北京
五年前，一群天文學(xué)家在美國(guó)亞利桑那州的山頂上啟動(dòng)了一臺(tái)奇怪機(jī)器。它有5000只"眼睛"，每晚盯著同一片天空看20分鐘，然后把看到的一切變成80GB的數(shù)據(jù)。今年4月15日，這臺(tái)機(jī)器終于完成了它的任務(wù)——而結(jié)果比所有人預(yù)想的都要夸張。
它叫DESI，全稱"暗能量光譜儀"（Dark Energy Spectroscopic Instrument），裝在國(guó)家科學(xué)基金會(huì)所屬的尼古拉斯·U·梅奧爾4米望遠(yuǎn)鏡上。原計(jì)劃五年掃完3400萬(wàn)個(gè)星系和類星體，實(shí)際掃了4700萬(wàn)個(gè)，外加2000萬(wàn)顆恒星。多出來(lái)的這1300萬(wàn)個(gè)天體，足夠天文學(xué)家再發(fā)好幾年論文。
俄亥俄州立大學(xué)的宇宙學(xué)家克勞斯·洪舍德（Klaus Honscheid）是項(xiàng)目成員之一。他最近對(duì)外媒說(shuō)，DESI"超出了預(yù)期"。這話聽(tīng)起來(lái)像標(biāo)準(zhǔn)客套，但結(jié)合背景就明白分量了——這個(gè)項(xiàng)目是"按時(shí)、按預(yù)算"完成的，而大型天文項(xiàng)目能同時(shí)滿足這兩條，堪稱奇跡。
現(xiàn)在，科學(xué)家手頭有了一份橫跨110億年宇宙歷史的3D地圖。這是人類有史以來(lái)最大、最精細(xì)的宇宙三維模型。它的真正價(jià)值，在于可能幫人類解開(kāi)一個(gè)懸了近三十年的謎：暗能量到底是什么？
【暗能量：宇宙最大的"臨時(shí)工"】
先說(shuō)清楚暗能量是什么——或者說(shuō)，我們"不知道"它是什么。
1998年，兩個(gè)研究小組通過(guò)觀測(cè)遙遠(yuǎn)超新星發(fā)現(xiàn)，宇宙膨脹不是在減速，而是在加速。這違反直覺(jué)：按牛頓和愛(ài)因斯坦的引力理論，所有物質(zhì)互相吸引，膨脹應(yīng)該越來(lái)越慢才對(duì)。有什么東西在推著宇宙往外炸？
物理學(xué)家只好發(fā)明了一個(gè)概念：暗能量。它約占宇宙總質(zhì)能的70%，但我們看不見(jiàn)、摸不著，只能通過(guò)它的引力效應(yīng)推測(cè)存在。更麻煩的是，標(biāo)準(zhǔn)模型假設(shè)它是"宇宙學(xué)常數(shù)"——一個(gè)固定不變的數(shù)值，從宇宙誕生到現(xiàn)在都一樣。
這個(gè)假設(shè)很簡(jiǎn)潔，但有個(gè)隱憂：沒(méi)人知道為什么是這個(gè)數(shù)。理論物理學(xué)家算出來(lái)的值比觀測(cè)值大了10的120次方倍，這是整個(gè)科學(xué)史上最離譜的預(yù)測(cè)誤差。所以過(guò)去二十多年，天文學(xué)家一直在找證據(jù)，看暗能量會(huì)不會(huì)其實(shí)會(huì)變化。
DESI的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是這個(gè)。它通過(guò)測(cè)量星系的紅移——光波被宇宙膨脹拉長(zhǎng)的程度——來(lái)推算星系離我們多遠(yuǎn)、退行速度多快。對(duì)比不同距離（也就是不同年代）的星系分布，就能畫出宇宙膨脹的"加速度曲線"。
如果暗能量是常數(shù)，這條曲線的斜率應(yīng)該固定。如果不是，曲線會(huì)彎曲。
【第一批數(shù)據(jù)已經(jīng)惹出麻煩】
DESI從2021年5月開(kāi)始正式觀測(cè)。到2024年，前三年的數(shù)據(jù)已經(jīng)分析完畢，結(jié)果讓不少人坐直了身子：
暗能量，似乎正在變?nèi)酢?/p>
