星系的運行速度之快大大超出了星系團的引力可以約束的範圍。而這些星系團結構之所以沒有發生崩潰的原因正是由於其中存在不可見的暗物質，它們的巨大質量施加了額外的引力影響。如果巡天觀測顯示宇宙中星系的分佈是非常“團塊化”或不均勻的，那麼根據這一計算機模型，這就意味這些星系可能存在於一個更加巨大的暗物質結構之中。

PAUCam將讓我們更好地了解一種名為“引力透鏡”的效應，在這種效應中，來自遙遠背景星系的光線被前方大質量天體的引力場彎曲，導致其傳播路徑發生扭曲，形成類似凸透鏡的效果。通過對這種光線扭曲效應的仔細觀察，天文學家可以計算出導致這種扭曲的前方天體的質量大小——也包括了其中包含的暗物質質量。以上正是歐洲空間局（ESA）正在規劃中的“歐幾裏得”（Euclid）暗物質探測計劃的核心思想。按照目前的計劃，該空間探測器將於2020年前后發射升空。

引力透鏡效應會受到暗物質分佈均勻性的影響，而這種分佈的均勻性又是由宇宙的膨脹速率決定的。如果宇宙以較高的速率膨脹，那麼引力將難以將大量物質聚集到一處並形成大尺度結構。PAUCam相機將幫助科學家們對大量引力透鏡效應進行分析。

此前還從未有像PAUCam這樣規模的此類巡天觀測計劃開展過。這項計劃最終獲得的巡天地圖將會是一項獨特的資源，幫助我們了解更多有關星系如何形成以及為何宇宙似乎正在加速膨脹方面的信息。關於這一切，等到2020年前后PAUCam巡天項目最終完成時或許將會給出答案。（晨風）