138億年前的宇宙絕響 | 賽先生天文
我們?nèi)绾瘟私?38億年的宇宙在誕生之初的故事？如果沒有所謂的時光機(jī)，這幾乎是一個不可能的事。但我們所處的宇宙神奇之處就在于，總有一些痕跡與絕響跨過百億年的時間長河，被我們捕捉到。本期賽先生天文，讓我們跟隨作者的腳步，聆聽宇宙誕生初期的絕響，一窺暗物質(zhì)、暗能量的痕跡。
趙成 | 撰 文
王馨心、呂浩然 | 責(zé) 編
“遂古之初，誰傳道之？”我們的先人在2500年前就已經(jīng)對宇宙的起源、結(jié)構(gòu)和演化進(jìn)行了系統(tǒng)性的思考，并對當(dāng)時的宇宙觀提出了深刻的詰問，是為“天問”。今天，借助廣泛、精密的天文觀測，我們對宇宙的認(rèn)知早已同古人判若云泥。然而，現(xiàn)代宇宙論中亦多有奇幻難解之處，使得今人在夜觀蒼穹之時，也不免感慨系之、生出更多疑問和遐想來。這種對于自然規(guī)律的好奇心古今皆同，使得宇宙學(xué)天然具有一種人性的、文化的浪漫。
從古至今，人們對于宇宙最直觀的感受，當(dāng)屬它的廣袤無垠。隨著現(xiàn)代天文學(xué)的發(fā)展，我們對于宇宙的遼闊更是有了定量的認(rèn)識。天文學(xué)上的距離通常是用光在真空中沿直線旅行一定的時間后所通過的距離來計量的，光走1年通過的距離就是1光年，約9.5萬億千米。那么宇宙有多大呢？可觀測宇宙的半徑大約有450億光年。相較之下，人類的足跡最遠(yuǎn)只到過約1.3光秒之外的月球，而最遠(yuǎn)的人造物——旅行者1號，也才“旅行”了不到一光日。因此，人類的存在和影響力相對于宇宙尺度來說，實在是太過渺小，小到我們甚至難以對自己的渺小程度產(chǎn)生直觀的感受。然而，就是這么微不足道的人類，竟有能力一窺支配整個宇宙的物理法則，乃至預(yù)言宇宙尺度上的自然現(xiàn)象。這又讓宇宙學(xué)顯出一種科技的、文明的浪漫。
因此，宇宙學(xué)的研究，既是在滿足人類好奇心的極限，也是在挑戰(zhàn)人類想象力的極限。長久以來，這門古老的學(xué)科一直駐足于哲學(xué)上的思辨，直到1915年愛因斯坦提出廣義相對論開始，宇宙學(xué)才真正成為一門系統(tǒng)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)。隨后的大爆炸理論更是將最宏大的宇宙與最微小的微觀粒子緊密地聯(lián)系在了一起，讓物理學(xué)上的“極大”與“極小”以一種奇妙的方式相遇，仿佛“銜尾蛇”一樣（圖 1）。近30年來，得益于技術(shù)的發(fā)展，各式各樣的宇宙學(xué)觀測項目如雨后春筍般層出不窮，新進(jìn)展數(shù)不勝數(shù)。千禧年后授予宇宙學(xué)相關(guān)研究的諾貝爾物理學(xué)獎就有5次（2006/2011/2017/2019/2020）。可以說，我們正處于宇宙學(xué)發(fā)展的“黃金時代”。
天文觀測促使宇宙學(xué)進(jìn)入“黃金時代”的同時，也對物理學(xué)提出了重大的挑戰(zhàn)。粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的所有基本粒子均已被發(fā)現(xiàn)，而以宇宙微波背景輻射（CMB）為代表的的觀測卻表明這些已知粒子只占到了現(xiàn)今宇宙能量組成的5%左右，正是這5%，組成了我們，以及我們看得見、摸得著的萬事萬物。而在我們一切經(jīng)驗之外的那95%中，有約25%是暗物質(zhì)，約70%是暗能量（圖 2）。這“兩暗”可謂是籠罩在現(xiàn)代物理學(xué)上的兩朵“烏云”，是對粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的嚴(yán)峻考驗，卻也可能孕育著下一代物理學(xué)革命。
