4700万个星系,史上最大的宇宙三维地图正从根本上动摇宇宙学

想象一下,你手中有一张地图,记录了宇宙中数千万个星系的位置,时间跨度长达110亿年。

这不是科幻,而是暗能量光谱仪刚刚完成的工作。

今年4月,这台安装在美国亚利桑那州基特峰国家天文台梅奥尔4米望远镜上的仪器,完成了为期五年的巡天观测,绘制出迄今规模最大的高分辨率宇宙三维地图。

而这张地图带来的发现,可能正在动摇现代宇宙学的根基。

基特峰国家天文台位于亚利桑那州图森市西南,是美国重要的光学天文观测基地。

暗能量光谱仪项目由美国能源部下属的劳伦斯伯克利国家实验室管理。

它是一个规模庞大的国际合作项目,汇聚了来自全球70多家机构的1000多名研究人员,其中包括350名博士研究生、200名博士后研究人员和150名本科生。

这台仪器的“绝活”,是能够同时测量5000个天体的光谱。它的焦平面上排列着5000根光纤,每根光纤由一个微型机器人精确定位,对准一个遥远的星系或类星体。

在五年巡天中,它记录了超过4700万个星系和类星体,以及2000万颗恒星,覆盖了宇宙110亿年的演化历史。

类星体是遥远星系中心由超大质量黑洞驱动的极亮天体,它们就像宇宙深处的“灯塔”,帮助科学家测量遥远宇宙的结构。

这些数据量是此前所有同类测量总和的六倍。

通过分析天体光谱中的红移,科学家可以计算出它们的距离,从而把天空中的二维图像还原为三维的宇宙结构。

研究团队利用的一个关键工具,是被称为“重子声学振荡”的宇宙“标准尺”。

早期宇宙中的声波在物质分布上留下了特定尺度的印记,通过测量这一尺度在不同时期的大小,就能追踪宇宙的膨胀历史。

暗能量光谱仪的核心使命,是研究暗能量。

上世纪90年代末,天文学家发现宇宙不仅在膨胀,而且膨胀速度正在加快。这一发现获得了2011年诺贝尔物理学奖。

推动宇宙加速膨胀的神秘力量,被称为暗能量。

据估计,它约占宇宙总能量的近七成,但科学家至今对它的本质几乎一无所知。暗物质和暗能量合计约占宇宙的95%,我们熟悉的普通物质只占约5%。

在目前的标准宇宙学模型中,暗能量被视为一个恒定不变的“宇宙学常数”,用希腊字母λ表示。这个概念最早由爱因斯坦提出,后来又被他本人称为“一生最大的错误”,却在几十年后以新的面貌回归。

暗能量光谱仪的数据,给科学家带来了一个大大的惊喜。项目联合发言人威尔·珀西瓦尔表示,当团队第一次分析数据时,发现结果与标准模型吻合,这很好,但模型需要的参数却与预期不同,这实在令人意外。

简单来说,数据暗示暗能量可能并不是一个恒定的常数,而是会随着时间变化,并且可能正在逐渐减弱。这一线索在2024年首批结果公布时就已引起轰动,此后随着数据积累,相关迹象并未消失,反而有所增强。

如果这一结论最终得到证实,将意味着人类对暗能量乃至宇宙膨胀的理解可能存在根本性偏差。宇宙学常数这一沿用了数十年的基本假设,或许需要重新审视。

暗能量的性质直接决定宇宙的最终命运。如果暗能量保持不变,宇宙将永远加速膨胀,最终走向冰冷的“大冻结”;如果暗能量逐渐减弱,宇宙的未来可能会走向完全不同的结局。

不过,科学家们对这一发现保持着审慎态度。

目前,相关结果的统计显著性还略低于物理学界公认的“发现”标准。在粒子物理和宇宙学中,通常需要达到5西格玛的置信水平,才能宣布一项新发现。

换句话说,现有数据给出了一个强烈的“暗示”,但还不足以下定论。

为了吸引更广泛的科学界参与研究,暗能量光谱仪采取了分批公开数据的方式。前三年的数据在完成内部分析后已经公开,五年完整数据集目前仍在整理之中。

科学家还会将其与其他观测结合起来交叉验证,比如超新星观测、宇宙微波背景辐射测量,以及欧洲“欧几里得”太空望远镜等新一代巡天项目的数据。暗能量光谱仪的使命并未结束。

按计划,它将继续观测到2028年前后,随后进入第二个运行阶段,一直持续到2035年左右,期间还将进行设备升级,以保持其观测能力。中国的空间站巡天望远镜等项目也计划在未来开展大规模宇宙巡天,有望为暗能量研究贡献新的数据。

宇宙的故事远未讲完。这张前所未有的三维地图,或许正在为物理学的下一次革命埋下伏笔,而人类对宇宙最深层奥秘的追问,也将因此迈入一个新的阶段。


(科技责编:李主编 )