世界最大太空地圖提供暗能量線索

正如道格拉斯·亞當斯在《銀河系漫遊指南》中寫道：“太空是巨大的……你簡直無法相信它有多麼浩瀚、巨大、令人難以置信。” 我們和許多其他天文學家都將我們的職業生涯奉獻於盡可能大規模地繪製宇宙地圖——以發現宇宙到底有多大以及它是如何運作的。

我們建立的地圖對於研究驅動宇宙歷史的物理學至關重要。2020 年 7 月，我們參與的一個名為斯隆數字巡天 (Sloan Digital Sky Survey) 的 20 年專案製作了有史以來最大的宇宙地圖。它包括我們周圍的環境、太空的最遠範圍以及介於兩者之間的一切。這張三維圖表包含四百萬個星系的位置，它們像路標一樣分佈在數十億光年之上，時間跨度回溯到宇宙最早的時期。

該地圖顯示，星系並非隨機分佈。相反，它們以模式聚集：在某些區域是長絲狀和二維片狀星系；在另一些區域是幾乎不含星系的黑暗空洞。科學家們認為，這些模式在星系誕生之前就已出現，始於大爆炸後不到十億年。透過儘可能多地繪製宇宙歷史，我們可以記錄這些模式的增長，並推斷出引導其演化的基本定律。這本星系圖集為探索理解物理學中一些最大的謎團提供了關鍵資訊，例如宇宙的幾何形狀以及驅動空間加速膨脹的暗能量的本質。

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核和殼

斯隆數字巡天 (Sloan Digital Sky Survey) 使用位於新墨西哥州阿帕奇點天文臺 (Apache Point Observatory) 的斯隆基金會望遠鏡 (Sloan Foundation Telescope)，其中包括擴充套件重子振盪光譜巡天 (eBOSS) 專案及其前身 BOSS。這些工作基於星系在整個空間排列中的一種模式進行測量，稱為重子聲學振盪 (BAO)。為了理解這種模式，我們必須考慮宇宙在最初 30 萬年間的演化，從大爆炸後的最初一秒的一小部分開始。那時，宇宙經歷了一個稱為暴脹的快速膨脹時期，在此期間，宇宙膨脹得如此之快，以至於亞原子尺度在 10⁻³² 秒內變得像高爾夫球大小。在膨脹過程中，宇宙能量分佈中微小的量子漲落變得宏觀。能量密度較高的區域逐漸吸引了越來越多的物質，而其他區域則變得空曠。在接下來的 137 億年中，這些稠密的斑點形成了我們今天觀察到的星系絲狀結構、片狀結構和星系團。天文學家稱此過程為結構生長。

BAO 模式的出現是因為光和物質相互作用並影響結構形成的方式。宇宙包含兩種物質：一種與光相互作用——我們日常生活中習慣處理的普通物質——另一種不與光相互作用，稱為暗物質。在熾熱而稠密的早期宇宙中，普通物質粒子和光粒子（光子）彼此碰撞得如此頻繁，以至於它們基本上粘在一起，而暗物質可以自由地獨立移動。引力導致暗物質聚集在稠密區域的中心，但來自試圖向外傳播的光的壓力將正常物質拖走了。

大約在大爆炸後 30 萬年，當宇宙膨脹和冷卻到粒子散開且光子可以自由傳播時，普通物質和光開始分道揚鑣。首次釋放的光仍然在天空中可見，即宇宙微波背景輻射。一旦光和物質不再束縛在一起，過量的普通物質就留在了暗物質過度密集區域周圍的球形殼層中。引力將普通物質和暗物質都吸引到這些結構中，但這個過程在宇宙物質上印上了一種模式，即過度稠密的核被球形殼層包圍。這種模式被稱為重子聲學振盪特徵，具有一個稱為同動聲視界的大小，並且在我們的星系地圖中可見。

我們可以將此特徵用作我們所說的標準尺——一種方便的測量宇宙距離的方法。由於這些模式幾乎在同一時間和以相同的方式建立，因此核和殼都具有大致相同的內在大小——每個核與其殼之間大約間隔 5 億光年。但是，當我們在地圖上看到這些形狀時，它們看起來會因距離遠近而變小或變大。因此，如果我們在夜空中測量它們的視大小，並將其與我們已知的內在大小進行比較，我們就可以確定它們與地球的距離。

