黑暗能源实验16年的制作可以照亮起源,进化,宇宙命运

爱好闪耀着望远镜暮光之城

。霍比艾博利天文望远镜资料来源:奥斯汀大学麦克唐纳天文台的马蒂·哈里斯

我们看到的宇宙只是广阔的宇宙冰山一角。

它包含数以千亿计的星系,它们中的每一个数十亿的恒星,行星和卫星以及大规模star-and-planet-forming云的气体和尘埃,和所有的可见光和其他能源我们可以检测电磁辐射的形式,如无线电波、伽马射线和x射线-简而言之,我们用望远镜所看到的一切,只相当于宇宙中所有质量和能量的5%。

除了这些所谓的正常物质之外,还有暗物质。暗物质虽然看不见,但可以通过其对正常可见物质的引力作用来观测,暗物质占宇宙的27%。把它们加在一起,它们总共只占宇宙质量的32%——那么其他68%呢?

黑能量。

宇宙饼图的组件

该饼图显示了宇宙三个已知组件的圆形值:正常物质,暗物质和黑暗能量。信用:美国宇航局的戈达德太空飞行中心

那么,到底什么是暗能量呢?简而言之,这是一种神秘的力量,它将宇宙向外推,并导致它随着年龄的增长而加速膨胀,与试图将宇宙拉到一起的暗物质进行了一场宇宙拉力赛。除此之外,我们还不知道暗能量是什么,但宾夕法尼亚州立大学的天文学家是一个小组的核心成员,他们的目标是通过一个耗时16年的独特而雄心勃勃的项目:HETDEX,即霍布斯-埃伯利望远镜暗能量实验(hubble - eberly Telescope dark energy Experiment)找出答案。

“hetdex有可能改变游戏,”天文学和天体物理学副教授东汇仲师表示。

黑能和扩张宇宙

今天,我们居住在扩大的天文学家之间存在共识,并且其扩张正在加速,但扩大宇宙的想法少于一个世纪的老年人,以及暗能量(或其他任何人)加速扩张的概念只有左右几到20年。

1917年在阿尔伯特爱因斯坦将他的一般性化理论应用于整体上描述宇宙,为大爆炸理论,他和其他领先的科学家奠定了当时作为静态和非分散的宇宙构想的领先科学家。但为了让宇宙在具有吸引力的重力下塌陷,他需要引入一种排斥力来抵消它:宇宙常数。

直到1929年,埃德温·哈勃发现宇宙实际上在膨胀,而离地球较远的星系离地球的速度比离地球较近的星系快,静止宇宙的模型才最终被抛弃。就连爱因斯坦也很快修改了他的理论,在20世纪30年代早期,他发表了两种新的、截然不同的膨胀宇宙模型,这两种模型都没有宇宙常数。

宇宙演化草图

这张图表显示了自宇宙诞生以来膨胀率的变化。曲线越浅,膨胀速度越快。大约75亿年前,当宇宙中的物体开始以更快的速度飞离时,曲线发生了明显的变化。天文学家推论,膨胀速度加快是由于一种神秘的力量——暗能量——将星系拉开。来源:Ann field (STScI)

但是,虽然天文学家终于明白宇宙正在扩大,但宇宙的概念或多或少地遗弃了宇宙常数的概念,他们也推测宇宙以物质为主,而重力最终会导致其扩张缓慢;宇宙要么继续膨胀,但越来越慢地慢慢地扩大,或者它会在某些时候停止膨胀,然后崩溃,结束了“大嘎嘎”。

“直到1998年,我们都认为宇宙是这样运转的,”HETDEX的创始成员、天文学和天体物理学教授罗宾·恰尔杜罗(Robin Ciardullo)说。

那一年,有两个独立的团队——一个由劳伦斯伯克利国家实验室的索尔·珀尔马特领导,另一个由布莱恩·施密特领导澳大利亚国立大学和太空望远镜科学研究所的亚当·里斯几乎同时发表了令人震惊的结果,表明宇宙实际上正在加速膨胀,这是由某种神秘的反引力驱动的。同年晚些时候,宇宙学家迈克尔·特纳芝加哥大学费米实验室创造了“暗能量”这个术语来描述这种神秘的力量。

