“找把尺子量宇宙” 中国科学家探索暗能量之谜

广袤宇宙的亿万星系间，隐藏着一把“量天尺”。有了它，科学家可以丈量出宇宙膨胀有多快，进而探索推动宇宙膨胀的神秘力量——暗能量到底是什么，并推测宇宙的命运。

近期，中国天文学家基于对100多万个星系的观测，成功地利用这把“尺子”，重建了宇宙的暗能量演化历史。研究发现，暗能量是“动态”的。

“这意味着引起宇宙膨胀的暗能量可能不是以前很多科学家认为的密度为常数的真空能，而是某种具有动力学性质的能量场。”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》最近在线发表了赵公博团队有关暗能量的研究成果。

“如果暗能量是真空能的话，那么宇宙会一直膨胀下去，最后以‘大撕裂’终结。但如果暗能量是动力学的，那么宇宙可能会经历膨胀、收缩、再膨胀，出现循环宇宙。”赵公博说。

科学家借助类星体丈量宇宙。（中科院国家天文台供图）

寻找“量天尺”

宇宙这么大，科学家怎样测量呢？赵公博介绍，大自然提供了一把神奇的尺子：重子声波振荡。

他解释说，在宇宙早期，重子物质、光子等组分像一锅粥一样处于高温、高密度的流体状态，宇宙创生时留下的原初扰动就在这样的流体中传播，造成流体密度、温度、压强等在时间序列上的周期变化，这种传播机制跟声音传播的机制从本质上是一样的，所以科学家称之为重子声波振荡。

宇宙大爆炸后约38万年，冷却下来的宇宙从“一锅粥”变为透明，重子声波振荡的传播戛然而止，振荡信息被“冻结”在时空中。但它拥有的巨大力量改变了宇宙中物质的分布，并最终驱使星系以一种特定的方式分布。

2005年，重子声波振荡信号首次被发现，宇宙学家终于获得梦寐以求的“量天尺”，用它来测量宇宙到底是平坦的还是弯曲的，膨胀速率是多少。

但这只是第一步，科学家还需要对宇宙精确测量。

从2012年起，赵公博团队利用美国新墨西哥州阿帕奇山顶天文台斯隆望远镜，从星系和类星体的观测数据中，以高精度测量得到了重子声波振荡信号。

“重子声波振荡观测的精度越来越高。以前的观测都是集中在一个很短的时期，而我们使用了新的方法，就像对更辽远的宇宙做一个CT扫描，可以知道更多宇宙演化的历史。”赵公博说。

依据“量天尺”的测量，天文学家将绘制出宇宙的三维图。

重子声波振荡是大自然提供的“量天尺”（中科院国家天文台供图）

探寻暗能量

1929年，美国天文学家哈勃发现大多数星系的光谱存在红移现象，表明这些天体在逐渐远离我们，意味着整个宇宙处于膨胀状态。这一发现当时震惊世界，打破人类千百年来“宇宙为静态”的观点。

当时人们希望宇宙的膨胀减速进行，这样宇宙的未来还有可能是静态的。但1998年，由美国、澳大利亚科学家领导的两个研究小组，几乎同时在超新星观测中发现宇宙竟然是在加速膨胀。

科学家假设了一种能推动宇宙加速膨胀的未知神秘力量，称之为暗能量。目前科学家对暗能量的本质知之甚少。科学家对暗能量提出很多种理论模型，比如中科院高能物理研究所研究员张新民提出的精灵暗能量模型。而目前，赵公博团队利用斯隆望远镜进行的观测结果与张新民的暗能量模型相符。

要检验众多理论预言，往往需要借助大规模数值模拟。“我们使用中国的天河计算机，以及一些国外的超级计算机，模拟出约2000个宇宙，用于数据分析。”赵公博说。

斯隆望远镜。（中科院国家天文台供图）

在科学家的计算机上，几十亿、上百亿年时光飞逝而过，星系形成，宇宙演化。

“我想了解宇宙加速膨胀究竟是为什么？这里有太多新物理了。普通物质只占宇宙的5%，剩下95%的暗物质和暗能量是什么我们还都不知道。一旦有一天，我们知道了暗能量是什么，将带来整个物理学的革命。”赵公博说。

据介绍，未来5到10年内，中国和国际上将运行一批大型地面和空间暗能量项目，例如，中国未来空间站中将包括一个光学舱，它就是一个直径两米的空间望远镜，研究暗能量将是其主要科学目标。（记者喻菲）