這不是最終結(jié)論。論文還沒(méi)發(fā)表，數(shù)據(jù)還在交叉驗(yàn)證，"變?nèi)?的幅度也在誤差邊緣試探。但信號(hào)是真實(shí)的——如果暗能量真的在演化，那宇宙學(xué)常數(shù)模型就錯(cuò)了，整個(gè)宇宙學(xué)的地基都要松動(dòng)。
懷俄明大學(xué)的天體物理學(xué)家亞當(dāng)·邁爾斯（Adam Myers）說(shuō)，現(xiàn)在有了完整數(shù)據(jù)集，宇宙學(xué)家會(huì)"努力挖掘數(shù)據(jù)中揭示的暗能量的任何細(xì)微新特征"。這句話的學(xué)術(shù)翻譯是：我們要用統(tǒng)計(jì)方法壓榨每一個(gè)比特的信息，看那個(gè)"變?nèi)?的信號(hào)是噪音還是真金。
【這臺(tái)機(jī)器怎么工作的】
DESI的核心是5000根光纖，每根對(duì)準(zhǔn)一個(gè)天體，把光導(dǎo)入光譜儀。光纖陣列每20分鐘重新定位一次，鎖定新的目標(biāo)區(qū)域。一晚上能掃幾千個(gè)星系，五年積累成4700萬(wàn)。
這些星系里最遠(yuǎn)的，光走了110億年才到地球。換句話說(shuō)，我們看到的是110億年前的它們，那時(shí)候宇宙年齡只有現(xiàn)在的五分之一。近處的星系代表"現(xiàn)在"，遠(yuǎn)處的代表"過(guò)去"，中間無(wú)數(shù)個(gè)點(diǎn)連成一條時(shí)間軸——這就是3D地圖的縱軸。
橫軸是空間位置。DESI把夜空切成無(wú)數(shù)小格子，記錄每個(gè)星系在天空中的坐標(biāo)。三維坐標(biāo)加時(shí)間維度，構(gòu)成一幅動(dòng)態(tài)的宇宙演化圖。
數(shù)據(jù)量有多大？每晚80GB，五年下來(lái)是PB級(jí)別（1PB=100萬(wàn)GB）。處理這些數(shù)據(jù)需要超級(jí)計(jì)算機(jī)和專門的算法，光是校準(zhǔn)系統(tǒng)誤差就要花掉團(tuán)隊(duì)大量時(shí)間。
【為什么這件事很重要】
對(duì)普通人來(lái)說(shuō)，暗能量變不變?nèi)跛坪鯖](méi)什么差別。宇宙照樣膨脹，星星照樣發(fā)光，明天太陽(yáng)照常升起。
但對(duì)物理學(xué)家，這是基礎(chǔ)框架的問(wèn)題。如果暗能量會(huì)變化，它就不是"常數(shù)"，而是一種"場(chǎng)"——像電場(chǎng)、磁場(chǎng)那樣可以波動(dòng)的東西。這意味著存在一種全新的物理實(shí)體，可能和暗物質(zhì)、甚至和我們尚未發(fā)現(xiàn)的粒子有關(guān)聯(lián)。
更深層的問(wèn)題是：宇宙的命運(yùn)會(huì)不同。如果暗能量持續(xù)減弱，宇宙膨脹可能最終減速、停止，甚至反轉(zhuǎn)。大擠壓（Big Crunch）——所有物質(zhì)重新坍縮回一個(gè)點(diǎn)——從被拋棄的假說(shuō)變成可能的未來(lái)。
當(dāng)然，這些都是"如果"。DESI的數(shù)據(jù)還在分析中，其他項(xiàng)目也在獨(dú)立驗(yàn)證。歐洲空間局的歐幾里得望遠(yuǎn)鏡、美國(guó)的羅曼空間望遠(yuǎn)鏡，未來(lái)十年會(huì)提供交叉檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)?？茖W(xué)需要耐心。
【一個(gè)項(xiàng)目的側(cè)面】
值得提一句的是DESI的"項(xiàng)目管理"本身。洪舍德提到，這個(gè)項(xiàng)目"按時(shí)、按預(yù)算"完成，在大型科學(xué)工程中相當(dāng)罕見(jiàn)。
對(duì)比一下：詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡原計(jì)劃2014年發(fā)射，實(shí)際2021年底才上去，預(yù)算從16億美元漲到100億。LIGO引力波探測(cè)器從立項(xiàng)到探測(cè)到信號(hào)用了四十年。DESI五年搞定，還多送了1300萬(wàn)個(gè)天體，確實(shí)算得上高效。