分散光線

這些標準尺距離計算使我們能夠測量到一組星系的平均距離，但它們本身並不能提供宇宙學資訊。為此，我們需要關於星系遠離我們速度的額外資訊。斯隆巡天計劃完全有能力提供該資訊。除了捕獲天空三分之一的深層影像外，斯隆還透過光譜學技術瞄準了兩百萬個星系和類星體（以明亮的中心黑洞為主的星系），光譜學是一種用於隔離來自物體的不同波長光的技術。這些光譜測量揭示了星系遠離我們的速度有多快，這取決於光線發射時和觀察到光線時宇宙膨脹了多少。由於這種膨脹拉伸了波長，因此光線變得更紅——這種現象稱為紅移。

每次 BOSS 和 eBOSS 觀測都使用專用的光纖電纜同時捕獲來自 1,000 個物體的光譜。每根電纜的一端都由一個鋁板支撐，該鋁板位於望遠鏡的焦平面處。在準備夜間觀測時，團隊在特製的盒式磁帶中準備了八個這樣的板，並手工將光纖插入 1,000 個孔中的每一個孔中。兩名技術人員大約需要半小時才能插入一塊板。斯隆巡天曆史上生產力最高的月份是 2012 年 3 月，當時我們使用這些板觀測了 103,000 個光譜。

我們從世界各地望遠鏡先前獲得的成像資料中選擇了目標星系。技術人員使用華盛頓大學的計算機控制機器在鋁板上鑽孔，以便當望遠鏡將其一小時的曝光時間指向天空的特定區域時，每個孔內的光纖末端都能完美地與目標星系或類星體的中心對齊。

在 2009 年 12 月至 2019 年 3 月之間的每個晚上，只要月亮不太亮，望遠鏡就會跟蹤天空中的一塊區域，光纖會將落在焦平面上的光線饋送到兩個光譜儀中。這些現代探測器相機以數字方式測量光強度作為波長的函式。有了這些資料，我們可以計算出每個星系的紅移。

在 eBOSS 及其前身 BOSS 收集資料的近 10 年間，我們測量了超過四百萬個星系的位置和紅移。由於來自遙遠星系的光線需要很長時間才能到達望遠鏡，因此 BOSS 和 eBOSS 的地圖向我們展示了 110 億年的宇宙學時間，涵蓋了宇宙歷史的大部分時間。

探測暗能量

透過將我們的紅移測量與來自 BAO 標準尺的距離估計相結合，我們能夠研究距離和紅移之間的關係——換句話說，給定傳播距離，宇宙膨脹和拉伸光線的程度。這些資訊向我們展示了過去 110 億年來空間的膨脹是如何變化的，從而使我們深入瞭解當今物理學中最大的謎團之一：暗能量。

暗能量是一種神秘的力量，它似乎正在加速宇宙的膨脹——這是 1998 年發現的一個令人驚訝的現象。暗能量最簡單的數學模型是所謂的宇宙常數 lambda，它是愛因斯坦廣義相對論場方程中的一個項，描述了空曠空間中存在的能量。這種能量可以充當排斥力，抵抗引力的向內拉力，從而加速宇宙的向外膨脹。在過去的 20 年中，這種宇宙學模型（稱為 Lambda 冷暗物質 (Lambda-CDM)）經受了許多考驗；儘管我們沒有完全理解它，但它是我們最好的模型。

然而，Lambda-CDM 也存在問題。最近的三項觀測顯示了 模型與現實之間不一致 的跡象。第一個是空間區域性膨脹率的測量值 與基於遙遠宇宙觀測的 Lambda-CDM 預測不符。第二個是宇宙微波背景輻射的觀測表明，空間可能比暴脹理論預測的略微彎曲。最後，來自遙遠星系的光線被介入物質扭曲的程度似乎比 Lambda-CDM 模型中預期的要弱。時間會證明，這些緊張關係是表明需要新的宇宙學模型的第一個跡象，還是僅僅反映了測量方面的問題。無論如何，eBOSS 的觀測都在幫助我們指出正確的方向。

例如，它們表明，當宇宙達到當前大小的 60% 時，發生了一個轉變：空間的膨脹停止減速並開始加速。這些發現與 Lambda-CDM 模型一致，該模型表明，這一點是暗能量戰勝了物質的引力效應——後者會減緩膨脹速度。*

