“找把尺子量宇宙” 中国科学家探索暗能量之谜

在浩瀚宇宙的数十亿个星系中，有一个“测量尺”。有了它，科学家可以测量宇宙膨胀的速度，然后探索驱动宇宙膨胀的神秘力量——什么是暗能量，并推测宇宙的命运。

最近，中国天文学家已经成功地使用这一“标尺”，根据他们对100多万个星系的观察，重建了宇宙暗能量的演化历史。研究发现暗能量是“动态的”。

“这意味着导致宇宙膨胀的暗能量可能不是像许多科学家以前认为的密度恒定的真空能量，而是一个具有动态特性的能量场。”领导这项研究的中国科学院国家天文台研究员赵公博说。

国际权威学术期刊《自然天文学》最近在网上公布了赵公博团队关于暗能量的研究成果。

如果暗能量是真空能量，那么宇宙将继续膨胀，并以“大撕裂”告终。但如果暗能量是动态的，那么宇宙可能会经历膨胀、收缩和再膨胀，从而形成一个圆形的宇宙。”赵红波说道。

科学家用类星体来测量宇宙。(照片由中国科学院国家天文台提供)

寻找“天堂的统治者”

宇宙如此之大，科学家如何测量它？赵公博介绍说，大自然提供了一把神奇的尺子:重子声波振荡。

他解释说，在宇宙的早期，重子、光子和其他成分处于高温、高密度流体的状态，就像一锅粥。宇宙创造留下的原始扰动在这种流体中传播，导致流体密度、温度、压力等时间序列的周期性变化。这种传播机制本质上与声音传播机制相同，所以科学家称之为重子声振荡。

大爆炸后大约38万年，冷却的宇宙从“一锅粥”变成了透明的，重子声波振荡的传播突然停止，振荡信息在时间和空间上“冻结”。但是它巨大的能量改变了宇宙中物质的分布，最终驱使星系以特定的方式分布。

2005年，重子声振荡信号首次被发现，宇宙学家最终获得了梦寐以求的“天堂的统治者”来测量宇宙是平的还是弯曲的，以及它膨胀的速度。

但这只是第一步。科学家仍然需要精确地测量宇宙。

自2012年以来，赵公博的团队一直使用新墨西哥阿帕奇峰天文台的斯隆望远镜从星系和类星体的观测数据中获得高精度的重子声振荡信号。

“重子声振荡观测的精度越来越高。以前的观察集中在很短的时间内，我们使用了一种新的方法，比如对更远的宇宙进行CT扫描，来了解更多关于宇宙进化的历史。”赵红波说道。

根据“测量尺”，天文学家将绘制一张宇宙的三维地图。

重子声波振荡是大自然提供的“天尺”(由中国科学院国家天文台提供)

寻找暗能量

1929年，美国天文学家哈勃发现大多数星系的光谱都有红移，表明这些天体正在逐渐远离我们，这意味着整个宇宙处于膨胀状态。这一发现震惊了当时的世界，打破了宇宙几千年来都是静止的观点。

那时，人们希望宇宙的膨胀会减慢，这样宇宙的未来可能仍然是静止的。然而，在1998年，由美国和澳大利亚科学家领导的两个研究小组发现，在超新星观测中，宇宙几乎同时在加速膨胀。

科学家假设了一种未知的神秘力量，可以加速宇宙的膨胀，称为暗能量。目前，科学家对暗能量的性质知之甚少。科学家们已经提出了许多暗能量的理论模型，例如中国科学院高能物理研究所研究员张新民提出的极低频暗能量模型。目前，赵公博团队使用斯隆望远镜的观测结果与张新民的暗能量模型一致。

为了检验许多理论预测，通常需要大规模的数值模拟。“我们用中国的天河计算机和一些国外的超级计算机模拟了大约2000个宇宙进行数据分析。”赵红波说道。

斯隆望远镜。(照片由中国科学院国家天文台提供)

在科学家的电脑上，数十亿年过去了，星系形成了，宇宙进化了。

“我想知道宇宙为什么在加速膨胀？这里有太多新物理了。普通物质只占宇宙的5%，剩下95%的暗物质和暗能量，我们仍然不知道。一旦有一天我们知道了暗能量是什么，它将带来物理学的一场革命。”赵红波说道。

据报道，在未来5至10年，中国和国际社会将运行一些大型地面和空间暗能量项目。例如，中国未来的空间站将包括一个光学模块，这是一个直径2米的太空望远镜。对暗能量的研究将是它的主要科学目标。(记者于飞)

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