新的暗能量实验可能解决宇宙最大的奥秘之一

  作为天文学家,没有比使用新仪器或望远镜获得“初光”更好的感觉了。这是多年准备和建造新硬件的高潮,这是第一次从天文物体中收集光粒子。通常紧接着是松一口气,然后是现在所有可能出现的新科学的激动。

  10月22日,美国亚利桑那州Mayall望远镜上的暗能量光谱仪(DESI)取得了第一束光。这是我们测量星系距离的能力的巨大飞跃,从而开启了绘制宇宙结构的新纪元。顾名思义,这也许是解决物理学中最大的问题之一的关键:什么构成了占宇宙70%的被称为“暗能量”的神秘力量?

新的暗能量实验可能解决宇宙最大的奥秘之一

  宇宙很笨拙。星系以几个到数十个星系的形式生活在一起。也有数百到数千个星系和超集群的集群,其中包含许多这样的集群。

  宇宙的层次结构是从宇宙的第一张地图得知的,该地图看起来像是先驱的天体物理学中心(CfA)Redshift Survey的图表中的“火柴人”。这些惊人的影像是宇宙中大型结构的第一眼,其中一些跨越了数亿光年。

  CfA调查是一次很费力地构建一个星系。这涉及到测量星系光的光谱-将光按波长或颜色划分-并确定某些化学元素(主要是氢,氮和氧)的指纹。

  由于宇宙的膨胀,这些化学特征被系统地转移到更长的红色波长。这种“红移”是天文学家维斯托·史列弗(Vesto Slipher)首次发现的,并引起了现在著名的哈勃定律 –观察到更遥远的星系似乎以更快的速度消失。相比之下,这意味着相距较近的星系移动相对较慢-与相距较远的星系相比,它们的红移较少。因此,测量星系的红移是一种测量其距离的方法。

  至关重要的是,红移和距离之间的确切关系取决于宇宙的膨胀历史,可以根据我们的引力理论以及对宇宙物质和能量密度的假设从理论上计算得出。

  所有这些假设最终都在世纪之交经过测试,并结合了新的宇宙观测结果,包括来自较大的红移测量的新3D地图。尤其是,斯隆数字天空勘测(SDSS)是第一台专用的红移勘测望远镜,可以测量超过一百万个星系的红移,将宇宙中的大规模结构映射到前所未有的细节。

  SDSS地图包括数百个超级团簇和细丝,并帮助做出了意外的发现-暗能量。他们表明,宇宙的物质密度远远低于宇宙微波背景所期望的,宇宙背景是宇宙大爆炸留下的光。这意味着必须存在一种被称为暗能量的未知物质,它推动了宇宙的加速膨胀,并且越来越缺乏物质。

  难题

  所有这些观察的结合预示着宇宙理解的新纪元,宇宙由30%的物质和70%的暗能量组成。但是,尽管事实上大多数物理学家现在已经接受了暗能量之类的东西,但我们仍然不知道其确切形式。

  虽然有几种可能性。许多研究人员认为,真空的能量只是具有某些特殊的价值,被称为“宇宙常数”。其他选择还包括当在整个宇宙的巨大规模上应用时,爱因斯坦极其成功的引力理论可能是不完整的。

  像DESI这样的新工具将有助于解决这个谜团。它将测量数千万个星系的红移,跨越整个宇宙,距地球最远可达一百亿光年。如此惊人的详细地图应该能够回答有关暗能量和宇宙中大型结构的创建的几个关键问题。

  例如,它应该能够告诉我们暗能量是否只是宇宙常数。为此,它将测量暗能量施加在宇宙上的压力与单位体积能量之比。如果暗能量是宇宙学常数,则该比率在宇宙时间和位置上都应恒定。但是,对于其他解释,此比率将有所不同。任何不是常数的指示都是革命性的,并且会引发激烈的理论工作。

  DESI还应该能够限制甚至杀死许多修正的引力理论,可能最大程度地证明爱因斯坦的广义相对论。或相反,这又将引发理论物理学的一场革命。

  另一个将用DESI检验的重要理论是通货膨胀,它预测原始宇宙中能量密度的微小随机量子涨落在短时间的剧烈增长期间呈指数增长,成为我们今天看到的大规模结构的种子。

  DESI只是未来十年内进行的几次下一代暗能量任务和实验之一,因此,我们有理由乐观地认为我们很快就能解决暗能量的奥秘。新的卫星任务(如Euclid)和大型地面观测站(如大型天气观测望远镜)也将提供见解。

  欧洲南方天文台还将包括DESI等其他红移仪器,包括4MOST。这些共同作用将在整个天空中提供数亿个红移,从而导致我们无法想象的宇宙图。

  似乎很久以前,当我撰写论文时仅基于700个星系的红移。这确实表明,成为天文学家是一个激动人心的时刻。


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