早在90年前，天文學(xué)家就注意到，某些星系團(tuán)不足以通過可見物質(zhì)的引力來維持自身結(jié)構(gòu)。也就是說，必然有某種不可見的物質(zhì)提供了額外的引力，這是最早的暗物質(zhì)觀測證據(jù)[2]。此后，暗物質(zhì)的存在得到了越來越多獨立觀測數(shù)據(jù)的證實，并開始被廣泛接受。1998年，美國加州伯克利大學(xué)索爾·珀爾馬特研究組和澳大利亞國立大學(xué)布萊恩·施密特及美國約翰·霍普金斯大學(xué)亞當(dāng)·里斯合作組兩個超新星研究小組獨立發(fā)現(xiàn)了宇宙的加速膨脹[3,4]，這意味著宇宙中必然存在著某種斥力，否則，在引力的作用下，宇宙只會坍縮或者減速膨脹。于是，人們普遍將這種斥力歸因于神秘的暗能量。
現(xiàn)今的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型預(yù)言，從宇宙誕生約5萬年左右起，宇宙中的物質(zhì)在能量組成中先是占據(jù)主導(dǎo)地位。此時的宇宙是減速膨脹的，這一階段持續(xù)了100億年左右。到距今約40億年前，暗能量開始逐漸占據(jù)上風(fēng)，并驅(qū)使宇宙加速膨脹。另一方面，引力會使物質(zhì)聚集，從而產(chǎn)生星系、星系團(tuán)，乃至超星系團(tuán)等結(jié)構(gòu)。然而，宇宙的膨脹卻會帶動物質(zhì)相互分離，從而阻止或者減緩結(jié)構(gòu)的形成。因此，如果能測量宇宙的膨脹歷史和結(jié)構(gòu)形成歷史，我們便能知悉暗物質(zhì)和暗能量的一些特性，從而加深對這兩朵“烏云”物理本質(zhì)的理解、甚至取得解開它們奧秘的鑰匙。
要想考察宇宙的演化歷史，最直接的辦法就是測量宇宙中的物質(zhì)在不同歷史時期的分布，繪制一幅三維的宇宙地圖。值得一提的是，由于光速有限，天體愈是遙遠(yuǎn)，它們的光線到達(dá)地球所需的時間就愈長。因此，即使是三維空間中的宇宙地圖，也自然會帶有時間演化的信息，讓我們得以回溯宇宙的歷史。這幅地圖最基本的組成單元主要是星系，我們的任務(wù)便是盡可能詳盡地普查宇宙中星系的三維坐標(biāo)。
物體在天空中的二維坐標(biāo)相對容易獲得，然而要測定它們的距離卻殊為不易。為此，我們需要測量星系的光譜，也就是星系光線中不同顏色成分的強(qiáng)度分布。同一類星系的光譜中往往包含一些特定的特征，通過比較不同星系光譜中這一特征的顏色，我們就能計算出星系的“紅移”，也就是光線變紅（波長增大）的程度。而星系的紅移主要是由宇宙膨脹引起的，它們距離我們越遠(yuǎn)，紅移就越強(qiáng)。因此，由星系的紅移我們便能推知它們的距離。這就是為什么繪制宇宙三維地圖的觀測項目通常被稱為“星系光譜巡天”或者“星系紅移巡天”。
斯隆數(shù)字化巡天（SDSS）項目利用口徑2.5米的SDSS望遠(yuǎn)鏡，在21世紀(jì)的前二十年一共測量了數(shù)百萬個星系的光譜，由此我們繪制了從110億年前至今的宇宙三維地圖[5]（圖 3）。這是迄今為止最全面、最詳盡的宇宙地圖。為此，SDSS望遠(yuǎn)鏡搭載了接有1000條光纖的光譜儀，其中每條光纖均可將一個獨立天體發(fā)出的光線導(dǎo)入光譜儀中進(jìn)行光譜測量。而目前最大的星系光譜巡天——暗能量光譜儀（DESI）使用的是口徑4米的梅爾（Mayall）望遠(yuǎn)鏡，并搭載有5000條光纖，仿佛凝視深空的5000只眼睛。它們理論上可以同時測量5000個不同星系的光譜，從而大大提高了巡天效率。DESI自2021年起開始運行，在3個月內(nèi)便已測量了超過百萬個星系的光譜，并計劃到2026年將這一數(shù)字?jǐn)U充至3千萬。