该发现将被评为1998年的科学杂志的“年度突破”,2011年,施密特和瑞士人将获得诺贝尔物理奖。

竞争理论

在发现暗能量20多年后,天文学家仍然不知道它到底是什么。

“每当天文学家说‘黑暗’时,就意味着我们对它没有任何线索,”郑教授苦笑着说。“暗能量只是另一种说法,即我们不知道是什么导致了这种加速膨胀。”

然而,有一些理论试图解释暗能量,一些主要的竞争者。

也许最受欢迎的解释是先前被抛弃的宇宙常数,现代物理学家称之为真空能量。郑教授解释说:“物理学的真空并不是什么都没有的状态。“这是一个粒子和反粒子不断产生和毁灭的地方。”在这个永恒的循环中产生的能量可以对空间本身施加一种向外的推力,导致宇宙在大爆炸中开始的膨胀加速。

不幸的是,真空能的理论计算与观测结果不相符——相差10倍之多120.或者是一个后跟120 zeroes的一个。“那是非常,非常不寻常的,”jeong说,“但这就是我们将在暗能变成恒定的地方。”显然,这种差异是一个主要问题,它可能需要重新加工当前的理论,但是迄今为止,真空能量形式的宇宙学常量是迄今为止的领先候选者。

由于其设计,HETDEX正在收集大量数据,远远超出其预期目标,并在暗物质和黑洞等内容提供额外的见解,恒星和星系的形成和演变,以及高的物理学能量宇宙颗粒如中性粒子。

另一种可能的解释是一种新的尚未发现的粒子或渗透所有空间的粒子;但到目前为止,没有证据证明这一点。

第三种可能性是爱因斯坦的引力理论是错误的。“如果你从错误的方程开始,”郑说,“那么你就会得到错误的答案。”广义相对论有其他的选择,但每个都有自己的问题,没有一个取代它成为统治理论。到目前为止,这仍然是对引力最好的描述。

最终,我们需要的是更多更好的观测数据——HETDEX的目的正是为了收集以前从未有过的数据。

一张星星和声音的地图
“HETDEX非常雄心勃勃,”Ciardullo说。“它将观察一百万个星系,绘制出宇宙的结构,超过时间开始的三分之二。我们是唯一走得那么远的人,我们要看到宇宙的暗能量成分,以及它是如何演变的。”

Ciardullo是一个观察天文学家,他们研究从附近的星星到遥远的星系和暗物质,是Hetdex的观察经理。然而,他很快就要注意到他在那个角色(来自jeong等)的帮助,并且他和项目中的其他人都穿着多个帽子。“这是一个非常大的项目,”他说。“它超过4000万美元。但如果你算上头,那就不是很多人。所以我们都做了多件事。“

他是一名理论天体物理学家和宇宙学家引力波,在为研究的基础上奠定基础并涉及项目的数据分析,并且他还在帮助Ciardullo确定在世界第三大望远镜的地方确定在哪里指出10米的爱情望远镜。“这有点有趣,”他注意到一个笑声,“一个理论家告诉观察员看起来所在的观察员。”

“我们是唯一走到那么远的人,我们要看到宇宙的暗能量成分,以及它是如何演变的。”

-罗宾卡迪瓦洛,宾夕法尼亚州天文学和天体物理学教授

虽然其他研究使用遥远的超新星或引力透镜现象来测量宇宙的膨胀,在引力透镜现象中,光线被星系和黑洞等大质量物体的引力弯曲,HETDEX专注于大爆炸产生的声波,称为重子声振荡。虽然我们在真空中听不到声音,但天文学家可以看到这些原始声波在整个宇宙中物质分布的影响。

宇宙代表的演变

在这张宇宙演化图中,最左边描绘的是我们现在能探测到的最早时刻,当时一段“暴涨”时期产生了指数级增长的爆发。余辉(被称为宇宙微波背景)是在暴胀后约37.5万年发出的,从那时起就基本上不受阻碍地穿越了宇宙。早期的条件被印在这盏灯上,这盏灯也形成了宇宙后来发展的背光。图片来源:NASA/WMAP科学团队

