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CERNET第24届学术年会
选择字体:    科技日报    发布时间:2013-10-29

“三驾马车”欲揭暗能量神秘“面纱”

  据英国《经济学人》杂志网站近日报道,现在,有三大或已开始或即将进行的新实验都试图揭开蒙在暗能量身上的神秘“面纱”,不过,也有科学家反其道而行,认为暗能量并不存在。孰是孰非,唯有靠数据来说话。

  探究宇宙的起源有助于认识暗能量

  早在上世纪20年代,宇宙学家们就认识到,宇宙正在远离我们。而且,星系距离我们越远,其退行速度也越快。从逻辑上来说,这暗示着,万事万物都曾身处同一个地方。这一发现催生了我们现在熟知的宇宙大爆炸理论。宇宙大爆炸理论也成为现代宇宙学的起源。

  然而,1998年,新一代的宇宙学家们发现,宇宙不仅在膨胀,而且其膨胀的速度也越来越快。是什么造成这种宇宙加速膨胀呢?没有人知道,为了便于理解,科学家们将这一“幕后黑手”称作“暗能量”。尽管直到现在,我们仍然不知道暗能量究竟有何属性,但我们对其影响却已略知一二,因此,我们可以计算出其数量。

  据科学家们测算,暗能量占据了宇宙总质量的三分之二,由于E=mc2,所以,其也占宇宙总能量的三分之二。因此,如果人们不能理解暗能量,就无法真正理解我们身处的宇宙。

  这也是宇宙学家们希望能够更快更好地认识暗能量的原因。现在,有三大已经进行或即将进行的新实验(其中两个实验在智利进行,一个实验在美国夏威夷进行),将有助于我们揭开蒙在暗能量头上的神秘“面纱”。这些实验无一例外地都将回溯到宇宙形成之初,并且会以前所未有的精度测量星系以及星系团之间的关系。这些实验成功完成后,尽管我们仍然无法全面了解暗能量的“性格”,但至少我们会知道得更多一点。

  这三大实验的理论基础都是暗能量确实存在。但也有少数宇宙学家并不认同这一点。当然,他们并不否认导致其他人假定暗能量存在的观察,而是否认暗能量存在这一结论。对他们来说,这些新实验或许也为他们提供了证实暗能量是否真正存在的机会。

  “三驾马车”朝暗能量进发

  新实验中最先进的设备是重达5吨、分辨率高达570兆(百万)像素的暗能量照相机,其去年被科学家们安放在位于智利托洛洛山的美国洲际天文台。托洛洛山海拔2200米,是一座既与纵贯南美大陆的安第斯山脉相连又孤零零的山峰,山区一年四季天气晴朗,很少有云雾,每年约有300天可以观察天体,是世界上少有的观察天体的好地方。据信,这一照相机已经准备好开始工作,每晚可为天空拍摄400张10亿字节的图像,5年时间总共将拍摄525个晚上。

  这一照相马拉松活动是“暗能量调查(DES)”项目的一部分,这一项目由美国芝加哥大学的乔舒亚·弗里曼领导。弗里曼计划对天空八分之一的范围进行扫描,对10万个星系团进行调查,测量这些星系团内的3亿个星系与地球的距离。

  DES项目的最终目标是追踪星系团的大小和形状随时间如何发生变化,从而为科学家们提供重力和暗能量之间如何角力的详情。重力会让宇宙的膨胀减速,导致星系团变得更加紧密;而暗能量则会让宇宙的膨胀加速,导致星系团分崩离析。因此,星系团收缩或膨胀的速度就彰显了重力和暗能量之间的相对强度。

  弗里曼和同事无法跟踪给定星系团内发生的变化,因为他们看到的仅仅是历史某一瞬间发生的情况,但是,通过查看不同时期多个星系团之间的差异就可以让他们获得更多信息。

  以前的观察已经表明,在宇宙长达137亿年的生命中,有一大半时间里,重力占据了主动,但在大约60亿年前,暗能量开始掌权。DES项目尤其希望能对这一过渡时期进行研究,他们的想法是通过研究大约100亿光年远的星系团这一简单的办法来获得100亿年前宇宙的情况。

  第二个新实验是由日本东京大学科维理宇宙物理学与数学研究所的理论物理学家村山齐(音译)领导的“图像和红移的斯巴鲁测量(SuMIRe)”,这一项目在美国夏威夷进行。它将于明年开始收集数据,其数据收集方式与DES类似,但其方法更好。

  尽管这一项目只对宇宙十分之一而非八分之一的范围进行扫描,但其能看得更远:远至130亿光年而非100亿光年。另外,与DES项目相比,SuMIRe项目的装备也更精良,尤其是其拥有一个能对红移进行调查和分析的积分光谱仪。

  红移是宇宙学家们获得信息最重要的渠道之一,红移会告诉科学家们星系与我们的距离。红移由多普勒效应造成,由于多普勒效应,从离开我们而去的恒星发出的光线光谱会向红光光谱方向移动。美国天文学家埃德温·哈勃于1929年确认,遥远的星系均远离我们地球所在的银河系而去,同时,它们的红移随着它们的距离增大而成正比地增加。这一普遍规律称为哈勃定律,它成为星系退行速度及其和地球的距离之间的相关基础。这就是说,一个天体发射的光所显示的红移越大,该天体的距离越远,它的退行速度也越大。DES项目缺乏光谱仪,因此,其必须依靠其他望远镜来测量红移。拥有积分光谱仪是SuMIRe项目的一个巨大优势。

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