世界最大太空地图提供暗能量线索

正如道格拉斯·亚当斯在《银河系漫游指南》中写道：“太空是巨大的……你简直无法相信它有多么浩瀚、巨大、令人难以置信。” 我们和许多其他天文学家都将我们的职业生涯奉献于尽可能大规模地绘制宇宙地图——以发现宇宙到底有多大以及它是如何运作的。

我们创建的地图对于研究驱动宇宙历史的物理学至关重要。2020 年 7 月，我们参与的一个名为斯隆数字巡天 (Sloan Digital Sky Survey) 的 20 年项目制作了有史以来最大的宇宙地图。它包括我们周围的环境、太空的最远范围以及介于两者之间的一切。这张三维图表包含四百万个星系的位置，它们像路标一样分布在数十亿光年之上，时间跨度回溯到宇宙最早的时期。

该地图显示，星系并非随机分布。相反，它们以模式聚集：在某些区域是长丝状和二维片状星系；在另一些区域是几乎不含星系的黑暗空洞。科学家们认为，这些模式在星系诞生之前就已出现，始于大爆炸后不到十亿年。通过尽可能多地绘制宇宙历史，我们可以记录这些模式的增长，并推断出引导其演化的基本定律。这本星系图集为探索理解物理学中一些最大的谜团提供了关键信息，例如宇宙的几何形状以及驱动空间加速膨胀的暗能量的本质。

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核和壳

斯隆数字巡天 (Sloan Digital Sky Survey) 使用位于新墨西哥州阿帕奇点天文台 (Apache Point Observatory) 的斯隆基金会望远镜 (Sloan Foundation Telescope)，其中包括扩展重子振荡光谱巡天 (eBOSS) 项目及其前身 BOSS。这些工作基于星系在整个空间排列中的一种模式进行测量，称为重子声学振荡 (BAO)。为了理解这种模式，我们必须考虑宇宙在最初 30 万年间的演化，从大爆炸后的最初一秒的一小部分开始。那时，宇宙经历了一个称为暴胀的快速膨胀时期，在此期间，宇宙膨胀得如此之快，以至于亚原子尺度在 10⁻³² 秒内变得像高尔夫球大小。在膨胀过程中，宇宙能量分布中微小的量子涨落变得宏观。能量密度较高的区域逐渐吸引了越来越多的物质，而其他区域则变得空旷。在接下来的 137 亿年中，这些稠密的斑点形成了我们今天观察到的星系丝状结构、片状结构和星系团。天文学家称此过程为结构生长。

BAO 模式的出现是因为光和物质相互作用并影响结构形成的方式。宇宙包含两种物质：一种与光相互作用——我们日常生活中习惯处理的普通物质——另一种不与光相互作用，称为暗物质。在炽热而稠密的早期宇宙中，普通物质粒子和光粒子（光子）彼此碰撞得如此频繁，以至于它们基本上粘在一起，而暗物质可以自由地独立移动。引力导致暗物质聚集在稠密区域的中心，但来自试图向外传播的光的压力将正常物质拖走了。

大约在大爆炸后 30 万年，当宇宙膨胀和冷却到粒子散开且光子可以自由传播时，普通物质和光开始分道扬镳。首次释放的光仍然在天空中可见，即宇宙微波背景辐射。一旦光和物质不再束缚在一起，过量的普通物质就留在了暗物质过度密集区域周围的球形壳层中。引力将普通物质和暗物质都吸引到这些结构中，但这个过程在宇宙物质上印上了一种模式，即过度稠密的核被球形壳层包围。这种模式被称为重子声学振荡特征，具有一个称为同动声视界的大小，并且在我们的星系地图中可见。

我们可以将此特征用作我们所说的标准尺——一种方便的测量宇宙距离的方法。由于这些模式几乎在同一时间和以相同的方式创建，因此核和壳都具有大致相同的内在大小——每个核与其壳之间大约间隔 5 亿光年。但是，当我们在地图上看到这些形状时，它们看起来会因距离远近而变小或变大。因此，如果我们在夜空中测量它们的视大小，并将其与我们已知的内在大小进行比较，我们就可以确定它们与地球的距离。