在大爆炸后的前400,000岁或之后,宇宙存在密集,热等离子体- 物质和能量的粒子汤。调用量子波动的微小扰动在该等离子体上置出声波,就像从扔进池塘的鹅卵石的涟漪一样,这有助于开始丛集并形成宇宙的初始结构。在宇宙微波背景下,这种丛生的结果是明显的(也称为大爆炸的“余晖”),这是我们在宇宙中可以看到的第一盏灯和最远的回来。它也印记在整个宇宙的历史中的星系分布中 - 就像我们池塘上的涟漪一样,冷冻到太空。

“声波的物理是众所周知的,”Ciardullo说。“你看到这些东西已经走了多远,你知道声波的速度有多快,所以你知道距离。你在宇宙历史上有一个标准统治者。“

由于宇宙扩大所以具有统治者,统治者中的这些差异将显示宇宙的膨胀率如何被暗能驱动,随着时间的推移而变化。

“基本上,”郑说,“我们制作一个星系的三维地图,然后测量它。”

新发现的空间

为了绘制他们的百万星系地图,HETDEX团队需要一种强大的新仪器。

一组超过150光谱仪称为病毒(可见场地可复制的单元的光谱仪),安装在,霍比艾博利天文望远镜收集这些星系发出的光到大约35000光纤数组,然后分裂为波长组成的有序连续光谱。

病毒光谱仪

在准备Hetdex时,Hobby-Eberly望远镜收到了一些升级 - 包括新的跟踪系统和病毒光谱仪,在此概念图中显示。信用:麦当劳天文台/ hetdex协作

星系的光谱揭示了它们远离我们的速度,这一测量被称为“红移”。由于多普勒效应,一个对象的波长远离它的观察者是拉伸的塞壬(想想被低音调,因为它的速度掉),和一个对象走向它的观察者有其波长压缩,这样相同的警报声的增加变得更近。在后退的星系中,它们的光被拉伸,因此向光谱的红端移动。

通过测量红移,HETDEX团队可以计算出到这些星系的距离,并绘制出它们位置的精确三维地图。

HETDEX观测到的星系中有莱曼-阿尔法星系,这是一种年轻的恒星形成星系,在特定的紫外线波长发出强烈的光谱线。

宇宙学红移信息图表

宇宙正在膨胀,这种膨胀拉伸了穿越空间的光,这种现象被称为宇宙红移。红移越大,光走过的距离就越大。因此,需要带有红外探测器的望远镜来观测第一个、最遥远的星系发出的光。来源:美国宇航局,欧洲航天局和L. Hustak (STSci)

HETDEX的创始成员、天文学和天体物理学研究教授Caryl Gronwall解释说:“我们使用发射莱曼阿尔法的星系作为‘追踪粒子’。”“它们很容易找到,因为它们有很强的发射线,这很容易用病毒仪器的光谱法找到。所以我们有了这种方法,可以有效地挑选出红移相当高的星系,然后我们可以测量它们的位置,测量它们的属性。”

格隆沃尔和恰尔杜罗已经研究莱曼阿尔法星系近20年了,他领导着HETDEX在这一领域的工作,而天文学和天体物理学副教授德里克·福克斯(Derek Fox)则利用他的专业知识校准病毒仪器,利用对具有著名特性的恒星的偶然观察来微调其光谱。

福克斯解释说:“我们用HETDEX拍摄的每一张照片,都能观察到纤维上的一些星星。“这是个机会,因为星星会告诉你你的实验有多敏感。如果你知道恒星的亮度,并看到你收集到的数据,这就为你提供了一个保持校准的机会。”

“HETDEX有可能改变游戏规则。”

-Donghui Jeong,宾夕法尼亚州立大学天文学和天体物理学副教授

HETDEX最大的优点之一是它被设计为盲测——观测广阔的天空,而不是特定的、预定的物体。“以前没有人尝试过做这样的调查,”Ciardullo说。“总是‘找到你的目标,然后做光谱学’。’我们是第一批尝试做大量光谱学,然后弄清楚我们看到了什么。”

由于这种设计,HetDex正在收集大量数据,远远超出其预期目标,并在暗物质和黑洞等内容中提供额外的见解,恒星和星系的形成和演化以及高的物理学能量宇宙颗粒如中性粒子。

