周一 · 知古通今|周二 · 牧夫?qū)?/p>

周三 · 風(fēng)月同天|周四 · 觀測指南

周五 · 深空探測|周六 · 茶余星話|周日 · 天象預(yù)報(bào)

作者：Paul Sutter

翻譯：張瀚之

校對：牧夫校對組

編排：陶邦惠

后臺：朱宸宇

https://www.universetoday.com/articles/desis-dizzying-results

圖片來源: DESI Collaboration

在宇宙學(xué)界中，暗能量一直被認(rèn)為是個(gè)固定的背景板。不過近期，由全球70多個(gè)科研機(jī)構(gòu)共同組建的暗能量光譜巡天（DESI）合作組向人類投下了一枚重磅炸彈：他們發(fā)現(xiàn)了一條雖不算強(qiáng)烈但相當(dāng)重要的線索——暗能量可能會(huì)隨著時(shí)間推移而逐漸變?nèi)?。這令人震驚的線索是DESI多年艱苦數(shù)據(jù)分析的結(jié)晶。雖然并非百分之百鐵證如山，但足以讓我們的宇宙變得更加耐人尋味……

雖然現(xiàn)在再來討論這個(gè)2024年發(fā)布的數(shù)據(jù)有些晚了，不過沒關(guān)系，因?yàn)榈谝?，這類結(jié)果信息量巨大，需要慢慢拆解。第二，這項(xiàng)結(jié)果短期內(nèi)不會(huì)被推翻或更新，所以我們有充足的時(shí)間來慢慢聊一聊，這到底意味著什么。

DESI 巡天計(jì)劃

我們先從結(jié)果本身以及它是如何得出的說起吧！DESI 位于美國亞利桑那州東南部基特峰上，本體是一個(gè)口徑約 4 米的望遠(yuǎn)鏡。DESI合作組的目標(biāo)是大規(guī)模星系巡天，而為了實(shí)現(xiàn)這一巡天，望遠(yuǎn)鏡本體下方配備了 5000 條由機(jī)器人精確控制的光纖。每個(gè)夜晚，DESI望遠(yuǎn)鏡會(huì)選定天空中的一片區(qū)域，然后機(jī)器人 們會(huì)把光纖移動(dòng)到對應(yīng)這片區(qū)域內(nèi)每一個(gè)星系的位置上，望遠(yuǎn)鏡里的精妙儀器再為每個(gè)星系記錄詳細(xì)的數(shù)據(jù)。然后第二個(gè)夜晚再來一遍，第三個(gè)夜晚再來一遍，如此循環(huán)往復(fù)。

圖片來源: DESI Collaboration

到目前為止，DESI已經(jīng)累積了 1300 多萬個(gè)星系的數(shù)據(jù)，這個(gè)目錄是人類歷史上最大、最全面的星系位置巡天數(shù)據(jù)集。而這還只是開始。DESI項(xiàng)目的最終目標(biāo)是在巡天結(jié)束時(shí)觀測至少5000 萬個(gè)星系。

大家猜一猜DESI望遠(yuǎn)鏡里哪個(gè)部件最帥？那必須得是由機(jī)器人控制的光纖，它們真的是game changer！從許多方面來看，DESI 絕對是上一代巡天（斯隆數(shù)字巡天SDSS）的繼任者。雖然SDSS 的設(shè)備架構(gòu)與 DESI 類似，不過當(dāng)年移動(dòng)光纖的不是機(jī)器人...而是研究生！雖然可能成本更低，但效率肯定遠(yuǎn)不如機(jī)器人。

圖片來源: DESI Collaboration

DESI 巡天覆蓋的星系數(shù)量雖然不足可觀測宇宙全部星系的 1%，但仍然會(huì)是一個(gè)龐大的樣本。那么，擁有這樣一張覆蓋整個(gè)宇宙相當(dāng)一部分區(qū)域的地圖，我們能拿它做什么呢？

BAO：宇宙給我們留下的標(biāo)準(zhǔn)尺

星系在超大尺度上的排列信息能告訴我們許多關(guān)于宇宙的事情。而在這次 DESI 的分析中，他們使用的關(guān)鍵特征之一，就是宇宙大尺度結(jié)構(gòu)中的重子聲學(xué)振蕩（baryon acoustic oscillations，簡稱 BAO）。

很久很久以前，宇宙比現(xiàn)在小得多、熱得多、密得多。如果有人問你大爆炸理論到底講什么？我前面說得這句話，就是答案啦。事實(shí)上，數(shù)十億年前，當(dāng)宇宙只有幾十萬歲時(shí)，它的體積比現(xiàn)在小一百萬倍，溫度也高出幾千度，所有物質(zhì)都緊擠在一起，以高能等離子體形式存在。這種狀態(tài)與太陽內(nèi)部或閃電中的物質(zhì)狀態(tài)相同，而且當(dāng)時(shí)這種等離子體充滿整個(gè)宇宙。

和任何致密介質(zhì)一樣，宇宙中出現(xiàn)了聲波。這些聲波中有許多是由引力與輻射之間的角力產(chǎn)生的。密度高的物質(zhì)團(tuán)塊會(huì)在自身引力作用下塌縮，但塌縮會(huì)使它們升溫并發(fā)出輻射，而這些輻射又會(huì)將物質(zhì)向外推。