分散光线

这些标准尺距离计算使我们能够测量到一组星系的平均距离，但它们本身并不能提供宇宙学信息。为此，我们需要关于星系远离我们速度的额外信息。斯隆巡天计划完全有能力提供该信息。除了捕获天空三分之一的深层图像外，斯隆还通过光谱学技术瞄准了两百万个星系和类星体（以明亮的中心黑洞为主的星系），光谱学是一种用于隔离来自物体的不同波长光的技术。这些光谱测量揭示了星系远离我们的速度有多快，这取决于光线发射时和观察到光线时宇宙膨胀了多少。由于这种膨胀拉伸了波长，因此光线变得更红——这种现象称为红移。

每次 BOSS 和 eBOSS 观测都使用专用的光纤电缆同时捕获来自 1,000 个物体的光谱。每根电缆的一端都由一个铝板支撑，该铝板位于望远镜的焦平面处。在准备夜间观测时，团队在特制的盒式磁带中准备了八个这样的板，并手工将光纤插入 1,000 个孔中的每一个孔中。两名技术人员大约需要半小时才能插入一块板。斯隆巡天历史上生产力最高的月份是 2012 年 3 月，当时我们使用这些板观测了 103,000 个光谱。

我们从世界各地望远镜先前获得的成像数据中选择了目标星系。技术人员使用华盛顿大学的计算机控制机器在铝板上钻孔，以便当望远镜将其一小时的曝光时间指向天空的特定区域时，每个孔内的光纤末端都能完美地与目标星系或类星体的中心对齐。

在 2009 年 12 月至 2019 年 3 月之间的每个晚上，只要月亮不太亮，望远镜就会跟踪天空中的一块区域，光纤会将落在焦平面上的光线馈送到两个光谱仪中。这些现代探测器相机以数字方式测量光强度作为波长的函数。有了这些数据，我们可以计算出每个星系的红移。

在 eBOSS 及其前身 BOSS 收集数据的近 10 年间，我们测量了超过四百万个星系的位置和红移。由于来自遥远星系的光线需要很长时间才能到达望远镜，因此 BOSS 和 eBOSS 的地图向我们展示了 110 亿年的宇宙学时间，涵盖了宇宙历史的大部分时间。

探测暗能量

通过将我们的红移测量与来自 BAO 标准尺的距离估计相结合，我们能够研究距离和红移之间的关系——换句话说，给定传播距离，宇宙膨胀和拉伸光线的程度。这些信息向我们展示了过去 110 亿年来空间的膨胀是如何变化的，从而使我们深入了解当今物理学中最大的谜团之一：暗能量。

暗能量是一种神秘的力量，它似乎正在加速宇宙的膨胀——这是 1998 年发现的一个令人惊讶的现象。暗能量最简单的数学模型是所谓的宇宙常数 lambda，它是爱因斯坦广义相对论场方程中的一个项，描述了空旷空间中存在的能量。这种能量可以充当排斥力，抵抗引力的向内拉力，从而加速宇宙的向外膨胀。在过去的 20 年中，这种宇宙学模型（称为 Lambda 冷暗物质 (Lambda-CDM)）经受了许多考验；尽管我们没有完全理解它，但它是我们最好的模型。

然而，Lambda-CDM 也存在问题。最近的三项观测显示了 模型与现实之间不一致 的迹象。第一个是空间局部膨胀率的测量值 与基于遥远宇宙观测的 Lambda-CDM 预测不符。第二个是宇宙微波背景辐射的观测表明，空间可能比暴胀理论预测的略微弯曲。最后，来自遥远星系的光线被介入物质扭曲的程度似乎比 Lambda-CDM 模型中预期的要弱。时间会证明，这些紧张关系是表明需要新的宇宙学模型的第一个迹象，还是仅仅反映了测量方面的问题。无论如何，eBOSS 的观测都在帮助我们指出正确的方向。

例如，它们表明，当宇宙达到当前大小的 60% 时，发生了一个转变：空间的膨胀停止减速并开始加速。这些发现与 Lambda-CDM 模型一致，该模型表明，这一点是暗能量战胜了物质的引力效应——后者会减缓膨胀速度。*

