鲁宾天文台可以解开黑暗宇宙的秘密

拓牛李强

一幅由暗物质和暗能量组成的网络中星系的插图显示了引力透镜的影响，蓝绿色表示星系的真实位置和形状，白色表示移动的“透镜”形状和位置。(图片鸣谢:Rubin OBS/noir lab/NSF/AURA/j . Pinto)

（）据美国太空网（罗伯特·李）：一个开创性的新天文台将构建有史以来最精确的宇宙地图，在此过程中，它可能会解决两个最紧迫的科学之谜:暗能量和暗物质的性质。总的来说，这些成分构成了所谓的黑暗宇宙。

Vera C. Rubin天文台目前正在智利Cerro Pachón山的El Peón峰上开发，计划于2025年开始运营。届时，鲁宾将进行空间和时间的遗产调查(LSST)，在10年内每隔几个晚上观察整个可见的南方天空。它将在每个夜晚捕捉多达1000张天空图像，让科学家们对宇宙有一个令人兴奋的新看法，并深入了解它是如何演变的。

当它这样做时，鲁宾的宽视野将揭示暗物质如何扭曲遥远星系的图像，这将使科学家更好地绘制神秘物质的地图。而且，由于这个大规模的宇宙网络似乎将星系拉在一起，而暗能量则将其推开，这可能会揭示这种宇宙“拔河”的细节，从而揭示暗能量和暗物质如何交织在一起形成宇宙。

“有了鲁宾，我们将拥有一切，”鲁宾运筹学专家安德烈斯·亚历杭德罗·普拉扎斯·马拉贡(Andrés Alejandro Plazas Malagón)在一份声明中表示。“我们将测量比现在更多的星系的属性，这将为我们提供统计能力，利用弱透镜来绘制暗物质的分布，并研究暗能量如何随时间演变。”

鲁宾是如何揭示黑暗宇宙的

暗物质和暗能量对研究人员的研究具有挑战性，因为即使它们占宇宙总能量和物质含量的95%(暗物质代表27%，暗能量代表68%)，但它们对我们来说本质上是不可见的。这意味着构成恒星、行星和我们周围日常事物(包括我们的身体)的物质只占宇宙内容的5%。

暗物质看不见的原因是它不与光相互作用。因此，只能通过它对光和我们实际能看到的“普通”物质的引力效应来推断。事实上，这些引力效应实际上有助于在星系旋转时将它们的内容保持在一起，这是美国天文学家维拉·c·鲁宾的发现，她以自己的名字命名了这个革命性的新天文台。虽然暗物质在内部将星系聚集在一起，但这些星系本身也聚集在一起，这意味着物质在更大的范围内扩散，保持我们宇宙的结构强大。

暗能量也在更大的尺度上发挥作用，加速宇宙的膨胀——在与时空结构相互作用的同时，越来越快地推动星系分离。



黄昏时分出现在智利塞罗巴洪的埃尔佩尼翁峰上的维拉c鲁宾天文台。(图片鸣谢:Rubin OBS/noir lab/NSF/AURA/j . Pinto)

“你可以认为暗物质试图建立宇宙结构，而暗能量实际上试图稀释它们，并将它们分开，”Plazas Malagón说。

宇宙常数描述了暗能量的活动，但这被一些科学家描述为“物理学历史上最糟糕的理论预测”，这种说法也并不夸张。量子场论预测的宇宙常数的理论值，考虑了宇宙中的所有粒子，比天文学家观测宇宙测得的值大120个数量级。

这相当于测量一袋糖，发现它重1磅，而你对单粒糖的计数预测它应该重10^120磅(1后面跟着120个零)。

鲁宾可以帮助确定宇宙常数的精确值，他可以利用一种叫做引力透镜的现象更好地绘制不可见的、跨越宇宙的暗物质宇宙网络，这种现象由阿尔伯特·爱因斯坦在1915年的广义相对论中首次预测。

广义相对论认为有质量的物体对宇宙结构有“扭曲”效应。质量越大，扭曲越严重。从时空的扭曲中，重力的概念产生了。



一幅插图显示了光线在穿过暗物质的宇宙网络时被引力透镜弯曲。(图片鸣谢:Rubin OBS/noir lab/NSF/AURA/j . Pinto)

当光通过时空中的一个扭曲或“凹痕”时，它的路径就会弯曲。这意味着，当一个质量很大的物体位于地球和远处光源之间时，来自背景光源的光可以绕过介入物体，根据它们掠过介入物体本身的距离，这些光会弯曲到不同的极端。有时候，那些路径导致光的来源从我们地球上的有利位置看起来被放大了。这种现象被称为“引力透镜”

暗物质也有质量；因此，尽管物质的神秘形式本身并不与光相互作用，它也参与了光的弯曲。这种效应已经被用来确定大多数星系都被一个暗物质环所包围。

在被称为“强透镜”的极端情况下，弯曲时空的效应会导致物体在同一张图像中出现多次，或者导致背景物体出现模糊或扭曲。这可以放大光线，让远处模糊的物体清晰可见。然而，还有更微妙的引力透镜现象，称为“弱透镜”，它们本身就很有用。

斯坦福大学博士候选人西奥·舒特在声明中说:“如果强透镜就像透过酒杯底部观看，那么弱透镜就像透过一扇巨大的、非常微妙扭曲的窗户观看。”

弱透镜效应不仅会出现在大质量物体(如星系或星团)产生的强透镜效应的边缘，还会出现在被认为弥漫宇宙的大规模暗物质宇宙网中。这导致了遥远星系的细微扭曲，这种扭曲通常太轻微了，以至于它们自己看不到，但是当考虑到同时对几个星系的累积扭曲效应时，这种扭曲是可以计算的。

这最终意味着，要看到宇宙暗物质网络导致的弱透镜效应，需要一个庞大的星系数据集和整个天空的集体扭曲视图。

这就是鲁宾的用武之地。

凭借其8.4米望远镜提供的巨大视野，配有世界上最大的数码相机，该天文台将能够可视化大片天空，并收集数十亿个星系及其形状的数据。事实上，鲁宾可能如此强大，以至于它有可能提出证据，证明暗物质和暗能量根本不是宇宙的正确成分——而且可能需要一个修正的引力理论来解释我们周围看到的宇宙。

“暗能量是一个符合爱因斯坦广义相对论中公认的引力理论的概念，但鲁宾和LSST也将允许我们探索它的替代物，这也令人难以置信地兴奋，”Plazas Malagón总结道。