构建宇宙的3D地图来揭开暗能量的奥秘

暗能量的相机

智利的暗能量相机拍摄的南天空数据正在帮助科学家们加深对暗能量是什么以及为什么宇宙膨胀得更快的理解。资料来源:FermiLab, Reidar Hahn

科学中最大的一个奥秘之一开始与垂死的明星开始。

这并不是一颗特定的垂死的恒星,而是关于一颗恒星的想法。20世纪80年代,能源部劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)的索尔·珀尔马特(Saul Perlmutter)和他的合作者意识到,他们可以利用超新星的数据来研究宇宙的历史。超新星是一种非常明亮的爆炸恒星,在它们熄灭之前,会将大部分质量抛向太空。

幸运的是,Ia型超新星的亮度非常一致。即使它们的实际亮度发生变化,也是可以预测的。通过将这些超新星在望远镜中显示的亮度与它们的实际亮度进行比较,以及对来自它们所在星系的光的测量,科学家可以计算出它们的年龄和与我们的距离。利用这些数据,他们可以估算出宇宙是如何随着时间膨胀的。

在十年的时间里,波尔马特的团队收集了足够的数据来寻找超新星的亮度和距离地球的距离之间的关系。他们期望看到非常遥远的超新星看起来比他们在膨胀的宇宙中看到的要亮一些,而宇宙的增长没有放缓。

数据揭示了完全不同的东西。

这些超新星由于它们的距离,看起来比它们应该有的要暗。起初,科学家们认为这只是一组奇怪的数据。“当你看到一个惊人的新结果时,你的第一个想法不是‘找到了!’,而是‘这是一个看起来很有趣的图表,’”珀尔马特说。他和他的团队花了6个多月的时间检查图表的每个方面,寻找分析中可能出错的方面。

它不是。

事实上,它表明相反:宇宙更快地扩展。这意味着这是戏剧性的。为了与爱因斯坦的一般相对论合作的数据 - 天体物理学的基础 - 宇宙的70%的能量必须来自一些未知来​​源。

在我们对宇宙的基本理解中,缺失了某种东西——很多某种东西。

当波尔穆特为即将到来的会议做准备时,他对他的塑料透明幻灯片做了一系列改变,以展示新的结果。他说:“你知道这是一个非常重要的结果,但这让你更加小心。”“当你在公共场合说这句话的时候,你已经使用它很长时间了,所以它对你来说并不奇怪。”

但对观众来说,他1998年的演讲引起了轩然大波。不久之后,另一支参赛队伍也取得了同样的成绩。2011年,波尔马特、布莱恩·施密特和亚当·里斯因这一发现获得了诺贝尔物理学奖。

因为我们不知道是什么推动宇宙以更快的速度向外扩张,“暗能量”是科学家们对这个神秘过程的简称。为了了解宇宙的历史,由美国能源部科学办公室支持的研究人员正在与全球各地的科学家合作,构建详尽的空间和时间3D地图。

考虑到可能性

不管暗能量是什么,都很奇怪。这些可能性都不符合科学家对物理学的理解。

第一种可能是“宇宙常数”。当阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)提出描述广义相对论的方程式时,他假设宇宙的大小保持不变。为了平衡宇宙向内的引力,他加入了一个变量,即宇宙常数,表明有东西在向外推。当埃德温·哈勃发现宇宙在膨胀时,爱因斯坦移除了这个常数。当科学家们发现有一种神秘的东西在向外推时,他们又回到了爱因斯坦的观点。不幸的是,实验数据中的数字是10120比方程中宇宙学常数的期望值小一倍。

有两种可能性。第二种是,黑暗能量是一种未知的能量形式,随着时间的推移而变化。第三种可能性是普遍相对论并不能解释最大尺度上发生的情况。相反,这将是更普遍的理论的近似。这将把扳手扔进我们最成功的天体物理学柱之一。

不仅仅是宇宙的起源

弄清楚宇宙的结构是如何随时间变化的,可以帮助科学家确定暗能量是否恒定。

科学家们已经知道了大约100亿年前宇宙形成初期的样子。他们研究了宇宙微波背景,这是一组从那时遗留下来的微弱热信号。通过检查这种残留的辐射,科学家们可以计算出当时的密度和辐射模式。

弄清楚100亿年前发生了什么是最困难的部分。值得庆幸的是,当涉及到非常遥远的物体时,科学家们有类似时间旅行的方法。因为光线到达地球需要时间,所以功能强大的望远镜无法观测现代恒星。相反,科学家们正在观察这些恒星在数千年、数百万年甚至数十亿年前的样子,这取决于它们离我们有多远。回顾越来越遥远的恒星,他们可以绘制出随着时间变化的长度、宽度和距离的地图。

如何测量宇宙

要绘制这类地图,科学家需要基于恒星和星系本身的特殊工具。

IA型Supernovae是第一个选择。使用这种方法需要科学家在更大的距离范围内具有更高的精度。“几乎所有的理论都适合数据,除了非常高的精度测量之外,除了非常非常高的精度测量之外,彼此不会区分,”PerlMutter说。

