繪製暗能量分佈圖還原宇宙一百一十億年歷史


天文學家即將開始一項至今最雄心勃勃的星系測繪計劃,在接下來的五年內,他們將進行最大規模的星系光譜巡查,捕捉三千五百萬個星系的光譜,重建宇宙膨脹的歷史,盡顯露暗能量的本質。暗能量是一種推動宇宙加速膨脹的神秘力量。

這款名為暗能量光譜儀(Dark Energy Spectroscopic Instrument)的設備,將於今年9月開光使用,在調試完成後,預計2020年1月,它會使用基特峰(Kitt Peak)國家天文台的梅奧爾(Mayall )四米望遠鏡,對北方天空進行觀測。暗能量光譜儀的建造費用預算為七千五百萬美元,約七成半資金來自美國能源部,其餘來自英國和法國。

在1998年,科學家首次發現暗能量的有力證據。20年後,新一代實驗開始,暗能量光譜儀則是新一代研究宇宙膨脹歷史系列實驗中的第一個,此外還包括將於本世紀20年代啟用的地面和太空天文台。

這次巡查將重建宇宙一百一十億年的歷史,有望回答關於暗能量的最基本問題:它是一種遍及時空的統一的力,還是它的力量已經過了百幾億年的進化?


巡查將通過測量早期宇宙的特徵:重子聲波振盪(baryon acoustic oscillations)來追蹤宇宙膨脹的變化情況。這些振盪是物質密度的波動,會在星系聚集的太空周圍留下球形印記。星系最集中分佈於這一印記的中心名為超星系團(super cluster)的區域及其邊緣,這些區域之間有巨大的空隙。

超星系團形成於暗物質在自身重力作用下聚集的區域。自宇宙大爆炸後約一百萬年以來,這種原始的星系聚集模式一直保持不變。隨著宇宙不斷膨脹,重子聲波振盪一直在追蹤它的膨脹。現在,它們約有三億二千萬秒差距(十億光年)寬。宇宙學家用這個距離作為標準,通過追踪重子聲波振盪的大小,來重建宇宙本身是如何膨脹的。

跟蹤重子聲波振盪需要通過測量星系的紅移從而繪製出星系的立體圖譜。紅移測量的是星系遠離銀河系的速度,這會指星系與銀河系之間的距離。測量的星系紅移越多,重子聲波振盪跟蹤就越精確。此前研究總共繪製了近二百四十萬個星系的圖譜,最新研究將繪製三千五百萬個星系的光譜。

【圖:基特峰國家天文台;文:節錄自國家航天局網頁;新聞訊息由林景明提供】

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