揭示宇宙的遠古歷史

文/鐵文霖

日本國家天文臺、東京大學以及其他機構的研究者已開始使用建在夏威夷的斯巴魯望遠鏡上的新型廣角相機Hyper Suprime-Cam來探測宇宙暗物質的分布情況，探測的區(qū)域十分廣闊。最初，他們對巨蟹座附近的一片大小為2.3平方度的區(qū)域展開探測，結果發(fā)現了9個巨大的暗物質團，每一個暗物質團的質量都相當于一個星系群。暗能量左右著宇宙的膨脹，要了解暗能量所起的作用，就必須研究暗物質的分布情況和這種分布的變化規(guī)律。最初的觀測結果表明，天文學家已具備了一定的技術和手段，他們有能力去了解暗能量。因此，研究小組的下一步是要把探測范圍擴大至1000平方度，并以此來揭開暗能量和宇宙膨脹之謎。

暗能量制約了宇宙的膨脹。 要想弄清楚暗能量的性質，先要摸清暗物質在廣闊宇宙中的位置，這是基礎，也是關鍵。最初的觀測結果表明，借助現有的研究技術和Hyper Suprime-Cam相機，研究小組有能力探究宇宙中暗物質分布的變化規(guī)律，解開暗能量之謎，從而全面仔細地研究宇宙的膨脹過程。

聰宮崎駿博士是Hyper Suprime-Cam的主要研制者，在日本高級技術中心下轄的國家天文臺工作，是研究小組組長。他對Hyper Suprime-Cam的拍攝能力予以了肯定?！艾F在，我們既有技術又有設備，我們有能力去探索暗能量。我們準備用Hyper Suprime-Cam的探測數據繪制一張暗物質位置圖，它將涵蓋1000平方度的區(qū)域，全面而準確地揭示宇宙的膨脹過程?！?/p>

1929年，天文學家埃德溫·哈勃發(fā)現宇宙在膨脹。自那以后，天文學家就沿用著一個暫時為人所接受的理論模型，這個模型中包含著一個宇宙膨脹速度參數，速度值會隨時間推移而變小。以前，引力是人們所知的唯一作用于星系之間的力，它抑制著宇宙的膨脹。但是，在20世紀90年代，天文學家研究遙遠的超新星的時候，他們發(fā)現宇宙在加速擴張。

科學家只有打破對物理學的固有認識，才能明白他們發(fā)現了什么：他們要么相信宇宙間存在著某種暗能量，它產生的斥力迫使眾多星系相互遠離，要么就得對引力物理做根本性修正。

宇宙膨脹速度與天體形成速度之間存在著某種關系，研究這種關系有助于解開宇宙加速擴張的奧秘。比如，如果宇宙正在快速膨脹，那么星系的聚合成形過程就會變長。反之，如果宇宙在緩慢地膨脹，那么像星系這種天體結構的形成速度就會加快。實際上，天體結構的形成與宇宙膨脹是有直接聯系的。人們很難證明暗物質的存在，也難以證實它影響著宇宙的擴張，其中難就難在宇宙中的大部分物質都是暗淡無光的。由于望遠鏡是依靠聚光來成像的儀器，所以人們沒法直接用望遠鏡觀測不發(fā)光的東西。

有一種技術可以克服這一困難，那就是“弱透鏡效應”的探測分析技術。暗物質團就像個透鏡，它能讓從后方遙遠天體射來的光線偏轉。也許，通過分析背景光的偏轉程度以及背景天體形狀的變形程度，人們就能弄清前景中的暗物質是如何分布的。通過對暗物質以及暗物質對空間的彎曲作用的分析，天文學家理清了暗物質聚集的過程。暗物質的聚集過程可能與宇宙的膨脹過程有關，而暗能量的某些物理性質、能量的強弱及變化情況可能也會隨著暗物質的凝聚而顯露出來。

為了獲得足夠的數據，天文學家需對遙遠的星系進行觀察，那些星系與我們的距離超過了10億光年，分布區(qū)域超過10 0 0平方度（大約占整個天空區(qū)域的1/40）。以前，天文學家曾把斯巴魯望遠鏡和Suprime-Cam結合使用，以在廣闊的區(qū)域內搜尋遙遠的昏暗天體，頗見成效。這兩個設備都是高規(guī)格設備，斯巴魯望遠鏡的光圈直徑為8.2米，Hyper Suprime-Cam的前身Suprime-Cam的觀測視野為0.1平方度（相當于月亮大?。?。

但這次， 即使是如此高性能的觀測設備也看不了那么遠，天文學家無法用它來觀測那片10 0 0平方度的區(qū)域。聰宮崎駿博士說：“因此，我們用了10年時間研制Hyper Suprime-Cam，它的圖像質量和Suprime-Cam相差不多，但視野大了7倍多?！?/p>

2012年，人們給斯巴魯望遠鏡裝上了Hyper Suprime-Cam。經過測試性觀測，該望遠鏡于2014年3月開始成為天文學界的共用設備。另外，一個“具有戰(zhàn)略意義”的觀測計劃也已付諸實施，按計劃，天文學家要在5年里做300多次夜間觀察。這架相機擁有8.7億像素，一張膠片就可以拍下9個月亮那么大的區(qū)域，而且?guī)缀鯖]有失真，圖像解析度可達到0.0001度（0.5弧秒）。

日本國家天文臺、東京大學及其合作機構的研究者使用弱透鏡效應分析技術分析了Hyper Suprime-Cam在試用期間拍下的資料。這些照片是天文學家花了2小時拍下來的，拍攝范圍為2.3平方度，照片上的眾多星系清晰可辨。通過判斷各星系自身的形狀，研究小組為前景中看不見的暗物質制作了一張?zhí)祗w圖。最后，他們發(fā)現了9個暗物質團，每個暗物質團的質量都等同于一個星系群。Hyper Suprime-Cam發(fā)現的暗物質團的周圍有許多星系群的虛像，天文學家用其他望遠鏡看到了與虛像相對應的真正的星系群。這一觀測結果證明弱透鏡效應分析技術是可靠的，由該技術得到的暗物質天體圖也是可信的。天文學家用深空引力透鏡對觀測檔案中的數據做了星團光學識別。

Hyper Suprime-Cam拍到的星系群的數量超過了天文學家根據現在的遠古宇宙演化模型推測出的星系群數量。由于研究小組把暗物質搜尋范圍擴大到了他們期望的1000平方度，所以他們應該能從這些數據中分辨出這種實際值超出理論值的現象究竟是真實情況還是統計上的巧合。如果實際值真的大于理論值，就說明存在于遠古宇宙中的暗能量并沒有人們料想的那么強，這為宇宙的緩慢膨脹提供了條件，也使得恒星和星系得以快速形成。

利用弱引力透鏡效應搜尋暗物質的做法就是利用與天體質量相關的特性來尋找天體，人們在發(fā)現某一天體的同時，也測算出了它的質量。用此方法，人們可以直接得到天體質量，而用其他尋找方式就做不到這一點。因此，研究暗物質的質量分布是準確了解宇宙膨脹的重要方法。