虽然Doe的科学办公室正在支持几个可以做出这些高精度测量的项目,但其他技术也是必要的。对于已知物理领域之外的东西,科学家希望多种方法比较结果。

下一个工具是分析重子声振荡(BAO)。与宇宙微波背景一样,BAO是宇宙早期的遗迹。不久之后大爆炸,等离子体这构成了一切膨胀,产生了密度和压力波。大约37万年后,等离子体冷却,“冻结”了压力波。波峰在开始和结束时都留下了物质团块。随着宇宙的增长,这些波形也会延伸。

所有物质的分布都有这种模式。通过观察宇宙微波背景的模式(反映了宇宙的开始)与BAO的模式(反映了中期和当前的宇宙)是如何不同的,科学家可以绘制出随着时间的推移物质分布的变化。LBNL的研究人员Parker Fagrelius说:“这是基于宇宙起源时的基础物理。”

如果这还不够令人费解的话,我们还可以用一种叫做弱引力透镜的技术来测量大质量物体如何扭曲星系的形状。星系是如此之大,以至于它们会弯曲空间,以及它们后面其他星系发出的光。当地球上的望远镜拍下背景星系的照片时,它们的形状与真实形态相比被拉长了。通过测量背景星系在不同位置的微小扭曲,科学家们可以计算出前景星系的质量。这项技术还可以帮助他们绘制物质分布图,包括可见物质和暗物质。布兰代斯大学(Brandeis University)研究暗能量调查的Maria Elidaiana da Silva Pereira说:“这是测量质量最干净的方法之一。”

最后一个选项正在测量Galaxy集群的属性,或星系组。最大的集群揭示了早期宇宙是最密集的地方。“他们可以告诉我们宇宙中结构的增长和形成,”Doe Fermi国家加速器实验室的研究员Antonella Palmees说。

不是普通的数码相机

在获取数据方面,科学家也有自己的选择。

成像测量是用装有巨型数码相机的望远镜。他们拍摄了大量的、包罗万象的天空照片,其中包括大量的星系和超新星。科学家们分析这些物体的亮度和颜色,从而得到它们的距离和质量的信息。

黑暗能量调查该项目由包括能源部科学办公室在内的一个国际组织支持,提供最全面的成像数据集。这些图像来自一个5.2亿像素的相机;相比之下,傻瓜相机的像素只有1600万到2000万。安装在智利的一架望远镜上的暗能量相机历时5年拍摄了大约四分之一的南部天空。到2019年1月完成数据采集时,它已经拍摄了超过3亿个星系、数万个星系团和数千个Ia型超新星的照片。“就星系和星系团的数量而言,没有什么比暗能量调查更强大了,”Palmese说。

观测如此多的星系让科学家们对弱引力透镜现象有了前所未有的了解。这支队伍最精确的测量关于宇宙中物质的分布。根据这些观测结果,他们运行了一个由暗能量和暗物质组成的宇宙模型,假设暗能量随着时间的推移是恒定的(如果它是宇宙常数,它就会是恒定的),如果它不是(一些其他的力)。如果使用暗能量调查数据的模型的结果和来自宇宙微波背景的结果相匹配,它将证实宇宙常数模型是有效的。换句话说,它表明暗能量是一个宇宙常数。

结果很近 -但不是相同的.虽然数据倾向于常量,但它还不足以说明暗能量调查测量到的物质数量与宇宙微波背景结果之间是否存在真正的差异。这可能表明模型本身存在一些问题。

下一件大事

与成像观测的数码相机不同,光谱观测需要大量的光纤,每一根光纤都可以收集来自不同星系的光线。这些束提供了可见光和非可见光波长的信息,这些信息不同于科学家从照片中获得的信息。这些信息提供了关于物体的距离和速度的精确细节。然而,光谱测量只能获取成像测量中一小部分物体的数据。

暗能量分光仪(德西)是下一步。DESI是安装在亚利桑那州梅奥尔望远镜上的分光仪器,明年初将开始收集北部天空的数据。是什么让与过去的调查相比,DESI是独一无二的就是它能获取的数据量。它将能够同时收集5000个星系的光谱数据,从紫外线一直到红外线。

“它真的打开了宇宙时间线,”法格利乌斯说,她职业生涯的大部分时间都在为这个项目工作。“这真是令人兴奋。”DESI为BAO提供的结果应该比之前所有的计算结果加起来还要精确三倍,同时还能提供关于透镜效应和星系团的深入数据。结合这些结果可以让我们更好地了解暗能量是如何随时间变化的。

通过这些工具以及大型舞台调查望远镜 - 预计在2023年预计将在智利推出 - 科学家预计将在暗量的精确描述中挖掘。

但调查可能会带来比答案更多的问题。毕竟,这项研究的开始是因为珀尔马特和他的团队试图弄清楚宇宙的膨胀速度减缓了多少。他们从没想过会有相反的结果。

“让我感到兴奋的是我们没有期望看到的东西,”法格利乌斯说。“有了这么多的数据,我们将发现我们之前不知道在寻找的东西。”

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