這種來回過程會(huì)持續(xù)進(jìn)行，直到宇宙冷卻到光子可以自由傳播時(shí)。那一刻開始，輻射不再參與這場角力，聲波也會(huì)被卡在某一個(gè)狀態(tài)上。聲波停下的位置成為額外引力的來源，形成一個(gè)密度略高的球殼。

事實(shí)上，我們甚至能給這些球殼結(jié)構(gòu)拍照。也就是那些重子聲學(xué)振蕩BAO。當(dāng)時(shí)被釋放出來的光至今仍然存在，我們還能拍下它，這就是宇宙微波背景（CMB）?？偨Y(jié)來說，BAO是早期宇宙中由于原初等離子體中的聲學(xué)密度波引起的，在宇宙可見重子物質(zhì)密度上產(chǎn)生的波動(dòng)。它就像一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)尺，人們可以用它測量宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，然后研究宇宙加速膨脹的原因（天文學(xué)家們認(rèn)為是暗能量）。

圖片來源：Gabriela Secara/Perimeter Institute

這些額外密度的殼層并不會(huì)在一段時(shí)間后消失。它們會(huì)一直存在，并在接下來數(shù)十億年中不斷吸引更多物質(zhì)，讓自己的殼比周圍更致密。今天，我們觀測到的 BAO 的直徑大約能有 8 億光年！

最酷的地方在于，因?yàn)槲覀冎繠AO理論上的大小是多少（從宇宙微波背景推今天的尺度，計(jì)算相對直接），所以我們可以用把理論尺度與它們在天空中實(shí)際的觀測尺度進(jìn)行比較。它們呈現(xiàn)出的大小取決于宇宙學(xué)參數(shù)，也就是描述宇宙的性質(zhì)、歷史與演化的量。

現(xiàn)在回歸我們的主題：這次DESI 測得的 BAO 殼層數(shù)據(jù)和天文學(xué)家們的想法有點(diǎn)“對不太上”。它們的大小與我們常規(guī)的宇宙學(xué)模型并不完全契合。相反，它們似乎更符合另一種宇宙圖景：暗能量會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生演化。

如果暗能量真的在衰減，

宇宙命運(yùn)會(huì)怎樣？

要理解暗能量，我們得先明白一件更離譜的事情。宇宙不僅在膨脹，而且還越膨脹越快。按常理說，引力會(huì)把一切拉在一起，宇宙應(yīng)該越走越慢才對。但之前的觀測告訴我們，宇宙反而像是踩著油門一路加速?zèng)_向未來。于是天文學(xué)家不得不提出一個(gè)看不見、摸不著、不會(huì)發(fā)光、不會(huì)吸光的奇怪“東西”來解釋這個(gè)現(xiàn)象。它不像暗物質(zhì)那樣提供額外引力，相反，它推動(dòng)著時(shí)空本身不斷向外擴(kuò)張。這就是暗能量。

暗能量占宇宙總能量的 68%，是宇宙中最大的能量成分，卻也是我們最不了解的成分。我們不知道它是什么、從哪里來、有沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，甚至不知道它會(huì)不會(huì)會(huì)隨時(shí)間改變（我們之前猜它不會(huì)）。我們唯一真正知道的，是它的存在讓宇宙膨脹越來越快。

所以當(dāng) DESI 提示暗能量可能開始力不從心時(shí)，事態(tài)就變得刺激起來：如果推動(dòng)宇宙膨脹的主力真的在變?nèi)?，那宇宙的未來劇情也許要徹底改寫。

DESI告訴我們，之前的模型恐怕是錯(cuò)誤的，現(xiàn)在暗能量已經(jīng)在慢慢剎車。但DESI答不出來暗能量究竟是什么。這恐怕正是天文學(xué)最迷人的地方，答案常常指向更大的謎題，而謎題又會(huì)引著我們猜測向更宏偉的宇宙圖景。DESI 的新結(jié)果并不是要推翻什么，而是告訴我們，宇宙有可能在以另一種我們不知道形式閃爍。

也許暗能量真的會(huì)隨時(shí)間變?nèi)?，也許它從未保持恒定，只是我們過去的觀測精度無法看見其微妙變化。又或許，宇宙正在用一種我們尚未理解的語言，向我們透露它的未來計(jì)劃。

未來 DESI 會(huì)將觀測擴(kuò)大到五千萬個(gè)星系。同時(shí)，歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡、維拉魯賓天文臺、南?！じ窭俳z·羅曼空間望遠(yuǎn)鏡等新項(xiàng)目也即將加入這場探索。無論如何，有一點(diǎn)是確定的：宇宙，就像我們第一次斗膽猜想它時(shí)一樣，巨大、陌生、充滿驚喜，而DESI帶著我們正站在一個(gè)可能翻開新篇章的新起點(diǎn)。

責(zé)任編輯：郭皓存

牧夫新媒體編輯部

『天文濕刻』 牧夫出品

微信公眾號：astronomycn

西班牙舞者旋渦星系

圖片來源：ESA, NASA, Hubble

謝謝閱讀