宇宙學模型的另一個關鍵部分是空間的幾何形狀。暴脹理論預測宇宙的幾何形狀非常接近於平坦。但一些早期的宇宙背景研究表明，空間略微彎曲。使用 eBOSS 地圖，我們能夠將空間幾何形狀測量的精度提高到比以往觀測結果高 10 倍的水平。我們沒有發現宇宙是彎曲的證據，這為標準暴脹圖景提供了支援。

我們還能夠透過觀察結構（星系團和星系絲狀結構）形成的快慢來檢驗宇宙學模型。我們在巡天中測量的紅移記錄了星系相對於我們觀測者的相對速度，但沒有記錄這種運動的原因。大部分紅移是由於宇宙膨脹引起的——空間中所有物體都在彼此遠離——但部分也是由結構生長引起的。當星系落入星系團並遠離空洞時，它們的速度以及紅移也會發生變化。

受結構生長影響的速度稱為紅移空間畸變，當我們比較沿視線方向和橫跨視線方向看到的星系模式時，這種畸變會很明顯。紅移空間畸變的大小告訴我們結構生長的速率。利用來自 eBOSS 及其前身的資料，我們計算出的這個速率精度約為 3.5%。我們的結果與廣義相對論的預測相符，這很重要，因為之前一些依賴不同方法進行的測量值比我們的結果低約 10%。

總的來說，我們的測量結果沒有證據表明具有宇宙常數 lambda 的標準宇宙學模型是錯誤的。我們在結構生長、暗能量的本質或空間的幾何形狀方面沒有看到任何意外。然而，我們確實看到了我們之前提到的，基於來自區域性宇宙的資料的空間膨脹率與來自宇宙微波背景輻射的空間膨脹率之間存在的差異。例如，基於後者的測量結果發現，膨脹率為每秒每百萬秒差距 67.28 ± 0.61 公里（空間距離的測量單位），而超新星的區域性測量值高出 10%。使用我們的 BAO 測量，我們估計膨脹率約為 67 公里/秒/百萬秒差距——無論我們將我們的數字與宇宙背景資料結合還是不結合。這個值與天文學家僅觀察附近宇宙時獲得的比率之間的差異變得非常顯著，足以讓人質疑我們宇宙學模型的基本假設。可能仍然存在一個或多個輸入到這些計算中的測量值的問題，但至少同樣有可能我們需要修改早期宇宙膨脹和同動聲視界的模型。我們可能需要引入一種新型粒子、場或相互作用來解釋我們看到的不和諧現象。

更大更好

在過去的 20 年中，斯隆望遠鏡和光譜儀在進行星系紅移巡天方面一直處於世界領先地位，並最終成就了 eBOSS。斯隆巡天將繼續進行新的恆星和類星體地圖繪製，我們的成功激勵了天文學家計劃進行更大規模的星系巡天，覆蓋更廣泛的宇宙歷史。其中一個已經開始早期科學執行的專案稱為暗能量光譜儀 (DESI)。該巡天將使用位於亞利桑那州基特峰國家天文臺 (Kitt Peak National Observatory) 梅耶爾望遠鏡 (Mayall Telescope) 上的 5,000 光纖多目標光譜儀，建立更深、更密集的宇宙地圖。新型光譜儀能夠同時觀測 5,000 個目標，並安裝在一臺主鏡直徑約為斯隆望遠鏡兩倍的望遠鏡上。5,000 根光纖中的每一根都將由專用機器人定位，而不是依賴人工。在五年內，DESI 將建立一個比斯隆巡天大 10 倍以上的星系巡天。

計劃於 2022 年發射的歐幾里得衛星任務 (Euclid)，由歐洲航天局 (European Space Agency) 領導，也將進行大規模星系紅移巡天。歐幾里得衛星將利用其天基視角來避免地球大氣層引入的模糊性，觀察比從地面清晰可見的更高的紅移——即更遠的距離。它將測量約 2500 萬個星系的紅移。除了 DESI 和歐幾里得衛星外，還在計劃在更大的 10 米級望遠鏡上建造更大的多目標光譜儀，這應該能夠使我們對宇宙的理解向前邁進一大步。

*編者注（2021 年 4 月 26 日）：此句子在釋出後進行了修訂，以更正有關暗能量和物質的引力效應對膨脹速度的改變方式的描述。