揭秘宇宙膨胀之谜 发现暗能量被“激活”事件

揭秘宇宙膨胀之谜 发现暗能量被"激活"事件

[导读]由斯隆数字巡天主导的重子振荡光谱巡天（BOSS）计划探索60亿年前暗能量被激活的神秘时期。

（Everett/编译）据国外媒体报道，科学家发现在大约六十亿年前，宇宙正在发生一场基本性质的变革，宇宙在内部所包含的万物引力作用下正逐渐减缓膨胀的速度，随着膨胀导致的物质间疏远，密度下降，暗能量接管了宇宙的主导权，开始了直至今日加速膨胀过程。现在，重子振荡光谱巡天（BOSS）计划作为斯隆巡天III（SDSS III）最大的组成部分，以迄今最高的测量精度对六十亿年前那段宇宙变革时期绘制大尺度的分布地图，研究暗能量被"激活"时的情况。

从宇宙大爆炸的微波背景辐射到38亿年前的星系分布图

根据隶属于美国能源部的劳伦斯伯克利国家实验室 (伯克利实验室）物理组的科学家、重子振荡光谱巡天（BOSS）的首席物理学家大卫·施莱格尔（David Schlegel）介绍：我们已经绘制出宇宙在大爆炸后的五亿至七亿年间精确的大尺度结构图，这是对银河系之外的宇宙物质进行最详细的测量。我们的目的是将时间的箭头推往六十亿年前的宇宙变革期，试图通过相关模拟实验找出由暗能量被"激活"导致的宇宙加速膨胀原因。

然而，如何测量宇宙的加速膨胀的速率呢？早在十四年前，伯克利实验室与高红移超新星搜索小组（High-z Supernova）进行的两个超新星宇宙学计划发现了宇宙加速膨胀的现象，因此2011年的诺贝尔奖授予了超新星宇宙学计划的科学家佩尔穆特（Saul Perlmutter）与高红移超新星搜索小组成员布赖恩·施密特（Brian Schmidt）和亚当（Adam Riess）。高红移超新星搜索原理则根据1a型超新星的红移值来推算宇宙加速膨胀的速率。科学家认为暗能量可能具有我们前所未知的行为方式。

研究暗能量在宇宙加速膨胀中所起的作用，首先要了解详细的膨胀历史过程，探索宇宙膨胀过程与搜寻超新星并计算红移值不同，重子振荡光谱巡天使用了一种被称为重子声学振荡（BAO）的技术来确定遥远星系的距离。该技术是通过测量震荡波在宇宙大尺度结构上形成的高密区，以发现暗能量在其中所起的作用。大尺度结构上的宇宙如同一张纤细而留有空隙的网，星系团则是最密集的突起结构，由于其具有循环规律性，因此科学家可以通过精确测量星系对之间的角度推出它们的距离，如果这个角度值越小，那么他们的距离就更远。

了解到观测对象的距离也就知道了它们的年龄，因为光速是恒定的。宇宙的加速膨胀可以由被观测天体的红移值来衡量，当地球所接受到的遥远天体光谱向红光方向移动时，这就说明它远离我们而去。根据伯克利实验室物理学家、加州大学伯克利分校天文学与物理学教授、重子振荡光谱巡天科学小组负责人马丁·怀特（Martin White）认为：重子振荡光谱巡天计划扫描了3275平方度的天区，建立起32.73万个星系的三维空间地图，对宇宙高密度区域进行了巨大样本调查，是该巡天计划的第一大成果。重子振荡光谱巡天发现的平均红移值为0.57，相当于60亿光年。

重子声学振荡起源于重子有规则地"团聚"，当宇宙还处于光和物质混沌在一起的类似一锅"汤"的时期，在声波穿过宇宙形成了有规则变化的高密区。在大爆炸之后在38万年，高速膨胀的时空冷却了这锅"汤"的温度，使得重子凝结成氢原子，而看不见的暗物质也属于这锅"烫"的一部分。这一时期宇宙密度的变化可被宇宙微波背景辐射的温度变化所记录下来，在微波背景辐射信号越"温暖"的区域，其物质密度就更大些。

因此，可以通过宇宙微波背景辐射来确定重子声学振荡的基本尺度，进而推出宇宙加速膨胀的历史过程。如果暗能量不是一种未知的力场或者某种物质，而是作为爱因斯坦广义相对论的一个缺陷，那么我们是否要建立一个更好的引力理论？广义相对论预言一个星系团以多快的速率相对另一个星系团运动，那么叠加起来的效应就能导致宇宙的大尺度结构以相同的速率发生膨胀，这就意味着任何偏离该理论预测值的发现都可使得广义相对论出现缺陷。

劳伦斯伯克利国家实验室科学家贝丝里德（Beth Reid）认为：我们在过去依靠红移来推算宇宙的膨胀速率，但是红移值却不是各处都相同的，因为星系在随着宇宙加速膨胀过程中，也有自己的运动速度，而星系团更"喜欢"往高密度的区域聚集。因此，对于精确确定宇宙的加速膨胀，就需要合适的工具和理论。重子振荡光谱巡天获得了位于新墨西哥州阿帕奇山的Apache Point天文台2.5米斯隆数字化广域巡天望远镜的支持，该望远镜目前依然是世界上最强的宽视场光谱设备。通过每15分钟一次的曝光，可以覆盖三度的天区，一千个光纤使用手工安装到铝制插件槽并定位望远镜的焦平面。

据伯克利实验物理学家斯蒂芬·贝利（Stephen Bailey）介绍：由重子振荡光谱巡天收集到的所有数据都通过伯克利实验室中的一个特制数据处理管道，将其转换为我们可利用的形式，目标是统计出数十万计的星系数目，将它们的二维坐标标出，附上对应的红移值，最终的统计规模将超过百万个星系，计划将持续到2014年，全部的数据处理由黎曼计算机群完成。

当前的宇宙模型认为我们的宇宙是一个欧式几何结构，产生于137亿年前的大爆炸，其中四分之一是暗物质，诸如星系、恒星等可见物质仅仅占了几个百分点，余下的组分被认为暗能量，即爱因斯坦的宇宙常数。物理学家大卫·施莱格尔认为：迄今为止，我们取得了对暗能量最低限度的观察，宇宙常数可能是一种最简单的解释，但是事实上，宇宙常数是未经过任何验证的，但其符合观测数据，而我们也仅有这么一点数据，如果暗能量被"激活"的宇宙时期潜伏着某种惊人的奥秘，我们希望能发现它。

TAG:揭秘宇宙膨胀之谜 发现暗能量被"激活"事件