宇宙学模型的另一个关键部分是空间的几何形状。暴胀理论预测宇宙的几何形状非常接近于平坦。但一些早期的宇宙背景研究表明，空间略微弯曲。使用 eBOSS 地图，我们能够将空间几何形状测量的精度提高到比以往观测结果高 10 倍的水平。我们没有发现宇宙是弯曲的证据，这为标准暴胀图景提供了支持。

我们还能够通过观察结构（星系团和星系丝状结构）形成的快慢来检验宇宙学模型。我们在巡天中测量的红移记录了星系相对于我们观测者的相对速度，但没有记录这种运动的原因。大部分红移是由于宇宙膨胀引起的——空间中所有物体都在彼此远离——但部分也是由结构生长引起的。当星系落入星系团并远离空洞时，它们的速度以及红移也会发生变化。

受结构生长影响的速度称为红移空间畸变，当我们比较沿视线方向和横跨视线方向看到的星系模式时，这种畸变会很明显。红移空间畸变的大小告诉我们结构生长的速率。利用来自 eBOSS 及其前身的数据，我们计算出的这个速率精度约为 3.5%。我们的结果与广义相对论的预测相符，这很重要，因为之前一些依赖不同方法进行的测量值比我们的结果低约 10%。

总的来说，我们的测量结果没有证据表明具有宇宙常数 lambda 的标准宇宙学模型是错误的。我们在结构生长、暗能量的本质或空间的几何形状方面没有看到任何意外。然而，我们确实看到了我们之前提到的，基于来自局部宇宙的数据的空间膨胀率与来自宇宙微波背景辐射的空间膨胀率之间存在的差异。例如，基于后者的测量结果发现，膨胀率为每秒每百万秒差距 67.28 ± 0.61 公里（空间距离的测量单位），而超新星的局部测量值高出 10%。使用我们的 BAO 测量，我们估计膨胀率约为 67 公里/秒/百万秒差距——无论我们将我们的数字与宇宙背景数据结合还是不结合。这个值与天文学家仅观察附近宇宙时获得的比率之间的差异变得非常显着，足以让人质疑我们宇宙学模型的基本假设。可能仍然存在一个或多个输入到这些计算中的测量值的问题，但至少同样有可能我们需要修改早期宇宙膨胀和同动声视界的模型。我们可能需要引入一种新型粒子、场或相互作用来解释我们看到的不和谐现象。

更大更好

在过去的 20 年中，斯隆望远镜和光谱仪在进行星系红移巡天方面一直处于世界领先地位，并最终成就了 eBOSS。斯隆巡天将继续进行新的恒星和类星体地图绘制，我们的成功激励了天文学家计划进行更大规模的星系巡天，覆盖更广泛的宇宙历史。其中一个已经开始早期科学运行的项目称为暗能量光谱仪 (DESI)。该巡天将使用位于亚利桑那州基特峰国家天文台 (Kitt Peak National Observatory) 梅耶尔望远镜 (Mayall Telescope) 上的 5,000 光纤多目标光谱仪，创建更深、更密集的宇宙地图。新型光谱仪能够同时观测 5,000 个目标，并安装在一台主镜直径约为斯隆望远镜两倍的望远镜上。5,000 根光纤中的每一根都将由专用机器人定位，而不是依赖人工。在五年内，DESI 将创建一个比斯隆巡天大 10 倍以上的星系巡天。

计划于 2022 年发射的欧几里得卫星任务 (Euclid)，由欧洲航天局 (European Space Agency) 领导，也将进行大规模星系红移巡天。欧几里得卫星将利用其天基视角来避免地球大气层引入的模糊性，观察比从地面清晰可见的更高的红移——即更远的距离。它将测量约 2500 万个星系的红移。除了 DESI 和欧几里得卫星外，还在计划在更大的 10 米级望远镜上建造更大的多目标光谱仪，这应该能够使我们对宇宙的理解向前迈进一大步。

*编者注（2021 年 4 月 26 日）：此句子在发布后进行了修订，以更正有关暗能量和物质的引力效应对膨胀速度的改变方式的描述。