這背后有技術(shù)運(yùn)氣，也有設(shè)計(jì)取舍。DESI是"地面項(xiàng)目"，不需要發(fā)射到太空，風(fēng)險(xiǎn)可控；它只做一件事——測(cè)光譜——不貪多；光纖技術(shù)成熟，5000根同時(shí)工作，并行效率極高。
但即便如此，疫情期間保持觀測(cè)、處理每晚80GB的數(shù)據(jù)流、協(xié)調(diào)全球數(shù)百名研究人員，這些都不是小事?？茖W(xué)進(jìn)步從來(lái)不只是"靈光一現(xiàn)"，更多是這種枯燥的系統(tǒng)工程。
【我們還不知道什么】
說(shuō)回暗能量。DESI能告訴我們它"有沒(méi)有變"，但很難告訴我們"為什么變"。
理論物理學(xué)家已經(jīng)準(zhǔn)備了各種模型：精質(zhì)（quintessence）、幽靈能量（phantom energy）、相互作用暗能量……每個(gè)都能擬合某些數(shù)據(jù)，但沒(méi)有一個(gè)有獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)支持。這是現(xiàn)代宇宙學(xué)的典型困境：觀測(cè)跑在理論前面，數(shù)據(jù)有了，解釋沒(méi)跟上。
另一個(gè)未知數(shù)是系統(tǒng)誤差。DESI測(cè)量的是紅移，但紅移不光來(lái)自宇宙膨脹，也來(lái)自星系自身的運(yùn)動(dòng)（本動(dòng)速度）。如何把這兩種效應(yīng)分開(kāi)，是數(shù)據(jù)分析的核心難點(diǎn)。團(tuán)隊(duì)用了各種統(tǒng)計(jì)方法，但"未知系統(tǒng)誤差"永遠(yuǎn)是懸在頭上的劍。
還有，DESI看的是"重子聲學(xué)振蕩"——早期宇宙聲波留下的印記，作為測(cè)量距離的標(biāo)尺。這個(gè)標(biāo)尺本身假設(shè)了某些宇宙學(xué)參數(shù)。如果暗能量真的在演化，這些參數(shù)可能需要重新校準(zhǔn)，形成循環(huán)論證的風(fēng)險(xiǎn)。
這些不是DESI的缺陷，是整個(gè)領(lǐng)域的現(xiàn)狀。宇宙學(xué)是觀測(cè)科學(xué)，我們不能做實(shí)驗(yàn)，只能被動(dòng)接收來(lái)自遙遠(yuǎn)過(guò)去的光。從噪音中提取信號(hào)，從信號(hào)中反推模型，每一步都充滿不確定性。
【接下來(lái)會(huì)發(fā)生什么】
DESI的觀測(cè)階段結(jié)束了，但科學(xué)產(chǎn)出才剛剛開(kāi)始。完整數(shù)據(jù)集需要數(shù)年時(shí)間分析，第一篇基于全部數(shù)據(jù)的論文預(yù)計(jì)在未來(lái)一兩年內(nèi)陸續(xù)出現(xiàn)。
關(guān)鍵問(wèn)題是：前三年的"暗能量變?nèi)?信號(hào)，在五年數(shù)據(jù)里會(huì)不會(huì)更強(qiáng)？如果信號(hào)增強(qiáng)，置信度提高，物理學(xué)界會(huì)認(rèn)真對(duì)待；如果信號(hào)減弱或消失，那就是統(tǒng)計(jì)漲落，宇宙學(xué)常數(shù)模型暫時(shí)安全。
無(wú)論哪種結(jié)果，DESI都已經(jīng)改變了這個(gè)領(lǐng)域。它證明了大規(guī)模光譜巡天的可行性，為下一代項(xiàng)目鋪了路。未來(lái)十年，我們會(huì)有更多數(shù)據(jù)、更精密的測(cè)量、更激烈的理論爭(zhēng)論。
暗能量之謎不會(huì)很快解開(kāi)。但至少，我們現(xiàn)在有一張像樣的地圖了。
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