“这是非常不同,非常有趣,”济井说。“我们有巨大的发现空间。”

Ciardullo补充道,“你可以推断一件事 - 如果你第一次看到一个对象,请在将光谱仪指向那里之前,那很好,但它要求能够看到物体。hetdex可以观察你看不到的东西的光谱。“

这意味着除了已知数据收集之外,HetDex还是将窗口打开到意外发现,发现尚未预见。“我们将成为更多实验的探路者,”Ciardullo说,那种情绪被团队在内的其他人呼应,包括狐狸。

“我们肯定会在那里有炽热的迹象,”他说。“真正令人兴奋的发现有很大的潜力。”

返回根,超越

HETDEX的未来科学,以一种奇怪的方式,与近40年前推动霍比-埃伯利望远镜(HET)发展的理念非常一致。

“HET最初被设想为宾州州立大学的光谱巡天望远镜,”天文学和天体物理学名誉教授拉里·拉姆齐(Larry Ramsey)解释说。1983年,拉姆齐与当时的宾夕法尼亚州立大学同事丹·魏德曼(Dan Weedman)一起发明了望远镜,后来担任了HET董事会主席。“最初的任务是进行光谱调查,在我们首次将望远镜投入使用到HETDEX项目之间的近20年时间里,望远镜并没有真正做调查。所以从非常实际的意义上说,HETDEX将HET带回了它的根源,它已经发展成为一个非常有趣的项目。”

“即使现在,这项调查的规模也是非常未来的,”济干说。回顾最近的宇宙学会,他与银河调查的未来讨论。“我坐在那里听了,基本上是我们正在做的事情,”他说。“Hetdex是现在存在的未来调查。”

除了HETDEX发现的暗能量外,它收集的数据还将为未来的研究提供素材,远远超出它的任务范围。很有可能,HETDEX将在未来相当长的几年里继续在这个遥远的、高红移的宇宙上进行“太空探索”。

“即使是目前计划未来的调查也不会超越Hetdex,”济井说。“我认为我们仍然是从现在开始的最前沿。”

4评论“历时16年的暗能量实验可以揭示宇宙的起源、进化和命运”

  1. Howard Jeffrey Bender.|2021年5月4日早上5点40分|回复

    另一种解释暗能量的方法是弦理论。所有物质和能量,包括光子(光),都以振动弦为基础。

    串联和抗串对被推测以在量子泡沫中产生,由量子力学建议的浓氧化氢能量场,它们立即互相湮灭。如果光线靠近这些字符串/反串湮灭,也许其中一些湮灭能量被光线中的绳子吸收。然后,这种光线的Fraunhofer线将朝向蓝色和远离红班移动。由于这在一个扩张宇宙中继续,我们得到了诺贝尔奖学讲座的Perlmutter和同事所显示的相同曲线,而无需暗能。

    这笔猜测使宇宙能够以更直接的方式行事。可以在我的youtube中找到细节https://www.youtube.com/watch?v=epk-SMXbu1c

  2. 阿道夫•德尔卡斯蒂略|2021年5月4日早上6:30|回复

    我读了这篇文章,我留下了思想,现在现在已经了解宇宙的一切都陷入了不可能的境界,从我们对我们对事物的了解和大多数人所知的角度来看,令人难以置信的。我希望这种印象只是因为我的无知。

  3. 史蒂夫Schlich(回家)|5月4日,2021年上午11:26|回复

    在天体物理我也未经训练的,我有一个基本的困惑:如果星系远离快远离我们的时候(和过去越久远),他们远离慢当他们接近我们的距离(时间),然后不主张宇宙的扩张放缓,不加快呢?帮助我了解!

    • Howard Jeffrey Bender.|2021年5月4日下午3:27|回复

      天文学家使用的速度星系的最佳测量是移动的是弗劳恩霍尔线在1A型超新星中的位移,这似乎并不是他们预期的方式。在他的诺贝尔奖学课程中,扫罗幽默梦想说:

      最合适的曲线是在最初的70亿年里减速,然后在最近的70亿年里加速。这是超新星向我们展示的令人惊讶的结果。

      而我在YouTube上看到的《弦理论》却显示了相反的情况https://www.youtube.com/watch?v=epk-SMXbu1c

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