有了三維地圖，我們還需要從中提取出宇宙的演化信息。幸運的是，星系的分布中隱藏著一把可以用于丈量宇宙大小的“標(biāo)準(zhǔn)尺”。這把“尺子”會隨著宇宙的膨脹等比例地變長，因此，測得了這把“尺子”的長度變化過程，也就知道了宇宙的膨脹歷史[6]。
這把尺子的形成還得從宇宙的早期說起。宇宙誕生之初，各處的密度雖十分均勻，但局部仍然存在微小的起伏。這種密度的不均勻性會以聲波的形式向外傳播，形成一個球殼形的波紋，就像在平靜的水池里滴入一滴水所形成的漣漪一樣。到宇宙38萬歲時，由于宇宙的溫度隨著膨脹不斷降低，這種聲波會突然被凍結(jié)住?！皾i漪”便不再向外擴(kuò)散，而是固定在時空背景之上，只隨著宇宙的膨脹而逐漸變大（圖 4）。這曲遙遠(yuǎn)宇宙華章的絕響便遺留至今，直到被我們“聽見”。
從星系的分布中，我們能測量到不同距離處這一“漣漪”的半徑，從而獲知宇宙在不同歷史時期中的大小。SDSS項目正是據(jù)此，獨立于CMB和超新星的觀測得到了宇宙加速膨脹的結(jié)論[7]。同時，人們還在繼續(xù)深入挖掘已有的宇宙三維地圖數(shù)據(jù)，試圖從宇宙過去110億年中的膨脹經(jīng)歷中獲知暗能量演化的更多細(xì)節(jié)。這也是一代又一代星系巡天項目孜孜以求的目標(biāo)。
目前，我們對暗物質(zhì)和暗能量的了解仍十分有限，這是因為現(xiàn)有的數(shù)據(jù)依然不足以支持我們對這“兩暗”的性質(zhì)作出太多確切的斷言。然而，隨著觀測數(shù)據(jù)的穩(wěn)步增長，我們對逐步揭開它們神秘的面紗的結(jié)局有著越來越強(qiáng)的信心。只是這一過程仍然長路漫漫，需要大量的人力物力投入。
人力方面，參與過SDSS項目的研究人員大部分也都活躍在DESI項目中，很多曾經(jīng)的新手如今已陸續(xù)開始組建獨立的團(tuán)隊，迎來更多年輕的血液。DESI項目在1000余名研究人員的協(xié)力同心下，正順利地進(jìn)行著。除了中科院國家天文臺、上海天文臺、北京大學(xué)、上海交通大學(xué)、清華大學(xué)等國內(nèi)機(jī)構(gòu)以外，還有一大批在海外研學(xué)的中國學(xué)者參與其中。物力方面，歐洲和美國都在計劃下一代的大型星系光譜巡天，而由清華大學(xué)牽頭、籌建于青海冷湖口徑6.5米的寬視場巡天望遠(yuǎn)鏡（MUST）更是有望拔得頭籌，成為國際上第一個建成的下一代光譜巡天項目。
總而言之，在星系巡天宇宙學(xué)的研究中，中國學(xué)者有望發(fā)揮重要的作用，在宇宙學(xué)的黃金時代取得豐碩的成果。在不久的將來，我們或許能在冷湖之畔，欣賞遙遠(yuǎn)宇宙的遺音絕響，從而走近那神秘的暗物質(zhì)和暗能量。
作者簡介：
趙成，清華大學(xué)物理系博士，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院博士后。主要從事星系巡天與暗能量相關(guān)宇宙學(xué)研究，也是SDSS、DESI等巡天項目的核心成員之一。
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